气升式间歇内循环生物反应器反硝化除磷机理及其调控策略研究

在我国小城镇发展过程中，污水排放量逐年增加，由氮、磷引起的水体富营养化现象日益突出。本课题在传统和现代生物脱氮除磷理论的基础上，构建了气升式间歇内循环生物反应器，采用生物膜法分区固定不同溶氧需求的微生物，利用曝气动力实现各种混合液回流过程，采用间歇进水循环方式实现硝化液在不同种群微生物之间的周期交换，采用连续膜出水方式代替重力固液分离，在单体反应器中通过强化反硝化除磷过程而实现污水中氮、磷的同步去除。本课题从考察反应器内部空间流体动力学、主要污染物降解途径、微生物群落结构及其活性变化规律入手，研究反应器不同分区及生物膜内部形成厌氧/缺氧/好氧生化环境的控制机制与原理，分析不同溶解氧分区及生物膜内部主要生化反应过程相互影响规律，探明反应器内主要功能微生物群落结构及其脱氮除磷机制，确定主要生化反应过程动力学平衡的工艺调控策略，为开发高效节能、低投资、低成本的污水处理技术奠定理论基础。

在我国小城镇发展过程中，污水排放量逐年增加，由氮、磷引起的水体富营养化现象日益突出，因此，针对我国小城镇水质水量的实际情况开发高效低耗、投资省、管理方便的小型污水处理工艺技术成为当务之急。本课题在传统和现代生物脱氮除磷理论的基础上，构建了气升式间歇内循环生物反应器，采用生物膜法分区固定不同溶氧需求的微生物，利用曝气动力实现各种混合液回流过程，采用间歇进水循环方式实现混合液在不同种群微生物之间的周期交换，采用连续膜出水方式代替重力固液分离，在单体反应器中通过强化反硝化除磷过程而实现污水中氮、磷的同步去除。本课题从考察反应器内部空间流体动力学、主要污染物降解途径、微生物群落结构及其活性变化规律入手，研究反应器不同分区及生物膜内部形成厌氧/缺氧/好氧生化环境的控制机制与原理，分析不同溶解氧分区及生物膜内部主要生化反应过程相互影响规律，探明反应器内主要功能微生物群落结构及其脱氮除磷机制，确定主要生化反应过程动力学平衡的工艺调控策略。主要研究结论有：采用序批式运行方式是选择和富集不同种群微生物有效途径之一，采用厌氧-好氧复合移动床生物系统能够实现多菌群微生物的培养，实现连续流反应器的快速启动；膜出水方式较沉淀出水方式在微生物截留、运行参数调整的灵活性等方面更具优势，采用移动床复合系统和膜出水方式的气升间歇内循环工艺脱氮除磷效果良好，COD、TN和TP去除率分别达到90%、80.0%和94%以上；进水有机物浓度和曝气速率对反应器的除磷效果较脱氮影响更大，运行周期各阶段时间分配决定了搅拌区和好氧区硝化液交换量以及搅拌区缺氧/厌氧时间比，在不同进水C/N/P条件下，可以通过调整反应器高、低液位和进水流量来调整单个运行周期混合液交换量、缺氧/厌氧时间比，强化反硝化除磷过程，提高处理效果；反应器各区功能分布明显，单个周期内各区生化环境呈规律变化，流态属于空间和时间上的推流式，搅拌区和好氧区内活性污泥菌群功能相似，载体生物膜活性差异明显。好氧区生物膜具有良好的硝化活性，搅拌区生物膜具有良好的反硝化活性，厌氧释磷和反硝化吸磷活性，反硝化吸磷在氮磷去除中占主导作用。PCR-DGGE实验结果表明，两区循环的活性污泥生物群落差异性不大，而两区生物膜上微生物结构有明显不同。研究结果为该气升间歇内循环污水处理技术的进一步开发奠定了理论基础。