1、 硕士学位论文 姓 名： 学 号： 所在院系：环境科学与工程学院 学科门类：工学 学科专业：环境工程 指导教师： 年 月 廉价有机质外碳源利用强化新农村低碳污水处理研究 同济大学 硕士学位论文 摘要 I 廉价有机质外碳源利用强化新农村低碳污水处理研究 同济大学 同济大学 硕士学位论文 摘要 II 摘要 本论文针对长三角 地区 农村 污水普遍存在的 COD/N 低、反硝化碳源严重不足等问题 ， 提出采用周围地区储量丰富、方便易得的廉价生物质稻草和厨余作为污水反硝化 脱氮 外碳源，以期为低 COD/N 的农村污水处理提供一种廉价高效碳源，并为秸秆和农村厨余等庭院垃圾的减量化 开辟新思路 。基于此，
2、本文分别 通过 稻草和厨余生物质反硝化潜力测试、生物质厌氧批次试验 和 生物质补充 MBR外碳源小试 试验对生物质外碳源 的特性 开展研究 。 主要 研究 结论 有：（ 1） 稻草反硝化潜力（ DP）与 NaOH 浓度、预处理时间、预处理温度成正比，三因素交互影响显著， 最大 DP 值为 126.63 mgN/gVS。 9 种厨余组分 DP 值范围为 63100 mgN/gVS；（ 2） 稻草厌氧水解效果与 预处理 NaOH浓度 、水解 pH 和 基质比（ F/M， w/w）关系显著 ，最佳 条件为： NaOH 浓度 1.5%、pH=8、 F/M=4， 对应 产酸量为 0.36 gVFA/gV
3、S（ 6d） 。 NaOH 能致使 木质纤维素中的部分氢键、二硫键等基团断裂，从而破坏 “ 木质素 碳水化合物联合体 ”（ LCC） 结构， 使表层 出现裂缝，更利 与微生物发生接触，从而 改善 其 生化性 。水解前后 ， 稻草 C/N 比 显著降低 ，含碳量高的木质纤维素为主要降解底物 ； （ 3）厨余厌氧水解效果受 pH 值和 F/M 值影响显著， 最佳条件为 ： pH=8、 F/M=2， 对应 产酸量为 0.31 gVFA/gVS（ 4d） 。 9 种厨余组分 水解速率范围为 67.3109.7 mg COD/gVSSd， 所需时间为 35 d， 水解后厨余颗粒表 面原有的褶皱组织消失，
4、 表皮组织基本被厌氧微生物作为底物降解， 出现凹凸不平的微小孔隙，降解后厨余中 C/N 明显 降低 ； （ 4） 生物质外碳源对 AO-MBR 反应器 脱氮效果有显著改善。当稻草 和厨余投加量分别为 20 g/次 和 300 g/次，投加频率均为 3 d/次时， AO-MBR的 脱氮量分别 对应 增加 810 mg/L 和 1215 mg/L， 且出水中 COD 和氨氮指标均达到 GB18918-2002 中 的 一级 A 标准。相比较，厨余外碳源生化性更好，品质更优 ； （ 5） 在高厨余投加量时 ， 笼框式投加方式 的 脱氮 效果更佳 ， 且可避免 微网组件 易堵塞、 清洗频繁、能耗大等缺
5、点，从而使 工艺更 简单 ，投资 和处理成本更低 。出水 TN 达 一级 B 和一级 A 时所需 厨余投加量分别为 400 g/次和 600 g/次。 论文最后对 生物质外碳源 与 AO-MBR 的 组合 工艺进行 了 技术经济 性分析。结果表明， 若以 稻草 为外碳源，达到一级 A 标准 时 建设成本 约 为 6280 元 /m3、处理 成本 约为 2.2 元 / m3、占地面积 约为 0.67 m2/m3、电耗 约 为 0.65 kWh/m3；若以 厨余 为外碳源，采用笼框式投加方式， 达到一级 A 标准 时 建设成本 约 为 6067元 /m3， 处理 成本为 约 2.2 元 /m3，占
6、地面积 约 为 0.60 m2/m3， 电耗 约 为 0.5 kWh/m3。相比较，厨余 具有 建设成本 和处理成本 低 、 技术经济性 好 等优势 ， 更适合 作为新农村污水外碳源 使用 。 同济大学 硕士学位论文 摘要 III 关键词 ：外碳源，反硝化，农村污水，生物质，厌氧水解 Tongji University Master of Engineering Abstract IV ABSTRACT Low COD/N ratio, and shortage of carbon source for nitrogen removal, caused problems for rural s
7、ewage treatment in Yangtze River Delta(YRD). In order to develop a new external carbon source for bio-denitrification, the thesis conducted a research on use of straw and kitchen garbage as external carbon source, which were a kind of cheap, abundant and convenient waste around the aera. Denitrifica
8、tion potential (DP) tests, anaerobic fermentation experiments, and operations of membrane bioreactors (MBR) with carbon source supplement were conducted to investigate the characteristics of them. The main conclusions have been made as follows, (1) Straws DP values had positive correlations with NaO
9、H concentration, pretreatment time and temperature, and the highest DP of 128.6 mg nitrogen per g volatile solids (mgN/gVS) was achieved. The DP values of nine main kitchen garbages ranged from 63 to 100 mgN/gVS. (2) NaOH concentration, pH and food/microorganisms (F/M, w/w) had significant effects o
10、n straws anaerobic hydrolysis and acidification. The highest volatile fatty acid (VFA) production could reach 0.36 gVFA/gVS on day 6 at F/M 4, pH 8, NaOH concentration 1.5% . NaOH could cause partial breakage of chemical bonds, such as hydrogen bond and disulfide bond. It had destroyed pectin struct
11、ure of straws urface and enlarged the gap of lignin and cellulose, which could significantly increase the straws availability for microorganisms and improve the VFA production. After hydrolyzation, straws C/N decreased greatly, and lignocelluloses were the main susbtrate. (3) pH and F/M had signific
12、ant effects on hydrolyzation of kichen garbage, and the highest VFA production could reach 0.31 gVFA/gVS on day 4 at pH 8 and F/M 2. Hydrolyzation rates of nine main components in kitchen garbage ranged from 67.33 to 109.75 mgCOD/(gVSSd), and hydrolyzation retention time was about 3-5 d. After hydro
13、lyzation, wrinkled tissue on the surface served as the substrate and disappeared, while tiny uneven gaps appeared. In addition, C/N ratio of kitchen garbage decreased insignificantly. (4) Applying biomass as external carbon sources could significantly enhance denitrification in anaerobic/aerobic mem
14、brane bioreactor (AO-MBR) processes. With the dosage of 20 g per 3 d for straws and 300 g per 3 d for kichen garbage, nitrogen removal could increase by 8-10 mg/L and 12-15 mg/L, respectively. Moreover, COD and NH4+-N concentrations met with the Tongji University Master of Engineering Abstract V GB1
15、8918-2002 1A discharge standard. In comparison, kichen garbage has better biodegradability and characteristics than straws as external carbon sources. (5) At high dosage of kitchen garbage, cage-frame dosing method had higher denitrification efficiency than fabric-seperation. Furthermore, it could p
16、revent some disadvantages in fabric-seperation such as fabric blocking, frequent cleaning and high energy consumption, and therefore simplified the operation and reduced the cost. In order to meet with the TN concentration of 1B and 1A discharge standard, the dosage of kitchen garbage was 400 g and
17、600 g per 3 d, respectively. Finally, techno-economic analysis was conducted on the integrated process of AO-MBR with external carbon sources. Results showed that when straws were applied as external carbon sources for sewage treatment and the effluent reached the 1A discharge standard, construction
18、 cost was 6280 yuan/m3, processing cost was 2.2 yuan/m3, covering area was 0.67 m2/m3 and power consumption was 0.65 kWh/m3. When kitchen garbage was applied under the same condition, construction cost was 6067 yuan/m3, processing cost was 2.2 yuan/m3, covering area was 0.60 m2/m3 and power consumpt
19、ion was 0.50 kWh/m3. As a result, kitchen garbage had more advantages in economical efficiency, such as construction cost, processing cost and power consumption, and seemed more suitable as carbon source for rural sewage treatment. Key words:external carbon source, dentrification, rural sewage, biom
20、ass, anaerobic hydrolysis 同济大学 硕士学位论文 目录 VI 目录 第 1 章 引言 . 1 1.1 反硝化外碳源研究现状 . 1 1.1.1 反硝化机理 . 1 1.1.2 碳源分类与选择 . 3 1.1.3 反硝化动力学 . 4 1.2 生物质厌氧水解研究现状 . 6 1.2.1 生物质厌氧水解机理 . 6 1.2.2 厌氧水解动力学模型 . 7 1.2.3 厌氧水解控制参数及控制条件 . 9 第 2 章 研究目的，内容与方法 . 12 2.1 研究目的 . 12 2.2 研究内容 . 13 2.3 技术 路线 . 14 2.4 研究方法 . 15 2.4.1 主
21、要指标分析方法 . 15 2.4.2 其他指标分析方法 . 16 2.4.3 试验分析仪器 . 17 第 3 章 廉价生物质反硝化潜力研究 . 19 3.1 试验材料与方法 . 19 3.1.1 试验材料 . 19 3.1.2 试验设计 . 20 3.2 试验结果与分析 . 21 3.2.1 碱处理秸秆单因素优化试验 . 21 3.2.2 碱处理秸秆响应面优化试验 . 23 3.3.3 厨余反硝化潜力测试试验 . 25 3.3 本章小结 . 27 第 4 章 稻草 生物质 厌氧水解控制参数优化研究 . 28 4.1 试验材料与装置 . 28 4.1.1 试验材料 . 28 4.1.2 试验装置
22、 . 29 4.2 试验设计与方法 . 29 4.3 试验结果与分析 . 31 4.3.1 破碎和 NaOH 预处理对稻草厌氧水解效果比较 . 31 4.3.2 不同预处理 NaOH 对稻草碱处理效果影响 . 33 同济大学 硕士学位论文 目录 VII 4.3.3 pH 对稻草厌氧水解效果影响 . 35 4.3.4 不同基质比对稻草厌氧水解效果影响 . 37 4.3.5 碱处理稻草厌氧水解机理探究 . 40 4.4 本章小结 . 43 第 5 章 厨余 生物质 厌氧水解控制参数优化研究 . 45 5.1 试验材料与装置 . 45 5.1.1 试验材料 . 45 5.1.2 试验装置 . 46
23、5.2 试验设计与方法 . 46 5.2.1 不同 pH 对厨余厌氧水解效果影响研究 . 46 5.2.2 不同基质比对厨余厌氧水解效果影响研究 . 46 5.2.3 厨余各组分厌氧水解碳源释放研究 . 47 5.2.4 厨余厌氧水解机理探析 . 47 5.3 试验结果与分析 . 47 5.3.1 不同 pH 对厨余厌氧水解效果影响研究 . 47 5.3.2 不同基质比对厨余厌氧水解效 果影响研究 . 49 5.3.3 厨余中各组分碳源释放情况研究 . 51 5.3.4 厨余厌氧水解机理探析 . 53 5.4 本章小结 . 54 第 6 章 廉价生物质补充 MBR 碳源小试研究 . 55 6.
24、1 AO-MBR 工艺设计 . 55 6.1.1 AO-MBR 小试装置 . 55 6.1.2 设计小试进水 . 56 6.1.3 接种污泥和外碳源 . 57 6.2 生物质外碳源小试试验设计 . 57 6.2.1 不同种类生物质外碳源小试试验 . 57 6.2.2 厨余生物质投加参数优化小试试验 . 58 6.2.3 生物质水解液反硝化速率测试 . 60 6.3 试验结果与讨论 . 60 6.3.1 不同种类生物质外碳源小试试验 . 60 6.3.2 厨余生物质投加参数优化小试试验 . 65 6.3.3 生物质水解液反硝化速率 . 67 6.4 本章小结 . 70 第 7 章 生物质外碳源强
25、化脱氮技术经济 性 分析 . 71 7.1 设计标准 . 71 7.1.1 设计进出水水质 . 71 7.1.2 生物质投加量 . 71 7.2 工艺设计 . 72 同济大学 硕士学位论文 目录 VIII 7.2.1 稻草外碳源 . 72 7.2.2 厨余外碳源 . 73 7.3 建设成本 . 73 7.3.1 稻草外碳源 . 74 7.3.2 厨余外碳源 . 74 7.4 处理成本 . 74 7.4.1 稻草外碳源 . 75 7.4.2 厨余外碳源 . 75 7.5 经济性分析 . 76 7.6 本章小结 . 76 第 8 章 结论与建议 . 77 8.1 结论 . 77 8.2 建议 .
26、78 致谢 . 79 参考文献 . 80 个人简历、在读期间发表的学术论文与研究成果 . 84 第 1 章 引言 1 第 1 章 引言 1.1 反硝化外碳源研究现状 碳源不足一直是污水处理领域的难题，据相关数据统计，全国 1/3 以上城镇污水厂存在碳源不足问题 1,2，而在农村污水处理中，碳源不足问题更为严重。为此，国内外学者做了很多相关研究 3,4，研究热点主要围绕在：如何优化内碳源和投加外碳源两方面 。以下 ， 就国内外学者对反硝化脱氮机理和外加碳源进行文献的研究分析 ，为本研究提供理论依据。 1.1.1 反硝化机理 在反硝化菌脱氮过程中，有同化 作用和异化作用 两种代谢途径。同化反硝化是利用硝态氮进行细胞合成代谢，最终转化成有机氮化合物成为菌体的一部分，而 异化反硝化 则 是 利用有机物作为电子供体， 将硝酸盐分解 最终形成 N2。 在污水生物脱氮中， 异化反硝化是去除硝酸盐的 主要途径 ，即 在缺氧条件下 （ DO0.5 mg/L） ，部分有机物质 （电子供体） 能够利用 硝酸盐 或亚硝酸盐作为电子受体，进行生物氧化反应。 许文峰 等 5研究表明 ，异化反硝化是由 4 步生化反应组成，分别由硝酸盐还原酶 （
