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食品工业废水具有高有机物、高悬浮物、高可生化性和水质水量波动大等特征,属于高污染、易降解工业废水,常见的处理工艺主要为活性污泥法和生物膜法,在实际应用中均有工程实例.由运行管理模式导致能耗物耗增加,是食品工业废水处理过程中亟待解决的问题.其中生物膜法抗冲击负荷能力强且适宜长世代周期微生物生长,更适合食品加工废水处理.以生物转盘(RBC)为代表的旋转式生物膜反应器,因其特有的充氧与混合方式,更加节能高效;在此基础上改进结构,填充生物填料而制成的生物转笼,具有更大的生物膜附着生长面积、更高的生物量和处理效能.论文通过分析食品工业废水水质特征,设计开发一套一体化生物转笼污水处理装置;基于新开发的反应器,探究了反应器填料最适填充比、填料上生物膜性能、C:N负荷及不同转速下食品工业废水处理特性及生物群落特征;通过反应器不同转速下能耗分析,得到比能耗,辅助指导反应器运行;基于反应器氧传质特征,构建基于DO衡算的氧传质模型并验证,进而利用模型解释反应器效果和特性,给出优化运行方案.
论文主要研究内容与结果为:
(1)基于食品工业废水构建食品工业废水水质典型特征,根据食品工业废水水质和处理需求,设计开发了一套一体化污水处理装置,集成生物转笼反应器、调节池、二沉池、污泥干化池、加药箱、监测系统和控制系统于一体.该装置设计反应器有效体积为3m3、处理能力12m3·d-1和转速1~7r·min-1,可对污水水质进行在线监测和运行调控.(2)反应器内转笼设置40个填料格,每个格子可填充0.11m3填料.引入种子污泥并投加营养物质启动反应器挂膜,挂膜成熟探究了0.4~0.5、0.5~0.6、0.6~0.7、0.7~0.8、0.8~0.9和＞0.9六个填充比梯度下生物膜状态和生物膜污水处理性能.研究结果表明,填料上生物膜量随填充比增加而变大,为65.02~147.23mg/颗,但生物膜越厚密度越小,为68.10~59.79mg·m-3;生物膜具有很好的COD去除和反硝化能力,且生物膜越厚反硝化能力越好.综合对比反应器填料填充比生物膜量、生物膜结构和生物膜性能,得到反应器最适填充比为0.7~0.9.
(3)确定填料最佳填充比后,探究生物转笼反应器在不同C:N(C:N为20、25、30和35)的食品工业废水中污染物去除能力和微生物群落的演化.研究结果表明,C:N≤30时COD和NH4+-N平均去除率分别为99.18%和86.27%,当C:N≥35时,COD和NH4+-N出水浓度开始上升,但COD平均去除率仍然大于90%;反应器内NO3--N和NO2--N的去除能力与温度成正相关,即温度越高NO3--N和NO2--N的出水浓度越低,分别低于4mg·L-1和0.05mg·L-1.微生物群落结构分析表明,C:N≤30时,微生物多样性随C:N升高而增加,C:N≥35时,反应器内COD负荷较大,功能型微生物群落多样性下降导致出水浓度偏高.因而反应器适合处理C:N≤30食品工业废水.(4)在低C:N食品工业废水下探究不同转速下反应器对污染物去除特性,对反应器运行参数调优,达到节能降耗的目的.实验研究结果表明,在实验转速下(1.0~3.0r·min-1下,梯度为0.5r·min-1),反应器运行转速与COD去除速率成正相关,其平均去除速率为318.76~499.84mg·L-1·h-1,理论上该反应器COD去除能力为21.92(±1.0)~36.85(±1.7)kgCOD·d-1;反应器对NH4+-N平均去除速率为4.56~8.4mg·L-1·h-1(转速2.0r·min-1和2.5r·min-1的NH4+-N平均去除速率最大,分别为8.4mg·L-1·h-1和8.35mg·L-1·h-1),理论上NH4+-N去除能力为0.3428~0.6114kg·d-1;反应器内COD越充足,出水NO3--N和NO2--N浓度越低.反应器能耗分析表明,转速越大能耗越高,去除单位质量COD(kg)能耗也越高(变化范围为0.11~0.17kWh·kgCOD-1),与传统工艺相比转速为1.0~3.0r·min-1,节能2.55%~90.69%.综合分析不同转速下COD、NH4+-N、NO3--N和NO2--N去除速率及能耗,确定反应器最佳运行速率为2.0~2.5r·min-1.
(5)根据不同转速下反应器DO变化规律,构建物理氧传质模型,并耦合"传质-反应"过程实现反应器水质预测和运行优化.论文从微观上对"空气-溶液"和"空气-生物膜"两个氧过程构建模型,宏观上计算出污染物去除速率和对耗氧量,对微观和宏观结果对比,完成模型验证.运用模型解释污染物降解速率随转速的线性变化关系和模拟给出满足要求的反应器运行方案.
论文主要研究内容与结果为:
(1)基于食品工业废水构建食品工业废水水质典型特征,根据食品工业废水水质和处理需求,设计开发了一套一体化污水处理装置,集成生物转笼反应器、调节池、二沉池、污泥干化池、加药箱、监测系统和控制系统于一体.该装置设计反应器有效体积为3m3、处理能力12m3·d-1和转速1~7r·min-1,可对污水水质进行在线监测和运行调控.(2)反应器内转笼设置40个填料格,每个格子可填充0.11m3填料.引入种子污泥并投加营养物质启动反应器挂膜,挂膜成熟探究了0.4~0.5、0.5~0.6、0.6~0.7、0.7~0.8、0.8~0.9和＞0.9六个填充比梯度下生物膜状态和生物膜污水处理性能.研究结果表明,填料上生物膜量随填充比增加而变大,为65.02~147.23mg/颗,但生物膜越厚密度越小,为68.10~59.79mg·m-3;生物膜具有很好的COD去除和反硝化能力,且生物膜越厚反硝化能力越好.综合对比反应器填料填充比生物膜量、生物膜结构和生物膜性能,得到反应器最适填充比为0.7~0.9.
(3)确定填料最佳填充比后,探究生物转笼反应器在不同C:N(C:N为20、25、30和35)的食品工业废水中污染物去除能力和微生物群落的演化.研究结果表明,C:N≤30时COD和NH4+-N平均去除率分别为99.18%和86.27%,当C:N≥35时,COD和NH4+-N出水浓度开始上升,但COD平均去除率仍然大于90%;反应器内NO3--N和NO2--N的去除能力与温度成正相关,即温度越高NO3--N和NO2--N的出水浓度越低,分别低于4mg·L-1和0.05mg·L-1.微生物群落结构分析表明,C:N≤30时,微生物多样性随C:N升高而增加,C:N≥35时,反应器内COD负荷较大,功能型微生物群落多样性下降导致出水浓度偏高.因而反应器适合处理C:N≤30食品工业废水.(4)在低C:N食品工业废水下探究不同转速下反应器对污染物去除特性,对反应器运行参数调优,达到节能降耗的目的.实验研究结果表明,在实验转速下(1.0~3.0r·min-1下,梯度为0.5r·min-1),反应器运行转速与COD去除速率成正相关,其平均去除速率为318.76~499.84mg·L-1·h-1,理论上该反应器COD去除能力为21.92(±1.0)~36.85(±1.7)kgCOD·d-1;反应器对NH4+-N平均去除速率为4.56~8.4mg·L-1·h-1(转速2.0r·min-1和2.5r·min-1的NH4+-N平均去除速率最大,分别为8.4mg·L-1·h-1和8.35mg·L-1·h-1),理论上NH4+-N去除能力为0.3428~0.6114kg·d-1;反应器内COD越充足,出水NO3--N和NO2--N浓度越低.反应器能耗分析表明,转速越大能耗越高,去除单位质量COD(kg)能耗也越高(变化范围为0.11~0.17kWh·kgCOD-1),与传统工艺相比转速为1.0~3.0r·min-1,节能2.55%~90.69%.综合分析不同转速下COD、NH4+-N、NO3--N和NO2--N去除速率及能耗,确定反应器最佳运行速率为2.0~2.5r·min-1.
(5)根据不同转速下反应器DO变化规律,构建物理氧传质模型,并耦合"传质-反应"过程实现反应器水质预测和运行优化.论文从微观上对"空气-溶液"和"空气-生物膜"两个氧过程构建模型,宏观上计算出污染物去除速率和对耗氧量,对微观和宏观结果对比,完成模型验证.运用模型解释污染物降解速率随转速的线性变化关系和模拟给出满足要求的反应器运行方案.