常溫下厭氧氨氧化快速啟動方法及啟動裝置與流程

本發明涉及新型污水脫氮技術領域，具體涉及常溫下厭氧氨氧化快速啟動方法及啟動裝置。

背景技術：

隨著工業化、城市化進程的加快，大量含氮廢水排放到自然環境中，水體氮污染形勢日益嚴峻。水環境中的氮循環遭到破壞，誘發水體氮素污染。氨氮是我國排放廢水中主要污染物之一，氮污染控制特別是高氨氮廢水處理是成為我國水污染治理的當務之急。傳統的生物脫氮技術是基于硝化-反硝化反應，在硝化階段氨氮轉化為亞硝酸氮或硝酸氮，在反硝化階段亞硝酸氮或硝酸氮再轉化為氮氣，從而實現廢水脫氮。隨著氮污染形勢日趨嚴峻和污水排放標準提高，傳統脫氮工藝表現出諸多不足，例如，在處理高氨氮廢水時，需在硝化階段大量供氧、在反硝化階段大量外加有機電子供體且需要在兩個階段進行酸堿調節，大大增加物耗能耗，且處理效果不夠理想。

厭氧氨氧化(Anammox)是一種適合高氨氮廢水處理的新型生物脫氮技術，是當前水體氮污染控制的重要支撐技術之一。Anammox即Anammox菌在厭氧條件下以亞硝酸氮為電子受體將氨氮氧化為氮氣的生物化學過程。Anammox工藝是一種厭氧自養的生化過程，無需供氧和外加有機電子供體，脫氮效率極高且反應不產生二氧化碳。因而，Anammox是一種高效、經濟、環境友好型的脫氮技術，引起研究界廣泛關注。然而，Anammox菌生長緩慢，世代時間長(約11天)，且易受外界環境條件(溫度、pH、溶解氧等)影響，因而Anammox裝置啟動難度較大。為了快速啟動Anammox工藝，反應器的選擇尤為重要。Anammox工藝啟動實質是Anammox菌富集及其活性提高的過程。選擇的反應器應具有高效的生物截留率，適合緩慢生長的Anammox菌的長期富集培養。固定床反應器是適合Anammox工藝啟動的裝置之一。Strous等人(Strous M.,Van Gerven E.,Zheng P.,et al.,1997.Ammonium removal from concentrated waste streams with the anaerobic ammonium oxidation(anammox)process in different reactor configurations.Water Research,31:1955-1962.)首次采用上流式固定床反應器成功啟動Anammox工藝，然而，該試驗的填料為燒結玻璃珠，導致了反應中產生的大量氣泡難以排出和填料層堵塞等問題，該固定床在運行60天之后，性能不夠穩定。Fujii等人(Fujii T.,Sugino H.,Rouse J.D.,et al.,2002.Characterization of the microbial community in an anaerobic ammonium-oxidizing biofilm cultured on a nonwoven biomass carrier.Journal of Bioscience and Bioengineering,94(5):412-418.)采用無紡布填料提高了上流式固定床反應器對Anammox菌的截留效率，也提高了Anammox工藝運行的穩定性，其不足之處在于以無紡布作為填料，無紡布上Anammox生物膜過厚會影響底物傳質而導致生物膜發黑或者細胞自溶。

目前，Anammox啟動周期仍較長(一般大于3個月)且Anammox啟動裝置大多控制在35-37℃，通過加熱棒和溫度控制儀來獲得該溫度范圍的恒溫熱水，再通過恒溫熱水水浴來實現溫度控制，這種的溫度控制系統長期運行會帶來大量電能的消耗，增加了運行成本；此外，溫控儀要出現故障，導致加熱棒失控，會影響裝置性能，甚至帶來安全隱患。因此，需要對填料的選擇、結構和運行策略進一步優化以提高固定床啟動Anammox工藝的性能。同時，為了節省溫度控制帶來的能耗、提高裝置運行的安全性和穩定性、拓寬Anammox工藝的適用條件，亟需建立一種在常溫下運行的高效能Anammox啟動裝置。

技術實現要素：

針對現有技術的不足，本發明擬解決的技術問題是，提供一種常溫下厭氧氨氧化快速啟動方法及啟動裝置。該啟動方法在常溫條件下接種普通活性污泥先啟動限氧自養硝化反硝化(OLAND)工藝培養OLAND生物膜，再以該生物膜富集Anammox菌啟動Anammox工藝。該方法能夠大大縮短Anammox工藝的啟動時間，提高含氮污水的處理能力，節約能耗。該啟動裝置按照上述啟動方法構建，可以加快啟動進程、提高啟動有效性，同時，可以實現在無溫度控制的常溫條件下達到穩定高效的脫氮性能。該啟動裝置無需溫控儀和加熱棒，通過設置生物巢式填料、帶孔隔板，并在帶孔隔板上鋪設無紡布，顯著提高了主反應區的功能菌種量，改善功能菌與底物之間的傳質，保證了裝置的運行效果，裝置結構簡單，操作控制更加方便，且長期運行的安全性高，運行過程更加可靠，因此，可大大降低Anammox工藝在工程應用中的投資和運行成本，滿足實際生產需要。

本發明解決所述技術問題采用的技術方案是，

一種常溫下厭氧氨氧化快速啟動方法，該方法包括以下過程：

1)在反應器中接種普通活性污泥，所述普通活性污泥為好氧活性污泥、硝化污泥或反硝化污泥，接種污泥混合液懸浮固體濃度MLSS為2000-3000mg/L，且MLVSS/MLSS＝0.6-0.85；

2)常溫低基質條件下，啟動限氧自養硝化反硝化(OLAND)工藝：按OLAND培養基配置模擬廢水并經進水泵連續流入反應器，進水初始NH₄⁺-N濃度范圍為20-30mg/L，此階段溶解氧(DO)控制在0.5-1mg/L，水力停留時間為2-4天，逐步提高進水中的NH₄⁺-N濃度，當進水NH₄⁺-N濃度提高到100mg/L，出水氨氮和總氮的去除率均在90％以上，實現常溫下OLAND工藝啟動，獲得OLAND生物膜，實現厭氧氨氧化(Anammox)菌的預富集；

3)常溫條件下，啟動Anammox工藝：按Anammox培養基配置模擬廢水，反應器運行采取連續進水模式，NH₄⁺-N和NO₂^--N初始濃度均為60～80mg/L，水力停留時間為2-4天，通過逐步提高進水中NH₄⁺-N和NO₂^--N濃度，逐步富集Anammox菌，當出水NH₄⁺-N和NO₂^--N的去除率均大于95％，實現了OLAND生物膜向Anammox生物膜過渡，厭氧氨氧化工藝在常溫下成功啟動。

一種常溫下厭氧氨氧化快速啟動裝置，其特征在于該裝置應用上述的啟動方法，基于固定床反應器構建而成，該裝置包括裝置本體、進水箱、水封結構和集水箱，

所述裝置本體為柱體，裝置本體包括內層管和外層管，內層管和外層管之間形成空氣夾層，內層管的柱體空間為主反應區，在內層管主反應區的中部和底部均設有帶孔隔板，每個帶孔隔板上均鋪設有無紡布，中部和底部的帶孔隔板將內層管主反應區分成上下兩層，即位于中部帶孔隔板和底部帶孔隔板之間的區域為下層填料層，位于中部帶孔隔板以上的區域為上層填料層；下層填料層和上層填料層均填充生物巢式填料；所述主反應區下部為漏斗形污泥斗，污泥斗底端設有進水口和污泥循環底部出口，主反應區上部設有污泥循環頂部入口和出水口，所述進水口通過進水泵和進水管與進水箱相連，所述污泥循環底部出口通過外部污泥管路與污泥循環頂部入口相連，所述出水口與出水管的一端連接，出水管的另一端沒入集水箱的水中，使所述裝置本體與空氣隔離；所述主反應區頂部設有氣體排放口，氣體排放口經排氣管與水封結構相連。

與現有技術相比，本發明的有益效果為：

1)本發明啟動方法在常溫下(15-25℃)即可啟動Anammox工藝，與大多數Anammox工藝啟動方案(溫度控制在35-37℃)相比，該裝置無需溫度控制，大幅度降低能耗，實現節能和運行成本的顯著減少，也提高了裝置長期運行的安全性；且該溫度下Anammox啟動周期約為40天，與目前大多數Anammox啟動周期(大于3個月)相比，啟動歷程大大縮短。

2)本發明啟動方法中，在常溫低基質(進水中初始氨氮濃度在20～30mg/L)條件下啟動OLAND工藝，培養OLAND生物膜，從OLAND生物膜啟動Anammox工藝過程直接進入Anammox活性表現期，與從普通活性污泥啟動Anammox工藝(接種普通活性污泥或者Anammox污泥直接啟動Anammox工藝)相比，沒有細胞自溶期和停滯期，縮短了Anammox工藝啟動進程；同時，OLAND生物膜中預富集的Anammox菌增加后續Anammox工藝啟動的有效性和穩定性。

3)本發明啟動裝置的填料層采用生物巢式填料，通過兩個帶孔隔板將整個填料層分層上下兩部分，且在每個帶孔隔板上敷設無紡布，能夠強化反應器對功能菌的截留效果，并易于反應產生氮氣的排出；中部帶孔隔板將填料層分為上層填料層和下層填料層，使功能菌更好地分布于上層填料層和下層填料層內，延長底物與生物相之間的反應接觸時間，強化底物與生物相之間的傳質，提高固定床反應器強化厭氧氨氧化啟動效能。

4)本發明啟動裝置的裝置本體下部設有污泥斗和外部污泥循環系統，通過污泥斗收集上部沉降的污泥在通過外部污泥循環系統實現這部分污泥在主反應區的再分布和填料上的再掛膜，強化底物傳質及反應器對功能菌截留作用，從而進一步強化厭氧氨氧化啟動效能。

5)本發明啟動裝置的裝置本體中內層管和外層管之間形成的空氣夾層，可以有效緩沖反應器(裝置本體)外部的室內溫度變化對功能菌活性的影響。

附圖說明

圖1為本發明常溫下厭氧氨氧化快速啟動裝置一種實施例的結構示意圖。

圖2為本發明一種實施例的生物巢式填料結構示意圖。

圖中：1進水箱；2進水管；3進水泵；4進水口；5底座；6污泥循環底部出口；7帶孔隔板；8空氣夾層；9污泥斗；10生物巢式填料；11污泥循環頂部入口；12出水口；13出水管；14集水箱；15排氣口；16排氣管；17水封結構；101微小齒狀結構；102齒輪狀結構。

具體實施方式

以下結合實施例及附圖詳細說明本發明，但并不以此作為對本申請權利要求保護范圍的限定。

本發明常溫下厭氧氨氧化快速啟動方法(簡稱啟動方法或方法)包括以下過程：

1)在反應器中接種普通活性污泥(好氧活性污泥、硝化污泥或反硝化污泥)，接種污泥混合液懸浮固體濃度MLSS為2000-3000mg/L，且MLVSS/MLSS＝0.6-0.85；

2)常溫條件下，啟動限氧自養硝化反硝化(OLAND)工藝：按OLAND培養基配置模擬廢水并經進水泵連續流入反應器，進水初始NH₄⁺-N濃度范圍為20-30mg/L，此階段溶解氧(DO)控制在0.5-1mg/L，水力停留時間為2-4天，逐步提高進水中的NH₄⁺-N濃度，當進水NH₄⁺-N濃度提高到100mg/L，出水氨氮和總氮的去除率均在90％以上，實現常溫下OLAND工藝啟動，獲得OLAND生物膜(其主要功能菌為氨氧化菌(AOB)和Anammox菌)，實現厭氧氨氧化(Anammox)菌的預富集；

3)常溫條件下，啟動Anammox工藝：按Anammox培養基配置模擬廢水，反應器運行采取連續進水模式，NH₄⁺-N和NO₂^--N初始濃度均為60～80mg/L，水力停留時間為2-4天，通過逐步提高進水中NH₄⁺-N和NO₂^--N濃度，逐步富集Anammox菌，當出水NH₄⁺-N和NO₂^--N的去除率均大于95％，實現了OLAND生物膜向Anammox生物膜過渡，厭氧氨氧化工藝在常溫下成功啟動。

上述過程中所述的反應器即指本發明啟動裝置中的裝置本體。

本發明常溫下厭氧氨氧化快速啟動裝置(簡稱啟動裝置或裝置，參見圖1)基于固定床反應器構建而成，該裝置包括裝置本體、進水箱1、水封結構17和集水箱14，

所述裝置本體為柱體，裝置本體底部與底座5連接，頂部設有頂蓋，裝置本體包括內層管和外層管，內層管和外層管之間形成空氣夾層8，內層管的柱體空間為主反應區，在內層管主反應區的中部和底部均設有帶孔隔板7，每個帶孔隔板上均鋪設有無紡布，中部和底部的帶孔隔板將內層管主反應區分成上下兩層，即位于中部帶孔隔板和底部帶孔隔板之間的區域為下層填料層，位于中部帶孔隔板以上的區域為上層填料層，所述帶孔隔板可自由拆卸和安裝，對帶孔隔板上部空間的填料起到支撐作用，避免因污泥大部分沉到底部而降低污泥中菌種與底物之間的傳質；下層填料層和上層填料層均填充生物巢式填料10；所述主反應區下部為漏斗形污泥斗，污泥斗底端設有進水口4和污泥循環底部出口6，主反應區上部設有污泥循環頂部入口11和出水口12，所述進水口4通過進水泵3和進水管2與進水箱1相連，所述污泥循環底部出口6通過外部污泥管路與污泥循環頂部入口11相連，所述出水口12與出水管13的一端連接，出水管13的另一端沒入集水箱14的水中，使所述裝置本體與空氣隔離；所述主反應區頂部設有氣體排放口15，氣體排放口經排氣管16與水封結構17相連。

本發明裝置的進一步特征在于所述生物巢式填料10(參見圖2)的橫截面整體呈環狀，環形區域內呈多孔結構，且在孔壁上分布有若干個微小齒狀結構101，環形區域的外壁上設有齒輪狀結構102。生物巢式填料這種結構特點，大大提高了反應器對功能菌的截留效率，尤其是對生長極緩的Anammox菌的截留效率；這種填料的多孔結構也利于反應過程產氣的排出從而避免填料層堵塞，且氣體排出會產生的輕微沖刷作用利于生物膜更新從而使得生物膜保持在一個較好的活性。

本發明裝置的進一步特征在于所述帶孔隔板為可拆卸的有機玻璃板。

本發明中所述的生物巢式填料可以商購獲得，也可以按照圖2中的結構自行設計制造，整體生物巢式填料為環形多孔結構。所述中部帶孔隔板和底部帶孔隔板上均敷設無紡布，中部帶孔隔板上的無紡布用于截留其上部沉降的功能菌以及其下部隨氣泡上浮的功能菌，底部帶孔隔板上的無紡布截留因重力沉降下沉的功能菌，避免過多功能菌流入污泥斗，從而提高主反應區的功能菌種量，以保證裝置運行效果。所述裝置本體下部污泥斗呈漏斗形，一方面有利于底部均勻進水，另一方面有助于收集主反應區因產氣輕微沖刷和重力沉降作用漏入底部的培養污泥，經過一段時間運行之后這些污泥中含有大量功能菌，這些污泥從污泥循環底部出口6經由外部污泥管路從污泥頂部循環入口11進入主反應區上部，進入的污泥再經重力沉降作用實現其在主反應區的再分布和填料上的再掛膜，進一步強化反應器對功能菌的截留作用。

本發明中限氧自養硝化反硝化(OLAND)工藝啟動采用常溫低基質條件(即溫度范圍為15-25℃，進水初始NH₄⁺-N濃度范圍為20-30mg/L)啟動，該啟動過程更加穩定安全，且大大降低了物料消耗。

本發明中涉及的硝化反硝化(OLAND)工藝和Anammox工藝本身均屬于現有技術，具體培養基配置等均按照常規方法操作。

實施例1

本實施例裝置(如圖1所示)置于河北工業大學新校區節能樓環境工程實驗室，實驗室環境溫度在15-25℃。采用本發明所述裝置和方法實現了Anammox工藝常溫條件下快速有效啟動。裝置主體的有效工作體積為2.6L，高與外徑比為2.5。裝置本體填充生物巢式填料，生物巢式填料采用聚乙烯制成，該填料的橫截面整體呈環狀，環形區域內呈多孔結構，具體結構如圖2所示，本實施例中生物巢式填料具有19個孔，可以提高反應器對功能菌的截留效率，同時易于反應產生氣體的排出。

具體操作方法如下：

(1)接種污泥為某污水處理廠曝氣池的好氧活性污泥，污泥接種量為2L。接種時污泥混合液的MLSS(混合液懸浮固體濃度)和MLVSS(混合液揮發性懸浮固體濃度)分別為2284mg/L和1935mg/L。

(2)按OLAND培養基配置(具體配置過程參見Kuai L P,Versraete W.Anammonium removel by the Oxygen-Limited autorophic nitrification-denitrification system.Applied and Environmental Microbiology,1999,39(7):13-21.)模擬廢水，進水中總氮由氨氮提供，進水初始NH₄⁺-N濃度為20mg/L，DO控制在0.5-1.0mg/L，水力停留時間(HRT)為2天。常溫(15-25℃)條件下采取連續進水模式運行裝置啟動OLAND工藝。當出水總氮小于5mg/L，即可提高進水中的氨氮(NH₄⁺-N)濃度。經30天運行，裝置進水氨氮濃度逐步提升至100mg/L，出水氨氮和總氮去除率均穩定在90％以上。表明裝置在常溫低基質條件下實現OLAND工藝啟動，獲得OLAND生物膜，其中有一定量的Anammox菌預富集。

(3)常溫條件下(15-25℃)以培養的OLAND污泥進一步富集Anammox菌從而啟動Anammox工藝。按Anammox培養基配置(具體配置過程參見Dapena-Mora,A.,Van Hulle,S.W.H.,Luis,Campos J.,Mendez,R.Vanrolleghem,P.A.Jetten,M.,2004.Enrichment of Anammox biomass from municipal activated sludge:experimental and modelling results.J.Chem.Technol.Biotechnol.79:1421-1428.)模擬廢水，通過曝氮氣5min去除該廢水中DO。反應器繼續保持連續進水模式。反應器和管路接口密封，保證Anammox反應所需的厭氧環境。進水中總氮由氨氮和亞硝酸氮提供，其中NH₄⁺-N和NO₂^--N初始濃度均為70mg/L，HRT控制在2d。裝置在常溫條件下(15-25℃)運行10天，進水中的70mg/L NH₄⁺-N和NO₂^--N經反應器同步去除，出水NH₄⁺-N和NO₂^--N的去除率分別為95％和100％，實現了OLAND生物膜向Anammox生物膜過渡，這標志厭氧氨氧化工藝在常溫下成功啟動。運行50天，進水NH₄⁺-N和NO₂^--N濃度逐步提高到230和260mg/L，兩者去除率均大于95％，表明富集足夠量的Anammox菌，也表明Anammox工藝在常溫條件下成功啟動之后表現出穩定的脫氮性能。

從上述實施例中可以看出采用本發明啟動方法和裝置，能實現厭氧氨氧化工藝的快速啟動，且啟動所需時間為四十天左右，相比現有厭氧氨氧化啟動工藝，啟動時間大大縮短，且能實現常溫啟動，大大節省了現有技術中由于溫度控制而帶來的能耗，從上述模擬實驗結果可以看出，啟動后，該裝置能夠在常溫下平穩運行，更加安全可靠。

此外，實施例中控制水力停留時間為2天，這大大增加了使用該啟動方法進行污水處理的處理能力。

盡管以上示出并描述了本發明的實施例，但可以理解的是，上述實施例是示例性的，不能理解為對本發明的限制，本領域的普通技術人員在本發明的范圍內可以對上述實施例進行變化、修改、替換和變型。

本發明未述及之處適用于現有技術。