一种CANON脱氮工艺的快速启动方法与流程

本发明属于对含氮废水的水处理领域，涉及一种CANON脱氮工艺的快速启动方法，具体涉及用于到在不断改变进水条件下对厌氧氨氧化污泥和短程硝化污泥的驯化实现对CANON工艺的快速启动的方法。

背景技术：

随着工业和农业的发展，大量未经处理的含氮废水排入环境中，造成水体富营养化、消耗水体中的溶解氧、对人及生物有毒害。而在现实的水处理过程中污水处理厂大多采用传统的硝化反硝化技术，但是传统的硝化反硝化脱氮工艺处理流程长、造价高、动力消耗大、效率低和处理成本高，在实际应用中处理高氨氮废水问题较多。短程硝化-厌氧氨氧化工艺具有不需要添加有机碳源，能够节省曝气量、运行费用低等优点，成为了研究的热点，但是该工艺仍然存在许多缺点，例如厌氧氨氧化污泥少，厌氧氨氧化(ANAMMOX)菌驯化培养慢，启动工艺时间长，反应器运行不稳定等问题，且目前研究主要集中在低氨氮浓度、低盐分废水条件下运行。

由于CANON是将短程硝化和厌氧氨氧化过程集中在一个反应器中进行，它依赖于亚硝化菌(AOB)、硝化细菌(NOB)以及厌氧氨氧化(ANAMMOX)菌对溶解氧(DO)和亚硝酸盐氮(NO₂^--N)的竞争作用。在氧气存在的条件下，AOB以氨氮为电子供体，O₂为电子受体，将氨氮氧化为亚硝酸盐氮(NO₂^--N)，ANAMMOX菌是一种厌氧自养菌，在厌氧的情况下利用亚硝酸盐氮将剩余的氨氮直接转化为氮气(N₂)，同时生成少量硝酸盐氮(NO₃^--N)。

因此，能够快速启动CANON反应器同时又能够保持反应器稳定运行是实现高效脱氮的关键。对以后的工程化应用也有一定的促进作用。

CN102642924A公开了一种常温低氨氮污水全程自养脱氮工艺的快速启动方法属于城市污水处理与资源化领域。在一个生物滤池反应器内启动全程自养脱氮(CANON)工艺，其步骤为：首先接种部分硝化污泥，并在供氧充足的条件下，进行好氧硝化启动，构建以亚硝化菌和硝化菌为主导的微生物系统；然后通过间歇曝气/厌氧，抑制硝化菌的生长，富集厌氧氨氧化菌；最后连续曝气，通过限制性供氧，控制氨氮氧化至亚硝酸阶段，优化亚硝化菌与厌氧氨氧化菌共存的微环境，成功地启动了CANON工艺。本发明解决了长期以来厌氧氨氧化菌生长富集较慢的难题，并且启动方式简单易行，降低了单级自养脱氮系统启动的难度，为常温低氨氮模拟废水CANON工艺的启动提供了方法。

CN103224284A公开了一种膜生物反应器全程自养脱氮工艺的快速启动方法属于城市污水处理与资源化领域。在膜生物反应器(MBR)内启动全程自养脱氮工艺，其步骤为：首先接种城市污水厂曝气池硝化污泥，在常温及较低进水氨氮下恢复污泥活性；其次降低曝气量，逐渐增加氨氮浓度，成功富集氨氧化菌；最后再次减小曝气量降低水中DO，诱导厌氧氨氧化菌，成功启动全程自养脱氮工艺。

CN103723821A公开了一种SBR方式快速将全程硝化污泥诱变为自养亚硝化污泥的方法属于水环境恢复与再生领域、污水处理厂自养脱氮领域。首先接种污水厂硝化污泥，控制高氨氮浓度、高游离氨、高曝气条件防止污泥膨胀，使其快速适应SBR反应器；然后在高氨氮、无有机碳源的水质条件下逐渐淘汰异养微生物；最后在低溶解氧的条件下抑制NOB等自养菌的生长，纯化亚硝化污泥，成功实现了异养硝化污泥向自养亚硝化污泥的转变。本发明异养菌淘汰，培养自养亚硝化工艺。相比传统脱氮工艺需氧量小、能源耗费低，无需投加大量有机碳源。但是，上述方法反应器启动周期长，启动缓慢、种泥要求苛刻。

技术实现要素：

本发明的目的是通过控制CANON工艺的运行条件和氨氮进水浓度实现对厌氧氨氧化污泥和短程硝化污泥的快速富集培养，在短时间内启动反应器，使工艺能够稳定运行。

名词解释：

CANON：全自养通过亚硝酸盐脱氮工艺。

ANAMMOX菌：厌氧氨氧化菌(anaerobic ammonium oxidation,Anammox)。

UASB：Up-flow Anaerobic Sludge Bed/Blanket的缩写，即上流式厌氧污泥床反应器。

HRT：Hydraulic Retention Time的缩写，即水力停留时间，指待处理污水在反应器内的平均停留时间，也就是污水与生物反应器内微生物作用的平均反应时间。

MLSS：Mixed Liquid Suspended Solids的缩写，即混合液悬浮固体浓度，也是混合液污泥浓度。

AOB：亚硝化菌。

NOB：硝化细菌。

DO：溶解氧(dissolved oxygen)是指溶解在水里氧的量，通常记作DO，用每升水里氧气的毫克数表示。

本发明提供一种CANON脱氮工艺的快速启动方法，反应器采用上流式厌氧污泥床反应器(UASB)和组合填料，主要包括以下步骤：

(1)接种污泥到反应器内：生活污水的活性污泥和ANAMMOX菌污泥作为接种污泥，将两种污泥混合后，从反应器顶部加入。

(2)采用逐渐增加曝气逐渐降低亚硝酸盐的投加量的方式：控制进水NH₄⁺-N为150-200mg/L，水力停留时间(HRT)为20-24h，调节pH为7.5-8.0。反应器内部反应区温度控制在31±1℃，分为以下三个阶段：

第一阶段：首先控制进水NH₄⁺-N为150-200mg/L，NO₂^--N浓度为55-110mg/L，曝气量维持在9-10mL/min，当氨氮去除率达到80％以上的时候稳定2～3天的时间；

第二阶段：其他条件保持不变，降低NO₂^--N浓度到50-55mg/L，提高曝气量到12-15mL/min，这时候出水氨氮浓度会逐渐减少，当减少至10mg/L时，进入第三阶段。

第三阶段：降低NO₂^--N浓度到0mg/L，当出水氨氮浓度升高时提高曝气量到18-20mL/min，当出水NH₄⁺-N小于25mg/L，出水NO₂^--N小于10mg/L，出水硝酸盐小于15mg/L，NO₃^--N/△NH₄⁺-N值小于0.11，说明了反应器中未有NO₂^--N积累短程硝化-厌氧氨氧化稳定，最终TN去除率达80％，这时系统内部不在需要外加的亚硝酸盐，趋于稳定状态。

(3)反应器内部调料上的污泥逐渐变为红色，氨氮去除率维持在80％以上，出水NO₂^--N小于10mg/L，出水硝酸盐小于15mg/L，NO₃^--N/△NH₄⁺-N值小于0.11，反应器启动成功。

优选的，步骤(1)中，ANAMMOX污泥采用味精污水处理厂厌氧氨氧化絮状污泥，其中厌氧氨氧化污泥接种为0.8～1.2L，其混合液污泥浓度(MLSS)为9000～9500mg/L。生活污水的活性污泥接种为1.5～2.5L，MLSS为5500～6500mg/L。

更优选的，步骤(1)中，ANAMMOX污泥采用某味精污水处理厂厌氧氨氧化絮状污泥，其中厌氧氨氧化污泥接种为1L，其混合液污泥浓度(MLSS)为9200mg/L。生活污水的活性污泥接种约为2L，MLSS为6000mg/L。

优选的，步骤(2)中，进水是实验室人工配水，控制进水NH₄⁺-N为150-200mg/L，水力停留时间(HRT)为20-24h。通过控制NO₂^--N的投加量，来实现NO₂^--N浓度由最初100-110mg/L然后逐步降低直至为0，通过额外添加NO₂^--N减少了AOB转化NH₄⁺-N的需氧量，从而降低了曝气量，且在低DO的条件下，NOB的生长容易受到抑制，有利于AOB和ANAMMOX菌的生长。

优选的，步骤(2)中，用NaHCO₃、Na₂CO₃或Na₃PO₃调节pH为7.5-8.0。

优选的，步骤(2)中，反应器温度由数显恒温水浴锅控制，通过外部的加热循化水保证反应器内部反应区温度控制在31±1℃。

优选的，步骤(2)中，第一阶段的反应时间为10天。

优选的，步骤(2)中，第二阶段的反应时间为5天。

优选的，步骤(2)中，第三阶段的反应时间为10天。

所述UASB反应器购自上海和丹科技有限公司。

所述填料为组合填料，主要包括涤纶丝和塑料环圈。塑料环的环圈分为内外两圈，内外两圈主要通过塑料枝条相连接。外圈主要是将涤纶丝压在塑料环的环圈上，使纤维束均匀分布；内圈是雪花状塑料枝条，既能挂膜，又能有效切割气泡，提高氧的转移速率和利用率。

具体原理如下：

在整个反应中pH维持在7.5-8.0，温度控制在31±1℃是厌氧氨氧化和短程硝化反应最佳的条件。当出水NH₄⁺-N＜25mg/L，出水NO₂^--N＜10mg/L，出水硝酸盐＜15mg/L，NO₃^--N/△NH₄⁺-N值都小于0.11，说明了反应器中未有NO₂^--N积累短程硝化-厌氧氨氧化稳定，最终TN去除率达80％，NO₃^--N/△NH₄⁺-N实测值小于0.11，说明Ⅰ、Ⅱ阶段NO₃^--N的产生主要是通过厌氧氨氧化反应，NOB活性较低没有利用O₂将NO₂^--N转化为NO₃^--N。可以看出曝气量Ⅰ、Ⅱ阶段的曝气量较低未对ANAMMOX菌的活性产生抑制且NOB活性受到了抑制。在Ⅲ阶段进水NO₂^--N浓度为0mg/L，没有NO₂^--N的积累，曝气量的控制使得AOB成为短程硝化-厌氧氨氧化工艺的控制步骤。

本发明具有以下效益：

本发明解决了全程自养脱氮工艺启动缓慢、种泥要求苛刻的难题，提供了一种在UASB反应器中快速启动全程自养脱氮工艺的策略，实现了氨氮的高效去除，为UASB反应器应用于全程自养脱氮工艺的长期高效稳定运行提供了方法。利用三相分离器和组合填料进行厌氧氨氧化的启动，能够更好的实现污泥截留保持反应器内的生物量，组合填料能够实现更好的挂膜，同时又能有效切割气泡，提高氧的转移速率和利用率。接种少量ANAMMOX污泥和生活污水活性污泥，使得ANAMMOX菌成为反应器内的优势菌种，大大缩短了启动周期。(1)采用UASB反应器能够利用三相分离器更好的截留污泥保持反应器内较高的生物量，污泥、水、气能够更好的分离开。组合填料具有挂膜速度快，容易脱膜更新，反应器能够快速接种和缩短启动时间等优点。

(2)本发明在接种厌氧氨氧化污泥和活性污泥混合的条件下，通过控制曝气量和进水的逐步降低亚硝酸盐的浓度在25天内成功启动了CANON工艺，并能够维持稳定。

(3)出水的指标维持在规定范围内，为以后的工程化应用奠定了一定的基础。

附图说明

图1是带有三相分离器的反应器系统

1.进水箱 2.进水泵 3.砂芯曝气头 4.组合填料 5.三相分离器 6.出水 7.气体流量计 8.曝气机

图2进出水NH₄⁺-N和NH₄⁺-N去除率随时间的变化曲线

图3进出水NO₂^--N和NO₂^--N去除率随时间的变化曲线

图4出水NO₃^--N和δNO₃^--N/δTN和δNO₃^--N/δNH₄⁺-N值随时间的变化曲线

具体实施方式

实施例1

采用活性污泥和厌氧氨氧化污泥作为接种污泥进行接种，其中厌氧氨氧化污泥接种约为1L，其MLSS为9200mg/L。生活污水的活性污泥接种约为2L，MLSS为6000mg/L。将两种污泥混合后，从反应器顶部加入。试验用水采用人工模拟的高氨氮无碳废水，合成废水主要提供NH₄⁺-N、微生物生长的大量元素和微量元素以及磷，通过添加NaHCO₃调节pH。NH₄⁺-N浓度维持在200mg/L，NO₂^--N浓度维持在0-110mg/L，NaHCO₃浓度维持在1700mg/L，进水箱通入氩气进行混合均匀，同时除去水中的溶解氧。

反应器由有机玻璃制成，主要包括反应区和三相分离区，有效体积为7L，废水通过蠕动泵由反应器底部连续进入后从上部出水口排出。曝气量通过转子流量计调节曝气量，反应器底部安装砂芯曝气头。内部装有组合填料，填充率为80％。长度约为1米。反应器温度由数显恒温水浴锅控制，内部反应区温度控制在31±1℃。

进水：NH₄⁺-N浓度维持在200mg/L，NO₂^--N浓度维持在0-110mg/L，NaHCO₃浓度维持在1700mg/L，pH维持在7.5-8.0，温度控制在31±1℃。HRT为24h。采用连续进水的方式。每天取样检测出水中的NH₄⁺-N、NO₂^--N、NO₃^--N，通过检测NH₄⁺-N、NO₂^--N、NO₃^--N的浓度及污泥颜色变化作为启动过程的指标参数。

反应：将活性污泥和厌氧氨氧化污泥同时接种到反应器中后，前期控制进水NH₄⁺-N为200mg/L，HRT为24h。本阶段通过添加NO₂^--N的量，浓度由最初110mg/L然后逐步降低直至为0，通过额外添加NO₂^--N减少了AOB转化NH₄⁺-N的需氧量，从而降低了曝气量，且在低DO的条件下，NOB的生长容易受到抑制，有利于AOB和ANAMMOX菌的生长，同时完成了AOB、ANAMMOX菌的挂膜及NOB的抑制。当NO₂^--N有110mg/L变为55mg/L时出水NH₄⁺-N浓度呈现增加，随后反应器增加曝气量由10mL/min变为15mL/min，出水NH₄⁺-N浓度逐渐减少的。当NH₄⁺-N浓度低于10mg/L时，调整NO₂^--N浓度由55mg/L变为0mg/L。此时出水NH₄⁺-N浓度又增加，为了提高NH₄⁺-N的去除率，再次增加曝气量由15mL/min增加为20mL/min。显然当进水NO₂^--N浓度降低时需要提高曝气量来保证NH₄⁺-N转化率。

最终出水NH₄⁺-N＜25mg/L，出水NO₂^--N＜10mg/L,出水硝酸盐＜15mg/L,NO₃^--N/△NH₄⁺-N值都小于0.11，说明了反应器中未有NO₂^--N积累短程硝化-厌氧氨氧化稳定，最终TN去除率达80％，容积氮去除负荷(NRR)为0.2Kg﹒m^-3﹒d^-1，ANAMMOX菌性能良好短程硝化-厌氧氨氧化工艺启动成功仅用了25天。

实施例2

采用活性污泥和厌氧氨氧化污泥作为接种污泥进行接种，其中厌氧氨氧化污泥接种约为1L，其MLSS为9200mg/L。生活污水的活性污泥接种约为2L，MLSS为6000mg/L。将两种污泥混合后，从反应器顶部加入。试验用水采用人工模拟的高氨氮无碳废水，合成废水主要提供NH₄⁺-N、微生物生长的大量元素和微量元素以及磷，通过添加NaHCO₃调节pH。NH₄⁺-N浓度维持在150mg/L，NO₂^--N浓度维持在0-100mg/L，NaHCO₃浓度维持在1700mg/L，进水箱通入氩气进行混合均匀，同时除去水中的溶解氧。

反应器由有机玻璃制成，主要包括反应区和三相分离区，有效体积为7L，废水通过蠕动泵由反应器底部连续进入后从上部出水口排出。曝气量通过转子流量计调节曝气量，反应器底部安装砂芯曝气头。内部装有组合填料，填充率为80％。长度约为1米。反应器温度由数显恒温水浴锅控制，内部反应区温度控制在31±1℃。

进水：NH₄⁺-N浓度维持在150mg/L，NO₂^--N浓度维持在0-100mg/L，NaHCO₃浓度维持在1700mg/L，pH维持在7.5-8.0，温度控制在31±1℃。HRT为24h。采用连续进水的方式。每天取样检测出水中的NH₄⁺-N、NO₂^--N、NO₃^--N，通过检测NH₄⁺-N、NO₂^--N、NO₃^--N的浓度及污泥颜色变化作为启动过程的指标参数。

反应：将活性污泥和厌氧氨氧化污泥同时接种到反应器中后，前期控制进水NH₄⁺-N为150mg/L，HRT为24h。本阶段通过添加NO₂^--N的量，浓度由最初100mg/L然后逐步降低直至为0，通过额外添加NO₂^--N减少了AOB转化NH₄⁺-N的需氧量，从而降低了曝气量，且在低DO的条件下，NOB的生长容易受到抑制，有利于AOB和ANAMMOX菌的生长，同时完成了AOB、ANAMMOX菌的挂膜及NOB的抑制。当NO₂^--N有100mg/L变为50mg/L时出水NH₄⁺-N浓度呈现增加，随后反应器增加曝气量由10mL/min变为15mL/min，出水NH₄⁺-N浓度逐渐减少的。当NH₄⁺-N浓度低于10mg/L时，调整NO₂^--N浓度由50mg/L变为0mg/L。此时出水NH₄⁺-N浓度又增加，为了提高NH₄⁺-N的去除率，再次增加曝气量由15mL/min增加为20mL/min。显然当进水NO₂^--N浓度降低时需要提高曝气量来保证NH₄⁺-N转化率。最终出水NH₄⁺-N＜12mg/L，出水NO₂^--N＜15mg/L，出水硝酸盐＜15mg/L,NO₃^--N/△NH₄⁺-N值都小于0.11，说明了反应器中未有NO₂^--N积累短程硝化-厌氧氨氧化稳定，最终TN去除率达80％，容积氮去除负荷(NRR)为0.198Kg﹒m^-3﹒d^-1，ANAMMOX菌性能良好短程硝化-厌氧氨氧化工艺启动成功仅用了26天。

结合上述案例，一般的活性污泥法启动CANON工艺的时间一般是在100～300天，应用一些高效的反应器如SBR、MBR等反应器启动时间大概是在50～100天，而采用本发明的启动方式后启动周期大大缩短至20～40天，提高了反应器的启动效率，节约了能耗和成本。