常温下厌氧氨氧化快速启动方法及启动装置与流程

本发明涉及新型污水脱氮技术领域，具体涉及常温下厌氧氨氧化快速启动方法及启动装置。

背景技术：

随着工业化、城市化进程的加快，大量含氮废水排放到自然环境中，水体氮污染形势日益严峻。水环境中的氮循环遭到破坏，诱发水体氮素污染。氨氮是我国排放废水中主要污染物之一，氮污染控制特别是高氨氮废水处理是成为我国水污染治理的当务之急。传统的生物脱氮技术是基于硝化-反硝化反应，在硝化阶段氨氮转化为亚硝酸氮或硝酸氮，在反硝化阶段亚硝酸氮或硝酸氮再转化为氮气，从而实现废水脱氮。随着氮污染形势日趋严峻和污水排放标准提高，传统脱氮工艺表现出诸多不足，例如，在处理高氨氮废水时，需在硝化阶段大量供氧、在反硝化阶段大量外加有机电子供体且需要在两个阶段进行酸碱调节，大大增加物耗能耗，且处理效果不够理想。

厌氧氨氧化(Anammox)是一种适合高氨氮废水处理的新型生物脱氮技术，是当前水体氮污染控制的重要支撑技术之一。Anammox即Anammox菌在厌氧条件下以亚硝酸氮为电子受体将氨氮氧化为氮气的生物化学过程。Anammox工艺是一种厌氧自养的生化过程，无需供氧和外加有机电子供体，脱氮效率极高且反应不产生二氧化碳。因而，Anammox是一种高效、经济、环境友好型的脱氮技术，引起研究界广泛关注。然而，Anammox菌生长缓慢，世代时间长(约11天)，且易受外界环境条件(温度、pH、溶解氧等)影响，因而Anammox装置启动难度较大。为了快速启动Anammox工艺，反应器的选择尤为重要。Anammox工艺启动实质是Anammox菌富集及其活性提高的过程。选择的反应器应具有高效的生物截留率，适合缓慢生长的Anammox菌的长期富集培养。固定床反应器是适合Anammox工艺启动的装置之一。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应器成功启动Anammox工艺，然而，该试验的填料为烧结玻璃珠，导致了反应中产生的大量气泡难以排出和填料层堵塞等问题，该固定床在运行60天之后，性能不够稳定。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.)采用无纺布填料提高了上流式固定床反应器对Anammox菌的截留效率，也提高了Anammox工艺运行的稳定性，其不足之处在于以无纺布作为填料，无纺布上Anammox生物膜过厚会影响底物传质而导致生物膜发黑或者细胞自溶。

目前，Anammox启动周期仍较长(一般大于3个月)且Anammox启动装置大多控制在35-37℃，通过加热棒和温度控制仪来获得该温度范围的恒温热水，再通过恒温热水水浴来实现温度控制，这种的温度控制系统长期运行会带来大量电能的消耗，增加了运行成本；此外，温控仪要出现故障，导致加热棒失控，会影响装置性能，甚至带来安全隐患。因此，需要对填料的选择、结构和运行策略进一步优化以提高固定床启动Anammox工艺的性能。同时，为了节省温度控制带来的能耗、提高装置运行的安全性和稳定性、拓宽Anammox工艺的适用条件，亟需建立一种在常温下运行的高效能Anammox启动装置。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种常温下厌氧氨氧化快速启动方法及启动装置。该启动方法在常温条件下接种普通活性污泥先启动限氧自养硝化反硝化(OLAND)工艺培养OLAND生物膜，再以该生物膜富集Anammox菌启动Anammox工艺。该方法能够大大缩短Anammox工艺的启动时间，提高含氮污水的处理能力，节约能耗。该启动装置按照上述启动方法构建，可以加快启动进程、提高启动有效性，同时，可以实现在无温度控制的常温条件下达到稳定高效的脱氮性能。该启动装置无需温控仪和加热棒，通过设置生物巢式填料、带孔隔板，并在带孔隔板上铺设无纺布，显著提高了主反应区的功能菌种量，改善功能菌与底物之间的传质，保证了装置的运行效果，装置结构简单，操作控制更加方便，且长期运行的安全性高，运行过程更加可靠，因此，可大大降低Anammox工艺在工程应用中的投资和运行成本，满足实际生产需要。

本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，

一种常温下厌氧氨氧化快速启动方法，该方法包括以下过程：

1)在反应器中接种普通活性污泥，所述普通活性污泥为好氧活性污泥、硝化污泥或反硝化污泥，接种污泥混合液悬浮固体浓度MLSS为2000-3000mg/L，且MLVSS/MLSS＝0.6-0.85；

2)常温低基质条件下，启动限氧自养硝化反硝化(OLAND)工艺：按OLAND培养基配置模拟废水并经进水泵连续流入反应器，进水初始NH₄⁺-N浓度范围为20-30mg/L，此阶段溶解氧(DO)控制在0.5-1mg/L，水力停留时间为2-4天，逐步提高进水中的NH₄⁺-N浓度，当进水NH₄⁺-N浓度提高到100mg/L，出水氨氮和总氮的去除率均在90％以上，实现常温下OLAND工艺启动，获得OLAND生物膜，实现厌氧氨氧化(Anammox)菌的预富集；

3)常温条件下，启动Anammox工艺：按Anammox培养基配置模拟废水，反应器运行采取连续进水模式，NH₄⁺-N和NO₂^--N初始浓度均为60～80mg/L，水力停留时间为2-4天，通过逐步提高进水中NH₄⁺-N和NO₂^--N浓度，逐步富集Anammox菌，当出水NH₄⁺-N和NO₂^--N的去除率均大于95％，实现了OLAND生物膜向Anammox生物膜过渡，厌氧氨氧化工艺在常温下成功启动。

一种常温下厌氧氨氧化快速启动装置，其特征在于该装置应用上述的启动方法，基于固定床反应器构建而成，该装置包括装置本体、进水箱、水封结构和集水箱，

所述装置本体为柱体，装置本体包括内层管和外层管，内层管和外层管之间形成空气夹层，内层管的柱体空间为主反应区，在内层管主反应区的中部和底部均设有带孔隔板，每个带孔隔板上均铺设有无纺布，中部和底部的带孔隔板将内层管主反应区分成上下两层，即位于中部带孔隔板和底部带孔隔板之间的区域为下层填料层，位于中部带孔隔板以上的区域为上层填料层；下层填料层和上层填料层均填充生物巢式填料；所述主反应区下部为漏斗形污泥斗，污泥斗底端设有进水口和污泥循环底部出口，主反应区上部设有污泥循环顶部入口和出水口，所述进水口通过进水泵和进水管与进水箱相连，所述污泥循环底部出口通过外部污泥管路与污泥循环顶部入口相连，所述出水口与出水管的一端连接，出水管的另一端没入集水箱的水中，使所述装置本体与空气隔离；所述主反应区顶部设有气体排放口，气体排放口经排气管与水封结构相连。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1)本发明启动方法在常温下(15-25℃)即可启动Anammox工艺，与大多数Anammox工艺启动方案(温度控制在35-37℃)相比，该装置无需温度控制，大幅度降低能耗，实现节能和运行成本的显著减少，也提高了装置长期运行的安全性；且该温度下Anammox启动周期约为40天，与目前大多数Anammox启动周期(大于3个月)相比，启动历程大大缩短。

2)本发明启动方法中，在常温低基质(进水中初始氨氮浓度在20～30mg/L)条件下启动OLAND工艺，培养OLAND生物膜，从OLAND生物膜启动Anammox工艺过程直接进入Anammox活性表现期，与从普通活性污泥启动Anammox工艺(接种普通活性污泥或者Anammox污泥直接启动Anammox工艺)相比，没有细胞自溶期和停滞期，缩短了Anammox工艺启动进程；同时，OLAND生物膜中预富集的Anammox菌增加后续Anammox工艺启动的有效性和稳定性。

3)本发明启动装置的填料层采用生物巢式填料，通过两个带孔隔板将整个填料层分层上下两部分，且在每个带孔隔板上敷设无纺布，能够强化反应器对功能菌的截留效果，并易于反应产生氮气的排出；中部带孔隔板将填料层分为上层填料层和下层填料层，使功能菌更好地分布于上层填料层和下层填料层内，延长底物与生物相之间的反应接触时间，强化底物与生物相之间的传质，提高固定床反应器强化厌氧氨氧化启动效能。

4)本发明启动装置的装置本体下部设有污泥斗和外部污泥循环系统，通过污泥斗收集上部沉降的污泥在通过外部污泥循环系统实现这部分污泥在主反应区的再分布和填料上的再挂膜，强化底物传质及反应器对功能菌截留作用，从而进一步强化厌氧氨氧化启动效能。

5)本发明启动装置的装置本体中内层管和外层管之间形成的空气夹层，可以有效缓冲反应器(装置本体)外部的室内温度变化对功能菌活性的影响。

附图说明

图1为本发明常温下厌氧氨氧化快速启动装置一种实施例的结构示意图。

图2为本发明一种实施例的生物巢式填料结构示意图。

图中：1进水箱；2进水管；3进水泵；4进水口；5底座；6污泥循环底部出口；7带孔隔板；8空气夹层；9污泥斗；10生物巢式填料；11污泥循环顶部入口；12出水口；13出水管；14集水箱；15排气口；16排气管；17水封结构；101微小齿状结构；102齿轮状结构。

具体实施方式

以下结合实施例及附图详细说明本发明，但并不以此作为对本申请权利要求保护范围的限定。

本发明常温下厌氧氨氧化快速启动方法(简称启动方法或方法)包括以下过程：

1)在反应器中接种普通活性污泥(好氧活性污泥、硝化污泥或反硝化污泥)，接种污泥混合液悬浮固体浓度MLSS为2000-3000mg/L，且MLVSS/MLSS＝0.6-0.85；

2)常温条件下，启动限氧自养硝化反硝化(OLAND)工艺：按OLAND培养基配置模拟废水并经进水泵连续流入反应器，进水初始NH₄⁺-N浓度范围为20-30mg/L，此阶段溶解氧(DO)控制在0.5-1mg/L，水力停留时间为2-4天，逐步提高进水中的NH₄⁺-N浓度，当进水NH₄⁺-N浓度提高到100mg/L，出水氨氮和总氮的去除率均在90％以上，实现常温下OLAND工艺启动，获得OLAND生物膜(其主要功能菌为氨氧化菌(AOB)和Anammox菌)，实现厌氧氨氧化(Anammox)菌的预富集；

3)常温条件下，启动Anammox工艺：按Anammox培养基配置模拟废水，反应器运行采取连续进水模式，NH₄⁺-N和NO₂^--N初始浓度均为60～80mg/L，水力停留时间为2-4天，通过逐步提高进水中NH₄⁺-N和NO₂^--N浓度，逐步富集Anammox菌，当出水NH₄⁺-N和NO₂^--N的去除率均大于95％，实现了OLAND生物膜向Anammox生物膜过渡，厌氧氨氧化工艺在常温下成功启动。

上述过程中所述的反应器即指本发明启动装置中的装置本体。

本发明常温下厌氧氨氧化快速启动装置(简称启动装置或装置，参见图1)基于固定床反应器构建而成，该装置包括装置本体、进水箱1、水封结构17和集水箱14，

所述装置本体为柱体，装置本体底部与底座5连接，顶部设有顶盖，装置本体包括内层管和外层管，内层管和外层管之间形成空气夹层8，内层管的柱体空间为主反应区，在内层管主反应区的中部和底部均设有带孔隔板7，每个带孔隔板上均铺设有无纺布，中部和底部的带孔隔板将内层管主反应区分成上下两层，即位于中部带孔隔板和底部带孔隔板之间的区域为下层填料层，位于中部带孔隔板以上的区域为上层填料层，所述带孔隔板可自由拆卸和安装，对带孔隔板上部空间的填料起到支撑作用，避免因污泥大部分沉到底部而降低污泥中菌种与底物之间的传质；下层填料层和上层填料层均填充生物巢式填料10；所述主反应区下部为漏斗形污泥斗，污泥斗底端设有进水口4和污泥循环底部出口6，主反应区上部设有污泥循环顶部入口11和出水口12，所述进水口4通过进水泵3和进水管2与进水箱1相连，所述污泥循环底部出口6通过外部污泥管路与污泥循环顶部入口11相连，所述出水口12与出水管13的一端连接，出水管13的另一端没入集水箱14的水中，使所述装置本体与空气隔离；所述主反应区顶部设有气体排放口15，气体排放口经排气管16与水封结构17相连。

本发明装置的进一步特征在于所述生物巢式填料10(参见图2)的横截面整体呈环状，环形区域内呈多孔结构，且在孔壁上分布有若干个微小齿状结构101，环形区域的外壁上设有齿轮状结构102。生物巢式填料这种结构特点，大大提高了反应器对功能菌的截留效率，尤其是对生长极缓的Anammox菌的截留效率；这种填料的多孔结构也利于反应过程产气的排出从而避免填料层堵塞，且气体排出会产生的轻微冲刷作用利于生物膜更新从而使得生物膜保持在一个较好的活性。

本发明装置的进一步特征在于所述带孔隔板为可拆卸的有机玻璃板。

本发明中所述的生物巢式填料可以商购获得，也可以按照图2中的结构自行设计制造，整体生物巢式填料为环形多孔结构。所述中部带孔隔板和底部带孔隔板上均敷设无纺布，中部带孔隔板上的无纺布用于截留其上部沉降的功能菌以及其下部随气泡上浮的功能菌，底部带孔隔板上的无纺布截留因重力沉降下沉的功能菌，避免过多功能菌流入污泥斗，从而提高主反应区的功能菌种量，以保证装置运行效果。所述装置本体下部污泥斗呈漏斗形，一方面有利于底部均匀进水，另一方面有助于收集主反应区因产气轻微冲刷和重力沉降作用漏入底部的培养污泥，经过一段时间运行之后这些污泥中含有大量功能菌，这些污泥从污泥循环底部出口6经由外部污泥管路从污泥顶部循环入口11进入主反应区上部，进入的污泥再经重力沉降作用实现其在主反应区的再分布和填料上的再挂膜，进一步强化反应器对功能菌的截留作用。

本发明中限氧自养硝化反硝化(OLAND)工艺启动采用常温低基质条件(即温度范围为15-25℃，进水初始NH₄⁺-N浓度范围为20-30mg/L)启动，该启动过程更加稳定安全，且大大降低了物料消耗。

本发明中涉及的硝化反硝化(OLAND)工艺和Anammox工艺本身均属于现有技术，具体培养基配置等均按照常规方法操作。

实施例1

本实施例装置(如图1所示)置于河北工业大学新校区节能楼环境工程实验室，实验室环境温度在15-25℃。采用本发明所述装置和方法实现了Anammox工艺常温条件下快速有效启动。装置主体的有效工作体积为2.6L，高与外径比为2.5。装置本体填充生物巢式填料，生物巢式填料采用聚乙烯制成，该填料的横截面整体呈环状，环形区域内呈多孔结构，具体结构如图2所示，本实施例中生物巢式填料具有19个孔，可以提高反应器对功能菌的截留效率，同时易于反应产生气体的排出。

具体操作方法如下：

(1)接种污泥为某污水处理厂曝气池的好氧活性污泥，污泥接种量为2L。接种时污泥混合液的MLSS(混合液悬浮固体浓度)和MLVSS(混合液挥发性悬浮固体浓度)分别为2284mg/L和1935mg/L。

(2)按OLAND培养基配置(具体配置过程参见Kuai L P,Versraete W.Anammonium removel by the Oxygen-Limited autorophic nitrification-denitrification system.Applied and Environmental Microbiology,1999,39(7):13-21.)模拟废水，进水中总氮由氨氮提供，进水初始NH₄⁺-N浓度为20mg/L，DO控制在0.5-1.0mg/L，水力停留时间(HRT)为2天。常温(15-25℃)条件下采取连续进水模式运行装置启动OLAND工艺。当出水总氮小于5mg/L，即可提高进水中的氨氮(NH₄⁺-N)浓度。经30天运行，装置进水氨氮浓度逐步提升至100mg/L，出水氨氮和总氮去除率均稳定在90％以上。表明装置在常温低基质条件下实现OLAND工艺启动，获得OLAND生物膜，其中有一定量的Anammox菌预富集。

(3)常温条件下(15-25℃)以培养的OLAND污泥进一步富集Anammox菌从而启动Anammox工艺。按Anammox培养基配置(具体配置过程参见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.)模拟废水，通过曝氮气5min去除该废水中DO。反应器继续保持连续进水模式。反应器和管路接口密封，保证Anammox反应所需的厌氧环境。进水中总氮由氨氮和亚硝酸氮提供，其中NH₄⁺-N和NO₂^--N初始浓度均为70mg/L，HRT控制在2d。装置在常温条件下(15-25℃)运行10天，进水中的70mg/L NH₄⁺-N和NO₂^--N经反应器同步去除，出水NH₄⁺-N和NO₂^--N的去除率分别为95％和100％，实现了OLAND生物膜向Anammox生物膜过渡，这标志厌氧氨氧化工艺在常温下成功启动。运行50天，进水NH₄⁺-N和NO₂^--N浓度逐步提高到230和260mg/L，两者去除率均大于95％，表明富集足够量的Anammox菌，也表明Anammox工艺在常温条件下成功启动之后表现出稳定的脱氮性能。

从上述实施例中可以看出采用本发明启动方法和装置，能实现厌氧氨氧化工艺的快速启动，且启动所需时间为四十天左右，相比现有厌氧氨氧化启动工艺，启动时间大大缩短，且能实现常温启动，大大节省了现有技术中由于温度控制而带来的能耗，从上述模拟实验结果可以看出，启动后，该装置能够在常温下平稳运行，更加安全可靠。

此外，实施例中控制水力停留时间为2天，这大大增加了使用该启动方法进行污水处理的处理能力。

尽管以上示出并描述了本发明的实施例，但可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

本发明未述及之处适用于现有技术。