一种基于灭活污泥的厌氧氨氧化快速强化启动方法与流程

本发明涉及一种基于灭活污泥的厌氧氨氧化快速强化启动方法，属于废水生物处理领域。

背景技术：

传统污水处理工艺(硝化-反硝化工艺)因能耗高、占地面积大、脱氮效率低、需要外加有机碳源等不足以满足高标准的污水脱氮需求，新型的污水脱氮工艺的开发和研究成为各国水环境保护领域的研究热点。厌氧氨氧化工艺是近年蓬勃发展起来的一种新型脱氮工艺。该工艺是指在厌氧或缺氧条件下，由厌氧氨氧化微生物以亚硝氮为电子受体，将氨氮直接转化成氮气，无需外加碳源、无需曝气、工艺流程短和无n2o产生，使得脱氮成本大幅降低，仅为传统技术方法的1/10。因此厌氧氨氧化技术凭借其优良的处理效果和低廉的运营成本优点，正受到研究人员越来越多的青睐。

然而，厌氧氨氧化菌生长缓慢，世代时间通常长达11天，且生存所需环境条件十分苛刻，富集及其困难，导致厌氧氨氧化工艺的启动周期长，制约了厌氧氨氧化工艺的工程应用，使得这一技术目前基本处于实验室理论研究阶段而工业应用较少。另外，目前厌氧氨氧化菌的富集普遍采用接种活性污泥培养的形式，在富集培养过程中，共存细菌的竞争作用阻碍了厌氧氨氧化菌向优势菌属的转化速度，很大程度上降低了厌氧氨氧化工艺的启动速度。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提供一种基于灭活污泥的厌氧氨氧化快速强化启动方法。

术语说明：

高压蒸气灭活：也称高压蒸汽灭菌，以压力0.1-0.5mpa、温度120-125℃、高压蒸气灭菌20-40min；不仅可杀死一般的细菌、真菌等微生物，对芽胞、孢子也有杀灭效果，广泛应用于医疗和食品行业，是一种快速有效的灭菌技术。

本发明的技术方案如下：

一种基于灭活污泥的厌氧氨氧化快速强化启动方法，包括步骤如下：

(1)将活性污泥在压力0.1-0.5mpa、温度120-125℃条件下进行高压蒸气灭活20-40min，得到灭活污泥，所述活性污泥的含水率大于等于99wt％；

(2)将步骤(1)得到的灭活污泥与活性厌氧氨氧化污泥混合均匀后投加至升流式厌氧反应器的反应区内，混合均匀后得到的混合污泥含水率大于等于99wt％；

(3)从升流式厌氧反应器的底部利用蠕动泵通入待处理废水，根据升流式厌氧反应器的体积调节蠕动泵转速以控制进水流速，使待处理污水在升流式厌氧反应器内水力停留时间为10～48小时，通入待处理废水后的混合污泥浓度保持在3000～5000mg/l，同时采用加热棒或恒温循环水浴装置使升流式厌氧反应器内部温度维持在32～38度，并通入高纯氮气以维持厌氧环境，通入二氧化碳使ph保持在7.1～7.7；

(4)保持升流式厌氧反应器的出水流速与进水流速相同，升流式厌氧反应器运行40～70天后成功启动污泥厌氧氨氧化反应，实现对污水中的氮素的高效脱除，然后进入下一个厌氧氨氧化反应。

根据本发明优选的，所述的活性污泥为活性厌氧颗粒污泥或活性好氧颗粒污泥，活性厌氧颗粒污泥或活性好氧颗粒污泥分别为厌氧反应器或好氧反应器生产排出的污泥经过滤、冲洗、培养后制得，具体为：通过过滤、冲洗去除污泥中的树叶、废弃纸张、废弃塑料杂质，然后将污泥投加至升流式厌氧反应器或升流式好氧反应器的反应区内，从升流式厌氧反应器或升流式好氧反应器的底部利用蠕动泵通入待处理废水，使待处理污水水力停留时间为24～96小时，保持出水流速与进水流速相同，去除上浮和膨胀的污泥，运行3-7天后，收集底部沉淀污泥即为活性污泥；颗粒污泥粒径为0.5～4mm，污泥含水率大于等于98wt％。

根据本发明优选的，步骤(1)中高压蒸气灭活压力0.103-0.203mpa，温度为121-122℃，灭活时间30min。

根据本发明优选的，所述的活性厌氧氨氧化污泥为厌氧反应器生产排出的污泥经富集培养后制得，将污泥投加至升流式厌氧氨氧化反应器的反应区内，从升流式厌氧氨氧化反应器的底部利用蠕动泵通入待处理废水，使待处理污水在升流式厌氧反应器内水力停留时间为24～96小时，保持升流式厌氧氨氧化反应器的出水流速与进水流速相同，去除上浮和膨胀的污泥，升流式厌氧氨氧化反应器运行3-7天后，收集底部沉淀污泥即为活性厌氧氨氧化污泥；厌氧氨氧化污泥颜色为红色或者棕红色，污泥含水率大于等于98wt％。

本发明优选的，步骤(2)所述的活性厌氧氨氧化污泥与灭活污泥的质量比为：0.5-1.8:1，单位：g/kg。

进一步优选的，步骤(2)所述的活性厌氧氨氧化污泥与灭活污泥的质量比为：0.8-1.2:1，单位：g/kg。

本发明优选的，步骤(3)中通入待处理废水后的混合污泥浓度保持在3200mg/l。

本发明优选的，步骤(3)中高纯氮气通入量为：每隔6小时向升流式厌氧反应器内通氮气20～30分钟维持其厌氧环境，曝气强度为2～5ml/(l·min)。

本发明优选的，为了使反应器进水布水均匀，能够与污泥充分接触，在升流式厌氧反应器的底部设置有上砾石层、下砾石层，上层砾石层的厚度为2～3cm，砾石的平均直径为2～5mm，下层砾石层的厚度为3～5cm，砾石的平均直径为5～7mm，进水管铺置在下砾石层下方。

本发明优选的，升流式厌氧反应器的反应器为立式圆柱形，高度为75cm,内径为9cm，有效容积为6l，侧壁设有取样口，反应器进水流速为0.125～0.60l/h，待处理污水在升流式厌氧反应器内水力停留时间为10～48小时。

本发明高压蒸气灭活使厌氧颗粒污泥内与厌氧氨氧化细菌存在竞争关系的共存菌失活，创造一个更利于厌氧氨氧化菌生长的环境，加速厌氧氨氧化菌的富集，强化厌氧氨氧化工艺的启动；灭活污泥为厌氧氨氧化菌的繁殖、增长提供载体，灭活污泥中的元素促进氧氨氧化菌的繁殖，加快厌氧氨氧化菌的富集，不仅可以缩短厌氧氨氧化工艺的启动时间，而且高的厌氧氨氧化菌浓度强化了反应器的抗冲击负荷能力，面对水力停留时间和氮负荷的变化，能够保持稳定的去除效率，适用于去除制药、焦化废水、石油化工废水中的氨氮，尤其适用于氨氮浓度较高且氨氮浓度波动较大的废水。

本发明具有如下优点：

1、本发明所述的方法可有效缩短厌氧氨氧化工艺的启动时间，并可大幅提高厌氧氨氧化菌的富集速度：接种高压蒸汽灭活污泥的反应器可以将启动时间从90-120天缩短到40～70天，当进水总氮容积负荷在1040nmg/m³/d左右时，接种高压蒸汽灭活污泥的反应器总氮去除率可提高9.4％，如图1、2所示；

2、本发明利用高压蒸汽灭活一方面杀死与厌氧氨氧化菌存在竞争作用的共存菌，加快厌氧氨氧化菌的富集；另一方面富集程度更高的厌氧氨氧化菌增加了反应器的耐负荷冲击能力，使其更适应实际应用中水质复杂多变的含氮污水处理任务；同时操作简单且没有附加产物生成，经济高效。

3、本发明的方法运行条件温和，在常温常压下就可以进行，无需特定条件；且无有毒有害物质生成，对环境安全无害。

附图说明

图1为应用实验例投加未灭活污泥和投加灭活污泥的反应器中进出水氨氮浓度的变化曲线图。

图2为应用实验例投加未灭活污泥和投加灭活污泥的反应器中厌氧氨氧化菌拷贝数变化的柱形图。

具体实施方式

下面通过实施例并参照附图对本发明作详细描述。有必要指出的是实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员可以根据上述本发明内容对本发明做出一些非本质的改进和调整。

实施例中使用化学试剂均购买于国药集团化学试剂有限公司，均为分析纯。蠕动泵购自保定兰格恒流泵有限公司，型号是bt100-2j。

升流式厌氧反应器采用聚甲基丙烯酸甲酯材料制成。

曝气所用高纯氮气购自济南德洋特种气体有限公司，规格为99.999％。

潜水泵、加热棒、进出水管、导气管均为常规市购设备。

实施例1

一种基于灭活污泥的厌氧氨氧化快速强化启动方法，包括步骤如下：

(1)将活性厌氧颗粒污泥置于压力0.13mpa、温度120℃条件下进行高压蒸气灭活30min，得到灭活污泥，然后投加至升流式厌氧反应器的反应区内，同时投加活性厌氧氨氧化污泥于反应器中，与灭活污泥混合均匀，活性厌氧氨氧化污泥与灭活污泥的质量比为：0.5:1，单位：g/kg。混合污泥含水率大于等于99wt％，所述的升流式厌氧反应器的高度范围为75cm,内径范围为9cm，有效容积为6l，顶部设有三相分离器，侧壁设有不同高度取样口，底部铺有砾石层，进水管铺置在砾石层中；

活性厌氧颗粒污泥为厌氧反应器生产排出的污泥经过滤、冲洗、培养后制得，具体为：通过过滤、冲洗去除污泥中的树叶、废弃纸张、废弃塑料杂质，然后将污泥投加至升流式厌氧反应器的反应区内，从升流式厌氧反应器的底部利用蠕动泵通入待处理废水，使待处理污水水力停留时间为24～96小时，保持出水流速与进水流速相同，去除上浮和膨胀的污泥，运行3-7天后，收集底部沉淀污泥即为活性污泥；颗粒污泥粒径为0.5～4mm，污泥含水率大于等于98wt％。

活性厌氧氨氧化污泥为厌氧反应器生产排出的污泥经富集培养后制得，将污泥投加至升流式厌氧氨氧化反应器的反应区内，从升流式厌氧氨氧化反应器的底部利用蠕动泵通入待处理废水，使待处理污水在升流式厌氧反应器内水力停留时间为24～96小时，保持升流式厌氧氨氧化反应器的出水流速与进水流速相同，去除上浮和膨胀的污泥，升流式厌氧氨氧化反应器运行3-7天后，收集底部沉淀污泥即为活性厌氧氨氧化污泥；厌氧氨氧化污泥颜色为红色或者棕红色，污泥含水率大于等于98wt％。

(2)从升流式厌氧反应器的底部利用蠕动泵通入待处理废水，根据升流式厌氧反应器的体积调节蠕动泵转速以控制进水流速，控制进水流速为0.125l/h，使待处理污水在升流式厌氧反应器内水力停留时间为48小时，同时采用加热棒使升流式厌氧反应器内部温度维持在35度，每隔6个小时向升流式厌氧反应器通入氮气曝气20min，曝气强度为5ml/(l·min)，优选的，再通入待处理废水前也进行氮气曝气30min，曝气强度为5ml/(l·min)，以维持厌氧环境，通入二氧化碳使ph保持在7.5。

(3)保持升流式厌氧反应器的出水流速与进水流速相同，升流式厌氧反应器运行63天后成功启动污泥厌氧氨氧化反应，实现对污水中的氮素的高效脱除，然后进入厌氧氨氧化稳定阶段。稳定运行期间通过调整水力停留时间和进水流速，提高进水总氮负荷，同时检验耐负荷冲击能力。稳定运行期间总氮去除负荷达到1150mgn/l/d，并且面对不断增加的总氮负荷，反应器保持稳定的运行效果，氮去除效果没有出现大幅度的波动。

对比例1

一种厌氧氨氧化高效处理含氮废水的方法，包括步骤如下：

(1)将活性厌氧颗粒污泥和活性厌氧氨氧化污泥投加至升流式厌氧反应器的反应区内，混合污泥含水率大于等于99wt％，所述的升流式厌氧反应器的高度范围为75cm,内径范围为9cm，有效容积为6l,顶部设有三相分离器，侧壁设有不同高度取样口，底部铺有砾石层，进水管铺置在砾石层中；活性厌氧颗粒污泥污泥取自造纸厂厌氧污水处理装置排出的污泥经过滤、冲洗后制得；活性厌氧氨氧化污泥为厌氧氨氧化反应器富集培养制得。

(2)从升流式厌氧反应器的底部利用蠕动泵通入待处理废水，根据升流式厌氧反应器的体积调节蠕动泵转速以控制进水流速，控制进水流速为0.125l/h，使待处理污水在升流式厌氧反应器内停留48小时，通入待处理废水后的污泥浓度为3200mg/l，同时采用加热棒使升流式厌氧反应器内部温度维持在35度，每隔6个小时向升流式厌氧反应器通入氮气曝气20min，曝气强度为5ml/(l·min)，优选的，在通入待处理废水前也进行氮气曝气30min，曝气强度为5ml/(l·min)，以维持厌氧环境，通入二氧化碳使ph保持在7.5。

(3)保持升流式厌氧反应器的出水流速与进水流速相同，升流式厌氧反应器运行101天后成功启动污泥厌氧氨氧化反应，实现对污水中的氮素的高效脱除，然后进入厌氧氨氧化稳定阶段。稳定运行期间总氮去除负荷达到1100mgn/l/d，面对氮负荷浓度的变化出现过数次波动，表现出相对较差的稳定性。

应用实验例:

向实施例1及对比例1的方法中通入人工合成废水，对废水进行处理，利用蠕动泵控制连续流进水，控制水力停留时间为48小时，并利用蠕动泵控制出水回流，控制反应器进水流速为0.125l/h；所述人工合成废水具体成分为：471mg(nh4)2so4/l，640mgnano2/l，500mgkhco3/l，27.2mgkh2po4/l，120mgmgso4·7h2o/l，180mgcacl2·2h2o/l，5.6mgfeso4，1ml微量元素/l。所述微量元素具体成分为20000mgedta/l，430mgznso4·7h2o/l，240mgcocl2·6h2o/l，990mgmncl2·4h2o/l，250mgcuso4·5h2o/l，220mgnamoo4·2h2o/l，190mgnicl2·6h2o/l，210mgnaseo4·6h2o/l，14mgh3bo4/l。

每3天测定一次氮素浓度，据此评价反应器运行状态及厌氧氨氧化启动效果；每50天取污泥样进行一次q-pcr分析，据此评价厌氧氨氧化菌生长富集速度。

对比例1加入活性厌氧颗粒污泥和活性厌氧氨氧化污泥反应器运行72天成功启动厌氧氨氧化工艺，运行200天后反应器污泥中厌氧氨氧化菌的q-pcr结果为1.37×10⁸copies/ngdna；而本发明实施例1接种灭活的厌氧颗粒污泥和活性厌氧氨氧化污泥反应器运行63天成功启动厌氧氨氧化工艺，启动时间缩短9.3％，运行200天后反应器污泥中厌氧氨氧化菌的q-pcr结果为1.93×10⁸copies/ngdna，厌氧氨氧化菌数量提高了40.9％。

实施例2

一种基于灭活污泥的厌氧氨氧化快速强化启动方法，同实施例1，不同之处在于：

步骤(1)中将活性好氧颗粒污泥置于压力0.3mpa、温度122℃条件下进行高压蒸气灭活30min，得到灭活污泥，其他处理步骤按实施例1进行。

升流式厌氧反应器运行60天后成功启动污泥厌氧氨氧化反应。

实施例3

一种基于灭活污泥的厌氧氨氧化快速强化启动方法，同实施例1，不同之处在于：

步骤(1)中活性厌氧氨氧化污泥与灭活污泥的质量比为：0.8:1，单位：g/kg，其他处理步骤按实施例1进行。升流式厌氧反应器运行54天后成功启动污泥厌氧氨氧化反应。

对比例2

一种厌氧氨氧化高效处理含氮废水的方法，同实施例1，不同之处在于：

步骤(1)中只添加灭活污泥，不添加活性厌氧氨氧化污泥，其他处理步骤按实施例1进行。升流式厌氧反应器运行120天才成功启动污泥厌氧氨氧化反应。

对比例3

一种厌氧氨氧化高效处理含氮废水的方法，同实施例1，不同之处在于：

步骤(1)中活性厌氧氨氧化污泥与灭活污泥的质量比为：3:1，单位：g/kg，其他处理步骤按实施例1进行。升流式厌氧反应器运行86天成功启动污泥厌氧氨氧化反应。

对比例4

一种厌氧氨氧化高效处理含氮废水的方法，同实施例1，不同之处在于：

步骤(1)中活性厌氧氨氧化污泥与灭活污泥的质量比为：5:1，单位：g/kg，其他处理步骤按实施例1进行。升流式厌氧反应器运行105天成功启动污泥厌氧氨氧化反应。