本發(fā)明涉及新型污水脫氮技術(shù)領(lǐng)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(shù)：

隨著工業(yè)化、城市化進程的加快，大量含氮廢水排放到自然環(huán)境中，水體氮污染形勢日益嚴(yán)峻。水環(huán)境中的氮循環(huán)遭到破壞，誘發(fā)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(dāng)務(wù)之急。傳統(tǒng)的生物脫氮技術(shù)是基于硝化-反硝化反應(yīng)，在硝化階段氨氮轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化為氮氣，從而實現(xiàn)廢水脫氮。隨著氮污染形勢日趨嚴(yán)峻和污水排放標(biāo)準(zhǔn)提高，傳統(tǒng)脫氮工藝表現(xiàn)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(diào)節(jié)，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(shù)，是當(dāng)前水體氮污染控制的重要支撐技術(shù)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(xué)過程。Anammox工藝是一種厭氧自養(yǎng)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(yīng)不產(chǎn)生二氧化碳。因而，Anammox是一種高效、經(jīng)濟、環(huán)境友好型的脫氮技術(shù)，引起研究界廣泛關(guān)注。然而，Anammox菌生長緩慢，世代時間長(約11天)，且易受外界環(huán)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(yīng)器的選擇尤為重要。Anammox工藝啟動實質(zhì)是Anammox菌富集及其活性提高的過程。選擇的反應(yīng)器應(yīng)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(yǎng)。固定床反應(yīng)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(yīng)器成功啟動Anammox工藝，然而，該試驗的填料為燒結(jié)玻璃珠，導(dǎo)致了反應(yīng)中產(chǎn)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(wěn)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(yīng)器對Anammox菌的截留效率，也提高了Anammox工藝運行的穩(wěn)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(zhì)而導(dǎo)致生物膜發(fā)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?zé)崴?，再通過恒溫?zé)崴韺崿F(xiàn)溫度控制，這種的溫度控制系統(tǒng)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(xiàn)故障，導(dǎo)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(jié)構(gòu)和運行策略進一步優(yōu)化以提高固定床啟動Anammox工藝的性能。同時，為了節(jié)省溫度控制帶來的能耗、提高裝置運行的安全性和穩(wěn)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(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明擬解決的技術(shù)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(yǎng)硝化反硝化(OLAND)工藝培養(yǎng)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(jié)約能耗。該啟動裝置按照上述啟動方法構(gòu)建，可以加快啟動進程、提高啟動有效性，同時，可以實現(xiàn)在無溫度控制的常溫條件下達到穩(wěn)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(shè)置生物巢式填料、帶孔隔板，并在帶孔隔板上鋪設(shè)無紡布，顯著提高了主反應(yīng)區(qū)的功能菌種量，改善功能菌與底物之間的傳質(zhì)，保證了裝置的運行效果，裝置結(jié)構(gòu)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(yīng)用中的投資和運行成本，滿足實際生產(chǎn)需要。

本發(fā)明解決所述技術(shù)問題采用的技術(shù)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(yīng)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(zhì)條件下，啟動限氧自養(yǎng)硝化反硝化(OLAND)工藝：按OLAND培養(yǎng)基配置模擬廢水并經(jīng)進水泵連續(xù)流入反應(yīng)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(dāng)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(xiàn)常溫下OLAND工藝啟動，獲得OLAND生物膜，實現(xiàn)厭氧氨氧化(Anammox)菌的預(yù)富集；

3)常溫條件下，啟動Anammox工藝：按Anammox培養(yǎng)基配置模擬廢水，反應(yīng)器運行采取連續(xù)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(dāng)出水NH₄⁺-N和NO₂^--N的去除率均大于95％，實現(xiàn)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(yīng)用上述的啟動方法，基于固定床反應(yīng)器構(gòu)建而成，該裝置包括裝置本體、進水箱、水封結(jié)構(gòu)和集水箱，

所述裝置本體為柱體，裝置本體包括內(nèi)層管和外層管，內(nèi)層管和外層管之間形成空氣夾層，內(nèi)層管的柱體空間為主反應(yīng)區(qū)，在內(nèi)層管主反應(yīng)區(qū)的中部和底部均設(shè)有帶孔隔板，每個帶孔隔板上均鋪設(shè)有無紡布，中部和底部的帶孔隔板將內(nèi)層管主反應(yīng)區(qū)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(qū)域為下層填料層，位于中部帶孔隔板以上的區(qū)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(yīng)區(qū)下部為漏斗形污泥斗，污泥斗底端設(shè)有進水口和污泥循環(huán)底部出口，主反應(yīng)區(qū)上部設(shè)有污泥循環(huán)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(huán)底部出口通過外部污泥管路與污泥循環(huán)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(yīng)區(qū)頂部設(shè)有氣體排放口，氣體排放口經(jīng)排氣管與水封結(jié)構(gòu)相連。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：

1)本發(fā)明啟動方法在常溫下(15-25℃)即可啟動Anammox工藝，與大多數(shù)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(xiàn)節(jié)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(shù)Anammox啟動周期(大于3個月)相比，啟動歷程大大縮短。

2)本發(fā)明啟動方法中，在常溫低基質(zhì)(進水中初始氨氮濃度在20～30mg/L)條件下啟動OLAND工藝，培養(yǎng)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(xiàn)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(yù)富集的Anammox菌增加后續(xù)Anammox工藝啟動的有效性和穩(wěn)定性。

3)本發(fā)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(shè)無紡布，能夠強化反應(yīng)器對功能菌的截留效果，并易于反應(yīng)產(chǎn)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(nèi)，延長底物與生物相之間的反應(yīng)接觸時間，強化底物與生物相之間的傳質(zhì)，提高固定床反應(yīng)器強化厭氧氨氧化啟動效能。

4)本發(fā)明啟動裝置的裝置本體下部設(shè)有污泥斗和外部污泥循環(huán)系統(tǒng)，通過污泥斗收集上部沉降的污泥在通過外部污泥循環(huán)系統(tǒng)實現(xiàn)這部分污泥在主反應(yīng)區(qū)的再分布和填料上的再掛膜，強化底物傳質(zhì)及反應(yīng)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(fā)明啟動裝置的裝置本體中內(nèi)層管和外層管之間形成的空氣夾層，可以有效緩沖反應(yīng)器(裝置本體)外部的室內(nèi)溫度變化對功能菌活性的影響。

附圖說明

圖1為本發(fā)明常溫下厭氧氨氧化快速啟動裝置一種實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明一種實施例的生物巢式填料結(jié)構(gòu)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(huán)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(huán)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(jié)構(gòu)；101微小齒狀結(jié)構(gòu)；102齒輪狀結(jié)構(gòu)。

具體實施方式

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

本發(fā)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(yīng)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(yǎng)硝化反硝化(OLAND)工藝：按OLAND培養(yǎng)基配置模擬廢水并經(jīng)進水泵連續(xù)流入反應(yīng)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(dāng)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(xiàn)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(xiàn)厭氧氨氧化(Anammox)菌的預(yù)富集；

3)常溫條件下，啟動Anammox工藝：按Anammox培養(yǎng)基配置模擬廢水，反應(yīng)器運行采取連續(xù)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(dāng)出水NH₄⁺-N和NO₂^--N的去除率均大于95％，實現(xiàn)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(yīng)器即指本發(fā)明啟動裝置中的裝置本體。

本發(fā)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(yīng)器構(gòu)建而成，該裝置包括裝置本體、進水箱1、水封結(jié)構(gòu)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(shè)有頂蓋，裝置本體包括內(nèi)層管和外層管，內(nèi)層管和外層管之間形成空氣夾層8，內(nèi)層管的柱體空間為主反應(yīng)區(qū)，在內(nèi)層管主反應(yīng)區(qū)的中部和底部均設(shè)有帶孔隔板7，每個帶孔隔板上均鋪設(shè)有無紡布，中部和底部的帶孔隔板將內(nèi)層管主反應(yīng)區(qū)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(qū)域為下層填料層，位于中部帶孔隔板以上的區(qū)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(zhì)；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(yīng)區(qū)下部為漏斗形污泥斗，污泥斗底端設(shè)有進水口4和污泥循環(huán)底部出口6，主反應(yīng)區(qū)上部設(shè)有污泥循環(huán)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(huán)底部出口6通過外部污泥管路與污泥循環(huán)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(yīng)區(qū)頂部設(shè)有氣體排放口15，氣體排放口經(jīng)排氣管16與水封結(jié)構(gòu)17相連。

本發(fā)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(huán)狀，環(huán)形區(qū)域內(nèi)呈多孔結(jié)構(gòu)，且在孔壁上分布有若干個微小齒狀結(jié)構(gòu)101，環(huán)形區(qū)域的外壁上設(shè)有齒輪狀結(jié)構(gòu)102。生物巢式填料這種結(jié)構(gòu)特點，大大提高了反應(yīng)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(jié)構(gòu)也利于反應(yīng)過程產(chǎn)氣的排出從而避免填料層堵塞，且氣體排出會產(chǎn)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(fā)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(fā)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(jié)構(gòu)自行設(shè)計制造，整體生物巢式填料為環(huán)形多孔結(jié)構(gòu)。所述中部帶孔隔板和底部帶孔隔板上均敷設(shè)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(yīng)區(qū)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(yīng)區(qū)因產(chǎn)氣輕微沖刷和重力沉降作用漏入底部的培養(yǎng)污泥，經(jīng)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(huán)底部出口6經(jīng)由外部污泥管路從污泥頂部循環(huán)入口11進入主反應(yīng)區(qū)上部，進入的污泥再經(jīng)重力沉降作用實現(xiàn)其在主反應(yīng)區(qū)的再分布和填料上的再掛膜，進一步強化反應(yīng)器對功能菌的截留作用。

本發(fā)明中限氧自養(yǎng)硝化反硝化(OLAND)工藝啟動采用常溫低基質(zhì)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(wěn)定安全，且大大降低了物料消耗。

本發(fā)明中涉及的硝化反硝化(OLAND)工藝和Anammox工藝本身均屬于現(xiàn)有技術(shù)，具體培養(yǎng)基配置等均按照常規(guī)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(yè)大學(xué)新校區(qū)節(jié)能樓環(huán)境工程實驗室，實驗室環(huán)境溫度在15-25℃。采用本發(fā)明所述裝置和方法實現(xiàn)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(huán)狀，環(huán)形區(qū)域內(nèi)呈多孔結(jié)構(gòu)，具體結(jié)構(gòu)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(yīng)器對功能菌的截留效率，同時易于反應(yīng)產(chǎn)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(fā)性懸浮固體濃度)分別為2284mg/L和1935mg/L。

(2)按OLAND培養(yǎng)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(xù)進水模式運行裝置啟動OLAND工藝。當(dāng)出水總氮小于5mg/L，即可提高進水中的氨氮(NH₄⁺-N)濃度。經(jīng)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(wěn)定在90％以上。表明裝置在常溫低基質(zhì)條件下實現(xiàn)OLAND工藝啟動，獲得OLAND生物膜，其中有一定量的Anammox菌預(yù)富集。

(3)常溫條件下(15-25℃)以培養(yǎng)的OLAND污泥進一步富集Anammox菌從而啟動Anammox工藝。按Anammox培養(yǎng)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(yīng)器繼續(xù)保持連續(xù)進水模式。反應(yīng)器和管路接口密封，保證Anammox反應(yīng)所需的厭氧環(huán)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(jīng)反應(yīng)器同步去除，出水NH₄⁺-N和NO₂^--N的去除率分別為95％和100％，實現(xiàn)了OLAND生物膜向Anammox生物膜過渡，這標(biāo)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(xiàn)出穩(wěn)定的脫氮性能。

從上述實施例中可以看出采用本發(fā)明啟動方法和裝置，能實現(xiàn)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(xiàn)有厭氧氨氧化啟動工藝，啟動時間大大縮短，且能實現(xiàn)常溫啟動，大大節(jié)省了現(xiàn)有技術(shù)中由于溫度控制而帶來的能耗，從上述模擬實驗結(jié)果可以看出，啟動后，該裝置能夠在常溫下平穩(wěn)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(fā)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(fā)明的限制，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的范圍內(nèi)可以對上述實施例進行變化、修改、替換和變型。

本發(fā)明未述及之處適用于現(xiàn)有技術(shù)。