CN101805060A - 一种快速实现厌氧氨氧化颗粒化的方法 - Google Patents

一种快速实现厌氧氨氧化颗粒化的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种快速实现厌氧氨氧化颗粒化的方法，是用失活产甲烷颗粒污泥和厌氧氨氧化絮状污泥的混合污泥对UASB反应器进行接种；配制模拟废水；反应器采取连续流方式运行，部分出水回流，将反应器的水力上升流速控制在1～2m/h之间；保持反应器内的温度、pH值和溶解氧等条件，稳定运行一段时间后，获得红棕色厌氧氨氧化颗粒污泥。本发明具有工艺简单，启动阶段进水氮浓度高，对氮化合物去除率高，厌氧氨氧化颗粒化时间短等优点，可广泛应用于厌氧氨氧化颗粒反应器的启动。

Description

一种快速实现厌氧氨氧化颗粒化的方法
技术领域
本发明涉及厌氧氨氧化颗粒污泥的富集培养，尤其涉及一种快速实现厌氧氨氧化颗粒化的方法，属于废水生物处理技术领域。
背景技术
传统生物脱氮工艺具有不经济性和复杂性的特点，尤其是在处理高含氮而低碳氮比废水时。相比而言，厌氧氨氧化技术是一种新型而卓越的选择，该工艺不需要投加外部碳源，这样可以避免有机物的不完全转化，其还可以节省60％能耗，导致运行成本的大大节省。另外，这个自养过程生物量产量低，可以降低剩余污泥处理负荷。总之，厌氧氨氧化过程是一种环境友好的可持续工艺。
厌氧氨氧化过程的主要限制因素是细菌的倍增时间较长，这使得培养厌氧氨氧化菌的反应器必须能够有效的保持污泥在反应器中。在生物系统中，颗粒化不仅能够有效提高污泥的沉降能力，延长细菌在反应器的有效停留时间，而且能够改善反应器的生理条件，使之更适于细菌和它们之间的相互作用。颗粒污泥的形成是升流式污泥床反应器(UASB)成功引入的主要原因，并且UASB反应器已成功应用于厌氧氨氧化工艺。在先前研究中，反应器接种颗粒污泥被认为较适合这种缓慢生长的厌氧氨氧化细菌。通过颗粒污泥，大量活性细菌可以保持在在反应器中。然而，厌氧氨氧化颗粒化仍然需要较长时间，往往超过可接受的启动时间。如果接种产甲烷颗粒和厌氧氨氧化絮状污泥，180天的培养才能形成红色厌氧氨氧化颗粒。即使采用厌氧氨氧化污泥，颗粒化过程仍然很费时间。大部分厌氧氨氧化颗粒化研究采用序批式反应器和UASB反应器，接种污泥多是活性好氧或厌氧颗粒。由于共存细菌的竞争作用，其他菌种的洗出及厌氧氨氧化菌的富集过程是非常缓慢的。由于高浓度亚硝酸氮会抑制厌氧氨氧化菌的活性，通常启动阶段，厌氧氨氧化反应器进水亚硝酸氮浓度低于70mg N/L，使得反应器负荷提高缓慢。因此，在高进水含氮浓度情况下，快速实现厌氧氨氧化颗粒化是促进厌氧氨氧化实际应用的一种重要途径和亟需解决的问题。
发明内容
针对现有技术中厌氧氨氧化颗粒化周期较长和启动阶段进水浓度较低的不足，本发明要解决的问题是提供一种快速实现厌氧氨氧化颗粒化的方法，并可在高负荷下启动颗粒反应器。
本发明所述一种快速实现厌氧氨氧化颗粒化的方法，是在UASB反应器中接种失活产甲烷颗粒污泥和少量厌氧氨氧化絮状污泥，采用高浓度人工合成废水作为基础用水，通过调整反应器的设备运行参数，快速实现厌氧氨氧化颗粒化和颗粒反应器的成功启动。
本发明所述快速实现厌氧氨氧化颗粒化的方法，其涉及的步骤和工艺条件是：
(1)用失活产甲烷颗粒污泥和厌氧氨氧化絮状污泥的混合污泥对UASB反应器进行接种；其中所述失活产甲烷颗粒污泥量为反应器有效容积量的30～50％，所述厌氧氨氧化絮状污泥量为失活产甲烷颗粒污泥量的1～5％；所述UASB反应器设计为套筒式，顶部设有三相分离器，底部铺有厚度为3～6cm的直径为2mm～10mm的砾石；
(2)启动反应器前通入氩气驱除反应器内的溶解氧，并通过恒温循环水浴控制反应器系统内温度在35±1℃，以CO2气体控制反应器系统内pH值在7.8～8.0；
(3)以人工合成废水为UASB反应器的进水，并用蠕动泵对反应器的出水进行回流，反应器的水力上升流速控制在1～2m/h，反应器水力停留时间为1.5～2天；其中所述人工废水的成分为：(NH4)2SO4 500～1400mg/L，NaNO2 650～1700mg/L，KHCO3 500mg/L，KH2PO4 27.2mg/L，MgSO4·7H2O 300mg/L，CaCl2·2H2O 180mg/L，以及微量元素溶液I和II各1mL/L；所述微量元素溶液I成分为：EDTA 5000mg/L，FeSO4 5000mg/L；所述微量元素溶液II成分为：EDTA 15000mg/L，ZnSO4·7H2O 430mg/L，CoCl2·6H2O 240mg/L，MnCl2·4H2O 990mg/L，CuSO4·5H2O 250mg/L，NaMoO4·2H2O 220mg/L，NiCl2·6H2O 190mg/L，NaSeO4·10H2O 210mg/L，H3BO4 14mg/L；
(4)反应器采用连续流方式运行，启动阶段反应器进水氨氮和亚硝酸氮浓度为100～150mg N/L，并每天测定一次氮化合物浓度，据此调整反应器运行条件；
(5)反应器运行经1～88天的厌氧氨氧化菌培养富集期实现厌氧氨氧化颗粒化，经20～30天的厌氧氨氧化颗粒生长和性能提高期实现对氮化合物的高效率去除。
上述快速实现厌氧氨氧化颗粒化的方法中，所述失活产甲烷颗粒污泥颜色为黑色，颗粒污泥MLVSS(混合液挥发性悬浮固体浓度)为22.0～25.0g/L；以密封在聚乙稀桶中并在常温下放置2.5年以上，期间没有供给任何营养物质方式制备。通过电镜观察显示，失活产甲烷颗粒细胞呈现内部中空结构，大部分细胞呈完整结构，但是观察不到清晰的细胞核、核糖体等结构。
上述快速实现厌氧氨氧化颗粒化的方法中，所述厌氧氨氧化絮状污泥为红棕色，扫描电镜镜检显示，污泥的结构密实，在细菌群落中球状菌属于优势种，实时定量聚合酶链式反应技术分析进一步表明，污泥中厌氧氨氧化菌纯度是95％以上，污泥MLVSS(混合液挥发性悬浮固体浓度)为3.0～4.0g/L。
上述快速实现厌氧氨氧化颗粒化的方法中，所述人工合成废水中NH4 +-N与NO2 --N的摩尔比优选控制在1∶1.1～1∶1.5。
上述快速实现厌氧氨氧化颗粒化的方法中，所述人工合成废水在泵入UASB反应器前，先曝氩气以除去水中的溶解氧。
上述快速实现厌氧氨氧化颗粒化的方法中，所述反应器系统出水口和排气口均设有水封装置；反应器运行期间应定期对反应器系统曝氩气，以保持系统厌氧条件。
本发明反应器采用连续流方式运行，启动阶段反应器进水氨氮和亚硝酸氮浓度为100～150mg N/L。反应器启动阶段的目的是保持出水亚硝酸氮浓度低于公认毒性水平，而同时要尽量提高进水氨氮和亚硝酸氮浓度。试验中每天测定一次氮化合物浓度，并据此调整反应器运行条件。
本发明产甲烷颗粒污泥取自处理消化池上清液的UASB工艺，该反应器形成了直径1.1～2.1mm的厌氧颗粒，该污泥接种前经失活处理。本发明接种厌氧氨氧化红棕色污泥取自厌氧氨氧化富集膜反应器，该反应器能实现污泥的有效保持。
本发明快速实现厌氧氨氧化颗粒化经历两个阶段：厌氧氨氧化菌培养富集期(1～88天)、厌氧氨氧化颗粒生长和性能提高期(第89～110天)。厌氧氨氧化菌培养富集期反应器系统内不能适应厌氧氨氧化菌培养基的微生物解体并从颗粒反应器中洗出，实现了厌氧氨氧化菌种的筛选；厌氧氨氧化颗粒生长和性能提高期反应器系统内厌氧氨氧化菌成为优势菌种，活性迅速提高，系统内形成红色厌氧氨氧化颗粒。本发明快速实现厌氧氨氧化颗粒化仅用了3个月时间，较采用活性污泥为接种污泥时大大缩短了颗粒形成时间。厌氧氨氧化快速颗粒化过程中，通过定期对系统曝氩气，始终保持系统内厌氧状态，控制系统温度为35±1℃，系统pH值保持在7.8～8.0之间，进水严格配比各成分，为厌氧氨氧化菌培养、富集、颗粒形成提供最适生境。采用本发明所述方法，厌氧氨氧化颗粒化时间比常规方法的180天或更长时间缩短了1/2以上，仅用了88天，并且反应器运行更稳定，总氮去除率更高，氨氮、亚硝酸氮和总氮平均去除率分别达到95.8±1.1％、98.8±0.7％和96.0±0.6％。取形成的厌氧氨氧化红棕色颗粒进行实时定量聚合酶链式反应分析发现，所培养颗粒中2/3以上细胞是厌氧氨氧化菌。
本发明的厌氧氨氧化快速颗粒化方法与现有技术相比具有如下优点：
(1)主要接种污泥为失活产甲烷颗粒污泥，其中的微生物失活，细胞呈现内部中空结构，厌氧氨氧化菌能够进入并利用失活产甲烷颗粒的骨架，在颗粒内部繁殖，大大缩短了厌氧氨氧化颗粒化时间；
(2)反应器系统严格厌氧控制，其他运行参数均有效控制，提高了总氮去除效率；
(3)反应器启动阶段进水氮浓度有了较大的提高；
(4)本发明可以用来启动大规模厌氧氨氧化颗粒反应器，特别是在没有大量厌氧氨氧化接种污泥可用时。在这种情况下，反应器可以接种失活产甲烷颗粒和其体积1～5％的絮状厌氧氨氧化污泥。
附图说明
图1为本发明驯化过程氨氮变化曲线图。
图2为本发明驯化过程亚硝酸氮变化曲线图。
具体实施方式
以下结合说明书附图来对本发明作进一步说明，但本发明所要求保护的范围并不局限于具体实施方式中所描述的范围。
实施例1
(1)取1.5L失活产甲烷颗粒污泥接种到UASB反应器中，该颗粒污泥MLSS(混合液悬浮固体浓度)和MLVSS(混合液挥发性悬浮固体浓度)浓度分别是32.9g/L和24.8g/L。所使用UASB反应器有效容积是5L，顶部设有三相分离器，底部铺有厚度为5cm的直径分别为2mm，5mm、10mm的三种尺寸的砾石。反应器加入失活颗粒后，静止放置约2周以使污泥适应反应器并对系统曝气以实现系统内绝对厌氧状态；
(2)从厌氧氨氧化菌富集反应器中取50mL厌氧氨氧化絮状污泥接种到反应器中，该絮状污泥的MLSS和MLVSS浓度分别是4.8g/L和3.2g/L，实时定量聚合酶链式反应技术分析表明，污泥中厌氧氨氧化菌纯度是97％；
(3)进水为人工合成废水，人工废水成分：(NH4)2SO4 543～1318mg/L，NaNO2 688～1700mg/L，KHCO3 500mg/L，KH2PO4 27.2mg/L，MgSO4·7H2O 300mg/L，CaCl2·2H2O 180mg/L，以及微量元素溶液I和II各1mL/L。废水中NH4 +-N和NO2 --N摩尔比控制为1∶1.1～1∶1.5。微量元素溶液I成分：EDTA 5000mg/L，FeSO4 5000mg/L；微量元素溶液II成分：EDTA 15000mg/L，ZnSO4·7H2O 430mg/L，CoCl2·6H2O 240mg/L，MnCl2·4H2O 990mg/L，CuSO4·5H2O 250mg/L，NaMoO4·2H2O 220mg/L，NiCl2·6H2O 190mg/L，NaSeO4·10H2O 210mg/L，H3BO4 14mg/L。人工合成废水泵入反应器前，预先曝氩气以除去水中的溶解氧；
(4)反应器设计为套筒式，通过恒温循环水浴控制系统温度在35±1℃，实时观测反应器温度，并及时根据气温调整恒温水浴的运行参数。系统内pH值由CO2气体控制在7.5～8.0之间。系统使用蠕动泵对反应器出水进行回流，反应器的水力上升流速控制在1～2m/h。反应器水力停留时间为1.5～2天。
反应器连续运行88天后，如图1和图2所示，本发明反应器出水氨氮和亚硝酸氮浓度显著降低。稳定运行3个月后反应器内观察到红棕色的厌氧氨氧化颗粒污泥。厌氧氨氧化颗粒污泥的平均粒径是1.3±0.4mm，通过透射电镜观察，颗粒内大部分细胞具有厌氧氨氧化菌典型特征，取形成的厌氧氨氧化红棕色颗粒进行实时定量聚合酶链式反应分析发现，所培养颗粒中65％以上细胞是厌氧氨氧化菌。该反应器工作性能良好，氨氮、亚硝酸氮和总氮的去除率均达到95％以上，并且具有较高的稳定性。
实施例2
(1)用失活产甲烷颗粒污泥和厌氧氨氧化絮状污泥的混合污泥对UASB反应器进行接种；其中所述失活产甲烷颗粒污泥量为反应器有效容积量(5L)的40％，所述厌氧氨氧化絮状污泥量为失活产甲烷颗粒污泥量的4％；所述UASB反应器设计为套筒式，顶部设有三相分离器，底部铺有厚度为6cm的直径为2mm～10mm的砾石；
(2)启动反应器前通入氩气驱除反应器内的溶解氧，并通过恒温循环水浴控制反应器系统内温度在35±1℃，以CO2气体控制反应器系统内pH值在7.8～8.0；
(3)以人工合成废水为UASB反应器的进水，并用蠕动泵对反应器的出水进行回流，反应器的水力上升流速控制在1m/h，反应器水力停留时间为2天；其中所述人工废水的成分为：(NH4)2SO4 550～1200mg/L，NaNO2 650～1650mg/L，KHCO3 500mg/L，KH2PO4 27.2mg/L，MgSO4·7H2O 300mg/L，CaCl2·2H2O 180mg/L，以及微量元素溶液I和II各1mL/L；所述微量元素溶液I成分为：EDTA 5000mg/L，FeSO4 5000mg/L；所述微量元素溶液II成分为：EDTA 15000mg/L，ZnSO4·7H2O 430mg/L，CoCl2·6H2O 240mg/L，MnCl2·4H2O 990mg/L，CuSO4·5H2O 250mg/L，NaMoO4·2H2O 220mg/L，NiCl2·6H2O 190mg/L，NaSeO4·10H2O 210mg/L，H3BO4 14mg/L；
(4)反应器采用连续流方式运行，启动阶段反应器进水氨氮和亚硝酸氮浓度为130～150mg N/L，并每天测定一次氮化合物浓度，据此调整反应器运行条件；
(5)反应器运行经90天的厌氧氨氧化菌培养富集期和21天的厌氧氨氧化颗粒成长和性能提高期实现厌氧氨氧化颗粒化和高脱氮能力。
其中：
上述失活产甲烷颗粒污泥颜色为黑色，颗粒污泥MLVSS为22.0～25.0g/L；以密封在聚乙稀桶中并在常温下放置2.5年以上，期间没有供给任何营养物质方式制备。
上述厌氧氨氧化絮状污泥为红棕色，污泥中厌氧氨氧化菌纯度是95％以上，污泥MLVSS为3.0～4.0g/L。
上述人工合成废水在泵入UASB反应器前，先曝氩气以除去水中的溶解氧。
上述反应器系统出水口和排气口均设有水封装置；反应器运行期间应定期对反应器系统曝氩气，以保持系统厌氧条件。

Claims (6)

1.一种快速实现厌氧氨氧化颗粒化的方法，步骤和工艺条件是：
(1)用失活产甲烷颗粒污泥和厌氧氨氧化絮状污泥的混合污泥对UASB反应器进行接种；其中所述失活产甲烷颗粒污泥量为反应器有效容积量的30～50％，所述厌氧氨氧化絮状污泥量为失活产甲烷颗粒污泥量的1～5％；所述UASB反应器设计为套筒式，顶部设有三相分离器，底部铺有厚度为3～6cm的直径为2mm～10mm的砾石；
(2)启动反应器前通入氩气驱除反应器内的溶解氧，并通过恒温循环水浴控制反应器系统内温度在35±1℃，以CO2气体控制反应器系统内pH值在7.8～8.0；
(3)以人工合成废水为UASB反应器的进水，并用蠕动泵对反应器的出水进行回流，反应器的水力上升流速控制在1～2m/h，反应器水力停留时间为1.5～2天；其中所述人工废水的成分为：(NH4)2SO4500～1400mg/L，NaNO2650～1700mg/L，KHCO3500mg/L，KH2PO427.2mg/L，MgSO4·7H2O 300mg/L，CaCl2·2H2O 180mg/L，以及微量元素溶液I和II各1mL/L；所述微量元素溶液I成分为：EDTA 5000mg/L，FeSO4 5000mg/L；所述微量元素溶液II成分为：EDTA 15000mg/L，ZnSO4·7H2O 430mg/L，CoCl2·6H2O 240mg/L，MnCl2·4H2O 990mg/L，CuSO4·5H2O 250mg/L，NaMoO4·2H2O 220mg/L，NiCl2·6H2O 190mg/L，NaSeO4·10H2O 210mg/L，H3BO4 14mg/L；
(4)反应器采用连续流方式运行，启动阶段反应器进水氨氮和亚硝酸氮浓度为100～150mg N/L，并每天测定一次氮化合物浓度，据此调整反应器运行条件；
(5)反应器运行经1～88天的厌氧氨氧化菌培养富集期实现厌氧氨氧化颗粒化，经20～30天的厌氧氨氧化颗粒生长和性能提高期实现对氮化合物的高效率去除。
2.如权利要求1所述快速实现厌氧氨氧化颗粒化的方法，其特征在于，所述失活产甲烷颗粒污泥颜色为黑色，颗粒污泥MLVSS为22.0～25.0g/L；以密封在聚乙稀桶中并在常温下放置2.5年以上，期间没有供给任何营养物质方式制备。
3.如权利要求1所述快速实现厌氧氨氧化颗粒化的方法，其特征在于，所述厌氧氨氧化絮状污泥为红棕色，污泥中厌氧氨氧化菌纯度是95％以上，污泥MLVSS为3.0～4.0g/L。
4.如权利要求1所述快速实现厌氧氨氧化颗粒化的方法，其特征在于，所述人工合成废水中NH4 +-N与NO2 --N的摩尔比控制在1∶1.1～1∶1.5。
5.如权利要求1所述快速实现厌氧氨氧化颗粒化的方法，其特征在于，所述人工合成废水在泵入UASB反应器前，先曝氩气以除去水中的溶解氧。
6.如权利要求1所述快速实现厌氧氨氧化颗粒化的方法，其特征在于，所述反应器系统出水口和排气口均设有水封装置；反应器运行期间应定期对反应器系统曝氩气，以保持系统厌氧条件。
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