CN103241835A - 一种高效稳定的短程硝化-厌氧氨氧化生物脱氮方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高效稳定的短程硝化-厌氧氨氧化生物脱氮方法，所述方法耦合生物膜和包埋技术，采用改性的传质性能好的包埋材料固定化厌氧氨氧化菌，置于附着有亚硝化菌的多孔生物膜球形载体中，强化传质过程，根据亚硝化-厌氧氨氧化反应速度对微生物富集程度进行调节，实现两种菌生物效能的协调发挥，采用上流式膨胀床反应器，通过工艺条件的优化控制达到工艺的连续、协调、稳定运行，从而实现短程硝化-厌氧氨氧化工艺的简洁化、稳定化、高效化和经济化。

Description

一种高效稳定的短程硝化-厌氧氨氧化生物脱氮方法
技术领域
本发明属于污水生物脱氮技术领域，具体涉及-种高效、稳定的短程硝化-厌氧氨氧化生物脱氮方法。
背景技术
随着氮素污染的日益加剧和人们环境意识的逐渐增强，脱氮技术，特别是废水生物脱氮技术已引起世界各国的普遍关注。尤其在我国，由于近年来氮污染问题引起的湖泊富营养化所带来的危害警示和社会对污水深度处理要求的不断提高，研究脱氮技术迫在眉睫。传统的生物脱氮技术——硝化/反硝化工艺要消耗大量的溶解氧和有机碳源，投资和运行费用都比较高，特别是在处理低C/N比高浓度氮废水方面有极大的局限性。因此，开发高效、经济的生物脱氮工艺并推广应用具有重要的环境效益、社会效益和经济效益。
近年来，由于不断发现新的生物脱氮特殊菌株或菌群及微生物转化机制，许多生物脱氮技术的新工艺和新概念也不断涌现，其中短程硝化(SHARON)和厌氧氨氧化(ANAMMOX)工艺的联合被认为是该领域最有发展前景的技术。世界上第一个生产性的SHARON-ANAMMOX工艺已于2002年在荷兰鹿特丹Dokhaven污水处理厂正式运行。同时，该工艺在垃圾渗滤液、污泥消化液、禽畜养殖废水等高浓度含氮废水处理中也获得了高效的脱氮效果。这说明SHARON-ANAMMOX工艺蕴藏着潜在的市场应用前景，控制其高效、稳定地运行可促进该工艺进一步推广应用。
SHARON过程和ANAMMOX过程的协调运行是SHARON-ANAMMOX工艺实现稳定化、高效化的重要条件。同时，控制NO2 --N的转化比例并维持长期的NO2 --N积累以及ANAMMOX微生物的大量繁殖是SHARON-ANAMMOX工艺高效、稳定运行的关键因素。
目前SHARON-ANAMMOX工艺多采用能形成生物膜、颗粒化或悬浮污泥的反应器形式运行。两步工艺分别在不同的反应器里实现SHARON和ANAMMOX过程，其最大的问题是两步的协调运行不易控制。有研究表明，在限氧条件下，亚硝化菌和厌氧氨氧化菌可以在一个反应器里共生。2004年在Strass(Austria)和2007年在Glarnerland(Switzerland)分别采用连续进水、间歇曝气的SBR反应器形式实现了生产性规模的SHARON-ANAMMOX工艺装置的启动，目前以500gNm-3d-1的负荷稳定运行。和两步SHARON-ANAMMOX工艺运行方式相比，一体式SHARON-ANAMMOX工艺由于亚硝化反应和厌氧氨氧化反应的有效协调，总体性能显著提高，但控制操作比较繁琐，厌氧氨氧化菌的有效富集没有得到强化。
固定化厌氧氨氧化菌被认为是一种稳定、高效的脱氮工艺。有研究将固定化技术用于SHARON-ANAMMOX工艺。其中SHARON过程采用聚乙二醇凝胶载体包埋硝化活性污泥固定化技术，处理甲烷厂的消化液，其出水进入采用聚乙二醇凝胶载体包埋厌氧氨氧化菌的厌氧氨氧化反应器，总氮的去除负荷高达4.0kg Nm-3d-1，脱氮效率大大提高。但包埋材料会对底物、中间产物或反应产物产生一定的传质限制。开发或改性现有的包埋材料会改善其传质性能。
发明内容
本发明的目的在于针对现有实现SHARON-ANAMMOX工艺的各种反应器及运行方式存在的问题，提出一种高效、稳定的短程硝化-厌氧氨氧化生物脱氮方法。即耦合生物膜和包埋技术，采用改性的传质性能好的包埋材料固定化厌氧氨氧化菌，置于附着有亚硝化菌的多孔生物膜球形载体中，强化传质过程，根据亚硝化-厌氧氨氧化反应速度对微生物富集程度进行调节，实现两种菌生物效能的协调发挥，采用上流式膨胀床反应器，通过工艺条件的优化控制达到工艺的连续、协调、稳定运行，从而实现SHARON-ANAMMOX工艺的简洁化、稳定化、高效化和经济化，为新型生物脱氮工艺的进一步推广应用提供新的思路和途径。
本发明通过以下技术方案来实现其目的。
一种高效、稳定的短程硝化-厌氧氨氧化生物脱氮方法，其特征在于亚硝化菌采用生物膜固定化、厌氧氨氧化菌采用包埋技术固定化，通过生物膜-包埋强化耦合技术实现从氨氮到氮气的高效、稳定的生物降解转化。
厌氧氨氧化菌的包埋固定化，选用海藻酸钠、聚乙烯醇、羟甲基纤维素钠、聚乙二醇及其组合作为包埋材料，添加纳米分子筛、沸石、多孔二氧化硅、活性碳等多孔材料作为改性剂，增加包埋材料中反应物和产物的传质通道。
亚硝化菌的生物膜固定化，采用中空多孔塑料或其它材质小球作为生物膜载体，将厌氧氨氧化菌包埋材料安放至中空小球中心，将小球放入含有氨氮和亚硝化菌污泥的水中进行限氧曝气，亚硝化菌在多孔塑料小球表面生长倍增形成生物膜。
采用上流式膨胀床反应器，加入生物膜固定化的亚硝化菌和包埋固定化的厌氧氨氧化菌，优化控制协同耦合反应条件，达到高效、稳定的氨氮降解效率。
附图说明
附图为生物膜-包埋生物固定化材料示意图。附图中：1、中空多孔亚硝化菌生物膜载体；2、连接支架；3、承载厌氧氨氧化凝胶球的网套；4、包埋的厌氧氨氧化凝胶球。
具体实施方式
采用中空多孔塑料小球作为生物膜载体，将小球放入含有氨氮和亚硝化菌污泥的水中进行限氧曝气，亚硝化菌在多孔塑料小球表面生长倍增形成生物膜。通过改变氨氮负荷、溶解氧浓度、溶解氧限氧方式、碱度、微量元素、生物膜污泥负载量等因素，考察氨氮的亚硝化速率及影响因素。
将厌氧氨氧化活性污泥、海藻酸钠、多孔材料沸石混合均匀后滴入氯化钙溶液中形成小球，得到包埋的厌氧氨氧化凝胶球。通过改变氨氮和亚硝酸氮浓度、碱度、微量元素、包埋污泥负载量等因素，考察氨氮的厌氧氨氧化降解速率及影响因素。
根据亚硝化和厌氧氨氧化反应规律，将厌氧氨氧化凝胶球安放至中空多孔塑料小球中心，调节反应条件，使亚硝化和厌氧氨氧化的反应速率相匹配。采用上流式膨胀床反应器，加入生物膜固定化的亚硝化菌和包埋固定化的厌氧氨氧化菌，优化控制亚硝化-厌氧氨氧化协同耦合反应条件，根据进水氨氮浓度，调节出水循环回注、水力停留时间，确定最佳的氨氮降解反应工艺条件，达到高效、稳定的氨氮降解效率。
实施例1：
将厌氧氨氧化活性污泥2.5×104mg/L、海藻酸钠3％、多孔材料沸石2％混合均匀后滴入2％氯化钙溶液中形成小球，得到包埋的厌氧氨氧化凝胶球。
采用聚乙烯中空多孔小球作为生物膜载体，将包埋好的厌氧氨氧化菌安放至中空小球中间，如附图所示，将小球放入氨氮20mg/L和亚硝化菌污泥5×103mg/L的水中进行限氧曝气(DO1mg/L)，亚硝化菌在多孔塑料小球表面生长倍增形成生物膜。
采用14L的上流式膨胀床反应器，加入上述生物膜固定化的亚硝化菌和包埋固定化的厌氧氨氧化菌约占反应器的2/3，优化控制亚硝化-厌氧氨氧化协同耦合反应条件，对氨氮浓度为300mg/L的进水，其氨氮降解效率高达95％。

Claims (4)

1.一种高效、稳定的短程硝化-厌氧氨氧化生物脱氮方法，其特征在于亚硝化菌采用生物膜固定化、厌氧氨氧化菌采用包埋技术固定化，通过生物膜-包埋强化耦合技术实现从氨氮到氮气的高效、稳定的生物降解转化。
2.根据权利要求1所述的高效、稳定的短程硝化-厌氧氨氧化生物脱氮方法，其特征在于厌氧氨氧化菌采用包埋固定化，选用海藻酸钠、聚乙烯醇、羟甲基纤维素钠、聚乙二醇及其组合作为包埋材料，添加纳米分子筛、沸石、多孔二氧化硅、活性碳等多孔材料作为改性剂，增加包埋材料中反应物和产物的传质通道。
3.根据权利要求1所述的高效、稳定的短程硝化-厌氧氨氧化生物脱氮方法，其特征在于亚硝化菌采用生物膜固定化，选用中空多孔塑料或其它材质小球作为生物膜载体，将厌氧氨氧化菌包埋材料安放至中空小球中心，将小球放入含有氨氮和亚硝化菌污泥的水中进行限氧曝气，亚硝化菌在多孔塑料小球表面生长倍增形成生物膜。
4.根据权利要求1所述的高效、稳定的短程硝化-厌氧氨氧化生物脱氮方法，其特征在于采用上流式膨胀床反应器，加入生物膜固定化的亚硝化菌和包埋固定化的厌氧氨氧化菌，优化控制亚硝化和厌氧氨氧化协同耦合反应条件，达到高效、稳定的氨氮降解效率。
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