CN103274523B - 一种实现同步厌氧氨氧化和反硝化厌氧甲烷氧化的装置和方法 - Google Patents

一种实现同步厌氧氨氧化和反硝化厌氧甲烷氧化的装置和方法 Download PDF

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Abstract

一种实现同步厌氧氨氧化和反硝化厌氧甲烷氧化的装置和方法，属于污水处理技术领域。主要包括膜生物膜反应器、进水箱、自动控制系统和出水箱，膜生物膜反应器通过充入甲烷和氩气维持反应器处于严格厌氧状态。采用先分别单独培养再协同培养的方法，培养和驯化Anammox和N-DAMO菌的共生菌群，实现同步厌氧氨氧化和反硝化厌氧甲烷氧化过程；或者采用先单独培养N-DAMO菌，再培养和驯化Anammox和N-DAMO菌的共生菌群，实现同步厌氧氨氧化和反硝化厌氧甲烷氧化过程。本发明利用Anammox和N-DAMO菌协同作用实现污水生物脱氮,并能降低脱氮过程中温室气体CH4和N2O减排。

Description

一种实现同步厌氧氨氧化和反硝化厌氧甲烷氧化的装置和方法
技术领域
本发明涉及污水生物脱氮过程中同步实现厌氧氨氧化和反硝化厌氧甲烷氧化过程的装置和方法，尤其是利用Anammox和N-DAMO菌协同作用实现污水生物脱氮,并能降低脱氮过程中温室气体CH4和N2O减排的装置和方法，属于污水处理技术领域。
背景技术
全球变暖和环境污染是当前国际关心的热点话题。对于污水生物处理，在防止氮磷排放导致水体富营养化的同时，如何节约能耗和降低温室气体的排放成了行业发展急需解决的关键问题。传统的污水生物脱氮工艺，大多基于好氧硝化和异养反硝化开发的工艺(典型的代表如A/O工艺)。而好氧硝化需要充足的曝气来维持好氧氨氧化菌和亚硝化氧化菌的代谢而实现氨氮(NH4 +)向亚硝化态氮(NO2 -)和硝态氮(NO3 -)的转化；在处理C/N比较低的城市污水时，需要提供充足的外碳源来维持反硝化菌的异养反硝化作用，从而实现NO3 -和NO2 -向氮气(N2)的转化。可见，在传统生物脱氮过程中，需要耗费大量的能源和碳源。此外，在好氧硝化和异养反硝化的过程中，由于不利条件（如低溶解氧(DO)、NO2 -积累、低C/N比）的诱导，会明显释放强温室气体N2O。据报道，N2O的温室效应比CO2强200-300倍，过去20年全球对流层中N2O的浓度以每年0.25%的速率增长。此外，污水处理过程中会释放温室气体CH4，CH4温室效应比CO2强25倍。污水厌氧处理或污泥厌氧消化过程产生的气态CH4或溶解在水体中的CH4如处理不当同样作为温室气体会危害环境。
Anammox(Anaerobic ammonium oxidation,厌氧氨氧化菌)的发现，使低能耗、可持续污水处理技术成为可能。Anammox菌利用NO2 -替代O2作为电子受体将NH4 +转化为N2，无需有机碳源，因此与传统生物脱氮工艺相比，Anammox工艺可节省100%有机碳源消耗，可节省60%的曝气量，从而降低工艺的直接能耗和运行费用。此外，基于对Anammox的生化代谢途径研究发现，在正常条件下Anammox菌几乎不会释放N2O。Anammox菌参与的反应过程如下：
NH4 ++1.32NO2 -+0.066HCO3 -+0.13H+→          （1）
1.02N2+0.26NO3 -+0.066CH2N0.15+2.03H2O
此外,N-DAMO菌（Nitrite-driven anaerobic methane oxidation bacteria，反硝化型厌氧甲烷氧化菌）。N-DAMO菌参与的反应过程如下：
5CH4+8NO3 -+8H+→5CO2+4N2+14H2OΔG0'=-765kJmol-1CH4   (2)
3CH4+8NO2 -+8H+→3CO2+4N2+10H2OΔG0'=-928kJmol -1CH4   (3)
N-DAMO菌可以利用污水或污泥厌氧处理产生的CH4作为电子供体，来实现厌氧甲烷氧化和反硝化，在将NOx --N转化为N2的同时，强温室气体CH4将被转化为CO2。
但是，Anammox菌和N-DAMO菌由于增长缓慢，难以富集培养，除了严格控制厌氧环境外，需要对运行参数，包括CH4通气量、进水NO2 --N浓度、pH、游离氨（FA）、游离亚硝酸（FNA）、HRT、SRT和温度等参数严格控制。如果能在同一反应器内同时生长N-DAMO菌和Anammox菌，这将对处理进水中同时含有甲烷和氨氮的污水具有重要的意义。
本发明提出一种基于Anammox和N-DAMO菌协同作用实现污水生物处理中温室气体减排的装置和方法，使其两种微生物在同一反应器内生长和富集，在污水处理中采用同步厌氧氨氧化和厌氧甲烷氧化，不仅能利用Anammox实现氮的自养去除，而且能利用温室气体CH4作为反硝化碳源进行生物脱氮。在完成污水高效脱氮的同时，实现节约曝气能耗和降低温室气体排放的目的。
发明内容
本发明涉及一种实现同步厌氧氨氧化和反硝化厌氧甲烷氧化的装置和方法，尤其是利用Anammox和N-DAMO菌协同作用实现污水生物脱氮过程中温室气体CH4和N2O减排的装置和方法，解决了如何在膜生物膜反应器中快速富集Anammox和N-DAMO菌共生菌群的难题,并利用Anammox和N-DAMO菌的特殊代谢机制，防止温室气体CH4和N2O的排放，为今后实现污水自养脱氮并减少温室气体排放提供了技术保障。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种实现同步厌氧氨氧化和反硝化厌氧甲烷氧化的装置，主要包括膜生物膜反应器（1）、进水箱（2）、自动控制系统（25）和出水箱（6），其特征在于：
所述进水箱（2）经进水泵（3）连通膜生物膜反应器（1），膜生物膜反应器（1）内部设有膜组件（4），膜组件上端的出水端经管道连通出水泵（5），并与出水箱（6）连接，使出水最终进入出水箱（6）；
酸性缓冲液瓶（9）和碱性缓冲液瓶（10）分别经蠕动泵（11）与膜生物膜反应器（1）连通，使得酸性缓冲液瓶（9）和碱性缓冲液瓶（10）中酸碱溶液分别经酸碱投加蠕动泵（11）投加至膜生物膜反应器（1）内，调节膜生物膜反应器（1）内的pH水平；
甲烷贮气罐（12）经减压阀（13）和甲烷气体流量计（14）与膜生物膜反应器（1）底部的气体喷洒头（18）连接，膜生物膜反应器（1）经由回收气体流量计（19）和回收瓶（20）连接，使得甲烷调节流量后进入到膜生物膜反应器（1）内，多余的甲烷经膜生物膜反应器（1）上部的回收气体流量计（19）进入到气体回收瓶（20）中；
氩气贮气罐（15）经氩气减压阀（16）和氩气气体流量计（17）与膜生物膜反应器（1）底部的气体喷洒头连接，氩气贮气罐（15）中的氩气经氩气减压阀（16）和氩气气体流量计（17）调节流量后从气体喷洒头（18）进入到膜生物膜反应器（1）；
膜生物膜反应器（1）外部设有水浴外套（26），底部连接污泥泵（7），使得剩余的污泥经污泥泵（7）排入剩余污泥贮存器（8）；
膜生物膜反应器（1）内设有pH探头（21）、ORP探头（22）、温度探头（23）和水位计（20），pH探头（21）、ORP探头（22）、温度探头（23）和水位计（20）通过数据线与自动控制系统（25）连接，将采集的pH、ORP、温度和水位数据通过数据线传送至自动控制系统（25）的信号输入端，所述自动控制系统（25）的信号输出端与进水泵（3）、出水泵（5）、酸碱投加蠕动泵（9）、污泥泵（10）、甲烷气体流量计（14）和氩气气体流量计（17）的控制开关连接，并控制和调节这些设备的开关和开启大小。
膜生物膜反应器是通过充入甲烷和氩气维持反应器处于严格厌氧状态；
膜生物膜反应器内不仅能有效生长悬浮态的Anammox菌和N-DAMO菌，而且在膜组件的膜丝上能附着生长Anammox菌和N-DAMO菌生物膜。
所述自动控制系统能控制膜生物膜反应器的进水、厌氧反应、排水、排泥阶段，并能控制膜生物膜反应器内的pH值维持在7.0-8.0之间，ORP维持在-100至-400mV之间，温度维持在30-32oC之间。
采用上述装置实现同步厌氧氨氧化和反硝化厌氧甲烷氧化的方法，其特征在于：采用先分别单独培养再协同培养的方法，培养和驯化Anammox和N-DAMO菌的共生菌群，实现同步厌氧氨氧化和反硝化厌氧甲烷氧化过程，该方法包括如下三个阶段：
阶段一，首先接种含有Anammox菌种的污泥到膜生物膜反应器（1）内，通过进水泵（3）从进水箱（2）抽取含有NH4 +-N和NO2 --N的污水，投加到膜生物膜反应器（1）内，进水结束后，只开启氩气气体流量计（17）而不开启甲烷气体流量计（14），保证厌氧条件以便Anammox菌代谢NH4 +-N和NO2 --N进行生长繁殖；厌氧氨氧化反应结束后，开启出水泵（5）排放膜生物膜反应器（1）内经中空纤维膜组件（4）过滤后的上清液，并排放部分污泥控制污泥龄在40-50天之间；重复上述培养过程，直至厌氧氨氧化过程驯化完成；
阶段二，采用另一套上述装置，将厌氧污泥消化池中的污泥和湿地底泥混合物接种到膜生物膜反应器（1）内，通过进水泵（3）从进水箱（2）抽取只含有NO2 --N的污水，投加到膜生物膜反应器（1）内，进水结束后，在开启氩气气体流量计（17）的同时，并开启甲烷气体流量计（14），保证厌氧条件以便N-DAMO菌代谢NO2 --N和CH4进行生长繁殖；厌氧反应结束后，关闭甲烷气体流量计，开启出水泵（5）排放膜生物膜反应器（1）内经中空纤维膜组件（4）过滤后的上清液，并排放部分污泥控制污泥龄在50-60天之间；重复上述培养过程，直至同反硝化厌氧甲烷氧化过程驯化完成。
阶段三，待Anammox菌和N-DAMO菌活性且数量稳定后，将阶段一培养的Anammox菌富集微生物全部接种到阶段二中的膜生物膜反应器内，然后通过进水泵（3）从进水箱（2）抽取含有NH4 +-N和NO2 --N的污水，投加到膜生物膜反应器（1）内，进水结束后，在开启氩气气体流量计（17）的同时，也开启甲烷气体流量计（14），培养和驯化Anammox菌和N-DAMO菌的共生菌群，保证二者在厌氧条件下，同时分别代谢各自的底物进行生长繁殖；厌氧反应结束后，关闭甲烷气体流量计，开启出水泵（5）排放膜生物膜反应器（1）内经中空纤维膜组件（4）过滤后的上清液，并排放部分污泥控制污泥龄在50-60天之间；重复上述培养过程，直至同步厌氧氨氧化和反硝化厌氧甲烷氧化过程驯化完成。
上述方法中的阶段一的进水中NH4 +-N与NO2 --N浓度比例控制在1:1—1:1.5之间，所述阶段三中控制NH4 +-N与NO2 --N浓度比例控制在1:2.5—1:4之间，进水中不含有可生物降解的COD。
采用上述装置实现同步厌氧氨氧化和反硝化厌氧甲烷氧化的方法，其特征在于，采用先单独培养N-DAMO菌，再培养和驯化Anammox和N-DAMO菌的共生菌群，实现同步厌氧氨氧化和反硝化厌氧甲烷氧化过程，该方法包括如下两个阶段：
阶段一，将厌氧污泥消化池中的污泥和湿地底泥的混合物接种到膜生物膜反应器（1）内，并采用逐次增大氮负荷的方法完成对反硝化厌氧甲烷氧化驯化过程；在驯化过程，采用间歇运行的方式，每周期通过进水泵（3）从进水箱（2）抽取只含有NO2 --N的污水，投加到膜生物膜反应器（1）内，进水结束后，再开启氩气气体流量计（17）的同时，并开启甲烷气体流量计（14），保证厌氧条件以便N-DAMO菌代谢NO2 --N和CH4进行生长繁殖，反硝化厌氧甲烷氧化反应结束后，关闭甲烷气体流量计，开启出水泵（5）排放膜生物膜反应器（1）内经中空纤维膜组件（4）过滤后的上清液，并排放少量污泥控制污泥龄在50-60天之间；重复上述培养过程，直至反硝化厌氧甲烷氧化过程驯化完成；
阶段二，通过进水泵（3）从进水箱（2）抽取含有NH4 +-N和NO2 --N的污水，投加到膜生物膜反应器（1）内，进水结束后，在开启氩气气体流量计（17）的同时，并开启甲烷气体流量计（14），培养和驯化阶段一得到的微生物，即包括Anammox菌和N-DAMO菌的共生菌群，保证二者在厌氧条件下，同时分别代谢各自的底物进行生长繁殖，厌氧反应结束后，关闭甲烷气体流量计，开启出水泵（5）排放膜生物膜反应器（1）内经中空纤维膜组件（4）过滤后的上清液，并排放部分污泥控制污泥龄在50-60天之间；重复上述培养过程，直至同步厌氧氨氧化和反硝化厌氧甲烷氧化过程驯化完成。
所述的方法中的阶段二的进水NH4 +-N与NO2 --N浓度比例控制在1:2.5—1:4之间。
在两种方法中，膜生物膜反应器内均采用间歇运行的方式，每个周期包括进水、厌氧反应、沉淀、排水、排泥等5个步骤。甲烷流量随反应器大小和厌氧甲烷速率大小改变,每升反应器甲烷流量控制在0.5-1mL/min。
与现有技术相比本发明具有以下特点和有益效果：
城市污水生物处理脱氮过程和除磷过程均需要有机物作为碳源，一般要求BOD/TKN>4，但我国城市污水C/N比普遍偏低，无法满足脱氮除磷的需求。Anammox菌在自养脱氮过程中几乎不释放N2O，而N-DAMO菌还能代谢温室气体CH4，开发同步厌氧甲烷氧化和厌氧氨氧化耦合工艺，使其Anammox菌和N-DAMO菌在反应器内生长和富集，在完成污水高效自养脱氮的同时，能实现节约曝气能耗和降低温室气体CH4和N2O排放的目的。本发明提出在污水处理中实现Anammox和N-DAMO菌的协同代谢，不仅能利用Anammox实现氮的自养去除，而且能利用温室气体CH4作为反硝化碳源，是一种全新的污水生物脱氮新技术，它的实现能解决污水脱氮处理中有机碳源不足、C/N比偏低的矛盾。
附图说明
图1是本发明的装置结构示意图；
图2是本发明提出的富集Anammox和N-DAMO菌共生菌群的第一种策略；
图3是本发明提出的富集Anammox和N-DAMO菌共生菌群的第二种策略；
附图标记：1-膜生物膜反应器、2-进水箱、3-进水泵、4-膜组件、5-出水泵、6-出水箱、7-污泥泵、8-剩余污泥贮存器、9-酸性缓冲液瓶、10-碱性缓冲液瓶、11-酸碱投加蠕动泵、12-甲烷贮气罐、13-甲烷减压阀、14-甲烷气体流量计、15-氩气贮气罐、16-氩气减压阀、17-氩气气体流量计、18-气体喷洒头、19-回收气体流量计、20-气体回收瓶、21-pH探头、22-ORP探头、23-温度探头、24-水位计、25-自动控制系统、26-加热外套。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明：
实施例1
参见图1所示，一种基于Anammox和N-DAMO菌协同作用实现污水生物处理中温室气体减排的装置，主要设置膜生物膜反应器1，并配置了进水箱2、自动控制系统25和出水箱6。所述进水箱2经进水泵3连通膜生物膜反应1。膜生物膜反应器1内部设有膜组件4，膜组件上方的出水端经管道连通出水泵5，出水最终进入出水箱6。酸性缓冲液瓶9和碱性缓冲液瓶10中酸碱溶液分别经酸碱投加蠕动泵11投加至膜生物膜反应器1内，调节膜生物膜反应器1内的pH水平。甲烷贮气罐12中的甲烷经减压阀13和甲烷气体流量计14调节流量后从气体喷洒头18进入到膜生物膜反应器1，多余的甲烷经膜生物膜反应器1上部的回收气体流量计19进入到气体回收瓶20中。氩气贮气罐15中的氩气经氩气减压阀16和氩气气体流量计17调节流量后从气体喷洒头18进入到膜生物膜反应器1。膜生物膜反应器1外部设有水浴外套26，底部连接污泥泵7，剩余的污泥经污泥泵7排入剩余污泥贮存器8。膜生物膜反应器1内设有pH探头21、ORP探头22、温度探头23和水位计20，pH探头21、ORP探头22、温度探头23和水位计20将采集的pH、ORP、温度和水位数据通过数据线传送至自动控制系统25的信号输入端，所述自动控制系统25的信号输出端与进水泵3、出水泵5、酸碱投加蠕动泵9、污泥泵10、甲烷气体流量计14和氩气气体流量计17的控制开关连接，并控制和调节这些设备的开关和开启大小。
实施例2
参见图2所示，一种实现同步厌氧氨氧化和反硝化厌氧甲烷氧化的方法，采用先分别单独培养再协同培养的第一种培养策略，培养和驯化Anammox和N-DAMO菌的共生菌群，实现同步厌氧氨氧化和反硝化厌氧甲烷氧化过程，该策略分为如下三个阶段：
阶段一，首先接种含有Anammox菌种的污泥到膜生物膜反应器内，通过进水泵从进水箱抽取含有NH4 +-N和NO2 --N的污水，投加到膜生物膜反应器内，进水结束后，只开启氩气气体流量计而不开启甲烷气体流量计，保证厌氧条件以便Anammox菌代谢NH4 +-N和NO2 --N进行生长繁殖；厌氧氨氧化反应结束后，开启出水泵排放膜生物膜反应器内经中空纤维膜组件过滤后的上清液，并排放少量污泥控制污泥龄在40-50天之间。重复上述培养过程，直至厌氧氨氧化过程驯化完成。
阶段二，将厌氧污泥消化池中的污泥和湿地底泥混合物接种到另外一个膜生物膜反应器内，通过进水泵从进水箱抽取只含有NO2 --N的污水，投加到膜生物膜反应器内，进水结束后，在开启氩气气体流量计的同时，并开启甲烷气体流量计，保证厌氧条件以便N-DAMO菌代谢NO2 --N和CH4进行生长繁殖；厌氧反应结束后，关闭甲烷气体流量计，开启出水泵排放膜生物膜反应器内经中空纤维膜组件过滤后的上清液，并排放少量污泥控制污泥龄在50-60天之间。重复上述培养过程，直至同反硝化厌氧甲烷氧化过程驯化完成。
阶段三，待Anammox菌和N-DAMO菌活性且数量稳定后，将阶段一培养的Anammox菌富集微生物全部接种到阶段二中的膜生物膜反应器内，然后通过进水泵从进水箱抽取含有NH4 +-N和NO2 --N的污水，投加到膜生物膜反应器内，进水结束后，在开启氩气气体流量计的同时，也开启甲烷气体流量计，培养和驯化Anammox菌和N-DAMO菌的共生菌群，保证二者在厌氧条件下，同时分别代谢各自的底物进行生长繁殖；厌氧反应结束后，关闭甲烷气体流量计，开启出水泵排放膜生物膜反应器内经中空纤维膜组件过滤后的上清液，并排放少量污泥控制污泥龄在50-60天之间。重复上述培养过程，直至同步厌氧氨氧化和反硝化厌氧甲烷氧化过程驯化完成。
实施例3
启动和驯化的接种污泥来自厌氧污泥消化池中的污泥和一个自然湿地的底泥，采用先分别单独培养再协同培养的第一种培养策略，培养和驯化Anammox和N-DAMO菌的共生菌群，实现同步厌氧氨氧化和反硝化厌氧甲烷氧化过程，实现过程分为以下3个阶段。
第一阶段，将NO2 --N浓度为50-120mg/L，NH4 +-N浓度为50-100mg/L的污水投加到10L的膜生物膜反应器SMBR内，进水结束后，只开启氩气气体流量计而不开启甲烷气体流量计，每隔2小时取样分析SMBR反应器内NH4 +-N和NO2 --N浓度，当检测结果显示NH4 +-N或NO2 --N浓度低于10mg/L时,关闭氩气气体流量计，使曝气头及时停止曝氩气，保证厌氧条件以便Anammox菌代谢NH4 +-N和NO2 --N进行生长繁殖；厌氧氨氧化反应结束后，开启出水泵，通过中空纤维膜过滤后排放出水5L，并排放污泥控制污泥龄在60天。重复上述操作共120天，1-50天，进水NH4 +-N和NO2 --N浓度均为50mg/L，51-90天，进水NH4 +-N和NO2 --N浓度均为80mg/L，91-120天，进水NH4 +-N和NO2 --N浓度均为120mg/L，结束第一阶段的培养。
第二阶段在另一膜生物膜反应器中采用逐次提高进水NO2 --N负荷培养反硝化厌氧甲烷氧化菌：投加NO2 --N浓度为50-300mg/L的人工配水到10L的膜生物膜反应器，进水结束后，向SMBR反应器通入10mL/min的甲烷气体，并通入氩气保证整个反应器处于厌氧环境，当厌氧反应持续12小时后，每隔2小时取样分析SMBR反应器内NO2 --N浓度，当检测结果显示NO2 --N浓度低于10mg/L时,关闭甲烷气体流量计，使曝气头及时停止曝甲烷。厌氧反应结束后，开启出水泵，通过中空纤维膜过滤后排放出水5L，并排放污泥控制污泥龄在60天。重复上述操作共180天，1-40天，进水NO2 --N浓度为50mg/L，41-80天，进水NO2--N浓度为100mg/L，81-120天，进水NO2 --N浓度为120-200mg/L，结束第一阶段的培养。
第三阶段将阶段一培养的Anammox菌富集微生物全部接种到阶段二中的膜生物膜反应器内，并改变进水水质，培养和驯化Anammox和N-DAMO菌的共生菌群：投加NO2 --N浓度为120-200mg/L，NH4 +-N浓度为30-60mg/L的人工配水到10L的SMBR反应器，进水结束后，向SMBR反应器通入10mL/min的甲烷气体，并通入氩气保证整个反应器处于厌氧环境，当厌氧反应持续12小时后，每隔2小时取样分析SMBR反应器内NO2 --N浓度，当检测结果显示NO2 --N浓度低于10mg/L时,关闭甲烷气体流量计，使曝气头及时停止曝甲烷。厌氧反应结束后，开启出水泵，通过中空纤维膜过滤后排放出水5L，并排放污泥控制污泥龄在50-60天。重复上述操作共计120天，结束第二阶段的培养。
采用本发明的处理装置和方法，经历上述3个阶段的培养和富集Anammox菌和N-DAMO菌后，12个月内可使SMBR反应器内Anammox菌和N-DAMO菌分别占全菌的相对比例从起初的不足0.5%提高至20%以上。
实施例4
参见图3所示，一种实现同步厌氧氨氧化和反硝化厌氧甲烷氧化的装置的方法，采用先单独培养N-DAMO菌再培养和驯化Anammox和N-DAMO菌的共生菌群，实现同步厌氧氨氧化和反硝化厌氧甲烷氧化过程，该策略分为如下两个阶段：
阶段一，将厌氧污泥消化池中的污泥和湿地底泥的混合物接种到另外一个膜生物膜反应器内，并采用逐次增大氮负荷的方法完成对反硝化厌氧甲烷氧化驯化过程。在驯化过程，采用间歇运行的方式，每周期通过进水泵从进水箱抽取只含有NO2 --N的污水，投加到膜生物膜反应器内，进水结束后，在开启氩气气体流量计的同时，并开启甲烷气体流量计，保证厌氧条件以便N-DAMO菌代谢NO2 --N和CH4进行生长繁殖，反硝化厌氧甲烷氧化反应结束后，关闭甲烷气体流量计，开启出水泵排放膜生物膜反应器（1）内经中空纤维膜组件过滤后的上清液，并排放少量污泥控制污泥龄在50-60天之间。重复上述培养过程，直至反硝化厌氧甲烷氧化过程驯化完成。
阶段二，通过进水泵从进水箱抽取含有NH4 +-N和NO2 --N的污水，投加到膜生物膜反应器内，进水结束后，在开启氩气气体流量计的同时，并开启甲烷气体流量计，培养和驯化Anammox菌和N-DAMO菌的共生菌群，保证二者在厌氧条件下，同时分别代谢各自的底物进行生长繁殖，厌氧反应结束后，关闭甲烷气体流量计，开启出水泵排放膜生物膜反应器内经中空纤维膜组件过滤后的上清液，并排放少量污泥控制污泥龄在50-60天之间。重复上述培养过程，直至同步厌氧氨氧化和反硝化厌氧甲烷氧化过程驯化完成。
具体实施案例如下：
启动和驯化的接种污泥来自厌氧污泥消化池中的污泥和一个自然湿地的底泥，采用先单独培养N-DAMO菌再逐步驯化Anammox菌的第二种培养策略，培养和驯化Anammox和N-DAMO菌的共生菌群，实现同步厌氧氨氧化和反硝化厌氧甲烷氧化过程，实现过程分为以下2个阶段。
第一阶段采用逐次提高进水NO2 --N负荷培养反硝化厌氧甲烷氧化菌：投加NO2 --N浓度为50-300mg/L的人工配水到10L的膜生物膜反应器，进水结束后，向SMBR反应器通入10mL/min的甲烷气体，并通入氩气保证整个反应器处于厌氧环境，当厌氧反应持续12小时后，每隔2小时取样分析SMBR反应器内NO2 --N浓度，当检测结果显示NO2 --N浓度低于10mg/L时,关闭甲烷气体流量计，使曝气头及时停止曝甲烷。厌氧反应结束后，开启出水泵，通过中空纤维膜过滤后排放出水5L，并排放污泥控制污泥龄在60天。重复上述操作共180天，1-40天，进水NO2 --N浓度为50mg/L，41-80天，进水NO2 --N浓度为100mg/L，81-120天，进水NO2 --N浓度为120-200mg/L，结束第一阶段的培养。
第二阶段改变进水水质，培养和驯化Anammox和N-DAMO菌的共生菌群：投加NO2 --N浓度为120-200mg/L，NH4 +-N浓度为30-60mg/L,的人工配水到10L的SMBR反应器，进水结束后，向SMBR反应器通入10mL/min的甲烷气体，并通入氩气保证整个反应器处于厌氧环境，当厌氧反应持续12小时后，每隔2小时取样分析SMBR反应器内NO2 --N浓度，当检测结果显示NO2 --N浓度低于10mg/L时,关闭甲烷气体流量计，使曝气头及时停止曝甲烷。厌氧反应结束后，开启出水泵，通过中空纤维膜过滤后排放出水5L，并排放污泥控制污泥龄在50-60天。重复上述操作共计120天，结束第二阶段的培养。
采用本发明的处理装置和方法，经历上述2个阶段的培养和富集Anammox菌和N-DAMO菌后，8个月内可使SMBR反应器内Anammox菌和N-DAMO菌分别占全菌的相对比例从起初的不足0.5%提高至20%以上。

Claims (10)

1.一种实现同步厌氧氨氧化和反硝化厌氧甲烷氧化的装置，主要包括膜生物膜反应器（1）、进水箱（2）、自动控制系统（25）和出水箱（6），其特征在于：
所述进水箱（2）经进水泵（3）连通膜生物膜反应器（1），膜生物膜反应器（1）内部设有膜组件（4），膜组件上端的出水端经管道连通出水泵（5），并与出水箱（6）连接，使出水最终进入出水箱（6）；
酸性缓冲液瓶（9）和碱性缓冲液瓶（10）分别经蠕动泵（11）与膜生物膜反应器（1）连通，使得酸性缓冲液瓶（9）和碱性缓冲液瓶（10）中酸碱溶液分别经酸碱投加蠕动泵（11）投加至膜生物膜反应器（1）内，调节膜生物膜反应器（1）内的pH水平；
甲烷贮气罐（12）经减压阀（13）和甲烷气体流量计（14）与膜生物膜反应器（1）底部的气体喷洒头（18）连接，膜生物膜反应器（1）经由回收气体流量计（19）和回收瓶（20）连接，使得甲烷调节流量后进入到膜生物膜反应器（1）内，多余的甲烷经膜生物膜反应器（1）上部的回收气体流量计（19）进入到气体回收瓶（20）中；
氩气贮气罐（15）经氩气减压阀（16）和氩气气体流量计（17）与膜生物膜反应器（1）底部的气体喷洒头连接，氩气贮气罐（15）中的氩气经氩气减压阀（16）和氩气气体流量计（17）调节流量后从气体喷洒头（18）进入到膜生物膜反应器（1）；
膜生物膜反应器（1）外部设有水浴外套（26），底部连接污泥泵（7），使得剩余的污泥经污泥泵（7）排入剩余污泥贮存器（8）；
膜生物膜反应器（1）内设有pH探头（21）、ORP探头（22）、温度探头（23）和水位计（24），pH探头（21）、ORP探头（22）、温度探头（23）和水位计（24）通过数据线与自动控制系统（25）连接，将采集的pH、ORP、温度和水位数据通过数据线传送至自动控制系统（25）的信号输入端，所述自动控制系统（25）的信号输出端与进水泵（3）、出水泵（5）、酸碱投加蠕动泵（9）、污泥泵（7）、甲烷气体流量计（14）和氩气气体流量计（17）的控制开关连接，并控制和调节这些设备的开关和开启大小。
2.按照权利要求1的装置，其特征在于，膜生物膜反应器通过充入甲烷和氩气维持反应器处于严格厌氧状态。
3.按照权利要求1的装置，其特征在于，自动控制系统能控制膜生物膜反应器的进水、厌氧反应、排水、排泥阶段，并能控制膜生物膜反应器内的pH值维持在7.0-8.0之间，ORP维持在-100至-400mV之间，温度维持在30-32oC之间。
4.利用权利要求1-3所述的任一装置实现同步厌氧氨氧化和反硝化厌氧甲烷氧化的方法，其特征在于：采用先分别单独培养再协同培养的方法，培养和驯化Anammox和N-DAMO菌的共生菌群，实现同步厌氧氨氧化和反硝化厌氧甲烷氧化过程，该方法包括如下三个阶段：
阶段一，首先接种含有Anammox菌种的污泥到膜生物膜反应器（1）内，通过进水泵（3）从进水箱（2）抽取含有NH4 +-N和NO2 --N的污水，投加到膜生物膜反应器（1）内，进水结束后，只开启氩气气体流量计（17）而不开启甲烷气体流量计（14），保证厌氧条件以便Anammox菌代谢NH4 +-N和NO2 --N进行生长繁殖；厌氧氨氧化反应结束后，开启出水泵（5）排放膜生物膜反应器（1）内经中空纤维膜组件（4）过滤后的上清液，并排放部分污泥控制污泥龄在40-50天之间；重复上述培养过程，直至厌氧氨氧化过程驯化完成；
阶段二，采用另一套上述装置，将厌氧污泥消化池中的污泥和湿地底泥混合物接种到膜生物膜反应器（1）内，通过进水泵（3）从进水箱（2）抽取只含有NO2--N的污水，投加到膜生物膜反应器（1）内，进水结束后，在开启氩气气体流量计（17）的同时，并开启甲烷气体流量计（14），保证厌氧条件以便N-DAMO菌代谢NO2 --N和CH4进行生长繁殖；厌氧反应结束后，关闭甲烷气体流量计，开启出水泵（5）排放膜生物膜反应器（1）内经中空纤维膜组件（4）过滤后的上清液，并排放部分污泥控制污泥龄在50-60天之间；重复上述培养过程，直至同反硝化厌氧甲烷氧化过程驯化完成；
阶段三，待Anammox菌和N-DAMO菌活性且数量稳定后，将阶段一培养的Anammox菌富集微生物全部接种到阶段二中的膜生物膜反应器内，然后通过进水泵（3）从进水箱（2）抽取含有NH4 +-N和NO2 --N的污水，投加到膜生物膜反应器（1）内，进水结束后，在开启氩气气体流量计（17）的同时，也开启甲烷气体流量计（14），培养和驯化Anammox菌和N-DAMO菌的共生菌群，保证二者在厌氧条件下，同时分别代谢各自的底物进行生长繁殖；厌氧反应结束后，关闭甲烷气体流量计，开启出水泵（5）排放膜生物膜反应器（1）内经中空纤维膜组件（4）过滤后的上清液，并排放部分污泥控制污泥龄在50-60天之间；重复上述培养过程，直至同步厌氧氨氧化和反硝化厌氧甲烷氧化过程驯化完成。
5.按照权利要求4的方法，其特征在于，阶段一的进水中NH4 +-N与NO2 --N浓度比例控制在1:1—1:1.5之间，所述阶段三中控制NH4 +-N与NO2 --N浓度比例控制在1:2.5—1:4之间，进水中不含有可生物降解的COD。
6.按照权利要求4的方法，其特征在于，膜生物膜反应器内均采用间歇运行的方式，每个周期包括进水、厌氧反应、沉淀、排水、排泥5个步骤。
7.利用权利要求1-3所述的任一装置实现同步厌氧氨氧化和反硝化厌氧甲烷氧化的方法，其特征在于：采用先单独培养N-DAMO菌，再培养和驯化Anammox和N-DAMO菌的共生菌群，实现同步厌氧氨氧化和反硝化厌氧甲烷氧化过程，该方法包括如下两个阶段：
阶段一，将厌氧污泥消化池中的污泥和湿地底泥的混合物接种到膜生物膜反应器（1）内，并采用逐次增大氮负荷的方法完成对反硝化厌氧甲烷氧化驯化过程；在驯化过程，采用间歇运行的方式，每周期通过进水泵（3）从进水箱（2）抽取只含有NO2--N的污水，投加到膜生物膜反应器（1）内，进水结束后，再开启氩气气体流量计（17）的同时，并开启甲烷气体流量计（14），保证厌氧条件以便N-DAMO菌代谢NO2 --N和CH4进行生长繁殖，反硝化厌氧甲烷氧化反应结束后，关闭甲烷气体流量计，开启出水泵（5）排放膜生物膜反应器（1）内经中空纤维膜组件（4）过滤后的上清液，并排放少量污泥控制污泥龄在50-60天之间；重复上述培养过程，直至反硝化厌氧甲烷氧化过程驯化完成；
阶段二，通过进水泵（3）从进水箱（2）抽取含有NH4 +-N和NO2 --N的污水，投加到膜生物膜反应器（1）内，进水结束后，在开启氩气气体流量计（17）的同时，并开启甲烷气体流量计（14），培养和驯化阶段一得到的微生物，即包括Anammox菌和N-DAMO菌的共生菌群，保证二者在厌氧条件下，同时分别代谢各自的底物进行生长繁殖，厌氧反应结束后，关闭甲烷气体流量计，开启出水泵（5）排放膜生物膜反应器（1）内经中空纤维膜组件（4）过滤后的上清液，并排放部分污泥控制污泥龄在50-60天之间；重复上述培养过程，直至同步厌氧氨氧化和反硝化厌氧甲烷氧化过程驯化完成。
8.按照权利要求7的方法，其特征在于，阶段二的进水NH4 +-N与NO2 --N浓度比例控制在1:2.5—1:4之间。
9.按照权利要求7的方法，其特征在于，甲烷流量随反应器大小和厌氧甲烷速率大小改变,每升反应器甲烷流量控制在0.5-1mL/min。
10.按照权利要求7的方法，其特征在于，膜生物膜反应器内均采用间歇运行的方式，每个周期包括进水、厌氧反应、沉淀、排水、排泥5个步骤。
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