CN109734179A - 一种升流式生物膜反应器中canon工艺快速启动方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种升流式生物膜反应器中CANON工艺快速启动方法，以实验室模拟氨氮废水作为进水基质，以活性污泥作为接种污泥，以弹性针状填料作为生物膜载体，实现CANON工艺的快速启动。整个过程包括接种污泥驯化、AOB和ANAMMOX出现和富集、厌氧氨氧化菌群成功挂膜以及系统稳定运行三个阶段，在运行全过程中除了控制DO、碱度、pH等在合适范围内之外，通过缩短HRT以调整进水氮负荷的方式实现CANON工艺的快速启动。本发明提供的方法在运行96天时,成功启动CANON工艺，实现了96％的氨氮去除率和85％的总氮去除率。

Description

一种升流式生物膜反应器中CANON工艺快速启动方法

技术领域

本发明属于污水处理技术领域，特别涉及一种升流式生物膜反应器中CANON工艺快速启动方法，通过在升流式污泥床生物反应器中增加弹性针状填料，实现一段式全程自养脱氮工艺(简称CANON)的快速启动。

背景技术

一段式全程自养脱氮(CANON)是一种新型高效低耗生物处理技术，它的理论基础是AOB主导的亚硝化和ANAMMOX主导的厌氧氨氧化，只需一个反应器即可同时完成两个反应。CANON工艺因其无需外加碳源、运行成本低、占地面积小、污泥产量低、高效脱氮等独特优势受到广泛青睐。然而该工艺对温度、pH、碱度、溶解氧等运行条件要求苛刻，运行过程中易受冲击和影响，尤其是其启动时间过长、生物量富集困难导致实际工程应用受到限制。因此，CANON工艺的快速启动和稳定运行是目前急需解决的难题。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有普通CANON工艺启动周期长且难稳定运行的不足，提供一种升流式生物膜反应器中CANON工艺快速启动方法，在运行全过程中除了控制DO、碱度、pH等在合适范围内之外，通过缩短HRT以调整进水氮负荷的方式实现CANON工艺的快速启动，尤其是在反应器内悬挂弹性针状填料作为生物膜载体，增强反应器对废水NH₄ ⁺-N浓度波动的适应能力，从而增大调控弹性。

本发明的技术方案如下：

一种升流式生物膜反应器中CANON工艺快速启动方法：以氨氮废水作为进水基质，以活性污泥作为接种污泥，以弹性针状填料作为生物膜载体，实现CANON工艺的快速启动；整个过程包括接种污泥驯化、AOB和ANAMMOX出现和富集、厌氧氨氧化菌群成功挂膜和系统稳定运行三个阶段。

优选的，所述进水基质中，NH₄ ⁺-N浓度为200mg/L-500mg/L，pH值在7.8-8.2之间，温度范围在32-37℃之间，碱度范围在1500mg/L-2000mg/L之间。

优选的，反应器采用升流式运行方式，启动初期接种污泥浓度为8.0g/L-10.0g/L，启动方式为首先对污泥厌氧一周，后期逐渐提高曝气量的模式以抑制NOB活性。

优选的，CANON工艺在运行全过程中溶解氧浓度控制在0.2mg/L-0.8mg/L范围之间。

优选的，CANON工艺运行全过程中出水亚硝氮浓度控制在25mg/L以下，FA控制在15-25mg/L之间，FAN控制在0.8-1.5ug/L之间。

优选的，在运行1-16d，接种污泥处于驯化阶段，HRT维持在12h，进水氮负荷控制在0.401-1.002kgN/(m³/d)之间；在运行17-60d，AOB和ANAMMOX出现和富集，HRT维持在8h，进水氮负荷控制在0.600-1.500kgN/(m³/d)之间；在运行61-96d，厌氧氨氧化菌群成功挂膜和系统稳定运行，HRT维持在6h，进水氮负荷控制在0.804-2.010kgN/(m³/d)之间。

优选的，AOB作用下的氨氮亚硝化反应和ANAMMOX作用下的厌氧氨氧化反应在同一个升流式生物膜反应器中发生，所述升流式生物膜反应器中间悬挂弹性针状填料，所述针状填料由高强度耐腐中心绳均匀辐射状穿插聚烯烃类丝条制成，占反应器有效体积的20％-30％之间。

优选的，所述升流式生物膜反应器底部进水口连接进水管和进水泵，底部进气口接通的曝气管与气泵相连，进气口连接钛合金曝气头；顶部设置有三相分离器和变径大头装置用于截留活性污泥，变径大头设置有溢流口和出水口。

优选的，所述升流式生物膜反应器反应区的回流系统由底部的循环口、上部的循环口和用于调控回流比的循环泵构成。

优选的，所述升流式生物膜反应器设置有水浴夹层，水浴锅通过水浴循环口与水浴夹层相连。

本发明所取得的技术效果如下：

(1)以实验室模拟氨氮废水作为进水基质，启动初期采用低溶解氧和低氮负荷的运行条件，有利于ANAMMOX的快速驯化，后期缩短水力停留时间、调整溶解氧浓度，实现了厌氧氨氧化菌的快速启动以及稳定运行；

(2)在CANON系统中悬挂针状填料，通过填料来分割反应器内的好氧菌(AOB)生活区和厌氧菌(ANAMMOX)生活区，增强了反应器对废水NH₄ ⁺-N浓度波动的适应能力，从而增大了操作弹性；

(3)装置配有回流系统，升流式反应器上部出水通过循环回到底部，起到强化传质和稀释进水氨氮的双重作用；

(4)装置顶部的变径大头、三相分离器实现了污泥截留，弹性填料的添加也促进了厌氧氨氧化菌的快速富集，解决了CANON工艺生物量富集困难问题；

(5)CANON工艺经96天达到稳定运行，厌氧氨氧化菌成功挂在针状填料上，絮体中AOB和填料上ANAMMOX实现共存，达到了96％NH₄ ⁺去除率和85％TN去除率，启动速度远高于现阶段普通研究水平；

(6)整个工艺反应途径短，操作简单，装置占地面积小，能耗少、成本低，反应体系操作弹性大。

附图说明

图1为本发明中的升流式生物膜反应器装置图，其中：1-圆柱体反应器、2-底座、3-变径大头、4-三相分流器、5-进水口、6-曝气头、7-气泵、8-进水泵、9,11-循环口、10-循环泵、12,13,14-取样口、15-水浴夹层、16-弹性针状填料、17-溢流口、18-出水口、19,20-水浴循环口。

图2为本发明中所用的弹性针状填料。

图3为本发明中ANAMMOX成功挂膜后状态。

具体实施方式

为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合实施例对本发明提供的一种升流式生物膜反应器中CANON工艺快速启动方法进行详细描述。以下实施例仅用于说明本发明而非用于限制本发明的范围。

本发明的作用机理为：首先是AOB在限氧条件下以O₂为电子受体，将NH₄ ⁺-N氧化为NO₂ ^--N，由式(1-1)表示

NH₄ ⁺+HCO₃ ^-+0.75O₂→0.5NO₂ ^-+CO₂+1.5H2O 式(1-1)

然后，厌氧氨氧化菌以NO₂ ^--N作为电子受体氧化NH₄ ⁺-N，产生N₂和少量的硝酸盐，由式(1-2)表示

NH₄ ⁺+1.32NO₂ ^-+H⁺→1.02N₂+0.26NO₃ ^-+2H₂O 式(1-2)

本发明提供的一种升流式生物膜反应器中CANON工艺快速启动的方法分为接种污泥驯化、AOB和ANAMMOX出现和富集、厌氧氨氧化菌群成功挂膜以及系统稳定运行三个阶段。以实验室模拟氨氮废水作为进水基质，以活性污泥作为接种污泥，以弹性针状填料作为生物膜载体，运行96天后CANON系统成功启动。

具体实施过程如下：

反应器采用升流式运行方式，启动初期接种污泥浓度为8.0g/L-10.0g/L，运行方式为首先对污泥厌氧一周，后期逐渐提高曝气量的模式；接种污泥驯化阶段，HRT维持在12h，进水氮负荷控制在0.401-1.002kgN/(m³/d)之间；AOB和ANAMMOX出现和富集阶段阶段，HRT维持在8h，进水氮负荷控制在0.600-1.500kgN/(m³/d)之间；在厌氧氨氧化菌群成功挂膜和系统稳定运行阶段，HRT维持在6h，进水氮负荷控制在0.804-2.010kgN/(m³/d)之间；96天后，AOB存在于絮体污泥中，厌氧氨氧化菌成功挂在填料上，CANON工艺完成启动过程。

升流式生物膜反应器中间悬挂弹性针状填料，针状填料由高强度耐腐中心绳均匀辐射状穿插聚烯烃类丝条制成，占圆柱体反应器有效体积20％-30％之间；反应器采用升流式运行方式，底部连续进水、连续曝气；顶部通过三相分离器连续出水；反应区设置回流系统，起到强化传质和稀释进水氨氮的双重作用。

实施例1

附图1是实施本方法的升流式生物膜反应装置，材质为有机玻璃。反应器底座连接进气口、进水口以及循环口，分别配有气泵、曝气头，进水泵和循环泵；反应器柱体设有水浴保温夹层，反应器内径0.06m，外径0.10m，柱高1.3m，有效容积3.5L；反应器中间悬挂弹性针状填料，占圆柱体反应器有效体积20％-30％之间；反应器顶部设计三相分离器和变径大头装置，用以截留污泥。

与反应器底座2的进水口5接通的进水管与进水泵7相连，与反应器底座2的进气口接通的曝气管与气泵8相连，进气口上方螺纹连接5微米孔径的钛合金曝气头6，反应器底座2的循环口9和圆柱体反应器1上方循环口11通过循环泵10相连，水浴锅13通过水浴循环口19,20与反应器夹层15相连。

此外，圆柱体反应器1均匀分布取样口12,13,14，反应器上方设置变径大头3和三相分流器4，其中变径大头3设有溢流口17和出水口18，反应器内部通过与三相分流器顶部相连悬挂针状弹性填料16。

(1)进水基质

本方案以实验室模拟氨氮废水作为进水基质，模拟废水通过进水泵由底部进水口连续泵入反应器，其主要成分见表1。

表1.进水组成

(2)运行方式

1)模拟废水由进水泵7从反应器底部进水口5送入反应器中；

2)气泵8与反应器底部进气管相连，通过气曝气头6向反应器内均匀送气，通过调节气泵8的大小保证反应器内合适的溶解氧浓度；

3)反应器的出水分别通过变径大头3、三相分流器4经由出水口18流出，并增设溢流口做安全保障；

4)循环口9和11通过循环泵10相连，增设回流系统调节柱内传质；

5)水浴锅通过自身循环泵与反应器夹层15相连，控制水浴循环控保证温度条件；

6)反应器内悬挂针状弹性填料(附图2所示)，为ANAMMOX提供生物载体。

运行全过程进水NH₄ ⁺-N浓度为200mg/L，pH值在7.8-8.0之间，温度控制在35℃左右，碱度为1600mg/L，出水亚硝氮浓度控制在25mg/L以下，FA控制在10-25mg/L之间，FAN控制在0.5-1.5ug/L之间。

(3)启动过程

反应器采用升流式运行方式，启动初期接种污泥浓度为8.06g/L，运行方式为首先对污泥厌氧一周，后期逐渐提高曝气量的模式，目的旨在抑制NOB活性；在运行1-16d，接种污泥驯化阶段，HRT维持在12h，进水氮负荷为0.401kgN/(m³/d)；在运行17-60d，AOB和ANAMMOX出现和富集阶段，HRT维持在8h，进水氮负荷为0.600kgN/(m³/d)；在运行61-96d，厌氧氨氧化菌群成功挂膜和系统稳定运行阶段，HRT维持在6h，进水氮负荷为0.804kgN/(m³/d)。运行96天后，在该升流式生物膜反应器中，CANON工艺完全启动，厌氧氨氧化菌成功挂在针状填料上，絮体中AOB和填料上ANAMMOX实现共存，NH₄ ⁺-N去除率达到96％，TN去除率达到85％，并长时间保持稳定。

通过粒径分析，菌群粒径在不断变大，颗粒化；显微照片可明显看出污泥颜色不断变红、颗粒呈聚集状态变化；微生物种群结构分析结果显示，活性污泥中主要的功能菌群为AOB和ANAMMOX，其中絮体中AOB占主导地位，填料上ANAMMOX为主要菌群。

实施例2

本实施例使用升流式生物膜反应器成功启动了CANON工艺，其具体实施过程如下：

(1)反应装置与接种污泥

本实施例采用附图1所示的升流式生物膜反应装置。接种污泥来自于北京市政污水处理厂普通活性污泥，污泥呈絮体状态，颜色为深褐色。本次测试接种污泥性质得到(MLSS)质量浓度为8.58g/L。

(2)进水基质

实验采用配备模拟工业废水的方法进行整个实验，实验所用药品包括NH₄Cl、KH₂PO₄、FeSO₄、MgSO₄.5H₂O、NaCl、NaHCO₃、CaCl₂等，提供进水氨氮300mg/L，碱度1650，其余必要元素用量如表2所示。

表2.进水指标

(3)启动过程

启动初期，运行方式为首先对污泥厌氧一周，后期逐渐提高曝气量的模式，目的旨在抑制NOB活性；整个过程，pH值范围在7.8-8.0之间，温度控制在37℃左右，溶解氧浓度在0.3mg/L-0.6mg/L之间，出水亚硝氮浓度控制在25mg/L以下，FA控制在10-25mg/L之间，FAN控制在0.5-1.5ug/L之间。

在运行1-16d，接种污泥处于驯化阶段，HRT维持在12h，进水氮负荷为0.602kgN/(m³/d)；在运行17-60d，AOB和ANAMMOX出现和富集阶段，水力停留时间维持在8h，进水氮负荷为0.901kgN/(m³/d)；在61-96d，厌氧氨氧化菌群成功挂膜和系统稳定运行阶段，HRT维持在6h，进水氮负荷为1.206kgN/(m³/d)；运行96天后，在该升流式生物膜反应器中，CANON工艺完全启动，厌氧氨氧化菌成功挂在针状填料上，絮体中AOB和填料上ANAMMOX实现共存，实现95％的NH₄ ⁺去除率和82％的TN去除率，并长时间稳定运行。

从宏观上来看，针状弹性填料上挂满红色的ANAMMOX菌群(附图3所示)，且通过粒径分析，菌群粒径在不断变大，颗粒化；从微观分析，显微照片可明显看出污泥颜色、聚集状态的变化，高通量分析结果显示，活性污泥功能种群AOB和ANAMMOX占主导地位。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本方法的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种升流式生物膜反应器中CANON工艺快速启动方法，其特征在于，以氨氮废水作为进水基质，以活性污泥作为接种污泥，以弹性针状填料作为生物膜载体，实现CANON工艺的快速启动；整个过程包括接种污泥驯化、AOB和ANAMMOX出现和富集、厌氧氨氧化菌群成功挂膜和系统稳定运行三个阶段。

2.根据权利要求1所述的升流式生物膜反应器中CANON工艺快速启动方法，其特征在于，运行全过程中，进水基质中的NH₄ ⁺-N浓度为200mg/L-500mg/L，pH值在7.8-8.2之间，温度范围在32-37℃之间，碱度范围在1500mg/L-2000mg/L之间。

3.根据权利要求1所述的升流式生物膜反应器中CANON工艺快速启动方法，其特征在于，反应器采用升流式运行方式，启动初期接种污泥浓度为8.0g/L-10.0g/L，启动方式为首先对污泥厌氧一周，后期逐渐提高曝气量的模式以抑制NOB活性。

4.根据权利要求1所述的升流式生物膜反应器中CANON工艺快速启动方法，其特征在于，CANON工艺在运行全过程中溶解氧浓度控制在0.2mg/L-0.8mg/L范围之间。

5.根据权利要求1所述的升流式生物膜反应器中CANON工艺快速启动方法，其特征在于，CANON工艺运行全过程中出水亚硝氮浓度控制在25mg/L以下，FA控制在15-25mg/L之间，FAN控制在0.8-1.5ug/L之间。

6.根据权利要求1所述的升流式生物膜反应器中CANON工艺快速启动方法，其特征在于，在运行1-16d，接种污泥处于驯化阶段，HRT维持在12h，进水氮负荷控制在0.401-1.002kgN/(m³/d)之间；在运行17-60d，AOB和ANAMMOX出现和富集，HRT维持在8h，进水氮负荷控制在0.600-1.500kgN/(m³/d)之间；在运行61-96d，厌氧氨氧化菌群成功挂膜和系统稳定运行，HRT维持在6h，进水氮负荷控制在0.804-2.010kgN/(m³/d)之间。

7.根据权利要求1至6中任意一条所述的升流式生物膜反应器中CANON工艺快速启动方法，其特征在于，AOB作用下的氨氮亚硝化反应和ANAMMOX作用下的厌氧氨氧化反应在同一个升流式生物膜反应器中发生，所述升流式生物膜反应器中间悬挂弹性针状填料，所述针状填料由高强度耐腐中心绳均匀辐射状穿插聚烯烃类丝条制成，占反应器有效体积的20％-30％之间。

8.根据权利要求7所述的升流式生物膜反应器中CANON工艺快速启动方法，其特征在于，所述升流式生物膜反应器底部进水口连接进水管和进水泵，底部进气口接通的曝气管与气泵相连，进气口连接钛合金曝气头；顶部设置有三相分离器和变径大头装置用于截留活性污泥，变径大头设置有溢流口和出水口。

9.根据权利要求8所述的升流式生物膜反应器中CANON工艺快速启动方法，其特征在于，所述升流式生物膜反应器反应区设置的回流系统由底部的循环口、上部的循环口和用于调控回流比的循环泵构成。

10.根据权利要求9所述的升流式生物膜反应器中CANON工艺快速启动方法，其特征在于，所述升流式生物膜反应器设置有恒温水浴夹层，水浴锅通过水浴循环口与水浴夹层相连。