CN112299559A - 一种全程硝化、短程反硝化、厌氧氨氧化单级耦合工艺控制方法 - Google Patents

一种全程硝化、短程反硝化、厌氧氨氧化单级耦合工艺控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种全程硝化、短程反硝化、厌氧氨氧化单级耦合工艺控制方法，包括步骤：（1）、建立反应系统；（2）、污泥接种与微生物培养；（3）、反应器启动及运行。本发明通过反应器系统建立和操作条件控制，使得在单一的微氧序批式生物膜反应器内同时培养并富集出具有全程硝化和短程反硝化及厌氧氨氧化的功能微生物，依靠全程硝化菌可以将一部分氨氮完全氧化成硝酸盐氮，接着在短程反硝化菌的存在下，被还原为亚硝态氮，剩余的氨氮和生成的亚硝氮为随后的厌氧氨氧化发生提供了必要底物，最终在一个反应器内实现生活污水的深度脱氮。

Description

一种全程硝化、短程反硝化、厌氧氨氧化单级耦合工艺控制 方法
技术领域
本发明属于废水生物处理领域，具体为一种全程硝化、短程反硝化、厌氧氨氧化单级耦合工艺控制方法。
背景技术
基于传统硝化反硝化工艺的生物脱氮工艺已经广泛用于城市污水处理厂，然而出水总氮(TN)很难满足日益严格的排放标准。目前未来国家将制订更高更严的TN排放标准。部分亚硝化-厌氧氨氧化(Anammox)是一种高效节能且环境友好的新型自养脱氮技术，与传统硝化-反硝化工艺相比，具有大幅降低曝气量且不需要有机碳源等潜在优势。当前国内外正在探索和实践城市污水主流厌氧氨氧化脱氮技术。然而城市污水的进水条件极大限制了主流Anammox在城市污水处理中的应用，主要是由于较低的进水NH4 +-N(40～50mg/L)，亚硝化很难稳定控制并发生。
2015年12月以硝化螺旋菌属(Nitrospira)为代表的全程硝化菌(CompleteAmmonia Oxidizer，Comammox)被首次报道。Comammox意味着可以一步将氨氮氧化成硝酸盐氮。Comammox菌广泛分布于各种生态环境中，尤其在低氨氮和低氧条件的污水处理系统中更容易富集，这也是导致低氨氮废水很难形成对亚硝酸氧化菌(NOB)抑制的重要原因之一。短程反硝化是将硝酸盐还原到亚硝酸盐氮的过程，通过pH、碳源类型、溶解氧和碳氮比等工艺条件的调控可以较容易实现NO2 --N的积累。已有研究表明短程反硝化是稳定提供生活污水厌氧氨氧化的NO2 --N底物的替代途径。
基于此，若能在微氧生物膜反应器内同时培养富集完全氨氧化菌(Comammox)、短程反硝化菌(PDNB)和厌氧氨氧化菌(AnAOB)关键功能微生物，首先Comammox可以将一部分氨氮完全氧化成硝酸盐氮，接着在短程反硝化菌的存在下，被还原为亚硝态氮，氨氮和亚硝氮的存在为随后的厌氧氨氧化提供了必要底物。而微氧生物膜反应器可以为三种反应的同步发生提供良好的生长环境，最终在一个反应器内实现生活污水的深度脱氮。
发明内容
本发明针对传统硝化反硝化工艺脱氮效率低下，导致出水TN不达标的问题，提出了一种全程硝化、短程反硝化、厌氧氨氧化单级耦合工艺控制方法，利用反应系统实现同时含有生活污水深度脱氮，以实现工艺应用。
本发明是采用如下技术方案实现的：
一种全程硝化、短程反硝化、厌氧氨氧化单级耦合工艺控制方法，包括如下步骤：
(1)、建立反应系统，包括：进水池，蠕动泵，搅拌器，温控器，生物填料，pH/DO/ORP多参数分析仪，质量流量计，稳压泵，空压机，曝气盘，反应器；
所述反应器内底部设有曝气盘和搅拌器，所述反应器内放置生物填料，所述空压机连接稳压泵，所述稳压泵连接质量流量计，所述质量流量计与曝气盘连接，所述进水池连接蠕动泵，所述蠕动泵连接进水管伸入至反应器内底部，所述pH/DO/ORP多参数分析仪的三参数测试棒伸入反应器内上部。
(2)、污泥接种与微生物培养
所用活性污泥取自污水处理厂SBR工艺曝气池中活性污泥，取回的絮状活性污泥，首先进行过滤以去除其中杂质，然后闷曝24h恢复污泥活性，最后将处理后的活性污泥与配水等比例混合加入反应器中至浸没过填料，静置12h；
待污泥接种到填料上后，曝气12小时，静置后排出上清液，加入新的配水；重复该过程3～5次，直至反应器内填料挂膜成功。
(3)、反应器启动及运行
进水中，碳源、氨氮及磷源分别由葡萄糖、NH4Cl以及KH2PO4提供，N/P比为5:1，进水氨氮为50mg/L，COD为50mg/L，pH控制在7.5；
反应器水力停留时间控制在1d，即反应器采用进水2min、连续曝气11.5h、沉淀25min、出水3min的方式运行，12个小时为一个周期，换水比为1/2；通过连续曝气方式，曝气量在20～30mL/min，反应过程内DO维持在1.5～2.0mg/L，ORP控制在+50～+100mv，启动期间保持COD为50mg/L运行，经过10～12天后氨氮去除率大于90％，反应器完成启动，进入运行期；
进水COD开始提高到100mg/L，此时COD/NH4 +-N(C/N)为2，反应器采用进水2min、连续曝气11.5h、沉淀25min、出水3min的方式运行，12个小时为一个周期，换水比为1/2，运行60～70个周期；随后C/N分别提高至3、4、5，分别运行50～60个周期，55～65个周期、25～35个周期。
本发明通过反应器系统建立和操作条件控制，使得在单一的微氧序批式生物膜反应器内同时培养并富集出具有全程硝化和短程反硝化及厌氧氨氧化的功能微生物，依靠全程硝化菌可以将一部分氨氮完全氧化成硝酸盐氮，接着在短程反硝化菌的存在下，被还原为亚硝态氮，剩余的氨氮和生成的亚硝氮为随后的厌氧氨氧化发生提供了必要底物，最终在一个反应器内实现生活污水的深度脱氮。通过全程氨氧化、短程反硝化、厌氧氨氧化耦合，分时测试结果表明：反应初期，COD快速被氧化分解，同时随后，NH4 +-N浓度开始下降，而NO3 --N浓度增加，反应过程中产生由于绝大部分碳源已被前期利用，NO3 --N在C/N不足的条件下被还原为NO2 --N，反应后期NH4 +-N和NO2 --N在生物膜内部发生厌氧氨氧化。表明系统实现了全程氨氧化、短程反硝化、厌氧氨氧化功能的同步耦合。经过长期运行发现进水C/N＝4，系统处理效果最好，此时COD、氨氮和总氮的去除率分别达96％、99％和94％以上，填料表面生物膜由运行初期的浅黄色变为红棕色，此时厌氧氨氧化活性达到0.094kg N/kgVSS-1·d-1。高通量测序发现Nitrospira、Thauera和Candidatus Kuenenia同存，表明系统主要通过全程硝化-短程反硝化-厌氧氨氧化耦合途径脱氮。
本发明具有以下有益效果：
(1)、在一个反应器同时发生全程硝化、短程反硝化、厌氧氨氧化，系统总氮去除率达90％以上，出水TN小于10mg/L，实现对生活污水可持续处理。
(2)、节约曝气量20％以上，不需要外加碳源，降低运行成本30％以上。
(3)、占地小，操作简单、运行维护简便、控制参数少，仅通过进水水质、温度、pH、DO和ORP控制可实现系统的稳定处理效果。
(4)、产泥量少，是传统工艺的1/3，仅需要定期排除脱落老化的生物膜，不需要污泥回流，不会发生污泥上浮和污泥膨胀等不良现象。
本发明设计合理，具有很好是实际应用价值。
附图说明
图1表示整个实验期间系统总体性能；其中，A：出水NH4 +-N、NO3 --N浓度、NH4 +-N和TN去除效率；B：出水COD浓度和COD去除率。
图2a表示C/N＝2的阶段中典型周期内出水NH4 +-N、NO3 --N以及COD变化。
图2b表示C/N＝3的阶段中典型周期内出水NH4 +-N、NO3 --N以及COD变化。
图2c表示C/N＝4的阶段中典型周期内出水NH4 +-N、NO3 --N以及COD变化。
图2d表示C/N＝5的阶段中典型周期内出水NH4 +-N、NO3 --N以及COD变化。
图3表示反应系统结构示意图。
图中：1-进水池，2-蠕动泵，3-搅拌器，4-温控器，5-生物填料，6-pH/DO/ORP多参数分析仪，7-质量流量计，8-稳压泵，9-空压机，10-曝气盘，11-反应器。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施例进行详细说明。
一种全程硝化、短程反硝化、厌氧氨氧化单级耦合工艺控制方法，包括如下步骤：
(1)、建立反应系统，如图3所示，包括：进水池1，蠕动泵2，搅拌器3，温控器4，生物填料5，pH/DO/ORP多参数分析仪6，质量流量计7，稳压泵8，空压机9，曝气盘10，反应器11等。
具体连接关系为，如图3所示，反应器11内底部设有曝气盘10和搅拌器3，反应器11内放置生物填料5，空压机9连接稳压泵8，稳压泵8连接质量流量计7，质量流量计7通过管路与曝气盘10连接；进水池1连接蠕动泵2，蠕动泵2连接进水管伸入至反应器11内底部，pH/DO/ORP多参数分析仪6的三参数测试棒伸入反应器11内上部用于测量pH、DO、ORP信息。
进行本实施例时，反应器11由有机玻璃制成，内径150mm、高350mm，有效容积5L，采用聚氨酯海绵填料作为生物膜载体，体积填充率为30％～60％(优选为50％)。反应器底部设有微孔曝气盘，通过连接空气压缩泵和质量流量计实现精确曝气，可保证DO浓度在±0.2mg/L。底部加装搅拌器实现混合搅拌。反应器设置pH、DO、ORP在线监测分析仪，DO根据不同工况进行精准控制，通过恒温控制器将系统控制在30±1℃。
(2)、污泥接种与微生物培养
本实施例所用活性污泥取自污水处理厂SBR工艺曝气池中活性污泥(MLSS:3100mg/L)，取回的絮状活性污泥，首先进行过滤以去除其中杂质，然后闷曝24h恢复污泥活性，最后将处理后的活性污泥与配水(本实施例使用配水为自来水)等比例混合加入反应器中至浸没过填料，静置12h。
待污泥接种到填料上后，曝气12小时，静置后排出上清液(约1.5L左右)，加入新的配水。重复该过程3～5次，直至反应器内填料挂膜成功。
(3)、反应器启动及运行
进水中，碳源、氨氮及磷源分别由葡萄糖、NH4Cl以及KH2PO4提供，N/P比为5:1，投加NaHCO3补充反应器内微生物进行生化反应所需要的碱度。进水氨氮为50mg/L，COD为50mg/L，pH控制在7.5。进水中投加微量元素营养液微量元素促进微生物生长，包括0.02g CuSO4、0.11g MnSO4、0.16g H3BO4、1.4g FeCl3、0.14gCoCl2·6H2O、0.13g ZnSO4·7H2O、0.18gNiCl2·6H2O(/L含有)。
反应器水力停留时间(HRT)控制在1d，即反应器采用进水2min、连续曝气11.5h、沉淀25min、出水3min的方式运行，12个小时为一个周期，换水比为1/2。通过连续曝气方式，曝气量在20～30mL/min，反应过程内DO维持在1.5～2.0mg/L，ORP(氧化还原电位)控制在+50mv～+100mv。运行前保持COD：50mg/L运行，经过10～12天后氨氮去除率大于90％，反应器完成启动，进入运行期。
运行期：进水COD开始提高到100mg/L，此时COD/NH4 +-N(C/N)为2，反应器采用进水2min，连续曝气11.5h，沉淀25min，出水3min的方式运行，12个小时为一个周期，换水比为1/2，运行67个周期。随后C/N分别提高至3、4、5，按照周期运行方式分别运行59个周期、62个周期、28个周期；依次运行以下实施例：
实施例1(C/N＝2)
利用上述的全程硝化、短程反硝化、厌氧氨氧化单级耦合工艺及控制方法处理模拟生活废水A：进水COD 100mg/L、氨氮50mg/L，经过处理，COD平均去除率达到86％，氨氮平均去除率达到96％，总氮平均去除率可达88％。
实施例2(C/N＝3)
利用上述的全程硝化、短程反硝化、厌氧氨氧化单级耦合工艺及控制方法处理模拟生活废水B：进水COD 150mg/L、氨氮50mg/L，经过处理，COD平均去除率达到90％，氨氮平均去除率达到97％，总氮平均去除率可达91％。
实施例3(C/N＝4)
利用上述的全程硝化、短程反硝化、厌氧氨氧化单级耦合工艺及控制方法处理模拟生活废水C：进水COD 200mg/L，氨氮50mg/L，经过处理，COD平均去除率达到96％，氨氮平均去除率达到99％，总氮平均去除率可达94％。
实施例4(C/N＝5)
利用上述的全程硝化、短程反硝化、厌氧氨氧化单级耦合工艺及控制方法处理模拟生活废水D：进水COD 250mg/L，氨氮50mg/L，经过处理，COD平均去除率达到98％，氨氮平均去除率达到98％，总氮平均去除率可达94％。
(4)、全程氨氧化、短程反硝化、厌氧氨氧化耦合
分时测试结果表明：反应初期，COD快速被氧化分解，同时随后，NH4 +-N浓度开始下降，而NO3 --N浓度增加，反应过程中产生由于绝大部分碳源已被前期利用，NO3 --N在C/N不足的条件下被还原为NO2 --N，反应后期NH4 +-N和NO2 --N在生物膜内部发生厌氧氨氧化。表明系统实现了全程氨氧化、短程反硝化、厌氧氨氧化功能的同步耦合。
(5)、运行效果
经过长期运行发现进水C/N＝4，系统处理效果最好，此时COD、氨氮和总氮的去除率分别达96％、99％和94％以上，填料表面生物膜由运行初期的浅黄色变为红棕色，此时厌氧氨氧化活性达到0.094kg N/kgVSS-1·d-1。高通量测序发现Nitrospira、Thauera和Candidatus Kuenenia同存，表明系统主要通过全程硝化-短程反硝化-厌氧氨氧化耦合途径脱氮。
下面对上述四个实施过程具体分析如下。
1、本实施例研究以葡萄糖作为单独碳源，反应器内温度控制在30±1℃，进水pH控制在7.5左右，共运行218个周期，分为4个阶段，不同阶段进水水质指标参数和操作条件如表1所示。
表1不同阶段进水水质参数
Figure BDA0002669323660000101
2、氨氮和COD去除效能
通过逐步增加进水葡萄糖浓度将碳氮比从2提升到5，不同碳氮下出水水质指标如图1所示。由图1中A可知，C/N为2时的前10个周期，出水NH4 +-N浓度从19.67mg/L逐渐下降至6.67mg/L，NH4 +-N去除率从67％上升到86％，说明微生物渐渐适应新环境，但出水中NO3 --N浓度却逐步上升，最大达19.67mg/L，并且未检测到NO2 --N。这可能是进水氨氮浓度低，NOB活性高于AOB活性，将NH4 +-N直接氧化为NO3 --N。此时TN去除率也仅为50％左右，这是因为反应器运行初期，生物膜较薄，反硝化生长受到抑制，加之进水C/N较低，大部分COD先被好氧异养菌氧化，反硝化菌所需底物缺乏，反硝化活性受到抑制。随着反应器的运行，NH4 +-N和NO3 ---N同步降低并趋于稳定，NH4 +-N浓度基本为0，NO3 --N基本稳定在5mg/L左右，NH4 +-N和TN去除率分别达99.8％和89.8％。后期高通量测序显示，在C/N＝2后期反应器内已有少量AnAOB出现，所以在后期出水NO3 --N下降可能是由于厌氧氨氧化反应和反硝化反应共同作用的结果。但此时，一方面，生物膜较薄使得较高的溶解氧会抑制AnAOB活性而使得anammox作用无法充分发挥；另一方面，系统内碳源不足和较薄的生物膜也同样限制了反硝化反应的进行，从而在C/N＝2后期，出水NO3 --N仍处于较高水平。
进一步提升C/N到3，由于进水COD负荷提升的冲击，出水NH4 +-N迅速上升到13.03mg/L，NH4 +-N去除率和TN去除率也快速下降为76.24％和73.94％。这种情况在后续提升C/N过程中也有发生，但随着反应器的继续运行，反应器很快恢复稳定，并达到更佳的去除效果，这可能是由于随着C/N的提升使得系统内营养物质越加丰富，异养菌大量繁殖加速生物膜生长，生物膜内部形成了更加稳定的缺氧和厌氧功能微区，更有利于AnAOB和反硝化菌的富集，从而提升了系统对于NH4 +-N和TN的去除效率。
此外，从图1中A可以看出C/N＝4与C/N＝5时反应器对于氮去除效果很相近。为了进一步研究最后两个阶段脱氮效能的区别，对各个阶段的出水指标进行统计整理于表1。可以看出C/N＝4系统对于NH4 +-N去除效能更佳，此时出水NH4 +-N浓度小于1mg/L，出水TN小于3mg/L，说明C/N＝4是本系统处理模拟生活废水的最佳碳氮比，此时生物膜内部好氧异氧菌、反硝化菌和厌氧氨氧化菌协同合作功能达到最佳。有研究指出，较低的葡萄糖浓度对于厌氧氨氧化菌的抑制作用较弱。但当C/N提升到5时，一方面，较高的有机物浓度严重抑制了厌氧氨氧化反应；另一方面，系统内部COD负荷进一步提升，而DO还维持在原来水平，COD降解消耗了大部分氧气，导致氨氮降解不如C/N＝4完全，而反硝化作用由于底物越发充足而未受影响，所以出水NO3 --N相较于C/N＝4略低，从而使得TN去除率和C/N＝4相近。此外，值得注意的是，在整个实验过程中出水中几乎没有检测到亚硝氮。这可能是由于，一方面进水氨氮负荷较低，AOB难以形成竞争优势，从而无法形成明显的亚硝氮积累。另一方面，生物膜内部复杂的微生物结构构成，有可能使产生的NO2 --N在瞬间被反硝化菌还原或者厌氧氨氧化菌利用，所以在出水中很难检测到。
表2实验期间各阶段的平均出水浓度和去除率
Figure BDA0002669323660000121
图1中B展示了不同C/N条件下，系统对COD的去除效果。可以看出随着C/N的提升，出水COD浓度逐渐下降，COD去除率逐步升高。结合表2，在C/N＝2时，出水COD基本稳定在18.52mg/L，而此时COD去除率仅为81.5％左右。而当C/N比提升到5时，出水COD浓度下降为5mg/L左右，去除率高达97％。造成这一变化规律的原因可能是C/N的提升使得系统内异养菌快速增殖，进而导致COD去除率也相应增加。
3、典型周期内出水参数变化
为了进一步明确系统内部反应随时间变化的规律，在不同C/N工况下稳定期进行分时取样并分析水质变化。不同C/N条件下典型周期内各水质参数如图2a-图2d所示。可以看出COD在反应前1h内迅速下降，这可能是由于生物膜表面的吸附作用所导致的。随后，COD被逐渐降解，浓度逐渐降低。各个阶段下NH4 +-N随反应进行被逐渐降解。但值得注意的是，反应后期的NH4 +-N降解速率要明显高于前期的降解速率，且C/N比越高，这个时间分割点就越后移。当C/N＝2时，NH4 +-N在6h后出现了快速下降趋势，C/N＝3时，7h后出现这一趋势，而C/N为4和5时，氨氮分别在8h和9h后才出现这一趋势。这一方面是由于前期系统内大部分DO被用于COD的降解，导致氨氧化反应难以进行。另一方面，前期系统溶液内部COD的存在抑制了厌氧氨氧化反应的正常进行。此外，系统内部NO3 --N浓度显示出先降低后增加的变化趋势。这是由于前期进行COD降解，系统内部进行反硝化反应，导致了NO3 --N浓度的降低。当COD被降解到较低水平时，anammox开始成为主导反应，产生了少部分NO3 --N，而此时COD浓度降低，反硝化反应受到底物短缺抑制而无法完全进行，导致了NO3 --N浓度的增加。并且随着C/N的提升，NO3 --N浓度增加的时间也逐渐提前。这可能是由于C/N的提升，系统内异养菌逐渐增多，加速了COD的利用速率，从而有利于厌氧氨氧化反应更早的进行。值得注意的是，分时取样过程中依旧几乎没有在出水中检测到亚硝酸盐氮的存在，而后期高通量测序检测到厌氧氨氧化细菌的存在，这说明在反应过程中产生的亚硝酸盐氮被厌氧氨氧化菌和反硝化菌迅速利用，导致在出水中无法检测到。综上所述，推测系统处理模拟生活废水的过程实际由三部分构成，即：开始时的COD好氧降解、中期的氨氧化阶段以及后期的厌氧氨氧化反应阶段。
4、系统内生物膜样貌与SAA分析
本系统不同阶段下生物膜形貌会有不同的变化，生物量和厌氧氨氧化菌活性(SAA)测试结果如表3所示。反应器第10个周期下的生物膜样貌，此时填料表面附着的生物量仍然较少，生物膜呈现浅黄色，生物膜附着较差。反应器第64个周期下(C/N＝2)的生物膜形貌，可以看出此时填料表面已基本被生物膜所遮盖，测得此时生物量为3.3g VSS/L。此外，可以观察到生物膜表面已经出现了轻微的红色，这表明生物膜内已经有厌氧氨氧化菌的存在，经测定此时厌氧氨氧化活性为0.021kg-N KgVSS-1d-1。进一步提升C/N到3后生物膜变的越发厚实，生物量增长到3.94g VSS/L，并且生物膜表面红色逐渐加深(第122周期)，厌氧氨氧化活性增长为0.043kg-N KgVSS-1d-1。当C/N提升到4后，生物量进一步增加到4.38gVSS/L，此时，填料表面生物膜已经完全变为红棕色(第196周期)，说明生物膜内已富集大量AnAOB，这与脱氮性能结果相符。生物量的增加会增加微生物对于N的同化，进而增加反应器的去除效率。活性测试表面该阶段厌氧氨氧化活性达到最大值0.094kg-N KgVSS-1d-1。随着反应器的运行，提升C/N到5后，生物量达到最大4.74g VSS/L，生物膜也变得更加厚实(第216周期)，但是生物膜在C/N＝4时所呈现的红棕色也逐渐消失，变为黄褐色，这可能是由于过高的C/N比严重的抑制了厌氧氨氧化菌的生长，厌氧氨氧化作用减弱，厌氧氨氧化活性仅为0.032kg-N KgVSS-1d-1，比上一阶段下降了66％，这可能是C/N比过高导致异养菌快速繁殖，和厌氧氨氧化菌争夺底物所致。
表3不同C/N比下的生物质浓度和厌氧氨氧化活性
Figure BDA0002669323660000151
5、细菌多样性和丰度分析
分别取第64、122、196、216个周期不同C/N下的填料进行高通量测序，以便于分析不同碳氮比下微生物种类及其多样性。4个样品得到有效序列读长分别为41561，48237，101050，55160。由表4可知，四个样本的OTUs数分别为2627、3173、10196、4413。四个样本的覆盖率指数均大于91％，表明在不同碳氮比条件下大部分微生物被检测到。四个样本的Chao1指数分别为：6587、8322、125049、20639。表明C/N为4时物种种类个数最多，ACE指数验证了这一结果。由Shannon指数可知，物种多样性随C/N提升呈现出先增加后轻微下降的趋势，Simpson计算结果与其相一致。结合系统脱氮除碳效能可知，最初由于碳氮比较低，系统内营养物质短缺，微生物多样性较低，因此C/N为2时TN去除率仅有80％。但随着碳氮比的提升，系统内营养物质逐渐丰富起来，生物膜上繁育的微生物种类也越来越多，不断升高的物种多样性使得填料内部各种功能微生物之间的相互联系和作用变得更加复杂，生物能量流动途径愈加丰富，抵抗外界扰动能力增强。因此，随着C/N从2提升到4时，TN去除率从80％升高至最高95％。但是过高的微生物多样性，会导致不同菌群之间因底物而进行竞争，反而不利于微生物的生长与繁殖，这可能是当C/N提升到5时总氮去除率轻微下降到94％的一个原因。
表4细菌多样性和丰富度指数
Figure BDA0002669323660000161
6、本工艺处理低氨生活污水去除机制
本系统对于低氨氮生活污水的降解可以解释为各种功能性菌属(如Comammox、PDNB、AnAOB等)之间的相互协同合作作用。当立体生物填料上生物膜长到一定厚度后，DO在其内部逐渐递减而形成稳定的好氧、缺氧以及厌氧功能微区，为不同呼吸作用的功能微生物提供了合适的生长环境，使得这些菌属在系统内形成一个有机整体，为系统同步脱氮除碳性能提供了微生物基础。在生物膜外面，进水中大部分COD被好氧异养菌(OxicHeterotrophic Bacteria，OHB)降解，并释放CO2。与此同时，进水中大部分NH4 +-N在完全氨氧化菌(Complete Ammonia Oxidizers，Comammox)的作用下被完全硝化至NO3 --N。当反应进行到缺氧区，生物膜外层产生的部分NO3 --N在短程硝酸盐还原菌(partial denitrifyingBacteria，PDNB)的作用下还原为NO2 --N。此外，由于好氧区大部分COD被好氧异养菌降解，加之进水内较低的C/N比，导致反硝化反应无法完全进行，因此也有一部分生物膜外层产生的NO3 --N在缺氧区被反硝化异养菌(Denitrification Heterotrophic Bacteria，DHB)还原到NO2 --N。然后这些生成的NO2 --N，参与后续的anammox反应。基于此，不同生物膜深度富集的各种功能微生物得以在本生物膜系统内实现耦合共生，并引发好氧氧化、全程硝化、短程反硝化以及厌氧氨氧化反应的协同作用，进而实现对模拟生活废水中氮和碳的同步去除。
7、结论
(1)、本系统在进水氨氮浓度为50mg/L，葡萄糖为单独碳源下共运行218个周期。运行过程中出水中氮素以少量NH4 +-N和大量NO3 --N形式存在，而无法检测到NO2 --N，这可能是由于极低的进水NH4 +-N浓度使得NOB活性强于AOB活性使得NH4 +-N直接被氧化至NO3 --N引起的。在C/N＝4下，NH4 +-N和TN去除率分别达到最大值99.04％和94.79％，COD去除率在C/N＝5时达到最大值97.96％。NH4 +-N和TN去除率在C/N＝5时下降可能是由于较高浓度的COD对于AnAOB的抑制所导致的。综合来说，C/N＝4是本系统处理低浓度模拟生活污水的最佳碳氮比。
(2)、各个C/N下的分时实验结果表明，本系统同步脱氮除碳反应过程包括开始时的COD好氧降解、中期的全程氨氧化-短程反硝化阶段以及后期的厌氧氨氧化反应阶段三个部分。
(3)、各阶段生物膜形貌和厌氧氨氧化活性(SAA)实验结果表明，在C/N＝4条件下，生物膜表面出现极为明显的肉眼可见红色，这可能是由于大量AnAOB富集的原因；此时，SAA也达到最大值0.094kg-N KgVSS-1d-1。反硝化菌大量繁殖与AnAOB形成竞争使得SAA在C/N＝5时迅速下降到0.032kg-N KgVSS-1d-1，进而使得出水NH4 +-N浓度在该阶段有所升高。
(4)、高通量测序结果显示，C/N＝4条件下有着最多菌群种类和最丰富的生物群落多样性。C/N对属水平菌群结构产生较大影响。对功能菌汇总分析得知，硝化菌以NOB为主，Nitrospira属和Nitrosomonas属是各阶段检测到唯一的NOB和AOB。共检测到CandidatusKuenenia、Candidatus Brocadia、Candidatus Anammoxoglobus三种AnAOB，其中Candidatus Kuenenia属是主要的AnAOB。共检测40种具有反硝化功能的菌属，反硝化菌属除C/N＝4外呈现出逐步增加的趋势，AnAOB占据主导地位(丰度达最大10.17％)会和反硝化菌竞争底物是反硝化菌属丰度在C/N＝4迅速下降的直接原因。
(5)、推测本系统生物膜内反应包括：外层的全程硝化反应，中间层的短程反硝化及硝酸盐异化还原反应，以及内层的厌氧氨氧化反应。
应当指出，对于本技术领域的一般技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和应用，这些改进和应用也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种全程硝化、短程反硝化、厌氧氨氧化单级耦合工艺控制方法，其特征在于：包括如下步骤：
（1）、建立反应系统，包括：进水池（1），蠕动泵（2），搅拌器（3），温控器（4），生物填料（5），pH/DO/ORP多参数分析仪（6），质量流量计（7），稳压泵（8），空压机（9），曝气盘（10），反应器（11）；
所述反应器（11）内底部设有曝气盘（10）和搅拌器（3），所述反应器（11）内放置生物填料（5），所述空压机（9）连接稳压泵（8），所述稳压泵（8）连接质量流量计（7），所述质量流量计（7）与曝气盘（10）连接，所述进水池（1）连接蠕动泵（2），所述蠕动泵（2）连接进水管伸入至反应器（11）内底部，所述pH/DO/ORP多参数分析仪（6）的三参数测试棒伸入反应器（11）内上部；
（2）、污泥接种与微生物培养
所用活性污泥取自污水处理厂SBR工艺曝气池中活性污泥，取回的絮状活性污泥，首先进行过滤以去除其中杂质，然后闷曝24h恢复污泥活性，最后将处理后的活性污泥与配水等比例混合加入反应器中至浸没过填料，静置12h；
待污泥接种到填料上后，曝气12小时，静置后排出上清液，加入新的配水；重复该过程3~5次，直至反应器内填料挂膜成功；
（3）、反应器启动及运行
进水中，碳源、氨氮及磷源分别由葡萄糖、NH4Cl以及KH2PO4提供，N/P比为5:1，进水氨氮为50mg/L，COD为50mg/L，pH控制在7.5；
反应器水力停留时间控制在1d，即反应器采用进水2min、连续曝气11.5h、沉淀25min、出水3min的方式运行，12个小时为一个周期，换水比为1/2；通过连续曝气方式，曝气量在20~30mL/min，反应过程内DO维持在1.5~2.0mg/L，ORP控制在+50~+100mv，启动期间保持COD为50mg/L运行，经过10~12天后氨氮去除率大于90%，反应器完成启动，进入运行期；
进水COD开始提高到100mg/L，此时COD/NH4 +-N（C/N）为2，反应器采用进水2min、连续曝气11.5h、沉淀25min、出水3min的方式运行，12个小时为一个周期，换水比为1/2，运行60~70个周期；随后C/N分别提高至3、4、5，分别运行50~60个周期，55~65个周期、25~35个周期。
2.根据权利要求1所述的一种全程硝化、短程反硝化、厌氧氨氧化单级耦合工艺控制方法，其特征在于：步骤（1）中，采用聚氨酯海绵作为生物填料，填充率为30%~60%。
3.根据权利要求2所述的一种全程硝化、短程反硝化、厌氧氨氧化单级耦合工艺控制方法，其特征在于：步骤（1）中，生物填料的填充率为50%。
4.根据权利要求3所述的一种全程硝化、短程反硝化、厌氧氨氧化单级耦合工艺控制方法，其特征在于：步骤（1）中，反应器（11）的有效容积为5L。
5.根据权利要求4所述的一种全程硝化、短程反硝化、厌氧氨氧化单级耦合工艺控制方法，其特征在于：步骤（2）中，活性污泥的MLSS为3100mg/L。
6.根据权利要求5所述的一种全程硝化、短程反硝化、厌氧氨氧化单级耦合工艺控制方法，其特征在于：步骤（2）中，使用配水为自来水。
7.根据权利要求4所述的一种全程硝化、短程反硝化、厌氧氨氧化单级耦合工艺控制方法，其特征在于：步骤（3）中，投加NaHCO3补充反应器内微生物进行生化反应所需要的碱度。
8.根据权利要求7所述的一种全程硝化、短程反硝化、厌氧氨氧化单级耦合工艺控制方法，其特征在于：步骤（3）中，进水中投加微量元素营养液微量元素促进微生物生长，每升进水中含有0.02g CuSO4、0.11g MnSO4、0.16g H3BO4、1.4g FeCl3、0.14gCoCl2·6H2O、0.13gZnSO4·7H2O、0.18g NiCl2·6H2O。
9.根据权利要求4所述的一种全程硝化、短程反硝化、厌氧氨氧化单级耦合工艺控制方法，其特征在于：步骤（3）中，当C/N=2时，运行周期内，曝气量为20~50mL/min；当C/N=3时，运行周期内，曝气量为20mL/min；当C/N=4时，运行周期内，曝气量为20~22mL/min；当C/N=5时，运行周期内，曝气量为22mL/min。
10.根据权利要求1所述的一种全程硝化、短程反硝化、厌氧氨氧化单级耦合工艺控制方法，其特征在于：恒温控制器将系统温度控制在30±1℃。
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