CN113104986A - 微藻驱动亚硝化耦合厌氧氨氧化脱氮系统及脱氮方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了微藻驱动亚硝化耦合厌氧氨氧化脱氮系统及脱氮方法，该脱氮系统包括储水器、光生物反应器、ANAMMOX反应器，储水器用于储存厌氧膜生物反应器的出水，光生物反应器的进出水口分别设置在光生物反应器的底端和顶端，ANAMMOX反应器的进出水口分别设置在ANAMMOX反应器的底端和顶端，并在光生物反应器的外侧设有光源；储水器与光生物反应器进水口通过第一管路连通，并在第一管路上设有第一水泵，光生物反应器的出水口与ANAMMOX反应器进水口通过第二管路连通，以将光生物反应器的出水引入ANAMMOX反应器内，ANAMMOX反应器出水口连接有排水管路。该脱氮系统通过微藻驱动的亚硝化耦合厌氧氨氧化反应进行脱氮，不需曝气，同时也无需额外添加有机碳源，达到经济有效的脱氮目的。

Description

微藻驱动亚硝化耦合厌氧氨氧化脱氮系统及脱氮方法

技术领域

本发明属于污水处理技术领域，特别涉及微藻驱动亚硝化耦合厌氧氨氧化脱氮系统及脱氮方法。

背景技术

厌氧膜生物反应器可高效去除废水中的COD，一般地，COD去除率>95%，而出水中的NH₄ ⁺浓度为进水的1.9倍，无NO₂ ^-、NO₃ ^-的积累；溶解氧浓度小于0.50 mg/L，pH为7~8，含有一定量的甲烷和二氧化碳。由此可见，废水经厌氧膜生物反应器处理后其C/N比低，且始终含有一定量的NH₄ ⁺，而氮素是导致水体富营养化的主要元素，除去出水中的NH₄ ⁺是本领域技术人员需要解决的关键问题。

然而，传统的硝化反硝化生物脱氮工艺是国内污水处理厂运行的主要生物脱氮工艺，其需要机械曝气，污水处理厂总的能源需求为0.3-0.78 KWh/m³，而机械曝气所需的能源占总能源需求的45-75%。并且该脱氮工艺用于C/N比较低的废水，在反硝化过程中还需添加有机碳源等作为电子供体，大大增加了运行成本。

中国专利201510970924.9、201810048400.8、202010740625.7均公开了一种利用微藻净化高氨氮废水的方法，发明内容主要涉及通过微藻的同化作用以及硝化细菌的硝化作用去除废水中的氨氮或转化为硝态氮。中国专利201810033532.3公开了一种污泥消化液微藻厌氧氨氧化耦合产能的方法，但是该方法主要采用藻类光生物反应器与同时亚硝化、厌氧氨氧化以及反硝化（SNAD）工艺联合，利用藻的光合作用同化除去30-50%的氨氮，实现了藻类产氧的自曝气脱氮除磷。与传统的SNAD工艺相比，此工艺可以节省40-50%的动力消耗。但该方法涉及的工艺复杂，且针对的是高氨氮厌氧消化液，因涉及反硝化过程，需额外加入有机碳源，不适于处理C/N比低的厌氧出水。

发明内容

针对上述现有技术存在的不足，本发明的目的就在于提供一种微藻驱动亚硝化耦合厌氧氨氧化脱氮系统及脱氮方法，该脱氮系统用于去除厌氧膜生物反应器出水中的氨氮，通过光生物反应器中微藻与好氧氨氧化细菌的共生体系，在无需机械曝气的情况下实现稳定的亚硝化，同时也无需额外添加有机碳源作为电子供体，在后续厌氧氨氧化菌的作用下有效脱除污水中的氮素。

本发明的技术方案是：

微藻驱动亚硝化耦合厌氧氨氧化脱氮系统，包括储水器、光生物反应器、ANAMMOX反应器，所述储水器用于储存厌氧膜生物反应器的出水，所述光生物反应器内共生着微藻和硝化细菌，光生物反应器的进出水口分别设置在光生物反应器的底端和顶端，ANAMMOX反应器（厌氧氨氧化反应器）的进出水口分别设置在ANAMMOX反应器的底端和顶端，并在光生物反应器的外侧设有光源，用于为光生物反应器提供光照；所述储水器与光生物反应器进水口通过第一管路连通，并在第一管路上设有第一水泵，用于将储水器内的污水泵入光生物反应器，光生物反应器的出水口与ANAMMOX反应器进水口通过第二管路连通，以将光生物反应器的出水引入ANAMMOX反应器内，ANAMMOX反应器出水口连接有排水管路，以排出经处理后的出水。

进一步地，储水器与ANAMMOX反应器进水口通过第三管路连通，并在第三管路上设有第二水泵，用于将储水器内的污水泵入ANAMMOX反应器。

进一步地，光生物反应器和ANAMMOX反应器底部均呈漏斗状，并在光生物反应器和ANAMMOX反应器内均设有填料，填料分别位于对应反应器的顶部且填充对应反应器容积的1/3。

进一步地，所述光源为LED灯带，且由红光灯带和蓝光灯带组成。

进一步地，ANAMMOX反应器的外侧设有温控单元，所述温控单元用于控制ANAMMOX反应器内温度为30-32℃。

进一步地，所述温控单元包括缠绕在ANAMMOX反应器外侧的加热线圈和控制加热线圈加热强度的温控装置。

微藻驱动亚硝化耦合厌氧氨氧化脱氮方法，厌氧膜生物反应器出水从光生物反应器底端进入光生物反应器，在光生物反应器内的部分氮素被同化去除，部分NH₄ ⁺被亚硝化为NO₂ ^-，然后出水从光生物反应器顶端溢流流出并从ANAMMOX反应器底端进入ANAMMOX反应器，在ANAMMOX反应器内发生厌氧氨氧化反应，NO₂ ^-和NH₄ ⁺转化为氮气，从而达到脱氮的目的，最后出水从ANAMMOX反应器顶端溢流排出。

进一步地，还有部分厌氧膜生物反应器出水直接从ANAMMOX反应器底端进入ANAMMOX反应器。

进一步地，ANAMMOX反应器进水中的NO₂ ^-和NH₄ ⁺的浓度比为1：1~1.5：1。

进一步地，厌氧膜生物反应器出水中NH₄ ⁺-N、NO₂ ^--N和NO₃ ^--N浓度分别为50~75 mg/L、0~0.5 mg/L、0~0.5 mg/L；光生物反应器和ANAMMOX反应器水力停留时间为10~12 h。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明采用微藻驱动亚硝化与厌氧氨氧化反应耦合脱氮，微藻不仅可以通过同化作用促进氮素转移，去除部分氮素，而且微藻在光合作用下产生氧气，为光生物反应器中的好氧氨氧化细菌提供氧气从而将部分NH₄ ⁺转化为NO₂ ^-，减少水中游离氨（FA）对微藻产生的抑制，并且氧气的消耗也能避免过饱和的氧气浓度对微藻的生长产生抑制，然后在ANAMMOX反应器内的缺氧环境下，厌氧氨氧化细菌以NO₂ ^-为电子受体与NH₄ ⁺进行厌氧氨氧化反应，从而将废水中的NH₄ ⁺、NO₂ ^-去除。这样不但可以节省机械曝气带来的能源消耗，而且不需添加有机碳源作为电子供体，节省了运行成本。

2、本发明无论是光生物反应器出水还是厌氧膜生物反应器出水，其中的溶解氧含量低，从而有利于ANAMMOX反应器中厌氧氨氧化反应的发生，进而实现自氧脱氮。

3、采用本发明所述的脱氮系统结构简单，操作方便，用于处理厌氧膜生物反应器出水，经光生物反应器后氨氮的转化率达100%，亚硝酸盐积累率达到75~100%，经ANAMMOX反应器后TN的去除率达79%，总体可长期稳定运行，且出水水质可以达到城镇污水排放标准中的一级A标准。

附图说明

图1-本发明脱氮系统的结构示意图。

图2-DO-时间曲线图。

其中：1-储水器；2-第一水泵；3-第二水泵；4-LED灯；5-光生物反应器；6-ANAMMOX反应器；10-温控装置；11-加热线圈。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

参见图1，微藻驱动亚硝化耦合厌氧氨氧化脱氮系统，包括储水器1、光生物反应器5、ANAMMOX反应器6，所述储水器1用于储存厌氧膜生物反应器的出水，所述光生物反应器内共生着藻类和硝化细菌，光生物反应器5的进出水口分别设置在光生物反应器5的底端和顶端，ANAMMOX反应器6的进出水口分别设置在ANAMMOX反应器6的底端和顶端，并在光生物反应器6的外侧设有光源，用于为光生物反应器5提供光照；所述储水器1与光生物反应器5进水口通过第一管路连通，并在第一管路上设有第一水泵2，用于将储水器1内的污水泵入光生物反应器5，光生物反应器5的出水口与ANAMMOX反应器6进水口通过第二管路连通，以将光生物反应器5的出水引入ANAMMOX反应器6内，ANAMMOX反应器6出水口连接有排水管路，以排出经处理后的出水。

光生物反应器指设计有光源系统的主体为透明材料的生物反应器，用于可进行光合作用的微藻的培养。这里的光生物反应器内除了微藻，还共生着硝化细菌，而硝化细菌包括好氧氨氧化细菌和亚硝化盐氧化细菌，而ANAMMOX反应器内生长着大量厌氧氨氧化菌。本实施例中光生物反应器和ANAMMOX反应器均采用透光材料制成，光生物反应器采用透光材料制成一是为了利用外设置的LED灯光源，进行光合作用，二是便于观察光生物反应器内部反应情况。而ANAMMOX反应器采用透光材料制成也可以采用不透光材料制成，这里采用透光材料制成是为了便于观察ANAMMOX反应器内部反应情况。

硝化作用是指在有氧的条件下，氨氮、亚硝态氮经好氧氨氧化细菌和亚硝酸盐氧化细菌的作用转化为硝态氮的过程，在好氧氨氧化细菌作用下，先将NH₄ ⁺氧化为NO₂ ^-（亚硝化阶段），然后在亚硝酸盐氧化细菌的作用下进一步氧化为NO₃ ^-（硝化阶段）。而在低溶解氧条件中好氧氨氧化细菌的活性大于亚硝酸盐氧化细菌的活性，本发明通过控制反应器中的溶解氧含量维持在较低水平，使得NH₄ ⁺氧化为NO₂ ^-，而不进一步被氧化为NO₃ ^-。

本实施例中光生物反应器采用的生物为微藻，微藻能将NH₄ ⁺、NO₂ ^-、NO₃ ^-以及NO等无机氮同化吸收，从而将进水中的部分氮素同化吸收除去，而且微藻在光合作用下产生氧气，为光生物反应器中的好氧氨氧化细菌提供氧气从而将部分NH₄ ⁺转化为NO₂ ^-，减少水中游离氨（FA）对微藻产生的抑制，并且氧气的消耗也能避免过饱和的氧气浓度对微藻的生长产生抑制，然后出水再进入ANAMMOX反应器，在缺氧环境下，厌氧氨氧化菌以NO₂ ^-为电子受体与NH₄ ⁺发生厌氧氨氧化反应，从而将污水中的NH₄ ⁺、NO₂ ^-去除。

另外，在光生物反应器中，因过饱和的氧气浓度对微藻的生长还存在抑制作用，而氧气被硝化细菌消耗，恰能适应微藻的生长。微藻生长繁殖后可以回收作为饲料或者肥料使用，实现资源化利用。

为保证具有较高的TN去除率，可以控制光生物反应器出水中的NO₂ ^-和NH₄ ⁺的浓度之比为1：1~1.5：1，接近1.32:1最好，从而使NO₂ ^-和NH₄ ⁺在ANAMMOX反应器内经厌氧氨氧化反应近乎完全去除。

具体实施时，储水器1与ANAMMOX反应器6进水口通过第三管路连通，并在第三管路上设有第二水泵3，用于将储水器1内的污水泵入ANAMMOX反应器。

当光生物反应器中的出水中的NO₂ ^-的积累量较高时，开启第二水泵，直接将储水器中的污水泵入ANAMMOX反应器对光生物反应器出水进行调节，使得NO₂ ^-和NH₄ ⁺能够在ANAMMOX反应器内经厌氧氨氧化反应近乎完全去除，从而达到脱氮目的。

本实施例中采用的第一水泵和第二水泵均为蠕动泵。

具体实施时，光生物反应器5和ANAMMOX反应器6底部均呈漏斗状，并在光生物反应器5和ANAMMOX反应器6内均设有填料7，填料分别位于对应反应器的顶部且填充对应反应器容积的1/3。

将光生物反应器5和ANAMMOX反应器6的底部设置成漏斗状，便于进水能均匀分布在反应器内，达到均匀布水的效果。同时，光生物反应器和ANAMMOX反应器中设置填料7，用于截流反应器中的微生物，避免微生物随出水流出。并且设置填料后，微生物能在填料上进行附着，从而形成生物膜，提高对厌氧膜生物反应器出水的处理效果，只有当生物膜过厚时再对填料进行清理。本实施例采用的填料为流化床填料，直接漂浮在反应器上部。

光生物反应器底部为微藻区域8；ANAMMOX反应器底部为厌氧氨氧化菌区域9。

具体实施时，采用的光源为LED灯带，且由红光LED灯带和蓝光LED灯带组成。

众多人造光源中，LED灯的优势明显，具有较大的开发潜力。微藻通过其细胞中的捕光色素蛋白复合体捕获光能，主要吸收400~700nm的光，蓝光波长范围为420~550nm，红光波长范围为620~750nm，蓝光和红光有利于大多数微藻的生物质积累，并且集成光谱要比单色光谱的增产效果更好。

具体实施时，ANAMMOX反应器6的外侧设有温控单元，所述温控单元用于控制ANAMMOX反应器内温度为30-32℃。

适宜厌氧氨氧化菌生长的温度为30~32℃，这里设置温控单元后能为ANAMMOX反应器实时加热，从而保证反应器内的厌氧氨氧化菌能大量生长繁殖，并保持良好的活性，进而能提高对NH₄ ⁺和NO₂ ^-的去除效果。

具体实施时，所述温控单元包括缠绕在ANAMMOX反应器6外侧的加热线圈11和控制加热线圈11加热强度的温控装置10。

这是其中的一种具体实施方式，也可以在ANAMMOX反应器外侧设置水浴池水浴加热，从而实现对ANAMMOX反应器加热的目的。

采用上述亚硝化-厌氧氨氧化耦合脱氮系统对厌氧膜反应器出水进行脱氮的方法如下：

先对微藻进行驯化，其过程为：以厌氧膜生物反应器出水为营养液，将微藻接种于厌氧瓶中，持续光照培养一段时间后，获得大量微藻母液；然后将微藻母液接种到光生物反应器中，持续光照；然后开启第一水泵，储水器内的污水连续进入光生物反应器中，如果光生物反应器出水中NO₂ ^-和NH₄ ⁺的浓度比为1：1~1.5：1，接近1.32:1，符合后续ANAMMOX反应器的进水要求，则此时第二水泵不开启，出水进入ANAMMOX反应器内发生厌氧氨氧化反应进行脱氮，脱氮后的出水连续排出；如果光生物反应器出水中NO₂ ^-浓度远大于NH₄ ⁺浓度，则临时开启第二水泵，直接将厌氧膜反应器出水通入ANAMMOX反应器与光生物反应器出水混合，以调节ANAMMOX反应器内NH₄ ⁺和NO₂ ^-浓度比，使得NH₄ ⁺和NO₂ ^-在ANAMMOX反应器内发生厌氧氨氧化反应实现自养脱氮；如果光生物反应器出水中NO₂ ^-浓度远小于NH₄ ⁺浓度，说明光生物反应器中的NO₂ ^-积累量不足，需调整光照强度、水力停留时间等条件。

在脱氮过程中，通过耗氧速率评价光生物反应器中硝化细菌的活性，具体步骤如下：从光生物反应器中取适当体积的混合液，经普通定性滤纸过滤，用纯水清洗下滤纸表面截留的生物质并稀释至250 mL蓝盖瓶中。完全避光，控制pH为7.5左右，温度保持在20℃。连接微孔曝气装置和溶解氧仪，设置DO阈值为2-5 mg/L，间隔一定时间采集DO数据，其DO-时间曲线如图2所示。

第1阶段，微生物处于内源呼吸状态，测定耗氧速率OUR₁；第2阶段，加入NaNO₂控制初始浓度为10 mg NO₂ ^--N/L，测定耗氧速率OUR₂；第3阶段，加入NH₄Cl控制初始浓度为30 mgNH₄ ⁺-N/L，测定耗氧速率OUR₃。

内源呼吸速率=OUR₁

亚硝化菌氧化速率=OUR₂-OUR₁

氨氧化菌氧化速率=OUR₃-OUR₂

图2中直线下降的斜率即为耗氧速率，由图2可知氨氧化菌氧化速率远远大于亚硝化菌氧化速率，两者远远大于内源呼吸速率，经实验证明光生物反应器是微藻与硝化细菌的共生系统。

经实验证明，采用上述脱氮系统处理厌氧膜生物反应器出水，连续进水、连续出水运行一个月，水力停留时间为10~12h，经光生物反应器后氨氮的转化率达100%，亚硝酸盐积累率达到75~100%，经ANAMMOX反应器后TN的去除率达79%，出水水质可以达到城镇污水排放标准中的一级A标准。

最后需要说明的是，本发明的上述实施例仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (10)

1.微藻驱动亚硝化耦合厌氧氨氧化脱氮系统，其特征在于，包括储水器、光生物反应器、ANAMMOX反应器，所述储水器用于储存厌氧膜生物反应器的出水，所述光生物反应器内共生着微藻和硝化细菌，光生物反应器的进出水口分别设置在光生物反应器的底端和顶端，ANAMMOX反应器的进出水口分别设置在ANAMMOX反应器的底端和顶端，并在光生物反应器的外侧设有光源，用于为光生物反应器提供光照；所述储水器与光生物反应器进水口通过第一管路连通，并在第一管路上设有第一水泵，用于将储水器内的污水泵入光生物反应器，光生物反应器的出水口与ANAMMOX反应器进水口通过第二管路连通，以将光生物反应器的出水引入ANAMMOX反应器内，ANAMMOX反应器出水口连接有排水管路，以排出经处理后的出水。

2.根据权利要1所述的微藻驱动亚硝化耦合厌氧氨氧化脱氮系统，其特征在于，储水器与ANAMMOX反应器进水口通过第三管路连通，并在第三管路上设有第二水泵，用于将储水器内的污水泵入ANAMMOX反应器。

3.根据权利要1所述的微藻驱动亚硝化耦合厌氧氨氧化脱氮系统，其特征在于，光生物反应器和ANAMMOX反应器底部均呈漏斗状，并在光生物反应器和ANAMMOX反应器内均设有填料，填料分别位于对应反应器的顶部且填充对应反应器容积的1/3。

4.根据权利要1所述的微藻驱动亚硝化耦合厌氧氨氧化脱氮系统，其特征在于，所述光源为LED灯带，且由红光灯带和蓝光灯带组成。

5.根据权利要1所述的微藻驱动亚硝化耦合厌氧氨氧化脱氮系统，其特征在于，ANAMMOX反应器的外侧设有温控单元，所述温控单元用于控制ANAMMOX反应器内温度为30-32℃。

6.根据权利要5所述的微藻驱动亚硝化耦合厌氧氨氧化脱氮系统，其特征在于，所述温控单元包括缠绕在ANAMMOX反应器外侧的加热线圈和控制加热线圈加热强度的温控装置。

7.微藻驱动亚硝化耦合厌氧氨氧化脱氮方法，其特征在于，厌氧膜生物反应器出水从光生物反应器底端进入光生物反应器，在光生物反应器内的部分氮素被同化去除，部分NH₄ ⁺被亚硝化为NO₂ ^-，然后出水从光生物反应器顶端溢流流出并从ANAMMOX反应器底端进入ANAMMOX反应器，在ANAMMOX反应器内发生厌氧氨氧化反应，NO₂ ^-和NH₄ ⁺转化为氮气，从而达到脱氮的目的，最后出水从ANAMMOX反应器顶端溢流排出。

8.根据权利要求7所述的微藻驱动亚硝化耦合厌氧氨氧化脱氮方法，其特征在于，还有部分厌氧膜生物反应器出水直接从ANAMMOX反应器底端进入ANAMMOX反应器。

9.根据权利要求7或8所述的微藻驱动亚硝化耦合厌氧氨氧化脱氮方法，其特征在于，ANAMMOX反应器进水中的NO₂ ^-和NH₄ ⁺的浓度比为1：1~1.5：1。

10.根据权利要求7所述的微藻驱动亚硝化耦合厌氧氨氧化脱氮方法，其特征在于，厌氧膜生物反应器出水中NH₄ ⁺-N、NO₂ ^--N和NO₃ ^--N浓度分别为50~75 mg/L、0~0.5 mg/L、0~0.5mg/L；光生物反应器和ANAMMOX反应器水力停留时间为10~12 h。