CN113860493A - 一种促进低温下厌氧氨氧化工艺启动过程的方法 - Google Patents

一种促进低温下厌氧氨氧化工艺启动过程的方法 Download PDF

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一种促进低温下厌氧氨氧化工艺启动过程的方法，属于污水处理领域。主要创新点在于利用间歇冷冲击方式强化了ANAMMOX污泥释放AHLs信号的能力，经过间歇式冷冲击强化后的ANAMMOX污泥可释放更多类型及更高浓度的AHLs信号，而多种AHLs可同时促进低温下接种污泥的活性、凝聚性能及沉降性能等，从而显著加快ANAMMOX工艺在低温条件下的启动周期。利用本发明，在13～22℃低温条件下在32～45天内即可成功启动ANAMMOX工艺，达到了在低温条件下快速启动ANAMMOX工艺的目的。

Description

一种促进低温下厌氧氨氧化工艺启动过程的方法
技术领域
本发明属于污水处理领域，尤其涉及促进低温下厌氧氨氧化工艺启动过程的方法。
背景技术
作为一种高效节能的新型生物脱氮工艺，厌氧氨氧化(ANAMMOX)工艺技术具有广阔的发展前景。然而限制ANAMMOX工艺应用的主要问题为ANAMMOX菌倍增时间长，导致ANAMMOX工艺启动时间长，实现在低温条件下的启动则是十分困难。当前，关于ANAMMOX工艺快速启动的报道主要集中于适宜温度下，在低于适宜温度的条件下启动ANAMMOX工艺一直是一个难点问题，相关研究并不多见。目前仍然缺乏低温下ANAMMOX工艺快速启动策略的研究。近年来，由酰基高丝氨酸内酯类信号(AHLs)介导的群体感应(AHLs-QS)在调控ANAMMOX生物膜形成、污泥颗粒化及生物代谢活性中发挥的重要作用正在被逐渐揭示。但是低温下ANAMMOX工艺启动过程中AHLs-QS的调控作用依然有待探索。此外，由于外源纯化的AHLs成本高昂，不适用于实际工程的运行调控，仅限于实验室规模的批次或短期实验研究，如何利用微生物内源释放的AHLs加速低温下厌氧氨氧化工艺的启动具有重要研究意义。本发明通过对ANAMMOX污泥进行冷冲击强化处理，使ANAMMOX污泥内对低温适应性更强的ANAMMOX菌属丰度明显提高，同时颗粒内AHLs的浓度也大幅提高，因此，本发明通过向ANAMMOX反应器中添加冷冲击ANAMMOX污泥有效促进了低温条件下ANAMMOX工艺的启动过程。本发明有助于加速ANAMMOX工艺在低温下的启动，突破由于地域性和季节性温度变化导致的低温环境对于ANAMMOX工艺应用的限制，促进ANAMMOX工艺及其衍生工艺的实际应用(尤其是在我国北方或秋冬季节等低温条件下)。
发明内容
针对低温条件下ANAMMOX微生物代谢活性受到显著抑制、倍增时间更长而导致的ANAMMOX工艺在低温下难以成功启动或启动周期较长的的问题，提供一种利用冷冲击方式强化的ANAMMOX污泥促进ANAMMOX工艺在低温条件下启动过程及脱氮性能的方法和装置。主要创新点在于利用间歇冷冲击方式强化了ANAMMOX污泥释放AHLs信号的能力，经过间歇式冷冲击强化后的ANAMMOX污泥可释放更多类型及更高浓度的AHLs信号，而多种AHLs可同时促进低温下接种污泥的活性、凝聚性能及沉降性能等，从而显著加快ANAMMOX工艺在低温条件下的启动周期。利用本发明，在13～22℃低温条件下在32～45天内即可成功启动ANAMMOX工艺，达到了在低温条件下快速启动ANAMMOX工艺的目的。本发明技术还能提高ANAMMOX工艺低温启动过程中的脱氮性能。此外，本发明实施步骤简单，可操作性强，并且效果优良的同时具有较高的经济性。
为了达到上述目的，本发明通过如下技术方案来实现，具体包括以下步骤：
(1)ANAMMOX污泥的冷冲击过程：取适量ANAMMOX污泥(污泥密度不低于0.95g/L)至反应器中，采用间歇式低温冲击(24h)方式对ANAMMOX污泥进行短期冷冲击：污泥培养周期为18d，分别在第4d、第8d、第12d和第16d开始进行持续时间为24h的间歇低温冷冲击，每次间歇低温冲击的24h进水温度为8～13℃，使用低温槽降低进水温度，其余时间进水温度为26～32℃，进行18d培养期结束后即可获得冷冲击ANAMMOX污泥；
该过程中反应器进水为连续进水和连续出水的形式，进水为人工配水，进水中主要营养物质氨氮(NH4 +-N)、亚硝酸盐氮(NO2 --N)浓度分别均在102-138mg/L，分别由氯化铵(NH4Cl)和亚硝酸钠(NaNO2)提供。
(2)低温条件下ANAMMOX工艺的启动过程：
向反应器内同时接种步骤(1)得到的冷冲击ANAMMOX污泥和普通活性污泥或反硝化污泥，两者之比不低于1:150；
反应器在如下温度条件下运行如下三阶段，通过低温槽调节反应器各阶段运行温度，阶段I：20±2℃，运行12～35d；阶段II：16±3℃，运行13～25d；阶段III：12±3℃，运行7～15d；进一步优选采用三阶段温度递度降低的方式使接种污泥逐步适应低温环境。
ANAMMOX工艺启动过程中反应器进水为人工配水，添加适宜浓度的NH4Cl和NaNO2，使进水中NO2 --N和NH4 +-N的浓度在阶段I均保持在150～180mg/L之间；在阶段II进水中NO2 --N和NH4 +-N的浓度均保持在120～140mg/L之间；在阶段III进水中NO2 --N和NH4 +-N的浓度均保持在之间80～110mg/L；同时每阶段反应器进水中还含有KH2PO4 15～22mg/L，MgSO4·7H2O123～135mg/L，CaCl2·2H2O 60～72mg/L及NaHCO3 0.76～0.85g/L；反应器进水pH不加控制，实测值在7.3～8.2左右。该过程中反应器进水为连续进水和连续出水的形式，同时利用N2冲刷方式排出进水及反应器内溶解氧DO，使反应器维持缺氧条件。
上述优选步骤(1)和(2)进水中NH4 +-N和NO2-N的浓度比为1:(1-1.3)；
本发明中添加了冷冲击ANAMMOX污泥的ANAMMOX工艺在阶段III即可成功启动，并且总氮去除率可达到80％以上。
本发明ANAMMOX污泥：来源及形态不限，污泥密度不低于0.95g/L；步骤(1)得到冷冲击ANAMMOX絮状污泥或冷冲击ANAMMOX颗粒状污泥；
接种污泥：接种活性污泥取自污水处理厂曝气池，接种反硝化污泥取自污水处理厂二沉池。
本发明和现有技术相比，具有如下优点和效果：
(1)能够在低温条件下(13～22℃)实现ANAMMOX工艺的快速启动，同时在低温下启动成功后的ANAMMOX工艺的总氮去除率可达80％以上；
(2)只需在接种时向反应器内投加少量的冷冲击ANAMMOX污泥，利用冷冲击后ANAMMOX污泥释放的多种高浓度AHLs信号调节接种污泥内功能微生物的生理行为，该发明技术适用于不同的ANAMMOX装置，效果好，适用性强；
(3)该方法效果稳定，不会对环境产生二次污染，
(4)相比添加外源纯化的AHLs信号，本发明极大地降低了技术成本，并且具有较好的持续性；
(5)实施步骤比较简单，易于操作，适于推广应用。
本发明的作用原理：群体感应(quorum sensing,QS)作为微生物间广泛存在的通讯机制，在微生物生理行为的调控作用中扮演着重要角色。群体感应是指微生物拥有合成某种或多种信号分子物质的潜力或能力，并分泌该信号物质至周围环境中，该信号物质能够在细胞间进行自由扩散，随着细菌密度的增大，累积的信号分子浓度越来越高，达到一定阈值后信号分子会通过细胞膜进入微生物的细胞内部，与受体蛋白结合，并诱导相关基因的表达，从而调控菌群的生理行为，菌群最终表现出单个细菌无法实现的生理功能和调节机制，如污泥颗粒化和生物膜形成等。本发明即是通过间歇式冷冲击强化方式促进了接种污泥内多种群体感应信号AHLs的释放，如，C4-HSL、C6-HSL和C8-HSL信号的释放，从而调控了低温下接种污泥的EPS分泌量及其化学组成，增强了接种污泥在低温下的聚集能力，从而整体提高了接种污泥对低温的抵抗能力。同时，冷冲击ANAMMOX污泥释放的AHLs可同时促进低温下接种污泥内典型ANAMMOX菌属的增长及其活性表达，因此，通过本发明技术可成功实现低温下ANAMMOX工艺的快速启动。
附图说明
图1添加不同形态的冷冲击ANAMMOX污泥时ANAMMOX工艺启动周期和脱氮性能的比较：(a)是各组反应器的启动周期；(b)是各组反应器的脱氮性能；
图2是投加不同比例的冷冲击ANAMMOX污泥与接种活性污泥时ANAMMOX工艺启动周期和脱氮性能的比较：(a)是各组反应器的启动周期；(b)是各组反应器的脱氮性能；
图3是使用不同类型接种污泥时各组ANAMMOX反应器启动周期和脱氮性能的比较：(a)是各组反应器的启动周期；(b)是各组反应器的脱氮性能。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明的内容做进一步详细说明，但本发明的实施方式不限于此。由于低温下快速启动ANAMMOX工艺一直是一个难点问题，相关研究并不多见。本发明通过冷冲击方式强化ANAMMOX污泥释放更多类型及更高浓度的AHLs信号，利用这些高浓度AHLs信号强化了低温下ANAMMOX工艺启动过程中接种污泥的凝聚性能并促进了ANAMMOX菌的生长及活性表达，达到了快速启动低温下ANAMMOX工艺的目的。
以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。下面结合实施例对本发明做进一步详细说明。
实施例1：添加不同形态的冷冲击ANAMMOX污泥对低温下ANAMMOX工艺启动周期和脱氮性能的影响
设置4组统一的上向流污泥床(UASB)反应器(有效容积5L)，其中F2至F4组反应器内同时接种的冷冲击ANAMMOX污泥和活性污泥的体积分别为10mL和1L(两者之比为1:100)；F1组反应器仅接种活性污泥1010mL，保证四组反应器中接种的污泥总体积一致；其中为未添加冷冲击ANAMMOX污泥组(F1)，冷冲击ANAMMOX污泥为冷冲击ANAMMOX絮状污泥组(F2)、冷冲击ANAMMOX污泥为冷冲击ANAMMOX颗粒污泥组(F3)、冷冲击ANAMMOX污泥为冷冲击ANAMMOX絮状和颗粒混合污泥组(F4)，F4组中冷冲击ANAMMOX絮状污泥和冷冲击ANAMMOX颗粒污泥的体积比为1:1。
ANAMMOX污泥的冷冲击过程：取20mL ANAMMOX絮状或颗粒污泥(污泥密度为1.02g/L左右)至UASB反应器中，采用间歇式低温冲击(24h)方式对ANAMMOX污泥进行短期冷冲击：污泥培养周期为18d，分别在第4d、第8d、第12d和第16d开始进行持续时间为24h的间歇低温冷冲击，每次间歇低温冲击的24h进水温度为8～13℃，使用低温槽降低进水温度，其余时间进水温度为26～32℃，进行18d培养期结束后即可获得冷冲击ANAMMOX污泥；
该过程中反应器进水为连续进水和连续出水的形式，进水为人工配水，进水中主要营养物质氨氮(NH4 +-N)、亚硝酸盐氮(NO2 --N)浓度分别均在110mg/L左右，分别由氯化铵(NH4Cl)和亚硝酸钠(NaNO2)提供。
采用递度降低的方式使接种污泥逐步适应低温环境。反应器在如下温度条件下运行：通过低温槽调节反应器各运行阶段进水温度为阶段I(20±2℃，运行15d)，阶段II(16±3℃，运行15d)，阶段III(12±3℃，运行45d)；
各反应器进水为人工配水，通过添加NH4Cl和NaNO2使进水中NO2 --N和NH4 +-N的浓度在阶段I分别均保持在170mg/L；在阶段II进水中NO2 --N和NH4 +-N的浓度均保持在130mg/L；在阶段III进水中NO2 --N和NH4 +-N的浓度均保持在90mg/L。反应器进水中还含有KH2PO4(22mg/L)，MgSO4·7H2O(135mg/L)，CaCl2·2H2O(72mg/L)及NaHCO3(0.85g/L)。反应器进水pH不加控制，实测值在7.3～8.2。利用N2冲刷方式排出进水及反应器内溶解氧DO，使反应器维持缺氧条件(DO低于0.4mg/L)，各组反应器的HRT为5h。ANAMMOX污泥的冷冲击过程见技术方案的第(一)部分。比较各组反应器的启动周期和脱氮性能的差异，考察冷冲击ANAMMOX污泥形态对低温下ANAMMOX工艺启动过程的影响。
实施例2：投加不同体积比的冷冲击ANAMMOX污泥与接种污泥对ANAMMOX工艺启动周期和脱氮性能的影响
采用实施例1中的ANAMMOX颗粒污泥进行冷冲击，ANAMMOX颗粒的冷冲击过程同实施例1。低温运行实验中接种污泥和反应器类型与实施例1一致，设置4组反应器，分别为P1(冷冲击ANAMMOX颗粒与接种污泥的体积比为1：200)、P2(冷冲击ANAMMOX颗粒与接种污泥的体积比为1：150)、P3(冷冲击ANAMMOX颗粒与接种污泥的体积比为1：100)和P4(冷冲击ANAMMOX颗粒与接种污泥的体积比为1：50)。其中P1至P4组反应器内接种的冷冲击ANAMMOX颗粒和活性污泥的总体积一致(均为1010mL)。反应器运行温度设置、进水成分及pH、反应器内DO及HRT等与实施例1一致。比较各组反应器的启动周期和脱氮性能的差异，考察冷冲击ANAMMOX污泥与接种污泥体积比对低温下ANAMMOX工艺启动过程的影响。
实施例3：接种污泥类型对低温下基于冷冲击ANAMMOX污泥强化的ANAMMOX工艺启动周期和脱氮性能的影响
S1组接种污泥为活性污泥，S2组接种污泥为反硝化污泥。两组中反应器、冷冲击ANAMMOX颗粒及反应器内初始污泥总体积均与实施例2一致。冷冲击ANAMMOX颗粒与接种污泥的体积比为1：100，反应器运行温度设置、进水成分及pH、反应器内DO及HRT等与实施例1一致。比较各组反应器的启动周期和脱氮性能的差异，考察不同接种污泥类型对低温下基于冷冲击ANAMMOX污泥强化的ANAMMOX工艺启动过程的影响。
测试及分析方法：
氨氮测定采用纳氏试剂分光光度法，亚硝氮测定采用N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法，硝氮测定采用麝香草酚分光光度法，总氮测定使用总氮测定仪(Shimadzu，Japan)。DO、pH和温度使用WTW/Multi3420测定仪测定。污泥密度测定方法：使用蔗糖或乙醇配成一系列不同密度的溶液，分别装入各50mL量筒内，最后将污泥颗粒样品添加到每个量筒内，在静置条件下颗粒污泥随着溶液密度的不同上浮或下沉。
结果与分析：
1.实施例1：
如附图1所示，未添加冷冲击ANAMMOX污泥的反应器F1在三个阶段的运行期间并未实现ANAMMOX工艺的成功启动，而F2-F4均在系统运行的第三个阶段成功启动了ANAMMOX工艺，说明添加冷冲击ANAMMOX絮状污泥、添加冷冲击ANAMMOX颗粒污泥或添加冷冲击ANAMMOX絮状和颗粒混合污泥均有助于促进低温下ANAMMOX工艺的启动过程。其中添加冷冲击ANAMMOX颗粒污泥的F3反应器启动最快，启动周期只有42d，同时启动后监测到的总氮去除率(第42天至75天平均总氮去除率)高达93％。添加冷冲击ANAMMOX絮状污泥的F2反应器启动时间相对最长，启动周期为63d，F2启动后监测到的总氮去除率(第63天至75天平均总氮去除率)为77％。添加冷冲击ANAMMOX混合污泥的F4反应器启动时间介于F2和F3之间，启动周期为50d，F4启动后监测到的总氮去除率(第50天至75天平均总氮去除率)为82％。这说明添加冷冲击ANAMMOX颗粒污泥对低温下ANAMMOX工艺启动过程的促进作用最显著。
2.实施例2
如附图2所示，冷冲击ANAMMOX污泥与接种污泥体积比较低的P1反应器(1：200)在三个阶段的运行期间并未实现ANAMMOX工艺的成功启动；冷冲击ANAMMOX污泥与接种污泥体积比为1：150的P2组启动周期为73d，启动后的总氮去除率为70％。冷冲击ANAMMOX污泥与接种污泥体积比为1：100的P3和冷冲击ANAMMOX污泥与接种污泥体积比为1：50的P4组启动周期最短，且两者启动周期相差不大(分别为44d和43d)，启动后的总氮去除率(44～75d的平均总氮去除率)稳定在90％左右，表明冷冲击ANAMMOX颗粒污泥与接种污泥的体积比在1:100及以上时对低温下ANAMMOX工艺启动过程的促进效果最好，考虑成本问题，认为冷冲击ANAMMOX颗粒污泥与接种污泥的最佳体积比为1:100。
3.实施例3
附图3表明以活性污泥或反硝化污泥作为接种污泥时，应用本发明技术，添加冷冲击ANAMMOX颗粒均可实现低温下ANAMMOX工艺的快速启动，S1和S2两者的启动周期均在44～46d，启动后的平均总氮去除率也均高达92％～94％，说明本发明技术可促进多种接种污泥下的低温ANAMMOX工艺的启动过程。

Claims (5)

1.一种促进低温下厌氧氨氧化工艺启动过程的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)ANAMMOX污泥的冷冲击过程：取适量ANAMMOX污泥至反应器中，污泥密度不低于0.95g/L，采用间歇式低温冲击方式对ANAMMOX污泥进行短期冷冲击：污泥培养周期为18d，分别在第4d、第8d、第12d和第16d开始进行持续时间为24h的间歇低温冷冲击，每次间歇低温冲击的24h进水温度为8～13℃，使用低温槽降低进水温度，其余时间进水温度为26～32℃，进行18d培养期结束后即可获得冷冲击ANAMMOX污泥；
该过程中反应器进水为连续进水和连续出水的形式，进水为人工配水，进水中主要营养物质氨氮(NH4 +-N)、亚硝酸盐氮(NO2 --N)浓度分别均在102-138mg/L，分别由氯化铵(NH4Cl)和亚硝酸钠(NaNO2)提供；
(2)低温条件下ANAMMOX工艺的启动过程：
向反应器内同时接种步骤(1)得到的冷冲击ANAMMOX污泥和普通活性污泥或反硝化污泥，两者之比不低于1:150；
反应器在如下温度条件下运行如下三阶段，通过低温槽调节反应器各阶段运行温度，阶段I：20±2℃，运行12～35d；阶段II：16±3℃，运行13～25d；阶段III：12±3℃，运行7～15d；
ANAMMOX工艺启动过程中反应器进水为人工配水，添加适宜浓度的NH4Cl和NaNO2，使进水中NO2 --N和NH4 +-N的浓度在阶段I分别保持在150～180mg/L之间；在阶段II进水中NO2 --N和NH4 +-N的浓度分别保持在120～140mg/L之间；在阶段III进水中NO2 --N和NH4 +-N的浓度分别保持在80～110mg/L之间；同时每阶段反应器进水中还含有KH2PO4 15～22mg/L，MgSO4·7H2O 123～135mg/L，CaCl2·2H2O 60～72mg/L及NaHCO3 0.76～0.85g/L；反应器进水pH不加控制，实测值在7.3～8.2，该过程中反应器进水为连续进水和连续出水的形式，同时利用N2冲刷方式排出进水及反应器内溶解氧DO，使反应器维持缺氧条件；
步骤(1)和(2)进水中NH4 +-N和NO2-N的浓度比为1:(1-1.3)。
2.按照权利要求1所述一种促进低温下厌氧氨氧化工艺启动过程的方法，其特征在于，采用三阶段温度递度降低的方式使接种污泥逐步适应低温环境。
3.按照权利要求1所述一种促进低温下厌氧氨氧化工艺启动过程的方法，其特征在于，添加了冷冲击ANAMMOX污泥的ANAMMOX工艺在阶段III即可成功启动，并且总氮去除率可达到80％以上。
4.按照权利要求1所述一种促进低温下厌氧氨氧化工艺启动过程的方法，其特征在于，步骤(1)得到冷冲击ANAMMOX絮状污泥或冷冲击ANAMMOX颗粒状污泥。
5.按照权利要求1所述一种促进低温下厌氧氨氧化工艺启动过程的方法，其特征在于，步骤(2)接种活性污泥取自污水处理厂曝气池，接种反硝化污泥取自污水处理厂二沉池。
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