CN114262055B - 一种主流条件下厌氧氨氧化生物膜培养方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的一种主流条件下厌氧氨氧化生物膜培养方法，属于生活污水生物处理技术领域。本发明在主流条件下，先培养挂膜速度快的好氧异养生物膜，通过改变环境使好氧异养生物膜驯化为缺氧异养生物膜，进一步培养出缺氧自养的厌氧氨氧化生物膜。本发明的培养方法总共耗时约206天，大大加快了厌氧氨氧化生物膜的培养速度，缩短了反应器的启动时间；本发明在启动时仅需一次性接种少量厌氧氨氧化污泥，厌氧氨氧化接种污泥稀缺和昂贵，因此能大大降低运行成本；本发明处理的污水是污水处理厂的初沉池出水或二沉池出水，外加少量氨氮和亚硝氮，并非实验室条件下配置的生活污水，也无需投加其他化学药剂，操作维护简单，易于工程应用和推广。
Description
技术领域
本发明属于生活污水生物处理技术领域，具体涉及一种主流条件下厌氧氨氧化生物膜培养方法。
背景技术
厌氧氨氧化指在无分子氧的条件下，厌氧氨氧化菌以无机碳为碳源，以亚硝氮为电子受体，氨氮为电子供体，利用亚硝氮将氨氮直接氧化为氮气的反应过程。在处理污水中的氨氮时，厌氧氨氧化过程通常与短程硝化过程相耦合，由短程硝化过程将部分氨氮氧化为亚硝氮，使厌氧氨氧化发生作用，形成短程硝化/厌氧氨氧化(PN/A)工艺。相对于传统硝化/反硝化的脱氮工艺，PN/A工艺可以节约60％的需氧量、100％的碳源，减少80％的污泥产量，从而降低90％的运行费用。目前主要用于制革废水、半导体废水、土豆加工废水和厌氧消化上清液等高氨氮浓度高温污水的脱氮处理。厌氧氨氧化菌属是化能自养菌，生长缓慢，对环境要求严格，世界上第一座工业级厌氧氨氧化反应器启动耗时长达3.5年，因此启动时间长、挂膜慢，且操作方法复杂，也成为制约厌氧氨氧化工艺应用推广的主要因素之一。
PN/A工艺在上述高氨氮浓度污水中的广泛应用使得越来越的科学家将目光转向处理量大的生活污水的处理中。PN/A工艺在生活污水中的应用，称为主流厌氧氨氧化工艺。Kartal等人[1]2010年在Science上发表论点，认为用主流厌氧氨氧化工艺的应用可能会实现污水厂能量正产。可以说，主流厌氧氨氧化工艺是实现污水处理厂碳中和/能量中和的重要途径。
但相对于高氨氮浓度高温污水，生活污水具有氨氮浓度低、温度较低、有机物浓度高等特点，不利于厌氧氨氧化菌的生长。氨氮浓度较低时，厌氧氨氧化菌生长缓慢，难以富集浓缩和持留，亚硝化难以调控，与厌氧氨氧化菌竞争亚硝氮；温度较低时，尤其是温度逐步降低至15℃以下时，厌氧氨氧化活性明显降低；生活污水中较高的有机物浓度则会引起异养菌的大量繁殖和生长，与厌氧氨氧化菌竞争生存空间。因此，主流厌氧氨氧化工艺处理生活污水时，出水氨氮浓度难以达标。城市污水厂水处理量较大也会造成厌氧氨氧化菌的损失，所以加大了主流厌氧氨氧化工艺在生活污水处理中的应用难度。
发明内容
为了解决主流条件下厌氧氨氧化生物膜不易挂膜，启动时间长、操作方法复杂等问题，本发明提供了一种主流条件下厌氧氨氧化生物膜培养方法，该方法具有厌氧氨氧化菌易挂膜、启动周期较短、操作维护简单等优点。
为实现上述目的，本发明提供技术方案如下：
一种主流条件下厌氧氨氧化生物膜培养方法，包括以下步骤：
第一步：快速排泥和充分曝气法培养好氧异养生物膜：在反应器中加入悬浮填料，悬浮填料的填充率为30％，将生活污水厂的初沉污水作为进水引入反应器，接种普通活性污泥，充分曝气使DO>2mg/L，再与反应器中填料搅拌混合24小时后，排空全部悬浮污泥，接着运行6天，当生物膜厚度＞100μm，填料表面呈现棕黄色时，表明异养生物膜培养成功；
第二步：缺氧异养生物膜缺氧驯化：好氧异养生物膜形成后，通过逐渐缩短运行周期中曝气时长、延长缺氧搅拌时长，使生物膜适应缺氧环境，使好氧异养生物膜转化为缺氧异养生物膜；
第三步：培养厌氧氨氧化生物膜：第二步完成后，反应器中进水由含有机物的初沉池污水更换为二沉池出水，在反应器中一次性接种厌氧氨氧化污泥，添加生长所需基质，通过调节进水流量调整反应器内氮负荷以适应厌氧氨氧化菌的生长速度，当厌氧氨氧化生物膜变厚、填料呈现浅红色生物膜、氨氮和亚硝氮去除率>90％时，表示挂膜成功。
所述的填料为K1、K3或K5型填料，材质为聚乙烯或聚丙烯，形状为圆柱体。
所述普通活性污泥浓度>3g/L。
所述基质为氨氮和亚硝氮，投加量为10-15mg/L。
培养好氧异养生物膜阶段，排空全部悬浮污泥时无需沉淀。
所述厌氧氨氧化污泥为悬浮态的厌氧氨氧化污泥，一次性接种的污泥量≥0.3g/L。
反应器运行温度为中低温，为12-22℃。
本发明的一种主流条件下厌氧氨氧化生物膜培养方法与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：
1、本发明在低氨氮浓度(约10-30mg/L)、中低温(约12-22℃)的主流条件下采用先培养好氧异养生物膜，通过改变环境逐渐驯化成厌氧氨氧化生物膜，总共耗时约206天，大大加快了厌氧氨氧化生物膜的培养速度，缩短了厌氧氨氧化反应器的启动时间；
2、本发明在启动时仅需一次性接种少量厌氧氨氧化污泥，厌氧氨氧化接种污泥稀缺和昂贵，因此本发明能大大降低运行成本；
3、本发明处理的污水是污水处理厂的初沉池出水或二沉池出水，外加少量氨氮和亚硝氮，并非实验室条件下配置的生活污水，也无需投加其他化学药剂，操作维护简单，易于工程应用和推广，可大大降低厌氧氨氧化生物膜培养运行成本。
附图说明
图1为本发明实施例的反应器和填料示意图；
图2为本发明反应器脱氮量和氮去除负荷的变化图；
图3为本发明厌氧氨氧化生物膜变化系列图。
具体实施方式
本发明提供了一种主流条件下厌氧氨氧化生物膜培养方法，下面结合附图和具体实施方式对本发明的具体技术方法进行详细、完整的描述说明，所描述的具体实施方式仅是本发明的部分事例，而不是全部实例。本领域技术人员没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实例，都属于本发明的保护范围。
由于生物膜的挂膜的速度中：好氧>缺氧/厌氧，异养>自养，好氧异养生物膜>缺氧/厌氧异养生物膜>缺氧/厌氧自养生物膜，而本发明的目标厌氧氨氧化生物膜即为挂膜速度慢、培养耗时长的缺氧自养生物膜。为加快厌氧氨氧化生物膜的培养，本发明的大体思路是培养挂膜速度快的好氧异养生物膜，通过改变氧的条件使好氧异养生物膜转化为缺氧异养生物膜，在此基础上，进一步培养缺氧自养生物膜。总共耗时约206天，大大缩短了主流条件下厌氧氨氧化反应器的启动时间和挂膜时间。
反应器第一次进水为污水处理厂的含有机碳源的初沉污水，初沉污水水质如表2所示。
表2初沉池出水水质
由表2可以看出，生活污水的氨氮浓度较低，一般低氨氮浓度是指氨氮浓度为10-30mg/L，本实施例中仅为15.2mg/L，目前厌氧氨氧化工艺主要用于氨氮浓度为500mg/L-1000mg/L的高氨氮浓度的污水处理中，且有机物含量相对较高。相对于高氨氮浓度的污水，生活污水中氨氮浓度较低，温度较低，有机物浓度高，不利于厌氧氨氧化菌的生长。因此，厌氧氨氧化工艺处理生活污水时，出水氨氮浓度难以达标，城市污水厂水处理量较大也会造成厌氧氨氧化菌的损失。这给主流厌氧氨氧化工艺在生活污水中的应带来了巨大挑战。
本发明的一种主流条件下厌氧氨氧化生物膜培养方法中，图1所示为反应器和填料示意图，反应器底部安装有进水管，出水管处连接有用于排水的蠕动泵，管口位置可调，用于控制不同的排水比，反应器内部安装有搅拌器、DO探头(oxi::lyserTM，奥地利)和曝气管及曝气头。
反应器填充的填料为K1型，聚乙烯材质，直径为10毫米，高10毫米，内部有十字支架，比表面积为500m2/m3，填充率一般为30％。所述的填料也可以选K3或K5型填料，材质为聚乙烯，形状为圆柱体。
本发明的培养方法具体包括如下步骤：
第一步 快速排泥和充分曝气法培养好氧异养生物膜：将初沉污水作为进水引入反应器，投加活性污泥，使污泥浓度为3g/L。常温下充分曝气，与填料混合24h后，无需沉淀，直接排空全部悬浮污泥，用于迅速培养异养生物膜。
由于世界上大部分污水处理厂位于温带地区，生活污水的温度多为10-25℃，本实施例中，反应器启动，是在中低温条件下，12-22℃，充分曝气，使DO>2mg/L，开启搅拌使污泥和填料充分混合，充分曝气搅拌一定时间后，直接排空悬浮污泥，进水为含有机碳源的初沉污水，以促进异养生物膜的生长。运行约5-10天。观察出水水质变化和生物膜结构变化，当生物膜厚度大于100微米，填料表面呈现棕黄色时，表明异养生物膜培养成功。
第二步 缺氧异养生物膜缺氧驯化：好氧异养生物膜形成后，通过逐渐缩短运行周期中曝气时长、延长缺氧搅拌时长，使生物膜逐渐适应缺氧环境，最终使好氧异养生物膜转化为缺氧异养生物膜。
第三步 培养厌氧氨氧化生物膜：为加快厌氧氨氧化生物膜的培养，同时考虑到厌氧氨氧化接种污泥的稀缺和昂贵，采用一次性接种少量(0.3-1.0g/L)厌氧氨氧化悬浮污泥的方式(接种厌氧氨氧化污泥的量越多成本就越高)，既能够促进厌氧氨氧化生物膜的培养，同时又可以降低购买厌氧氨氧化接种污泥的投资成本；同时为了降低异养菌的竞争，保证自养菌能够顺利生长，进水由含有机物的初沉池污水更换为几乎不含可生物降解有机物的二沉池出水；为促进厌氧氨氧化菌的富集生长，需为其提供生长所需的基质，即少量氨氮和亚硝氮，开始投加约10-15mg/L浓度的氨氮和亚硝氮。为了使氨氮和亚硝氮的负荷适应厌氧氨氧化菌的生长速度，通过调节进水流量调整反应器内氮负荷。由于厌氧氨氧化菌较少，厌氧氨氧化速率慢，采用较低的进水流量和较低的氨氮和亚硝氮的负荷，随着培养过程中厌氧氨氧化菌的不断富集、厌氧氨氧化速率的提升，提高进水流量以提高氨氮和亚硝氮的负荷。图3为实施例中填料上厌氧氨氧化生物膜的变化，从图中可以得出：厌氧氨氧化生物膜的培养是厚积薄发的过程，生物膜逐渐变厚，当填料呈现浅红色生物膜、氨氮和亚硝氮去除率>90％时，表示挂膜成功。
图2为实施例反应器脱氮量和氮去除负荷的变化图。从图中可以得出：反应器随时间的延长，脱氮量逐渐升高，呈现指数增长趋势。
参考文献：
[1]Kartal,B.,J.G.Kuenen,and M.C.M.v.Loosdrecht,Sewage Treatment withAnammox.Science,2010.328(5979):702-703.
[2]Siegrist,H.,D.Salzgeber,J.Eugster,et al.,Anammox brings WWTPcloser to energy autarky due to increased biogas production and reducedaeration energy for N-removal.Water Sci.Technol.,2008.57(3):383-388.
Claims (6)
1.一种主流条件下厌氧氨氧化生物膜培养方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步：快速排泥和充分曝气法培养好氧异养生物膜：在反应器中加入悬浮填料，悬浮填料的填充率为30%，将生活污水厂的初沉污水作为进水引入反应器，接种普通活性污泥，充分曝气使DO>2mg/L，再与反应器中填料搅拌混合24h后，排空全部悬浮污泥，接着运行6天，当生物膜厚度＞100μm，填料表面呈现棕黄色时，表明异养生物膜培养成功；
第二步：缺氧异养生物膜缺氧驯化：好氧异养生物膜形成后，通过逐渐缩短运行周期中曝气时长、延长缺氧搅拌时长，使生物膜适应缺氧环境，使好氧异养生物膜转化为缺氧异养生物膜；
第三步：培养厌氧氨氧化生物膜：第二步完成后，反应器中进水由含有机物的初沉池污水更换为二沉池出水，在反应器中一次性接种厌氧氨氧化污泥，添加生长所需基质，通过调节进水流量调整反应器内氮负荷以适应厌氧氨氧化菌的生长速度，当厌氧氨氧化生物膜变厚、填料呈现浅红色生物膜、氨氮和亚硝氮去除率>90%时，表示挂膜成功；
反应器运行温度为中低温，为12-22℃。
2.根据权利要求1所述一种主流条件下厌氧氨氧化生物膜培养方法，其特征在于：所述的填料为K1、K3或K5型填料，材质为聚乙烯或聚丙烯，形状为圆柱体。
3.根据权利要求1所述一种主流条件下厌氧氨氧化生物膜培养方法，其特征在于：所述普通活性污泥浓度>3g/L。
4.根据权利要求1所述一种主流条件下厌氧氨氧化生物膜培养方法，其特征在于：所述基质为氨氮和亚硝氮，投加量为10-15mg/L。
5.根据权利要求1所述一种主流条件下厌氧氨氧化生物膜培养方法，其特征在于：培养好氧异养生物膜阶段，排空全部悬浮污泥时无需沉淀。
6.根据权利要求1所述一种主流条件下厌氧氨氧化生物膜培养方法，其特征在于：所述厌氧氨氧化污泥为悬浮态的厌氧氨氧化污泥，一次性接种的污泥量≥0.3g/L。
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| US20160257587A1 (en) * | 2012-09-13 | 2016-09-08 | D.C. Water & Sewer Authority | Method and apparatus for nitrogen removal in wastewater treatment |
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| Effective inhibition prevention strategy for the enrichment of anammox bacteria with low concentrations of substrates at 25 ℃;Renda Yao et al.;《Journal of Water Process Engineering》;20200717;第37卷;第1-6页 * |
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