本技术涉及一种高效污水处理技术,通过装置和方法快速培养反硝化厌氧甲烷氧化(N-DAMO)与厌氧氨氧化(Anammox)共生微生物。该系统包括上流式厌氧污泥床反应器、进水箱、出水箱、蠕动泵、甲烷储气瓶、气压调节阀和中空纤维膜组件,实现N-DAMO和Anammox共生菌群的协同培养与驯化。本发明无需严格控制污水中亚硝态氮与氨氮比值,有效去除脱氮后产生的硝酸盐,降低处理成本,同时资源化利用甲烷。
背景技术
污水中的氮、磷元素经过大量富集,极易造成水体富营养化,硝态氮和氨氮是致使大量水体呈现富营养化状态的关键指标。由于氮污染导致的“水华”和“赤潮”等众多环境问题已经对许多行业构成了严重威胁,且对水生生物和人体健康构成较大的危害。因此,近年来,人们愈发关注污水处理过程中的脱氮除磷性能,我国也进一步指明了对于污染物排放的要求。反硝化是实现脱氮的主要途径之一。完全反硝化通常分为两大阶段,在缺氧条件下,以有机物作为电子供体,首先将硝态氮还原成亚硝态氮,然后将亚硝态氮进一步还原为氮气排出系统,由此达到脱氮的效果。完全反硝化作为传统的脱氮工艺,它具有效果稳定、操作简便、处理成本低和无二次污染等优点,但同时存在一定弊端,如需要大量碳源、对温度要求高等。厌氧氨氧化工艺作为当前广泛应用的新型脱氮技术之一,具有降低能耗、减少外加碳源以及剩余污泥产量少等显著优势,但是在实际应用过程中,其主要缺陷在于对亚硝态氮和氨氮含量的比值有严格的要求,需要控制在1.32:1,这极大地增加了污水处理工程的难度;另外,此反应会产生部分硝态氮从而影响出水水质。
甲烷是一种容易获取,价格低廉的碳源,在污水处理过程中可以通过厌氧消化产生。但作为一种温室气体,它也是导致全球变暖的第二大贡献者,以每摩尔计算,CH4
的百年全球增温潜势等同于CO2
的28倍。因此,合理地收集并利用甲烷气体对环境保护至关重要。甲烷在厌氧条件下可以被氧化,从而为反硝化过程提供电子,从而替代像甲醇、乙酸钠这样的外加碳源,有效地降低了污水的处理成本。
近年来发现的反硝化厌氧甲烷氧化微生物,包括N-DAMO古菌和N-DAMO细菌两大类;其中,N-DAMO古菌能够以甲烷为电子供体,将硝态氮转化为亚硝态氮,而N-DAMO细菌能够以甲烷为电子供给,将亚硝态氮进一步转化为氮气。反硝化厌氧甲烷氧化功能微生物耦合厌氧氨氧化菌协同作用,不仅可以提高总氮去除率,还能减少温室气体的排放。此工艺主要涉及三大反应式。
(1)ANAMMOX细菌参与的反应如下:
NH4
+
+1.32NO2
-
+0.066HCO3
-
+0.13H+
→1.02N2
+0.26NO3
-
+0.066CH2
N0.15
+2.03H2
O
(2)N-DAMO古生菌参与的反应如下:
5CH4
+8NO3
-
+8H+
→5CO2
+4N2
+14H2
O
(3)N-DAMO细菌参与的反应如下:
3CH4
+8NO2
-
+8H+
→3CO2
+4N2
+10H2
O
然而,N-DAMO古菌、N-DAMO细菌和Anammox菌均为自养菌,生长缓慢且倍增时间长;现有的研究中反硝化厌氧甲烷氧化功能微生物和厌氧氨氧化菌的协同作用大多以絮体污泥的形式存在,具有沉降效果差、生物易流失等缺点,相比较来说,颗粒污泥的污泥浓度高、沉降速度快、稳定性更高,因此具有更大的应用潜能。
基于以上研究,本发明提供一种快速形成反硝化厌氧甲烷氧化与厌氧氨氧化共生微生物实现污水生物脱氮的装置和方法,以推动反硝化厌氧甲烷氧化耦合厌氧氨氧化在污水脱氮领域的实际应用。
实现思路