超声波强化多级厌氧氨氧化生物膜反应器的方法

本发明涉及厌氧氨氧化污水脱氮，具体来说涉及一种超声波强化多级厌氧氨氧化生物膜反应器的方法。

背景技术：

1、氮素污染已成为一项全球性的环境问题，当大量含氮废水排入水体环境，会破坏生态环境中的氮循环，引起水体富营养化，出现水华或赤潮等生态问题，还可能加剧温室效应，破坏生态平衡；产生的藻类毒素在水体和水生生物中被富集，最终进入食物链，间接威胁食品安全；还可能诱发多种疾病，危害人类健康。传统生物脱氮技术是指在微生物的联合作用下，污水中的有机氮及氨氮经过氨化作用、硝化反应、反硝化反应，最后转化为氮气的过程。随着氮素污染日趋严峻和污水排放标准不断提高，传统脱氮工艺表现出工艺流程长、常需外加碳源、能耗大、成本高等诸多不足。

2、厌氧氨氧化是一种新型生物脱氮技术，是指在厌氧条件下厌氧氨氧化细菌（anaob）以亚硝酸盐（no2--n）为电子受体将氨氮（no4+-n）转化为氮气的生物脱氮过程。相比传统生物脱氮工艺，厌氧氨氧化工艺不需要曝气和外加碳源、能够显著降低污泥产率、具有节能环保等优势，在污水处理领域备受关注。然而，anaob生长缓慢（倍增时间约2周），且易受外界环境条件（温度、ph、溶解氧等）影响，导致anaob富集困难，因此存在厌氧氨氧化工艺启动周期长、运行不稳定等问题。

3、超声波作为一种绿色、高效的生物强化技术在污水处理领域已得到广泛应用。超声波生物强化对不同厌氧氨氧化反应器会产生不同的增强效果。在优选或优化反应器结构的基础上，超声波显著提高厌氧氨氧化的强化性能。但现有厌氧折流板反应器（abr）存在底部污泥堆积密度过高的问题，上部为高活性污泥，下部污泥对其起支撑作用，反过来上部污泥压缩下部污泥，可能导致下部污泥发黑解体，活性降低，影响传质，超声波振子位于反应器底部，部分能量未实现强化。又如以填充蜂窝状载体的固定床反应器（fbr）启动运行厌氧氨氧化工艺并施加超声波强化厌氧氨氧化工艺，蜂窝状载体在反应器中直接堆叠方式不利用生物膜更新，脱落的生物膜容易导致填料层堵塞从而影响底物传质性能，这些问题限制了超声波强化厌氧氨氧化工艺的效果。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明目的在于，提供一种超声波强化多级厌氧氨氧化生物膜反应器的方法，该方法将厌氧折流板反应器与厌氧氨氧化生物膜结合构建多级厌氧氨氧化生物膜反应器通过超声调控功能菌演替方向和数量来快速启动运行厌氧氨氧化工艺，显著能够提高反应器的脱氮性能，增加胞外聚合物（eps）的分泌和蛋白质/多糖（pn/ps），促进厌氧氨氧化生物膜的形成与更新，进而实现厌氧氨氧化工艺的快速成功启动和高效稳定运行。

2、本发明的目的是通过下述技术方案予以实现的：

3、第一方面，本发明提供一种超声波强化多级厌氧氨氧化生物膜反应器的方法，所述方法包括以下过程：

4、（1）在反应器中接种厌氧氨氧化污泥，反应器内部分为四个反应室，布局从进水口到出水口依次为u4、u3、u2、u1，每个反应室内放置4组无纺布与蜂窝状载体组合而成的柱状填料，在u4、u3、u2分别接种300 ml、200 ml和100 ml的厌氧氨氧化污泥，u1不接种污泥，接种污泥mlss和mlvss/mlss分别为2.48 g/l和75%；温度保持在20℃左右，ph维持在7.8-8.0；

5、（2）厌氧氨氧化工艺的启动阶段：根据厌氧氨氧化培养基配制模拟污水，该污水采用连续进水模式经进水泵连续流入反应器，进水初始nh4+-n浓度为60mg/l，初始no2--n浓度为75mg/l，水力停留时间hrt为24 h，温度为20℃；

6、（3）厌氧氨氧化工艺的底物浓度负荷提高阶段：hrt保持在24 h，将进水nh4+-n和no2--n浓度逐步提高到480 mg/l和600 mg/l，反应器总氮负荷nlr逐步提升，在此阶段，最高nlr为1.08 kg n/(m3·d)和最高nrr为1.03 kg n/(m3·d)；

7、（4）厌氧氨氧化工艺的水力负荷提高阶段：通过调节hrt，逐步提高进水总氮负荷率nlr，在nh4+-n和no2--n浓度保持在480 mg/l和600 mg/l不变的情况下，将hrt从24h逐步缩短至6h，反应器脱氮性能逐步提升，最高nlr为4.32 kg n/(m3·d)和最高nrr为4.07 kgn/(m3·d)，在最高nlr的条件下，平均nre达到92.8%，

8、在整个方法运行过程中，每周对反应器执行1次超声辐照进行超声强化，超声波工作参数为：超声频率40 khz，超声功率90 w，工作时长3分钟；超声波强化反应器表现出稳定高效的脱氮能力。

9、第二方面，本发明提供一种多级厌氧氨氧化生物膜反应器装置，由厌氧折流板反应器与厌氧氨氧化生物膜结合构建而成，包括反应器本体、进水箱、水封结构、集水箱、超声波发生器、振子和柱状组合填料；

10、所述反应器主体为长方体反应器，平均分为若干个串联反应室，每个反应室内放置多组平行设置的柱状组合式填料，该填料由一层无纺布包裹着若干数量的按水平、竖直交替排列的蜂窝状载体组合而成，蜂窝状载体由高密度聚乙烯制成，蜂窝状载体水平放置时与无纺布的内壁接触，竖直放置时与水平放置的填料同轴设置；

11、相邻反应室之间设置有隔板，隔板下部与反应器本体的底部内壁固定，上部与反应器本体之间留有间隙，在隔板朝向下一级反应室的一侧设置折流板，折流板的上部与下一级反应室顶部的反应器本体内壁固定，折流板下端设置朝向下一级反应室倾斜的45°转角，折流板下端与反应器本体底部之间具有间隙；

12、反应器本体的下部进水口通过进水泵、进水管与进水箱相连，出水口通过其上部的出水管与集水箱相连，使所述反应器主体与空气隔离；每个反应室的顶部设有气体排放口，经排气管与水封结构相连；在反应器本体的每个反应室底部设置振子，超声波发生器通过导线与振子相连，对反应器本体进行超声强化。

13、第三方面，本发明提供一种超声波强化多级厌氧氨氧化生物膜反应器的方法，所述方法使用所述的装置，具体过程是：

14、反应器的温度保持20℃~30℃，ph维持在7.8-8.0；按照自进水端到出水端逐渐递减接种厌氧氨氧化污泥的方式在每个反应室内接种厌氧氨氧化污泥，在最后一个反应室内不接种污泥，接种污泥的mlss和mlvss/mlss分别为2.0-3.0 g/l和70-80%；反应器接种污泥后就进行定期超声辐照；

15、厌氧氨氧化工艺处理过程中，根据污泥中各种微生物对于超声的耐受程度不同，利用低强度超声波对功能菌群anaob及功能菌属

candidatus brocadia的生物选择性作用，促进anaob的竞争优势及功能菌属向

candidatus brocadia的定向演替，加快杂菌淘汰；

16、超声波调控构造能够促进

candidatus brocadia 生长增殖，使其成为优势菌属的环境选择压力，更快适应高浓度负荷和高水力负荷提升过程的环境条件变化，缩短厌氧氨氧化工艺的启动周期并提高脱氮性能。

17、优选地，在启动阶段，将杂菌淘汰，提高功能菌的竞争优势，进一步缩短厌氧氨氧化工艺的启动周期；

18、在底物浓度负荷提高阶段，利用超声波提高底物的传质效率，促进细胞反应，同时超声定向提升

candidatus brocadia的生长增殖速率，使得反应器在较短时间内达到高底物浓度负荷；

19、在水力负荷提高阶段，控制超声促进eps分泌及eps中pn含量，加速anaob细胞聚集和柱状填料上生物膜的形成，增强生物膜的致密性与机械强度；超声提供环境选择压力、增加生态位，从而强化

candidatus brocadia的竞争优势、增加功能菌anaob的菌属数量，能够提高反应器抗负荷冲击能力及脱氮性能。

20、进一步地，整个过程中，每周对反应器执行1次超声辐照进行超声强化，超声波工作参数为：超声频率40 khz，超声功率90 w，工作时长3分钟。

21、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

22、1）本发明使用低强度超声波强化多级厌氧氨氧化生物膜反应器，通过超声波改变微生物群落演替方向增加功能菌anaob的菌属数目的方式来强化厌氧氨氧化启动过程并提高反应器脱氮性能。在此过程中通过超声控制可有效淘汰杂菌，大幅提高反应器内anaob丰度与功能菌的菌属数量，提高anaob的竞争优势，优势菌群从

candidatus kuenenia转变为环境适应性更强的

candidatus brocadia，促成了第三种anaob菌属

candidatus jettenia的出现，建立了更加复杂的功能菌群协同作用系统，进而实现提高反应器的稳定性与脱氮性能的目的。

23、2）本发明实施例中通过每周施加40 khz、90 w的超声波3 min，使总氮去除率稳定达到94.33%，最高氮负荷率（nlr）可达4.32 kg n/(m3·d)，最高氮去除速率（nrr）可达4.07kg n/(m3·d)，反应器脱氮性能显著提高，抗冲击负荷能力较强。

24、3）本发明方法处理过程中，使微生物细胞膜出现可修复性穿孔，提高细胞膜通透性，加速了反应物与代谢物的扩散，增强传质；刺激anaob分泌更多eps，提高pn含量与pn/ps比值，增加污泥疏水性，促进anaob细胞聚集与生物膜快速形成；同时可松解eps结构，加速老化生物膜脱落更新，使生物膜长期保持高活性。

25、4）本发明使用的多级厌氧氨氧化生物膜反应器装置，由厌氧折流板反应器与厌氧氨氧化生物膜结合构建得到，反应室内部放置以无纺布包裹蜂窝状载体构成的组合填料，通过优化蜂窝状载体的排列方式（蜂窝状载体采用水平、竖直交替排列的方式），蜂窝状载体对无纺布起支撑作用，使得实际接触面积增大，促进生物产气的排放，大大提升了反应器对anaob的截留效率，且水平、垂直交替排布可以在一定程度上降低堆叠排放时填料被堵塞的可能性，增加传质。

26、而多级厌氧氨氧化生物膜反应器装置相较于abr和fbr具有更强的anaob截留能力和对环境变化的适应性，同时通过填料结构的优化设计能够促进生物膜的更新、有效缓解反应器底物污泥堆积密度过高的问题，本发明将反应器结构与超声微生物调控协同组合，改善细胞膜通透性、缓解水气通道堵塞现象并强化传质效果，增强anaob活性，在加速厌氧氨氧化工艺启动和实现稳定运行方面具有显著优势，显著提高厌氧氨氧化工艺超声波强化效果，也显著提高厌氧氨氧化工艺启动性能（缩短启动周期）与运行性能（提升nlr和nrr）。