一种内源短程反硝化耦合厌氧氨氧化的全生物膜脱氮系统及工艺

本发明涉及污水处理，具体涉及一种内源短程反硝化耦合厌氧氨氧化的全生物膜脱氮系统及工艺。

背景技术：

1、污水脱氮是现代污水处理的关键步骤之一，其重要性在于防止因氮过量排放导致的水体富营养化及随后的水质恶化和生态失衡。为了有效应对这一挑战，研究者们致力于开发更高效、节能的脱氮技术。近期，厌氧氨氧化与短程反硝化这两种生物处理方法因其在脱氮效率和能源消耗上的优势而备受关注。

2、厌氧氨氧化技术能够直接将铵盐(nh4+-n)和亚硝酸盐(no2--n)转化为氮气(n2)，几乎不需要额外的有机碳源，从而大幅降低了运行成本。另一方面，短程反硝化通过将硝酸盐(no3--n)部分还原成亚硝酸盐(no2--n)，同样实现了高效的氮去除，并减少了对外部碳源的需求。

3、特别地，内源短程反硝化作为一种利用微生物体内存储物质(如pha)作为电子供体的处理方式，不仅避免了外加碳源的需要，还提高了处理效率，进一步降低了运行成本。

4、面对越来越严格的出水标准和对水资源回收利用的更高要求，诸如移动床生物膜反应器(mbbr)和序批式反应器(sbr)等先进技术得到了广泛应用。然而，现有的mbbr与sbr联合应用系统大多局限于单一填料，这限制了系统内的微生物多样性和总量，影响了对污染物的整体去除能力。

5、鉴于此，结合内源短程反硝化与厌氧氨氧化的优势，设计一种集成mbbr与sbr的复合系统，以增强脱氮性能、减少碳源投入、降低能耗并实现污泥减量化，成为当前污水处理领域的研究热点和发展方向。

技术实现思路

1、为解决现有技术中的不足，本发明提供一种内源短程反硝化耦合厌氧氨氧化的全生物膜脱氮系统及工艺，通过提供一种基于氨氧化细菌(aob)、氨氧化古菌(aoa)、全程硝化菌(comammox)与厌氧氨氧化菌(anaob)的全生物膜污水脱氮处理系统及工艺，来优化现有技术中的不足，该系统利用厌氧段a-sbr反应器积累的内碳源pha和糖原，使反硝化菌在硝化液回流时能有效利用这些内碳源进行反硝化，实现内源短程反硝化耦合厌氧氨氧化，不仅提高了脱氮效率还节约了能源；同时，通过添加多种填料促进不同微生物间的协同作用，增强了脱氮效果，并且由于系统采用全生物膜运行方式，降低了产泥量，减少了污泥处置成本，使得运行维护更为便捷。

2、本发明提供了一种内源短程反硝化耦合厌氧氨氧化的全生物膜脱氮系统，包括按污水处理流程方向依次连接的进水箱、a-sbr反应器、n-sbr反应器、中间水箱，各所述单元通过管道连通；

3、所述中间水箱还通过管道与a-sbr反应器连通；

4、还包括出水水箱，所述出水水箱通过回流管道与a-sbr反应器连通；

5、所述a-sbr反应器投加聚丙烯填料t1、白色聚氨酯填料t2、聚丙烯填料t3、黑色聚氨酯填料t4、多孔hdpe膜片填料t5；

6、所述n-sbr反应器设置有曝气装置b1。

7、本发明的一些具体实施方式中，所述进水箱与a-sbr反应器之间的管道上设置有水泵p1；所述a-sbr反应器与n-sbr反应器之间的管道设置有水泵p2；所述n-sbr反应器与中间水箱之间的管道设置有水泵p3；所述中间水箱与a-sbr反应器的回流管道设置有水泵p4。

8、本发明的一些具体实施方式中，所述t1的形状为多孔饼状，直径为25m，厚度为10mm，中间开孔数为19孔，比表面积大于600m2/m3，孔隙率为90％，填充比为10％，投加比为15-60％；所述t2的形状为正方体，尺寸为20mm×20mm×20mm，比表面积大于5000m2/m3，孔隙率为98％，填充比为5.7％，投加比为20％—40％，其外部套有pe球壳；所述t3的形状为多孔饼状，直径为25mm厚度为10mm，中间开孔数为37孔，比表面积大于950m2/m3，孔隙率为94％，填充比为10％，投加比为15-75％；所述t4的形状为正方体，尺寸为10mm×10mm×10mm，比表面积大于4000m2/m3，孔隙率为95％，填充比为4.3％，投加比为50％—100％，为使其移动范围更大，其外部套有pe球壳；所述t5的形状为圆形，侧面为s型抛物面并带保护外环，直径为30mm，厚度为1.1mm，比表面积大于5500m2/m3，孔隙率为98％，填充比为10％，投加比为15％—75％。

9、本发明的一些具体实施方式中，所述a-sbr反应器内部不设曝气装置，运行过程中控制参数如下：温度为20-35℃，ph为7.5±0.5，do为0.02±0.01mg/l，orp为-200±20mv，厌氧段处理时间为70～100min，缺氧段处理时间为160～200min。

10、本发明的一些具体实施方式中，所述n-sbr反应器内部设有曝气装置，运行过程中控制参数如下：温度为20-35℃，ph为7.5±0.5，do为7.0±0.5mg/l，orp为200±20mv，处理时间为180～210min。

11、本发明的一些具体实施方式中，所述中间水箱还设置排水口。

12、本发明还提供了一种污水处理工艺，使用权利要求1-5任一项所述的内源短程反硝化耦合厌氧氨氧化的全生物膜脱氮系统进行污水处理，具体包括如下步骤：

13、s1：污水由进水箱进入到a-sbr反应器，a-sbr反应器的参数控制如下：温度为20-35℃，ph为7.5±0.5，do为0.02±0.01mg/l，orp为-200±20mv，厌氧段处理时间为70～100min，缺氧段处理时间为160～200min；

14、在a-sbr反应器内，由于填料t1—t5上异氧菌较多，有机物厌氧酸化产生的vfa(挥发性脂肪酸)被吸收到异养菌体内合成内碳源pha和糖原；

15、s2：随后a-sbr反应器的65-75％出水进入到n-sbr反应器，n-sbr反应器的参数控制如下：温度为20-35℃，ph为7.5±0.5，do为7.0±0.5mg/l，orp为200±20mv，处理时间为180～210min；在n-sbr反应器内，在附着在填料t1—t5上的aoa、aob、comammox的共同作用下进nh4+-n的氧化以及硝化作用；控制nh4+-n恰好氧化完全而no2--n未全部转化为no3--n时，n-sbr反应器出水进入中间水箱；

16、s3：中间水箱出水回流至a-sbr反应器内，为a-sbr反应器内的厌氧氨氧化反应提供了底物，附着在填料上的anaob将进水的nh4+-n及回流液中的no2--n转化为n2和no3--n，同时反硝化细菌利用厌氧时储存的内碳源pha和糖原进行反硝化，处理后的污水进入出水水箱后直接进行排放。

17、在本发明的一些具体实施方案中，s2步骤具体操作步骤为：随后a-sbr反应器的70％出水进入到n-sbr反应器，n-sbr反应器的参数控制如下：温度为20-35℃，ph为7.5±0.5，do为7.0±0.5mg/l，orp为200±20mv，处理时间为180～210min；在n-sbr反应器内，在附着在填料t1—t5上的aoa、aob、comammox的共同作用下进nh4+-n的氧化以及硝化作用；控制nh4+-n恰好氧化完全而no2--n未全部转化为no3--n时，n-sbr反应器出水进入中间水箱；

18、本发明的一些具体实施方式中，所述的内源短程反硝化耦合厌氧氨氧化的全生物膜脱氮系统启动时，还包括启动阶段：

19、(ι)将含有aoa、aob、comammox的污泥分别投加到a-sbr反应器和n-sbr反应器后，污水由进水箱进入a-sbr反应器内，在温度为20-35℃，ph为7.5±0.5，do为0.02±0.01mg/l，orp为-200±20mv的运行条件下处理70～100min，随后出水进入n-sbr反应器内，在温度为20-35℃，ph为7.5±0.5，do为7.0±0.5mg/l，orp为200±20mv的运行条件下，处理时间180～210min后进入中间水箱，然后全部排出，此阶段并无硝化液回流至a-sbr反应器；

20、当填料上的生物膜平均厚度达到200μm以上且cod去除率稳定在72％-75％，nh4+-n去除率稳定在85％-90％时，开始按照步骤(ⅱ)的工艺进行；

21、(ⅱ)污水由进水箱进入到a-sbr反应器，a-sbr反应器的参数控制如下：温度为20-35℃，ph为7.5±0.5，do为0.02±0.01mg/l，orp为-200±20mv，厌氧段处理时间为70～100min，缺氧段处理时间为160～200min；在a-sbr反应器内，由于填料t1—t5上异氧菌较多，有机物厌氧酸化产生的vfa(挥发性脂肪酸)被吸收到异养菌体内合成内碳源pha和糖原；随后a-sbr反应器的70％出水进入到n-sbr反应器，n-sbr反应器的参数控制如下：温度为20-35℃，ph为7.5±0.5，do为7.0±0.5mg/l，orp为200±20mv，处理时间为180～210min；在n-sbr反应器内，在附着在填料t1—t5上的aoa、aob、comammox的共同作用下进nh4+-n的氧化以及硝化作用；控制nh4+-n恰好氧化完全而no2--n未全部转化为no3--n时，n-sbr反应器出水进入中间水箱；中间水箱出水回流至a-sbr反应器内，为a-sbr反应器内的厌氧氨氧化反应提供了底物，附着在填料上的anaob将进水的nh4+-n及回流液中的no2--n转化为n2和no3--n，同时反硝化细菌利用厌氧时储存的内碳源pha和糖原进行反硝化，处理后的污水进入出水水箱后直接进行排放；

22、(ⅲ)当出水水箱出水cod稳定在30-38mg/l，no3--n稳定在1-2mg/l，no2--n稳定在3-5mg/l时，向a-sbr反应器内投加了厌氧氨氧化菌种泥，然后按照所述步骤(ⅱ)继续运行。

23、在本发明的一些具体实施方案中，启动阶段步骤(ι)运行0-30天。

24、在本发明的一些具体实施方案中，启动阶段步骤(ⅱ)运行0-60天。

25、在本发明的一些具体实施方案中，启动阶段步骤(ⅲ)投加厌氧氨氧化菌种泥后，待出水水箱出水水达到如下标准：tn去除率稳定在80％以上，cod去除率稳定在85％以上，污水处理系统进入稳定运行阶段

26、本发明公开的内源短程反硝化耦合厌氧氨氧化的全生物膜脱氮系统及工艺，该系统由两个投加五种不同填料的sbr反应器组成，其中未进行曝气的厌氧sbr反应器命名为a-sbr反应器，设有曝气装置的sbr反应器命名为n-sbr反应器，该系统采用全生物膜处理方式。污水由进水箱进入a-sbr反应器，由于填料上异养菌较多，有机物厌氧酸化产生的vfa(挥发性脂肪酸)被吸收到异养菌体内合成内碳源pha和糖原。随后a-sbr反应器出水的65％-75％进入到n-sbr反应器，此时在附着在填料上的aoa、aob、comammox的共同作用下进行nh4+-n的氧化以及硝化作用；控制在nh4+-n被刚好氧化完全时部分硝化液回流至a-sbr反应器，附着在填料上的anaob将进水的nh4+-n及回流液中的no2--n转化为n2和no3--n，同时反硝化细菌利用厌氧时储存的内碳源pha和糖原进行内源短程反硝化，处理后的污水直接进行排放。本污水处理系统及工艺充分利用原水中的有机物，将其储存为体内的内碳源，并且缩短硝化时间，实现了内源短程反硝化耦合厌氧氨氧化，提高了脱氮效率并节约了碳源。相比于投加单一填料，投加复合填料，不同填料上附着的不同微生物之间协同脱氮作用更强。此外因生物膜法产泥量低，减少了污泥处置成本，运行维护更加方便。

27、本发明提供的一种内源短程反硝化耦合厌氧氨氧化的全生物膜脱氮系统及工艺，相对于现有技术，具有如下有益技术效果：

28、本发明提出了一种内源短程反硝化耦合厌氧氨氧化的全生物膜脱氮系统及工艺，相较于传统技术，具有以下显著优势：

29、1、优化硝化过程：通过精确控制硝化液回流的反应时间，确保nh4+-n完全氧化为no2--n，而避免进一步转化为no3--n。此策略不仅为后续的厌氧氨氧化提供了必要的no2--n底物，还缩短了n-sbr反应器的硝化时间，减少了氧气消耗，提升了整体脱氮效率。

30、2、内源反硝化机制：在a-sbr反应器内，生物膜上的反硝化细菌能够利用原污水中的有机物质及其厌氧水解酸化产生的vfa(挥发性脂肪酸)，合成pha(聚羟基脂肪酸酯)和糖原。当硝化液回流至a-sbr时，这些菌群即可利用体内储备的碳源进行高效的内源反硝化过程，从而节约外加碳源的需求。

31、3、精准调控环境条件：a-sbr反应器的工作环境被设定为溶解氧(do)浓度0.02±0.01mg/l，氧化还原电位(orp)-200±20mv，处理周期200至240分钟，有效促进了内源短程反硝化与厌氧氨氧化的协同作用，极大提高了系统的脱氮效率。

32、4、多填料协同效应：系统采用五种不同特性的悬浮填料，相比单一填料方案，显著增强了脱氮微生物的多样性和丰度，尤其是aob(氨氧化菌)、comammox(完全氨氧化菌)及aoa(亚硝酸盐氧化菌)的作用，进而强化了微生物间的协同作用，提高了脱氮效率。实验发现，t1填料上aob的氨氧化贡献率占78.1％，comammox和aoa分别占16.8％和5.1％。t2填料上aob的氨氧化贡献率占74.7％，comammox和aoa分别占21.4％和4％。t3填料上aob的氨氧化贡献率占81.1％，comammox和aoa分别占10.7％和8.1％。t4填料上aob的氨氧化贡献率占78.1％，comammox和aoa分别占16.8％和5.1％。

33、5、高效稳定的污染物去除：经过系统优化后的长期运行测试表明，cod(化学需氧量)去除率稳定维持在83.02±8.41％，峰值可达91.43％；nh4+-n(氨氮)去除率高达97.79±1.51％，最高峰值达99.30％；tn(总氮)去除率亦表现优异，最高可达68.76％。