[发明专利]一种实现同步厌氧氨氧化和反硝化厌氧甲烷氧化的装置和方法

说明书

技术领域

本发明涉及污水生物脱氮过程中同步实现厌氧氨氧化和反硝化厌氧甲烷氧化过程的装置和方法，尤其是利用Anammox和N-DAMO菌协同作用实现污水生物脱氮,并能降低脱氮过程中温室气体CH₄和N₂O减排的装置和方法，属于污水处理技术领域。

背景技术

全球变暖和环境污染是当前国际关心的热点话题。对于污水生物处理，在防止氮磷排放导致水体富营养化的同时，如何节约能耗和降低温室气体的排放成了行业发展急需解决的关键问题。传统的污水生物脱氮工艺，大多基于好氧硝化和异养反硝化开发的工艺(典型的代表如A/O工艺)。而好氧硝化需要充足的曝气来维持好氧氨氧化菌和亚硝化氧化菌的代谢而实现氨氮(NH₄⁺)向亚硝化态氮(NO₂^-)和硝态氮(NO₃^-)的转化；在处理C/N比较低的城市污水时，需要提供充足的外碳源来维持反硝化菌的异养反硝化作用，从而实现NO₃^-和NO₂^-向氮气(N₂)的转化。可见，在传统生物脱氮过程中，需要耗费大量的能源和碳源。此外，在好氧硝化和异养反硝化的过程中，由于不利条件（如低溶解氧(DO)、NO₂^-积累、低C/N比）的诱导，会明显释放强温室气体N₂O。据报道，N₂O的温室效应比CO₂强200-300倍，过去20年全球对流层中N₂O的浓度以每年0.25%的速率增长。此外，污水处理过程中会释放温室气体CH₄，CH₄温室效应比CO₂强25倍。污水厌氧处理或污泥厌氧消化过程产生的气态CH₄或溶解在水体中的CH₄如处理不当同样作为温室气体会危害环境。

Anammox(Anaerobic ammonium oxidation,厌氧氨氧化菌)的发现，使低能耗、可持续污水处理技术成为可能。Anammox菌利用NO₂^-替代O₂作为电子受体将NH₄⁺转化为N₂，无需有机碳源，因此与传统生物脱氮工艺相比，Anammox工艺可节省100%有机碳源消耗，可节省60%的曝气量，从而降低工艺的直接能耗和运行费用。此外，基于对Anammox的生化代谢途径研究发现，在正常条件下Anammox菌几乎不会释放N₂O。Anammox菌参与的反应过程如下：

NH₄⁺+1.32NO₂^-+0.066HCO₃^-+0.13H⁺→          （1）

1.02N₂+0.26NO₃^-+0.066CH₂N₀.₁₅+2.03H₂O

此外,N-DAMO菌（Nitrite-driven anaerobic methane oxidation bacteria，反硝化型厌氧甲烷氧化菌）。N-DAMO菌参与的反应过程如下：

5CH₄+8NO₃^-+8H⁺→5CO₂+4N₂+14H₂OΔG^0'=-765kJmol^-1CH₄   (2)

3CH₄+8NO₂^-+8H⁺→3CO₂+4N₂+10H₂OΔG^0'=-928_kJmo_l^-1CH₄   (3)