提升厌氧氨氧化反应器处理含铜废水脱氮性能的运行方法(一)技术领域
本发明涉及一种提升厌氧氨氧化反应器处理含铜废水脱氮性能
的运行方法。
(二)背景技术
尽管微量的重金属普遍存在于生物体内，且常常是生物酶的必需
成分，但是过量的重金属对微生物的活性和生长具有抑制甚至毒害作
用，厌氧氨氧化作为一种新型生物脱氮工艺，其中担任主要使命的厌
氧氨氧化菌也不例外，受废水中的重金属影响可能导致工艺的出水水
质急剧恶化，脱氮效率下降，甚至菌体解体死亡，工艺运行失败。
工业废水和市政污泥中常含有重金属Cu(II)，一些高氨氮废水如
垃圾填埋渗滤液和冶金废水也被发现含有高浓度的Cu(II)，重金属废
水中含有的Ni、Cd等，还会与氨氮生成稳定的金属络合离子，为其
处理增添困难。因而将含重金属的废水进行单独预处理后再与其他生
产废水混合进行下一步处理，这是目前广泛采用的处理方法。首先预
处理装置本身耗材又占据空间，其次，需投加重捕剂，增加了处理成
本。因此，若能开发新的厌氧氨氧化反应器运行策略，提升反应器处
理此类废水的脱氮性能，则有望突破此瓶颈。
(三)发明内容
本发明的目的是为消除重金属Cu(II)对厌氧氨氧化污泥的不利影
响，通过调控进水Cu(II)的浓度来增强厌氧氨氧化污泥对Cu(II)的耐
受性，提高了厌氧氨氧化反应器处理含Cu(II)废水时的去除效率和稳
定性，并可提供一种耐低浓度Cu(II)的厌氧氨氧化污泥的培养方法。
本发明采用的技术方案是：
一种提升厌氧氨氧化反应器处理含铜废水脱氮性能的运行方法，
其特征在于所述方法为：采用升流式厌氧氨氧化生物反应器；以厌氧
氨氧化颗粒污泥为接种污泥，进水中以氨氮和亚硝氮为进水基质，进
水中加入Cu(II)，并加入维持微生物生长的无机盐缓冲液和微量元素，
在厌氧、避光、温度为35±1℃的恒温室、进水pH为8.0～8.4的
条件下，通过控制反应器中的氮容积负荷和向进水中加入的Cu(II)的
量分阶段运行：第一阶段所述的反应器在氮容积负荷为15～20kgN
m-3d-1，向进水中加入Cu(II)，使其终浓度为5～6mgL-1对污泥进行
耐受性处理，运行15～20天，其间当反应器氮去除负荷降至10kgN
m-3d-1以下时，通过降低进水基质浓度至NH4+-N70mgL-1，NO2--N
70mgL-1，NH4+-N和NO2--N之比仍为1:1，将反应器氮容积负荷降
至2～5kgNm-3d-1；第二阶段保持第一阶段末反应器的氮容积负荷不
变，降低进水中Cu(II)的加入量使Cu(II)浓度为0.3～0.5mgL-1，短
暂运行5～10天；第三阶段在进水中氮容积负荷为2～10kgNm-3d-1
的条件下进行恢复运行，再逐步提升反应器中的氮容积负荷，直至反
应器的氮容积负荷恢复初始状态15～20kgNm-3d-1；第四阶段在反应
器中的氮容积负荷为15～20kgNm-3d-1的情况下，从0逐步提升进水
中Cu(II)的浓度，每次提升进水中Cu(II)的浓度梯度为0.5～1.0mgL-1，
每次提升后反应器稳定运行3～5天即可继续提升，直至反应器能在
进水含5～6mgL-1Cu(II)浓度下维持稳定运行。其中，所述的升流式
厌氧氨氧化颗粒污泥反应器平均氮去除速率为15～20kgNm-3d-1；所
述的模拟废水中氨氮浓度为70～280mgL-1，亚硝氮的浓度为70～280
mgL-1，所述的反应器中的污泥初始浓度为12～30gL-1。
进一步，进水中加入的无机盐缓冲液，相当于在进水中无机盐缓
冲液各组份终浓度组成如下：KH2PO48～10mgL-1，CaCl2·2H2O5～6
mgL-1，MgSO4·2H2O290～310mgL-1，KHCO31240～1260mgL-1，溶
剂为水。
再进一步，所述的进水中添加微量元素包括加入微量元素Ⅰ配制
液1.00～1.25mlL-1和微量元素Ⅱ配制液1.00～1.25mlL-1；微量元素
Ⅰ配制液的具体成分为EDTA5.0～6.0gL-1，FeSO49.1～9.2gL-1；微
量元素Ⅱ配制液的具体成分为EDTA15.0～16.0gL-1，ZnSO4·7H2O
0.40～0.45gL-1，CoCl2·6H2O0.20～0.25gL-1，MnCl2·4H2O0.95～
1.00gL-1，CuSO4·5H2O0.20～0.25gL-1，NaMoO4·2H2O0.20～0.25gL-1，
NiCl2·6H2O0.20～0.25gL-1，H3BO40.010～0.015gL-1。其中微量元素Ⅱ
配制液中的CuSO4·5H2O不计入进水中添加的Cu(II)的加入量。
再进一步，所述本发明推荐进水中NH4+-N和NO2--N的物质的
量之比为1:1。
具体的，本发明所述进水中Cu(II)的加入通过加入CuCl2·2H2O
或CuSO4·5H2O或它们的混合物来实现。
在厌氧氨氧化系统中，污泥沉降性能变差是导致工艺脱氮性能恶
化的主要因素之一。本发明利用了重金属能刺激污泥胞外聚合物的产
生以及促进污泥成分聚集的作用，在污泥活性受到短期抑制后的恢复
期内，配合调节反应器的氮容积负荷，最终达到改善污泥沉降性能的
目的。此外，在运行的第一阶段短期输入较高浓度的Cu(II)至关重要，
其主要作用是刺激微生物产生大量胞外聚合物以抵御后期运行中蓄
积的Cu(II)向胞内的渗透和长期毒害，保证细胞维持一定的活性，再
配合不同阶段氮容积负荷的控制，使厌氧氨氧化污泥适应处理含一定
Cu(II)浓度的废水的同时，维持较高的反应器运行稳定性。
本发明的有益效果主要体现在：不仅提供了一种处理含Cu(II)废
水的反应器性能提升策略；由于厌氧氨氧化菌对铜非常敏感，进水含
5mgL-1铜就已经能够使反应器内的污泥解体死亡，本发明还有效提升
了反应器抵抗含铜废水不利影响的能力，提供了一种耐受Cu(II)的污
泥驯化方法。
(四)具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进一步说明，但本发明的保护范围
并不仅限于此：
实施例：
取平均氮去除率为15.6kgNm-3d-1的某高效厌氧氨氧化反应器
中的颗粒污泥，将1L该污泥接种于有效体积1.5L的升流式厌氧污
泥床反应器中。该反应器初始污泥浓度为16.7gL-1，进水pH为8.29±
0.15，反应器置于35±1℃且厌氧避光的恒温室中稳定运行16天后，
氮容积负荷稳定在16.0kgNm-3d-1左右，污泥活性为297.6mgNg-1
VSSd-1。
以模拟废水为进水基质，加入维持微生物生长的无机盐缓冲液和
微量元素，通过控制反应器中的氮容积负荷和向进水中加入的Cu(II)
(本实施例加入CuCl2·2H2O)的量分阶段运行。其中(NH4)2SO4与
NaNO2按1:2物质的量之比按各阶段所需量进行添加。进水中无机
盐缓冲液各组份的终浓度为：KH2PO410mgL-1，CaCl2·2H2O5.6mg
L-1，MgSO4·2H2O300mgL-1，KHCO31250mgL-1。
所述的进水添加微量元素Ⅰ配制液1.25mlL-1和微量元素Ⅱ配制
液1.25mlL-1，微量元素Ⅰ配制液及和微量元素Ⅱ配制液具体成分为：
微量元素Ⅰ配制液(gL-1):EDTA5.00，FeSO49.14。
微量元素Ⅱ配制液(gL-1):EDTA15.0，ZnSO4·7H2O0.430，
CoCl2·6H2O0.240，MnCl2·4H2O0.990，CuSO4·5H2O0.250，
NaMoO4·2H2O0.220，NiCl2·6H2O0.210，H3BO40.014。
所述的运行方法与Cu(II)浓度设置如下：第一阶段试验进水基质
浓度为NH4+-N280mgL-1，NO2--N280mgL-1，NH4+-N和NO2--N之
比为1:1，氮容积负荷为16kgNm-3d-1，反应器初始CuCl2·2H2O
投加浓度设置为5mgL-1并持续运行20天，反应器内的铜容积率为
0.15kgCum-3d-1，该阶段反应器的出水急剧恶化，第4天氮去除负
荷减少7.6kgNm-3d-1，约为初始时的一半，第9天时比初始值减少
了11.5kgNm-3d-1，活性丧失78％，此时降低进水基质浓度为NH4+-N
70mgL-1，NO2--N70mgL-1，NH4+-N和NO2--N之比仍为1:1，氮容
积负荷降至2.6kgNm-3d-1。第二阶段即第21天开始迅速降低反应器
进水CuCl2·2H2O浓度至0.5mgL-1，反应器内的铜容积率相应降至
0.01kgCum-3d-1，维持氮容积负荷为2.6kgNm-3d-1运行10天后，
反应器的氮去除负荷为0.1kgNm-3d-1，说明反应器内的抑制并无明
显缓解。第三阶段即第31天开始进水不添加CuCl2·2H2O，进行恢
复运行过程，第36天反应器的氮去除负荷为0.3kgNm-3d-1，运行到
第105天时反应器的氮去除负荷开始显著增加，为2.6kgNm-3d-1，
此时开始逐步增加进水基质浓度，同步缩短水力停留时间，在此期间
出水亚硝氮含量维持在10mgL-1以下，至第140天反应器氮去除负
荷上升到13.1kgNm-3d-1并保持稳定，此时基质浓度为NH4+-N280
mgL-1，NO2--N280mgL-1。第141天开始第四阶段的运行，从0调
节初始进水CuCl2·2H2O浓度至0.5mgL-1，当出水NH4+-N和NO2--N
稳定在10mgL-1左右时再次提升Cu(II)浓度，每次提升1mgL-1，进
水0.5～4.0mgL-1CuCl2·2H2O的浓度提升过程中，反应器内的铜容
积率从0.015kgCum-3d-1增加到0.12kgCum-3d-1，第167天当
CuCl2·2H2O浓度提升至5mgL-1时，出水受到一定冲击，但持续
运行5天内反应器的氮去除负荷维持在13.4±0.7kgNm-3d-1，与
第一阶段氮去除速负荷在5天内由14.8迅速降至7.2kgNm-3d-1比较，
说明按照所述运行方法，反应器内的厌氧氨氧化菌对含Cu(II)废水的
耐受性得到加强，处理含铜废水时的氮去除能力得到大幅提升，且能
长期稳定运行。