本发明涉及一种基于颗粒污泥的短程硝化-厌氧氨氧化一体化脱氮反应器及启动方法，属于污水生物处理技术领域。
背景技术：
短程硝化-厌氧氨氧化自养脱氮技术是一种新型的污水生物脱氮工艺。该工艺具有节省能源、无需外加碳源、污泥产量小、减少温室气体等诸多优势。目前，短程硝化-厌氧氨氧化自养脱氮工艺已经广泛应用于高氨氮、低碳氮比废水的处理，并取得了良好的环境效益和经济效益。短程硝化-厌氧氨氧化工艺的工作原理是，将氨氧化菌和厌氧氨氧化菌富集于同一个反应器中，通过曝气装置进行供氧和混合，反应器内的氨氧化细菌将污水中的氨氮氧化为亚硝态氮，厌氧氨氧化菌则以产生的亚硝态氮为电子受体将剩余氨氮氧化为氮气，从而实现生物脱氮的目的。一体化厌氧氨氧化自养脱氮工艺的微生物，常以絮体污泥和颗粒污泥混合的形式存在。絮体污泥的氧气传质阻力低，有利于氨氧化菌生长；而颗粒污泥的污泥龄长且氧气传质阻力高，有利于厌氧氨氧化菌的生长。实际工程运行中絮体污泥和颗粒污泥共存的体系具备一定的优点，但是也存在若干问题。首先，絮体污泥增长速率较颗粒污泥更快，容易造成氨氧化细菌和厌氧氨氧化菌活性的不匹配，从而产生亚硝积累并进一步引起厌氧氨氧化菌的抑制。其次，絮体污泥的存在要求系统的溶解氧保持在较低水平，如果提高溶解氧一方面造成亚硝积累，另一方面也会引起厌氧氨氧化菌的抑制，这导致絮体和颗粒污泥共存系统内的总氮去除负荷难以提高。最后，在沉淀阶段混合液中的亚硝态氮和氨氮反应产生氮气与絮体污泥结合，可能引起絮体污泥上浮，从而恶化出水水质。
技术实现要素：
本发明的目的是为了解决沉淀阶段混合液中的亚硝态氮和氨氮反应产生氮气与絮体污泥结合，可能引起絮体污泥上浮，从而恶化出水水质的技术问题，提供了一种颗粒污泥主导的一体化厌氧氨氧化脱氮反应器及方法。
颗粒污泥主导的一体化厌氧氨氧化脱氮反应器，该反应器包括曝气泵、流量计、曝气盘、放空管、进水管、取样口、水浴套、反应管、在线监测器、三相分离器、环形出水槽、锯齿形端面、出水管、出气管、水封排气筒、进水桶和进水泵，其特征在于反应管由上至下设有分离段A、过渡段B和反应段C，反应段C的内径小于分离段A的内径，分离段A上端面沿着周边设有锯齿形端面，分离段A上端沿外壁设有环形出水槽，环形出水槽上端设有上端盖，水封排气筒设置在上端盖上，出气管也设置在上端盖上，出气管上端位于上端盖上，出气管下端位于分离段A中，三相分离器设置在过渡段B中，三相分离器上端与出气管连通，在线监测器设在反应段C的外壁上，水浴套套装在反应段C上，水浴套上设有与反应管内腔相通的数个取样口和进水管，反应段C的下端设有下端盖，放空管设置在下端盖上并位于水浴套下端，循环水入口设置在下端盖上并位于反应管下端，曝气盘设置在反应管下端并位于进水管的下面，循环管一端与出气管相连，另一端与循环水入口相连，曝气泵和流量计通过曝气管与循环水入口相连，进水桶与进水管相连。
颗粒污泥主导的一体化厌氧氨氧化脱氮方法如下：
一、系统启动：
将絮体和颗粒的混合污泥经过500μm孔径筛子筛分，保留粒径大于500μm的颗粒污泥并投加到反应器中，另外投加1-2L粒径小于200μm的絮体污泥，使反应器污泥浓度达到2000-3500mg/L，絮体浓度为100-175mg/L；
二、运行程序：
原水由进水桶经进水泵通过进水管进入反应器中，至分离段A内水位位于锯齿形端面以下5-10cm时进水停止，开启曝气泵和循环泵曝气23h，然后沉淀3min，最后由取样口排水15min，反应过程中观测在线监测器的溶解氧值，调节流量计，控制反应器中溶解氧浓度为0.05-0.35mg/L，反应器内pH值为6.8-8.0，反应器内温度为30-32℃，反应器运行15-25d，当出水NH4+-N浓度为20-40mg/L，NO2--N浓度为4-10mg/L，反应器总氮去除负荷达到0.3-0.5kgN/(m3·d)时，颗粒污泥主导的一体化厌氧氨氧化脱氮系统启动成功；
三、反应器的稳定运行：
控制反应器的水力停留时间为6-12h，曝气泵和循环泵连续运转，控制反应器内的溶解氧为0.3-1.0mg/L，反应器内亚硝态氮浓度为4-10mg/L，污水在反应管内充分反应后，通过三相分离器进行气、固、液三相分离，颗粒污泥流入反应管，出水通过出锯齿形端面流入环形出水槽，再由出水管流出，反应器内余气则通过水封排气筒排出，反应器中的上升流速能够促进粒径小的絮体污泥随出水排出系统，即完成颗粒污泥主导的一体化厌氧氨氧化脱氮。
稳定运行阶段的调节操作：随着反应器总氮去除负荷的提高，需要增加进水负荷以保证反应器的去除能力的充分发挥，增加进水负荷的方法有：①进水浓度不变增加进水量，水力停留时间相应缩短但不低于6h，即反应负荷每增加一倍，进水量增加一倍，相应的水力停留时间缩短一倍。②进水量不变提高进水浓度，相应的水力停留时间不变，即反应负荷每增加一倍，进水浓度则增加一倍，但不高于700mg/L。在增加进水负荷的同时应该根据出水亚硝态氮和氨氮浓度相应提高曝气量，使得出水亚硝态氮浓度维持在4-10mg/L，氨氮浓度维持在20-40mg/L。当反应出水亚硝态氮浓度高于30mg/L时，应该及时调节流量计2减小曝气量，同时减小进水流量，直至出水亚硝态氮浓度低于10mg/L以下。
本发明通过调控反应器运行方式，促进一体化厌氧氨氧化系统内污泥形式从絮体污泥和颗粒污泥共存的混合体系向颗粒污泥主导的单一体系转化，可优化微生物分布结构，解决混合体系存在的问题，促进氨氧化菌和厌氧氨氧化菌之间的协同作用，实现一体化厌氧氨氧化系统的优化和稳定运行。
本发明方法分为两个阶段。第一阶段为启动阶段：首先以絮体污泥和颗粒污泥混合的一体化厌氧氨氧化活性污泥为接种污泥，通过筛分、淘洗絮体污泥，进行接种污泥预处理后加入反应器。然后，维持反应器适当的水力选择压，逐渐实现氨氧化细菌在颗粒污泥表面的富集生长。最后，颗粒污泥最终形成合理的微生物分布结构：外层以氨氧化菌等好氧细菌为主，颗粒内部以厌氧氨氧化菌为主，这也标志着一体化厌氧氨氧化颗粒污泥的成熟和稳定。第二阶段为稳定运行阶段，颗粒污泥形成后采用完全混合式反应器连续运行，通过水流的上升流速提供水力剪切力和选择压，用于絮体污泥的持续筛分和淘洗，实现基于颗粒污泥的一体化厌氧氨氧化自养脱氮工艺稳定高效的运行。
本发明与现有一体化厌氧氨氧化脱氮工艺相比具有如下优势：
1)通过筛分、淘洗絮体污泥实现了絮体+颗粒共存的污泥系统向颗粒污泥为主的一体化系统的转变；
2)基于颗粒污泥的一体化厌氧氨氧化工艺沉降速度快、反应负荷高、耐冲击负荷能力强、降低了溶解氧对厌氧氨氧化菌的抑制；
3)反应器在启动过程中采用序批式运行方式，便于调控；反应器启动之后采用完全混合式的连续流方式运行，提供了较好的水力条件和上升流速，促进颗粒的形成和絮体的淘洗，有利于系统的稳定；
采用内置沉淀池，减小了占地面积，无需污泥回流，减小能耗；采用气体循环，保证了良好的混合状态且易于控制低溶解氧。
采用本发明反应器总氮去除率稳定高于85％。
附图说明
图1是本发明颗粒污泥主导的一体化厌氧氨氧化脱氮反应器的结构示意图。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。
具体实施方式一：本实施方式颗粒污泥主导的一体化厌氧氨氧化脱氮反应器，该反应器包括曝气泵1、流量计2、曝气盘4、放空管5、进水管6、取样口7、水浴套8、反应管9、在线监测器10、三相分离器11、环形出水槽12、锯齿形端面13、出水管14、出气管15、水封排气筒16、进水桶17和进水泵18，其特征在于反应管9由上至下设有分离段A、过渡段B和反应段C，反应段C的内径小于分离段A的内径，分离段A上端面沿着周边设有锯齿形端面13，分离段A上端沿外壁设有环形出水槽12，环形出水槽12上端设有上端盖19，水封排气筒16设置在上端盖19上，出气管15也设置在上端盖19上，出气管15上端位于上端盖19上，出气管15下端位于分离段A中，三相分离器11设置在过渡段B中，三相分离器11上端与出气管15连通，在线监测器10设在反应段C的外壁上，水浴套8套装在反应段C上，水浴套8上设有与反应管9内腔相通的数个取样口7和进水管6，反应段C的下端设有下端盖21，放空管5设置在下端盖21上并位于水浴套8下端，循环水入口22设置在下端盖21上并位于反应管9下端，曝气盘4设置在反应管9下端并位于进水管6的下面，循环管20一端与出气管15相连，另一端与循环水入口22相连，曝气泵1和流量计2通过曝气管24与循环水入口22相连，进水桶17与进水管6相连。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是所述循环管20上设有循环泵3。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同的是所述进水桶17与进水管6间设有进水泵18。其它与具体实施方式一或二之一相同。
具体实施方式四：采用具体实施方式一所述颗粒污泥主导的一体化厌氧氨氧化脱氮反应器颗粒污泥主导的一体化厌氧氨氧化脱氮方法，该方法如下：
一、系统启动：
将絮体和颗粒的混合污泥经过500μm孔径筛子筛分，保留粒径大于500μm的颗粒污泥并投加到反应器中，另外投加1-2L粒径小于200μm的絮体污泥，使反应器污泥浓度达到2000-3500mg/L，絮体浓度为100-175mg/L；
二、运行程序：
原水由进水桶17经进水泵18通过进水管6进入反应器中，至分离段A内水位位于锯齿形端面13以下5-10cm时进水停止，开启曝气泵1和循环泵3曝气23h，然后沉淀3min，最后由取样口7排水15min，反应过程中观测在线监测器10的溶解氧值，调节流量计2，控制反应器中溶解氧浓度为0.05-0.35mg/L，反应器内pH值为6.8-8.0，反应器内温度为30-32℃，反应器运行15-25d，当出水NH4+-N浓度为20-40mg/L，NO2--N浓度为4-10mg/L，反应器总氮去除负荷达到0.3-0.5kgN/(m3·d)时，颗粒污泥主导的一体化厌氧氨氧化脱氮系统启动成功；
三、反应器的稳定运行：
控制反应器的水力停留时间为6-12h，曝气泵1和循环泵3连续运转，控制反应器内的溶解氧为0.3-1.0mg/L，反应器内亚硝态氮浓度为4-10mg/L，污水在反应管9内充分反应后，通过三相分离器11进行气、固、液三相分离，颗粒污泥流入反应管9，出水通过出锯齿形端面13流入环形出水槽12，再由出水管14流出，反应器内余气则通过水封排气筒16排出，反应器中的上升流速能够促进粒径小的絮体污泥随出水排出系统，即完成颗粒污泥主导的一体化厌氧氨氧化脱氮。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四不同的是步骤二中采用NaHCO3调节pH值。其它与具体实施方式四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式四或五不同的是步骤一中应器污泥浓度达到3000mg/L，絮体浓度为150mg/L。其它与具体实施方式四或五相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式四至六之一不同的是步骤二中控制反应器中溶解氧浓度为0.25mg/L。其它与具体实施方式四至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式四至七之一不同的是步骤二中反应器内pH值为7.0。其它与具体实施方式四至七之一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式四至八之一不同的是步骤三中水力停留时间为10h。其它与具体实施方式四至八之一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式四至九之一不同的是步骤三中控制反应器内的溶解氧为0.5mg/L，反应器内亚硝态氮浓度为8mg/L。其它与具体实施方式四至九之一相同。
采用下述实验验证本发明效果：
实验一：
颗粒污泥主导的一体化厌氧氨氧化脱氮方法方法如下：
一、系统启动：
将絮体和颗粒的混合污泥经过500μm孔径筛子筛分，保留粒径大于500μm的颗粒污泥并投加到反应器中，另外投加1-2L粒径小于200μm的絮体污泥，使反应器污泥浓度达到2500-3100mg/L，絮体浓度为110-150mg/L；
二、运行程序：
原水由进水桶17经进水泵18通过进水管6进入反应器中，至分离段A内水位位于锯齿形端面13以下8cm时进水停止，开启曝气泵1和循环泵3曝气23h，然后沉淀3min，最后由取样口7排水15min，反应过程中观测在线监测器10的溶解氧值，调节流量计2，控制反应器中溶解氧浓度为0.1-0.3mg/L，反应器内pH值为7.0(如果进水pH低于7.0可通过投加NaHCO3调节)，反应器内温度为30-32℃(通过调节外围水浴的温度控制)，反应器运行15-25d，当出水NH4+-N浓度为30mg/L，NO2--N浓度为5mg/L(反应过程中当NO2--N浓度高于30mg/L时，应及时关停曝气泵1，仅开启循环泵3进行搅拌。当亚硝态氮浓度高于20mg/L时，需要调节流量计2以减小曝气量。)，反应器总氮去除负荷达到0.3-0.5kgN/(m3·d)时，颗粒污泥主导的一体化厌氧氨氧化脱氮系统启动成功；
三、反应器的稳定运行：
控制反应器的水力停留时间为6-12h，曝气泵1和循环泵3连续运转，控制反应器内的溶解氧为0.3-1.0mg/L，反应器内亚硝态氮浓度为4-10mg/L，污水在反应管9内充分反应后，通过三相分离器11进行气、固、液三相分离，颗粒污泥流入反应管9，出水通过出锯齿形端面13流入环形出水槽12，再由出水管14流出，反应器内余气则通过水封排气筒16排出，反应器中的上升流速能够促进粒径小的絮体污泥随出水排出系统，即完成颗粒污泥主导的一体化厌氧氨氧化脱氮。
稳定运行阶段的调节操作：随着反应器总氮去除负荷的提高，需要增加进水负荷以保证反应器的去除能力的充分发挥，增加进水负荷的方法有：①进水浓度不变增加进水量，水力停留时间相应缩短但不低于6h，即反应负荷每增加一倍，进水量增加一倍，相应的水力停留时间缩短一倍。②进水量不变提高进水浓度，相应的水力停留时间不变，即反应负荷每增加一倍，进水浓度则增加一倍，但不高于700mg/L。在增加进水负荷的同时应该根据出水亚硝态氮和氨氮浓度相应提高曝气量，使得出水亚硝态氮浓度维持在4-10mg/L，氨氮浓度维持在20-40mg/L。当反应出水亚硝态氮浓度高于30mg/L时，应该及时调节流量计2减小曝气量，同时减小进水流量，直至出水亚硝态氮浓度低于10mg/L以下。
试验结果表明：本发明反应器启动21天总氮去除负荷可以达到0.36kgN/(m3·d)以上，絮体污泥浓度约占反应器混合液浓度的7％，反应器溶解氧浓度从启动初期的0.06-0.15mg/L提高到0.20-0.35mg/L，出水氨氮浓度低于45mg/L，亚硝态氮浓度维持在0-18mg/L，总氮去除率达到80％以上，硝态氮产生比例持续小于8％，低于理论值11％。表明反应器启动成功。
反应器从第22天开始采用连续流运行，采用进水氨氮浓度不变维持在380-450mg/L，进水流量逐渐增加的运行策略。经过35天运行，反应器总氮去除负荷从0.36kgN/(m3·d)提高到1.2kgN/(m3·d)，并能够稳定维持。总氮去除率稳定高于85％。