本发明涉及一种分段出水短程硝化-anammox/反硝化处理生活污水的装置和方法，属于污水生物脱氮除磷技术领域。生活污水进入短程硝化反应器，先缺氧搅拌反硝化去除上周期剩余的亚硝态氮，1/3排水为厌氧氨氧化反应提供氨氮；再厌氧搅拌释磷，接着曝气进行短程硝化和好氧吸磷，二次排水1/3为厌氧氨氧化反应提供亚硝态氮；反硝化菌利用第一次排水中的原水碳源将厌氧氨氧化反应产生的硝态氮还原为氮气。短程硝化反应器采用缺氧-厌氧-好氧的运行方式，并定期排泥，即淘洗了亚硝氧化细菌，以达到维持稳定短程的目的，又能去除原水中的磷。
背景技术：
随着社会经济的发展和人民生活水平的提高，工业和生活排放的废水中氮磷的含量越来越高，由此引起的水体富营养化现象越来越严重，城市生活污水的脱氮除磷问题逐渐受到重视。我国污水处理厂面临的主要问题是进水碳源不足，直接影响了总氮的去除效率，而采用投加外碳源的方式进行深度脱氮会增加污水厂的运行费用，因此如何充分利用原水碳源，如何提高传统工艺的脱氮效果，是现阶段污水处理领域的重要问题。
厌氧氨氧化作为一种新型的自养脱氮工艺，是指在厌氧或缺氧条件下，厌氧氨氧化细菌以no2--n作为电子受体，直接将nh4+-n氧化为n2的过程。与传统工艺相比，厌氧氨氧化工艺无需供氧，无需添加有机碳源，无需外加酸碱中和试剂，同时污泥产量减少了90％，是目前已知最简洁和最经济的生物脱氮途径。现有的研究多集中于该工艺在人工配水以及高氨氮废水中的应用，其在城市生活污水中的应用还存在以下难点：1、低氨氮废水较难实现短程硝化，从而难以为厌氧氨氧化反应提供亚硝态氮；2、厌氧氨氧化菌生长缓慢，世代周期长，导致工艺启动时间长；3、厌氧氨氧化菌对环境条件较为敏感，如温度、溶解氧等；4.厌氧氨氧化反应过程会伴随部分硝态氮的产生，难以达到深度脱氮。因此该工艺研究的重点是如何获得稳定的亚硝来源，如何在特定厌氧反应器中实现并维持足够的生物量，提高厌氧氨氧化的活性和脱氮效率，如何有效利用原水碳源去除反应产生的硝态氮来达到深度脱氮。
短程硝化可以作为获得亚硝态氮的来源，与传统脱氮过程相比，短程硝化可以节省25％的曝气量以及40％的有机碳源，并可实现较低的污泥产量，因而在低c/n生活污水的脱氮过程中起到了节省能耗的作用。
在传统uasb反应器中，上升流的水力条件易使厌氧氨氧化菌流失，影响反应效果，而生物膜反应器不仅可以有效持留污泥，富集厌氧氨氧化菌，更能在生物膜内部形成较好的厌氧环境，为厌氧氨氧化菌提供利于其生长的条件。目前普遍存在的问题是出水硝态氮浓度很高，总氮难以达标，以生物膜形式实现厌氧氨氧化与反硝化的耦合，充分利用原水中的部分有机物作为碳源将硝态氮反硝化为氮气，从而解决这个问题。
技术实现要素：
为了解决上述问题，本发明的目的是充分利用原水碳源，以生物膜形式实现厌氧氨氧化与反硝化的耦合，达到深度脱氮的目的。本发明以海绵填料为生物膜载体，生物膜内层厌氧环境下的厌氧氨氧化菌，利用分段出水短程硝化反应器第一次出水中的氨氮与第二次出水中的亚硝态氮进行自养脱氮，外层缺氧环境下的反硝化菌利用短程硝化反应器第一次出水中的原水碳源，将厌氧氨氧化反应产生的硝态氮反硝化为氮气，从而实现深度脱氮。
为实现上述目的，本发明提供一种分段出水短程硝化-anammox/反硝化处理生活污水的装置，包括原水箱(1)、短程硝化反应器(2)、第一中间水箱(3)、第二中间水箱(4)、anammox/反硝化生物膜反应器(5)；原水箱(1)设置有进水泵ⅰ(1.1)，短程硝化反应器(2)中设置有温控装置(2.1)、搅拌装置(2.2)、ph测定仪(2.3)、do测定仪(2.4)、排水阀ⅰ(2.5)、排水阀ⅱ(2.6)、曝气头(2.7)、排泥阀(2.8)、气体流量计(2.9)、空气阀(2.10)和空气压缩机(2.11)，第一中间水箱(3)设置有进水泵ⅱ(3.1)，第二中间水箱(4)设置有进水泵ⅲ(4.1)、进水阀(4.2)，anammox/反硝化生物膜反应器(5)设置有集气装置(5.1)、出水管(5.2)、三相分离器(5.3)、填料(5.4)、加热带装置(5.5)、布水装置(5.6)、循环泵(5.7)、循环阀(5.8)、排空阀(5.9)。
所述原水箱(1)通过进水泵ⅰ(1.1)与短程硝化反应器(2)进水端相连接；短程硝化反应器(2)通过排水阀ⅰ(2.5)、排水阀ⅱ(2.6)与第一中间水箱(3)相连接；第一中间水箱(3)的出水端通过进水泵ⅱ(3.1)与第二中间水箱(4)相连接；第二中间水箱(4)的出水端通过进水泵ⅲ(4.1)、进水阀(4.2)与(5)anammox/反硝化生物膜反应器相连接。
anammox/反硝化生物膜反应器(5)外侧设有集气装置(5.1)，顶部设有三相分离器(5.3)，三相分离器通过管道和循环泵(5.7)与反应器底部相连接进行内循环，通过出水管(5.2)进行排水；anammox/反硝化生物膜反应器内部置有填料(5.4)，反应器壁缠有温控加热带装置(5.5)，底部设有布水装置(5.6)。
本发明同时提供一种分段出水短程硝化-anammox/反硝化处理生活污水的方法，包括以下步骤：
系统启动操作如下：
1)分段出水短程硝化反应器的启动：以实际城市生活污水处理厂的硝化污泥为接种污泥注入短程硝化反应器(2)，控制污泥浓度为2500-4000mg/l，水力停留时间4-8h，污泥停留时间20-30天；
2)anammox/反硝化生物膜反应器的启动：以城市污水厌氧氨氧化反应器中的污泥为接种污泥，控制污泥浓度为5000-6000mg/l，投加到放置了填料的anammox/反硝化生物膜反应器中，填充比为30％～50％，填料采用聚氨酯海绵填料，孔径20-25ppi，水力停留时间3-5h；
运行调节时操作如下：
1)分段出水短程硝化反应器的运行调节：将实际城市生活污水加入原水箱(1)，通过进水泵ⅰ(1.1)打入短程硝化反应器中；先缺氧搅拌10-20min，静置30min开启排水阀ⅰ(2.5)，第一次排水到第一中间水箱(3)；接着厌氧搅拌30-60min，再启动曝气装置(2.1)进行硝化作用，调节气体流量计(2.8)使硝化过程中溶解氧维持在1.5-2mg/l，用氢氧化钠调节ph值使其维持在8.0-8.5，静置沉淀30min-60min，开启排水阀ⅱ(2.6)第二次出水进入第一中间水箱(3)；sbr排水比为0.4，每天运行3-4个周期，每个周期包括进水，缺氧搅拌，沉淀，排水，厌氧搅拌，曝气，沉淀，排水，闲置，在上述条件下运行sbr反应器(2)，当出水亚硝酸盐积累率大于90％且持续维持15天以上时，短程硝化反应器启动成功；
2)anammox/反硝化生物膜反应器的运行调节：进水采用nh4+-n与no2--n质量比为1:1的人工配水，起始tn浓度为20mg/l并以20mg/l的梯度逐步增大氮负荷直到60mg/l，每次增大氮负荷的时间点是自养脱氮率超过95％且持续维持10天以上，最后完成对anammox/反硝化生物膜反应器的厌氧氨氧化驯化处理；进水采用nh4+-n与no2--n质量比为1:1且tn为60mg/l的人工配水，同时投加乙酸钠作为反硝化碳源使scod浓度为30-40mg/l，当tn去除率高于90％且持续维持15天以上时，厌氧氨氧化和反硝化的耦合成功实现。
分段出水短程硝化反应器与anammox/反硝化生物膜反应器分别运行稳定后，与原水箱、中间水箱按装置图顺序连接运行：原水箱中的生活污水泵入短程硝化反应器中，首先进行缺氧搅拌反硝化，期间通过ph的变化判断反硝化终点，待ph下降后反硝化结束，沉淀30min泥水分离后，开启排水阀ⅰ，第一次排水到第一中间水箱；接着搅拌利用原水碳源厌氧释磷；开启曝气并控制起始do维持在1.5-2mg/l，在曝气状态下反应器中的硝化菌直接利用原水中的氨氮进行短程硝化反应，期间通过ph和do的变化来判断短程硝化的终点，待ph和do均出现上升时，停止曝气和搅拌，进入沉淀阶段，泥水分离后，开启排水阀ⅱ，使上清液进入第一中间水箱，短程硝化sbr反应器污泥龄20-30天。
第一中间水箱的混合出水在每个周期结束后通过进水泵ⅱ打入第二中间水箱，第二中间水箱为anammox/反硝化生物膜反应器提供连续进水，控制anammox/反硝化生物膜反应器水力停留时间3-5h，处理后出水通过出水管排出。
本发明的技术原理如下：
本发明所处理的城市生活污水c/n小于3，进水氨氮浓度范围为50-70mg/l。原水箱中的生活污水进入分段出水短程硝化反应器，分段出水短程硝化反应器采用缺氧-厌氧-好氧的运行方式，排水比为40％，先进行缺氧搅拌反硝化，期间通过ph的变化判断反硝化终点，待ph下降后反硝化结束，沉淀30min泥水分离后，开启排水阀ⅰ，第一次排水到第一中间水箱；接着厌氧搅拌利用原水碳源厌氧释磷；开启曝气并控制起始do维持在1.5-2mg/l，在曝气状态下反应器中的硝化菌直接利用原水中的氨氮进行短程硝化反应，期间通过ph和do的变化来判断短程硝化的终点，待ph和do均出现上升时，停止曝气和搅拌，进入沉淀阶段，泥水分离后，开启排水阀ⅱ，使上清液进入第一中间水箱。第一中间水箱的混合出水在每个周期结束后通过进水泵ⅱ打入第二中间水箱，第二中间水箱为anammox/反硝化生物膜反应器提供连续进水，并控制水力停留时间3-5h，在上述条件下进行厌氧氨氧化和反硝化的耦合处理，生物膜内层厌氧环境下的厌氧氨氧化菌，利用分段出水短程硝化反应器第一次出水中的氨氮，和第二次出水中的亚硝态氮进行自养脱氮，外层缺氧环境下的反硝化菌利用短程硝化反应器第一次出水中的原水碳源，将厌氧氨氧化反应出水中的硝态氮反硝化为氮气，从而实现深度脱氮。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、通过生物膜有效持留厌氧氨氧化污泥。生物膜系统具有较长的污泥停留时间，适宜培养生长速率较慢的厌氧氨氧化菌。且生物膜系统具有良好的耐冲击性能，有利于厌氧氨氧化反应器的长期稳定运行。
2、分段出水充分利用原水碳源。低碳氮比生活污水在不投加外碳源的条件下总氮难以达标，本发明将生活污水中碳源一碳两用，即用于短程硝化反应器中去除上周期剩余亚硝态氮，又用于生物膜反应器中反硝化去除厌氧氨氧化反应产生的硝态氮，从而实现深度脱氮。
3、通过控制溶解氧、曝气时间以及定期排泥的方法，来实现短程硝化，能够获得稳定的亚硝来源，并且节约能耗。
4、生物膜系统中菌种丰富，反硝化菌和厌氧氨氧化菌互利共生，生物膜外层生长的反硝化菌可利用原水中的碳源，将厌氧氨氧化细菌产生的硝态氮还原为氮气。
附图说明
图1为本发明装置的结构图。
主要符号说明如下：
1-原水箱2-短程硝化反应器3-第一中间水箱
4-第二中间水箱5-anammox/反硝化生物膜反应器
1.1-进水泵ⅰ2.1-温控装置2.2-搅拌装置
2.3-ph测定仪2.4-do测定仪2.5-排水阀ⅰ
2.6-排水阀ⅱ2.7-曝气头2.8-排泥阀
2.9-气体流量计2.10-空气阀2.11-空气压缩机
3.1-进水泵ⅱ4.1-进水泵ⅲ4.2-进水阀
5.1-集气装置5.2-出水管5.3-三相分离器
5.4-填料5.5-加热带装置5.6-布水装置
5.7-循环泵5.8-循环阀5.9-排空阀
具体实施方式
结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，分段出水短程硝化-anammox/反硝化处理生活污水的装置，包括原水箱(1)、短程硝化反应器(2)、第一中间水箱(3)、第二中间水箱(4)、anammox/反硝化生物膜反应器(5)。原水箱(1)通过进水泵ⅰ(1.1)与短程硝化反应器(2)进水端相连接；短程硝化反应器(2)通过排水阀ⅰ(2.5)、排水阀ⅱ(2.6)与第一中间水箱(3)相连接；第一中间水箱(3)的出水端通过进水泵ⅱ(3.1)与第二中间水箱(4)相连接；第二中间水箱(4)的出水端通过进水泵ⅲ(4.1)、进水阀(4.2)与(5)anammox/反硝化生物膜反应器相连接。anammox/反硝化生物膜反应器(5)外侧设有集气装置(5.1)，顶部设有三相分离器(5.3)，三相分离器通过管道和循环泵(5.7)与反应器底部相连接进行内循环，通过出水管(5.2)进行排水；anammox/反硝化生物膜反应器内部置有填料(5.4)，反应器壁缠有温控加热带装置(5.5)，底部设有布水装置(5.6)。
本发明试验用水采用北京工业大学家属区排放的生活污水，具体水质：ph为7.1-7.9，cod浓度为120-150mg/l，nh4+-n浓度为50-70mg/l，no2--n及no3--n均在检测限以下，cod/n比为2-3。试验接种污泥分别来自城市污水处理厂污泥消化系统、城市生活污水中试厌氧氨氧化系统。所用分段出水短程硝化反应器有效容积为10l，排水比为0.6，污泥停留时间20d，每天运行3个周期，每个周期包括进水(0.25h)，搅拌(0.25h)，沉淀(0.5h)，第一次排水(0.25h)，搅拌(1h)，曝气(4h)，沉淀(0.5h)，第二次排水(0.25h)，闲置(1h)；anammox/反硝化生物膜系统的有效容积为5l，水力停留时间为4.5h，内循环回流比100％。具体运行过程如下：
(1)向原水箱中注满生活污水。
(2)系统启动操作如下：
1)分段出水短程硝化反应器的启动：以实际城市生活污水处理厂的硝化污泥为接种污泥注入短程硝化反应器(2)，控制污泥浓度为2500-4000mg/l，水力停留时间4-8h，污泥停留时间20-30天；
2)anammox/反硝化生物膜反应器的启动：以城市污水厌氧氨氧化反应器中的污泥为接种污泥，控制污泥浓度为5000-6000mg/l，投加到放置了填料的anammox/反硝化生物膜反应器中，填充比为30％～50％，填料采用聚氨酯海绵填料，孔径20-25ppi，水力停留时间3-5h；
(3)运行调节时操作如下：
1)分段出水短程硝化反应器的运行调节：将实际城市生活污水加入原水箱(1)，通过进水泵ⅰ(1.1)打入短程硝化反应器中；先缺氧搅拌10-20min，静置30min开启排水阀ⅰ(2.5)，第一次排水到第一中间水箱(3)；接着厌氧搅拌30-60min，再启动曝气装置(2.1)进行硝化作用，调节气体流量计(2.8)使硝化过程中溶解氧维持在1.5-2mg/l，用氢氧化钠调节ph值使其维持在8.0-8.5，静置沉淀30min-60min，开启排水阀ⅱ(2.6)第二次出水进入第一中间水箱(3)；sbr排水比为0.4，每天运行3-4个周期，每个周期包括进水，缺氧搅拌，沉淀，排水，厌氧搅拌，曝气，沉淀，排水，闲置，在上述条件下运行sbr反应器(2)，当出水亚硝酸盐积累率大于90％且持续维持15天以上时，短程硝化反应器启动成功；
2)anammox/反硝化生物膜反应器的运行调节：进水采用nh4+-n与no2--n质量比为1:1的人工配水，起始tn浓度为20mg/l并以20mg/l的梯度逐步增大氮负荷直到60mg/l，每次增大氮负荷的时间点是自养脱氮率超过95％且持续维持10天以上，最后完成对anammox/反硝化生物膜反应器的厌氧氨氧化驯化处理；进水采用nh4+-n与no2--n质量比为1:1且tn为60mg/l的人工配水，同时投加乙酸钠作为反硝化碳源使scod浓度为30-40mg/l，当tn去除率高于90％且持续维持15天以上时，厌氧氨氧化和反硝化的耦合成功实现。
3)分段出水短程硝化反应器与anammox/反硝化生物膜反应器分别运行稳定后，与原水箱、中间水箱按装置图顺序连接运行：原水箱中的生活污水泵入短程硝化反应器中，首先进行缺氧搅拌反硝化，期间通过ph的变化判断反硝化终点，待ph下降后反硝化结束，沉淀30min泥水分离后，开启排水阀ⅰ，第一次排水到第一中间水箱；接着搅拌利用原水碳源厌氧释磷；开启曝气并控制起始do维持在1.5-2mg/l，在曝气状态下反应器中的硝化菌直接利用原水中的氨氮进行短程硝化反应，期间通过ph和do的变化来判断短程硝化的终点，待ph和do均出现上升时，停止曝气和搅拌，进入沉淀阶段，泥水分离后，开启排水阀ⅱ，使上清液进入第一中间水箱，短程硝化sbr反应器污泥龄20-30天。
第一中间水箱的混合出水在每个周期结束后通过进水泵ⅱ打入第二中间水箱，第二中间水箱为anammox/反硝化生物膜反应器提供连续进水，控制anammox/反硝化生物膜反应器水力停留时间3-5h，处理后出水通过出水管排出。
试验结果表明：运行稳定后，在不投加外碳源的情况下，系统出水cod浓度为40-60mg/l，nh4+-n浓度为<5mg/l，no2--n<1mg/l，no3--n<5mg/l，tn<10mg/l，达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(gb18918-2002)一级a标准。