本发明涉及一种低氧硝化耦合短程反硝化厌氧氨氧化处理生活污水的装置及方法，属于生化法污水生物处理技术领域。将富集驯化的低溶解氧硝化反应器与短程反硝化厌氧氨氧化工艺相结合，在无外加碳源条件下，通过优化工艺参数及进水流量分配实现该装置的深度脱氮同时降低处理能耗。特别适用于低c/n城镇污水及工业废水的深度脱氮处理。
背景技术：
活性污泥法广泛用于各类污水中的氮磷等污染物的去除，利用活性污泥法进行的传统生物脱氮过程是在好氧条件下将氨氮转化为硝态氮，缺氧阶段利用有机物作为电子供体将硝态氮还原为氮气实现氮的去除。
在硝化过程中，溶解氧浓度是影响硝化效率和运行成本的主要参数之一，与其相关的曝气能耗占污水处理总能耗的50％以上。为降低处理成本，低能耗短程硝化关键技术成为近年来的研究热点，但其存在难启动、易破坏等缺点制约了短程硝化技术的广泛应用。研究发现，在长期低溶解氧条件下可以驯化富集得到稳定的低溶解氧全程硝化污泥，该活性污泥与传统硝化污泥相比，具有较稳定的比硝化速率，同时可以节省溶解氧消耗。
在传统反硝化脱氮过程中，反硝化菌利用有机物作为电子供体，将硝态氮还原为氮气，每还原1g硝态氮为氮气需要消耗cod的理论值为2.85g。对于低c/n比城市生活污水，常常需要在反硝化阶段投加甲醇等有机碳源以保证出水中硝态氮的达标排放，这无疑会增加处理成本。短程反硝化厌氧氨氧化联用技术是在缺氧状态下，首先利用异养反硝化菌将硝态氮还原为亚硝态氮，然后利用厌氧氨氧化菌，以亚硝酸氮为电子受体，将氨氮氧化为氮气的生物自养脱氮过程。与传统反硝化脱氮技术相比，短程反硝化厌氧氨氧化联用技术降低了对有机碳源的需求量，同时具有污泥产率低和运行稳定等优点。
城市生活污水普遍存在碳源不足的问题，在使用传统活性污泥处理工艺时会导致碳源不足引起的脱氮效率较低，难以达标排放。若增加深度处理则会提高运行成本高、增加占地面积。因此，如何通过耦合污水脱氮处理的关键技术开发出节能降耗污水深度脱氮工艺，提高低c/n比生活污水中碳源的有效利用，在保证废水高效脱氮基础上降低处理成本及运行费用，实现节能、高效深度脱氮技术于一体的组合系统，已成为现阶段污水处理领域的重大需求。
技术实现要素：
本发明的目的是针对处理低c/n城市污水面临处理效率低和运行能耗高的两大技术难题，结合驯化富集低溶解氧硝化污泥、同步硝化反硝化和短程反硝化厌氧氨氧化联用等关键技术，提出一种节能降耗深度处理低c/n生活污水的装置及方法，即生活污水分为两股依次进入两个sbr中，在第一个sbr中，富集驯化低溶解氧全程硝化污泥，同时通过优化进水方式充分利用第一股进水中的有机碳源，强化系统的同步硝化反硝化效果；在第二个sbr中，首先利用第二股生活污水中的有机碳源将第一个sbr反应器出水中的硝态氮还原为亚硝态氮，随后厌氧氨氧化菌以还原产物亚硝态氮和进水中的氨氮为底物进行自养脱氮，厌氧氨氧化反应产生的部分硝态氮可以在下一个周期中被还原为亚硝态氮而得到去除，使系统中不会发生硝态氮的积累，提高总氮去除率。本发明通过投加填料富集功能菌种、优化进水流量分配、排水比及进水方式等运行参数，在不外加有机碳源的条件下，实现低c/n生活污水的深度脱氮，同时具有运行费用低、污泥产率低、易于运行调控等优点。为城镇污水处理厂提标改造提供理论基础和技术支持。
为了达到上述设计目的，本发明采用的技术方案如下：
一种低氧硝化耦合短程反硝化厌氧氨氧化处理生活污水的装置，主要由污水水箱、snd-sbr反应器、中间水箱、a-sbr反应器和出水箱组成；所述污水水箱经进水管由snd-sbr进水泵和a-sbr进水泵分别连接到snd-sbr反应器和a-sbr反应器，snd-sbr反应器通过中间水箱及回流泵与a-sbr反应器连接，a-sbr反应器经过排水阀与出水箱连接。其特征在于：所述snd-sbr反应器和a-sbr反应器中均安装有搅拌器；所述snd-sbr反应器中设有曝气装置；所述snd-sbr反应器中安装有溶解氧测定仪，在线对曝气装置的曝气量进行实时监控，保证snd-sbr反应器反应过程中的do浓度在0.2-0.4mg/l范围内；所述snd-sbr反应器和a-sbr反应器中均填充有聚氨酯泡沫悬浮生物填料。在snd-sbr反应器中，填料的体积填充比为40％-50％，全部功能微生物均附着生长在泡沫填料上，以省去泥水分离环节，在增加排水比的同时防止污泥流失，此外，泡沫填料内部的多孔结构创造了内部缺氧外部好氧的微环境，以强化snd-sbr反应器中的同步硝化反硝化效果；在a-sbr反应器中，泡沫用于富集和持留短程反硝化菌，填料的体积填充比为15％-20％。
低氧硝化耦合短程反硝化厌氧氨氧化处理生活污水的方法，该方法的具体步骤为：
1)反应器的启动运行：在snd-sbr反应器中，接种取自传统污水处理厂的回流污泥，接种后混合液污泥浓度为4000-5000mg/l。利用含nh4+-n浓度为50-60mg/l人工配水驯化富集低溶解氧硝化细菌。nh4+-n硝化反应过程中，控制较低的曝气量使do浓度维持在0.2-0.4mg/l浓度范围内。在进水曝气3h内，混合液中nh4+-n<5mg/l时，认为snd-sbr反应器低溶解氧硝化细菌富集完成。此时，向snd-sbr反应器中投加聚氨酯泡沫悬浮生物填料，填料的体积填充比为40％-50％，同时snd-sbr的进水由人工配水改为实际生活污水，当混合液中nh4+-n<5mg/l，no3--n<30mg/l时，确认snd-sbr反应器启动结束，进入平稳运行阶段；在a-sbr反应器中，接种已经挂好短程反硝化生物膜的聚氨酯泡沫悬浮生物填料和厌氧氨氧化颗粒，a-sbr反应器中填料的体积填充比为15％-20％，厌氧氨氧化颗粒污泥浓度为2000-3000mg/l。
2)当snd-sbr反应器启动结束之后，生活污水分为两部分经snd-sbr进水泵和a-sbr进水泵进入snd-sbr反应器和a-sbr反应器。第一股原水通过脉冲进水方式进入snd-sbr反应器，在do浓度为0.2-0.4mg/l条件下连续曝气3-4.5h，附着生长在填料外部的低溶解氧硝化菌通过硝化作用将原水中的氨氮转换为硝态氮，附着在填料内部的异养菌利用原水中的有机物将产生的硝态氮进行反硝化脱氮处理。
3)曝气结束后，富含硝态氮的出水排入到中间水箱(4)，后与第二股原水体积比按3：1分别经回流泵(5)和a-sbr进水泵(6)进入a-sbr反应器(7)，a-sbr反应器(7)进水混合后的硝态氮和氨氮质量浓度比在1.6-1.8范围内。缺氧搅拌2-3h，附着生长在填料上的短程反硝化菌以原水中有机物为电子供体，将硝态氮还原至亚硝态氮，厌氧氨氧化颗粒将产生的亚硝态氮和原水中的氨氮转换为氮气。厌氧氨氧化颗粒污泥浓度2000-3000mg/l。反应结束后，出水经排水阀排入出水箱，排水比80％。
本发明所述的低氧硝化耦合短程反硝化厌氧氨氧化处理生活污水的装置和方法的有益效果是：将驯化富集低溶解氧硝化污泥、同步硝化反硝化和短程反硝化厌氧氨氧化联用等关键技术有机结合并对进水方式和工艺运行参数进行合理优化，最大限度利用原水中有机碳源，实现低能耗、深度脱氮于一体的组合系统。⑴驯化富集的低溶解氧硝化污泥在低溶解氧(do＝0.2-0.4mg/l)条件下，以相对稳定的硝化速率实现氨氮的高效氧化。与传统硝化污泥相比，节省曝气量，降低运行成本；⑵最大限度的利用了原水中的有机碳源，用于反硝化脱氮和短程反硝化为厌氧氨氧化反应提供底物，在无需额外投加有机碳源条件下，实现低c/n比污水的深度脱氮；⑶通过投加悬浮填料的方式使功能微生物附着生长在填料上，增加系统中的生物量，同时创造有利于异养反硝化菌生长的微环境，提高脱氮效率，减少泥水分离时间；⑷工艺启动运行简单易控，能够快速实现稳定脱氮。
附图说明
图1为本发明所述低氧硝化耦合短程反硝化厌氧氨氧化处理生活污水装置的结构示意图；
其中：1-污水水箱；2-snd-sbr进水泵；3-snd-sbr反应器；4-中间水箱；5-回流泵；6-a-sbr进水泵；7-a-sbr反应器；8-出水箱；9-搅拌器；10-空气泵；11-气体流量计；12-曝气装置；13-溶解氧测定仪；14-聚氨酯泡沫悬浮生物填料。
具体实施方式
下面结合附图1对本发明的最佳实施方案作进一步的详细的描述。
如图1所示，本发明实施例所述低氧硝化耦合短程反硝化厌氧氨氧化处理生活污水的装置，主要由顺次连接的污水水箱(1)、snd-sbr反应器(3)、中间水箱(4)、a-sbr反应器(7)和出水箱(8)组成。污水水箱(1)经进水管由snd-sbr进水泵(2)和a-sbr进水泵(6)分别与snd-sbr反应器(3)和a-sbr反应器(7)连通，snd-sbr反应器(3)通过中间水箱(4)及回流泵(5)与a-sbr反应器(7)连接，a-sbr反应器(7)经过排水阀与出水箱(8)连接，snd-sbr反应器(3)和a-sbr反应器(7)进行定期排泥。污水水箱(1)和中间水箱(4)的有效容积为25l，试验所用snd-sbr反应器(3)和a-sbr反应器(7)由有机玻璃制成，有效容积均为10l。在snd-sbr反应器(3)和a-sbr反应器(7)中均安装有搅拌器(9)，使污泥及填料在反应过程中处于流化状态；在snd-sbr反应器(3)中设有曝气装置(12)，空气泵(10)通过空气流量计(11)与曝气装置(12)相连接，反应器中的溶解氧浓度通过安装的溶解氧测定仪(13)在线对曝气装置(12)的曝气量进行实时监控，保证snd-sbr反应器(3)反应过程中的do浓度保持在0.2-0.4mg/l范围内；在snd-sbr反应器(3)和a-sbr反应器(7)中均填充有聚氨酯泡沫悬浮生物填料(14)，snd-sbr反应器(3)中填料的体积填充比为40％-50％，全部功能微生物均附着生长在泡沫填料上，以省去泥水分离环节，在增加排水比的同时防止污泥流失，此外，泡沫填料内部的多孔结构创造了内部缺氧外部好氧的微环境，以强化snd-sbr反应器中的同步硝化反硝化效果；a-sbr反应器(7)中泡沫填料用于富集和持留短程反硝化菌，填料的体积填充比为15％-20％。
利用该装置处理低c/n比生活污水的具体操作过程如下：
1)反应器的启动运行：在snd-sbr反应器(3)中，接种取北京市某污水处理厂回流管路中的活性污泥，同时注入含nh4+-n和微量元素的人工配水，接种后混合液污泥浓度为4000-5000mg/l。按照从低负荷到正常负荷梯度增加的运行方式驯化富集低溶解氧硝化细菌。nh4+-n硝化反应过程中，控制较低的曝气量使do浓度维持在0.2-0.4mg/l浓度范围内。在进水曝气3h内，混合液中nh4+-n<5mg/l时，认为snd-sbr反应器低溶解氧硝化细菌富集启动完成。此时，向snd-sbr反应器(3)中投加聚氨酯泡沫悬浮生物填料(14)，填料的体积填充比为40％-50％，同时snd-sbr的进水由人工配水改为实际生活污水，逐渐增加反应器的排水比至100％，当混合液中nh4+-n<5mg/l，no3--n<30mg/l时，确认snd-sbr反应器(3)启动结束，进入平稳运行阶段；在a-sbr反应器(7)中，接种已经挂好短程反硝化生物膜的聚氨酯泡沫悬浮生物填料和厌氧氨氧化颗粒，a-sbr反应器(7)中填料的体积填充比为15％-20％，厌氧氨氧化颗粒污泥浓度为2000-3000mg/l。
2)当snd-sbr反应器启动结束之后，生活污水分为两部分经snd-sbr进水泵(2)和a-sbr进水泵(6)按5：1进行流量分配后进入snd-sbr反应器(3)和a-sbr反应器(7)。第一股原水通过脉冲进水方式进入snd-sbr反应器(3)，在do浓度为0.2-0.4mg/l条件下连续曝气3-4.5h，附着生长在填料外部的低溶解氧硝化菌通过硝化作用将原水中的氨氮转换为硝态氮，附着在填料内部的异养菌利用原水中的有机物将产生的部分硝态氮进行反硝化脱氮处理。
3)曝气结束后，富含硝态氮的出水排入到中间水箱(4)，后与第二股原水体积比按3：1分别经回流泵(5)和a-sbr进水泵(6)进入a-sbr反应器(7)，缺氧搅拌2-3h，硝态氮和氨氮比值(质量浓度比)在1.3-1.6范围内。附着生长在填料上的短程反硝化菌以原水中有机物为电子供体，将硝态氮还原至亚硝态氮，厌氧氨氧化颗粒将产生的亚硝态氮和原水中的氨氮转换为氮气。反应结束后，出水经排水阀排入出水箱(8)，排水比80％。
运行实例
在该运行条件下，以北京某高校家属区实际生活污水为处理对象(cod＝150-280mg/l，tn＝42-78mg/l)。在连续运行的3个月中，cod和tn的平均去除率分别为89％和85％，在未排泥的情况下，污泥浓度维持稳定，系统具有良好的处理效果和污泥减量作用。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所做的进一步详细说明，便于该技术领域的技术人员能理解和应用本发明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下还可以做出若干简单推演或替换，而不必经过创造性的劳动。因此，本领域技术人员根据本发明的揭示，对本发明做出的简单改进都应该在本发明的保护范围之内。