本发明涉及废水处理技术领域，尤其涉及一种一体分相复合式废水脱氮装置及一种废水脱氮的方法。
背景技术：
氮素污染会造成水体的富营养化，且随着我国城镇化和工业化的迅速发展，该问题日益严峻并引发了多次公共环境安全事件。为此，近年来国家陆续颁布并实施了新的污水排放标准，其中尤其提高了氨氮的排放要求，并首次对出水总氮进行了限定。同时，氨氮成为了国家“十二五规划”中新的总量控制指标。然而，我国目前还大量存在着如厌氧消化上清液、光电废水等工业废水难以处理的问题，这类废水由于具有高氨氮、低碳氮比的特点，总氮去除尤为困难。
传统的脱氮技术多采用硝化-反硝化技术手段进行，该技术由于需要大量氧气用于硝化作用、大量有机碳源用于反硝化作用，在处理高氨氮、低碳氮比废水的情况下尤为不经济和困难。目前，国际上研究热点开始转向基于厌氧氨氧化的脱氮工艺。厌氧氨氧化菌是一种革兰氏阴性球状菌，其利用氨氮作为电子供体、亚硝酸根作为电子受体，通过氮元素之间的氧化还原反应直接生成氮气，实现能源和碳源的节约。然而，厌氧氨氧化菌生长尤为缓慢，需要在具有较强生物持留能力的反应器中生长。在工程应用时，实际废水中氮素的主要形式是氨氮，因此，厌氧氨氧化过程需要与亚硝化过程耦合进行，厌氧氨氧化过程与亚硝化过程的耦合主要分为两种方式：一种是使用两个反应器连接，两者分别主要进行亚硝化与厌氧氨氧化，另一种则是使亚硝化与厌氧氨氧化在同一个反应器中进行，称为一体式脱氮。而一体式脱氮由于其构筑物数量少，相对于分体化设计便于进行工程运行管理，同时由于无单独的亚硝化反应器，因此在脱氮过程中无亚硝酸盐积累的问题，提高运行安全性，并减少温室气体n2o的排放。但运行一体化反应器时，需要选择性培养反应器中的氨氧化菌与厌氧氨氧化菌，同时抑制硝化细菌；另一方面，在实际应用中，不稳定的进水情况经常性会造成反应器的波动、从而对反应器形成抑制，因此，反应器的恢复能力也很重要。
综上所述，现有的厌氧氨氧化为主的脱氮反应器各具优势，但也各有欠缺；为了实现厌氧氨氧化工艺在高负荷、高进水浓度下、长期稳定运行并具有较强的恢复能力，尚需进一步的改进。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种一体分相复合式废水脱氮装置及一种废水脱氮的方法，本发明提供的一体分相复合式废水脱氮装置具有高负荷、高进水浓度、长期稳定性和恢复能力好的特点。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种一体分相复合式废水脱氮装置，包含反应器、进水装置、进水泵、出水泵、第一回流泵、水浴装置、曝气装置、搅拌装置、水浴夹套和第二回流泵；
其中，所述进水装置通过进水泵和反应器下部进水口进行连通；
所述搅拌装置设置于反应器中上部；
所述曝气装置包括曝气泵和曝气头，所述曝气头伸入反应器中上部；
所述出水泵和反应器的上部出水口进行连通；
所述水浴夹套包裹反应器侧面，所述水浴夹套的出口与水浴装置进行连通，所述水浴夹套的入口通过第一回流泵与水浴装置进行连通；
所述反应器的上部通过第二回流泵与反应器的下部进行连通。
优选的，所述进水泵、出水泵、曝气装置、第二回流泵和搅拌装置独立地连接控制器。
优选的，所述反应器上部设置有溢流口。
优选的，所述反应器的高径比≥5。
本发明还提供了一种使用上述任意一项技术方案所述一体分相复合式废水脱氮装置进行废水脱氮的方法，包含如下步骤：
(1)在反应器中加入氨氧化絮状污泥和厌氧氨氧化颗粒污泥；
(2)启动曝气装置和搅拌装置，通过进水泵向反应器中进水；
(3)进水结束后，保持曝气装置、搅拌装置和第一回流泵的持续运行，进行反应；
(4)反应完毕后，曝气装置、搅拌装置和第一回流泵停止运行，使得污泥进行沉淀分层，上层清液由出水泵排出；
(5)重复步骤(2)～(4)，继续运行若干个周期进行所述废水脱氮处理；
在所述废水脱氮处理周期性运转的过程中，每1～2周进行一次排泥。
优选的，所述氨氧化絮状污泥和厌氧氨氧化颗粒污泥的接种量独立地为≥5gvss/l。
优选的，所述搅拌装置的搅拌速率为100～140rpm。
优选的，所述废水脱氮处理过程中，水浴装置和第二回流泵持续运行，保证反应器的运行温度。
优选的，所述废水脱氮处理过程中反应器内部的溶解氧的浓度为5～12.5mg/l。
优选的，所述废水脱氮处理过程反应器的运行温度为30～37℃。
本发明提供了一种一体分相复合式废水脱氮装置，包含反应器、进水装置、进水泵、出水泵、第一回流泵、水浴装置、曝气装置、搅拌装置、水浴夹套和第二回流泵；其中，所述进水装置通过进水泵和反应器下部进水口进行连通；所述搅拌装置设置于反应器中上部；所述曝气装置包括曝气泵和曝气头，所述曝气头伸入反应器中上部；所述出水泵和反应器的上部出水口进行连通；所述水浴夹套包裹反应器侧面，所述水浴夹套的出口与水浴装置进行连通，所述水浴夹套的入口通过第一回流泵与水浴装置进行连通；所述反应器的上部通过第二回流泵与反应器的下部进行连通。本发明克服了目前一体化脱氮反应器中存在的在长期运行下，硝化细菌在与厌氧氨氧化菌的竞争中逐渐占据优势，造成硝酸盐积累，以及抗冲击和稳定性差、恢复能力弱的问题，其脱氮负荷较高、长期运行稳定性强，在受到强烈抑制后仍具有很强的恢复能力，从而能实现经济高效脱除总氮。
本发明还提供了一种废水脱氮的方法。本发明采用序批式反应器的运行方式，同时接种氨氧化絮状污泥与厌氧氨氧化颗粒污泥，将短程硝化与厌氧氨氧化反应在同一个反应器中进行耦合；将搅拌桨提升至反应器中部，利用氨氧化絮状污泥与厌氧氨氧化颗粒污泥的形态不同导致的沉降速度不同，通过调节搅拌力度达到合适的升流速度，使两种污泥自发分相；同时将曝气头从以往设计中的底部提升到反应器中部，使溶解氧主要集中在反应器上部，并由此形成溶解氧梯度，避免底部厌氧氨氧化菌受高浓度溶解氧抑制；再利用外回流的方式强化传质，将上部反应生成的亚硝酸盐基质传递至底部与氨氮通过厌氧氨氧化反应同时去除；同时反应结束搅拌停止后，利用氨氧化絮状污泥与厌氧氨氧化颗粒污泥的沉降速度不同，使二者在反应器内自发分层，单独对上层絮状污泥进行排泥以洗脱倾向于生长在絮状污泥内的硝化细菌，持留生长及其缓慢的厌氧氨氧化污泥。
附图说明
图1为一体分相复合式废水脱氮装置的结构示意图；
其中，1-进水装置，2-进水泵，3-反应器，4-出水泵，5-第一回流泵，6-水浴装置，7-曝气泵，8-搅拌机，9-搅拌桨，10-第二回流泵，11-曝气头，12-水浴夹套。
具体实施方式
本发明提供了一种一体分相复合式废水脱氮装置，包含反应器、进水装置、进水泵、出水泵、第一回流泵、水浴装置、曝气装置、搅拌装置、水浴夹套和第二回流泵；
其中，所述进水装置通过进水泵和反应器下部进水口进行连通；
所述搅拌装置设置于反应器中上部；
所述曝气装置包括曝气泵和曝气头，所述曝气头伸入反应器中上部；
所述出水泵和反应器的上部出水口进行连通；
所述水浴夹套包裹反应器侧面，所述水浴夹套的出口与水浴装置进行连通，所述水浴夹套的入口通过第一回流泵与水浴装置进行连通；
所述反应器的上部通过第二回流泵与反应器的下部进行连通。
作为本发明的一个具体实施例，本发明提供的一体分相复合式废水脱氮装置的结构示意图如图1所示。由图1可知，所述一体分相复合式废水脱氮装置包含反应器、进水装置、进水泵、出水泵、第一回流泵、水浴装置、曝气泵、曝气头、搅拌机、搅拌桨、水浴夹套和第二回流泵；其中，所述进水装置通过进水泵和反应器下部进水口进行连通；所述搅拌装置包含搅拌机和搅拌桨，所述搅拌桨设置于反应器中上部；所述曝气装置包括曝气泵和曝气头，所述曝气头伸入反应器中上部；所述出水泵和反应器的上部出水口进行连通；所述水浴夹套包裹反应器侧面，所述水浴夹套的出口与水浴装置进行连通，所述水浴夹套的入口通过第一回流泵与水浴装置进行连通；所述反应器的上部通过第二回流泵与反应器的下部进行连通。
本发明将所述搅拌桨和曝气头设置于所述反应器的中上部，能够使得搅拌桨主要搅拌反应器中上部的混合体系，曝气头曝气主要只存在于中上部的混合体系中。本发明对所述搅拌桨和曝气头伸入反应器上部的具体深度没有任何的特殊限制，根据不同的工艺要求进行设定即可。
本发明对所述反应器、进水装置、进水泵、出水泵、第一回流泵、水浴装置、曝气装置、搅拌装置、水浴夹套和第二回流泵的具体型号和结构等参数没有任何的特殊要求，采用废水处理装置领域技术人员所熟知的废水处理装置用各部件即可。
在本发明具体实施例中，所述反应器的高径比优选的≥5，更优选为6～10，最优选为8～9。本发明控制合适的高径比能够使得反应器的溶解氧浓度梯度尽可能更大，以有效保护反应器下部成分不受到溶解氧的抑制。
作为本发明的一个优选实施例，所述进水泵、出水泵、曝气装置、第二回流泵和搅拌装置独立地连接控制器，所述控制器对进水泵、出水泵、曝气装置、第二回流泵和搅拌装置的运行进行自动调控。
作为本发明的一个优选实施例，所述反应器上部设置有溢流口。
本发明还提供了一种使用上述技术方案任意一项所述一体分相复合式废水脱氮装置进行废水脱氮的方法，包含如下步骤：
(1)在反应器中加入氨氧化絮状污泥和厌氧氨氧化颗粒污泥；
(2)启动曝气装置和搅拌装置，通过进水泵向反应器中进水；
(3)进水结束后，保持曝气装置、搅拌装置和第一回流泵的持续运行，进行反应；
(4)反应完毕后，曝气装置、搅拌装置和第一回流泵停止运行，使得污泥进行沉淀分层，上层清液由出水泵排出；
(5)重复步骤(2)～(4)，继续运行若干个周期进行所述废水脱氮处理；
在所述废水脱氮处理周期性运转的过程中，每1～2周进行一次排泥。
本发明首先在反应器中加入氨氧化絮状污泥和厌氧氨氧化颗粒污泥。本发明对所述氨氧化絮状污泥和厌氧氨氧化颗粒污泥的加入顺序没有任何的特殊要求，两者可以按照任意的顺序添加。
在本发明中，所述氨氧化絮状污泥中优势门类为nitrosomonas，所述厌氧氨氧化污泥中优势门类为candidatuskuenenia。本发明对所述氨氧化絮状污泥和厌氧氨氧化颗粒污泥的来源没有任何的特殊要求，采用本领域技术人员所熟知的废水处理用氨氧化絮状污泥和厌氧氨氧化颗粒污泥即可。本发明对所述氨氧化絮状污泥和厌氧氨氧化颗粒污泥的形态和尺寸没有任何的要求，采用本领域技术人员所熟知形态和尺寸的氨氧化絮状污泥和厌氧氨氧化颗粒污泥即可。
在本发明中，所述氨氧化絮状污泥和厌氧氨氧化颗粒污泥的接种量独立地优选为≥5gvss/l，更优选为≥10gvss/ll，最优选为≥15gvss/l。在本发明具体实施例中，所述氨氧化絮状污泥和厌氧氨氧化颗粒污泥的接种量独立地优选为5～15gvss/l。
本发明在添加完毕所述氨氧化絮状污泥和厌氧氨氧化颗粒污泥后，反应器中的初始ph值优选为7～8，更优选为7.5。
在反应器中加入氨氧化絮状污泥和厌氧氨氧化颗粒污泥后，本发明启动曝气装置和搅拌装置，通过进水泵向反应器中进水。本发明优选在启动曝气装置和搅拌装置一定时间后，再开启进水泵向反应器中进水，以加强传质，同时使得进水中的氨氮基质被迅速消耗；所述一定时间优选为20～40s，更优选为30～35s。
在本发明中，所述曝气量优选以控制所述废水脱氮处理过程中反应器上部溶解氧的浓度为5～12.5mg/l为准，更优选为7～10mg/l，最优选为8～9mg/l。在本发明中，当所述曝气为空气曝气时，反应器上部溶解氧浓度优选为5～5.5mg/l；当所述曝气为纯氧曝气时，反应器上部溶解氧浓度优选为10～12.5mg/l。本发明将曝气头从反应器的底部提升到反应器的中上部，利用气泡的密度远小于水的密度的原理，使得溶解氧主要集中在反应器的上部絮状污泥区，避免了由于曝气产生的气泡直接接触到厌氧氨氧化颗粒污泥从而产生抑制；氨氧化菌在反应器上部利用溶解氧氧化氨氮生成亚硝酸盐，在此过程中消耗溶解氧，使反应器由上到下形成溶解氧梯度浓度。本发明控制反应器的高径比大于等于5，使得反应器的溶解氧浓度梯度尽可能更大，以有效保护反应器下部的厌氧氨氧化颗粒污泥不受到溶解氧的抑制。
在本发明中，所述搅拌装置的搅拌速率优选为100～140rpm，更优选为110～130rpm，最优选为120rpm。本发明将搅拌桨从底部提升至中上部，利用氨氧化絮状污泥与厌氧氨氧化颗粒污泥的形态不同，沉降速度不同，通过调节搅拌桨的转速达到合适的升流速度，使升流速度大于氨氧化絮状污泥的沉降速度同时小于厌氧氨氧化颗粒污泥的沉降速度，从而使氨氧化絮状污泥在搅拌升流作用下大部分处于反应器的上部，而厌氧氨氧化颗粒污泥沉降在反应器的下部。
在本发明中，所述进水体积优选为反应器容积的90％。在本发明中，所述进水具体的可以为任意种类的氨氮废水。在本发明具体实施例中，所述反应器的总容积为5.5l，进水体积为5l，空余的0.5l为保护体积，防止溢出。
在本发明中，所述进水水质中nh4cl的浓度优选的≥50mgn/l，更优选的≥300mgn/l，最优选的≥500mgn/l。在本发明具体实施例中，所述进水水质中nh4cl的浓度优选为50～500mgn/l，更优选为200～300mgn/l；kh2po4的浓度优选为40～50mgp/l，更优选为45mgp/l；cacl2的浓度优选为130～170mg/l，更优选为150mg/l；mgso4·7h2o的浓度优选为80～120mg/l，更优选为100mg/l；nahco3的浓度优选为15～20mg/l，更优选为18mg/l；微量元素溶液i的浓度优选为0.5～1.5mg/l，更优选为1mg/l；微量元素溶液ii的浓度优选为0.5mg/l。
在本发明具体实施例中，所述微量元素溶液i的组成为(g/l)：feso48.5，edta钠盐5；微量元素溶液ii的组成为(g/l)：edta15，cuso4·5h2o0.22～0.24，znso4·7h2o0.43，nicl2·6h2o0.18～0.19，naseo4·10h2o0.21，namoo4·2h2o0.22，h3bo40.014，mncl2·4h2o0.99。
进水结束后，本发明保持曝气装置、搅拌装置和第一回流泵的持续运行，进行反应。在本发明中，所述反应具体的为氨氧化絮状污泥和厌氧氨氧化颗粒污泥中的细菌吸收废水中的氨氮等溶质的生物过程。在本发明中，所述第一回流泵的内回流比优选为100～200％，更优选为120～180％，最优选为140～160％。
本发明在反应器的上下部之间利用第一回流泵进行外回流，将上部氨氧化菌利用溶解氧氧化氨氮生成的部分亚硝酸盐基质通过外回流传输至反应器下部，在颗粒污泥区厌氧氨氧化菌的作用下与基质中的氨氮反应生成氮气同时去除；反应器的上下部并非完全割裂开来的两种污泥，在反应器的上部依然存在少量厌氧氨氧化颗粒污泥，下部外回流管口也存在氨氧化絮状污泥，使得在外回流的过程中溶解氧能够被更加彻底地消耗。氨氧化细菌可以耐受短时间处于低溶解氧浓度的环境，重新处于高浓度溶解氧环境下活性可迅速恢复，而硝化细菌无法耐受短时间内经历低溶解氧浓度到高溶解氧浓度的切换过程，并受到抑制；因此上部的絮状污泥经过外回流从上部转移到下部，再经过升流作用重新回到上部的循环过程中，硝化细菌经受有氧-缺氧-有氧过程，因此活性受到抑制。本发明除利用有氧-缺氧-有氧过程切换来控制硝化细菌外，同时利用基质中的高浓度游离氨对硝化细菌的抑制作用来强化控制，同时不会对氨氧化细菌与厌氧氨氧化菌造成抑制。
在所述废水脱氮处理过程中，水浴装置和第二回流泵持续运行，以保证反应器的运行温度。在本发明中，所述水浴夹套上部的水进入到水浴装置中，然后再通过第二回流泵泵入水浴夹套下部。在本发明中，所述水浴装置的运行温度优选为30～37℃，更优选为33～36℃，最优选为35℃。
在本发明中，每个周期的反应阶段的反应时间独立地优选为32～52min，更优选为35～50min，最优选为40～45min。在确保出水氨氮不发生泄露以及确保总氮去除率的情况下，在本发明中，每个周期反应阶段的反应时间越短，代表其反应效果越好。
反应完毕后，本发明停止运行所述曝气装置、搅拌装置和第一回流泵，使得污泥进行沉淀分层，上层清液由出水泵排出。在本发明中，所述出水的排出比优选为5～30％，更优选为15～25％，最优选为20％。在确保出水氨氮不发生泄露以及确保总氮去除率的情况下，在本发明中，每个周期反应阶段的排水比越大，代表其反应效果越好。
在所述废水脱氮处理周期性运转的过程中，本发明优选每1～2周进行一次排泥，将上层氨氧化絮状污泥排出。在所述周期性的运转过程中，每次排出部分上层氨氧化絮状污泥后，无需再额外的补足。在本发明具体实施例中，排泥后，剩余污泥总体积优选为反应器总容积的一半。停止运行所述曝气装置、搅拌装置和第一回流泵后，由于氨氧化絮状污泥与厌氧氨氧化颗粒污泥的沉降速度不同，在反应器内将自发分层形成上层为氨氧化絮状污泥，下层为厌氧氨氧化颗粒污泥；单独对上层絮状污泥进行排泥以洗脱倾向于生长在絮状污泥内的硝化细菌，持留生长极其缓慢的厌氧氨氧化污泥。
所述排水结束后，本发明重复步骤(2)～(4)，继续运行若干个周期进行所述废水脱氮处理。在本发明中，每个周期均包含进水阶段、反应阶段、沉淀阶段和出水阶段。
下面结合实施例对本发明提供的一种一体分相复合式废水脱氮装置及一种废水脱氮的方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
进水组成为：nh4cl(浓度50mgn/l)，kh2po4(浓度45mgp/l)，cacl2(浓度150mg/l)，mgso4·7h2o(浓度100mg/l)，nahco3(浓度15g/l)，微量元素溶液i1ml/l，微量元素溶液ii1ml/l。微量元素i的组成为(g/l)：feso48.5，edta钠盐5；微量元素溶液ii的组成为(g/l)：edta钠盐15，cuso4·5h2o0.24，znso4·7h2o0.43，nicl2·6h2o0.18，naseo4·10h2o0.21，namoo4·2h2o0.22，h3bo40.014，mncl2·4h2o0.99。
进水前先开启曝气泵和搅拌设备，进水从下方进入反应器3进行反应。在反应过程中，曝气泵7持续曝气，为反应器内提供溶解氧(5.5mg/l)，搅拌机8(120rpm)不断进行搅拌以加强传质。
反应器3外层设置水浴夹套，水浴夹套里面的水排入水浴装置6，经由第二回流泵5再重新泵回水浴夹套形成水浴循环，为反应器3中的反应环境提供温度条件(35℃)。
反应器3上部和下部之间通过第一回流泵进行连通，在反应阶段，第一回流泵持续运行，实现上部污泥和下部污泥之间的流通。
反应完毕后，曝气泵7与搅拌机8停止动作使得污泥沉淀，上层清液和污泥经由排水管排出至排水桶，开始下一个周期。经过一个周期处理之后，出水中氨氮浓度保持在50mg/l左右，亚硝氮约为5.9～8.4mg/l，总氮去除率保持在77.6～85.1％之间。
在运行过程中，每1～2周对上层絮状污泥进行排泥，排泥方式为反应完成阶段，使用出水泵将上清液排净后继续排出部分氨氧化絮状污泥(排泥后，剩余污泥总体积为反应器总容积的一半)，以保证对硝化细菌的洗脱。
反应器经过55天的运行，进水容积负荷达到7.5kgn/(m3d)，总氮去除负荷达到6.4kgn/(m3d)，显著高于现有技术中的2.6kgn/(m3d)。
实施例2
运行第113～160天，以消化液作为反应器进水，使用消化液替换实施例1中的进水，其余步骤不变。
本实施例所述消化液为厌氧消化上清液，来源于山东济南某厂的餐厨垃圾厌氧消化罐，氨氮为2957±113mg/l，cod浓度为4483±284mg/l，配置进水时将其稀释6倍后，控制最终配水中氨氮浓度为500mg/l。
经过本实施例处理后出水中氨氮维持在50mg/l左右，亚硝氮浓度为8.7～9.6mg/l，总氮去除率保持在80％左右。运行第113～160天，以消化液作为反应器进水时，反应器进水容积负荷可达到4.6kgn/(m3d)，总氮去除率达80.4％。反应器进水容积负荷可达到4.6kgn/(m3d)，总氮去除率达80.4％。
由以上实施例可知，本发明提供了一种一体分相复合式废水脱氮装置及一种废水脱氮的方法。本发明提供的装置构造简单，稳定性和恢复性良好。本发明采用序批式反应器的运行方式，同时接种氨氧化菌絮状污泥与厌氧氨氧化颗粒污泥，将短程硝化与厌氧氨氧化反应在同一个反应器中进行耦合；将搅拌桨提升至反应器中部，利用氨氧化菌絮状污泥与厌氧氨氧化颗粒污泥的形态不同导致的沉降速度不同，通过调节搅拌力度达到合适的升流速度，使两种污泥自发分相；同时将曝气头从以往设计中的底部提升到反应器中部，使溶解氧主要集中在反应器上部，并由此形成溶解氧梯度，避免底部厌氧氨氧化菌受高浓度溶解氧抑制；再利用外回流的方式强化传质，将上部反应生成的亚硝酸盐基质传递至底部与氨氮通过厌氧氨氧化反应同时去除；同时反应结束搅拌停止后，利用氨氧化絮状污泥与厌氧氨氧化颗粒污泥的沉降速度不同，使二者在反应器内自发分层，单独对上层絮状污泥进行排泥以洗脱倾向于生长在絮状污泥内的硝化细菌，持留生长及其缓慢的厌氧氨氧化污泥。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。