本发明属于污水处理及环境保护技术领域，具体涉及一种污水净化、污泥处理和能源回收的组合装置及其运行方法。
背景技术：
近年来，随着我国经济发展和城市化进程加快,城市生活污水和工业污水排放量快速增加，污水厂总处理水量和处理程度不断扩大和提高。随着污水处理行业的迅速发展,污水处理过程中产生了一系列的环境污染问题。城市污水处理厂产生的剩余污泥含有大量的有机物和丰富的氮、磷等营养物质，还存在重金属、致病菌和寄生虫等有毒有害成分，由于其产生量大且处理费用高，如何将污泥中的营养物质进行有效利用和实现污泥无害化处理是目前亟待解决的重要问题。利用剩余污泥厌氧发酵产甲烷（ch4）是一种有效的废物资源化手段，产物ch4在燃烧过程能产生大量能量。最近有研究显示，n2o作为一种强氧化剂，可代替氧气氧化ch4，这种利用n2o替代氧气作为氧化剂氧化ch4的方法可增加329kj/mol的产能。城市污水处理厂剩余污泥发酵产生的ch4通常以空气中的氧气作为氧化剂来燃烧发电，若能强化生物脱氮过程中的n2o产生，而后收集用于燃烧ch4将会大大提高能源的回收效率。n2o虽然是一种污染气体，但此过程能将n2o彻底还原为n2，同时，与使用氧气作为氧化剂相比还可以提高约37%的燃烧产能。
技术实现要素：
本发明解决的技术问题是提供了一种污水净化、污泥处理和能源回收的组合装置及其运行方法，其工艺过程包括3个阶段：1、污水净化阶段，采用水处理中常规的a/o工艺进行处理；2、污泥处理阶段，污水处理过程中初沉池和二沉池产生的剩余污泥进行水解发酵，实现了污泥减量化、无害化和资源化的目的，并且回收污泥发酵过程中的ch4作为燃料进行利用；3、强化n2o产生阶段，在污泥处理末端利用短程硝化池和短程反硝化池内发生的反应强化n2o产生，利用污泥发酵液中含有的有机酸作为反硝化反应的碳源，最大程度强化n2o产生。本发明在实现污水较好处理效果的同时，有效利用剩余污泥中的营养物质产生高性能燃料n2o和ch4，经发酵处理后的污泥酸化液可作为反硝化的碳源进行利用，减少了额外费用，而且剩余污泥经处理后实现了其减量化、无害化和资源化的目的，最大程度上减少污水处理过程中的环境负面效应。
本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案，一种污水净化、污泥处理和能源回收的组合装置，其特征在于包括初沉池、缺氧池、好氧池、二沉池、污泥浓缩池、污泥酸化池、污泥厌氧发酵罐、短程硝化池和短程反硝化池，初沉池的出液口与缺氧池的进液口相连，初沉池的出泥口与污泥浓缩池的进泥口相连，缺氧池的出液口与好氧池的进液口相连，好氧池的出液口分别与缺氧池的进液口和二沉池的进液口相连，二沉池的出液口与排污管道相连，二沉池的出泥口分别与缺氧池的进液口和污泥浓缩池的进泥口相连，污泥浓缩池的出泥口与污泥酸化池的进泥口相连，污泥酸化池的出泥口分别与污泥厌氧发酵罐的进泥口和短程反硝化池的进泥口相连，污泥厌氧发酵罐的出液口与短程硝化池的进液口相连，污泥厌氧发酵罐的出气口排放的ch4进行回收利用，短程硝化池的出液口与短程反硝化池的进液口相连，短程反硝化池的出液口与缺氧池的进液口相连，短程反硝化池的出气口排放的n2o进行回收利用，该n2o作为氧化剂氧化回收的ch4进行热能回收。
本发明所述的一种污水净化、污泥处理和能源回收的组合装置的运行方法，其特征在于具体过程为：污水进入初沉池，污水在初沉池内的停留时间为1.5-2h，用于去除污水中的一部分可沉物和悬浮固体，初沉池内的污水进入缺氧池，初沉池内的污泥进入污泥浓缩池，污水在缺氧池内的停留时间为1.5-2h，经缺氧池处理过的污水进入好氧池，污水在好氧池内的停留时间为6-8h，好氧池内的溶解氧控制在1.5-3mg/l，好氧池内的一部分泥水混合液回流进入缺氧池，回流比为200%，经好氧池处理过的污水进入二沉池，污水在二沉池内的停留时间为1-2h，经二沉池处理过的污水达到城镇污水处理b标准进行直接排放，二沉池内经沉淀的污泥一部分进入缺氧池，回流比为100%，用于保持反应系统内有足够的污泥浓度，另一部分污泥进入污泥浓缩池，污泥在污泥浓缩池内的停留时间为10-12h，经污泥浓缩池浓缩后的污泥进入污泥酸化池进行酸化，酸化时间为4d，用于将复杂且难降解的有机物经微生物代谢转化为以挥发性脂肪酸vfas为主的多种易降解有机酸，经污泥酸化池酸化后的一部分污泥进入短程反硝化池，用于补充短程反硝化池内的微生物浓度，并为反硝化反应提供碳源，另一部分污泥进入污泥厌氧发酵罐进行厌氧发酵，发酵过程中通过添加氢氧化钙溶液调节发酵液的ph值为9.5-10，用于促进发酵过程中小分子有机酸的产生，发酵过程中产生ch4作为燃料进行回收再利用，经污泥厌氧发酵罐发酵后的污泥厌氧发酵液进入短程硝化池，污泥厌氧发酵液在短程硝化池内的停留时间为48h，短程硝化过程中通过添加摩尔浓度为0.5mol/l的硫酸溶液调节反应体系的ph维持在7.1，用于促进硝化细菌的生长，提高硝化速率以最大程度实现nh4+-n向no2-的转化，经短程硝化池处理过的污水进入短程反硝化池，污水在短程反硝化池内的停留时间为24h，短程反硝化过程中利用酸化污泥中以挥发性脂肪酸vfas为主的多种易降解有机酸作为碳源，微生物利用多种易降解有机酸合成胞内聚合物phb，该胞内聚合物phb为短程硝化池出水中含有的no2-提供电子进行短程反硝化作用，短程反硝化过程中no2-氧化胞内聚合物phb，利用微生物胞内聚合物phb进行的反硝化作用有效抑制n2o还原酶的活性，最大程度促进短程反硝化池进水中的no2-转化为n2o，短程反硝化过程中产生的n2o作为氧化剂氧化污泥厌氧发酵过程中产生的ch4进行热能回收，短程反硝化池内的污水利用侧流输送至缺氧池进行进一步处理。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1、本发明可对现有污水处理厂进行简单改造便可投入使用，应用范围广，简单易行，可操作性强；
2、本发明有效解决了污水处理过程中产生的剩余污泥的处理问题，实现了其无害化、减量化和资源化的目的，并且对高性能燃料ch4进行了回收利用；
3、本发明节省了运行成本，短程反硝化过程中利用污泥酸化液作为碳源进行反硝化反应，且强化了n2o的产生并回收其作为氧化剂氧化ch4，提高了燃烧产能；
4、本发明有效减少了温室气体的排放，n2o作为氧化剂被ch4氧化为n2，从而控制了n2o的释放。
附图说明
图1是本发明中组合装置的结构示意图。
图中：1-初沉池，2-缺氧池，3-好氧池，4-二沉池，5-污泥浓缩池，6-污泥酸化池，7-污泥厌氧发酵罐，8-短程硝化池，9-短程反硝化池。
具体实施方式
以下通过实施例对本发明的上述内容作进一步详细说明，但不应该将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明上述内容实现的技术均属于本发明的范围。下面通过实施例并结合附图对本发明作详细描述。
参照附图1，一种污水净化、污泥处理和能源回收的组合装置，包括初沉池1、缺氧池2、好氧池3、二沉池4、污泥浓缩池5、污泥酸化池6、污泥厌氧发酵罐7、短程硝化池8和短程反硝化池9，初沉池1的出液口与缺氧池2的进液口相连，初沉池1的出泥口与污泥浓缩池5的进泥口相连，缺氧池2的出液口与好氧池3的进液口相连，好氧池3的出液口分别与缺氧池2的进液口和二沉池4的进液口相连，二沉池4的出液口与排污管道相连，二沉池4的出泥口分别与缺氧池2的进液口和污泥浓缩池5的进泥口相连，污泥浓缩池5的出泥口与污泥酸化池6的进泥口相连，污泥酸化池6的出泥口分别与污泥厌氧发酵罐7的进泥口和短程反硝化池9的进泥口相连，污泥厌氧发酵罐7的出液口与短程硝化池8的进液口相连，污泥厌氧发酵罐7的出气口排放的ch4进行回收利用，短程硝化池8的出液口与短程反硝化池9的进液口相连，短程反硝化池9的出液口与缺氧池2的进液口相连，短程反硝化池9的出气口排放的n2o进行回收利用，该n2o作为氧化剂氧化回收的ch4进行热能回收。
所述污水净化、污泥处理和能源回收的组合装置的具体运行过程为：污水首先进入初沉池1，污水在初沉池1的停留时间为1.5-2h，用于去除污水中的一部分可沉物和悬浮固体，初沉池1内的污水进入缺氧池2，初沉池1内的污泥进入污泥浓缩池5进行浓缩，污水在缺氧池2内的停留时间为1.5-2h；经缺氧池2处理过的污水进入好氧池3，污水在好氧池3内的停留时间为6-8h，好氧池3内的溶解氧浓度控制在1.5-3mg/l，好氧池3内的一部分泥水混合液回流进入缺氧池2中，回流比为200%，另一部分泥水混合液进入二沉池4，污水在二沉池4内的停留时间为1-2h，经二沉池4处理过的污泥一部分进入缺氧池2，回流比为100%，用于保持反应系统内有足够的污泥浓度，另一部分污泥进入污泥浓缩池5进行浓缩，经二沉池4处理过的污水出水可达到城镇污水处理b标准直接排放；污泥在污泥浓缩池5中的停留时间为10-12h，经污泥浓缩池5浓缩后的污泥进入污泥酸化池6进行酸化，酸化时间为4d，酸化过程中大量复杂且难降解的有机物被微生物代谢转化为以挥发性脂肪酸（vfas）为主的各种易降解有机酸，酸化后的一部分污泥进入短程反硝化池9中，以补充短程反硝化池9内的微生物浓度，并为反硝化反应提供碳源，污泥酸化液vfas中的小分子物质如甲酸、乙酸极易被反硝化菌利用，比其他有机质更适合作为碳源被微生物利用，另一部分污泥进入污泥厌氧发酵罐7进行厌氧发酵，污泥发酵时间为14d，厌氧发酵罐7内污泥采用碱性发酵，碱性条件促进了多糖和蛋白质从细胞相向溶解态的转化，从而为vfas的产生提供了底物，另外碱性条件能够促进氮、磷的释放和有机质的消解，发酵过程中使用氢氧化钙溶液调节发酵液的ph值为9.5-10，ca(oh)2与其它碱性调节剂相比能更有效的促进发酵过程小分子有机酸的产生，发酵过程中产生的ch4气体可作为燃料进行回收利用，随后，发酵产生的污泥发酵液进入短程硝化池8进行处理，污泥经发酵后其脱水性能显著提高，体积大幅度减少，之后则排出进行后续处置，污泥厌氧发酵液进入短程硝化池8，污水在短程硝化池8内的停留时间为48h，短程硝化过程中使用摩尔浓度为0.5mol/l的硫酸溶液调节ph维持在7.1左右，这种中性ph有利于硝化细菌的生长，提高硝化速率，最大化的实现nh4+-n向no2-的转化；经短程硝化池8处理过的污水进入短程反硝化池9，污水在短程反硝化池9内的停留时间为24h，短程反硝化过程中利用酸化污泥中的vfas作为碳源，微生物利用vfas中含有的甲酸和乙酸等小分子有机物质合成胞内聚合物phb，这些胞内聚合物phb为短程硝化池8出水中含有的no2-提供电子进行短程反硝化作用，在该短程反硝化作用中no2-氧化胞内聚合物phb，利用微生物胞内聚合物phb进行的反硝化作用与利用外碳源相比可有效抑制n2o还原酶的活性，为短程硝化池8出水中含有的no2-提供电子进行短程反硝化作用，最大化的促进水体中的no2-转化为n2o，此过程实现了强化反应过程中n2o产生的目的，短程反硝化过程中产生的n2o作为氧化剂氧化污泥厌氧发酵过程中产生的ch4来进行热能回收，而短程反硝化池9内的污水利用侧流输送至缺氧池2进行进一步处理。
具体实施例：
试验用水采用某小区排放的生活污水，污水进水水质为：cod浓度365-415mg/l，nh4+-n浓度45-53mg/l，po43--p浓度5.6-7.1mg/l。接种污泥采用污水处理厂好氧处理池新鲜活性污泥，反应器内污泥浓度维持在3000-3500mg/l。
具体操作方法如下：
（1）污水净化阶段：污水在初沉池内的停留时间为1.5-2h，随后进入缺氧池，停留时间为1.5-2h，经缺氧池处理后的污水进入好氧池内，好氧池内的do控制在1.5-3mg/l，内回流比为200%，污泥回流比为100%；
（2）污泥处理阶段：初沉污泥和二沉池污泥先进入污泥浓缩池进行浓缩，污泥在浓缩池的停留时间为10-12h，浓缩后的污泥体积约缩小4-5倍，随后污泥进入酸化池进行酸化处理，污泥酸化处理时间为4d，ph控制在4-6，酸化后的污泥送入污泥厌氧发酵罐，发酵时间为14d，ph控制在9.5-10；
（3）强化n2o产生阶段：厌氧发酵液进入短程硝化池，停留时间为48h，短程硝化过程中使用摩尔浓度为0.5mol/l的硫酸溶液调节ph维持在7.1左右，随后污水进入短程反硝化池，停留时间为24h。
应用装置实施，系统运行稳定后，试验结果表明，cod去除率平均为93%，nh4+-n去除率平均为89.5%，tn去除率平均为90%，剩余污泥减量可达到50%-65%，发酵过程中所产生的ch4产率为269.3mlch4/g∙vs，基质vs的去除率为53.2%-57.8%，实现了污泥减量化、资源化的目的，短程反硝化过程中n2o产率为27.84mg/g∙mlss，实现了强化n2o产生的目的。
以上显示和描述了本发明的基本原理，主要特征和优点，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围。