本发明涉及一种一体化短程硝化厌氧氨氧化同时除磷的间歇曝气实时控制方法，属于污水生物处理技术领域。
背景技术：
由于当前水体富营养化现象严重，因此许多污水处理厂都在提标改造，出水总氮总磷的指标更为的严格。这就亟需节能高效的脱氮除磷工艺投入到污水厂的提标改造工程当中。当前大多数污水处理厂还是按照传统的aao或者氧化沟的模式来进行运营的，出水总氮总磷很难达标，还面临着城市生活污水低温、低能量以及水量大等诸多障碍。同时污水处理属能耗密集型行业，高能耗一方面导致污水处理成本升高，在一定程度上加剧了我国当前的能源危机，另一方面高能耗造成的高处理成本，致使一些中小型污水处理厂难以正常运行，污水处理厂的减排效益得不到正常发挥。因此，能够充分利用城市生活污水中的碳源而无需外加碳源进行高效脱氮除磷成为了污水处理领域所追逐的目标。
当前深度脱氮的新技术主要包括短程硝化反硝化、同步硝化反硝化，厌氧氨氧化等工艺的耦合。硝化细菌是一类化能营养型细菌，主要包括氨氧化细菌(aob)和亚硝酸盐氧化细菌(nob)两类，它可以将nh4+转化为no2-、no2-转化为no3-，在污水的脱氮过程中发挥着不可替代的作用。短程脱氮技术是将生物硝化过程控制在氨氧化阶段，而后直接进行反硝化，进而实现节能降耗的目的。短程硝化是短程脱氮技术的关键，而实现短程硝化的关键在于实现aob的富集以及nob的抑制和淘洗。
目前，用于实现短程硝化的方法主要有高温、高ph值、高浓度游离氨(fa)和高浓度游离亚硝酸(fna)、低溶解氧(do)、短污泥龄(srt)和投加抑制剂等。以上的短程硝化实现方式均是在系统运行过程中创造一个适合aob生长、抑制或减缓nob生长的环境，逐渐形成aob种群丰度大于nob种群丰度的短程脱氮系统。然而，城市生活污水往往不具备高温、高ph值、高fa和fna抑制等控制nob的环境，只能通过旁侧处理、生物强化等手段将主流中的全程硝化污泥逐渐替换成短程硝化污泥。实验表明，单独控制低溶解氧或者短污泥龄也都很难稳定实现短程硝化。如果在系统稳定运行之前，能够通过生物强化的手段快速启动，提升短程硝化以及厌氧氨氧化菌的丰度；在启动运行之后，能够通过间歇曝气的实时控制稳定控制aob和nob种群活性和数量上的差异，使得aob始终占据优势，这样将为低能量高水量的城市生活污水深度脱氮提供一条崭新的途径。
当前深度除磷方面的生物处理新技术主要包括强化生物除磷(ebpr)和反硝化除磷等。强化生物除磷主要利用了聚磷菌在好氧时不仅能大量吸收磷酸盐(po43-)合成自身核酸和atp，而且能逆浓度梯度过量吸磷合成贮能的多聚磷酸盐颗粒(即异染颗粒)于体内，供其内源呼吸用，这些细菌称为聚磷菌。聚磷菌在厌氧时又能释放磷酸盐(po43-)于体外，故可创造厌氧、缺氧和好氧环境，让聚磷菌先在含磷污(废)水中厌氧释磷，然后在好氧条件下充分地过量吸磷，然后通过排泥从污(废)水中除去部分磷。而反硝化除磷主要利用了反硝化聚磷菌(dnpaos)在缺氧环境中能够利用硝酸盐氮或亚硝酸盐氮作为电子供体进行充分吸磷，然后通过排泥从污废水中除去部分磷。
当前深度脱氮除磷的耦合工艺也有很多，比如aao-baf、aao-bco、a2n等工艺。其脱氮除磷的手段均为解决了硝化细菌与聚磷菌之间泥龄和碳源的竞争，有利于聚磷菌，硝化菌在双污泥系统中分别成为优势菌种，实现深度脱氮除磷。而本发明所述的间歇曝气实时控制方法以及筛分手段在一体化短程硝化厌氧氨氧化同时除磷的工艺中的应用，能够在自养脱氮技术的基础上利用间歇曝气实时控制方法所创造出来的生态环境，充分利用原城市生活污水中的碳源，实现高效节能的深度脱氮除磷。
技术实现要素：
本发明专利的目的在于提出了一种一体化短程硝化厌氧氨氧化同时除磷的间歇曝气模式实时控制方法。本发明利用了氨氧化细菌和亚硝酸盐氧化细菌在间歇曝气模式下衰减速率的差异及恢复运行过程中环境适应能力的不同，对于活性污泥采用间歇曝气处理的方式，快速扩大了aob和nob之间的活性差异；同时利用间歇曝气所创造出来的缺好氧环境、原生物污水中的有机碳源以及短程硝化厌氧氨氧化自养脱氮过程中所产生的电子供体从而实现了深度脱氮除磷。本发明利用生物强化的手段启动一体化反应器，辅以间歇曝气实时控制及污泥龄控制手段，从而快速实现了城市生活污水的深度脱氮除磷。
一体化短程硝化厌氧氨氧化同时除磷的间歇曝气实时控制方法，所用装置包括城市污水原水水箱(1)、一体化反应器(2)、计算机(3)、可编程过程控制器(4)以及出水水箱(5)。
城市污水原水水箱(1)设有原水水箱溢流管(1.1)和原水水箱放空阀(1.2)；城市生活污水通过进水泵(1.3)与一体化反应器(2)相连；一体化反应器(2)设有空压机(2.1)、曝气电磁阀(2.2)、气体转子流量计(2.3)、搅拌器(2.4)、ph和do测定仪(2.5)、ph和do探头(2.6)、出水阀(2.7)、排空阀(2.8)以及粘砂块曝气头(2.9)；实时控制系统设有计算机(3)、可编程过程控制器(4)、信号转换器da转换接口(4.1)、信号转换器ad转换接口(4.2)、进水继电器(4.3)、搅拌继电器(4.4)、曝气继电器(4.5)、排水继电器(4.6)；其中，可编程过程控制器(4)上的信号ad转换接口(4.2)通过电缆线与计算机(3)相连接，将传感器模拟信号转换成数字信号传递给计算机(3)；计算机(3)通过信号转换器da转换接口(4.1)与可编程过程控制器(4)相连接，将计算机(3)的数字指令传递给可编程过程控制器(4)；搅拌器继电器(4.4)与搅拌器(2.4)相连接；ph/do数据信号接口(2.5)与计算机(3)相连接；进水继电器(4.3)与进水泵(1.3)相连接；曝气继电器(4.5)与粘砂块曝气头(2.8)相连接；排水继电器(4.6)与出水阀(2.7)相连接；沉淀出水通过出水阀(2.7)排入到出水水箱(5)，其包括出水水箱溢流口(5.1)与出水水箱放空阀(5.2)。
一体化短程硝化厌氧氨氧化同时除磷的间歇曝气实时控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)启动阶段：
一体化反应器(2)接种处理生活污水反应器中稳定运行的短程硝化污泥，并从稳定运行的厌氧氨氧化反应器(uasb)中取厌氧氨氧化颗粒污泥作为种泥进行接种，其中反应器中短程硝化污泥与厌氧氨氧化颗粒污泥质量比为4:1，总的污泥浓度控制在4000-5000mg/l。一体化反应器(2)接种种泥后以1.2-1.5mg/l的曝气量连续曝气1-3天。
2)运行阶段：
一体化反应器(2)配有一台空压机(2.1)曝气，在进水和反应阶段用机械搅拌桨(2.4)进行混合搅拌。一体化反应器水力停留时间为6h，每天运行4个周期。每周期一开始通过实时控制系统控制进水泵(1.3)将原生活污水泵入到一体化反应器(2)中，通过气体转子流量计(2.3)调整曝气量，使一体化反应器溶解氧浓度控制在0.8-1.2mg/l。通过实时控制系统控制间歇曝气，每周期6h，包含4min进水，330min间歇曝气，22min沉淀，4min排水，每天运行4个周期。在间歇曝气阶段，采用实时控制系统间歇调节曝气，交替开启或关闭空压机(2.1)，提供11个周期的缺氧搅拌22min而后低氧曝气8min，曝气量为0.8-1.2mg/l的运行条件。一体化反应器(2)出水通过出水阀(2.7)排水，排水比为50％。一体化反应器(2)每周期排出絮体污泥，其絮体污泥龄为30-50d。其一体化反应器(2)内温度通过加热设备控制在30-35℃。
3)筛选排泥阶段：
选用200微米的筛网进行筛分，筛除絮体污泥，将截留下来的厌氧氨氧化颗粒污泥在每周期进水阶段末加入到一体化反应器(2)当中。
本发明专利具有以下优势：
(1)一体化短程硝化厌氧氨氧化的间歇曝气实时控制方法可以精准实现4min进水，330min间歇曝气，22min沉淀，4min出水。
(2)本发明可以在一体化反应器中快速富集氨氧化菌、厌氧氨氧化菌，实现系统的快速启动和良好的自养脱氮效能。同时也能够快速实现亚硝酸盐的快速积累，然后作为厌氧氨氧化反应的基质进行自养脱氮。由于在前几个间歇曝气周期内的除磷作用，消耗了原水中的有机成分，因此能够顺利进行自养脱氮的过程，使得厌氧氨氧化菌在进水c/n比较高的情况下能够正常发生反应。
(3)本发明能够通过间歇曝气实时控制方法创造有利于除磷的生态环境。厌氧氨氧化反应所产生的硝态氮作为电子供体，在缺氧阶段能够通过反硝化除磷菌进行除磷，同时还能够将厌氧氨氧化反应所产生的11％的硝态氮除去，做到深度脱氮。由于在缺氧过程中发生厌氧氨氧化反应以及缺氧搅拌的不均匀性，创造出了一个适合聚磷菌储存内碳源的厌氧环境；间歇曝气的运行模式也给了聚磷菌厌氧释磷好氧吸磷的生物推动力，使得聚磷菌得以高效除磷，除磷率可达到95％以上。
(4)改善污泥沉淀性能。富含磷酸盐的细小的絮体污泥有助于在沉淀过程中加速污泥的沉降，防止氨氧化菌以及厌氧氨氧化菌的流失。
(5)经济投入成本低。本方法无需改变原有的装置和设备，也无需购买其它的控制仪器，主要能耗来源为曝气和搅拌。
本发明适用于新建的或需要升级改造的sbr工艺，可快速实现城市污水的深度脱氮除磷。
附图说明
图1为本发明在一体化反应器中实施的装置结构示意图；
图1中1为城市污水原水水箱、1.1为原水水箱溢流管、1.2为原水水箱放空阀、1.3为进水泵；2为一体化反应器、2.1为空压机、2.2为曝气电磁阀、2.3为气体转子流量计、2.4为搅拌器、2.5为ph和do测定仪、2.6为ph和do探头、2.7为出水阀、2.8为排空阀、2.9为粘砂块曝气头；3为计算机、4为可编程过程控制器、4.1为信号转换器da转换接口、4.2为信号转换器ad转换接口、4.3为进水继电器、4.4为搅拌继电器、4.5为曝气继电器、4.6为排水继电器；5为出水水箱，5.1为出水水箱溢流口、5.2为出水水箱放空阀。
图2为本发明具体实施方式中间歇曝气实时控制方法流程图。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案对本发明做进一步详细的说明，但本发明并不限于以下实施例。
下面结合具体的实例对本发明中所述的方法作进一步介绍：
实验采用北京工业大学家属区生活污水作为原水，具体水质如下：cod浓度为120-230mg/l，nh4+-n浓度58-87mg/l，no2--n≤2mg/l，no3--n≤1.5mg/l。实验系统如图1所示，各反应器均采用有机玻璃制成，一体化反应器总体积11l，其中有效体积为10l。
所用装置包括城市污水原水水箱(1)、一体化反应器(2)、计算机(3)、可编程过程控制器(4)以及出水水箱(5)。
城市污水原水水箱(1)设有原水水箱溢流管(1.1)和原水水箱放空阀(1.2)；城市生活污水通过进水泵(1.3)与一体化反应器(2)相连；一体化反应器(2)设有空压机(2.1)、曝气电磁阀(2.2)、气体转子流量计(2.3)、搅拌器(2.4)、ph和do测定仪(2.5)、ph和do探头(2.6)、出水阀(2.7)、排空阀(2.8)以及粘砂块曝气头(2.9)；实时控制系统设有计算机(3)、可编程过程控制器(4)、信号转换器da转换接口(4.1)、信号转换器ad转换接口(4.2)、进水继电器(4.3)、搅拌继电器(4.4)、曝气继电器(4.5)、排水继电器(4.6)；其中，可编程过程控制器(4)上的信号ad转换接口(4.2)通过电缆线与计算机(3)相连接，将传感器模拟信号转换成数字信号传递给计算机(3)；计算机(3)通过信号转换器da转换接口(4.1)与可编程过程控制器(4)相连接，将计算机(3)的数字指令传递给可编程过程控制器(4)；搅拌器继电器(4.4)与搅拌器(2.4)相连接；ph/do数据信号接口(2.5)与计算机(3)相连接；进水继电器(4.3)与进水泵(1.3)相连接；曝气继电器(4.5)与粘砂块曝气头(2.8)相连接；排水继电器(4.6)与出水阀(2.7)相连接；沉淀出水通过出水阀(2.7)排入到出水水箱(5)，其包括出水水箱溢流口(5.1)与出水水箱放空阀(5.2)。
具体运行操作如下：
1)启动阶段：
一体化反应器(2)接种处理生活污水反应器中稳定运行的短程硝化污泥，并从稳定运行的厌氧氨氧化反应器(uasb)中取厌氧氨氧化颗粒污泥作为种泥进行接种，其中反应器中短程硝化污泥与厌氧氨氧化颗粒污泥质量比为4:1，总的污泥浓度控制在4000-5000mg/l。一体化反应器(2)接种种泥后以1.2-1.5mg/l的曝气量连续曝气1-3天。
2)运行阶段：
一体化反应器(2)配有一台空压机(2.1)曝气，在进水和反应阶段用机械搅拌桨(2.4)进行混合搅拌。一体化反应器水力停留时间为6h，每天运行4个周期。每周期一开始通过实时控制系统控制进水泵(1.3)将原生活污水泵入到一体化反应器(2)中，通过气体转子流量计(2.3)调整曝气量，使一体化反应器溶解氧浓度控制在0.8-1.2mg/l。通过实时控制系统控制间歇曝气，每周期6h，包含4min进水，330min间歇曝气，22min沉淀，4min排水，每天运行4个周期。在间歇曝气阶段，采用实时控制系统间歇调节曝气，交替开启或关闭空压机(2.1)，提供11个周期的缺氧搅拌22min而后低氧曝气8min，曝气量为0.8-1.2mg/l的运行条件。一体化反应器(2)出水通过出水阀(2.7)排水，排水比为50％。一体化反应器(2)每周期排出絮体污泥，其絮体污泥龄为30-50d。其一体化反应器(2)内温度通过加热设备控制在30-35℃。
3)筛选排泥阶段：
选用200微米的筛网进行筛分，筛除絮体污泥，将截留下来的厌氧氨氧化颗粒污泥在每周期进水阶段末加入到一体化反应器(2)当中。
进一步地，一体化反应器运行稳定后，根据出水中氨氮浓度和总磷含量及时调整曝气量，防止过曝气现象的发生。