本实用新型涉及一种污水处理技术，具体是高氨氮废水实现一体化自养脱氮的装置和运行方法，尤其是在曝气生物滤池中实现一体化自养脱氮的装置和运行方法，适用于高氨氮废水的脱氮处理，有利于经济有效的控制水体氮素污染，提高污水脱氮效率，节省脱氮成本，属于废水处理方法领域。
背景技术：
随着工农业的飞速发展，工业和农业用水量日趋增加，而水资源却是有限的，因而环境问题也日益受到人类的关注，其中水环境的富营养化现象逐渐引起人们的高度重视。传统硝化反硝化是目前普遍采用的污水脱氮方法。传统硝化作用分两步进行：首先，在氨氧化细菌 (AOB)的作用下，使氨氮转化为亚硝酸氮；继之，亚硝酸氮在亚硝酸盐氧化细菌(NOB)的作用下，进一步转化为硝酸氮。反硝化作用是在缺氧及存在有机碳源的条件下，硝酸氮和亚硝酸氮在反硝化菌的作用下，被还原为气态氮(N2)的过程。
而一体化自养脱氮工艺是指在同一反应器中实现短程硝化和厌氧氨氧化过程，最终实现脱氮的目的。在好氧条件下，氨氧化细菌 (AOB)消耗氧气将氨氮氧化为亚硝态氮，为ANAMMOX反应提供反应基质，Anammox菌将剩余氨氮与生成的亚硝态氮在厌氧条件下转化为氮气。与传统生物脱氮工艺相比，可以节省63％曝气量，节省100％的碳源，减少80％污泥产量。同时具有去除负荷高，产生的温室气体少等优点。实现一体化对于提高脱氮效率、节省能源和碳源具有重要的意义，因此此工艺具有广阔的发展前景，是一种可持续发展的工艺。
自上世纪70年代以来，生物膜工艺成为广大研究者和工程师们的研究热点。生物滤池是生物膜法处理污水的传统工艺，于19世纪末发展起来，先于活性污泥法。曝气生物滤池是普通生物滤池的一种变形形式，从单一的工艺逐渐发展成系列综合工艺，具有去除SS、 COD、BOD5、硝化、脱氮的作用，其最大特点是集生物氧化和截留悬浮固体于一体，节省了后续二次沉淀池，在保证处理效果的前提下使处理工艺简化。此外，曝气生物滤池工艺有机物容积负荷高，水力负荷大，水力停留时间短，所需基建投资少，能耗及运行成本低，同时该工艺出水水质好。因此研究曝气生物滤池一体化自养脱氮的快速实现方法及稳定性问题具有重要的理论意义和应用前景。
技术实现要素：
本实用新型的目的是提供一种快速实现高氨氮废水曝气生物滤池一体化自养脱氮的装置及运行方法，通过施加各种有利于实现曝气生物滤池一体化自养脱氮的调控方法，给出最优的环境控制参数，达到快速实现曝气生物滤池一体化自养生物脱氮的效果。
本实用新型的技术方案是：
一种快速实现高氨氮废水曝气生物滤池一体化的装置，其特征在于，上部分圆柱型和下端圆锥型相结合的反应装置、进水系统、出水系统、反冲洗系统、曝气系统、温控系统；上部分圆柱型和下端圆锥型相结合的反应装置(22)下端的圆锥型作为进水区，上部分的圆柱型自下而上依次为承托层、滤料层、清水区以及出水槽，出水槽(24) 设有排气口(25)，并且在滤料层的底部设有压力表(26)，在滤料层部分侧面设有多个如8个取样口(23)，在滤料层部分侧面还设有多个取滤料口(27)，圆锥型底部内装有一曝气圆盘(7)；进水系统通过进水箱(1)、进水管(2)、第一蠕动泵(3)、阀门与圆锥型进水区底部连通；圆柱型顶部的出水槽通过出水管(17)与出水箱/反冲洗进水箱(8)连通；出水箱/反冲洗进水箱(8)通过反冲洗进水管(10) 经由反冲洗水泵(9)、转子流量计(11)、阀门与圆锥型底部连接；出水槽(24)通过反冲洗出水管(18)与反冲洗出水箱(19)连接；圆柱型的清水区通过回流管(15)经由第二蠕动泵(16)与进水区连接；
空气泵(4)通过第一进气管(6)经由第一玻璃转子流量计(5)、阀门与曝气圆盘连通，曝气圆盘上设有曝气头；空气压缩机(12)通过第二进气管(14)经由第二玻璃转子流量计(13)、阀门与曝气圆盘连通；温控装置(20)通过圆柱型外侧的加热带(21)调节反应装置温度。
反应器滤料层的滤料为火山岩，其粒径为3-5mm，并且该装置在启动阶段、正常运行阶段及反冲洗阶段均采用底部曝气的方式调节曝气量，进而控制反应器中溶解氧浓度。
上述的高氨氮废水曝气生物滤池一体化自养脱氮装置的运行方法，其特征在于，设有以下步骤：
1)系统启动阶段：打开进水阀门，将取自二沉池的活性污泥与一般氨氮废水(如一般生活废水，氨氮浓度一般60mg·L-1左右)按体积比2：1的比例通过第一蠕动泵从圆锥型部分泵入到反应器中，使其完全浸没滤料层；打开温控装置，温度控制在25℃-30℃；打开空气泵，使气体流经第一玻璃转子流量计后通过曝气圆盘进入到反应器中，气体流量控制在1-1.5L/h.L(即每L有效体积的反应容积每小时气体流量为1-1.5L)，进入闷曝阶段；在此闷曝阶段连续监测系统中DO、pH和ORP，当pH出现“氨谷”，或者ORP突然上升时，关闭曝气，一个闷曝周期结束，然后排水，再一般氨氮废水使其完全浸没滤料层进入下一闷曝周期；如此往复7天，之后采用连续流的方式进水；
即第8-11天，以0.09m/h的进水流速进水(即每小时水位升高 0.09m)；第12-15天，以0.14m/h的进水流速进水；第16-19天，以 0.21m/h的进水流速进水；在上述三种连续流进水的情况下，仍采用下部曝气圆盘的曝气方式，曝气量均为10Q m3/h，Q为进水流量；从连续进水开始进行内回流，内回流比为1:1，同时从连续进水开始逐渐增加进水的氨氮浓度，直至19天后氨氮进水浓度增加至待处理的高氨氮废水的氨氮浓度，如350mg/L；至此，短程硝化启动成功；
短程硝化启动成功后，取消内回流，取Anammox滤池出水作为外回流液经底部圆锥装置流入反应器，回流比为1:1(即Anammox滤池出水和高氨氮废水一体积比1:1的比例进入反应器)；待总氮(TN) 去除率升高后取消Anammox滤池出水外回流，改为内回流，回流比为1:1，运行至80天逐渐形成BAF高氨氮废水一体化自养脱氮系统； 140天后正常稳定运行；
2)正常运行阶段：打开进水阀门，然后打开进水蠕动泵，调节转子流量计，将待处理的高氨氮废水由圆锥型底部连续进入到圆柱型曝气生物滤池中，通过滤料层，在氨氧化细菌和厌氧氨氧化菌的共同作用下，一部分氨态氮氧化为亚硝态氮，剩余氨态氮和生成的亚硝态氮共同生成氮气，从出水槽流经出水管排至出水箱中；此运行阶段，打开空气压缩机，使气体通过进气管，流经玻璃转子流量计之后，通过曝气圆盘和曝气头进行曝气，通过调节玻璃转子流量计维持反应器中溶解氧浓度为1.5-2.5mg/L；回流污水通过回流管经回流泵后从圆锥型底部再次进入反应器中，回流比为1：1；
3)反冲洗运行阶段：当反应器滤料层的压力差即反应器滤料层底部和顶部的压力差大于1m(观察压力表示数>18KPa)时，关闭进水阀门及第一、第二蠕动泵，进行反冲洗，气冲通过空气压缩机进行，水冲通过反冲洗水泵进行，气水混冲通过空气压缩机和反冲洗水泵同时进行，气冲均通过底部曝气圆盘曝气；反冲洗模式为：气冲4分钟，强度为8L/(m2·s)；气水混冲5分钟，气水强度均为8L/(m2·s)；水冲7分钟，强度为8L/(m2·s)；
4)反冲洗结束后返回至步骤2)，继续进行正常运行阶段。
一体化自养脱氮工艺的实现条件在本质上是硝化菌群(主要包括氨氧化细菌和亚硝酸氧化细菌两大类细菌)和厌氧氨氧化菌结构的优化，即尽可能淘汰系统中的亚硝酸氧化细菌，保留氨氧化细菌和厌氧氨氧化菌。
本实用新型所提供的快速实现高氨氮废水曝气生物滤池一体化自养脱氮的装置和运行方法是提高AOB和Anammox生长速率，降低亚硝酸盐氧化菌生长速率，即最有利于富集AOB和Anammox、淘汰亚硝酸氧化菌的因素综合在一起，具体包括：
1)系统正常运行温度控制在25℃-30℃左右，氨氧化细菌的生长速率大于亚硝酸盐氧化细菌的生长速率，系统长期在此温度下运行，有利于富集氨氧化细菌。
2)系统正常运行控制在偏低的溶解氧浓度下，1.5-2.5mg/L左右，根据微生物的生理特性，由于氨氧化细菌对氧的亲和能力比亚硝酸氧化细菌强，因此较低的溶解氧浓度下，氨氧化细菌的生长速率大于亚硝酸氧化细菌的生长速率。长期在此条件下运行，有利于富集氨氧化细菌。生物膜中不同厚度存在好氧缺氧环境，为Anammox提供生存环境。
3)对曝气生物滤池进行适时适度反冲洗，反冲洗周期约为18天左右，有利于富集氨氧化细菌。氨氧化细菌的世代时间(即细菌增长一倍的时间)比亚硝酸氧化细菌的世代时间短。因此适时适度的反冲洗可以使亚硝酸氧化细菌还未充分繁殖就被排出系统，从而保证氨氧化细菌在整个硝化菌群中的比例不断提高，进而淘汰亚硝酸氧化细菌。
4)系统正常运行时pH值控制在7.5-8.5范围内，有利于富集氨氧化细菌。氨氧化细菌和亚硝酸氧化细菌的最适pH范围有所差异，分别为7.0-8.5和6.5-7.5。因此长期在这种条件下运行，有利于氨氧化细菌的富集。
5)启动阶段进行间歇曝气，有利于提高氨氧化细菌的竞争力。根据两类微生物的生理特性，每一个缺氧阶段之后的好氧阶段氨氧化细菌总是比亚硝酸氧化菌提前恢复活性，这样氨氧化细菌的生长速率在好氧阶段就高于亚硝酸氧化菌的生长速率，减少了亚硝酸氧化细菌的生长机会。同时间歇曝气时的缺氧阶段也适于Anammox的生长。
本实用新型的高氨氮废水曝气生物滤池一体化自养脱氮的装置与运行方法同现有处理高氨氮废水的处理技术相比，具有下列优点：
1)节能降耗效果好。污水处理厂的大部分费用用于电耗及药耗，然而短程硝化只需将氨氮氧化成亚硝酸氮，厌氧氨氧化过程厌氧进行，共节省了63％的曝气能耗，即降低了电耗，节省100％外加碳源，使污水处理厂的能耗降低。
2)可靠性高。曝气生物滤池抗冲击负荷能力强，无污泥膨胀问题，一段时间不运转，微生物不会流失，几天内即可恢复到正常处理水平。
3)基建费用和运行费用低。曝气生物滤池的基建费用和运行费用大大低于传统常规二级处理技术的费用。
4)简化流程。曝气生物滤池集过滤、生物吸附和生物氧化于一体，可同时起到普通曝气池、二沉池和砂滤池的作用，将物理截留和生物处理在同一反应器中完成。
5)较小的池容和占地。曝气生物滤池的占地面积仅是常规二级生物处理的1/10-1/5左右，这一点对于沿海城市，或土地较昂贵的开发区及经济发达的地区具有重要意义，而对于一些厂区用地紧张的情况，也可找到解决的办法。
附图说明
图1是本实用新型的结构示意图。
图中：1进水箱；2进水管；3第一蠕动泵；4空气泵；5第一玻璃转子流量计；6第一进气管；7曝气圆盘；8出水箱/反冲洗进水箱；9反冲洗水泵；10反冲洗进水管；11转子流量计；12空气压缩机；13第二玻璃转子流量计；14第二进气管；15回流管；16第二蠕动泵；17出水管；18反冲洗出水管；19反冲洗出水箱；20温控装置；21加热带；22上部分圆柱型和下端圆锥型相结合的反应装置；23取样口；24出水槽；25排气口；26压力表；27取滤料口；
图2为实施例1进出水效果图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型做说明，但本实用新型并不限于以下实施例。
实施例1：
具体装置参见附图1，快速实现高氨氮废水曝气生物滤池一体化自养生物脱氮的装置：设有圆柱型和圆锥型结合的反应装置、进水系统、出水系统、回流系统、反冲洗系统、曝气系统、温控系统。上部分圆柱型和下端圆锥型相结合的反应装置22设有圆锥型的进水区，圆柱型的承托层、滤料层和清水区以及出水槽24，出水槽24上设有排气口25，圆柱型反应器部分设有滤料层，并且在滤料层的底部装有压力表26，在反应器的滤料层部分设有8个取样口23，5个取滤料口27，反应器下部设有压力表26，圆锥型反应器内装有一曝气圆盘7；进水系统通过进水箱1、进水管2、第一蠕动泵3、阀门与圆锥型进水区连通；圆柱型反应器的顶部通过出水槽24、出水管17与出水箱/反冲洗进水箱8连通；出水箱/反冲洗进水箱8通过反冲洗水泵 9、转子流量计11、反冲洗进水管10和阀门与圆锥型反应器部分连通；出水槽24通过反冲洗出水管18与反冲洗出水箱19连通；空气泵4通过第一玻璃转子流量计5、第一进气管6和阀门与曝气圆盘7 连通；空气压缩机12通过第二进气管14、第二玻璃转子流量计13 和阀门与曝气圆盘7连通；部分出水通过回流管15、第二蠕动泵16 和阀门与反应器底部锥形区域连接；温控装置20通过加热带21调节反应装置温度。反应器滤料层的滤料为火山岩，其粒径为3-5mm，并且该装置启动阶段、正常运行阶段及反冲洗阶段均采用底部曝气的方式调节曝气量，调节曝气量，进而控制反应器中溶解氧浓度。
高氨氮废水曝气生物滤池一体化自养脱氮装置的运行方法，以自配水作为实验对象：NH4+-N＝350mg/L，pH＝7.5-8.5，所选择的曝气生物滤池空池有效容积为19.2L，运行方法按以下步骤完成：
1)启动阶段：打开进水阀门，将取自二沉池的活性污泥与一般氨氮废水(氨氮浓度NH4+-N＝60mg/L)按2：1的体积比通过蠕动泵从圆锥型反应器部分泵入到反应器中，使其完全浸没滤料层；打开温控装置，温度控制在30℃左右；打开空气压缩机，使气体流经第一玻璃转子流量计后通过曝气圆盘进入到反应器中，气体流量控制在 25L/h，进入闷曝阶段。此阶段连续监测系统中DO、pH和ORP，当pH 出现“氨谷”，或者ORP突然上升时，关闭曝气，一个闷曝周期结束，换污水进入下一闷曝周期。如此往复7天，之后采用连续流的方式进水。第8-11天，以0.04m/h的流速进水，NH4+-N负荷为0.22kg/(m3·d)；第12-15天，以0.08m/h的流速进水，NH4+-N负荷为0.51kg/(m3·d)；第16-19天，以0.12m/h的设计流速进水，NH4+-N负荷为 0.77kg/(m3·d)。这三种连续流进水的情况下，仍采用下部曝气圆盘的曝气方式，曝气量为10Q m3/h(Q为进水流量)，处理效果稳定后 NH4+-N浓度逐渐增加至350mg·L-1；内回流比为1:1。至此，短程硝化启动成功。短程硝化启动成功后，取Anammox滤池出水作为外回流。总氮(TN)去除率升高后取消Anammox滤池出水外回流，改为采用 BAF内回流，运行至80天逐渐形成BAF高氨氮废水一体化自养生物脱氮系统，140天后正常稳定运行。
2)正常运行阶段：打开进水阀门，然后打开进水蠕动泵，调节转子流量计，进水流量为1.85L/h，将待处理的高氨氮废水由圆锥型底部连续进入到曝气生物滤池中，通过滤料层，在氨氧化细菌和厌氧氨氧化菌的共同作用下，氨态氮氧化为亚硝态氮，生成的亚硝态氮和剩余氨态氮反应生成氮气，从出水槽流经出水管排至出水箱中；此运行阶段，打开空气泵，使气体通过进气管，流经玻璃转子流量计之后，通过曝气圆盘和曝气头对清水区进行曝气，通过调节玻璃转子流量计维持反应器中溶解氧浓度为1.5-2.5mg/L；回流污水通过回流管经回流泵后从圆锥型底部再次进入反应器中。
3)反冲洗运行阶段：当反应器滤料层的压力差即反应器滤料层底部和顶部的压力差大于1m(观察压力表读数>18KPa)时，关闭进水阀门及蠕动泵，进行反冲洗，气冲通过空气压缩机进行，水冲通过反冲洗水泵进行，气水混冲通过空气压缩机和反冲洗水泵同时进行，气冲均通过底部曝气圆盘曝气。反冲洗模式为：气冲4分钟，强度为 8L/(m2·s)；气水混冲5分钟，气水强度均为8L/(m2·s)；水冲7分钟，强度为8L/(m2·s)。
4)反冲洗结束后返回至步骤2)，即正常运行阶段。
采用上述工艺进出水效果见图2。