本发明涉及一种低碳氮比污水自养脱氮同步污泥发酵耦合反硝化装置与方法。原水箱、储泥池、沉淀池均与自养脱氮同步污泥发酵耦合反硝化反应器连接；自养脱氮同步污泥发酵耦合反硝化反应器设有自循环管路。方法为：原水、短程硝化回流液以及新鲜剩余污泥一起进入自养脱氮同步污泥发酵耦合反硝化反应器中，部分氨氮与亚硝通过厌氧氨氧化菌自养脱氮，剩余亚硝和硝态氮利用原水中有机物及剩余污泥发酵产生的碳源进行反硝化，其出水在短程硝化反应器中硝化，经沉淀池泥水分离后部分硝化液回流至自养脱氮同步污泥发酵耦合反硝化反应器。本发明能有效抵抗高氨氮负荷冲击，充分利用原水及发酵产生的碳源，提高废水脱氮效率，同时减少污泥产量。
1.应用自养脱氮同步污泥发酵耦合反硝化装置进行低碳氮比污水处理的方法，应用如下装置：所述装置设有原水箱(1)、储泥池(2)、自养脱氮同步污泥发酵耦合反硝化反应器(3)、短程硝化反应器(4)、排水池(5)；原水箱(1)通过进水泵(1.1)与自养脱氮同步污泥发酵耦合反硝化反应器(3)底部相连接，自养脱氮同步污泥发酵耦合反硝化反应器(3)通过出水泵(3.11)与短程硝化反应器(4)首格室相连接；短程硝化反应器(4)用上下交错设置过水孔的隔板分为4-9个格室，每个格室设有曝气装置(4.1)，短程硝化反应器(4)末端与沉淀池(4.2)相连接，沉淀池(4.2)底部通过污泥回流泵(4.3)与短程硝化反应器(4)首格室相连接，沉淀池(4.2)出水口通过管道与排水池(5)相连接；排水池(5)设有排水管(5.1)，通过硝化液回流泵(5.2)与自养脱氮同步污泥发酵耦合反硝化反应器(3)底部相连接；
自养脱氮同步污泥发酵耦合反硝化反应器(3)设有圆筒形污泥床(3.7)，上部设有顶部密封板(3.6)和三相分离器(3.9)，中间设有温控加热带装置(3.10)，下部设有布水装置(3.8)；三相分离器(3.9)的上部连通气体收集装置(3.5)；圆筒形污泥床(3.7)上部出水口依次通过中间水箱(3.1)、循环泵(3.2)和循环控制阀(3.3)与圆筒形污泥床(3.7)底部相连接；储泥池(2)通过进泥泵(2.1)和进泥控制阀(2.2)与自养脱氮同步污泥发酵耦合反硝化反应器(3)底部相连接，排水池(5)通过硝化液回流泵(5.2)与自养脱氮同步污泥发酵耦合反硝化反应器(3)底部相连接；
步骤一：启动短程硝化反应器(4)：以实际城市生活污水处理厂的硝化污泥为接种污泥注入短程硝化反应器(4)，控制污泥浓度为2000-5000mg/L，水力停留时间4-8h，污泥停留时间20-30天；将实际城市生活污水泵入短程硝化反应器(4)的首端，随后启动曝气装置(4.1)进行硝化作用，调节曝气装置(4.1)使硝化过程中溶解氧维持在2mg/L，用氢氧化钠调节pH值使其维持在8.0-8.5，出水进入沉淀池(4.2)，沉淀污泥回流到短程硝化反应器(4)的首格室，回流比控制在50％-100％；在上述条件下运行短程硝化反应器(4)，当出水亚硝酸盐累积率大于90％且持续维持15天以上时，短程硝化反应器启动成功；
步骤二：启动自养脱氮同步污泥发酵耦合反硝化反应器(3)：控制自养脱氮同步污泥发酵耦合反硝化反应器(3)中污泥浓度7000-8000mg/L，水力停留时间3-5h，污泥停留时间+ -
10-20天，进水采用NH4-N与NO2-N质量比为1：1.3的人工配水，起始TN浓度为20mg/L并以20mg/L的梯度逐步增大氮负荷直到200mg/L，每次增大氮负荷的时间以自养脱氮率超过
95％且持续维持15天以上判断，最后完成对自养脱氮同步污泥发酵耦合反硝化反应器(3)+ -
的厌氧氨氧化驯化处理；进水采用NH4-N与NO2-N质量比为1：1.3且TN为200mg/L的人工配水，同时投加乙酸钠作为反硝化碳源使SCOD浓度为100-150mg/L，当TN去除率高于90％且持续维持15天以上时，厌氧氨氧化和反硝化的耦合成功实现；以剩余污泥取代乙酸钠作为反硝化的碳源使SCOD浓度继续维持在100-150mg/L，当TN去除率高于90％且持续维持
15天以上时，达到自养脱氮同步污泥发酵耦合反硝化的实现；
步骤三：短程硝化反应器(4)与自养脱氮同步污泥发酵耦合反硝化反应器(3)分别完成启动后，将整个装置串联运行：开启进泥泵(2.1)，将储泥池中的新鲜剩余污泥注入自养脱氮同步污泥发酵耦合反硝化反应器(3)中；开启进水泵(1.1)将原水注入自养脱氮同步污泥发酵耦合反硝化反应器(3)，控制其中污泥浓度7000-8000mg/L，水力停留时间3-5h，污泥停留时间10-20天，出水进入中间水箱(3.1)；中间水箱50％出水回流至自养脱氮同步污泥发酵耦合反硝化反应器(3)，50％出水通过出水泵(3.11)泵入短程硝化反应器(4)；
控制短程硝化反应器(4)中污泥浓度为2000-5000mg/L，水力停留时间4-8h，污泥停留时间
20-30天，溶解氧维持在2mg/L，用氢氧化钠调节pH值使其维持在8.0-8.5，其出水进入沉淀池(4.2)，泥水分离后，上清液进入排水池(5)，沉淀污泥回流到短程硝化反应器(4)的首格室，回流比控制在50％-100％；排水池(5)中的硝化液以100％回流比通过硝化液回流泵(5.2)回流到自养脱氮同步污泥发酵耦合反硝化反应器；处理后出水与污泥分别通过排水管(5.1)与排泥阀(3.4)、排空阀(4.4)排放。
低氮比污水自养脱氮同步污泥发酵耦合反硝化的方法
技术领域
[0001] 本发明涉及高氨氮废水及剩余污泥生化处理技术领域，污泥发酵释放的氨氮与短程硝化反应产生的亚硝通过厌氧氨氧化去除，反硝化菌利用水解酸化产生的挥发性有机酸作为电子供体将产生的硝态氮反硝化去除，达到总氮的深度去除和污泥的有效利用。
背景技术
[0002] 低碳氮比污水如污水处理厂污泥硝化液、垃圾渗滤液等，这类废水存在碳源严重不足的问题，其自身的碳源根本无法满足脱氮的需求，因而成为污水生物处理总氮不达标的关键原因。为解决这一问题，提高总氮去除率，提供额外的碳源强化反硝化效果是有效的方法。在外加碳源中，主要包括两种：
[0003] 1)单一碳源。主要的碳源种类有甲醇，乙酸，乙醇等。实际污水处理厂中甲醇作为传统的反硝化外加碳源应用较为广泛。单一外加碳源的优点是经过驯化一般都可以达到较高的反硝化速率，可精确控制药剂投加量，运行管理方便，出水水质稳定。但是为达到合适的反硝化速率和良好的反硝化效果，需按照理论耗量的2-3倍投加碳源，运行费用昂贵。
[0004] 2)复合碳源。挥发性脂肪酸是一种有效的复合碳源，是指碳原子为2-6的脂肪酸，在城市污水/污泥中以乙酸、丙酸、丁酸为主。挥发性脂肪酸可以通过污泥厌氧消化得到，因此利用污泥水解酸化产生的脂肪酸作为污水厂生物脱氮除磷的碳源可以缓解反硝化碳源不足问题，同时实现污泥减量化。然而，污泥水解酸化过程中微生物通过脱氨基作用将会使部分氨氮释放到上清液中，导致污泥水解酸化上清液中氨氮浓度过高，降低了该方法的实际应用性。
[0005] 目前，生物脱氮出现了一种新工艺----厌氧氨氧化工艺。根据厌氧氨氧化反应，厌氧氨氧化菌能够将氨氮和亚硝态氮转化为氮气。由于厌氧氨氧化菌属于厌氧自养菌，反应过程无需氧气和有机物，故可以节约曝气和有机碳源，从而大大减少污水处理的处理费用和基建费用。然而由厌氧氨氧化反应关系，对于如何保证稳定且持续的氨氮与亚硝态氮的比例关系还缺乏有效控制，并且反应过程中还会伴随部分硝态氮产生。
发明内容
[0006] 本发明的目的就是为了解决上述问题，提出了自养脱氮同步污泥发酵耦合反硝化装置和方法，即将短程硝化的硝化液与剩余污泥混合，通过厌氧氨氧化作用先将污泥发酵释放的氨氮与硝化液中的部分亚硝态氮去除，反硝化菌再利用发酵产生的挥发性脂肪酸为碳源，将剩余的亚硝和硝氮全部还原，达到废水总氮的高效去除。
[0007] 本发明通过以下技术方案来实现：
[0008] 一种低碳氮比污水自养脱氮同步污泥发酵耦合反硝化装置，设有原水箱1、储泥池2、自养脱氮同步污泥发酵耦合反硝化反应器3、短程硝化反应器4、排水池5；原水箱1通过进水泵1.1与自养脱氮同步污泥发酵耦合反硝化反应器3底部相连接，自养脱氮同步污泥发酵耦合反硝化反应器3通过出水泵3.11与短程硝化反应器4首格室相连接；短程硝化反应器4用上下交错设置过水孔的隔板分为4-9个格室，每个格室设有曝气装置4.1，短程硝化反应器4末端与沉淀池4.2相连接，沉淀池4.2底部通过污泥回流泵4.3与短程硝化反应器4首格室相连接，沉淀池4.2出水口与排水池5相连接；排水池5设有排水管5.1，通过硝化液回流泵5.2与自养脱氮同步污泥发酵耦合反硝化反应器3底部相连接。
[0009] 自养脱氮同步污泥发酵耦合反硝化反应器3设有圆筒形污泥床3.7，上部设有顶部密封板3.6和三相分离器3.9，中间设有温控加热带装置3.10，下部设有布水装置3.8；三相分离器3.9的上部连通气体收集装置3.5；圆筒形污泥床3.7上部出水口依次通过中间水箱3.1、循环泵3.2和循环控制阀3.3与圆筒形污泥床3.7底部相连接；储泥池2通过进泥泵2.1和进泥控制阀2.2与自养脱氮同步污泥发酵耦合反硝化反应器3底部相连接，排水池5通过硝化液回流泵5.2与自养脱氮同步污泥发酵耦合反硝化反应器3底部相连接。
[0010] 自养脱氮同步污泥发酵耦合反硝化装置进行低碳氮比污水处理的方法，包括以下步骤：
[0011] 步骤一：启动短程硝化反应器4：以实际城市生活污水处理厂的硝化污泥为接种污泥注入短程硝化反应器4，控制污泥浓度为2000-5000mg/L，水力停留时间4-8h，污泥停留时间20-30天；将实际城市生活污水泵入短程硝化反应器4的首端，随后启动曝气装置4.1进行硝化作用，调节曝气装置4.1使硝化过程中溶解氧维持在2mg/L，用2mol/L的氢氧化钠调节pH值使其维持在8.0-8.5，出水进入沉淀池4.2，沉淀污泥回流到短程硝化反应器
4的首格室，回流比控制在50％-100％。在上述条件下运行短程硝化反应器4，当出水亚硝酸盐累积率大于90％且持续维持15天以上时，短程硝化反应器启动成功；
[0012] 步骤二：启动自养脱氮同步污泥发酵耦合反硝化反应器3：控制自养脱氮同步污泥发酵耦合反硝化反应器3中污泥浓度7000-8000mg/L，水力停留时间3-5h，污泥停留时间+ -10-20天，进水采用NH4-N与NO2-N质量比为1：1.3的人工配水，起始TN浓度为20mg/L并以20mg/L的梯度逐步增大氮负荷直到200mg/L，每次增大氮负荷的时间以自养脱氮率超过
95％且持续维持15天以上判断，最后完成对自养脱氮同步污泥发酵耦合反硝化反应器3的+ -
厌氧氨氧化驯化处理；进水采用NH4-N与NO2-N质量比为1：1.3且TN为200mg/L的人工配水，同时投加乙酸钠作为反硝化碳源使SCOD浓度为100-150mg/L，当TN去除率高于90％且持续维持15天以上时，厌氧氨氧化和反硝化的耦合成功实现；以剩余污泥取代乙酸钠作为反硝化的碳源使SCOD浓度继续维持在100-150mg/L，当TN去除率高于90％且持续维持
15天以上时，达到自养脱氮同步污泥发酵耦合反硝化的实现。
[0013] 步骤三：短程硝化反应器4与自养脱氮同步污泥发酵耦合反硝化反应器3分别完成启动后，将整个装置串联运行：开启进泥泵2.1，将储泥池中的新鲜剩余污泥注入自养脱氮同步污泥发酵耦合反硝化反应器3中；开启进水泵1.1将原水注入自养脱氮同步污泥发酵耦合反硝化反应器3，控制其中污泥浓度7000-8000mg/L，水力停留时间3-5h，污泥停留时间10-20天，出水进入中间水箱3.1；中间水箱50％出水回流至自养脱氮同步污泥发酵耦合反硝化反应器3，50％出水通过出水泵3.11泵入短程硝化反应器4；控制短程硝化反应器4中污泥浓度为2000-5000mg/L，水力停留时间4-8h，污泥停留时间20-30天，溶解氧维持在
2mg/L，用2mol/L的氢氧化钠调节pH值使其维持在8.0-8.5，其出水进入沉淀池4.2，泥水分离后，上清液进入排水池5，沉淀污泥回流到短程硝化反应器4的首格室，回流比控制在
50％-100％；排水池5中的硝化液以100％回流比通过硝化液回流泵5.2回流到自养脱氮同步污泥发酵耦合反硝化反应器；处理后出水与污泥分别通过排水管5.1与排泥阀3.4、排空阀4.4排放。
[0014] 本发明具有以下有益效果：
[0015] 本发明将厌氧氨氧化、污泥发酵、反硝化等反应集于同一反应器中进行，关键是要保证回流的亚硝态氮能够通过厌氧氨氧化作用使得污泥发酵释放的氨氮全部去除，随后反硝化菌则利用污泥发酵产生的挥发性脂肪酸作为电子供体将其余部分的亚硝态氮、硝态氮全部还原成氮气，达到总氮的高效深度去除。该装置具有良好的实用性和可靠性。与传统污泥碳源开发工艺相比，还有如下优点：
[0016] (1)稳定。该装置可以抵抗一定的氨氮冲击，即便短程硝化反应器不能完全发挥效用，自养脱氮同步污泥发酵耦合反硝化反应器仍然能够通过反硝化将硝态氮去除。
[0017] (2)发酵速率高。在污泥发酵耦合反硝化的过程中，发酵产物被反硝化菌群大量消耗，减弱了底物抑制作用，发酵速率与传统污泥发酵淘洗工艺相比将会进一步提高。
[0018] (3)经济高效。实现污水生物脱氮系统自身剩余污泥的减量化处理和利用，提高污泥污水处理效率，节省处理成本和占地面积。
附图说明
[0019] 图1为本发明装置的结构示意图。
[0020] 主要符号说明如下：
[0021] 1-原水箱 2-储泥池 4-短程硝化反应器
[0022] 5-排水池 3-自养脱氮同步污泥发酵耦合反硝化反应器[0023] 1.1-进水泵 2.1-进泥泵 2.2-进泥控制阀
[0024] 3.1-中间水箱 3.2-循环泵 3.3-循环控制阀
[0025] 3.4-排泥阀 3.5-气体收集装置 3.6-密封板
[0026] 3.7-圆筒形污泥床 3.8-布水装置 3.9-三相分离器
[0027] 3.10-加热带装置 3.11-出水泵 4.1-曝气装置
[0028] 4.2-沉淀池 4.3-污泥回流泵 4.4-排空阀
[0029] 5.1-排水管 5.2-硝化液回流泵
具体实施方式
[0030] 结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
[0031] 如图1所示，低碳氮比污水自养脱氮同步污泥发酵耦合反硝化装置设有原水箱1、储泥池2、自养脱氮同步污泥发酵耦合反硝化反应器3、短程硝化反应器4、排水池5；原水箱1通过进水泵1.1与自养脱氮同步污泥发酵耦合反硝化反应器3底部相连接，自养脱氮同步污泥发酵耦合反硝化反应器3通过出水泵3.11与短程硝化反应器4首格室相连接；短程硝化反应器4用上下交错设置过水孔的隔板分为4-9个格室，每个格室设有曝气装置4.1，短程硝化反应器4末端与沉淀池4.2相连接，沉淀池4.2底部通过污泥回流泵4.4与短程硝化反应器4首格室相连接，沉淀池4.2出水口与排水池5相连接；排水池5设有排水管5.1，通过硝化液回流泵5.2与自养脱氮同步污泥发酵耦合反硝化反应器3底部相连接。
[0032] 自养脱氮同步污泥发酵耦合反硝化反应器3设有圆筒形污泥床3.7，上部设有顶部密封板3.6和三相分离器3.9，中间设有温控加热带装置3.10，下部设有布水装置3.8；三相分离器3.9的上部连通气体收集装置3.5；圆筒形污泥床3.7上部出水口依次通过中间水箱3.1、循环泵3.2和循环控制阀3.3与圆筒形污泥床3.7底部相连接；储泥池2通过进泥泵2.1和进泥控制阀2.2与自养脱氮同步污泥发酵耦合反硝化反应器3底部相连接，排水池5通过硝化液回流泵5.2与自养脱氮同步污泥发酵耦合反硝化反应器3底部相连接。
[0033] 具体试验用水采用北京工业大学家属区生活污水外加碳酸氢铵作为原水，具体+ -水质如下：pH为6.8-7.3，COD浓度为120-180mg/L，NH4-N浓度为150-220mg/L，NO2-N及-
NO3-N均在检测限以下，COD/N浓度比为0.55-1.2。试验每天所加污泥为某中试浓缩后的新鲜剩余污泥(SS为9600-12000mg/L)。所用短程硝化反应器有效容积9L，分为8格室，各格室由隔板上上下交错的通水孔道连接，水力停留时间7.2h，污泥停留时间20天，污泥浓度
4000-5000mg/L，污泥回流比60％，自养脱氮同步污泥发酵耦合反硝化反应器的有效容积为
5L，水力停留时间为4.8h，污泥停留时间15天，硝化液回流比100％。具体运行操作过程如下：
[0034] (1)向原水箱与储泥池中分别注满高氨氮废水与新鲜剩余污泥。
[0035] (2)开启进泥泵，将储泥池中的新鲜剩余污泥注入自养脱氮同步污泥发酵耦合反硝化反应器中；开启进水泵将高氨氮废水注入自养脱氮同步污泥发酵耦合反硝化反应器，待其加满后注入中间水箱；通过循环泵将中间水箱50％出水回流至自养脱氮同步污泥发酵耦合反硝化反应器底部。
[0036] 在系统连续运行之前，先对自养脱氮同步污泥发酵耦合反硝化反应器进行启动，具体过程为：控制自养脱氮同步污泥发酵耦合反硝化反应器中污泥浓度7000-8000mg/L，+ -水力停留时间3-5h，污泥停留时间10-20天，进水采用NH4-N与NO2-N质量比为1：1.3的人工配水，起始TN浓度为20mg/L并以20mg/L的梯度逐步增大氮负荷直到200mg/L，每次增大氮负荷的时间是自养脱氮率超过95％且持续维持15天以上，最后完成对自养脱氮同+ -
步污泥发酵耦合反硝化反应器的厌氧氨氧化驯化处理；进水采用NH4-N与NO2-N质量比为1：1.3且TN为200mg/L的人工配水，同时投加乙酸钠作为反硝化碳源使SCOD浓度为
100-150mg/L，当TN去除率高于90％且持续维持15天以上时，厌氧氨氧化和反硝化的耦合成功实现；以剩余污泥取代乙酸钠作为反硝化的碳源使SCOD浓度继续维持在100-150mg/L，当TN去除率高于90％且持续维持15天以上时，达到自养脱氮同步污泥发酵耦合反硝化的实现。
[0037] (3)中间水箱50％的出水通过出水泵泵入短程硝化反应器；短程硝化反应器溶解氧维持在2mg/L，用2mol/L的氢氧化钠调节pH值使其维持在8.0-8.5，出水进入沉淀池，泥水分离后，上清液进入排水池，其中硝化液以100％回流比通过硝化液回流泵回流到自养脱氮同步污泥发酵耦合反硝化反应器，出水通过排水管排出系统。
[0038] 在系统连续运行之前，先对短程硝化反应器进行启动，具体过程为：以实际城市生活污水处理厂的硝化污泥为接种污泥注入短程硝化反应器，控制污泥浓度为2000-5000mg/L，水力停留时间4-8h，污泥停留时间20-30天；将实际城市生活污水泵入短程硝化反应器的首端，随后启动曝气装置进行硝化作用，调节曝气装置使硝化过程中溶解氧维持在2mg/L，用2mol/L的氢氧化钠调节pH值使其维持在8.0-8.5，出水进入沉淀池，沉淀污泥回流到短程硝化反应器的首格室，回流比控制在50％-100％。在上述条件下运行短程硝化反应器，当出水亚硝酸盐累积率大于90％且持续维持15天以上时，短程硝化反应器启动成功。
[0039] (4)处理后出水与污泥分别通过排水管与排泥阀、排空阀排放。
[0040] 连续的试验结果表明：当自养脱氮同步污泥发酵耦合反硝化反应器污泥浓度7000-8000mg/L时，利用其处理高氨氮废水，最终出水的pH值为7.8-8.3，氨氮浓度1.5-6.2mg/L，总氮浓度12-25mg/L，COD值40-60mg/L，同时污泥减量约30％。系统成功实现了同步污泥发酵、污水反硝化及自养脱氮。
