本发明公开了一种内碳源反硝化耦合厌氧氨氧化处理城市污水的装置及方法。该装置设有两个SBR反应器，其中SBR除磷反应器去除污水中的有机物并合成内碳源，SBR脱氮反应器利用短程硝化‑厌氧氨氧化技术去除污水中的大部分氨氮，并通过投加SBR除磷反应器的剩余污泥进一步提高系统总氮去除率；装置运行方法包括以下步骤：1)接种污泥；2)SBR除磷反应器启动；3)SBR脱氮反应器启动；4)系统稳定运行；本发明适用于低碳氮比城市污水的处理；系统控制灵活，总氮去除效率高。
1.一种内碳源反硝化耦合厌氧氨氧化处理城市污水的装置，其特征在于：设有储存城市污水处理厂的初沉池出水的城市污水原水箱(1)、SBR除磷反应器(2)、中间水箱(3)、SBR脱氮反应器(4)、储泥池(5)；城市污水原水箱设有溢流管(11)和放空管(12)；城市污水原水箱通过进水泵(13)与SBR除磷反应器的进水管相连通；SBR除磷反应器设有调速搅拌器(21)、排水阀(22)、排泥阀(23)、膜片曝气头(24)、气量调节阀(25)、鼓风机(26)、气体流量计(27)；SBR除磷反应器的出水管与所述中间水箱连通；中间水箱设有溢流管(31)；中间水箱通过进水泵(33)与所述SBR脱氮反应器相连通；SBR脱氮反应器设有调速搅拌器(41)、排泥阀(42)、膜片曝气头(43)、气量调节阀(44)、排水阀(45)、气体流量计(46)和鼓风机(47)；
SBR除磷反应器通过排泥阀(23)和排泥管道进入到所述储泥池，储泥池设有上清液排放管(51)和排泥阀(53)，储泥池底部通过设置的污泥泵(52)与SBR脱氮反应器连通；
所述城市污水原水箱的放空管设有自控阀门，所述调速搅拌器、进水泵、鼓风机、污泥泵、上清液排放管均设有自控开关，所述自控阀门、自控开关、排水阀、排泥阀、气量调节阀、气体流量计均为在线自控部件；在所述SBR除磷反应器里设有在线污泥浓度计、在线溶解氧浓度计、在线磷酸盐浓度计和在线硝酸盐浓度计；在所述SBR脱氮反应器里设有在线溶解氧浓度计和在线氨氮浓度计；上述自控部件和在线污泥浓度计、在线溶解氧浓度计、在线磷酸盐浓度计和在线硝酸盐浓度计，以及在线氨氮浓度计均与设置的PLC控制器进行信号和控制连接。
2.利用权利要求1所述的内碳源反硝化耦合厌氧氨氧化处理城市污水的装置进行城市污水处理的方法，其特征是具有以下步骤：
1)接种污泥：SBR除磷反应器接种城市污水处理厂二沉池回流污泥，使得反应器内的污泥浓度在5g/L；SBR脱氮反应器按照体积比1∶1接种城市污水处理厂二沉池回流污泥和稳定运行的高氨氮废水处理系统排放的短程硝化污泥，使得污泥浓度在4.5g/L；并从稳定运行的高氨氮废水厌氧氨氧化反应器内取生物膜填料接种至SBR脱氮反应器，填料体积占总反应器体积的20％；
2)SBR除磷反应器启动：SBR除磷除反应器启动方式为：反应器在每次启动开始时进水，进水完成后首先低速搅拌30min，然后开启鼓风机进行曝气，曝气阶段通过调节曝气量控制系统的溶解氧浓度在3-5mg/L，曝气90min后关闭空压机，系统进行静置沉淀10-30min，然后开启排水阀门进行排出上清液，排水比50％，排出的上清液进入到中间水箱；排水完毕后打开排泥阀进行污泥排放，排放的污泥的体积占反应器体积的10％，其中5％的污泥作为反应器内的剩余污泥直接排放，另外5％的污泥进入至储泥池静置沉淀，上清液直接排放，浓缩后的污泥留作内碳源进行使用；SBR除磷反应器经过上述进水、搅拌、曝气、沉淀、排水、排泥后完成一个周期的运行，此时系统进入下一个运行周期，从新开始进水；监测每个周期出水中的磷酸盐浓度，直到出水中的磷酸盐浓度稳定小于0.5mg/L后，系统启动成功，开始稳定运行，同时进行步骤3)；
3)SBR脱氮反应器启动：SBR脱氮反应器启动方式为：反应器在每次启动开始时进水，进水完成后开启鼓风机，同时调整曝气管路的阀门进行低氧曝气，控制反应器内的溶解氧在
0.1-0.3mg/L，并打开搅拌机，使污泥在反应器较充分悬浮，不出现短流和死区，曝气时间为
210min；然后系统停止曝气，静置沉淀15-30min，沉淀完成后打开排水阀门，反应器进行排放上清液，排水比50％；然后重新从进水开始运行；当系统出水中的氨氮浓度低于10mg/L时，SBR脱氮反应器启动成功；进入步骤4)；
4)系统稳定运行阶段：SBR除磷反应器的运行方式保持不变，其出水经过中间水箱进入到SBR脱氮反应器；SBR脱氮反应器进行低氧曝气，在系统内的氨氮浓度低于10mg/L时，停止曝气；此时SBR脱氮反应器投加来自SBR除磷反应器的储泥池中的浓缩污泥，投加的污泥量占SBR脱氮反应器体积的3％-5％，同时开启搅拌器进行搅拌混合，当系统中的硝酸盐浓度低于1mg/L后，停止搅拌进行静置沉淀，沉淀后排放上清液，排水比为50％；原水依次经过SBR除磷反应器和SBR脱氮反应器处理后，作为最终出水排放；此时重复第4)步，整个系统继续稳定运行：原水进入到SBR除磷反应器进行处理，后续经中间水池进入到SBR脱氮反应器处理，从而实现污水的连续处理。
内碳源反硝化耦合厌氧氨氧化处理城市污水的装置及方法
技术领域
[0001] 本发明公开了一种基于内碳源反硝化耦合厌氧氨氧化技术处理城市污水的高效生物处理方法，属于污水生化处理领域。本发明适用于低碳氮比的城市污水的处理；系统控制灵活，总氮去除效率高。
背景技术
[0002] 城市污水处理厂的建设和运营是解决水环境污染问题的重要途径。受环境承载能力的限制以及生态文明建设的需求，城市污水处理厂的出水水质指标愈发严格，尤其是在污染水平较重的敏感生态环境，对污水中的COD和氨氮都进行了严格的限制。我国于2002年颁布的《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)中，一级A标准规定城镇污水厂出水氨氮＜5mg/L，总氮＜15mg/L，新建污水厂总磷＜0.5mg/L。
[0003] 城市污水处理工艺主要通过活性污泥在缺氧-好氧的环境下交替运行，实现污染物去除。在好氧环境中微生物进行硝化反应并去除有机物、缺氧条件下利用有机物进行反硝化反应实现脱氮。常规的硝化反硝化工艺的脱氮效果受有机物的影响显著，在低碳氮比条件下脱氮效率普遍不高。我国的城市污水中氮磷营养物去除需要利用进水中的有机物，但是目前该部分有机物未能高效利用，在出水氮元素难以达标的同时，大部分碳源被直接氧化成二氧化碳，未能进入到产甲烷阶段，这导致我国污水处理厂的能源自给率普遍较低。常规的污水处理工艺难以实现较高的能源回收率，不符合可持续发展的要求。
[0004] 厌氧氨氧化工艺的出现为城市污水处理厂的发展提供了新的思路。厌氧氨氧化工艺与常规的硝化反硝化工艺有显著区别，该工艺可直接将氨氮和亚硝酸盐转换为氮气。而且厌氧氨氧化菌为化能自养型，脱氮过程中不需要有机碳源为电子供体，污泥产量相应减少。厌氧氨氧化工艺的应用改变了传统的污水处理工艺流程，实现碳和氮污染物去除的分离。基于厌氧氨氧化技术的脱氮工艺相较于传统工艺，可以节省曝气能耗，不需要额外的有机物作为碳源，具有显著地优势。
[0005] 应用厌氧氨氧化技术处理城市污水仍存在诸多瓶颈。其中厌氧氨氧化工艺的出水总氮难以达标是其中之一。厌氧氨氧化菌去除的总氮中，除89％转化为氮气排放外，还有11％的总氮转化为硝酸盐存留在污水中。这部分额外生成的硝酸盐可能导致出水总氮的提高，在对出水水质有严格要求的环境下，单纯的厌氧氨氧化技术将难以实现出水稳定达标排放。因此基于厌氧氨氧化技术的污水处理工艺，如何进一步削减出水中的硝酸盐，提高系统总氮去除率是应用该技术需要突破的瓶颈之一。
发明内容
[0006] 本发明针对厌氧氨氧化技术处理城市污水，总氮去除率难以进一步提高的问题，提出了一种内碳源反硝化耦合厌氧氨氧化处理城市污水的装置及方法，利用除磷工艺合成污泥内碳源，并进一步利用内碳源实现短程反硝化和厌氧氨氧化的耦合，提高系统的总氮去除率。该发明装置首先将污水通入SBR除磷反应器，通过厌氧释磷-好氧吸磷过程的交替运行实现聚磷菌的富集，并通过排出富磷污泥去实现生物除磷，同时聚磷菌等异养菌利用进水中的有机物合成PHB等内碳源，内碳源以剩余污泥的形式储存备用；而后污水通入通过SBR脱氮反应器，首先在低氧环境下实现短程硝化-厌氧氨氧化反应，进行自养脱氮，然后投加SBR除磷反应器的剩余污泥，进行缺氧搅拌，实现短程反硝化和厌氧氨氧化的耦合，进一步去除污水中的氨氮和硝酸盐，提供系统的总氮去除率。
[0007] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
[0008] 内碳源反硝化耦合厌氧氨氧化处理城市污水的装置，其特征在于：设有储存城市污水处理厂的初沉池出水的城市污水原水箱、SBR除磷反应器、中间水箱、SBR脱氮反应器、储泥池；城市污水原水箱设有溢流管和放空管；城市污水原水箱通过进水泵与SBR除磷反应器的进水管相连通；SBR除磷反应器设有调速搅拌器、排水阀、排泥阀、膜片曝气头、气量调节阀、鼓风机、气体流量计；SBR除磷反应器的出水管与所述中间水箱连通；中间水箱设有溢流管；中间水箱通过进水泵与所述SBR脱氮反应器相连通；SBR脱氮反应器设有调速搅拌器、排泥阀、膜片曝气头、气量调节阀、排水阀、气体流量计和鼓风机；SBR除磷反应器通过排泥阀和排泥管道进入到所述储泥池，储泥池设有上清液排放管和排泥阀，储泥池底部通过设置的污泥泵与SBR脱氮反应器连通。
[0009] 所述城市污水原水箱的放空管设有自控阀门，所述调速搅拌器、进水泵、鼓风机、污泥泵、上清液排放管均设有自控开关，所述自控阀门、自控开关、排水阀、排泥阀、气量调节阀、气体流量计均为在线自控部件；在所述SBR除磷反应器里设有在线污泥浓度计、在线溶解氧浓度计、在线磷酸盐浓度计和在线硝酸盐浓度计；在所述SBR脱氮反应器里设有在线溶解氧浓度计和在线氨氮浓度计；上述自控部件和在线污泥浓度计、在线溶解氧浓度计、在线磷酸盐浓度计和在线硝酸盐浓度计，以及在线氨氮浓度计均与设置的PLC控制器进行信号和控制连接。
[0010] 利用上述的内碳源反硝化耦合厌氧氨氧化处理城市污水的装置进行城市污水处理的方法，其特征是具有以下步骤：
[0011] 1)接种污泥：SBR除磷反应器接种城市污水处理厂二沉池回流污泥，使得反应器内的污泥浓度在5g/L；SBR脱氮反应器按照体积比1∶1接种城市污水处理厂二沉池回流污泥和稳定运行的高氨氮废水处理系统排放的短程硝化污泥，使得污泥浓度在4.5g/L；并从稳定运行的高氨氮废水厌氧氨氧化反应器内取生物膜填料接种至SBR脱氮反应器，填料体积占总反应器体积的20％；
[0012] 2)SBR除磷反应器启动：SBR除磷除反应器启动方式为：反应器在每次启动开始时进水，进水完成后首先低速搅拌30min，然后开启鼓风机进行曝气，曝气阶段通过调节曝气量控制系统的溶解氧浓度在3-5mg/L，曝气90min后关闭空压机，系统进行静置沉淀10-30min，然后开启排水阀门进行排出上清液，排水比50％，排出的上清液进入到中间水箱；排水完毕后打开排泥阀进行污泥排放，排放的污泥的体积占反应器体积的10％，其中5％的污泥作为反应器内的剩余污泥直接排放，另外5％的污泥进入至储泥池静置沉淀，上清液直接排放，浓缩后的污泥留作内碳源进行使用；SBR除磷反应器经过上述进水、搅拌、曝气、沉淀、排水、排泥后完成一个周期的运行，此时系统进入下一个运行周期，从新开始进水；监测每个周期出水中的磷酸盐浓度，直到出水中的磷酸盐浓度稳定小于0.5mg/L后，系统启动成功，开始稳定运行，同时进行步骤3)；
[0013] 3)SBR脱氮反应器启动：SBR脱氮反应器启动方式为：反应器在每次启动开始时进水，进水完成后开启鼓风机，同时调整曝气管路的阀门进行低氧曝气，控制反应器内的溶解氧在0.1-0.3mg/L，并打开搅拌机，使污泥在反应器较充分悬浮，不出现短流和死区，曝气时间为210min；然后系统停止曝气，静置沉淀15-30min，沉淀完成后打开排水阀门，反应器进行排放上清液，排水比50％；然后重新从进水开始运行；当系统出水中的氨氮浓度低于10mg/L时，SBR脱氮反应器启动成功；进入步骤4)；
[0014] 4)系统稳定运行阶段：SBR除磷反应器的运行方式保持不变，其出水经过中间水箱进入到SBR脱氮反应器；SBR脱氮反应器进行低氧曝气，在系统内的氨氮浓度低于10mg/L时，停止曝气；此时SBR脱氮反应器投加来自SBR除磷反应器的储泥池中的浓缩污泥，投加的污泥量占SBR脱氮反应器体积的3％-5％，同时开启搅拌器进行搅拌混合，当系统中的硝酸盐浓度低于1mg/L后，停止搅拌进行静置沉淀，沉淀后排放上清液，排水比为50％；原水依次经过SBR除磷反应器和SBR脱氮反应器处理后，作为最终出水排放；此时重复第4)步，整个系统继续稳定运行：原水进入到SBR除磷反应器进行处理，后续经中间水池进入到SBR脱氮反应器处理，从而实现污水的连续处理。
[0015] 本发明的内碳源反硝化耦合厌氧氨氧化处理城市污水的装置和方法的优点：首先应用了厌氧氨氧化脱氮技术，与现有传统生物脱氮工艺相比具有运行能耗降低，可节省60％的曝气量，运行控制简单易行等优势；而且本发明在厌氧氨氧化脱氮工艺的基础上，引入了基于内碳源的短程反硝化耦合厌氧氨氧化技术，与常规的厌氧氨氧化技术相比也具有显著地优势：
[0016] 1)利用污泥内碳源进行短程反硝化耦合系统内的厌氧氨氧化过程，在不外加碳源的条件下，可以实现系统总氮去除率的进一步提高。使得出水水质达到更加严格的排放标准，降低后续再生水工艺的难度，降低整体工艺的运行费用。
[0017] 2)本发明通过短程反硝化与厌氧氨氧化的耦合降低出水总氮，可以使得曝气阶段的氨氮浓度保持在10mg/L以上，而系统内保持较高的氨氮浓度有利于避免过曝气现象的发生，抑制系统内亚硝酸盐氧化菌的生长，有利于厌氧氨氧化工艺的稳定运行。
附图说明
[0018] 图1为本明的装置的结构示意图；
[0019] 图2为本发明的方法处理城市污水的进出水污染物变化曲线图。
具体实施方式
[0020] 结合附图和实施例对本发明进行说明：实施例1：参见附图，内碳源反硝化耦合厌氧氨氧化处理城市污水的装置，设有储存城市污水处理厂的初沉池出水的城市污水原水箱1、SBR除磷反应器2、中间水箱3、SBR脱氮反应器4、储泥池5；城市污水原水箱设有溢流管11和放空管12；城市污水原水箱通过进水泵13与SBR除磷反应器的进水管相连通；SBR除磷反应器设有调速搅拌器21、排水阀22、排泥阀23、膜片曝气头24、气量调节阀25、鼓风机26、气体流量计27；SBR除磷反应器的出水管与所述中间水箱连通；中间水箱设有溢流管31；中间水箱通过进水泵33与所述SBR脱氮反应器相连通；SBR脱氮反应器设有调速搅拌器41、排泥阀42、膜片曝气头43、气量调节阀44、排水阀45、气体流量计46和鼓风机47；SBR除磷反应器通过排泥阀23和排泥管道进入到所述储泥池，储泥池设有上清液排放管51和排泥阀53，储泥池底部通过设置的污泥泵52与SBR脱氮反应器连通。
[0021] 实施例2：内碳源反硝化耦合厌氧氨氧化处理城市污水的装置，所述城市污水原水箱的放空管设有自控阀门，所述调速搅拌器、进水泵、鼓风机、污泥泵、上清液排放管均设有自控开关，所述自控阀门、自控开关、排水阀、排泥阀、气量调节阀、气体流量计均为在线自控部件；在所述SBR除磷反应器里设有在线污泥浓度计、在线溶解氧浓度计、在线磷酸盐浓度计和在线硝酸盐浓度计；在所述SBR脱氮反应器里设有在线溶解氧浓度计和在线氨氮浓度计；上述自控部件和在线污泥浓度计、在线溶解氧浓度计、在线磷酸盐浓度计和在线硝酸盐浓度计，以及在线氨氮浓度计均与设置的PLC控制器进行信号和控制连接，其他结构与实施例1相同。
[0022] 实施例3：利用内碳源反硝化耦合厌氧氨氧化处理城市污水的装置进行城市污水处理的方法，试验采用某城市污水处理厂初沉池出水作为原水，具体水质如下：COD浓度为160-350mg/L；NH4+-N浓度为32.46-55mg/L，NO2--N≤0.25mg/L，NO3--N≤1mg/L。试验系统如图1所示，各反应器均采用有机玻璃制成，SBR除磷反应器和SBR脱氮反应器的有效体积均为
120L。
[0023] 具体操作方法步骤如下：
[0024] 1)接种污泥：SBR除磷反应器120L，接种城市污水处理厂二沉池回流污泥100L，测得反应器内的污泥浓度为4.8g/L；SBR脱氮反应器接种城市污水处理厂二沉池回流污泥60L和稳定运行的高氨氮废水处理系统排放的短程硝化污泥60L，测得污泥浓度在4.4g/L；并从稳定运行的高氨氮废水厌氧氨氧化反应器内取生物膜填料接种至SBR脱氮反应器120L，填料总的堆积体积为24L；
[0025] 2)SBR除磷反应器启动：SBR除磷除反应器启动方式为：反应器在每启动开始时进水，进水完成后首先低速搅拌30min，然后开启鼓风机进行曝气，曝气阶段通过调节曝气量控制系统的溶解氧，测得溶解氧浓度在3.5-5mg/L，曝气90min后关闭空压机，系统进行静置沉淀20min，然后开启排水阀门进行排水，排水体积为60L，排出的上清液进入到中间水箱；排水完毕后打开排泥阀进行污泥排放，排放的污泥的体积为12L，其中6L的污泥作为反应器内的剩余污泥直接排放，另外6L的污泥进入至储泥池静置沉淀，上清液直接排放，浓缩后的污泥留作内碳源进行使用；SBR除磷反应器经过进水、搅拌、沉淀、排水、排泥后完成一个周期的运行，此时系统进入下一个运行周期，从新开始进水；监测每个周期出水中的磷酸盐浓度，直到出水中的磷酸盐浓度稳定小于0.5mg/L后，系统启动成功；开始稳定运行，并进行下一步；
[0026] 3)SBR脱氮反应器启动：SBR脱氮反应器启动方式为：反应器在每启动开始时进水，进水完成后开启鼓风机，同时调整曝气管路的阀门进行低氧曝气，控制反应器内的溶解氧在0.1-0.3mg/L，并打开搅拌机，使污泥在反应器较充分悬浮，不出现短流和死区，曝气时间为210min；然后系统停止曝气，静置沉淀20min，沉淀完成后打开排水阀门，反应器进行排水，排水体积60L，排水比50％；然后重新从进水开始运行；当系统出水中的氨氮浓度低于10mg/L时，SBR脱氮反应器启动成功；进入下一步骤；
[0027] 4)系统稳定运行阶段：SBR除磷反应器的运行方式保持不变，其出水经过中间水箱进入到SBR脱氮反应器；SBR脱氮反应器进行低氧曝气，在系统内的氨氮浓度低于10mg/L时，停止曝气；此时SBR脱氮反应器投加6L来自SBR除磷反应器的储泥池中的浓缩污泥，，同时开启搅拌器进行搅拌混合，当系统中的硝酸盐浓度低于1mg/L后，停止搅拌进行静置沉淀，沉淀后排放上清液，排水比为50％；原水依次经过SBR除磷反应器和SBR脱氮反应器处理后，作为最终出水排放；此时整个系统进入稳定的运行，重复步骤4)：原水进入到SBR除磷反应器进行处理，后续经中间水池进入到SBR脱氮反应器处理，从而实现污水的连续处理。
[0028] 上述实施例的试验结果表明，如图2所示，运行稳定后，SBR脱氮反应器出水平均氨氮浓度4.8mg/L，出水亚硝浓度0.2mg/L，出水硝氮浓度0.2mg/L，平均出水总氮8.3mg/L。
