同步除磷的半亚硝化-厌氧氨氧化一体化脱氮装置与方法与流程

本发明涉及脱氮装置与脱氮方法，具体为同步除磷的半亚硝化-厌氧氨氧化一体化脱氮装置与方法，属于污水生物处理技术领域。

背景技术：

厌氧氨氧化是具有良好经济环境效益和应用前景的新型脱氮工艺，其在城市污水处理中的推广应用能够显著降低城市污水处理厂的运行成本和能耗，促进城市污水处理向着能源自给的方向发展。目前，城市污水厌氧氨氧化工艺可分为两段式和一段式两种。两段式厌氧氨氧化工艺通常包括预处理反应器、亚硝化反应器和厌氧氨氧化反应器共三个反应器，其中预处理反应器用于预去除城市污水中的有机物，避免其对厌氧氨氧化反应的不利影响；亚硝化反应器用于将污水中约一半的氨氮氧化为亚硝酸盐；厌氧氨氧化反应器用于进行厌氧氨氧化反应，将亚硝酸盐和剩余的氨氮转化为氮气，同时产生少量的硝酸盐。一段式厌氧氨氧化工艺则将亚硝化反应和厌氧氨氧化反应耦合在一个反应器中同步进行，工艺包括预处理反应器和一体化厌氧氨氧化反应器两个反应器。目前研究和应用较多的为一段式厌氧氨氧化工艺。

尽管城市污水厌氧氨氧化工艺具有诸多技术优势，但也存在一些问题制约了其推广应用，主要包括以下几个方面：

①与多数城市污水处理厂现有工艺相比，城市污水厌氧氨氧化工艺反应器数目较多、工艺流程繁杂，不仅加大了运行操作难度，也不利于现有污水处理厂的升级改造。

②现有城市污水厌氧氨氧化工艺稳定性较差，易发生由亚硝酸盐氧化菌过度增殖导致的硝酸盐积累，使得厌氧氨氧化活性受到影响，系统脱氮能力下降甚至消失。

③现有城市污水厌氧氨氧化工艺的脱氮性能有待提高。一方面厌氧氨氧化反应本身产生的硝酸盐和亚硝酸盐氧化菌过度增殖导致的硝酸盐积累限制了总氮去除率的进一步提升；另一方面现有城市污水厌氧氨氧化工艺未能为各功能微生物提供最佳的代谢环境，使得微生物活性较低，例如一体化厌氧氨氧化反应器虽然通过控制低溶解氧实现了同步的亚硝化和厌氧氨氧化，但存在着好氧氨氧化菌氧气供给不足、厌氧氨氧化菌受到氧气抑制，两者活性都不高的问题。

④现有城市污水厌氧氨氧化工艺不具备生物除磷的功能，磷的去除仍有赖投加化学除磷药剂，增加了额外的运行成本。

技术实现要素：

（一）解决的技术问题

本发明的目的在于提供一种同步除磷的半亚硝化-厌氧氨氧化一体化脱氮装置与方法，以解决现有技术中存在的问题。

（二）技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：同步除磷的半亚硝化-厌氧氨氧化一体化脱氮装置，包括：半亚硝化-厌氧氨氧化一体化反应器及沉淀池，所述半亚硝化-厌氧氨氧化一体化反应器前端与污水源相连，所述半亚硝化-厌氧氨氧化一体化反应器的尾端与沉淀池相连，用于同步实现城市污水的自养脱氮和生物除磷，同时用于实现泥水分离、污泥回流及剩余污泥的排放；

所述半亚硝化-厌氧氨氧化一体化反应器沿水流方向由隔板分为厌氧区、好氧区、第一调节区、第二调节区和缺氧区；

所述厌氧区包括一体化反应器进水管、污泥回流管和厌氧区搅拌器；

所述好氧区包括好氧区曝气头和好氧区空气阀；

所述第一调节区包括第一调节区曝气头、第一调节区空气阀、第一调节区搅拌器和第一调节区在线监测装置；

所述第二调节区包括第二调节区曝气头、第二调节区空气阀、第二调节区搅拌器和第二调节区在线监测装置；

所述缺氧区包括缺氧区搅拌器、生物膜填料和出水管；

所述沉淀池包括沉淀池进水管、沉淀池出水管、沉淀池污泥回流管、污泥回流泵和剩余污泥排放管。

优选地，所述一体化反应器进水管设于所述厌氧区左侧壁上部，用于将污水输送至所述半亚硝化-厌氧氨氧化一体化反应器厌氧区，所述污泥回流管设于所述厌氧区左侧壁下部，并与所述污泥回流泵相连，用于将所述沉淀池的回流污泥输送至所述厌氧区前端，所述厌氧区搅拌器设于所述厌氧区中部，用于所述厌氧区内污泥混合液的混合搅拌。

优选地，所述好氧区曝气头设于所述好氧区底部，用于将空气输送至所述好氧区，并形成微小气泡，提供溶解氧，所述好氧区空气阀设于所述好氧区曝气头与所述空压机之间，用于调节输送至所述好氧区的空气流量。

优选地，所述第一调节区曝气头设于所述第一调节区底部，用于将空气输送至所述第一调节区，并形成微小气泡，提供溶解氧，所述第一调节区空气阀设于所述第一调节区曝气头与所述空压机之间，用于调节输送至所述第一调节区的空气流量，所述第一调节区搅拌器设于所述第一调节区中部，用于所述第一调节区内污泥混合液的混合搅拌，所述第一调节区在线监测装置设于所述第一调节区上部，用于在线监测所述第一调节区内混合液的氨氮和亚硝浓度。

优选地，所述第二调节区曝气头设于所述第二调节区底部，用于将空气输送至所述第二调节区，并形成微小气泡，提供溶解氧，所述第二调节区空气阀设于所述第二调节区曝气头与所述空压机之间，用于调节输送至所述第二调节区的空气流量，所述第二调节区搅拌器设于所述第二调节区中部，用于所述第二调节区内污泥混合液的混合搅拌，所述第二调节区在线监测装置设于所述第二调节区上部，用于在线监测所述第二调节区内混合液的氨氮和亚硝浓度。

优选地，所述缺氧区搅拌器设于所述缺氧区中部，用于所述缺氧区内污泥混合液的混合搅拌，所述生物膜填料设于所述缺氧区内部，用于附着厌氧氨氧化菌，所述出水管设于所述缺氧区右侧壁下部，用于将污泥混合液输送至所述沉淀池。

优选地，所述沉淀池进水管设于所述沉淀池左侧壁下部，所述沉淀池进水管与所述半亚硝化-厌氧氨氧化一体化反应器的出水管相连，用于将污泥混合液输送至所述沉淀池，所述沉淀池出水管设于所述沉淀池右侧壁上部，用于排放上清液即处理后的出水，所述沉淀池污泥回流管设于所述沉淀池底部，用于将沉淀后的污泥回流至所述半亚硝化-厌氧氨氧化一体化反应器厌氧区，所述污泥回流泵与所述沉淀池污泥回流管相连，用于为污泥回流提供动力，所述剩余污泥排放管设于所述沉淀池底部右侧，用于排放剩余污泥及污泥龄的控制。

同步除磷的半亚硝化-厌氧氨氧化一体化脱氮方法，包括以下步骤：

s1：污泥接种，在所述半亚硝化-厌氧氨氧化一体化反应器投加污水处理厂活性污泥，使所述活性污泥的浓度达到5000mg/l-6000mg/l；在所述半亚硝化-厌氧氨氧化一体化反应器的缺氧区中投加已附着厌氧氨氧化菌的填料，使填充率达到50%。

s2：反应器运行及控制，通过所述一体化反应器进水管通入城市污水，控制进水流量使所述厌氧区水力停留时间为1-2h，所述好氧区水力停留时间为2-3h，所述第一调节区水力停留时间1-1.5h，所述第二调节区水力停留时间1-1.5h，所述缺氧区水力停留时间为3-5h，所述沉淀池水力停留时间为2-3h；调节所述好氧区空气阀控制所述好氧区溶解氧浓度在4-6mg/l；通过所述第一调节区在线监测装置监测所述第一调节区污水中的氨氮和亚硝浓度，当亚硝浓度与氨氮浓度的比值低于1.2:1时，关闭所述第一调节区搅拌器，开启并调节所述第一调节区空气阀，并使所述第一调节区内溶解氧浓度在4-6mg/l；当亚硝浓度与氨氮浓度的比值高于1.4:1时，关闭所述第一调节区空气阀，并开启所述第一调节区搅拌器，使所述第一调节区处于缺氧搅拌状态，通过所述第二调节区在线监测装置监测所述第二调节区污水中的氨氮和亚硝浓度，当亚硝浓度与氨氮浓度的比值低于1.2:1时，关闭所述第二调节区搅拌器，开启并调节所述第一调节区空气阀，并使所述第二调节区内溶解氧浓度在4-6mg/l；当亚硝浓度与氨氮浓度的比值高于1.4:1时，关闭所述第二调节区空气阀，并开启所述第一调节区搅拌器，使所述第二调节区处于缺氧搅拌状态，通过控制所述污泥回流泵使污泥回流比为100%-150%，通过调节剩余污泥排放控制活性污泥的污泥龄为4-6d。

本发明提供了同步除磷的半亚硝化-厌氧氨氧化一体化脱氮装置与方法，其具备的有益效果如下：

1、本发明在同一反应器实现了城市污水中有机物的去除、自养脱氮和生物除磷，与现有城市污水厌氧氨氧化工艺相比，工艺流程简洁，基建费用低，操作简单，且无需投加化学除磷药剂，运行成本低。

2、本发明通过合理的功能分区，分别为厌氧释磷、好氧吸磷、好氧氨氧化和厌氧氨氧化等代谢过程提供适宜的环境条件，能够保证较高的微生物活性，提高系统脱氮除磷性能。

3、本发明通过控制较短的污泥龄和亚硝化过程中一定的剩余氨氮浓度，能够有效抑制亚硝酸盐氧化菌的增殖及活性，与现有城市污水厌氧氨氧化工艺相比，系统稳定性更高。

4、本发明中，后置缺氧区存在生物膜和活性污泥两种污泥形式，生物膜中厌氧氨氧化菌自养脱氮产生的少量硝酸盐可被活性污泥中的反硝化菌利用胞内碳源同步去除，能够进一步提高总氮去除率，提高出水水质。

5、本发明的工艺形式有利于现有污水处理厂尤其a2/o工艺的升级改造，具备应用潜力和推广价值。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。

图中：1、半亚硝化-厌氧氨氧化一体化反应器；1.1、厌氧区；1.2、好氧区；1.3、第一调节区；1.4、第二调节区；1.5、缺氧区；1.1.1、一体化反应器进水管；1.1.2、污泥回流管；1.1.3、厌氧区搅拌器；1.2.1、好氧区曝气头；1.2.2、好氧区空气阀；1.3.1、第一调节区曝气头；1.3.2、第一调节区空气阀；1.3.3、第一调节区搅拌器；1.3.4、第一调节区在线监测装置；1.4.1、第二调节区曝气头；1.4.2、第二调节区空气阀；1.4.3、第二调节区搅拌器；1.4.4、第二调节区在线监测装置；1.5.1、缺氧区搅拌器；1.5.2、生物膜填料；1.5.3、出水管；2、沉淀池；2.1、沉淀池进水管；2.2、沉淀池出水管；2.3、沉淀池污泥回流管；2.4、污泥回流泵；2.5、剩余污泥排放管。

具体实施方式

本发明实施例提供同步除磷的半亚硝化-厌氧氨氧化一体化脱氮装置。

请参阅图1，包括：半亚硝化-厌氧氨氧化一体化反应器1及沉淀池2，半亚硝化-厌氧氨氧化一体化反应器1前端与污水源相连，半亚硝化-厌氧氨氧化一体化反应器1的尾端与沉淀池2相连；

半亚硝化-厌氧氨氧化一体化反应器1沿水流方向由隔板分为厌氧区1.1、好氧区1.2、第一调节区1.3、第二调节区1.4和缺氧区1.5；

厌氧区1.1包括一体化反应器进水管1.1.1、污泥回流管1.1.2和厌氧区搅拌器1.1.3；

好氧区1.2包括好氧区曝气头1.2.1和好氧区空气阀1.2.2；

第一调节区1.3包括第一调节区曝气头1.3.1、第一调节区空气阀1.3.2、第一调节区搅拌器1.3.3和第一调节区在线监测装置1.3.4；

第二调节区1.4包括第二调节区曝气头1.4.1、第二调节区空气阀1.4.2、第二调节区搅拌器1.4.3和第二调节区在线监测装置1.4.4；

缺氧区1.5包括缺氧区搅拌器1.5.1、生物膜填料1.5.2和出水管1.5.3；

沉淀池2包括沉淀池进水管2.1、沉淀池出水管2.2、沉淀池污泥回流管2.3、污泥回流泵2.4和剩余污泥排放管2.5。

一体化反应器进水管1.1.1设于厌氧区1.1左侧壁上部，污泥回流管1.1.2设于厌氧区1.1左侧壁下部，并与污泥回流泵2.4相连，厌氧区搅拌器1.1.3设于厌氧区1.1中部。

好氧区曝气头1.2.1设于好氧区1.2底部，好氧区空气阀1.2.2设于好氧区曝气头1.2.1与空压机1.6之间。

第一调节区曝气头1.3.1设于第一调节区1.3底部，第一调节区空气阀1.3.2设于第一调节区曝气头1.3.1与空压机1.6之间，第一调节区搅拌器1.3.3设于第一调节区1.3中部，第一调节区在线监测装置1.3.4设于第一调节区1.3上部。

第二调节区曝气头1.4.1设于第二调节区1.4底部，第二调节区空气阀1.4.2设于第二调节区曝气头1.4.1与空压机1.6之间，第二调节区搅拌器1.4.3设于第二调节区1.4中部，第二调节区在线监测装置1.4.4设于第二调节区1.4上部。

缺氧区搅拌器1.5.1设于缺氧区1.5中部，生物膜填料1.5.2设于缺氧区1.5内部，出水管1.5.3设于缺氧区1.5右侧壁下部。

沉淀池进水管2.1设于沉淀池2左侧壁下部，沉淀池进水管2.1与半亚硝化-厌氧氨氧化一体化反应器1的出水管1.5.3相连，沉淀池出水管2.2设于沉淀池2右侧壁上部，沉淀池污泥回流管2.3设于沉淀池2底部，污泥回流泵2.4与沉淀池污泥回流管2.3相连，剩余污泥排放管2.5设于沉淀池2底部右侧。

具体的，城市污水在此污水处理装置中的处理流程为：城市污水首先通过一体化反应器进水管1.1.1进入半亚硝化-厌氧氨氧化一体化反应器1的厌氧区1.1中，在厌氧条件下聚磷菌进行厌氧释磷的同时将污水中的部分有机物以胞内储存物的形式转移到污泥相中；随后，污泥混合液依次流入半亚硝化-厌氧氨氧化一体化反应器1的好氧区1.2、第一调节区1.3和第二调节区1.4中，在好氧条件下，好氧氨氧化菌将大约一半的氨氮氧化为亚硝酸盐，同时聚磷菌完成好氧吸磷过程，污水中的磷酸盐得到去除，而污水中的有机物则在异养菌的作用下得到深度去除；随后污泥混合液流入半亚硝化-厌氧氨氧化一体化反应器1的缺氧区1.5，在无溶解氧条件下通过厌氧氨氧化菌的作用将氨氮和亚硝转化为氮气，实现自养脱氮，同时反硝化菌可利用污泥中的内碳源去除厌氧氨氧化反应产生的少量硝酸盐，进一步提高总氮去除率；最后污水通过一体化反应器出水管1.5.3流入沉淀池2，实现污泥混合液的泥水分离，沉淀后的污泥通过污泥回流管1.1.2回流至半亚硝化-厌氧氨氧化一体化反应器1的厌氧区1.1，上清液即处理后的出水则通过沉淀池出水管2.2流出，最终达到污水同步脱氮除磷的目的。

同步除磷的半亚硝化-厌氧氨氧化一体化脱氮方法，包括以下步骤：

s1：污泥接种，在半亚硝化-厌氧氨氧化一体化反应器1投加污水处理厂活性污泥，使活性污泥的浓度达到5000mg/l-6000mg/l；在半亚硝化-厌氧氨氧化一体化反应器1的缺氧区1.5中投加已附着厌氧氨氧化菌的填料，使填充率达到50%。

s2：反应器运行及控制，通过一体化反应器进水管1.1.1通入城市污水，控制进水流量使厌氧区1.1水力停留时间为1-2h，好氧区1.2水力停留时间为2-3h，第一调节区1.3水力停留时间1-1.5h，第二调节区1.4水力停留时间1-1.5h，缺氧区1.5水力停留时间为3-5h，沉淀池2水力停留时间为2-3h；调节好氧区空气阀1.2.2控制好氧区1.2溶解氧浓度在4-6mg/l；通过第一调节区在线监测装置1.3.4监测第一调节区1.3污水中的氨氮和亚硝浓度，当亚硝浓度与氨氮浓度的比值低于1.2:1时，关闭第一调节区搅拌器1.3.3，开启并调节第一调节区空气阀1.3.2，并使第一调节区1.3内溶解氧浓度在4-6mg/l；当亚硝浓度与氨氮浓度的比值高于1.4:1时，关闭第一调节区空气阀1.3.2，并开启第一调节区搅拌器1.3.3，使第一调节区1.3处于缺氧搅拌状态，通过第二调节区在线监测装置1.4.4监测第二调节区1.4污水中的氨氮和亚硝浓度，当亚硝浓度与氨氮浓度的比值低于1.2:1时，关闭第二调节区搅拌器1.4.3，开启并调节第一调节区空气阀1.4.2，并使第二调节区1.4内溶解氧浓度在4-6mg/l；当亚硝浓度与氨氮浓度的比值高于1.4:1时，关闭第二调节区空气阀1.4.2，并开启第一调节区搅拌器1.4.3，使第二调节区1.4处于缺氧搅拌状态，通过控制污泥回流泵2.4使污泥回流比为100%-150%，通过调节剩余污泥排放控制活性污泥的污泥龄为4-6d。

试验数据的参考如下：试验采用山东省青岛市某污水处理厂初沉出水作为原水，具体水质如下：cod浓度为210-330mg/l，nh4+-n浓度为40-60mg/l，no2–n浓度为0-1mg/l，no3–n浓度为0-3mg/l，tn浓度为50-70mg/l，tp浓度为3-7mg/l。试验系统如图1所示，试验装置采用有机玻璃制成，其中半亚硝化-厌氧氨氧化一体化反应器有效容积为100l，各分区有效容积分别为：厌氧区20l，好氧区20l，第一调节区15l，第二调节区15l，缺氧区30l；沉淀池有效容积为30l。试验过程中控制进水流量恒定为10l/h。

试验结果表明：运行稳定后，系统出水cod浓度为30±5mg/l,nh4+-n浓度为0.5±0.2mg/l，no2–n浓度为0.2±0.1mg/l,no3–n浓度为0.7±0.1mg/l，tn浓度为3.6±0.6mg/l，tp浓度为0.5±0.1mg/l。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。