技术领域：
本发明属于污水生物处理技术领域，涉及一种污泥发酵组合短程反硝化厌氧氨氧化处理城市污水的装置和方法，实现城市污水的深度脱氮与污泥减量。
背景技术：
：
随着污水排放标准逐渐提高，城市污水处理厂提标改造势在必行，其中瓶颈在于提高总氮去除效果。为保护环境，国内污水厂逐步开始升级改造，以使出水水质标准达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(gb18918—2002)的一级a标准。污水厂升级改造中总氮的去除尤为重要，其难度最大且投资比重最大。各城市污水处理厂每天要排放大量的剩余污泥，其处理与处置费用高，同时如果处理不当将会成为另一种形式的污染。剩余污泥中活性微生物的组成不同，对反应系统存在一定的影响，所以可以通过一定的技术手段进行预处理，降低剩余污泥活性，减少对短程反硝化的影响。
剩余污泥作为城市污水处理厂污水处理的副产物,成分复杂,除了含有重金属、病菌等有害物质,还含有大量的有机物质、氮、磷、钾等植物所需的营养元素,如果不加任何处理,不仅造成资源浪费,还会污染环境。城市污水处理厂每天要排放大量的剩余污泥，其处理与处置费用高，同时如果处理不当将会成为另一种形式的污染，且目前城市污水多为低c/n，这使得传统的脱氮工艺中需投加碳源，而剩余污泥本就是一种复杂形式的碳源，可以将剩余污泥的水解产物作为有机碳源帮助实现脱氮过程，此法既实现了剩余污泥的减量同时又节省了碳源。
短程反硝化与厌氧氨氧化的组合工艺在污水深度除氮方面具有极大的研究潜势。在传统反硝化脱氮过程中，反硝化菌利用有机物作为电子供体，将硝酸氮还原为氮气，每还原1g硝酸氮为氮气需要消耗cod的理论值为2.85g。短程反硝化厌氧氨氧化联用技术是在缺氧状态下，首先利用异养反硝化菌将硝酸氮还原为亚硝酸氮，然后利用厌氧氨氧化菌，以亚硝酸氮为电子受体，将氨氮氧化转为氮气的自养生物脱氮过程，与传统反硝化脱氮技术相比，短程反硝化厌氧氨氧化组合工艺降低了对有机碳源的需求量，同时具有污泥产率低和运行稳定等优点。因此，寻求设计一种新型的城市污水处理装置和方法，实现其深度脱氮与污泥减量。
技术实现要素：
：
本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，设计提供一种污泥发酵组合短程反硝化厌氧氨氧化处理城市污水的装置和方法，结合驯化污水处理厂剩余污泥、短程反硝化厌氧氨氧化组合工艺等关键技术，实现城市污水的深度脱氮与污泥减量。
为了实现上述目的，本发明所述污泥发酵组合短程反硝化厌氧氨氧化处理城市污水的装置主体结构包括剩余污泥发酵罐、发酵液水箱、城市污水原水箱、一体式短程反硝化厌氧氨氧化反应器、回流水箱和出水水箱；其中所述剩余污泥发酵罐通过第一进水泵与发酵液水箱相连接；发酵液水箱通过第二进水泵与一体式短程反硝化厌氧氨氧化反应器相连接；城市污水原水箱通过第三进水泵与一体式短程反硝化厌氧氨氧化反应器相连接；一体式短程反硝化厌氧氨氧化反应器通过排水泵与回流水箱相连接；回流水箱产生的回流水通过第四进水泵与一体式短程反硝化厌氧氨氧化反应器相连接；一体式短程反硝化厌氧氨氧化反应器中反应产生的气体通过空气泵与一体式短程反硝化厌氧氨氧化反应器相连接；一体式短程反硝化厌氧氨氧化反应器通过电动排水阀与出水水箱相连接；进泥泵置于剩余污泥发酵罐内，搅拌装置位于进泥泵一侧并置于剩余污泥发酵罐内，剩余污泥发酵罐内右侧设有第一取样口；一体式短程反硝化厌氧氨氧化反应器的右侧顶端设有电动排水阀，电动排水阀下方设有排水泵，一体式短程反硝化厌氧氨氧化反应器的底部连接有空气泵，一体式短程反硝化厌氧氨氧化反应器的右侧中间段自上而下依次设有第二取样口、第三取样口、第四取样口、第五取样口；出水水箱的右侧上端连接有溢流管，下端连接有排水管。
本发明所述城市污水在此装置中的处理流程为：城市污水从城市污水原水箱通过第三进水泵进入一体式短程反硝化厌氧氨氧化反应器；在一体式短程反硝化厌氧氨氧化反应器内，利用污泥发酵液中的碳源将城市污水的硝酸氮还原为亚硝酸氮；还原产物亚硝酸氮和进水中的氨氮为底物进行自养脱氮，达到深度脱氮的目的；一体式短程反硝化厌氧氨氧化反应器运行结束后，进行沉淀排水，出水通过电动排水阀进入出水水箱。
本发明采用所述污泥发酵组合短程反硝化厌氧氨氧化处理城市污水装置进行城市污水处理的具体步骤如下：
1)装置的启动：
将污水处理厂剩余污泥投加至剩余污泥发酵罐内，使接种后污泥发酵罐内污泥浓度达到2000～6000mg/l；将富集厌氧氨氧化菌的生物膜填料投加至一体式短程反硝化厌氧氨氧化反应器内，使厌氧氨氧化菌的生物膜填料占一体式短程反硝化厌氧氨氧化反应器有效体积的20％～80％；
剩余污泥、污泥发酵液、城市污水与中间亚硝酸盐溶液进量的确定：
取剩余污泥在30摄氏度下进行发酵，通过对scod(溶解性cod)浓度进行测定，当scod浓度无增长趋势且20分钟内scod值不再增长时，此时为该浓度下污泥发酵的最大潜力；
在一体式短程反硝化厌氧氨氧化反应器内根据计算公式(1)(2)确定有机物与硝酸盐进量：
v2+v3＝v·p1(2)
式中scod为该剩余污泥最大发酵潜力下的scod浓度；v2、v3、v分别为污泥发酵液、城市污水原水进量与反应器有效体积；no3–为城市污水硝酸盐浓度；c/n取值为3:1～6:1；p1为排水比，取60％；
根据计算公式(3)(4)确定原水与回流水箱进水量：
v4+v5＝v·p2(4)
式中no2–为回流水箱进水中no2–浓度、nh4+为原水nh4+浓度；v4、v5、v分别为no2–溶液进量、nh4+溶液进量与反应器有效体积；p2为排水比，取值为50％；no2–/nh4+取值在1.4:1～2:1范围内任取；
2)运行时调节操作如下：
将城市污水加入城市污水原水箱，剩余污泥投加至剩余污泥发酵罐，然后启动进泥泵，每周期开始时将剩余污泥抽入剩余污泥发酵罐，启动搅拌装置使剩余污泥混合均匀，进行污泥碱性厌氧发酵，污泥发酵液通过第一进水泵进入发酵液水箱；
一体式短程反硝化厌氧氨氧化反应器运行时，剩余污泥发酵罐每周期先厌氧搅拌200～800min，scod值达最大发酵潜力的95％以上时结束厌氧搅拌；然后启动第一进水泵将污泥发酵液抽入发酵液水箱内；启动第二进水泵将污泥发酵液抽入一体式短程反硝化厌氧氨氧化反应器；启动第三进水泵将城市污水原水箱中的城市污水原水抽入一体式短程反硝化厌氧氨氧化反应器内，使一体式短程反硝化厌氧氨氧化反应器内硝酸氮浓度满足碳的总含量与氮的总含量浓度比满足在3:1～6:1范围内；缺氧搅拌至亚硝酸盐转化率达80％以上或硝氮浓度小于3mg/l；亚硝酸氮与氨氮的比值在1.4:1～2:1范围内，缺氧搅拌至总无机氮浓度低于5mg/l，停止搅拌然后停止搅拌开始沉淀排水10～15分钟，闲置10～15分钟后进入下一个反应周期；
一体式短程反硝化厌氧氨氧化反应器运行时需排泥，使一体式短程反硝化厌氧氨氧化反应器悬浮活性污泥浓度维持在1500～2500mg/l范围内。
本发明与现有技术相比，剩余污泥进入剩余污泥发酵罐，通过碱性厌氧发酵将污泥中的难生物降解有机物转化为易生物降解有机物，然后污泥发酵液进入发酵液水箱，以发酵液为补充碳源实现向亚硝酸盐的转化；污泥发酵液与城市污水一同进入一体式短程反硝化厌氧氨氧化反应器，实现总氮的去除，具有以下优点：一是将剩余污泥碱性厌氧发酵、短程反硝化厌氧氨氧化组合工艺等关键技术有机结合，并对发酵液投加方式和工艺运行参数进行合理优化，最大限度利用剩余污泥中的有机内碳源，实现低能耗、深度脱氮于一体的组合系统；二是剩余污泥发酵液作为补充碳源，为短程反硝化为厌氧氨氧化反应提供底物，可在无需额外投加有机碳源条件下，实现污水的深度脱氮；与传统方式相比，降低运行成本；三是目前城市污水升级改造应用较多的a2o+反硝化滤池工艺存在需要投加大量的碳源、a2o好氧区由于冬天水温降低，硝化速率随之下降，导致出水氨氮超标及a2o生化池好氧硝化曝气能耗大等问题，一体式短程反硝化厌氧氨氧化反应器内厌氧氨氧化对系统氮去除贡献可达90％，维持反应器厌氧氨氧化主导的脱氮途径是单级反应器去除氮素的关键，而且稀释后的城市污水含低浓度的碳，避免了有机物对自养菌的不利影响，直接应用城市污水处理能够表现优异的脱氮性能；其结构简单，通过投加污泥发酵液作补充碳源、优化进水流量分配、排水比及进水方式等运行参数，在不外加有机碳源的条件下，快速实现城市污水深度脱氮及污泥减量，运行费用低，污泥产率低，易于运行调控，是一种高效、低能耗并具有实际应用价值的污泥发酵液作补充碳源污水深度脱氮工艺，为城市污水处理厂处理城市污水和剩余污泥提供理论基础和技术支持。
附图说明：
图1为本发明所述污污泥发酵组合短程反硝化厌氧氨氧化处理城市污水的装置主体结构示意图，其中1为剩余污泥发酵罐；2为发酵液水箱；3为城市污水原水箱；4为一体式短程反硝化厌氧氨氧化反应器；5为回流水箱；6为出水水箱；1.1为进泥泵；1.2为搅拌装置；1.3为第一取样口；2.1为第一进水泵；2.2为第二进水泵3.1为第三进水泵；4.1为排水泵；4.2为空气泵；4.3为电动排水阀；4.4为第二取样口；4.5为第三取样口；4.6为第四取样口；4.7为第五取样口；5.1为第四进水泵；6.1为溢流管；6.2为排水管。
具体实施方式：
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
实施例：
本实施例所述污污泥发酵组合短程反硝化厌氧氨氧化处理城市污水的装置结构如图1所示，包括剩余污泥发酵罐1、发酵液水箱2、城市污水原水箱3、一体式短程反硝化厌氧氨氧化反应器4、回流水箱5、出水水箱6；其中所述剩余污泥发酵罐1通过第一进水泵2.1与发酵液水箱2相连接；发酵液水箱2通过第二进水泵2.2与一体式短程反硝化厌氧氨氧化反应器4相连接；城市污水原水箱3通过第三进水泵3.1与一体式短程反硝化厌氧氨氧化反应器4相连接；一体式短程反硝化厌氧氨氧化反应器4通过排水泵4.1与回流水箱5相连接；回流水箱5产生的回流水通过第四进水泵5.1与一体式短程反硝化厌氧氨氧化反应器4相连接；反应器4中反应产生的气体通过空气泵4.2与一体式短程反硝化厌氧氨氧化反应器4相连接；一体式短程反硝化厌氧氨氧化反应器4通过电动排水阀4.3与出水水箱6相连接；进泥泵1.1置于剩余污泥发酵罐1内，搅拌装置1.2位于进泥泵1.1一侧并置于剩余污泥发酵罐1内，剩余污泥发酵罐1内右侧设有第一取样口1.3；一体式短程反硝化厌氧氨氧化反应器4的右侧顶端设有电动排水阀4.3，电动排水阀4.3下方设有排水泵4.1，一体式短程反硝化厌氧氨氧化反应器4的底部连接有空气泵4.2，一体式短程反硝化厌氧氨氧化反应器4的右侧中间段自上而下依次设有第二取样口4.4、第三取样口4.5、第四取样口4.6、第五取样口4.7；出水水箱6的右侧上端连接有溢流管6.1，下端连接有排水管6.2。
本实施例所述城市污水在此装置中的处理流程为：城市污水从城市污水原水箱3通过第三进水泵3.1进入一体式短程反硝化厌氧氨氧化反应器4；在一体式短程反硝化厌氧氨氧化反应器4内，利用污泥发酵液中的碳源将城市污水的硝酸氮还原为亚硝酸氮；还原产物亚硝酸氮和进水中的氨氮为底物进行自养脱氮，达到深度脱氮的目的；一体式短程反硝化厌氧氨氧化反应器4运行结束后，进行沉淀排水，出水通过电动排水阀4.3进入出水水箱6。
本实施例中，城市污水原水箱3、发酵液水箱3和回流水箱5的有效容积为25l，试验所用一体式短程反硝化厌氧氨氧化反应器4由有机玻璃制成，有效容积均为10l且均安装有搅拌器；在一体式短程反硝化厌氧氨氧化反应器4中均填充有聚氨酯泡沫悬浮生物填料，填料的体积填充比为45％，填料内部的多孔结构创造了内部缺氧外部好氧的微环境，以强化一体式短程反硝化厌氧氨氧化反应器4中的反硝化效果；一体式短程反硝化厌氧氨氧化反应器4中泡沫填料用于富集和持留短程反硝化菌，填料的体积填充比为20％；试验接种取某污水处理厂的剩余污泥，利用所述装置处理城市污水的具体操作过程如下：
1)系统启动：
将污水处理厂剩余污泥投加至剩余污泥发酵罐1内，使接种后剩余污泥发酵罐1内污泥浓度达到5000mg/l；
剩余污泥、污泥发酵液、城市污水与中间亚硝酸盐溶液进量的确定：
取剩余污泥在30摄氏度下进行发酵，通过对scod浓度进行测定，当scod浓度无增长趋势且20分钟内scod值不再增长时，此时为该浓度下污泥发酵的最大潜力；
在一体式短程反硝化厌氧氨氧化反应器4内根据计算公式(1)(2)确定有机物与硝酸盐进量：
v2+v3＝v·p1(2)
式中scod为该剩余污泥最大发酵潜力下的scod浓度；v2、v3、v分别为污泥发酵液、城市污水原水进量与反应器有效体积；no3–为城市污水硝酸盐浓度；c/n取值为5:1；p1为排水比，取60％；
根据计算公式(3)(4)确定原水与回流水箱进水量：
v4+v5＝v·p2(4)
式中no2–为回流水箱进水中no2–浓度、nh4+为原水nh4+浓度；v4、v5、v分别为no2–溶液进量、nh4+溶液进量与反应器有效体积；p2为排水比，值为50％；no2–/nh4+为1.7:1；
2)运行时调节操作如下：
将城市污水加入城市污水原水箱3，剩余污泥投加至剩余污泥发酵罐1，然后启动进泥泵1.1，每周期开始时将v1体积的剩余污泥抽入污泥发酵罐，启动搅拌装置1.2使剩余污泥混合均匀，进行污泥碱性厌氧发酵，污泥发酵液通过第一进水泵2.1进入发酵液水箱2；
一体式短程反硝化厌氧氨氧化反应器4运行时，剩余污泥发酵罐1每周期先厌氧搅拌600分钟，scod值达最大发酵潜力的95％以上时结束厌氧搅拌；然后启动第一进水泵2.1将污泥发酵液抽入发酵液水箱2内；启动第二进水泵2.2将v2体积的污泥发酵液抽入一体式短程反硝化厌氧氨氧化反应器4；启动第三进水泵3.1将城市污水原水箱3中v3体积的城市污水原水抽入一体式短程反硝化厌氧氨氧化反应器4内，使一体式短程反硝化厌氧氨氧化反应器4内硝酸氮浓度为设定浓度，设定碳的总含量与氮的总含量浓度比满足5：1；缺氧搅拌至亚硝酸盐转化率达80％以上或硝氮浓度小于3mg/l；设定亚硝酸氮与氨氮的比值在1.7：1，缺氧搅拌至总无机氮浓度低于5mg/l，停止搅拌然后停止搅拌开始沉淀排水10分钟，闲置10分钟后进入下一个反应周期；
一体式短程反硝化厌氧氨氧化反应器4运行时需排泥，使一体式短程反硝化厌氧氨氧化反应器4悬浮活性污泥浓度维持在2000mg/l范围内。
本实施例的实验结果表明，剩余污泥在污泥发酵阶段可转化为易降解有机物，作为短程反硝化的补充碳源，其污泥减量效果可达50％～70％；反硝化阶段可以实现亚硝酸盐的积累，积累率达60％～80％，且出水硝氮浓度可忽略不计；厌氧氨氧化阶段厌氧氨氧化菌可将氨氮全部转化为氮气，剩余的亚硝可被反硝化细菌利用含盐废水中的有机物还原为氮气，出水总氮均小于5mg/l。
技术特征：
1.一种污泥发酵组合短程反硝化厌氧氨氧化处理城市污水的装置，其特征在于：该装置的主体结构包括剩余污泥发酵罐、发酵液水箱、城市污水原水箱、一体式短程反硝化厌氧氨氧化反应器、回流水箱和出水水箱；其中所述剩余污泥发酵罐通过第一进水泵与发酵液水箱相连接；发酵液水箱通过第二进水泵与一体式短程反硝化厌氧氨氧化反应器相连接；城市污水原水箱通过第三进水泵与一体式短程反硝化厌氧氨氧化反应器相连接；一体式短程反硝化厌氧氨氧化反应器通过排水泵与回流水箱相连接；回流水箱产生的回流水通过第四进水泵与一体式短程反硝化厌氧氨氧化反应器相连接；一体式短程反硝化厌氧氨氧化反应器中反应产生的气体通过空气泵与一体式短程反硝化厌氧氨氧化反应器相连接；一体式短程反硝化厌氧氨氧化反应器通过电动排水阀与出水水箱相连接；进泥泵置于剩余污泥发酵罐内，搅拌装置位于进泥泵一侧并置于剩余污泥发酵罐内，剩余污泥发酵罐内右侧设有第一取样口；一体式短程反硝化厌氧氨氧化反应器的右侧顶端设有电动排水阀，电动排水阀下方设有排水泵，一体式短程反硝化厌氧氨氧化反应器的底部连接有空气泵，一体式短程反硝化厌氧氨氧化反应器的右侧中间段自上而下依次设有第二取样口、第三取样口、第四取样口、第五取样口；出水水箱的右侧上端连接有溢流管，下端连接有排水管。
2.一种采用如权利要求1所述装置处理城市污水的方法，其特征在于：具体步骤如下：
1)装置的启动：
将污水处理厂剩余污泥投加至剩余污泥发酵罐内，使接种后污泥发酵罐内污泥浓度达到2000～6000mg/l；将富集厌氧氨氧化菌的生物膜填料投加至一体式短程反硝化厌氧氨氧化反应器内，使厌氧氨氧化菌的生物膜填料占一体式短程反硝化厌氧氨氧化反应器有效体积的20％～80％；并确定剩余污泥、污泥发酵液、城市污水与中间亚硝酸盐溶液进量；
2)运行时调节操作如下：
将城市污水加入城市污水原水箱，剩余污泥投加至剩余污泥发酵罐，然后启动进泥泵，每周期开始时将剩余污泥抽入剩余污泥发酵罐，启动搅拌装置使剩余污泥混合均匀，进行污泥碱性厌氧发酵，污泥发酵液通过第一进水泵进入发酵液水箱；
一体式短程反硝化厌氧氨氧化反应器运行时，剩余污泥发酵罐每周期先厌氧搅拌200～800min，scod值达最大发酵潜力的95％以上时结束厌氧搅拌；然后启动第一进水泵将污泥发酵液抽入发酵液水箱内；启动第二进水泵将污泥发酵液抽入一体式短程反硝化厌氧氨氧化反应器；启动第三进水泵将城市污水原水箱中的城市污水原水抽入一体式短程反硝化厌氧氨氧化反应器内，使一体式短程反硝化厌氧氨氧化反应器内硝酸氮浓度满足碳的总含量与氮的总含量浓度比满足在3:1～6:1范围内；缺氧搅拌至亚硝酸盐转化率达80％以上或硝氮浓度小于3mg/l；亚硝酸氮与氨氮的比值在1.4:1～2:1范围内，缺氧搅拌至总无机氮浓度低于5mg/l，停止搅拌然后停止搅拌开始沉淀排水10～15分钟，闲置10～15分钟后进入下一个反应周期；
一体式短程反硝化厌氧氨氧化反应器运行时需排泥，使一体式短程反硝化厌氧氨氧化反应器悬浮活性污泥浓度维持在1500～2500mg/l范围内。
3.根据权利要求2所述处理城市污水的方法，其特征在于：确定剩余污泥、污泥发酵液、城市污水与中间亚硝酸盐溶液进量的具体过程为：
取剩余污泥在30摄氏度下进行发酵，通过对scod浓度进行测定，当scod浓度无增长趋势且20分钟内scod值不再增长时，此时为该浓度下污泥发酵的最大潜力；
在一体式短程反硝化厌氧氨氧化反应器内根据计算公式(1)(2)确定有机物与硝酸盐进量：
v2+v3＝v·p1(2)
式中scod为该剩余污泥最大发酵潜力下的scod浓度；v2、v3、v分别为污泥发酵液、城市污水原水进量与反应器有效体积；no3–为城市污水硝酸盐浓度；c/n取值为3:1～6:1；p1为排水比，取60％；
根据计算公式(3)(4)确定原水与回流水箱进水量：
v4+v5＝v·p2(4)
式中no2–为回流水箱进水中no2–浓度、nh4+为原水nh4+浓度；v4、v5、v分别为no2–溶液进量、nh4+溶液进量与反应器有效体积；p2为排水比，取值为50％；no2–/nh4+取值在1.4:1～2:1范围内任取。
技术总结
本发明属于污水生物处理技术领域，涉及一种污泥发酵组合短程反硝化厌氧氨氧化处理城市污水的装置和方法，城市污水从城市污水原水箱通过第三进水泵进入一体式短程反硝化厌氧氨氧化反应器；在一体式短程反硝化厌氧氨氧化反应器内，利用污泥发酵液中的碳源将城市污水的硝酸氮还原为亚硝酸氮；还原产物亚硝酸氮和进水中的氨氮为底物进行自养脱氮，达到深度脱氮的目的；一体式短程反硝化厌氧氨氧化反应器运行结束后，进行沉淀排水，出水通过电动排水阀进入出水水箱；在不外加有机碳源的条件下，快速实现城市污水深度脱氮及污泥减量，运行费用低，污泥产率低，易于运行调控，为城市污水处理厂处理城市污水和剩余污泥提供理论基础和技术支持。
技术开发人、权利持有人：王晓霞;孙小蝶;赵骥;于德爽
