技术领域：
本发明属于污水生物处理技术领域，涉及一种污水自养脱氮装置和方法，特别是一种自生成厌氧氨氧化菌并抑制亚硝酸盐氧化菌富集实现污水自养脱氮的装置和方法。
背景技术：
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在城市污水生化处理过程中，会产生大量的剩余污泥，需要对其进行厌氧消化处理，厌氧消化是在厌氧情况下，有机氮氨化，合成nh4+-n转移到污泥消化液中。污泥消化液是典型的高nh4+-n低c/n污水(nh4+-n的浓度甚至会超过800mg/l，c/n比仅为0.7～0.8)，虽然处理量很少，但是所含nh4+-n的负荷在城市污水总氮负荷中占比可高达15％～25％。目前，污泥消化液的处理方式是将其直接回流到城市污水中，与城市污水一起进行脱氮处理，这就导致城市污水的c/n进一步地降低，脱氮效率下降。因此，针对污泥消化液这类废水的水质特性，避免其中高nh4+-n回流对主流城市污水处理的影响，研究出一种高效、经济的新型工艺尤为重要。
短程硝化厌氧氨氧化耦合反硝化工艺，与传统的生物脱氮过程相比，可减少供氧量，降低曝气能耗；减少外加碳源的投加，解决污水中碳源缺乏的问题；剩余污泥产量低，碱度投加量少。此外，厌氧氨氧化菌(aaob)常以颗粒污泥的形态存在，生物量大，适用于处理高氨氮废水。现有的同步硝化厌氧氨氧化耦合反硝化(snad)启动方式以先启动同步硝化反硝化(snd)后投加厌氧氨氧化(anammox)为主：一方面aaob的富集培养时间较长；另一方面snd与anammox耦合及其稳定维持较为困难。因此，迫切需要寻求一种新的脱氮方法，结合snad工艺和生物膜anammox反应器的优势，通过联合调控缺氧时间、进水nh4+-n和no2–-n浓度可实现aaob的自生成，并有效抑制亚硝酸盐氧化菌(nob)富集，为snad的启动和稳定运行提供新思路，为可持续获取anammox生物膜提供新途径，助推污水自养脱氮的实际工程应用。
技术实现要素：
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本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，设计提供一种自生成厌氧氨氧化菌并抑制亚硝酸盐氧化菌富集实现污水自养脱氮的装置和方法，针对高nh4+-n、低c/n比废水的水质特点实现其深度自养脱氮，并达到解决传统生物脱氮工艺有机碳源不足、进水nh4+-n高影响其性能以及脱氮效率低的目的。
为了实现上述目的，本发明所述污水自养脱氮装置的主体结构包括进水水箱、短程硝化厌氧氨氧化耦合反硝化脱氮ifas反应器、出水水箱、在线监测反馈控制系统；进水水箱通过进水泵与短程硝化厌氧氨氧化耦合反硝化脱氮ifas反应器相连接；短程硝化厌氧氨氧化耦合反硝化脱氮ifas反应器通过电动排水阀与出水水箱相连接；短程硝化厌氧氨氧化耦合反硝化脱氮ifas反应器内置有搅拌桨、气泵、气体流量计、曝气头、取样口、电动排水阀、ph传感器和do传感器，气体流量计的两端分别与气泵和曝气头连接，气泵与气体流量计之间设有电磁阀，曝气头设置在短程硝化厌氧氨氧化耦合反硝化脱氮ifas反应器内部底端，搅拌桨的顶端与搅拌器相连，ph传感器和do传感器设置在短程硝化厌氧氨氧化耦合反硝化脱氮ifas反应器内部上端并分别与ph/do测定仪，取样口和电动排水阀自上而下依次设置在短程硝化厌氧氨氧化耦合反硝化脱氮ifas反应器外侧壁上；在线监测反馈控制系统包括计算机和可编程过程控制器，可编程过程控制器内置信号转换器ad转换接口、信号转换器da转换接口、曝气继电器、进水继电器、搅拌器继电器、ph/do数据信号接口、出水继电器；其中可编程过程控制器上的信号ad转换接口通过电缆线与计算机相连接，将传感器模拟信号转换成数字信号传递给计算机；计算机通过信号转换器da转换接口与可编程过程控制器相连接，计算机的数字指令传递给可编程过程控制器；曝气继电器与电磁阀相连接；进水继电器与进水泵相连接；搅拌器继电器与搅拌器相连接；ph/do数据信号接口通过传感器导线与ph/do测定仪相连接；ph传感器、do传感器分别与ph/do测定仪相连接；出水继电器与电动排水阀相连接。
本发明所述污水在污水自养脱氮装置中的处理流程为：污水从进水水箱通过进水泵进入到短程硝化厌氧氨氧化耦合反硝化脱氮ifas反应器；开启气泵并调节气体流量计，使短程硝化厌氧氨氧化耦合反硝化脱氮ifas反应器进入低氧曝气搅拌阶段；在低氧曝气搅拌阶段，氨氧化细菌(aob)利用进水中的nh4+-n在低氧条件下进行硝化反应，同时通过间歇曝气和暂时提高游离氨(fa)浓度的联合策略，实现亚硝酸盐氧化菌(nob)的抑制，将硝化反应控制在亚硝酸盐阶段，实现短程硝化；在缺氧阶段，填充材料上自生成的厌氧氨氧化菌(aaob)利用进水中存在的nh4+-n以及短程硝化过程中产生的no2–-n和在好氧段结束时投加的nano2发生厌氧氨氧化作用，产生少量的no3–-n和n2；同时反硝化菌会利用进水中的有机碳源与厌氧氨氧化过程中产生的少量no3–-n发生反硝化过程，将no3–-n转化为n2，达到深度脱氮的目的；一个周期结束后，进行沉淀排水，出水通过电动排水阀排入出水水箱。
本发明实现污水自养脱氮的方法，其具体步骤如下：
(1)系统的启动：
将来自城市污水厂二沉池的剩余污泥或具有短程硝化性能的活性污泥接种到短程硝化厌氧氨氧化耦合反硝化脱氮ifas反应器内，使接种后短程硝化厌氧氨氧化耦合反硝化脱氮ifas反应器内活性污泥浓度达到2500mg/l～3000mg/l；将聚乙烯环的填充材料投加到短程硝化厌氧氨氧化耦合反硝化脱氮ifas反应器中，使填充材料的体积占到短程硝化厌氧氨氧化耦合反硝化脱氮ifas反应器有效容积的3/10～2/5；
2)运行时调节如下：
将人工配置模拟消化液污水加入进水水箱，启动进水泵将污水抽入到短程硝化厌氧氨氧化耦合反硝化脱氮ifas反应器内，进水nh4+-n浓度控制在190mg/l～200mg/l，先低氧搅拌5～8min；低氧搅拌结束时，向短程硝化厌氧氨氧化耦合反硝化脱氮ifas反应器中添加额外的nano2，使好氧末no2–-n的浓度在25mg/l～35mg/l；再缺氧搅拌18～25min，促进厌氧氨氧化菌(aaob)在填充材料上附着生长并完成污水脱氮；短程硝化厌氧氨氧化耦合反硝化脱氮ifas反应器运行时间达24h～25h时，进行沉淀排水，排水比为0.35～0.40，出水排入出水水箱；
短程硝化厌氧氨氧化耦合反硝化脱氮ifas反应器运行时，当出水no3–-n浓度﹥15mg/l时，提高进水nh4+-n浓度至380mg/l～400mg/l，抑制亚硝酸盐氧化菌(nob)的活性；低氧搅拌阶段，短程硝化厌氧氨氧化耦合反硝化脱氮ifas反应器内溶解氧浓度为0.7～1.3mg/l；短程硝化厌氧氨氧化耦合反硝化脱氮ifas反应器内温度为25℃～30℃；
短程硝化厌氧氨氧化耦合反硝化脱氮ifas反应器运行时无需排泥，使短程硝化厌氧氨氧化耦合反硝化脱氮ifas反应器悬浮活性污泥浓度维持在2500mg/l～3000mg/l范围内。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：一是针对污泥消化液具有高的氨氮浓度、低c/n比的水质特点，将短程硝化厌氧氨氧化技术应用于污泥消化液的脱氮处理中，同时耦合反硝化技术，无需投加碳源、可解决低c/n比下脱氮效率低的问题，节省曝气量，实现污水的深度脱氮；二是在未接种厌氧氨氧化污泥的情况下，通过增强持留性和底物基质刺激，可实现厌氧氨氧化菌的自生成，并通过联合调控缺氧时间、进水nh4+-n和no2–-n浓度可增强厌氧氨氧化的活性；ifas反应器中投加填充材料，使得aaob可以在自形成的生物膜上附着生长，而aob和反硝化菌主要悬浮生长，成功启动了snad系统，克服了snd系统与anammox耦合困难的问题；三是采用间歇曝气和提高游离氨fa的联合策略，可在不排泥的情况下，有效地抑制nob，保证短程硝化反应的稳定运行；其结构简单，操作方便，结合了短程硝化、厌氧氨氧化、反硝化等新型生物脱氮技术，可用于低c/n比和高nh4+-n污水的深度脱氮处理，避免污水中所含的高浓度nh4+-n对主流生物脱氮系统性能的影响，通过投加填充材料的方式实现anammox菌的自生成和aob、反硝化菌的悬浮生长，解决了同步硝化反硝化耦合厌氧氨氧化困难、aaob培养时间长的问题，具有运行操作简单、无需外加碳源、无需接种厌氧氨氧化污泥、节能减排、经济高效等优点。
附图说明：
图1为本发明所述现污水自养脱氮装置的主体结构原理示意图，其中1为进水水箱；2为短程硝化厌氧氨氧化耦合反硝化脱氮ifas反应器；3为出水水箱；4为在线监测和反馈控制系统；2.1为进水泵；2.2为搅拌器；2.3为搅拌桨；2.4为气泵；2.5为电磁阀；2.6为气体流量计；2.7为曝气头；2.8为取样口；2.9为电动排水阀；2.10为ph/do测定仪；2.11为ph传感器；2.12为do传感器；4.1为计算机；4.2为可编程过程控制器；4.3为ad转换接口；4.4为da转换接口；4.5为曝气继电器；4.6为进水继电器；4.7为搅拌器继电器；4.8为ph/do数据信号接口；4.9为出水继电器。
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：
本实施例所述污水自养脱氮装置的主体结构如图1所示，包括进水水箱1、短程硝化厌氧氨氧化耦合反硝化脱氮ifas反应器2、出水水箱3、在线监测反馈控制系统4；进水水箱1通过进水泵2.1与短程硝化厌氧氨氧化耦合反硝化脱氮ifas反应器2相连接；短程硝化厌氧氨氧化耦合反硝化脱氮ifas反应器2通过电动排水阀2.9与出水水箱3相连接；短程硝化厌氧氨氧化耦合反硝化脱氮ifas反应器2内置有搅拌桨2.3、气泵2.4、气体流量计2.6、曝气头2.7、取样口2.8、电动排水阀2.9、ph传感器2.11和do传感器2.12，气体流量计2.6的两端分别与气泵2.4和曝气头2.7连接，气泵2.4与气体流量计2.6之间设有电磁阀2.5，曝气头2.7设置在短程硝化厌氧氨氧化耦合反硝化脱氮ifas反应器2内部底端，搅拌桨2.3的顶端与搅拌器2.2相连，ph传感器2.11和do传感器2.12设置在短程硝化厌氧氨氧化耦合反硝化脱氮ifas反应器2内部上端并分别与ph/do测定仪2.10，取样口2.8和电动排水阀2.9自上而下依次设置在短程硝化厌氧氨氧化耦合反硝化脱氮ifas反应器2外侧壁上；在线监测反馈控制系统4包括计算机4.1和可编程过程控制器4.2，可编程过程控制器4.2内置信号转换器ad转换接口4.3、信号转换器da转换接口4.4、曝气继电器4.5、进水继电器4.6、搅拌器继电器4.7、ph/do数据信号接口4.8、出水继电器4.9；其中可编程过程控制器4.2上的信号ad转换接口4.3通过电缆线与计算机4.1相连接，将传感器模拟信号转换成数字信号传递给计算机4.1；计算机4.1通过信号转换器da转换接口4.4与可编程过程控制器4.2相连接，计算机4.1的数字指令传递给可编程过程控制器4.2；曝气继电器4.5与电磁阀2.5相连接；进水继电器4.6与进水泵2.1相连接；搅拌器继电器4.7与搅拌器2.2相连接；ph/do数据信号接口4.8通过传感器导线与ph/do测定仪2.10相连接；ph传感器2.11、do传感器2.12分别与ph/do测定仪2.10相连接；出水继电器4.9与电动排水阀2.9相连接。
本实施例实现污水自养脱氮的过程为：
1)系统的启动：
将来自城市污水厂二沉池的剩余污泥或具有短程硝化性能的活性污泥接种到短程硝化厌氧氨氧化耦合反硝化脱氮ifas反应器2内，使接种后短程硝化厌氧氨氧化耦合反硝化脱氮ifas反应器2内活性污泥浓度达到2876mg/l；将聚乙烯环的填充材料投加到短程硝化厌氧氨氧化耦合反硝化脱氮ifas反应器2中，使填充材料的体积占到短程硝化厌氧氨氧化耦合反硝化脱氮ifas反应器2有效容积的2/5；
2)运行时调节如下：
将人工配置模拟消化液污水加入进水水箱1，启动进水泵2.1将污水抽入到短程硝化厌氧氨氧化耦合反硝化脱氮ifas反应器2内；先低氧搅拌7min,低氧搅拌结束时，向短程硝化厌氧氨氧化耦合反硝化脱氮ifas反应器2中添加额外的nano2，使好氧末no2–-n的浓度在28mg/l,以增加aaob的反应底物，为aaob的自生成创造条件，实现aaob在填充材料上的附着生长；当出水no3–-n浓度﹥15mg/l时，提高进水nh4+-n浓度，增加至400mg/l，抑制nob的活性；低氧搅拌阶段，短程硝化厌氧氨氧化耦合反硝化脱氮ifas反应器2溶解氧浓度为1～1.3mg/l；短程硝化厌氧氨氧化耦合反硝化脱氮ifas反应器2使用恒温加热棒，控制反应器内温度为30℃左右，当缺氧运行时间到达24h左右时进行沉淀排水，排水比为0.375，出水排入出水水箱3；
短程硝化厌氧氨氧化耦合反硝化脱氮ifas反应器2运行时无需排泥，使短程硝化厌氧氨氧化耦合反硝化脱氮ifas反应器2悬浮活性污泥浓度维持在2500mg/l左右。
本实施例所述短程硝化、厌氧氨氧化耦合反硝化脱氮ifas反应器2采用有机玻璃制成，有效容积为8l，人工配置模拟消化液污水的水质如下：cod浓度为105～600mg/l，nh4+-n浓度为100～400mg/l，no2–-n﹤1mg/l，no3–-n浓度﹤1mg/l，mgso4·7h2o浓度为0.02mg/l，cacl2浓度为0.01mg/l，nahco3浓度为1g/l,ph值为7.3～7.6，对上述消化液污水进行自养脱氮处理后，短程硝化厌氧氨氧化耦合反硝化脱氮ifas反应器2出水cod浓度为30～50mg/l，nh4+-n浓度﹤2mg/l，no2–-n浓度﹤1mg/l,no3–-n浓度﹤12mg/l,tn浓度﹤15mg/l。
技术特征：
1.一种污水自养脱氮装置，其特征在于：该装置的主体结构包括进水水箱、短程硝化厌氧氨氧化耦合反硝化脱氮ifas反应器、出水水箱、在线监测反馈控制系统；进水水箱通过进水泵与短程硝化厌氧氨氧化耦合反硝化脱氮ifas反应器相连接；短程硝化厌氧氨氧化耦合反硝化脱氮ifas反应器通过电动排水阀与出水水箱相连接；短程硝化厌氧氨氧化耦合反硝化脱氮ifas反应器内置有搅拌桨、气泵、气体流量计、曝气头、取样口、电动排水阀、ph传感器和do传感器，气体流量计的两端分别与气泵和曝气头连接，气泵与气体流量计之间设有电磁阀，曝气头设置在短程硝化厌氧氨氧化耦合反硝化脱氮ifas反应器内部底端，搅拌桨的顶端与搅拌器相连，ph传感器和do传感器设置在短程硝化厌氧氨氧化耦合反硝化脱氮ifas反应器内部上端并分别与ph/do测定仪，取样口和电动排水阀自上而下依次设置在短程硝化厌氧氨氧化耦合反硝化脱氮ifas反应器外侧壁上；在线监测反馈控制系统包括计算机和可编程过程控制器，可编程过程控制器内置信号转换器ad转换接口、信号转换器da转换接口、曝气继电器、进水继电器、搅拌器继电器、ph/do数据信号接口、出水继电器；其中可编程过程控制器上的信号ad转换接口通过电缆线与计算机相连接，将传感器模拟信号转换成数字信号传递给计算机；计算机通过信号转换器da转换接口与可编程过程控制器相连接，计算机的数字指令传递给可编程过程控制器；曝气继电器与电磁阀相连接；进水继电器与进水泵相连接；搅拌器继电器与搅拌器相连接；ph/do数据信号接口通过传感器导线与ph/do测定仪相连接；ph传感器、do传感器分别与ph/do测定仪相连接；出水继电器与电动排水阀相连接。
2.一种采用如权利要求1所述装置实现污水自养脱氮的方法，其特征在于：具体步骤如下：
(1)装置的启动：
将来自城市污水厂二沉池的剩余污泥或具有短程硝化性能的活性污泥接种到短程硝化厌氧氨氧化耦合反硝化脱氮ifas反应器内，使接种后短程硝化厌氧氨氧化耦合反硝化脱氮ifas反应器内活性污泥浓度达到2500mg/l～3000mg/l；将聚乙烯环的填充材料投加到短程硝化厌氧氨氧化耦合反硝化脱氮ifas反应器中，使填充材料的体积占到短程硝化厌氧氨氧化耦合反硝化脱氮ifas反应器有效容积的3/10～2/5；
2)运行时调节如下：
将人工配置模拟消化液污水加入进水水箱，启动进水泵将污水抽入到短程硝化厌氧氨氧化耦合反硝化脱氮ifas反应器内，进水nh4+-n浓度控制在190mg/l～200mg/l，先低氧搅拌5～8min；低氧搅拌结束时，向短程硝化厌氧氨氧化耦合反硝化脱氮ifas反应器中添加额外的nano2，使好氧末no2–-n的浓度在25mg/l～35mg/l；再缺氧搅拌18～25min，促进厌氧氨氧化菌(aaob)在填充材料上附着生长并完成污水脱氮；短程硝化厌氧氨氧化耦合反硝化脱氮ifas反应器运行时间达24h～25h时，进行沉淀排水，排水比为0.35～0.40，出水排入出水水箱；
短程硝化厌氧氨氧化耦合反硝化脱氮ifas反应器运行时，当出水no3–-n浓度﹥15mg/l时，提高进水nh4+-n浓度至380mg/l～400mg/l，抑制亚硝酸盐氧化菌(nob)的活性；低氧搅拌阶段，短程硝化厌氧氨氧化耦合反硝化脱氮ifas反应器内溶解氧浓度为0.7～1.3mg/l；短程硝化厌氧氨氧化耦合反硝化脱氮ifas反应器内温度为25℃～30℃；
短程硝化厌氧氨氧化耦合反硝化脱氮ifas反应器运行时无需排泥，使短程硝化厌氧氨氧化耦合反硝化脱氮ifas反应器悬浮活性污泥浓度维持在2500mg/l～3000mg/l范围内。
技术总结
本发明属于污水生物处理技术领域，涉及一种污水自养脱氮装置和方法，污水进入短程硝化厌氧氨氧化耦合反硝化脱氮IFAS反应器后，首先进行低氧曝气搅拌，氨氧化菌利用进水中的氨氮在低氧条件下进行短程硝化反应，生成亚硝酸盐氮；之后停止曝气，进入缺氧搅拌阶段，通过采用间歇曝气的方式，抑制亚硝酸盐氧化菌的活性，并为厌氧氨氧化菌的自生成创造条件；自生成功的厌氧氨氧化菌将污水中剩余的氨氮和亚硝酸盐氮进行厌氧氨氧化反应，产生氮气和少量的硝酸盐氮，剩余的硝酸盐氮可被反硝化菌利用并通过反硝化反应，产生氮气，实现系统中总氮和有机物的深度去除；其结构简单，操作方便，无需外加碳源和接种厌氧氨氧化污泥，节能减排，经济高效。
技术开发人、权利持有人：王晓霞;宋霞;赵骥;于德爽
