本发明涉及一种城市污水处理技术领域，特别涉及一种用于城市污水生物脱氮的利用部分亚硝化-厌氧氨氧化工艺处理城市污水的装置及所用方法。
背景技术：
厌氧氨氧化被誉为最令人惊奇的环境生物技术之一，自上世纪90年代厌氧氨氧化现象被发现以来，将之应用于污水处理中的研究日益成为热点。厌氧氨氧化菌是一类自养型浮霉菌，能以亚硝酸盐为电子受体，将氨氧化为氮气。将好氧氨氧化菌(aob)与厌氧氨氧化菌的功能进行有效组合，可以实现污水全程自养生物脱氮，这一工艺被称为部分亚硝化-厌氧氨氧化(pn/a)生物脱氮工艺。与传统硝化-反硝化生物脱氮工艺相比，pn/a工艺只需在好氧条件下氧化部分氨氮，可以节约60％的供氧需求；且无需外加碳源，从而将污水中蕴含的有机质解放出来，通过适当的工艺技术进行分离，这些有机质可用于产能或资源回收，从而可能实现污水处理过程的能源自给乃至能源输出的目的，是一项极有应用前景的节能型污水处理新工艺。
目前，pn/a工艺已被成功应用于高氨氮污水处理，尤其是在污水处理厂污泥消化液的处理中(即“侧流厌氧氨氧化工艺”)，全球已有上百个工程应用案例。上世纪90年代以来，将pn/a工艺应用于相对低氨氮浓度的城市污水处理得到了越来越多的研究关注，一般对应地称之为“主流厌氧氨氧化工艺”或“主流pn/a”工艺。城市污水中氨氮(nh4+-n)浓度相对较低，亚硝酸盐氮(no2--n)作为硝化反应的中间产物，很容易被亚硝酸盐氧化菌(nob)利用反应生成硝酸盐氮(no3--n)，即传统工艺中的完全硝化过程。nob与厌氧氨氧化菌对亚硝氮的竞争利用是稳定实现主流pn/a工艺的最重要挑战之一。在主流工艺中，游离氨和游离亚硝酸浓度很低，对nob的抑制作用很小，nob很难从系统中被淘汰从而使厌氧氨氧化菌成为优势菌种。因此，目前关于主流pn/a工艺还处于研究阶段，没有达到工业化应用的程度。
由于厌氧氨氧化菌的世代周期长、生长缓慢，颗粒污泥或附着(载体/填料)生长生物膜被认为是有效持留厌氧氨氧化菌的主要方式。目前，在实验室富集培育厌氧氨氧化菌的研究中，大多采用自来水配水，通过投加各类营养基质包括氨氮、亚硝酸盐氮、铁盐、碱度以及多种微量元素等来进行富集培养，但这种方式不适合大规模培育用于实际生产所需的厌氧氨氧化菌种。
在当前主流pn/a工艺的相关研究中，厌氧氨氧化菌种基本来源于处理污泥消化液的侧流厌氧氨氧化工艺系统。对于没有侧流工艺系统提供厌氧氨氧化菌种的情况，由于nob的竞争生长，使得厌氧氨氧化菌的富集培育过程非常困难而缓慢，很难在相对较短的时间内启动pn/a系统，导致系统出水硝酸盐氮浓度高、运行不稳定等问题。
技术实现要素：
本发明的目的就在于克服上述现有技术中存在的不足，而提供一种利用部分亚硝化-厌氧氨氧化工艺处理城市污水的装置，该装置启动速度块、出水硝酸盐浓度低、运行稳定，适用于城市污水生物脱氮。
本发明的另一目的是提供上述利用部分亚硝化-厌氧氨氧化工艺处理城市污水的装置的所用方法。
如上构思，本发明的技术方案是：一种利用部分亚硝化-厌氧氨氧化工艺处理城市污水的装置，其特征在于：由厌氧氨氧化菌富集培育装置和连续流pn/a自养生物脱氮装置组成；厌氧氨氧化菌富集培育装置包括配水箱、药液桶、富集培育反应器和控制系统，所述配水箱通过补水泵及管道与污水处理厂出水池连接且通过进水泵与富集培育反应器连接，所述药液桶通过加药泵与配水箱连接，所述富集培育反应器按水流方向由两个加入生物载体的格室串联连接组成，所述控制系统与补水泵、加药泵、液位感应器、温度控制器、进水泵和加热器连接；连续流pn/a自养生物脱氮装置包括进水泵、pn/a反应器、沉淀池、污泥回流泵和排泥泵；所述进水泵抽取经过除碳前处理的城市污水，所述pn/a反应器底部设曝气装置，其气管与鼓风机连接，pn/a反应器的进口与进水泵连接，pn/a反应器的出口与沉淀池的进口连接，所述沉淀池底部的排泥管分别与排泥泵和污泥回流泵相连，排泥管和污泥回流泵相连的管道连接到进水泵和pn/a反应器连接的管道上。
上述富集培育反应器两个格室中加入搅拌器。
上述富集培育反应器的出口处设置多孔筛板以截流生物载体。
上述富集培育反应器外设水浴夹套，其进出口与热水循环泵及加热器连接。
上述生物载体采用轻质塑料生物载体，其比表面积为：500-1000m2/m3。
上述配水箱内设置液位感应器。
上述富集培育反应器内设置温度感应器。
上述pn/a反应器的出口设置多孔筛板以拦截生物载体，并与沉淀池连接。
上述利用部分亚硝化-厌氧氨氧化工艺处理城市污水的装置所用的方法，包括如下步骤：
①富集培育厌氧氨氧菌载体生物膜：在富集培育反应器内加入轻质塑料生物载体，接种厌氧氨氧化菌种或城市污水处理厂普通污泥；在药液桶内配制氯化铵或硫酸铵和亚硝酸钠溶液，设定加药泵运行时间，控制富集培育反应器的初始进水总氮负荷为50g/m3/d；当富集培育反应器(1.3)出水氨氮浓度低于5mg/l时，以10-20％的比例逐步增加进水氮负荷，每次提升进水氮负荷后稳定运行直至总氮去除率达到80％以上后再次提升进水总氮负荷；当进水总氮负荷达到200-300g/m3/d以上，且总氮去除率维持在80％以上时，厌氧氨氧化菌生物膜载体培育成熟，可用于投加pn/a反应器；
②在pn/a反应器(2.1)内先接种城市污水处理厂普通硝化污泥，接种污泥浓度为3000-4000mg/l，进水由进水泵抽取经过前处理去除大部分cod的城市污水且控制pn/a反应器的水力停留时间为3～6h，开启鼓风机进行曝气，控制溶解氧不低于1.5～2.0mg/l，开启污泥回流泵，控制污泥回流比80-100％，开启排泥泵，控制泥龄15-20天；
③定时检测沉淀池出水氨氮浓度：当pn/a反应器出水氨氮低于2mg/l后，调节鼓风机和曝气管阀门，控制溶解氧逐步下降至0.10-0.25mg/l，根据出水氨氮浓度动态调节排泥泵流量，控制泥龄为5-15天，以维持沉淀池出水氨氮浓度为5-8mg/l，当出水氨氮高于8mg/l时降低排泥量，当出水氨氮低于5mg/l时提高排泥量；
④定时检测沉淀池出水亚硝氮no2--n和硝氮no3--n浓度，计算亚硝氮积累率
⑤定时检测pn/a反应器的进、出水氨氮nh4+-n和硝氮no3--n浓度，计算去除单位氨氮产生的硝氮比例δno3--n/δnh4+-n：
与现有技术相比，本发明的技术创新和优点如下：
1、本发明采用城市污水处理厂出水作为富集培育厌氧氨氧化菌种的原水，不需投加各类微量营养元素，不需氮气吹扫脱氧等操作，适合于大规模的菌种培育；
2、本发明针对相对低氨氮浓度的城市污水，通过先投加活性污泥培养好氧氨氧化菌，再投加成熟的厌氧氨氧化菌生物载体，结合溶解氧控制与排泥控制，可以快速地建立部分亚硝化/厌氧氨氧化主流工艺自养生物脱氮系统；
3、本发明厌氧氨氧化菌富集培育装置与pn/a自养生物脱氮装置相互配合，当pn/a自养生物脱氮装置中出现nob抑制不佳时，通过互换载体提升pn/a反应器内的厌氧氨氧化活性，从而达到稳定、高效地全程自养生物脱氮效果。
附图说明
图1为本发明利用部分亚硝化-厌氧氨氧化工艺处理城市污水的装置的示意图。
图中：1为厌氧氨氧化菌富集培育装置，包括：1.1－配水池；1.2－药液桶；1.3－富集培育反应器；1.4－控制系统；1.5－补水泵；1.6－加药泵；1.7－进水泵；1.8－水浴夹套；1.9－热水循环泵；1.10－加热器；1.11－液位感应器；1.12－温度感应器。2为pn/a自养生物脱氮装置，包括：2.1－pn/a反应器；2.2－沉淀池；2.3－鼓风机；2.4－进水泵；2.5－污泥回流泵；2.6－排泥泵。
具体实施方式
下面结合附图阐述本发明的具体实施方式：
一种利用部分亚硝化-厌氧氨氧化工艺处理城市污水的装置，由厌氧氨氧化菌富集培育装置和连续流pn/a自养生物脱氮装置组成。在厌氧氨氧化菌富集培育装置中就地取材，利用城市污水处理厂出水富集培育具有厌氧氨氧化活性的载体生物膜；在pn/a自养生物脱氮装置中首先接种普通硝化污泥，通过适当的控制策略逐步提升aob活性后，再将富集培育装置中具有较高活性的厌氧氨氧化载体生物膜投入pn/a生物脱氮装置内，通过“先泥后膜”的启动方式快速建立稳定的部分亚硝化/厌氧氨氧化自养生物脱氮系统。
一、厌氧氨氧化菌富集培育装置(1)包括配水箱(1.1)、药液桶(1.2)、富集培育反应器(1.3)和控制系统。配水箱(1.1)通过补水泵(1.5)及管道与污水处理厂出水池连接且通过进水泵(1.7)与富集培育反应器(1.3)进口连接，药液桶(1.2)通过加药泵(1.6)与配水箱(1.1)连接。所述富集培育反应器(1.3)按水流方向分为两个格室串联连接，两个格室中都加入生物载体，通过机械搅拌器保持载体的流化，富集培育反应器出口处设置多孔筛板以截流生物载体，富集培育反应器(1.3)外设水浴夹套(1.8)，其进出口与热水循环泵(1.9)及加热器(1.10)连接。
上述富集培育反应器两个串联的格室内分别加入轻质塑料生物载体作为厌氧氨氧化菌附着生长的载体，并接种实验室培育的厌氧氨氧化菌种或直接接种城市污水处理厂普通污泥。靠近进水口的第一格室处于相对高负荷状态，厌氧氨氧化菌生长速率更快。当第一格室内载体被取用后，将第二格室载体移入第一格室，同时在第二格室加入新鲜载体，便于连续性培育。
上述控制系统与补水泵、加药泵、液位感应器、温度控制器、进水泵和加热器连接。
控制系统中具有三个功能：1)配水功能，当配水箱液位低于预设最低值时，启动配水程序：开启补水泵抽取污水处理厂出水，同时开启加药泵，加药浓度通过设定自控程序中加药泵的运行时间进行控制；当配水箱液位值达到预设最高液位时停止补水泵。2)进水程序：配水结束后开启进水程序：启动进水泵，按设定流量向富集培育装置进水，当配水箱内液位达到预设最低值时，停止进水程序，转为配水程序。3)控温功能：根据反应器内温度感应器数值控制加热器，热水经由循环泵在水浴夹套内循环，保证反应器内温度稳定在32±2℃。
本发明采用城市污水处理厂出水(二级处理出水或深度处理出水)作为厌氧氨氧化菌富集培育装置的原水，原水进入配水箱并在其中补充投加氨氮与亚硝氮作为培养厌氧氨氧化菌的基质，不投加其他微量元素。氨氮与亚硝氮由药液桶内定期配制的氯化铵(或硫酸铵)和亚硝酸钠溶液提供。
二、连续流pn/a自养生物脱氮装置包括进水泵(2.4)、pn/a反应器(2.1)、沉淀池(2.2)、污泥回流泵(2.5)和排泥泵(2.6)。所述进水泵(2.4)抽取经过除碳前处理的城市污水。所述pn/a反应器(2.1)底部设曝气装置，其气管与鼓风机(2.3)连接，pn/a反应器(2.1)的进口与进水泵连接，pn/a反应器(2.1)的出口与沉淀池的进口连接。所述沉淀池(2.2)底部的排泥管分别与排泥泵(2.6)和污泥回流泵(2.5)相连，排泥管和污泥回流泵(2.5)相连的管道连接到进水泵和pn/a反应器(2.1)连接的管道上，所述进水泵(2.4)抽取经过除碳前处理的城市污水，与污泥回流泵(2.5)抽取的沉淀池(2.2)回流污泥混合，与pn/a反应器(2.1)的进口连接。
pn/a反应器中接种城市污水处理厂普通硝化污泥和厌氧氨氧化菌富集培育装置中的“成熟”生物载体。pn/a反应器的进水为经过有机物去除预处理的城市污水，进水中cod/tn比小于2.5-3。pn/a反应器中的好氧氨氧化菌(aob)将污水中的部分氨氮氧化为亚硝氮，附着于生物载体上的厌氧氨氧化菌利用亚硝氮氧化剩余的氨氮。通过调节曝气量，控制反应器内溶解氧稳定在0.10-0.25mg/l。调节排泥泵流量控制悬浮污泥的排泥量，控制泥龄为5-15天。
上述利用部分亚硝化-厌氧氨氧化工艺处理城市污水的装置所用的方法，通过以下步骤来实现：
a)在富集培育反应器(1.3)内加入轻质塑料生物载体(比表面积：500-1000m2/m3)，载体装填体积比为30-60％；接种实验室培育的厌氧氨氧化菌种或直接接种城市污水处理厂普通污泥；
b)在药液桶(1.2)内定期配制氯化铵(或硫酸铵)和亚硝酸钠溶液，在控制系统(1.4)配水程序中设定加药泵(1.6)的运行时间，控制富集培育反应器(1.3)的初始进水总氮负荷为50g/m3/d；
c)当富集培育反应器(1.3)出水氨氮浓度低于5mg/l时，开始以10-20％的比例逐步增加进水泵(1.7)流量或增加药液桶(1.2)内基质浓度以提高进水氮负荷，每次提升进水氮负荷后稳定运行直至总氮去除率达到80％以上后再次提升进水总氮负荷。
d)按照上述运行方式，富集培育反应器(1.3)约在90-120天后进水总氮负荷达到200-300g/m3/d以上，且总氮去除率维持在80％以上，厌氧氨氧化菌生物膜载体已培育成熟，可用于投加pn/a反应器(2.1)。
e)在pn/a反应器(2.1)内首先接种城市污水处理厂普通硝化污泥，接种污泥浓度为3000-4000mg/l。由进水泵(2.4)抽取经过前处理去除大部分cod的城市污水(cod/tn比例小于2.5-3)，控制pn/a反应器(2.1)的水力停留时间为3～6h；开启鼓风机(2.3)，控制pn/a反应器(2.1)内溶解氧不低于1.5～2.0mg/l。开启污泥回流泵(2.5)，控制污泥回流比80-100％；开启排泥泵(2.6)，控制泥龄为15-20天。
f)定时检测沉淀池(2.2)出水氨氮浓度，当出水氨氮低于2mg/l后，调节鼓风机(2.3)的转速频率和曝气管路上的阀门开启度，在3-5天内逐步降低曝气流量，控制溶解氧逐步下降至0.10-0.25mg/l。根据出水氨氮浓度动态调节排泥泵(2.5)流量，控制泥龄为5-15天，以维持沉淀池(2.2)出水氨氮浓度为5-8mg/l左右：当出水氨氮高于8mg/l时降低排泥量，当出水氨氮低于5mg/l时提高排泥量。
g)定时检测沉淀池(2.2)出水亚硝氮(no2--n)和硝氮(no3--n)浓度，计算亚硝氮积累率
h)定时检测pn/a反应器(2.1)的进、出水氨氮(nh4+-n)和硝氮(no3--n)浓度，计算去除单位氨氮产生的硝氮比例(δno3--n/δnh4+-n)：
下面结合具体地应用实施例对本发明的技术效果作进一步说明：
具体实施例一：采用天津经济技术开发区西区污水处理厂二级处理出水作为富集培育装置进水，在进水中投加氯化铵和亚硝酸钠，初始氨氮及亚硝氮浓度为20-30mg/l。富集培育装置有效容积600l，装载300l塑料载体，并接种实验室培育的10l厌氧氨氧化菌种污泥。按照步骤b、c、d所述，在120天后进水氨氮及亚硝氮浓度逐步增加至100-120mg/l，进水总氮为216.3±30.5mg/l，总氮去除率为82.3％，载体膜面氮去除速率达到1.56gn/m2/d。
具体实施例二：采用天津经济技术开发区北塘污水处理厂二级处理出水作为富集培育装置进水，在进水中投加氯化铵和亚硝酸钠，初始氨氮及亚硝氮浓度为20-30mg/l。富集培育装置有效容积为1.6m3，装载700l塑料载体，并接种实施例一中所述西区污水处理厂富集培育装置中培育成熟的70l厌氧氨氧化菌载体。按照步骤b、c、d所述，在90天后进水总氮增加为417.5±29.0mg/l，总氮去除率为81.8％，载体膜面氮去除速率达到2.00gn/m2/d。
试验pn/a反应器有效容积为160l，试验进水采用北塘污水处理厂曝气沉砂池出水并经过前端碳分离预处理，进水cod浓度为50-120mg/l，nh4+-n浓度为23-33mg/l，tn浓度为32-43mg/l。接种污水处理厂脱水污泥并按照步骤e)驯化培养1个月后，按照步骤f、g)加入富集培育装置内培育成熟的厌氧氨氧化菌载体48l。试验结果表明，在稳定运行1个月后即可建立部分亚硝化/厌氧氨氧化主流工艺生物脱氮过程，出水cod浓度为20-30mg/l，nh4+-n浓度为0.2-2mg/l，tn浓度为8-12mg/l。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
技术特征：
1.一种利用部分亚硝化-厌氧氨氧化工艺处理城市污水的装置，其特征在于：由厌氧氨氧化菌富集培育装置和连续流pn/a自养生物脱氮装置组成；厌氧氨氧化菌富集培育装置包括配水箱、药液桶、富集培育反应器和控制系统，所述配水箱通过补水泵及管道与污水处理厂出水池连接且通过进水泵与富集培育反应器连接，所述药液桶通过加药泵与配水箱连接，所述富集培育反应器按水流方向由两个加入生物载体的格室串联连接组成，所述控制系统与补水泵、加药泵、液位感应器、温度控制器、进水泵和加热器连接；连续流pn/a自养生物脱氮装置包括进水泵、pn/a反应器、沉淀池、污泥回流泵和排泥泵；所述进水泵抽取经过除碳前处理的城市污水，所述pn/a反应器底部设曝气装置，其气管与鼓风机连接，pn/a反应器的进口与进水泵连接，pn/a反应器的出口与沉淀池的进口连接，所述沉淀池底部的排泥管分别与排泥泵和污泥回流泵相连，排泥管和污泥回流泵相连的管道连接到进水泵和pn/a反应器连接的管道上。
2.根据权利要求1所述的利用部分亚硝化-厌氧氨氧化工艺处理城市污水的装置，其特征在于：上述富集培育反应器两个格室中加入搅拌器。
3.根据权利要求1所述的利用部分亚硝化-厌氧氨氧化工艺处理城市污水的装置，其特征在于：上述富集培育反应器的出口处设置多孔筛板以截流生物载体。
4.根据权利要求1所述的利用部分亚硝化-厌氧氨氧化工艺处理城市污水的装置，其特征在于：上述富集培育反应器外设水浴夹套，其进出口与热水循环泵及加热器连接。
5.根据权利要求1所述的利用部分亚硝化-厌氧氨氧化工艺处理城市污水的装置，其特征在于：上述生物载体采用轻质塑料生物载体，其比表面积为：500-1000m2/m3。
6.根据权利要求1所述的利用部分亚硝化-厌氧氨氧化工艺处理城市污水的装置，其特征在于：上述配水箱内设置液位感应器。
7.根据权利要求1所述的利用部分亚硝化-厌氧氨氧化工艺处理城市污水的装置，其特征在于：上述富集培育反应器内设置温度感应器。
8.根据权利要求1所述的利用部分亚硝化-厌氧氨氧化工艺处理城市污水的装置，其特征在于：上述pn/a反应器的出口设置多孔筛板以拦截生物载体，并与沉淀池连接。
9.一种根据权利要求1所述的利用部分亚硝化-厌氧氨氧化工艺处理城市污水的装置所用的方法，包括如下步骤：
①富集培育厌氧氨氧菌载体生物膜：在富集培育反应器内加入轻质塑料生物载体，接种厌氧氨氧化菌种或城市污水处理厂普通污泥；在药液桶内配制氯化铵或硫酸铵和亚硝酸钠溶液，设定加药泵运行时间，控制富集培育反应器的初始进水总氮负荷为50g/m3/d；当富集培育反应器(1.3)出水氨氮浓度低于5mg/l时，以10-20％的比例逐步增加进水氮负荷，每次提升进水氮负荷后稳定运行直至总氮去除率达到80％以上后再次提升进水总氮负荷；当进水总氮负荷达到200-300g/m3/d以上，且总氮去除率维持在80％以上时，厌氧氨氧化菌生物膜载体培育成熟，可用于投加pn/a反应器；
②在pn/a反应器(2.1)内先接种城市污水处理厂普通硝化污泥，接种污泥浓度为3000-4000mg/l，进水由进水泵抽取经过前处理去除大部分cod的城市污水且控制pn/a反应器的水力停留时间为3～6h，开启鼓风机进行曝气，控制溶解氧不低于1.5～2.0mg/l，开启污泥回流泵，控制污泥回流比80-100％，开启排泥泵，控制泥龄15-20天；
③定时检测沉淀池出水氨氮浓度：当pn/a反应器出水氨氮低于2mg/l后，调节鼓风机和曝气管阀门，控制溶解氧逐步下降至0.10-0.25mg/l，根据出水氨氮浓度动态调节排泥泵流量，控制泥龄为5-15天，以维持沉淀池出水氨氮浓度为5-8mg/l，当出水氨氮高于8mg/l时降低排泥量，当出水氨氮低于5mg/l时提高排泥量；
④定时检测沉淀池出水亚硝氮no2--n和硝氮no3--n浓度，计算亚硝氮积累率
⑤定时检测pn/a反应器的进、出水氨氮nh4+-n和硝氮no3--n浓度，计算去除单位氨氮产生的硝氮比例δno3--n/δnh4+-n：
技术总结
一种利用部分亚硝化‑厌氧氨氧化工艺处理城市污水的装置，由厌氧氨氧化菌富集培育装置和连续流PN/A自养生物脱氮装置组成。厌氧氨氧化菌富集培育装置包括配水箱、药液桶、富集培育反应器和控制系统，连续流PN/A自养生物脱氮装置包括进水泵、PN/A反应器、沉淀池、污泥回流泵和排泥泵，进水泵抽取经过除碳前处理的城市污水，PN/A反应器底部设曝气装置，其气管与鼓风机连接，PN/A反应器的进口与进水泵连接，PN/A反应器的出口与沉淀池的进口连接，所述沉淀池底部的排泥管分别与排泥泵和污泥回流泵相连，排泥管和污泥回流泵相连的管道连接到进水泵和PN/A反应器连接的管道上。该装置启动速度块、出水硝酸盐浓度低、运行稳定，适用于城市污水生物脱氮。
技术研发人员：陶润先;吴凡松;郑兴灿;郭兴芳;李劢
受保护的技术使用者：中国市政工程华北设计研究总院有限公司
技术研发日：.11.22
技术公布日：.02.11
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