本发明涉及生物技术处理污水领域，更具体地说，特别涉及一种污泥分段回流强化厌氧氨氧化脱氮工艺的装置及方法。
背景技术：
氮污染物的去除是城市污水和工业废水处理关键问题。我国城市污水和工业废水有机物含量偏低，采用传统的硝化反硝化脱氮工艺，出水总氮难以实现达标排放。近年来，为缓解我国日益严重的水体富营养化现象，城市污水和工业废水处理厂的总氮排放标准更加严格，因此传统生物脱氮工艺处理效率低、曝气能耗高的缺点更加明显。在传统生物脱氮的升级和替代技术中，厌氧氨氧化脱氮技术是最具前景的发展方向之一。厌氧氨氧化技术是一种新型的生物脱氮技术，脱氮效率高，曝气能耗低。该脱氮工艺以厌氧氨氧化菌独特的生理代谢途径为基础，脱氮过程不需要有机物参与，因此脱氮效果不受进水有机物不足的影响；更重要的是，该部分有机物可以作为能源回收，从而可提高城市污水和工业废水处理厂能量自给率。
虽然城市污水和工业废水厌氧氨氧化脱氮工艺具取得了较明显的经济效益和环境效益，但是在目前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。根据厌氧氨氧化菌的代谢机制，在氧化氨氮和亚硝酸盐生成氮气的过程中，一部分亚硝酸盐被氧化成硝酸盐，为厌氧氨氧化的同化作用提供还原力。因此，在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。
厌氧氨氧化的稳定运行依赖于微生物群落协同作用。系统中功能菌的流失或竞争性微生物的增长，均会导致脱氮性能下降。系统内竞争性微生物增长导致脱氮性能下降的问题仍未有效解决，尤其是系统内亚硝态氮氧化菌(nob)的增长，会导致出水硝态氮增加。在世界范围内的厌氧氨氧化工程中，30％的系统出现过出水硝态氮浓度增加的情况，而且系统失稳后缺乏有效的调控策略降低出水中硝态氮，系统不稳定状态常持续数月时间。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。
技术实现要素：
(1)技术问题
因此，如何解决污水处理总氮去除率由于出水硝酸盐积累，难以进一步提高的问题，成了本领域技术人员亟待解决的问题。
(2)技术方案
针对上述问题，本发明提供一种污泥分段回流强化厌氧氨氧化脱氮工艺的装置及方法。
污泥分段回流强化厌氧氨氧化脱氮工艺的装置，是包含有储存原水箱、进水泵、生化反应器、沉淀池的连续流反应器，所述连续流反应器连接有plc控制器。
所述原水箱设有放空管和溢流管。所述原水箱的放空管设有自控阀门。所述原水箱通过进水泵与所述生化反应器的进水管相连通。
所述生化反应器包含有为厌氧区、好氧区和缺氧区。所述厌氧区设有调速搅拌器，所述厌氧区连接有进水管。所述缺氧区设有调速搅拌器，所述好氧区设有生物填料、膜片曝气头、气量调节阀、鼓风机、气体流量计、止回阀；所述鼓风机通过气体流量计和气量调节阀与膜片曝气头相连接。所述沉淀池设置有污泥回流管、上清液排放管、出水管路。所述出水管路位于沉淀池的中上方。所述沉淀池通过污泥回流管分别与厌氧区和缺氧区相连通，污泥回流管同时设由两个污泥泵以及一个排泥阀。
所述厌氧区的调速搅拌器和缺氧区的调速搅拌器、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；在所述生化反应器的厌氧区和缺氧区分别设有在线污泥浓度计，所述好氧区设有在线溶解氧浓度计、在线氨氮浓度计，所述缺氧区设有在线硝酸盐浓度计，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，最终输入到与plc控制器相连接的计算机。计算机运行模拟后的指令通过plc控制器分别与缺氧区污泥回流泵、厌氧区污泥回流泵、鼓风机相连，对污泥回流量和曝气量分别进行控制。
所述plc控制器采用siemens200，所述plc控制器与所述自控阀门、自控开关、排水阀、排泥阀、气量调节阀、气体流量计、在线溶解氧浓度计、在线氨氮浓度计、在线硝酸盐浓度计、在线污泥浓度计相连接。所述plc控制器还与计算机连接。
城市污水原水箱通过进水泵与生化反应器的进水管相连通，污水通过进水管依次经过顺序连接的厌氧区、好氧区、缺氧区和沉淀池。沉淀池经过泥水分离后，上清液作为出水排放。
一种污泥分段回流强化厌氧氨氧化脱氮工艺的方法，是污水依次流经厌氧区、好氧区、缺氧区和沉淀池。在厌氧区内，活性污泥吸附降解进水中的有机物合成内碳源。在好氧区内通过控制溶解氧，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。
利用上述污泥分段回流强化厌氧氨氧化脱氮工艺的装置进行污水处理的方法，具有以下步骤：
第一步，接种污泥。生化反应器按照体积比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，使得絮体污泥浓度在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好氧区，填料体积占好氧区体积的20％。
第二步，反应器启动。开启进水泵，将污水从原水箱引至厌氧区；厌氧区的搅拌器开启，促进泥水混合，强化传质；混合液随后进入到好氧区，鼓风机开启，同时调整曝气管路的阀门进行低氧曝气，控制反应器好氧区内的溶解氧在0.1-0.3mg/l；混合液进入到缺氧区，缺氧区的搅拌器开启，促进泥水混合；随后混合液进入到沉淀池，活性污泥混合液在沉淀池进行泥水分离，上清液溢流出水作为最终出水，沉淀池底部浓缩污泥通过污泥回流泵分别回流至厌氧区和缺氧区，污泥回流比分别为50％和100％。
第三步，反应器稳定运行。通过系统内的在线监测设备的数据，判断系统的运行情况，同时调整曝气量、污泥回流量及排泥量。当好氧区的溶解氧浓度高于0.3mg/l时或氨氮浓度低于5mg/l时，降低鼓风机的曝气量；当好氧区的溶解氧度浓度低于0.1mg/l时或氨氮浓度高于8mg/l，提高鼓风机的曝气量。当缺氧区的硝酸盐浓度高于5mg/l时，提高向缺氧区的污泥回流比例。当厌氧区的污泥浓度高于5g/l时，开启排泥阀门，排出剩余污泥，降低系统污泥浓度至4.5mg/l。
(3)有益效果
本发明的有益效果是：①本发明设有前置厌氧区，在厌氧区回流污泥与原水充分混合，吸附进水中的有机物，并且储存为内碳源。进水中有机物在厌氧区迅速下降，使得异养菌在好氧区的增殖受限，降低了对厌氧氨氧化等自养微生物的影响，提高了系统抗有机物冲击负荷的能力；另一方面好氧区中的微生物可以利用污泥内碳源实现短程反硝化，并与厌氧氨氧化反应耦合，实现系统总氮去除率的进一步提高。
②本发明后置缺氧区的设置具有多方面作用。首先后置缺氧区，为短程反硝化与厌氧氨氧化的耦合提供了一个适宜的条件，系统中的硝酸盐在缺氧条件下被还原为亚硝酸盐，亚硝酸盐与氨氮进一步通过厌氧氨氧化途径去除，降低总氮。由于缺氧区可以进一步降低氨氮，可以将好氧区的氨氮浓度保持在5-8mg/l以上，而好氧区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。
③基于内碳源的后置反硝化与厌氧氨氧化耦合反应速率偏低，主要是受内碳源浓度和反应时间的限制。针对该问题本发明设置了污泥分段回流，部分污泥正常回流至厌氧区，保持反应器的活性污泥浓度；同时部分污泥直接回流至缺氧区，污泥单独回流至缺氧区，一方面提高缺氧区的污泥浓度，强化污泥内碳源反硝化；另一方面增加污泥在缺氧区和沉淀池的停留时间，促进污泥发酵，强化内碳源的利用。总之，后置缺氧区与污泥分段回流的应用，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，降低整体工艺的运行费用。
综上，本发明应用了厌氧氨氧化生物脱氮技术，与现有常规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，通过设前置厌氧区和后置缺氧区，结合污泥分段回流，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。本发明适用于城市污水和工业废水的处理；抗进水的冲击负荷能力强，总氮去除效率高，系统控制灵活。
附图说明
图1为本发明污泥分段回流强化厌氧氨氧化生物脱氮工艺的装置整体结构示意图。
图中：1是原水箱；1.1是放空管；1.2是溢流管；2是进水泵；3是厌氧区；3.1是搅拌器，4是好氧区；4.1是固定填料；4.2是曝气调节阀；4.3是气体流量计；4.4是止回阀；4.5是膜片式曝气头；5是缺氧区；5.1是搅拌器，6是沉淀池；7是出水管路；8是缺氧区污泥回流泵；9是厌氧区污泥回流泵；10是排泥阀门；11是鼓风机；12是污泥浓度计；13是在线氨氮浓度计；14是在线溶解氧浓度计；15是污泥浓度计；16是在线硝酸盐浓度计；17是过程控制器；18是计算机。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“顶部”、“底部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
如图1所示，污泥分段回流强化厌氧氨氧化脱氮工艺的装置，由原水箱1、进水泵2、生化反应器、沉淀池6和plc控制器17组成，所述生化反应器包含有厌氧区3、好氧区4和缺氧区5。
在实施例中，所述原水箱1设置为500l，所述生化反应器为有机玻璃材质的连续流反应器，有效容积为210l，其中所述厌氧区3、所述好氧区4和所述缺氧区5的体积分别为30l，120l和60l。所述厌氧区3设置有调速搅拌器3.1，所述缺氧区5设置有调速搅拌器5.1。所述好氧区4设有生物填料4.1、膜片曝气头4.5、气量调节阀4.2、鼓风机11、气体流量计4.3、止回阀4.4。所述鼓风机11通过气体流量计4.3和气量调节阀4.2与膜片曝气头4.5相连接。所述沉淀池6通过污泥回流管分别与厌氧区3和缺氧区5相连通，污泥回流管同时设污泥泵8和9以及排泥阀10。在所述厌氧区3和所述缺氧区5安装的调速搅拌器3.1和5.1进行连续搅拌，保证污泥混合，强化传质作用。所述好氧区4通过鼓风机11提供曝气，曝气头采用膜片式曝气头4.5。为反应器之间的反混，各个反应器通过隔板分离，隔板上的合适位置设连通管。沉淀池底部的污泥可以通过污泥回流泵8和9分别回流至厌氧区3和缺氧区5，也可以通过排泥阀10进行剩余污泥排放。
在所述厌氧区3安装在线污泥浓度计12，在所述好氧区4安装在线污泥浓度计15，在所述好氧区4的末端安装在线溶解氧浓度计14和在线氨氮浓度计13，所述缺氧区同时安装在线硝酸盐浓度计16，各个在线浓度计采集的数据通过连接线与过程控制器17连接，并最终输入到与过程控制器相连接的计算机18。计算机18运行模拟后的指令通过过程控制器17分别与缺氧区污泥回流泵8，厌氧区污泥回流泵9，鼓风机11相连。对污泥回流量和曝气量分别进行控制。
本实施例使用的污泥脱水液取自北京市某污水处理厂初沉池出水，经过强化预处理后，其典型的氨氮浓度值在50-60mg/l，碱度约为200mg/l(以caco3计)，利用本发明提供的污泥分段回流强化厌氧氨氧化脱氮工艺的装置进行污水处理，操作方法步骤如下：
第一步，接种污泥。生化反应器按照体积比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，使得絮体污泥浓度在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好氧区，固定填料4.1体积占好氧区体积的20％。
第二步，启动阶段。开启进水泵2，将污水从所述原水箱1引至所述厌氧区3；厌氧区的调速搅拌器3.1开启，促进泥水混合，强化传质；混合液随后进入到所述好氧区4，所述鼓风机11开启，同时调整曝气管路的气量调节阀4.2进行曝气，结合所述在线溶解氧浓度计14控制所述好氧区内的溶解氧在0.1-0.3mg/l；混合液进入到所述缺氧区5，缺氧区的调速搅拌器5.1开启，促进泥水混合；随后混合液进入到所述沉淀池6，活性污泥混合液在沉淀池进行泥水分离，上清液溢流出水进入出水管路7，沉淀池底部浓缩污泥通过污泥回流泵8和9分别回流至缺氧区和厌氧区，污泥回流比分别为50％和100％。按照从低负荷到正常负荷梯度增加的运行方式逐渐提高进水流量，以进行污泥驯化，当在线氨氮浓度计设置稳定在5-8mg/l，在线硝酸盐浓度计数值稳定低于10mg/l时，确认其启动结束进入平稳运行阶段。
第三步，反应器稳定运行运行。所述生化反应器成功启动后，进入稳定运行时期。反应器初始的水力停留时间设为10h，厌氧区污泥回流比为50％，好氧区污泥回流比100％。开启控制回路对整个反应流程进行优化控制。通过plc控制器的预设程序，监测该装置的在线数据，判断该装置的运行情况，同时调整曝气量、污泥回流量及排泥量。当好氧区的溶解氧浓度高于0.3mg/l时或氨氮浓度低于5mg/l时，降低鼓风机的曝气量；当好氧区的溶解氧度浓度低于0.1mg/l时或氨氮浓度高于8mg/l，提高鼓风机的曝气量。当缺氧区的硝酸盐浓度高于5mg/l时，提高向缺氧区的污泥回流比例。当厌氧区的污泥浓度高于5g/l时，开启排泥阀门10，排出剩余污泥，降低系统污泥浓度至4.5mg/l。同时根据输入的溶解氧浓度、氨氮浓度和硝酸盐浓度，作为模糊控制器的输入变量，输入的双变量经模糊化处理，对进水泵2的流量进行控制。
连续的试验结果表明以北京某城市污水处理厂初沉池出水为处理对象，该系统表现良好的总氮去除效果，出水的氨氮和总氮可以稳定达到一级a排放标准。
本发明不局限于上述实施方式，任何人在本发明的启示下都可以得出其他各种形式的产品。凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属于本发明的涵盖范围。