申请日2014.03.14
公开(公告)日2016.01.27
IPC分类号C02F3/02
摘要
本发明涉及一种反应器和控制方法，所述反应器和控制方法通过保持所述反应器内NH4和NOx浓度大约相等来控制瞬态缺氧和好氧的固体停留时间(SRT),亚硝酸氧化细菌(NOB)的抑制以及溶解氧(DO)浓度或曝气间隔来最大化脱氮以及最小化曝气需求。通过硝化作用，有限的亚硝化作用，亚硝化作用，反硝化作用，有限的反硝化作用提供最大化脱总无机氮可能性的控制，上述作用利用1)实时检测氨，亚硝酸盐和硝酸盐;2)可操作的所述溶解氧(DO)和所述溶解氧(DO)的设定点;以及3)在较宽范围内的反应器配置和操作条件下适当实施瞬态缺氧。
权利要求书
1.将氮从反应器脱除的系统，所述反应器适用于从废水中生物脱氮，所述系统包括：
a)反应器;
b)氨传感器，所述氨传感器实时检测所述反应器内的氨浓度并且生成氨浓度信号;
c)亚硝酸盐传感器，所述亚硝酸盐传感器实时检测所述反应器内的亚硝酸盐浓度并且生成亚硝酸盐浓度信号;
d)硝酸盐传感器，所述亚硝酸盐传感器实时检测所述反应器内的硝酸盐浓度并且生成硝酸盐浓度信号;
e)控制器，所述控制器接收所述氨浓度信号、所述亚硝酸盐浓度信号以及所述硝酸盐浓度信号并且根据[所述氨浓度]与[所述亚硝酸盐浓度和所述硝酸盐浓度总和]的比例生成升高，降低或维持所述反应器内溶解氧浓度的指令;以及
f)溶解氧调制器，所述溶解氧调制器在所述控制器的控制下根据[所述氨浓度]与[所述亚硝酸盐浓度和所述硝酸盐浓度总和]的比例向所述反应器提供溶解氧。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，如果[所述氨浓度]与[所述亚硝酸盐浓度和所述硝酸盐浓度总和]的比例大于1，所述控制器生成用于升高所述溶解氧浓度的指令。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，如果[所述氨浓度]与[所述亚硝酸盐浓度和所述硝酸盐浓度总和]的比例小于1，所述控制器生成用于降低所述溶解氧浓度的指令。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，如果[所述氨浓度]与[所述亚硝酸盐浓度和所述硝酸盐浓度总和]的比例等于1，所述控制器生成用于维持所述溶解氧浓度的指令。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制器生成用于升高、降低或维持所述溶解氧浓度的指令以维持[所述亚硝酸盐浓度和所述硝酸盐浓度总和]与[氨浓度]的比例在从约1.18到约1.45之间。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述控制器生成用于升高、降低或维持所述溶解氧浓度的指令用以维持[所述亚硝酸盐浓度和所述硝酸盐浓度总]和与[氨浓度]的比例等于约1.32。
7.用于将氮从反应器脱除的系统，所述反应器适用于从废水的生物脱氮，所述系统包括：
a)反应器;
b)氨传感器，所述氨传感器实时检测所述反应器内的氨浓度并且生成氨浓度信号;
c)亚硝酸盐传感器，所述亚硝酸盐传感器实时检测所述反应器内的亚硝酸盐浓度并且生成亚硝酸盐浓度信号;
d)硝酸盐传感器，所述硝酸盐传感器实时检测所述反应器内的硝酸盐浓度并且生成硝酸盐浓度信号;
e)控制器，所述控制器接收所述氨浓度信号、所述亚硝酸盐浓度信号以及所述硝酸盐浓度信号并且根据[所述氨浓度]与[所述亚硝酸盐浓度和所述硝酸盐浓度总和]的比例生成用于升高，降低或维持所述反应器内好氧期和缺氧期持续时间的指令;以及
f)溶解氧调制器，所述溶解氧调制器向所述反应器提供所述溶解氧以控制好氧期和缺氧期的持续时间，其中所述溶解氧调制器在所述控制器的控制下并且根据[所述氨浓度]与[所述亚硝酸盐浓度和所述硝酸盐浓度总和]的所述比例控制所述好氧期和缺氧期的持续时间。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，如果[所述氨浓度]与[所述亚硝酸盐浓度和所述硝酸盐浓度总和]的比例大于1，所述控制器生成用于增加所述好氧期持续时间和/或降低所述缺氧期持续时间的指令。
9.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，如果[所述氨浓度]与[所述亚硝酸盐浓度和所述硝酸盐浓度总和]的比例小于1，所述控制器生成用于降低所述好氧期持续时间和/或增加所述缺氧期持续时间的指令。
10.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，如果[所述氨浓度]与[所述亚硝酸盐浓度和所述硝酸盐浓度总和]的比例等于1，所述控制器生成用于维持所述好氧期持续时间和/或所述缺氧期持续时间的指令。
11.用于在反应器内从废水中脱氮的方法，其包括：
a.将一部分的进水氨负荷氧化以生成亚硝酸盐和硝酸盐，其中提供足够的仅氧化一部分所述进水氨的曝气量进行所述氧化，在所述反应器中含有充分量的化学需氧量(COD)，所述化学需氧量随后将减少氧化态氮的种类;
b.实时检测所述反应器内的氨浓度，亚硝酸盐浓度和硝酸盐浓度;以及
c.根据[所述氨浓度]与[所述亚硝酸盐浓度和所述硝酸盐浓度总和]的比例控制提供给所述反应器的溶解氧浓度和/或所述反应器中出现的曝气频率。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，如果[所述氨浓度]与[所述亚硝酸盐浓度和所述硝酸盐浓度总和]的比例小大于1，提供给所述反应器的所述溶解氧浓度和/或所述反应器中出现的曝气频率增大。
13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，如果[所述氨浓度]与[所述亚硝酸盐浓度和所述硝酸盐浓度总和]的比例小于1，提供给所述反应器的所述溶解氧浓度和/或所述反应器中出现的曝气频率减小。
14.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，如果[所述氨浓度]与[所述亚硝酸盐浓度和所述硝酸盐浓度总和]的比例小等于1，提供给所述反应器的所述溶解氧浓度和/或所述反应器中出现的曝气频率保持不变。
15.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，还包括在所述反应器中控制有限的好氧淤渣保留时间，其中根据[所述氨浓度]与[所述亚硝酸盐浓度和所述硝酸盐浓度总和]的比例控制所述有限的好氧淤渣保留时间。
16.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，还包括控制缺氧期的延长和/或体积，其中根据[所述氨浓度]与[所述亚硝酸盐浓度和所述硝酸盐浓度总和]的比例来控制缺氧期的延长和/或体积。
17.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，还包括通过维持混合液固体(MLSS)的浓度高于2g/L或通过在生物膜系统中维持生物质数量提高耗氧速率(OUR)以促进多个从好氧条件到缺氧条件的快速转换。
18.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，使用曝气控制系统来控制好氧条件到缺氧条件之间的转换频率。
19.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述反应器为序批式反应器或完全混合反应器。
20.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法为氧化沟工艺或活塞流工艺。
21.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，还包括悬浮生长工艺，粒度工艺，生物膜工艺中的至少一个或其组合。
22.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，还包括分离步骤，所述分离步骤使用沉淀槽，溶解空气浮选设备，过滤器或隔膜。
23.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，还包括向所述反应器供给最小质量流量的有机碳用以促进多个从好氧状态到缺氧状态的快速转换并且向亚硝酸盐提供额外竞争用以提高对亚硝酸氧化细菌(NOB)的抑制。
24.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，还包括向所述反应器供给厌氧氨氧化微生物用来向亚硝酸盐提供额外竞争用以提高对亚硝酸氧化细菌的抑制。
25.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，装置配置为提供亚硝酸盐氧化细菌抑制的条件和以氮为基础含有大约相等比例的氨和亚硝酸盐的污水水流的产物，这样可以在完全缺氧悬浮工艺或生物膜工艺中或选择性的保留厌氧氨氧化中使用厌氧氨氧化完成进一步的脱氮。
26.根据权利要求25所述的装置，其特征在于，所述的装置配置为提供含有氨、亚硝酸盐以及硝酸盐混合物的污水水流的条件，这样在完全缺氧悬浮工艺或生物膜工艺中使用厌氧氨氧化可以完成进一步的脱氮，从而加入醋酸盐或醋酸或其他有机盐完成脱硝(硝酸盐还原为亚硝酸盐)和随后在所提供的氨和由脱硝产生的亚硝酸盐上的厌氧氨氧化生长。
27.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，还包括一下步骤：提供亚硝酸盐氧化细菌抑制的条件和以氮为基础含有大约相等比例的氨和亚硝酸盐的污水水流的产物，这样可以在完全缺氧悬浮工艺或生物膜工艺中或选择性的保留厌氧氨氧化中使用厌氧氨氧化完成进一步的脱氮。
28.根据权利要求27所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：提供含有氨，亚硝酸盐以及硝酸盐混合物的污水水流的条件，这样可以在完全缺氧悬浮工艺或生物膜工艺中使用厌氧氨氧化完成进一步的脱氮，从而加入醋酸盐或醋酸或其他有机盐完成脱硝(硝酸盐还原为亚硝酸盐)和随后在所述提供的氨和由脱硝产生的亚硝酸盐上的厌氧氨氧化生长。
说明书
用于从废水中最大化脱氮的方法和装置
本非临时申请要求享有于2013年3月14号提交的号为No.61/783232 的美国临时申请的权益。号为No.61/783232的美国临时申请的全文由此通过引用并入此文。
和常规系统相比，人们非常希望在单个水槽中发生同步硝化和反硝化作用(SND)，因为人们不需要分开的水槽和混合硝酸盐溶液的从好氧硝化区域到厌氧反硝化区域的循环。就像通过利用曝气时间对氧化还原电位(ORP) 以及氨pH值的控制(参见Guo等人,2009,其公开的全部内容明确地通过引用并入本文)(参见Peng等人，2004,其公开的全部内容明确地通过引用并入本文)所证明的，SND的优势通过利用亚硝酸盐分流途径进一步扩展。所述反应器微环境(由于缺乏混合和反应器设计的共同影响下，在所述反应器内形成的好氧和缺氧区域)以及絮凝微环境(在激活的沉淀絮凝物内形成的好氧和缺氧区域)已经被公设为同步硝化和反硝化作用SND的可能机制 (参见Daigger等人.2007,其公开的全部内容明确地通过引用并入本文)。人们很难在上述机制中加入控制策略以实现稳定的SND性能。有报道称SND 出现在分期闭合环路反应器(例如Orbal氧化沟)内部(参见Daigger和 Littenton,2002,其公开的全部内容明确地通过引用并入本文)，这种反应器通常拥有较长的水力停留时间(HRT)，固体停留时间(SRT)以及持续较低的溶解氧(DO)。
亚硝酸氧化细菌(NOB)的抑制是实行诸如硝化-反硝化作用(参见Ciudad 等人2005;GeeandKim,2004,Ju等人,2007,Yoo等人,1999,Yu等人,2000,Zeng 等人,2008,),亚硝酸-分流和部分亚硝化-厌氧氨氧化(参见Fux等人,2002,Hippen等人,1997,vanDongen等人,2001,Wett,2006,Wett,2007,Wett等人,2010,其公开的全部内容明确地通过引用并入本文)和反厌氧氨氧化作用的短程生物脱氮(ScBNR)工艺。和常规的硝化-反硝化作用相比，通过控制 NOB成功抑制亚硝酸氧化节省25%氧气和40%的有机碳(参见Turkand Marvinic,1986;AbelingandSeyfried,1992,其公开的全部内容明确地通过引用并入本文)。在反厌氧氨氧化工艺中，控制NOB在进一步还原所需要的曝气能量方面带来额外的益处，并且它能减少供电子体和固体处理的成本。附图1，附图2和附图3分别显示了通过常规硝化/反硝化作用，亚硝化/反亚硝化以及反厌氧氨氧化作用(部分亚硝化+厌氧氨氧化)的流程图。
考虑到为了满足日益严格的排污标准的高成本生物脱氮(BNR)，通过抑制NOB的ScBNR是一个热门话题。很多出版物已经论述了探究NOB抑制所做的努力，包括那些更具体的高温的使用(参见Hellinga等人,1998,其公开的全部内容明确地通过引用并入本文),自由氨高水平的抑制，或溶解的氧(DO)浓度(参见Blackburne等人,2008,其公开的全部内容明确地通过引用并入本文且并入)以及瞬态缺氧(参见KornarosandDokianakis,2010,其公开的全部内容明确地通过引用并入本文)。具体地，所有这些条件以各种方法部分或全部被使用，并且在处理诸如厌氧消化脱水溶液(经常处于高温) 和垃圾渗滤液的“高强度”(高自由氨)污水流的系统中成功控制了NOB。在诸如家庭污水的低强度污水流中控制NOB仍然是挑战也是本发明公开的主题。现行ScBNR工艺中抑制NOB的控制描述如下。
温度和氨：人们相信温度和自由氨是氨氧化细菌(AOB)相对于NOB 的优势所在。自从Anthonisen等人(1976)考虑到NOB自由氨(FA)抑制，就被之后的文献详细记录证明，Anthonisen等人(1976)的文献公开的全部内容明确地通过引用并入本文。但是，自从NOB适应被报道(参见Turkand Mavinic,1989;以及Wong-ChongandLoehr,1978,其公开的全部内容明确地通过引用并入本文),控制FA抑制以获得稳定的亚硝化作用的了解变得更加有限。进一步地，人们知道高温相对于NOB对AOB更加有利(参见Kim等人,2008,其公开的全部内容明确地通过引用并入本文)。
在更高温度下AOB相对于NOB的活性越大，总氨到自由氨的更多的分解以及导致的在更高温度下的NOB抑制，连同低DO操作(经常使用间歇曝气和通过管理好氧固体保留时间(SRT)进行)导致富集AOB和选择性地淘汰NOB。这些方法以各种方式描述(参见EP0826639Al,EP 0872451B1,US2010/0233777A1,US7846334B2,US6485646B1以及 WO2012/052443A1,公开的全部内容明确地通过引用并入本文)用以在“高强度”污水控制NOB。这些方法使用悬浮生长(参见WO2006/129132A1,其公开的全部内容明确地通过引用并入本文)，在支撑介质上的附着生长(参见US2011/0253625A1和EP0931786B1，其公开的全部内容明确地通过引用并入本文)或粒状淤渣反应器(参见Wett,2007;和US7486334B2,其公开的全部内容明确地通过引用并入本文)用以实现ScBNR。
尽管有效，但升温以增强AOB活性和NOB生长的控制在宽泛的温度范围内操作的低强度主流工艺中并不可行。因此，低强度污水中的NOB控制仍旧棘手并且需要对除温度或自由氨以外其他因素的仔细操控。
溶解氧：溶解氧(DO)在低强度污水中的NOB控制方面起着重要作用。人们已经在各种反应器配置中观察到利用低DO浓度的持续硝化作用(参见 Sliekers等人,2005,Wyffels等人,2004,和Blackburne等人,2008,其公开的全部内容明确地通过引用并入本文)。虽然所有这些报道缺乏根本机制的说明，但它们借助AOB相比于NOB的更高的氧亲和力的假设(参见Hanki等人,1990;Laanbroek和Gerards,1993;和Bernet等人,2001,其公开的全部内容明确地通过引用并入本文)来解释观察到的现象(参见Yoo等人,1999,Peng 等人,2007,Lemaire等人,2008,Gao等人,2009和Zeng等人,2009,其公开的全部内容明确地通过引用并入本文)。在Sin等人(2008)(其公开的全部内容明确地通过引用并入本文)的研究中，证明了AOB的氧亲和力比NOB的氧亲和力大并且低DO操作对AOB比NOB更有利的普遍观点。但是，也有研究报道相反的观点(参见Daebel等人2007,和Manser等人,2005,其公开的全部内容明确地通过引用并入本文)。
瞬态缺氧：使用瞬态缺氧已经成为成功抑制NOB的普遍方法(参见Li等人.,2012;Ling,2009,Pollice等人,2002,Zekker等人,2012,US7846334B2, EP1872451B1,和WO2006/129132A1,其公开的全部内容明确地通过引用并入本文)。瞬态缺氧允许以可测量的方法来控制好氧SRT并且为NOB引入滞后时间使其从缺氧环境到好氧环境过渡。Kornaros和Dokianakis(2010)，其公开的全部内容明确地通过引用并入本文，表明瞬态缺氧后，NOB复原和 NOB滞后适应出现延迟现象，由此证明了很多其他人观察到的瞬态缺氧的有用性(参见Allenman和Irvine,1980,Katsogiannis等人,2003,Sedlak,199,Selverstein和Schroeder,1983,Yang和Yang,2011,和Yoo 等人,1999,其公开的全部内容明确地通过引用并入本文)。虽然人们成功利用瞬态缺氧控制“高强度”污水中的NOB(参见Wett,2007;和US7486334B2, 其公开的全部内容明确地通过引用并入本文)并且显示出在低强度污水中使用的能力(参见Peng等人,2004,其公开的全部内容明确地通过引用并入本文)，但是控制和瞬态缺氧相关的特征的能力仍就是一个谜。总之，在低强度污水中控制NOB抑制的策略，也是新兴ScBNR技术的基础，变化范围很广，需要更加有效地控制策略。
发明内容
据此，本公开提供用于从生物脱氮的反应器内的污水中脱氮的一种系统和方法，其中根据实时测得的[氨浓度]与[亚硝酸盐和硝酸盐总和]的比例控制好氧-缺氧持续时间和/或反应器内溶解氧浓度。通常，控制所述需好-厌氧持续时间和/或反应器内溶解氧浓度以获得所述[氨浓度]与[亚硝酸盐和硝酸盐总和]大约为1的比例。可选择地，控制所述好氧-缺氧持续时间和/或反应器内溶解氧浓度以获得预先设定的所述[氨浓度]与[亚硝酸盐和硝酸盐总和]小于或大于1的比例。通过使用本公开的系统和方法，能够最大化完全脱氮，因为反硝化作用(取决于COD输入)和随后的氨氧化在AOB相比于NOB 更有利的同时，它们之间也相互取得平衡。
本公开的系统和方法能够用来获得对主流SND工艺合适的且可测量的控制，所述控制能够通过多个脱氮机制中的一个达到最大化TIN脱除，所述脱氮机制包括硝化-反硝化作用，亚硝化-反亚硝化作用(ScBNR)，产生适合通过在单独的下游反应器内的厌氧氨氧化作用改良的污水水流的部分亚硝化-反亚硝化作用以及有选择性保留厌氧氨氧化的单个水槽中进行的部分亚硝化-厌氧氨氧化作用。这些系统和方法使用各种控制策略，包括：1)实时检测氨，亚硝酸盐和硝酸盐，2)可操作的所述溶解氧(DO)以及根据反应器中测得的氨浓度与亚硝酸盐+硝酸盐浓度的比例合理使用受控制的所述溶解氧(DO)设定点，以及3)根据反应器中测得的氨浓度与亚硝酸盐+硝酸盐浓度的比例控制曝气频率;以及4)在较宽范围内的装置(反应器配置) 和操作条件下适当地实施瞬态缺氧。