申请日2013.09.13
公开(公告)日2015.12.23
IPC分类号C02F3/00; C02F3/28; C02F3/30
摘要
使用各种控制策略，使用一个或多个反应器和一种或多种控制方法来在废水处理中将氮脱除，以实现维持高的氨氧化菌(AOB)氧化速率的可测量的控制，同时实现选择出亚硝酸盐氧化菌(NOB)，所述控制策略包括：1)氨和氨设定值的使用;2)操作性的DO以及DO设定值的使用;3)厌氧氨氧化菌和更轻的絮体AOB部分的生物强化;4)在若干反应器配置和条件下实施瞬时缺氧，以便利用厌氧氨氧化菌或异养生物体脱除氮氧化物。通过瞬时缺氧和好氧SRT的控制、选择出NOB、以及通过保持反应器的氨(NH4)和氮氧化物(NOx)的浓度大致相等来控制DO浓度或曝气间隔，所述控制以最少的曝气将氮的脱除最大化。
权利要求书
1.废水处理装置，其包括：
生物脱除氮(BNR)的反应器，其具有被瞬时曝气的体积;
用于产生氨浓度信号的氨传感器;和
控制器，所述控制器用于处理所述氨浓度信号以及用于由此在受控的 瞬时缺氧条件下使得选择出亚硝酸盐氧化菌(NOB)，所述条件沿着流动 路径或者沿着处理时间线受控制;以及
其中所述装置配置成使得溶解氧(DO)的分布在小于0.1毫克/升的较 低DO设定值和大于1.0毫克/升的较高DO设定值之间切换;以及
其中曝气系统的激活间隔或所述较高DO设定值或两者都设定成，使 得对于在空间或时间上的高于75%的瞬时曝气反应器体积，在线测量的氨 浓度高于1.5毫克/升的以氮计的氨。
2.根据权利要求1所述的装置，所述装置还包括氮氧化物传感器， 所述氮氧化物传感器用于感测在所述反应器中的氮氧化物，并且用于产生 可为亚硝酸盐、硝酸盐或亚硝酸盐和硝酸盐的组合的浓度信号，以及其中 所述控制器处理所述氨和氮氧化物的浓度信号，并基于所述氨浓度和氮氧 化物的浓度控制在所述反应器中的DO浓度、好氧阶段的持续时间，和/ 或缺氧阶段的持续时间。
3.根据权利要求2所述的装置，其中所述控制器产生用于增加、降 低或维持所述DO浓度、好氧阶段的持续时间和/或缺氧阶段的持续时间的 指令，以维持(A)以氮计的从约0.5至1.5的氨浓度与氮氧化物浓度的比值， 或维持(B)以氮计的氨浓度加上氮氧化物浓度负值的从-3.0至1.0的总和。
4.根据权利要求1所述的装置，其中所述反应器具有被限制的好氧 污泥停留时间，用于通过缺氧阶段或体积的受控延展和通过控制污泥废弃 率而达到氨设定值，以在DO强度控制的情况下维持大于1毫克/升的DO， 或在好氧/缺氧的持续时间控制的情况下通过减少缺氧的持续时间来增加 好氧的持续时间。
5.根据权利要求1所述的装置，其中所述BNR反应器接收来自高氨 浓度反应器的氨氧化菌(AOB)的生物强化，所述高氨浓度的反应器具有 超过200毫克/升的以氮计的氨的反应器供给浓度，并且其中更小密度的、 更可压缩的或未附着的污泥部分从用于所述生物强化的高氨浓度的反应器 选择，并供给到所述BNR反应器，使得在所述高氨浓度反应器中所述生物 强化部分的停留时间小于10天。
6.根据权利要求2所述的装置，其中所述控制器基于所述氨浓度和 氮氧化物浓度的比值或总和产生用于增加、降低或维持所述在反应器中的 DO浓度、好氧阶段的持续时间、和/或缺氧阶段的持续时间的指令。
7.根据权利要求1所述的装置，所述装置还包括高氨浓度反应器， 所述高氨浓度反应器用于厌氧氨氧化生物体的生物强化，以给亚硝酸盐提 供微生物竞争体，用于选择出NOB。
8.根据权利要求1所述的装置，其中所述装置配置成维持氧吸收速 率，所述氧吸收速率允许以少于10分钟的时间从曝气状态迅速过渡到缺 氧，并且其中所述装置包括用于使得从缺氧迅速过渡到曝气条件的曝气设 备。
9.废水处理装置，其包括：
反应器;
传感器，所述传感器用于感测在所述反应器中的氮氧化物的浓度，并 且用于产生代表亚硝酸盐、硝酸盐或亚硝酸盐和硝酸盐的组合的浓度的氮 氧化物信号;和
控制器，所述控制器用于处理所述氮氧化物和氨浓度信号，并用于基 于所述氨浓度和氮氧化物的浓度的比值或总和来控制在所述反应器中的溶 解氧(DO)浓度、好氧阶段的持续时间、和/或缺氧阶段的持续时间，以 及
其中包含氨和亚硝酸盐的受控流出物被供给到缺氧反应器内，在所述 缺氧反应器内厌氧氨氧化菌选择性地生长和保留。
10.根据权利要求9所述的装置，其中流出物流包含氨、亚硝酸盐和 硝酸盐的混合物，使得利用厌氧氨氧化能够完成进一步的脱除氮，其中添 加有机或无机底物或底物的组合，通过厌氧氨氧化或其它微生物实现选择 性地将硝酸盐还原成亚硝酸盐以及随后通过厌氧氨氧化实现将亚硝酸盐和 氨脱除。
11.废水处理方法，所述方法包括：
提供生物脱除氮(BNR)的反应器，所述生物脱除氮(BNR)的反应 器被瞬时曝气;
利用氨传感器来产生氨浓度信号;
利用控制器来处理所述氨浓度信号以及来由此在受控的瞬时缺氧条 件下使得选择出亚硝酸盐氧化菌(NOB)，沿着流动路径或者沿着处理时 间线来控制所述条件;
使得溶解氧(DO)的分布在小于0.1毫克/升的较低DO设定值和大于 1.0毫克/升的较高DO设定值之间切换;以及
将曝气系统的激活间隔或所述较高DO设定值或两者设定成使得对于 在空间或时间上的高于75%的瞬时曝气反应器体积，在线测量的氨浓度高 于1.5毫克/升的以氮计的氨。
12.根据权利要求11所述的方法，所述方法还包括通过暴露于抑制剂、 氮代谢中间体或有毒的物质来减小观察到的NOB净生长速率。
13.根据权利要求11所述的方法，所述方法还包括使用生长因子来增 加氨氧化菌(AOB)和厌氧氨氧化菌的净生长速率。
14.根据权利要求11所述的方法，所述方法还包括利用氮氧化物传感 器来感测在所述反应器中的氮氧化物浓度，并且用于产生可为亚硝酸盐、 硝酸盐或亚硝酸盐和硝酸盐的组合的氮氧化物信号，以及其中所述控制器 处理氨和氮氧化物的浓度信号，并基于氨浓度和氮氧化物的浓度控制在所 述反应器中的DO浓度、好氧阶段的持续时间，和/或缺氧阶段的持续时间。
15.根据权利要求11所述的方法，所述方法还包括使得所述控制器产 生用于增加、降低或维持所述DO浓度、好氧阶段的持续时间和/或缺氧阶 段的持续时间的指令，以维持(A)以氮计的从约0.5至1.5的氨浓度与氮氧 化物浓度的比值，或维持(B)以氮计的氨浓度加上氮氧化物浓度负值的 从-3.0至1.0的总和。
16.根据权利要求11所述的方法，所述方法还包括限制所述反应器的 好氧污泥停留时间，以通过缺氧阶段或体积的受控延展和通过控制所述污 泥的废弃率而达到氨设定值，使得在DO强度控制的情况下维持大于1毫 克/升的DO，或在好氧/缺氧的持续时间控制的情况下通过减少缺氧的持续 时间来增加好氧的持续时间。
17.根据权利要求11所述的方法，所述方法还包括将来自高氨浓度的 反应器的氨氧化菌(AOB)供给到所述BNR反应器的步骤，所述高氨浓 度的反应器具有超过200毫克/升的以氮计的氨的反应器供给浓度，并且其 中更小密度的、更可压缩的或未附着的污泥部分从所述高氨浓度的反应器 选择，并供给到所述BNR反应器，使得在高氨浓度的反应器中所述部分的 停留时间小于10天。
18.根据权利要求11所述的方法，所述方法还包括以下的步骤：提供 用于厌氧氨氧化生物体的生物强化的高氨浓度的反应器、并且使用所述高 氨浓度的反应器来提供用于选择出NOB的针对亚硝酸盐的微生物竞争体。
19.根据权利要求11所述的方法，所述方法还包括使得所述控制器基 于氨浓度与氮氧化物浓度的比值或总和来产生用于增加、降低或维持所述 在反应器中的DO浓度、好氧阶段的持续时间和/或缺氧阶段的持续时间的 指令，其中包含氨和亚硝酸盐的受控流出物被供给到缺氧反应器中，在所 述缺氧反应器中厌氧氨氧化菌选择性地生长和保留。
20.根据权利要求19所述的方法，其中流出物流包含氨、亚硝酸盐 和硝酸盐的混合物，使得利用厌氧氨氧化可以完成进一步的脱除氮，其中 添加有机或无机底物或底物的组合以通过厌氧氨氧化或其它微生物实现选 择性地将硝酸盐还原成亚硝酸盐以及随后通过厌氧氨氧化将亚硝酸盐和氨 脱除。
说明书
用于在废水处理中脱除氮的方法和装置
相关申请的交叉引用
本申请要求于2012年9月13日提交的号为61/700,717的美国 临时申请、于2012年10月1日提交的号61/708,498的美国临时申 请和于2013年3月14日提交的号为61/783,232的美国临时申请的 权益。号为61/700,717，61/708,498和61/783,232的美国临时申请 通过引用并入本文。
背景技术
本公开通常涉及废水处理系统和方法。通常而言脱除氮是一项 处理任务，其在反应器体积、曝气能量和化学品用量方面需要最多 的资源。本公开的目标在于在脱除氮中的更加节约资源的代谢途径 -所谓的短程生物脱除氮。本公开的各个方面使得能够从废水中脱除 氮以便以减少的能量、化学品和成本生产高品质的流出物。
抑制亚硝酸盐氧化菌(NOB)是用于实施短程生物脱除氮 (ScBNR)工艺的先决条件，所述工艺诸如为亚硝化-反亚硝化 (nitritation-denitritation)(参见Ciudad等人，2005年;Gee和Kim， 2004年;Ju等人，2007年;Yoo等人，1999年;Yu等人，2000 年;Zeng等人，2008年);亚硝酸盐分流(nitrite-shunt)和部分亚 硝化-厌氧氨氧化(厌氧氨氧化(anammox))(参见FUX等人，2002 年;Hippen等人，1997年;VanDongen等人，2001年;Wett，2006 年;Wett，2007年;Wett等人，2010年);以及反氨化 (deammonification)。通过控制NOB而成功地抑制亚硝酸盐氧化相 比于传统的硝化-反硝化(参见Turk和Mavinic，1986年;Abeling 和Seyfried，1992年)节省25%的氧气和40%的有机碳。在反氨 化工艺中，NOB的控制产生在进一步降低所需的曝气能量、以及降 低电子供体和固体处理成本方面的额外益处。图1、图2和图3示 出用于分别通过传统的硝化/反硝化、亚硝化/反亚硝化和反氨化(部 分亚硝化+厌氧氨氧化)来脱除氮的流程图。
相比于传统系统，由于不需要单独的罐以及将混合的液体 (liquor)硝酸盐从好氧硝化区循环到厌氧反硝化区，因此特别希 望在单个罐内进行同步硝化和反硝化(SND)。SND的益处通过利 用亚硝酸盐分流路径而进一步扩展，如通过使用曝气持续时间的控 制所证实的那样，所述控制利用氧化还原电位(ORP)(参见Guo 等人，2009年)和氨pH曲线(参见Peng等人，2004年)。反应器 微环境(由于较差的混合和反应器设计的组合在反应器内形成的好 氧和缺氧区)和絮体微环境(在活性污泥絮体内形成的好氧和缺氧 区域)已被假定为适于SND的可能机制(参见Daigger等人，2007 年)。但是难于将控制策略并入到上述机制中以实现稳定的SND性 能。据报道在分段的闭环反应器(诸如氧化沟，Orbal)内发生SND (参见Daigger和Littenton，2000年)，其通常采用较长的水力停 留时间(HRT)、固体停留时间(SRT)、和连续的低溶解的氧(DO)。
鉴于为了满足日益严格的排放标准的高成本的生物营养物去 除(BNR)，通过抑制NOB进行的ScBNR是令人感兴趣的主题。 在许多出版物中论述了为了了解NOB抑制的尝试，其中包括更具 体使用高温(参见Hellinga等人，1998年，其公开内容以其整体明 确地通过引用并入本文)、高含量游离氨抑制(inhibition)或DO浓 度(参见Blackburne等人，2008年)和瞬时缺氧(参见Kornaros 和Dokianakis，2010年)的那些。具体地，在各种方法中所有的这 些条件部分地或作为整体使用，在处理高氨浓度废物流的系统中成 功地控制NOB，高氨浓度废物流诸如为厌氧消化池脱水液体(也通 常在高温下)和填埋场渗滤液。高氨浓度的废物流在此限定为具有 流入的进料，所述流入的进料具有大于200毫克/升的以氮计的氨浓 度。在低浓度的废物流(诸如生活废水)中控制NOB抑制仍然是 一项挑战，并且是本公开的主题。下文描述在ScBNR工艺中目前 用于抑制NOB的控制。
温度和氨：温度和游离氨两者是据信给氨氧化细菌(AOB)提 供优于NOB的优势的特征。自从其由Anthonisen等人考虑到(1976 年)开始，NOB的游离氨(FA)抑制已在文献中被充分证明，其 公开内容以其全文通过引用明确地并入本文。然而，为了获得稳定 的亚硝化而控制FA抑制的知识更有限，其原因在于NOB适用性已 经被报道(参见Turk和Mavinic，1989年;以及Wong-Chong和 Loehr，1978年)。此外，AOB与NOB相比，已知高温更有利于 AOB的生长(参见Kim等人，2008年)。
在更高温度下相比于NOB的AOB的增加的活性，总氨更大解 离成游离氨以及在更高温度下所得的NOB抑制与低DO操作结合 (通常使用间歇曝气并用管理的好氧固体停留时间(SRT)来进行) 导致富集AOB以及选择性去除(washout)NOB。这些方法都不同 地描述成在高氨浓度的废水中控制NOB(参见EP0826639A1、EP 0872451B1、US2010/0233777A1、US7846334B2、US6485646B1、 和WO2012/052443A1)。所述方法使用悬浮生长(参见WO 2006/129132A1)、在支撑介质上的附着生长(参见US2011/0253625 A1和EP0931768B1)或颗粒污泥(参见Wett，2007年;和US7846334 B2)来完成ScBNR。
尽管用来增加AOB的活性以及用于控制NOB的生长的升高的 温度的作用是有效的，但是该作用在宽泛的温度范围下操作的低浓 度的主流工艺中是不可行的。因此，在低浓度废水中的NOB控制 依然难于处理，并且需要小心操控除了温度或游离氨之外的因素。
溶解的氧(DO)：DO在低氨浓度的废水中的NOB控制上能 起到显著作用。使用低溶解氧浓度的持续亚硝化已经在各种反应器 配置中被观察到(参见Sliekers等人，2005年;Wyffels等人，2004 年;和Blackburne等人，2008年)。虽然这些报道缺乏基本机制的 说明，但他们采取相比于NOB的AOB的较高氧亲合力的假说(参 见Hanaki等人，1990年;Laanbroek和Gerards，1993年;和Bernet 等人，2001年)作为针对所观察到的现象的解释(参见Yoo等人， 1999年;Peng等人，2007年;Lemaire等人，2008年;Gao等人， 2009年;和Zeng等人，2009年)。Sin等人(2008年)记载一种普 遍的看法，即AOB的氧亲和力大于NOB的氧亲和力，以及低DO 的操作相比于NOB更有利于AOB，但是也有研究进行相反的报道 (参见Daebel等人，2007年;和Manser等人，2005年)，以及本 发明人提出表明NOB相比于AOB的对低DO-浓度的更强适应性的 数据(参见图5至图6)。
生物强化和生物质富集：已经报道了从高浓度(strength)反 应器到低浓度主流反应器的硝化生物质转移，因此用于执行硝化所 需的SRT在主流工艺中降低(US7404897B2，US6602417B1)。这 种生物强化可从单独的侧流反应器或与主流反应器共连的反应器 发生(Parker和Wanner，2007年)。还存在与下述相关的现有技术， 即通过使用水力旋流器将主要含有厌氧氨氧化菌生物体的更密集 性生物质部分物理分离并将该较重部分再循环以便富集非常缓慢 地生长的生物质(EP2163524A1，US2011/0198284A1)。
瞬时缺氧：使用瞬时缺氧是用于实现NOB抑制的常用方法(参 见Li等，2012年;Ling，2009年;Pollice等人，2002年;Zekker 等人，2012年;US7846334B2，EP0872451B1，和WO2006/129132 Al)。瞬时缺氧对于NOB而言可引入滞后时间以便从缺氧过渡到好 氧环境。Kornaros和Dokianakis(2010年)表明在瞬时缺氧之后的 好氧条件下的NOB恢复(recovery)上的延迟和NOB生长的滞后， 从而认可许多其他人的对瞬时缺氧的有用性的言论(参见Allenman 和Irvine，1980年;Katsogiannis等人，2003年;Seldak，199;Silverstein 和Schroeder，1983年;Yang和Yang，2011年;和Yoo等，1999 年)。虽然在由高游离氨抑制支持的“高浓度”废物中，瞬时缺氧 已被成功地用于控制NOB(参见Wett，2007年;和US7846334B2)， 并已经提出在低浓度废物中使用瞬时缺氧的能力(参见Peng等人， 2004年)，但在没有来自游离氨抑制的支持的情况下控制与瞬时缺 氧相关联的特征的能力仍然是个谜。概括而言，用于在低浓度废水 中控制NOB选择出(out-selection)的策略不能产生可靠的工艺性 能，其原因在于对最大化的AOB速率尤其在NOB的活性抑制不可 行时成为NOB选择出的关键缺乏了解，所述策略是新兴的ScBNR 技术的基础。在该背景下，我们限定术语“选择出”作为通过实现 AOB的更高速率而抑制NOB的方法，从而产生针对其它生物体的 亚硝酸盐。
发明内容
本公开使用各种控制策略实现维持高的AOB氧化速率的合适 和可测量的控制的同时，实现NOB选择出，所述策略包括：1)曝 气控制，其确保接近饱和的氨浓度和DO分布(profiles)，所述DO 分布从高的设定值到迅速降低接近于零来改变，用于在好氧阶段中 的最大化的AOB速率;2)创新性的曝气控制策略，其基于在线测 得的NH4-和NOx信号比以便将总氮的脱除最大化，并提供用于厌 氧氨氧化反应的最佳化学计量的底物(substrate)配比;3)用于去 除NOB上的压力的积极的好氧SRT管理;以及4)厌氧氨氧化菌 和更轻的絮体(flocculant)AOB部分的生物强化。使用这样的控制 策略提供优于现有技术策略的重要优势。
因此，本公开提供在用于生物脱除氮的反应器中从废水脱除氮 的系统和方法，其中在反应器中的好氧-缺氧的持续时间和/或溶解 氧的浓度基于实时测得的氨浓度与氮氧化物(oxidizednitrogen) (NOx，亚硝酸盐和硝酸盐浓度的总和)的比值来控制。通常而言， 在反应器中的好氧-缺氧的持续时间和/或溶解氧的浓度经受控制以 达到处于0.5至1.5范围内、优选在0.7至1.0之间的氨浓度与氮氧 化物的浓度的比值。通过采用本公开的系统和方法，总体脱除氮被 最大化，因为反硝化(取决于化学需氧量(COD)的输入)和随后 的氨氧化彼此平衡，同时相比于NOB还更有利于AOB。替代性地， 代替应用比值，氨浓度和氮氧化物浓度之间的差可被控制为接近0 的值，其导致等效的控制性能。
本公开可用于实现主流SND工艺的合适和可测量的控制，其 通过几个脱除氮机制中的一个将总无机氮(TIN)的脱除最大化， 所述机制包括硝化-反硝化、亚硝化-反亚硝化(scBNR)、通过在单 独的下游反应器中的厌氧氨氧化而产生适用于精制(polishing)的 流出物流的部分亚硝化-反亚硝化，和在具有选择性的厌氧氨氧化菌 保留性的单个罐内的部分亚硝化-厌氧氨氧化。这些系统和方法使用 下述控制策略，所述策略包括：1)氨、亚硝酸盐和硝酸盐的实时 测量;2)基于在反应器中测得的氨浓度与氮氧化物浓度的比值所 控制的操作性的DO和DO设定值的正确使用;3)曝气频率的控制， 所述控制基于在反应器中测得的氨浓度与氮氧化物浓度的比值;以 及4)在宽泛范围的装置(反应器配置)和操作条件下的瞬时缺氧 的正确实施。