用于在廢水處理中脫除氮的方法和裝置的制造方法
【專利說(shuō)明】用于在廢水處理中脫除氮的方法和裝置
[0001]相關(guān)串請(qǐng)的交叉引用
[0002]本申請(qǐng)要求于2012年9月13日提交的號(hào)為61/700，717的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)、于2012年10月I日提交的號(hào)61/708,498的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)和于2013年3月14日提交的號(hào)為61/783，232的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)的權(quán)益。號(hào)為61/700，717，61/708，498和61/783，232的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)通過(guò)引用并入本文。
【背景技術(shù)】
[0003]本公開(kāi)通常涉及廢水處理系統(tǒng)和方法。通常而言脫除氮是一項(xiàng)處理任務(wù)，其在反應(yīng)器體積、曝氣能量和化學(xué)品用量方面需要最多的資源。本公開(kāi)的目標(biāo)在于在脫除氮中的更加節(jié)約資源的代謝途徑-所謂的短程生物脫除氮。本公開(kāi)的各個(gè)方面使得能夠從廢水中脫除氮以便以減少的能量、化學(xué)品和成本生產(chǎn)高品質(zhì)的流出物。
[0004]抑制亞硝酸鹽氧化菌(NOB)是用于實(shí)施短程生物脫除氮(ScBNR)工藝的先決條件，所述工藝諸如為亞硝化_反亞硝化(nitritat1n-denitritat1n)(參見(jiàn)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)；亞硝酸鹽分流(nitrite-shunt)和部分亞硝化-厭氧氨氧化(厭氧氨氧化(anammox))(參見(jiàn) FUX 等人，2002 年；Hippen 等人，1997 年；Van Dongen 等人，2001 年；Wett, 2006 年；Wett，2007 年；ffett 等人，2010 年)；以及反氨化(deammonifixat1n)。通過(guò)控制NOB而成功地抑制亞硝酸鹽氧化相比于傳統(tǒng)的硝化-反硝化(參見(jiàn)Turk和Mavinic，1986年；Abeling和Seyfried，1992年)節(jié)省25%的氧氣和40%的有機(jī)碳。在反氨化工藝中，NOB的控制產(chǎn)生在進(jìn)一步降低所需的曝氣能量、以及降低電子供體和固體處理成本方面的額外益處。圖1、圖2和圖3示出用于分別通過(guò)傳統(tǒng)的硝化/反硝化、亞硝化/反亞硝化和反氨化(部分亞硝化+厭氧氨氧化)來(lái)脫除氮的流程圖。
[0005]相比于傳統(tǒng)系統(tǒng)，由于不需要單獨(dú)的罐以及將混合的液體(liquor)硝酸鹽從好氧硝化區(qū)循環(huán)到厭氧反硝化區(qū)，因此特別希望在單個(gè)罐內(nèi)進(jìn)行同步硝化和反硝化(SND)。SND的益處通過(guò)利用亞硝酸鹽分流路徑而進(jìn)一步擴(kuò)展，如通過(guò)使用曝氣持續(xù)時(shí)間的控制所證實(shí)的那樣，所述控制利用氧化還原電位(ORP)(參見(jiàn)Guo等人，2009年)和氨pH曲線(參見(jiàn)Peng等人，2004年)。反應(yīng)器微環(huán)境(由于較差的混合和反應(yīng)器設(shè)計(jì)的組合在反應(yīng)器內(nèi)形成的好氧和缺氧區(qū))和絮體微環(huán)境(在活性污泥絮體內(nèi)形成的好氧和缺氧區(qū)域)已被假定為適于SND的可能機(jī)制(參見(jiàn)Daigger等人，2007年)。但是難于將控制策略并入到上述機(jī)制中以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的SND性能。據(jù)報(bào)道在分段的閉環(huán)反應(yīng)器(諸如氧化溝，Orbal)內(nèi)發(fā)生SND (參見(jiàn)Daigger和Littenton，2000年)，其通常采用較長(zhǎng)的水力停留時(shí)間(HRT)、固體停留時(shí)間(SRT)、和連續(xù)的低溶解的氧(D0)。
[0006]鑒于為了滿足日益嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)的高成本的生物營(yíng)養(yǎng)物去除(BNR)，通過(guò)抑制NOB進(jìn)行的ScBNR是令人感興趣的主題。在許多出版物中論述了為了了解NOB抑制的嘗試，其中包括更具體使用高溫(參見(jiàn)Hellinga等人，1998年，其公開(kāi)內(nèi)容以其整體明確地通過(guò)引用并入本文)、高含量游離氨抑制(inhibit1n)或DO濃度(參見(jiàn)Blackburne等人，2008年)和瞬時(shí)缺氧(參見(jiàn)Kornaros和DokianakiS，2010年)的那些。具體地，在各種方法中所有的這些條件部分地或作為整體使用，在處理高氨濃度廢物流的系統(tǒng)中成功地控制N0B，高氨濃度廢物流諸如為厭氧消化池脫水液體(也通常在高溫下)和填埋場(chǎng)滲濾液。高氨濃度的廢物流在此限定為具有流入的進(jìn)料，所述流入的進(jìn)料具有大于200毫克/升的以氮計(jì)的氨濃度。在低濃度的廢物流(諸如生活廢水)中控制NOB抑制仍然是一項(xiàng)挑戰(zhàn)，并且是本公開(kāi)的主題。下文描述在ScBNR工藝中目前用于抑制NOB的控制。
[0007]溫度和氨:溫度和游離氨兩者是據(jù)信給氨氧化細(xì)菌(AOB)提供優(yōu)于NOB的優(yōu)勢(shì)的特征。自從其由Anthonisen等人考慮到(1976年)開(kāi)始，NOB的游離氨(FA)抑制已在文獻(xiàn)中被充分證明，其公開(kāi)內(nèi)容以其全文通過(guò)引用明確地并入本文。然而，為了獲得穩(wěn)定的亞硝化而控制FA抑制的知識(shí)更有限，其原因在于NOB適用性已經(jīng)被報(bào)道(參見(jiàn)Turk和Mavinic，1989年；以及Wong-Chong和Loehr，1978年)。此外，AOB與NOB相比，已知高溫更有利于AOB的生長(zhǎng)(參見(jiàn)Kim等人，2008年)。
[0008]在更高溫度下相比于NOB的AOB的增加的活性，總氨更大解離成游離氨以及在更高溫度下所得的NOB抑制與低DO操作結(jié)合(通常使用間歇曝氣并用管理的好氧固體停留時(shí)間(SRT)來(lái)進(jìn)行)導(dǎo)致富集AOB以及選擇性去除(wash out)NOB。這些方法都不同地描述成在高氨濃度的廢水中控制NOB(參見(jiàn)EP 0826639 AUEP 0872451 BUUS2010/0233777AUUS 7846334 B2、US 6485646 B1、和 WO 2012/052443 Al)。所述方法使用懸浮生長(zhǎng)(參見(jiàn) WO2006/129132 Al)、在支撐介質(zhì)上的附著生長(zhǎng)(參見(jiàn) US 2011/0253625 Al 和 EP 0931768B1)或顆粒污泥(參見(jiàn)Wett，2007年；和US 7846334 B2)來(lái)完成ScBNR。
[0009]盡管用來(lái)增加AOB的活性以及用于控制NOB的生長(zhǎng)的升高的溫度的作用是有效的，但是該作用在寬泛的溫度范圍下操作的低濃度的主流工藝中是不可行的。因此，在低濃度廢水中的NOB控制依然難于處理，并且需要小心操控除了溫度或游離氨之外的因素。
[0010]溶解的氧(DO):D0在低氨濃度的廢水中的NOB控制上能起到顯著作用。使用低溶解氧濃度的持續(xù)亞硝化已經(jīng)在各種反應(yīng)器配置中被觀察到(參見(jiàn)Sliekers等人，2005年；Wyffels等人，2004年；和Blackburne等人，2008年)。雖然這些報(bào)道缺乏基本機(jī)制的說(shuō)明，但他們采取相比于NOB的AOB的較高氧親合力的假說(shuō)(參見(jiàn)Hanaki等人，1990年；Laanbroek和Gerards，1993年；和Bernet等人，2001年)作為針對(duì)所觀察到的現(xiàn)象的解釋(參見(jiàn)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)記載一種普遍的看法，即AOB的氧親和力大于NOB的氧親和力，以及低DO的操作相比于NOB更有利于Α0Β，但是也有研究進(jìn)行相反的報(bào)道(參見(jiàn)Daebel等人，2007年；和Manser等人，2005年)，以及本發(fā)明人提出表明NOB相比于AOB的對(duì)低DO-濃度的更強(qiáng)適應(yīng)性的數(shù)據(jù)(參見(jiàn)圖5至圖6)。
[0011]生物強(qiáng)化和生物質(zhì)富集:已經(jīng)報(bào)道了從高濃度(strength)反應(yīng)器到低濃度主流反應(yīng)器的硝化生物質(zhì)轉(zhuǎn)移，因此用于執(zhí)行硝化所需的SRT在主流工藝中降低(US 7404897B2，US 6602417B1)。這種生物強(qiáng)化可從單獨(dú)的側(cè)流反應(yīng)器或與主流反應(yīng)器共連的反應(yīng)器發(fā)生(Parker和Wanner，2007年)。還存在與下述相關(guān)的現(xiàn)有技術(shù)，即通過(guò)使用水力旋流器將主要含有厭氧氨氧化菌生物體的更密集性生物質(zhì)部分物理分離并將該較重部分再循環(huán)以便富集非常緩慢地生長(zhǎng)的生物質(zhì)(EP 2163524 Al，US 2011/0198284 Al)。
[0012]瞬時(shí)缺氧:使用瞬時(shí)缺氧是用于實(shí)現(xiàn)NOB抑制的常用方法(參見(jiàn)Li等，2012年；Ling，2009 年；Pollice 等人，2002 年；Zekker 等人，2012 年；US 7846334 B2，EP 0872451BI，和W02006/129132 Al)。瞬時(shí)缺氧對(duì)于NOB而言可引入滯后時(shí)間以便從缺氧過(guò)渡到好氧環(huán)境。Kornaros和Dokianakis (2010年)表明在瞬時(shí)缺氧之后的好氧條件下的NOB恢復(fù)(recovery)上的延遲和NOB生長(zhǎng)的滯后，從而認(rèn)可許多其他人的對(duì)瞬時(shí)缺氧的有用性的言論(參見(jiàn) 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)。雖然在由高游離氨抑制支持的“高濃度”廢物中，瞬時(shí)缺氧已被成功地用于控制NOB (參見(jiàn)Wett，2007年；和US 7846334 B2)，并已經(jīng)提出在低濃度廢物中使用瞬時(shí)缺氧的能力(參見(jiàn)Peng等人，2004年)，但在沒(méi)有來(lái)自游離氨抑制的支持的情況下控制與瞬時(shí)缺氧相關(guān)聯(lián)的特征的能力仍然是個(gè)謎。概括而言，用于在低濃度廢水中控制NOB選擇出(out-select1n)的策略不能產(chǎn)生可靠的工藝性能，其原因在于對(duì)最大化的AOB速率尤其在NOB的活性抑制不可行時(shí)成為NOB選擇出的關(guān)鍵缺乏了解，所述策略是新興的ScBNR技術(shù)的基礎(chǔ)。在該背景下，我們限定術(shù)語(yǔ)“選擇出”作為通過(guò)實(shí)現(xiàn)AOB的更高速率而抑制NOB的方法，從而產(chǎn)生針對(duì)其它生物體的亞硝酸鹽。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]本公開(kāi)使用各種控制策略實(shí)現(xiàn)維持高的AOB氧化速率的合適和可測(cè)量的控制的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)NOB選擇出，所述策略包括:1)曝氣控制，其確保接近飽和的氨濃度和DO分布(profiles)，所述DO分布從高的設(shè)定值到迅速降低接近于零來(lái)改變，用于在好氧階段中的最大化的AOB速率；2)創(chuàng)新性的曝氣控制策略，其基于在線測(cè)得的NH4-和NOx信號(hào)比以便將總氮的脫除最大化，并提供用于厭氧氨氧化反應(yīng)的最佳化學(xué)計(jì)量的底物(substrate)配比；3)用于去除NOB上的壓力的積極的好氧SRT管理；以及4)厭氧氨氧化菌和更輕的絮體(flocculant) AOB部分的生物強(qiáng)化。使用這樣的控制策略提供優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)策略的重要優(yōu)勢(shì)。
[0014]因此，本公開(kāi)提供在用于生物脫除氮的反應(yīng)器中從廢水脫除氮的系統(tǒng)和方法，其中在反應(yīng)器中的好氧-缺氧的持續(xù)時(shí)間和/或溶解氧的濃度基于實(shí)時(shí)測(cè)得的氨濃度與氮氧化物(oxidized nitrogen) (Ν0χ，亞硝酸鹽和硝酸鹽濃度的總和)的比值來(lái)控制。通常而言，在反應(yīng)器中的好氧-缺氧的持續(xù)時(shí)間和/或溶解氧的濃度經(jīng)受控制以達(dá)到處于0.5至1.5范圍內(nèi)、優(yōu)選在0.7至1.0之間的氨濃度與氮氧化物的濃度的比值。通過(guò)采用本公開(kāi)的系統(tǒng)和方法，總體脫除氮被最大化，因?yàn)榉聪趸?取決于化學(xué)需氧量(COD)的輸入)和隨后的氨氧化彼此平衡，同時(shí)相比于NOB還更有利于Α0Β。替代性地，代替應(yīng)用比值，氨濃度和氮氧化物濃度之間的差可被控制為接近O的值，其導(dǎo)致等效的控制性能。
[0015]本公開(kāi)可用于實(shí)現(xiàn)主流SND工藝的合適和可測(cè)量的控制，其通過(guò)幾個(gè)脫除氮機(jī)制中的一個(gè)將總無(wú)機(jī)氮(TIN)的脫除最大化，所述機(jī)制包括硝化-反硝化、亞硝化-反亞硝化(scBNR)、通過(guò)在單