用于从废水中最大化脱氮的方法和装置[发明专利]

(12)发明专利申请

(10)申请公布号 CN 105283424 A (43)申请公布日 2016.01.27

(21)申请号 201480014545.6(22)申请日 2014.03.14(30)优先权数据

61/783,232 2013.03.14 US(85)PCT国际申请进入国家阶段日 2015.09.11

(86)PCT国际申请的申请数据

PCT/US2014/028069 2014.03.14(87)PCT国际申请的公布数据

WO2014/152872 EN 2014.09.25(71)申请人华盛顿特区供水和污水管理局

地址美国华盛顿特区申请人汉普顿道路卫生局(72)发明人普斯克·雷格米 马克·米勒

苏迪·N·默西 查尔斯·B·博特

权利要求书3页 说明书9页 附图11页

(74)专利代理机构北京市磐华律师事务所

11336

代理人谢栒 冯永贞(51)Int.Cl.

C02F 3/02(2006.01)

(54)发明名称

用于从废水中最大化脱氮的方法和装置(57)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。

C N 1 0 5 2 8 3 4 2 4 A CN 105283424 A

权 利 要 求 书

1/3页

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

2

CN 105283424 A

权 利 要 求 书

2/3页

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。

3

CN 105283424 A

权 利 要 求 书

3/3页

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。

4

CN 105283424 A

说 明 书

用于从废水中最大化脱氮的方法和装置

1/9页

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。[0002] 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)。[0003] 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；Gee and Kim,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,van Dongen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Turk and Marvinic,1986；Abeling and Seyfried,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。

[0004] 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Kornaros and Dokianakis,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。

[0001] [0005]

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

5

CN 105283424 A

说 明 书

2/9页

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Turk and Mavinic,1989；以及Wong-Chong and Loehr,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)。

[0006] 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EP 0826639Al,EP 0872451B1,US 2010/0233777A1,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WO 2006/129132A1,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US 7486334B2,其公开的全部内容明确地通过引用并入本文)用以实现ScBNR。[0007] 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。[0008] 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)。[0009] 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US 7486334B2,其公开的全部内容明确地通过

6

CN 105283424 A

说 明 书

3/9页

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。

[0011] 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。

[0010]

附图说明

图1是显示与常规硝化和反硝化相关的反应摩尔流程图。

[0013] 图2是显示与常规亚硝化和反亚硝化相关的反应摩尔流程图。[0014] 图3是显示与全程自养脱氮相关的反应摩尔流程图。

[0015] 图4是与HRSD试验的亚硝化反应器中的AOB和NOB的KO值的收集数据进行对比的线状图表。

[0016] 图5是显示根据氨，亚硝酸盐，硝酸盐和DO浓度的DO控制算法的流程图。[0017] 图6是显示有代表性的设定点和控制参数的瞬态缺氧逻辑实现的图解对比图。[0018] 图7是根据氨，亚硝酸盐，硝酸盐和DO浓度显示好氧持续时间控制算法的流程图。[0019] 图8是显示有代表性的定位点和控制参数的好氧-缺氧持续时间控制逻辑实现的图解对比图。

[0020] 图9是在整个混合工艺中描述的策略下操作的反应器中的氨氧化比率和亚硝化氧化比率的对比图。

[0012]

图10是AVN控制逻辑在总体系统性能上的可能效果的图解。

[0022] 图11是装配有机械式混拌器，空气扩散器，氨传感器，亚硝酸盐传感器，硝酸盐传

[0021]

7

CN 105283424 A

说 明 书

4/9页

感器以及溶解氧传感器的BNR反应器的横向剖视图。

[0023] 图12图示AVN控制下操作的亚硝化反应器内的氨，亚硝酸盐和硝酸盐的实时检测。

[0024] 图13图示AVN控制下操作的亚硝化反应器的脱总无机氮性能。

具体实施例

[0025] 本申请描述了用于从反应器内处理的污水脱氮的系统和方法。本公开的所述系统和方法能够最大化脱氮同时通过维持事先预定好的[氨(NH4)浓度]与[亚硝酸盐和硝酸盐浓度总和]的比例控制瞬态缺氧和好氧SRT，NOB抑制以及控制动态DO浓度或曝气间隔来最小化曝气和有机碳的需求量。事先预定好的氨(NH4)浓度与亚硝酸盐和硝酸盐浓度总和的比例通常是1但可能比1大或者小。利用这些动态控制策略的所述控制器命名为AVN(NH4vs NOX)。ANV不仅通过正常路径(附图1)控制最大化TIN脱除的可能性，也按照附图2和附图3所示的根据TIN脱除为NOB抑制和相关益处提供了机会。[0026] 反应器氨和亚硝酸盐+硝酸盐：本公开利用BNR反应器中的氨，亚硝酸盐和硝酸盐的直接检测来控制所述好氧和所述缺氧SRT和HRT以及反应器所述DO浓度以最大化氨氧化和反硝化。根据流入的碳：氮(C/N)和反应器条件，人们有效地控制所述DO浓度或所述曝气间隔或同时控制二者，这样需要脱氮的反应可以在任何时间下有利地进行。相对于COD氧化，DO更多的朝向氨氧化并且人们一直利用可测量的COD来推动反硝化作用从而最大化整个脱氮(附图10)。本公开所允许的所述氨氧化程度通过用于所述反硝化引入COD的有效性控制，因此本质上所述氨氧化和所述反硝化之间相互平衡以达到最大化脱氮。通常控制所述DO浓度和/或所述曝气持续时间以维持反应器内NH4-N和NOX-N浓度一直大致相等，基于输入用来反硝化所述产生的NOX的COD的量来控制释放的氧气量控制NH4氧化的量以及氧气输送的量。这样能够最小化好氧异养COD消耗和最大化反硝化的机会，这些需要处于低DO和有效的COD的时间。所述控制器允许补偿输入这样使得移除所述NH4-H和NOX-N浓度以满足这些参数具体的排放限值。例如，通过所述控制器提供含有20-90％水流NOX-N浓度的NH4的调节所述控制器能够保证其和NH4限值相符合。[0027] 溶解氧：如上所述并如附图4所示，与亚硝化氧化相比，氨氧化在高DO浓度(例如浓度大于1mg/L)以更快的速度出现。因此，人们希望在持续片刻的高DO浓度下操作BNR反应器，这样AOB生长比NOB更加有利。这个策略与表明和低DO浓度的NOB相比，AOB有更高的氧亲和力的文献的大部分相反。[0028] 间隙曝气：考虑到与在高DO浓度的AOB相比，NOB生长滞后仅能通过缺氧条件加以利用的事实，将高DO快速转变为缺氧很重要。这就意味着在曝气阶段结束时，会积累一些亚硝酸盐，因为NOB必须得与在单级全程自养脱氮工艺中厌氧氨氧化和ScBNR中的异养反硝化作用推动的COD竞争。因此，来自AOB在曝气阶段维持的DO压力和来自硝化作用和厌氧氨氧化在缺氧阶段的亚硝酸盐压力受到向缺氧的快速转化极大的推动。

[0029] 维持更高的氧气摄取速度(OUR)是实行快速瞬态缺氧的关键。通过提高MLSS浓度和COD输入在高的OUR条件下操作BNR反应器是可行的，这样缺氧开始后DO可以快速消耗。直接测量DO，氨，亚硝酸盐和硝酸盐的使用以控制好氧和缺氧SRT以及BNR反应器中的HRT已经在附图6和8演示，所述附图6和8显示反应器内好氧和缺氧条件的快速转变。在

8

CN 105283424 A

说 明 书

5/9页

这个策略下，检测和维持所述NH4-N和所述NOX-N浓度相近，或处于所需的任何偏差下。为氨氧化提供曝气，这样反应器内的NH4-N浓度可以大致和反应器内的NOX-N浓度相匹配。这样能够一直在任何时间或位置下提高反应器的NH4浓度以保证AOB保持较高速度。由此，人们所熟知的NOB抑制策略可能通过使用根据直接NH4，NO2，NO3和DO信号的稳健控制算法加以利用。附图9图示了这个策略在控制NOB以在亚硝酸盐-分流工艺中实现ScBNR的性能。

[0030] 现对具体的控制加以描述。[0031] 好氧SRT和DO设定点：通过两种方法控制所述好氧SRT。固体废物增加降低了总数和好氧SRT。第二种方法降低好氧SRT通过瞬态缺氧期间增加缺氧时间步骤实现。在AVN控制策略下操作BNR反应器间隙性曝气(时间或空间上)，好氧SRT由将氨氧化为亚硝酸盐或硝酸盐的AOB的曝气需求决定，这样NH4-N和NOX-N浓度保持相等。例如，如果AOB的氨氧化速度变低，和AOB氨氧化速度更高时相比，则需要更多的曝气(时间或更高的DO浓度或二者同时)以维持这种条件。在这种方案中，有意逐渐降低总体SRT会导致在一定DO值下AOB氨氧化的减少。因此，AOB需要更多的曝气以增加其生长速度和满足所希望引起可操作的高DO设定点(时间上)以及好氧HRT(空间上)的条件(NH4-N＝NOX-N)以增加其生长速度和达到AOB生长优先于NOB生长的点。

[0032] 人们普遍不接受激进的SRT控制作为取得亚硝酸盐分流的方法，这也和不能维持稳定的NOB抑制相符。当BNR反应器在高DO设定点操作时，AOB比NOB更快生长，这使得系统在低SRT下操作并且进一步不利于NOB。另外，激进SRT压力的应用根据本公开可轻易的得到控制。因为氨，亚硝酸盐和硝酸盐浓度决定可操作性高的DO设定点或曝气持续时间(时间上)以及曝气部分(空间上)，控制总体SRT是很简单的事情，这样DO能够保持在高浓度下，超过1mg/L。

[0033] 向缺氧转变的控制：为了将本公开的AVN控制扩展到NOB抑制，希望有好氧设定点和缺氧之间的快速转变以最小化用于NOB优于AOB的生长时间。至少有三种方法以增加氧气摄取速度实现向缺氧的转变。一个方法是在更高固液混合浓度下操作反应器，这样在相同的容积内有更多的生物质寻求氧气。另一个方法是使用流入COD以在转变期间排除氧气。第三种方法是升温由此提高所有生物质的生长速度。关键特征是考虑到为从好氧到缺氧条件的转变提供高的氧气摄取速度。[0034] 瞬态缺氧频率(TFA)控制：为了将本公开的AVN控制向NOB抑制扩展，希望有高的TAF以实现从好氧到缺氧条件的快速转变，与此同时，维持相同的整体好氧SRT。例如5分钟的好氧/缺氧循环比15分钟的好氧/缺氧循环更有利，而15分钟的好氧/缺氧循环比30分钟的好氧/缺氧循环更有利。可行性最好的TAF使得NOB分解但有利于在好氧阶段的AOB生长以及在缺氧阶段的反硝化生物质或厌氧氨氧化生物质。对于最大化这个频率有限制。频率的增加和最大值在好氧步骤中受到使得氧气到达设定点然后充分氧化氨的时间的限制。另外，要求有最小的缺氧时间使得反硝化生物质或厌氧氨氧化生物质将亚硝酸盐转变为氮气。

反应器配置：有几种装置来实现AOB氧化和NOB抑制架构，包括完全混合反应器，

序批式反应器，氧化沟和活塞流反应器。应注意的是，反应器装置能够调节为在可能的情况下，通过提供机械和水力的灵活性为实现SRT，氨氧化必要条件，高DO浓度以及缺氧转变传

[0035]

9

CN 105283424 A

说 明 书

6/9页

送控制特征。可提供摇摆区域或反应器来适应污水处理工艺常用的变换流量和负荷。除了悬浮生长反应器，生物膜，粒状淤渣反应器或这几种反应器的混合也是可行的。最后，使用包括沉淀池，薄膜或浮选槽中的溶解氧在内的分离装置可出现固液分离。

[0036] 活塞流反应器作为持续加料反应器的特点是具有非常大的长/宽比例并且可被模拟为一系列沿着穿过反应器长度的水流路径降低污染物浓度的完全混合反应器(例如浓度梯度)。在更通常用于大型处理厂中的活塞流持续加料反应器中，实现AVN控制的工艺控制可以两种配置来解决：(1)通过在好氧和厌氧区域之间转变在空间上控制曝气；以及(2)通过在反应器内以和SBR配置相似的“进气”和“排气”顺序贯穿循环空气及时控制曝气。

[0037] AVN控制可在不同反应器配置中得以整合以通过硝化-反硝化，亚硝化-反亚硝化和部分亚硝化-厌氧氨氧化实现最大化脱氮。[0038] 当水流C/N比例较高时，AVN控制可在单个反应器或系列反应器中实行通过硝化和反硝化实现脱氮。如果目的是进一步加强脱氮，提供的水流C/N比例是充分的，AVN控制也可用来抑制NOB确保ScBNR/亚硝化-反亚硝化作用在任何一个单个反应器配置或系列反应器中实现。当水流C/N比例低时，使用AVN控制可以通过在任何单个反应器配置或系列反应器中的部分亚硝化和厌氧氨氧化，采取诸如旋风分离(US 2001/0198284A1)的选择性厌氧氨氧化保留来实现自养脱氮。所述控制一直提供合适的反应器内NH4和NO2的浓度以及位置以允许厌氧氨氧化生长。上述反应器配置能够用来在固体分离装置后，向分开的彻底缺氧厌氧氨氧化反应器加料，因为通过NOB抑制，污水自身包含合适的NH4和NO2的浓度作为厌氧氨氧化的基质。这种彻底缺氧厌氧氨氧化反应器可以是任何配置，包括但不限于移动床生物膜反应器，粒状淤渣反应器，悬浮生长反应器，生物活性粒状介质过滤器以及生物膜生物反应器。[0039] 控制策略

[0040] 有多种控制策略可用在上述反应器配置中，所述配置利用本公开的特征以取得最大化TIN脱除并且扩展到NOB抑制。下面描述几种示例策略，为各种配置而优化。[0041] 控制策略A：在可操作DO可变和能够被BNR反应器的NH4-N和NOX-N浓度控制的情况下的第一种控制策略会优化高氨氧化速度和缺氧，异养脱硝化或厌氧氨氧化推动的氨氧化的DO。这种方法在包括活塞流反应器，完全混合反应器，系列完全混合反应器以及序列式反应器在内的范围宽泛的反应器设置中有效。在这种方法下，DO在低DO设定点(固定)和可变高DO设定点之间循环，所述可变高DO设定点通常大于1mg/L并且较之反应器NOX-N浓度被NH4-N浓度所控制。维持激进的好氧SRT以提高需氧量，由此使得所述控制器自动将DO水平提高到大于1mg/L。在这个控制策略中，所述好氧和缺氧时间段由AOB的曝气需求决定以达到NOX-N浓度和NH4-N浓度大致相等的目的，与为固定的截然相反。[0042] 在该示例性实施例中，BNR反应器10(附图11)可能配备有DO,氨，亚硝酸盐和硝酸盐探针(或传感器)12，14，16和18。可能会有如下分段中所描述的任何反应器配置，所述如下分段中所述控制可发生在时间和空间。对于多重反应器或活塞流反应器而言，多个DO探针顺着行列的每个主要部分安装，但是氨，亚硝酸盐和硝酸盐探针会根据策略安装在后一个反应器或部分内以管理反应速率，这样少量的氨浓度保留在所述反应器的尾部并且这样反应器污水包含的NOX-N浓度和NH4-N浓度大致相等。

10

CN 105283424 A[0043]

说 明 书

7/9页

本公开提供了一种将氮气从反应器脱除的系统，适用于从废水的生物脱氮。所述系统包括：反应器10；氨传感器(或探针)14，所述氨传感器(或探针)14实时检测所述反应器10内的氨浓度并且生成氨浓度信号20；亚硝酸盐传感器(或探针)16，所述亚硝酸盐传感器(或探针)16实时检测所述反应器10内的亚硝酸盐浓度并且生成亚硝酸盐浓度信号22；硝酸盐传感器(或探针)18，所述亚硝酸盐传感器(或探针)18实时检测所述反应器10内的硝酸盐浓度并且生成硝酸盐浓度信号24；控制器30，所述控制器30通过一个或更多通信线路32接收所述氨浓度信号、亚硝酸盐浓度信号和硝酸盐浓度信号以及生成一个或更多指令，其由所述控制器30通过通信线路34给溶解氧供应和控制系统(未图解)，以便根据[所述氨浓度]与[所述亚硝酸盐浓度和所述硝酸盐浓度总和]的比例控制氨，亚硝酸盐和硝酸盐的浓度以升高，降低或维持反应器10内溶解氧的浓度；以及溶解氧调制器36，所述溶解氧调制器36在所述控制器30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10提供溶解氧。所述溶解氧调制器36可通过一个或更多通信线路34和所述控制器30耦合。所述系统可能进一步包括一个或更多电子(机械)控制的阀，所述电子(机械)控制的阀可通过所述通信连接和所述控制连接。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30可生成升高溶解氧浓度的指令。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30可生成降低溶解氧浓度的指令。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30可生成维持溶解氧浓度的指令。

[0044] 所述控制器30可为一个或多个电脑。本公开所述使用的“电脑”意指任何机器，设备，电路，元件或模块或任何包含机器，设备，电路，元件或模块等的系统，它们均能根据一个或多个指令操控数据，诸如例如但不限于处理器，微处理器，中央处理单元，通用计算机，超级计算机，个人计算机，笔记本电脑，掌上电脑，台式机电脑，工作站电脑，服务器或类似物，或数组处理器，微处理器，中心处理单元，通用计算机，超级计算机，个人计算机，笔记本电脑，掌上电脑，台式机电脑，工作站电脑，服务器或相似物。[0045] 本公开使用的“通信线路”意指接有线的和/或无线介质，所述有线的和/或无线介质在至少两个点之间传输数据或信息。所述有线的和/或无线介质可包括但不限于例如金属导体线路，无线电频率(RF)通信线路，红外线(IR)通信线路，光学通信线路，或相似物。所述无线电频率(RF)通信线路可包括诸如WiFi,WiMAX,IEEE 802.11,DECT,0G,1G,2G,3G和4G蜂窝标准，蓝牙，以及相似物。[0046] 所述控制器30可包括计算机-可读介质40，所述计算机-可读介质40包括计算机程序，所述计算机程序包括编码区或段，当被所述控制器30执行时，引起此处描述的每个步骤完成。本公开使用的“计算机-可读介质40”意指能够提供数据(例如指令)的任何媒体，所述指令能够被电脑读出。这样的介质可能是任何形状，包括非易失介质，易失介质以及传输介质。所述非易失介质包括，例如，光学或磁性磁盘和其他持续内存。所述易失介质可包括动态随机存取存储器(DRAM)。所述传输介质可包括同轴电线，铜线和光纤，包括组成和处理器耦合的系统总线的电线。所述传输介质可包括或传送声波，光波和电磁发射，例如在无线电频率(RF)和红外线(IR)通信中生成的那些。计算机可读介质的普遍形式包括，例如，软磁碟，软盘，硬盘，磁带，任何其他磁性介质，CD-ROM,DVD,任何其他光学介

11

CN 105283424 A

说 明 书

8/9页

质，穿孔卡片，纸袋，任何其他有孔形式的有形介质，RAM，PROM，EPROM，FLASH-EEPROM，任何其他记忆芯片或盒式磁带，下文会描述的载波，或任何其他计算机可读的介质。所述计算机可读的介质可包括“云”，所述“云”包括在多个(例如成千上万)电脑上穿过多个(例如成千上万)记忆高速缓存的文件分布。[0047] 根据本公开的另一个方面，用于将氮从用于从废水的生物脱氮的反应器脱除的系统包括：反应器；氨传感器(或探针)，所述氨传感器(或探针)实时检测所述反应器内的氨浓度并且生成氨浓度信号；亚硝酸盐传感器(或探针)，所述亚硝酸盐传感器(或探针)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；硝酸盐传感器(或探针)，所述亚硝酸盐传感器(或探针)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；控制器，所述控制器通过一个或更多通信线路接收所述氨浓度信号、亚硝酸盐浓度信号和硝酸盐浓度信号以及生成指令，其可被供应到一个或多个阀和/或曝气装置，用于以便根据[所述氨浓度]与[所述亚硝酸盐浓度和所述硝酸盐浓度总和]的比例增加、较少或维持在反应器内的DO浓度或好氧-缺氧持续时间；以及曝气装置，其在由控制器控制的频率下对反应器进行曝气，其中所述频率根据[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。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，所述控制器可生成升高溶解氧浓度的指令。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，所述控制器可生成降低溶解氧浓度的指令。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，所述控制器可生成维持溶解氧浓度的指令。[0048] 在一个实例中，溶解氧浓度和/或好氧和缺氧时间段根据高DO(HDO)和低DO(LDO)设定点，通过空气控制阀50切换到开或关来调节。例如，为了增加好氧持续时间和降低缺氧持续时间，所述空气控制阀50可被切换为开。与此相反，为了降低好氧持续时间和增加缺氧持续时间，所述空气控制阀50可被切换为关。LDO设定点固定到接近0(0.001到0.1mg/L)，但是HDO是从0.3mg/L(最小HDO)到3.0mg/L(最大HDO)可变的(根据水槽中实时测得的NH4–N,NO3-N和NO2-N)。最大HDO设为2.0-3.0mg/L，因为增加超过这个点的更多曝气被认为在氨氧化速度方面没有增加益处。当所述反应器10内的NH4-N浓度比NOx-N大时(参见附图5中S10的YES)，HDO增加(S12)直到NH4-N浓度比NOx-N小。当所述反应器10内的NH4-N浓度比NOx-N小时(参见附图5中S10的NO)，HDO降低(S14)直到NH4-N浓度和NOx-N相等或比NOx-N大。如上所述，考虑到更高的污水NH4对NOx可以应用补偿以或反之亦然。激进的SRT控制通过消耗固体来完成，这样HDO设定点持续高于1mg/L。总体SRT也可根据反应器DO浓度在特定平均时间内通过维持污水流动速度来自动控制。[0049] 控制策略B-在该侧略中，DO设定点是固定的，但是好氧和缺氧持续时间是可变的。总体好氧-缺氧循环时间维持在特定的设定点，但允许好氧和缺氧持续时间可变。在另一种情况下，缺氧持续时间可固定，允许所述控制器仅修改好氧持续时间，这样总体缺氧+好氧持续时间根据脱氮可行性保持动态。当曝气(50)不提供时，应该提供机械混合(60，附图11)。在附图7图示的实例中，好氧持续时间在5-15分钟之间可变，但缺氧持续时间保持为10分钟。当所述反应器内的NH4-N浓度比NOx-N大时(参见S20的YES)，好氧持续时间增加(S22)直到NH4-N浓度比NOx-N小。当所述反应器内的NH4-N浓度比NOx-N小时(参见S20的NO)，好氧持续时间降低(S24)直到NH4-N浓度比NOx-N相等或比NOx-N大。如上

12

CN 105283424 A

说 明 书

9/9页

所述，应用补偿提供人们所要求的更高的污水NH4对NOx或反之亦然。[0050] 控制策略C：AVN控制也可在含有多个串联的好氧和缺氧摇摆区域的活塞式水槽使用。AVN控制影响那些保持缺氧或好氧的串联区域以达到控制目标。[0051] 示例

[0052] 本公开的用于将氮从用于从废水的生物脱氮的反应器脱除的系统，所述系统在2-3小时水力停滞时间(HRT)，～5天SRT,3500+500mg/L混合液悬浮固体(MLSS)25℃下操作。所述反应器在【0047】段(上面)阐述以及在附图5和附图7中所示的AVN控制策略操作。附图9代表了观察到的NOB抑制。所述AVN控制器的性能由图12图示。如附图13所示，高TIN脱除通过使用相同的操作条件也可实现，所述高TIN脱除取决于COD输入。[0053] 相关缩写词：[0054] AOB:氨氧化细菌[0055] BNR:生物营养去除[0056] COD:化学需氧量[0057] C/N:碳氮比[0058] DO:溶解氧[0059] FA:自由氨[0060] HDO:高DO

[0061] HRT:水力停滞时间[0062] LDO:低DO

[0063] NOB:亚硝酸盐氧化菌[0064] NOX:硝酸盐

[0065] NOX-N:硝酸盐-氮+硝酸盐-氮[0066] NO3-N:硝酸盐-氮[0067] NO2-N:亚硝酸盐-氮[0068] NO3:硝酸盐[0069] NO2:亚硝酸盐[0070] NO4-N:氨-氮[0071] OUR:耗氧速率

[0072] ScBNR:短程生物脱氮[0073] SRT:固体保留时间[0074] TAF:瞬态缺氧频率[0075] TIN:总无机氮[0076] TN:总氮

13

CN 105283424 A

说 明 书 附 图

1/11页

图1

14

CN 105283424 A

说 明 书 附 图

2/11页

图2

15

CN 105283424 A

说 明 书 附 图

3/11页

图3

16

CN 105283424 A

说 明 书 附 图

4/11页

图4

17

CN 105283424 A

说 明 书 附 图

5/11页

图5

18

CN 105283424 A

说 明 书 附 图

6/11页

图6

19

CN 105283424 A

说 明 书 附 图

7/11页

图7

20

CN 105283424 A

说 明 书 附 图

8/11页

图8

21

CN 105283424 A

说 明 书 附 图

9/11页

图9

图10

22

CN 105283424 A

说 明 书 附 图

10/11页

图11

23

CN 105283424 A

说 明 书 附 图

11/11页

图12

图13

24