CN102725235A - 用于处理连续生物反应器内的水的方法，其包括在线测量所述反应器内亚硝酸盐浓度 - Google Patents

用于处理连续生物反应器内的水的方法，其包括在线测量所述反应器内亚硝酸盐浓度 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种借助于亚硝化-反亚硝化反应来处理载有铵形式氮的水的方法，其中所述方法至少包括：将所述水供应到至少一个连续生物反应器(10)的第一步骤(i)；通气亚硝化步骤(ii)；缺氧反亚硝化步骤(iii)；和从所述反应器中萃取经过处理的水的步骤(iv)。根据本发明，所述方法还包括在线测量所述反应器中所述水中的亚硝酸盐浓度，和至少一个监测所述方法的至少一个步骤的步骤，所述监测步骤考虑所述亚硝酸盐浓度的所述在线测量结果。

Description

用于处理连续生物反应器内的水的方法,其包括在线测量所述反应器内亚硝酸盐浓度
1、技术领域
本发明的领域是带有铵形式氮的水的处理。本发明尤其适用于处理工业或城市污水，例如厌氧消化池上清液、借助湿式氧化处理污泥得到的流出物、气体处理冷凝物、由处理废水污泥得到的冷凝物、排放浸出物(dischargelixiviates)、屠宰场流出物、液体猪粪或带有铵形式氮的任何其它类型的流出物。
具体说来，本发明涉及一种实施水处理方法的连续生物反应器(SBR)，尤其通气和缺氧生物处理步骤是在所述连续生物反应器内依次实施。
2、现有技术
常常使用生物水处理方法来降低水中的氮污染含量。
这些生物方法包括在连续生物反应器(SBR)中实施的硝化-反硝化(nitrification-denitrification)方法。
这种方法在于将待处理的水引入生物反应器中，在生物反应器内交替实施通气和缺氧阶段。
在通气阶段期间，将氧(例如空气或纯氧形式)注入反应器中以促进能够将铵形式(NH4 +)氮转化成硝酸盐(NO3 -)的自养硝化生物质生长，所述自养硝化生物质实际上由将铵形式(NH4 +)的氮转化成亚硝酸盐(NO2 -)的生物质(称为AOB(“氨氧化细菌”)生物质)和将亚硝酸盐(NO2 -)转化成硝酸盐(NO3 -)的生物质(称为NOB(“亚硝酸盐氧化细菌”)生物质)构成。
在缺氧阶段期间，停止对反应器通气将促进反硝化生物质生长，所述反硝化生物质在通过亚硝酸盐阶段时将硝酸盐还原成分子氮气(重氮)N2。此反硝化生物质为异养性的，即，其无法在不存在有机碳源的情况下生长。
图1中示意性显示了这一借助硝化-反硝化反应减少氮污染的方法。
由于此类生物处理方法的实施引起水中氮污染含量显著降低，故其是特别有效的。然而，这种方法存在一些缺点。具体说来，此方法的实施需要向反应器中注入相对较大量的氧来确保将铵转化成硝酸盐。此外，大部分待处理水的有机污染含量(BOD或生化需氧量)都太低而不能借助硝化-反硝化反应合意地减少氮污染。因此，通常需要将碳以试剂(例如，易于生物降解的含碳基质)形式注入反应器中，以致异养型细菌能确保除去令人满意的量的硝酸盐。
这种借助硝化-反硝化反应的处理方法因为需要消耗相当多的氧和碳试剂，实施起来成本较高。
为了能至少部分减轻这些缺点，已经开发出一种旨在通过使硝酸盐形成最少来减少铵形式污染的方法。这种称为亚硝化-反亚硝化(nitritation-denitritation)的方法又称“硝酸盐转向(nitrates-shunt)”法，由以下步骤组成：将待处理的水引入连续生物反应器中，在连续生物反应器中，在提供选择性压力促进AOB细菌生长成NOB细菌的损害物的操作条件下，交替实施通气阶段和缺氧阶段。这些操作条件可以是高铵(NH4 +)浓度、在通气阶段期间的低溶解氧浓度、高于28℃的温度、低污泥龄或数个操作条件的组合。
在通气阶段期间，将氧注入反应器中将使AOB型细菌能够生长，AOB型细菌作用于氨氮(NH4 +)，由此形成亚硝酸盐(NO2 -)。使用连续生物反应器将在每一向反应器中馈入供处理水的程序后，产生高铵浓度。由于高铵浓度对NOB细菌的抑制作用高于对AOB细菌的抑制作用，使得其生长受到限制。此外，注入氧优选使反应器中维持低溶解氧浓度，以便促进AOB细菌生长成NOB细菌的损害物，因为AOB细菌部分对氧具有较高亲和力。因此，利用NOB生物质由亚硝酸盐产生的硝酸盐有限。
在缺氧阶段期间，异养生物质的作用基本上是将亚硝酸盐转化成分子氮，硝酸盐的含量很低。所述异养生物质与NOB生物质竞争消耗亚硝酸盐，并有助于限制NOB生物质的生长。
图2中示意性显示了这一借助“硝酸盐转向”减少氮污染的方法。
与图1中描述的经典硝化-反硝化方法相比较，这种亚硝化-反亚硝化方法的实施使氧消耗减少约25％，并使碳试剂消耗减少约40％。因此，其以一种较为经济的方式合意地减少了水中的氮污染。
现有技术中已知另一种生物方法，称为“亚硝化-脱氨(nitritation-deammonification)”法。这种方法使得为处理水中的氮污染所固有的成本进一步降低。
在这种方法中，将待处理的水引入连续生物反应器中，在连续生物反应器内交替实施通气阶段和缺氧阶段，借助选择性操作条件使硝酸盐的形成最少，并建构称为“厌氧氨氧化(anammox)”生物质的特殊生物质。
在通气阶段期间，实施与上文关于“硝酸盐转向”法所述相同的操作条件能够选择AOB细菌以损害NOB细菌，并使利用NOB生物质由亚硝酸盐产生的硝酸盐最少。
在缺氧阶段期间，厌氧氨氧化型细菌生长并作用于铵离子和亚硝酸盐，由此形成分子氮气(N2)以及少量硝酸盐，同时不消耗有机碳，因为这些细菌是自养细菌，不同于“硝酸盐转向”法中负责反亚硝化步骤的异养生物质。
当由亚硝酸盐降解成分子氮气(N2)形式组成的反亚硝化步骤涉及厌氧氨氧化型细菌时，这一称为反亚硝化步骤的步骤更准确地称为脱氨反应。
与经典“硝化-反硝化”方法相比较，这种“亚硝化-脱氨”方法的实施使氧消耗减少约60％，并使碳试剂消耗减少约90％。因此，其合意地且甚至更经济地减少水中的氮污染。
图3中示意性显示了这一借助“亚硝化-脱氨反应”减少氮污染的方法。
当实施“硝酸盐转向”和“亚硝化-脱氨”方法时，一般会检测数个参数以便操控其所涉及的不同反应的进程。
国际专利申请案WO-A1-2007/014994描述了一种在连续生物反应器内借助亚硝化-反亚硝化反应处理水的方法，在所述方法期间，测量以下参数：
-待处理流出物的电导率和流动速率；
-反应器中溶解氧的浓度、pH和氧化还原电势，由此确定加料到反应器的阶段的最少次数、通气和缺氧阶段的持续时间以及需供应的碳试剂的量。
法国专利申请案FR-A1-2921917描述了一种在连续生物反应器内借助亚硝化-脱氨反应处理水的方法，在所述方法期间，测量以下参数：
-待处理流出物的流动速率、电导率、温度和pH，用以确定氮中待处理的电荷和待执行的处理程序的次数；
-反应器中溶解氧的浓度、电导率、温度、pH和铵浓度，用以监测在通气和非通气阶段期间生物过程的进展以及确定其持续时间；
-处理的水的电导率和流动速率，用以测定处理效率以及追溯地调整所述方法。
这些操控实践的实施能够有效降低水中的氮污染含量，同时改进对氧和碳试剂消耗的控制。
3、现有技术的缺点
然而，这些操控原理的实施不可能优化通气和缺氧阶段的持续时间，且因此不能优化SBR中的全循环。因此，其不能用于在必要时(即，当实施“硝酸盐转向”型方法时)根据需要调整氧消耗或含碳基质的消耗。
事实上，在这些现有技术的技术中，为了解生物反应器中进行的反应的进展状态，此调整必然伴有对一定量变量的测量。因此，这些技术实施起来相对比较复杂，利用了多种测量技术。
此外，所测量的变量不能提供对所述方法状态，即所实施的生物过程(亚硝化、反亚硝化、脱氨)的进展状态以及氮污染减少的进展状态的精确了解。
换句话说，尽管这些操控原理的实施改进了对“硝酸盐转向”型和“亚硝化-脱氨”型处理方法的控制，但其不能在必要时根据氧消耗的需求调整碳试剂消耗，或不可能优化通气和缺氧阶段的持续时间，并因此不能优化SBR中全循环的持续时间，以致无法以最佳方式实施所涉及的生物过程。
4、发明目的
本发明尤其旨在克服现有技术的这些缺点，并改进“硝酸盐转向”型和“亚硝化-脱氨”型处理方法的性能，所述方法各自包含硝酸盐形成(亚硝化)步骤和亚硝酸盐降解(反亚硝化)步骤。
具体说来，在至少一个实施例中，本发明的目标是提供一种借助亚硝化-反亚硝化反应处理水的技术，所述技术的性能和可靠性相比现有技术的技术有所改进。
具体说来，在本发明至少一个实施例中，本发明的目标是实现一种此类技术，其能够改进对借助亚硝化-反亚硝化反应进行水处理过程中所实施的生物过程的掌控。
在至少一个实施例中，本发明另一固标是提供一种此类技术，其实施起来比现有技术的技术经济。
具体说来，在至少一个实施例中，本发明的目标是实施一种此类技术，其有可能在必要时根据氧消耗的需求调整碳试剂消耗，并优化加料、通气和缺氧阶段的持续时间，且由此优化SBR中全循环的持续时间。因此，本发明的目标是优化循环的总持续时间。
在至少一个实施例中，本发明另一目标是提供一种此类技术，对于等量的待处理水，与现有技术的技术相比较，此类技术有可能减小连续生物反应器的体积。
5、发明内容
这些目标以及下文应显而易知的其它目标将根据本发明，借助用于处理带有铵形式氮的水的方法实现，所述方法至少包含：
-将所述水加料给一个连续生物反应器的第一步骤(i)；
-通气亚硝化步骤(ii)；
-缺氧反亚硝化步骤(iii)；
-从所述反应器中萃取经过处理的水的步骤(iv)；
-在线测量步骤，用于在先测量所述反应器中存在的所述水中的亚硝酸盐浓度；
-至少一个监测步骤，用于监测所述方法至少一个步骤，所述监测步骤考虑所述在线测量亚硝酸盐浓度的结果。
因此，本发明取决于一种完全创新的方法，其由在借助亚硝化-反亚硝化反应进行水处理的方法中在线测量发生亚硝化反应和反亚硝化反应的连续生物反应器内存在的水中的亚硝酸盐浓度组成，目的是实现对所述处理中所涉及的生物过程的更有效掌控。
事实上，了解反应器中存在的水中的亚硝酸盐浓度将对于所述方法的状态，即，对于所实施的生物过程的进展水平以及减少氮污染的进展状态作出准确反应。换句话说，了解此信息将提供对于这些过程和/或所述方法其它步骤的进展最有效监测和操纵，并由此优化其性能。
亚硝酸盐浓度是在线测量的，即，它是在生产场所直接进行，而不是在取得样品后在实验室中进行的。
这一测量可直接进行，即，借助探针直接测量溶液中亚硝酸根离子的浓度；或间接进行，即，例如借助探针测量溶液中氧化形式的氮(又称NOX)以及硝酸根离子，并根据此测量结果，通过计算推算出亚硝酸盐浓度。
如在本发明中所了解的，反亚硝化是将亚硝酸盐降解成分子氮气的步骤。此降解可涉及异养和/或厌氧氨氧化型细菌。当反亚硝化步骤涉及厌氧氨氧化型细菌时，其更特定地称为“脱氨”。
加料和通气步骤可相伴实施，以便减少处理的持续时间。
本发明方法可包含一个独特的循环，其包含将所有待处理的水加料给反应器、亚硝化、反亚硝化和萃取经过处理的水。根据另一方法，本发明方法可包含多个子循环，其各自包含仅将一部分待处理的水加料给反应器、亚硝化和反亚硝化。接着依次实施数个子循环，直到全部体积的待处理水都已引入反应器中并经过处理。接着可从反应器中萃取经过处理的水。
根据有益特性，此类方法包含监测所述加料步骤的步骤。
了解反应器中亚硝酸盐的浓度确实有可能有效地监测反应器中加料进的水，由此优化所述方法的实施。
在此情况下，本发明方法优选包含一个在线测量所述反应器中存在的所述水中的铵离子浓度的步骤，所述用于监测所述加料步骤的监测步骤包含以下步骤：
-计算所述亚硝酸盐浓度与所述铵离子浓度的总和；
-将所述总和与一个第一预定阈值相比较；
-当所述总和大于所述第一阈值时，立即停止所述加料步骤。
据观察，反应器内铵浓度高必然会使反应器内亚硝酸盐浓度高。这是因为AOB型细菌将铵转化成亚硝酸盐。
此外，还观察到，当反应器内的亚硝酸盐浓度过高时，亚硝化反应中所涉及的AOB型生物质受亚硝酸(HNO2)抑制，亚硝酸在水相中与亚硝酸盐保持化学平衡。
因此，了解反应器内亚硝酸盐的浓度有可能停止反应器中带有铵的水的加料，由此亚硝化不会受到抑制且由此所述方法的净化性能不会受到影响。
根据有益特性，此类方法包含一个用于监测所述通气亚硝化步骤的持续时间的监测步骤。
了解反应器中亚硝酸盐的浓度确实能够有效监测反应器的通气，由此优化所述方法的实施。
在此情况下，所述用于监测所述通气亚硝化步骤的持续时间的步骤包含以下步骤：
-将所述亚硝酸盐浓度与一个第二预定阈值相比较；
-当所述亚硝酸盐浓度高于所述预定阈值时，立即停止所述通气亚硝化步骤。
据观察，当在反应器通气步骤期间，反应器中亚硝酸盐的浓度变大时，亚硝化反应中所涉及的AOB型生物质受到抑制。了解反应器中亚硝酸盐的浓度有可能在其值引起AOB型生物质的抑制时，立即停止反应器的通气并起始缺氧阶段。接着，所产生的亚硝酸盐将在所述缺氧阶段期间因异养细菌或厌氧氨氧化细菌的活性而被降解成分子氮气。
根据另一有益特性，此类方法包含一个用于监测所述缺氧反亚硝化步骤的持续时间的监测步骤。
了解反应器中亚硝酸盐的浓度确实能够有效监测缺氧阶段的持续时间，由此优化所述方法的实施。
在此情况下，所述用于监测所述缺氧反亚硝化步骤的持续时间的步骤优选包含以下步骤：
-将所述亚硝酸盐浓度与第三预定阈值相比较；
-当所述亚硝酸盐浓度小于所述第三预定阈值时，立即停止所述缺氧反亚硝化步骤。
此外，本发明的发明人还注意到，当反应器内亚硝酸盐的浓度过低时，反亚硝化反应的动力学变慢。因此，优选停止缺氧阶段，以便始终具有最高可能的亚硝酸盐消耗动力学。因此，当反应器中亚硝酸盐的浓度达到预定下阈值时，须立即停止缺氧步骤并且可开始下一步骤。本发明的发明人已观察到，在亚硝酸盐浓度为0之前终止缺氧阶段的事实通过使缺氧阶段期间亚硝酸盐消耗的动力学最大来改进所述方法的净化性能。
根据第一实施例，所述缺氧反亚硝化步骤包含将所述水与异养细菌接触放置的步骤。
本发明方法接着以“硝酸盐转向”配置起作用：借助AOB细菌将铵转化成亚硝酸盐，随后借助异养细菌将亚硝酸盐转化成分子氮气。
在此情况下，所述缺氧反亚硝化步骤包含将碳注入所述反应器中的步骤，所述方法另外包含一个用于监测所述碳注入步骤的监测步骤，所述用于监测所述碳注入步骤的监测步骤包含以下步骤：
-将所述亚硝酸盐浓度与第四预定阈值相比较；
-当所述亚硝酸盐浓度低于所述第四阈值时，立即停止所述步骤碳输入步骤。
为将亚硝酸盐转化成分子氮气，异养细菌将消耗有机碳。然而，某些类型的待处理水中有机碳含量相对较低。这就需要在缺氧阶段期间将含碳基质注入反应器中。本发明的发明人注意到，如果添加到反应器中的此类含碳基质过多，那么这种易于生物降解的含碳基质在相应缺氧阶段期间将无法全部消耗，且在后续通气阶段期间注入反应器中的氧将主要被异养细菌用以减少此过量的含碳基质，而不是被AOB细菌用来由铵形成亚硝酸盐。在此情况下，注意到，在接下来的通气阶段中，亚硝酸盐形成的动力学大大减小，而且出现由异养细菌迅速发展所形成的污泥量的强烈增加，以及氧的过量消耗。此外，过量注入含碳基质还促使操作成本变高。因此，当亚硝酸盐浓度小于预定阈值时停止反应器中碳注入的事实将有可能根据需要调整注入反应器中的碳量，并防止在接下来的通气阶段期间发生剂量过大和这些负面后果。由此降低为碳注入、氧注入和产生的过量污泥的排放所固有的成本，并确保所述方法的净化性能。此外，所述方法步骤的持续时间也减少。此举产生等量的经过处理的水，同时减小实现此目的的生物反应器的尺寸。
根据优选但不详尽的变化形式，所述第一阈值在1mgN/L到400mgN/L的范围内且宜为50mgN/L到250mgN/L；所述第二阈值在1mgN-NO2/L到250mgN-NO2/L的范围内且宜为10mgN-NO2/L到120mgN-NO2/L；所述第三阈值在0mgN-NO2/L到120mgN-NO2/L的范围内且宜为0mgN-NO2/L到50mgN-NO2/L，且所述第四阈值在0mgN-NO2/L到120mgN-NO2/L的范围内且宜为0mgN-NO2/L到50mgN-NO2/L。
根据第二实施例，所述缺氧反亚硝化步骤包含将所述水与厌氧氨氧化细菌接触放置的步骤。
本发明方法接着以亚硝化-脱氨配置起作用：借助AOB细菌将一部分铵离子转化成亚硝酸盐，接着借助厌氧氨氧化细菌将亚硝酸盐和剩余铵离子转化成分子氮气。
根据总碱度(Total Alkalinity，TA)值，待处理的水可为或可不为碱度不足的。
当待处理的水碱度不足时，反应器内占主导的条件应能够将引入其中的供处理水的体积中所含的氨全部转化成亚硝酸盐。
在此情况下，在所述通气亚硝化步骤(ii)之后是在不通气情况下进行的第二加料步骤，其包含以下步骤：
-计算所述铵浓度与所述亚硝酸盐浓度的比率；
-将所述比率与第五阈值相比较；
-当所述比率大于所述第五阈值时，立即停止所述第二加料步骤(i)。
在第一加料结束时，引入反应器中的第一部分供处理水中的铵全部转化成亚硝酸盐。随后实施第二加料。当反应器内铵和亚硝酸盐的浓度适于借助厌氧氨氧化细菌处理铵和亚硝酸盐时，立即停止此步骤。接着实施反亚硝化步骤的厌氧氨氧化细菌可得以实施。
当待处理的水碱度不足时，无法维持能够使AOB细菌起作用的pH。反应器内占主导的条件则不能将引入此反应器中的供处理水的体积中所含的氨全部转化成亚硝酸盐。
在此情况下，所述用于监测所述通气亚硝化步骤(ii)的步骤包含以下步骤：
-计算所述铵浓度与所述亚硝酸盐浓度的比率；
-将所述比率与第五阈值相比较；
-当所述亚硝酸盐浓度高于所述第二预定厌氧氨氧化阈值时，或当所述比率小于所述第五阈值时，立即停止所述通气亚硝化步骤(ii)。
当反应器内铵和亚硝酸盐的浓度适于借助厌氧氨氧化细菌处理铵和亚硝酸盐时且在达到AOB和厌氧氨氧化细菌的抑制阈值之前，立即停止亚硝化反应。
优选所述第一阈值在1到300mgN/L的范围内且宜为10到200mgN/L；所述第二阈值在1到150mgN-NO2/L的范围内且宜为1到100mgN-NO2/L；所述第三阈值在0到100mgN-NO2/L的范围内且宜为0到50mgN-NO2/L；所述第五阈值在0.6到1.2的范围内且宜为0.6到1。
本发明还涉及一种水处理设备，其至少包含：
-一个连续生物反应器；
-用于将水加料给所述反应器的加料构件；
-用于向所述反应器通气的通气构件；
-用于监测所述用于将水加料给所述反应器的构件和所述用于向所述反应器通气的构件的监测构件，
所述监测构件包含用于在线测量所述反应器中存在的所述水中的亚硝酸盐浓度的测量构件。
6、附图说明
本发明的其它特征和益处将从以下借助简单的说明性且不详尽的实例提供的不同优选实施例的描述和附图中更清楚地显而易知，其中：
-图1是关于借助硝化-反硝化反应减少氮污染的现有技术方法的图；
-图2是关于借助“硝酸盐转向”亚硝化-反亚硝化反应减少氮污染的现有技术方法的图；
-图3是关于借助亚硝化-脱氨反应减少氮污染的现有技术方法的图；
-图4表示本发明的水处理工厂；
-图5说明在通过实施包含四个子循环的本发明硝酸盐转向方法处理流出物的试验期间反应器中NH4、NO2和NO3的浓度以及添加到反应器中的待处理流出物的体积曲线。
7、具体实施方式
7.1本发明原理的提示
本发明的一般原理取决于在借助亚硝化-反亚硝化反应处理带有铵形式氮的水的方法中实施以下步骤：在线测量发生亚硝化和反亚硝化反应的连续生物反应器中存在的水中的亚硝酸盐浓度，和至少一个用于监测所述方法至少一个步骤的步骤，所述监测步骤考虑亚硝酸盐浓度的所述在线测量结果，以便更有效地控制所述处理中所涉及的生物过程。
本发明的发明人已显示，了解反应器中存在的水中的亚硝酸盐浓度准确地指示所述方法的状态，即，所实施的生物过程的进展水平以及减少氮污染的进展状态。换句话说，了解此信息有可能更有效地操控这些过程的进展。
7.2本发明的设备实例
参看图4，提供根据本发明处理水的安装的实施例。
如此图4中所示，此类安装包含用于将水加料给连续生物搅拌反应器10的加料构件。
加料构件包含：
-缓冲罐11，安有搅拌器27，经设计以容纳富含铵形式氮的待处理水；
-加料管道12，其将缓冲罐11与连续生物反应器10相连接，和
-泵13，根据其是否建构，其能够将供处理水加料给或不加料给连续生物反应器10。
通气构件能够将氧注入连续生物反应器10中。这些通气构件包含鼓风机14和氧调节阀26，二者经由管道15连接到空气扩散器16。这些空气扩散器16安放在连续生物反应器10的下部部分中。
碳注入构件能够将含碳基质注入连续生物反应器10中。这些注入构件包含经设计以容纳含碳基质的罐17、连接罐17与连续生物反应器10的注入管道18，以及根据是否建构而能够将此基质注入或不注入此连续生物反应器10中的泵19。
此工厂包含用于监测以下构件的监测构件：用于将水加料给连续生物反应器10的构件、用于使连续生物反应器10通气的构件以及用于将碳注入连续生物反应器中的构件。
这些监测构件包含控制箱20，其可例如包含微型控制器或计算机，以及铵离子探针21及亚硝酸盐探针22和氧探针25，这些探针经设计以能够测量连续生物反应器10中所含水中的铵、亚硝酸盐和氧的浓度。控制箱20经设计以比较借助于铵探针21、亚硝酸盐探针22和氧探针25得到的测量值，随后将其与阈值相比较，并相应地操纵泵13、泵19、鼓风机14和O2调节阀26的实施，下文将予以更详细的解释。连续生物反应器10具有污泥萃取管道23和用于萃取经过处理的水的管道24。氧探针的实施使反应器中氧的浓度能够得以调节。氧调节可例如影响以下设定值：在通气阶段中，当氧化探针所测量的值高于设定值时，控制箱启动氧调节阀，由此将较少氧递送到SBR。相反，当氧探针所测量的值小于设定值时，控制箱指引氧调节阀将较多氧递送到SBR。实际上，此设定值将在0.1到3mg O2/L的范围内。
在未显示的一种变化形式中，此类安装的连续生物反应器可包括或可不包括pH探针、硝酸盐探针、温度探针。在此情况下，pH的测量值可被传输到控制箱，由此监测注入反应器中的试剂以改变待处理水的pH。
在未显示的一种变化形式中，铵探针可用电导探针代替。事实上，所属领域技术人员众所周知，由处于连续生物反应器中的水的电导率有可能推算出其近似铵浓度。
7.3本发明方法的实例
7.3.1“硝酸盐转向”配置
现将描述实施硝酸盐转向工艺处理带有铵形式氮的水的本发明方法。
在此实施例中，处理方法在于以待处理总体积的连续一部分来处理水。
根据此方法，向连续生物反应器10供应供处理水。为此，控制箱20操控泵13的实施，由此使缓冲罐11中所含的供处理水通过加料管道12流入连续生物反应器10中。
并行工作(即在向反应器加料的阶段期间)的控制箱20操控鼓风机14和氧控制阀26的实施，由此氧通过管道15和空气扩散器16引入连续生物反应器10中。
随后观察连续生物反应器10内AOB细菌的活性。连续生物反应器10内所含的待处理水由此经历通气亚硝化步骤。
在亚硝化期间，AOB细菌作用于连续生物反应器10中所含的水中存在的铵离子，通过消耗氧形成亚硝酸盐。
通过建构控制箱20以及亚硝酸盐探针22和铵探针21在线测量亚硝酸盐和铵的浓度。在一种变化形式中，这些测量将有可能不是连续进行，而是例如以有规律的频率进行。亚硝酸盐探针22能够在线测量连续生物反应器10中所含水中亚硝酸盐的浓度。
监测反应器中水的加料。在此加料监测期间，控制箱20：
-计算亚硝酸盐浓度与铵浓度的总和；
-将所述总和与等于100mgN/L的第一阈值相比较。
当此总和大于第一阈值时，控制箱20立即停止泵13的工作，由此连续生物反应器10中供处理水的馈入停止。
监测通气亚硝化步骤的持续时间。在此监测期间，控制箱20将亚硝酸盐浓度与等于50mgN-NO2/L的第二预定阈值相比较。
当亚硝酸盐浓度大于所述第二预定阈值时，控制箱立即指引鼓风机14和氧调节阀26使其不再将氧递送到连续生物反应器10中。结果，通气亚硝化步骤结束。
随后观察连续生物反应器10内异养细菌的活性。连续生物反应器中所含供处理水由此经历缺氧反亚硝化步骤。
在反亚硝化反应期间，异养细菌作用于连续生物反应器10中所含的水中存在的亚硝酸盐，以在消耗连续生物反应器10中存在的含碳基质时形成分子氮气。
缺氧反亚硝化步骤包含将碳输入连续生物反应器10中的步骤。监测此碳输入。在监测碳输入期间，控制箱20将亚硝酸盐浓度与等于10mgN-NO2/L的第四预定阈值相比较。
当亚硝酸盐浓度小于此第四阈值时，控制箱指引泵19停止连续生物反应器10中碳的注入。注入的碳可呈液体；甲醇、乙醇或甘油溶液；或任何其它含碳基质的形式。
监测缺氧反亚硝化步骤的持续时间。在此监测期间，控制箱20将亚硝酸盐浓度与等于2mgN-NO2/L的第三预定阈值相比较。
当亚硝酸盐浓度低于此第三预定阈值时，控制箱20立即使缺氧反亚硝化步骤停止。
进一步实施加料、通气亚硝化和随后的缺氧反亚硝化步骤，以处理待处理水的总体积的新一部分。因此，在此实施例中，处理方法包含数个子循环，其各自包含加料步骤、通气亚硝化步骤和缺氧反亚硝化步骤。实施多个子循环，直到达到生物反应器10的高水平28。
当全部体积的水得到处理时，即当达到生物反应器10的高水平28时，连续生物反应器10内的搅拌立即停止，由此反应器中所含的水经历倾析。接着，将悬浮的物质与经过处理的水分离。当倾析终止时，萃取(水和污泥)阶段开始。通过萃取管道23从反应器中萃取出在此倾析期间形成的污泥。通过萃取管道24从反应器中萃取出经过处理的水。
因此，在此实施例中，一个完整的处理循环，即能够处理全部体积的待处理水(体积由反应器10的高水平28界定)的循环包含数个子循环(加料、通气亚硝化和缺氧反亚硝化)、倾析以及经过处理的水和污泥的萃取。污泥的萃取能够检查所述方法的污泥龄。
在此实施例中，至少通过用亚硝酸盐测量探针22测量亚硝酸盐来监测连续生物反应器中水的馈入、碳的注入和氧的注入。在变化形式中，有可能只监测这些参数中的某几个。
在一种变化形式中，可一次性将完整体积的待处理水引入连续生物反应器10中。在此情况下，将只实施一个子循环。
7.3.2亚硝化-脱氨配置
7.3.2.1流出物非碱度不足的情形
现将描述只在一个连续生物反应器中借助于厌氧氨氧化细菌实施亚硝化/脱氨型工艺来处理带有铵形式氮的非碱度不足的水的本发明方法。
在此实施例中，处理方法在于以待处理总体积的连续一部分来处理水。
根据此方法，在第一加料步骤期间，向连续生物反应器10供应供处理水。为此，控制箱20操控泵13的使用，由此使缓冲罐11中所含的供处理水通过加料管道12流入连续生物反应器10中。
控制箱20操控鼓风机14和氧调节阀26的并行使用，由此氧通过管道15和空气扩散器16引入连续生物反应器10中。
随后观察连续生物反应器10内AOB细菌的活性。连续生物反应器10内所含的待处理水由此经历通气亚硝化步骤，在此步骤中涉及AOB细菌。
在亚硝化期间，AOB细菌作用于连续生物反应器10中所含的水中存在的铵离子，通过消耗氧形成亚硝酸盐。
借助控制箱20以及亚硝酸盐探针22、铵探针21和氧探针25在线测量亚硝酸盐和铵的浓度。亚硝酸盐探针22能够在线测量连续生物反应器10中所含水中亚硝酸盐的浓度。铵测量探针21能够在线测量连续生物反应器10中所含水中亚硝酸盐的浓度。
监测反应器中水的馈入。在此加料监测期间，控制箱20：
-计算亚硝酸盐浓度与铵浓度的总和；
-将所述总和与等于100mgN/L的第一阈值相比较。
当此总和大于第一阈值时，控制箱20立即停止泵13的工作，由此连续生物反应器10中供处理水的馈入停止。
监测通气亚硝化步骤的持续时间。在此监测期间，控制箱20将亚硝酸盐浓度与等于0mgN-NO2/L的第二预定阈值相比较。
当亚硝酸盐浓度大于所述第二预定阈值时，控制箱立即操控鼓风机14和氧调节阀26，由此其不再将氧递送到连续生物反应器10中。结果，通气亚硝化步骤结束。
在不通气情况下执行第二加料操作。监测反应器中水的第二次馈入。在此加料操作监测期间，控制箱20：
-计算铵浓度与亚硝酸盐浓度的比率；
-将所述比率与等于0.8的第五阈值相比较。
当此比率大于所述第五阈值时，控制箱20立即停止泵13的工作，由此连续生物反应器10中待处理的水的馈入停止。
铵和亚硝酸盐的浓度则适于处理流出物中所含的铵和亚硝酸盐。随后观察连续生物反应器10内厌氧氨氧化细菌的活性。连续生物反应器10内所含的待处理水由此经历缺氧脱氨步骤。
在缺氧阶段期间，厌氧氨氧化细菌作用于水中存在的铵和亚硝酸盐，形成分子氮气。
监测缺氧脱氨步骤的持续时间。在此监测期间，控制箱20将亚硝酸盐浓度与等于2mgN-NO2/L的第三预定阈值相比较。
当亚硝酸盐浓度低于此预定阈值时，控制箱20立即使缺氧脱氨步骤停止。
进一步进行第一加料、通气亚硝化、第二加料和随后的缺氧脱氨步骤，以处理待处理水的总体积的新一部分。因此，在此实施例中，处理方法包含数个子循环，其各自包含第一加料步骤、通气亚硝化步骤、第二不通气加料步骤和缺氧脱氨步骤。实施多个子循环，直到在第一和第二加料步骤期间达到生物反应器10的高水平28。此高水平停止加料并启动最后的缺氧脱氨步骤。
当全部体积的水得到处理时，即当达到了生物反应器10的高水平28时以及发生最后的缺氧阶段时，连续生物反应器10内的搅拌立即停止，由此所述反应器中所含的水经历倾析。接着，将水中悬浮的物质与水分离。通过萃取管道23从反应器中萃取出在此倾析期间形成的污泥。通过萃取管道24从反应器中萃取出经过处理的水。
因此，在此实施例中，完整的处理循环包含至少一个子循环(第一加料操作、通气亚硝化、第二加料操作和缺氧脱氨)、倾析以及经过处理的水和污泥的萃取。污泥的萃取有可能监测所述方法的污泥龄。
在一种变化形式中，可只实施一个子循环，分两次将完整体积的待处理水引入连续生物反应器10中。
7.3.2.2流出物碱度不足的情形
现将描述只在一个连续生物反应器中借助于厌氧氨氧化细菌实施亚硝化/脱氨型工艺来处理带有铵形式氮的碱度不足的水的本发明方法。
在本实例中，流出物碱度不足使得氨不可能全部亚硝化成为亚硝酸盐，流出物中可达到的碱度量不足以维持使AOB细菌能够起作用的pH。
在此实施例中，处理方法在于以待处理总体积的连续一部分来处理水。
根据此方法，向连续生物反应器10供应供处理水。为此，控制箱20操控泵13的使用，由此使缓冲罐11中所含的供处理水通过加料管道12流入连续生物反应器10中。
控制箱20操控鼓风机14和氧调节阀26的并行使用，由此氧通过管道15和空气扩散器16引入连续生物反应器10中。
随后观察连续生物反应器10内AOB细菌的活性。连续生物反应器10内所含的待处理水由此经历通气亚硝化步骤，在此步骤中涉及AOB细菌。
在亚硝化期间，AOB细菌作用于连续生物反应器10中所含的水中存在的铵离子，通过消耗氧形成亚硝酸盐。
借助控制箱20以及亚硝酸盐探针22、铵探针21和氧探针25在线测量亚硝酸盐和铵的浓度。亚硝酸盐探针22能够在线测量连续生物反应器10中所含水中亚硝酸盐的浓度。铵测量探针21能够在线测量连续生物反应器10中所含水中亚硝酸盐的浓度。
监测反应器中水的馈入。在此加料监测期间，控制箱20：
-计算亚硝酸盐浓度与铵浓度的总和；
-将所述总和与等于100mgN/L的第一阈值相比较。
当此总和大于第一阈值时，控制箱20立即停止泵13的工作，由此连续生物反应器10中供处理水的馈入停止。
监测通气亚硝化步骤的持续时间。在此加料操作监测期间，控制箱20：
-将亚硝酸盐浓度与等于50mgN-NO2/L的第二预定阈值相比较；
-计算铵浓度与亚硝酸盐浓度的比率，并将其与等于0.8的第五阈值相比较。
当亚硝酸盐浓度高于所述第二预定阈值或铵浓度与亚硝酸盐浓度的比率小于所述第五阈值时，控制箱20操控鼓风机14和氧调节阀26，由此其不再将氧递送到连续生物反应器10中。结果，通气亚硝化步骤结束。
铵和亚硝酸盐的浓度则适于处理流出物中所含的铵和亚硝酸盐。随后观察连续生物反应器10内厌氧氨氧化细菌的活性。连续生物反应器10内所含的待处理水由此进一步经历缺氧脱氨步骤。
在缺氧阶段期间，厌氧氨氧化细菌作用于水中存在的铵和亚硝酸盐，形成分子氮气。
监测缺氧脱氨步骤的持续时间。在此监测期间，控制箱20将亚硝酸盐浓度与等于2mgN-NO2/L的所述第三预定阈值相比较。
当亚硝酸盐浓度低于此第三预定阈值时，控制箱20立即使缺氧脱氨步骤停止。
进一步进行加料、通气亚硝化、第二加料和随后的缺氧脱氨步骤，以处理待处理水的总体积的新一部分。因此，在此实施例中，处理方法包含数个子循环，其各自包含加料步骤、通气亚硝化步骤和缺氧脱氨步骤。实施多个子循环，直到在加料步骤期间达到生物反应器10的高水平28。此高水平停止加料并启动最后的通气亚硝化步骤和最后的缺氧脱氨步骤。
当全部体积的水得到处理时，即当达到生物反应器10的高水平28时以及发生最后的通气亚硝化阶段和最后的缺氧脱氨阶段时，连续生物反应器10内的搅拌立即停止，由此所述反应器中所含的水经历倾析。接着，将水中悬浮的物质与水分离。通过萃取管道23从反应器中萃取出在此倾析期间形成的污泥。通过萃取管道24从反应器中萃取出经过处理的水。
因此，在此实施例中，完整的处理循环包含至少一个子循环(加料、通气亚硝化、缺氧脱氨)、倾析以及经过处理的水和污泥的萃取。污泥的萃取有可能监测所述方法的污泥龄。
在一种变化形式中，可一次性将完整体积的待处理水引入连续生物反应器10中。
7.4试验
进行试验以突出本发明技术的效率。
这些试验在于在500升SBR内通过硝酸盐转向法处理流出物。
所有处理步骤都是在同一反应器中以顺序方式进行，其中每一全循环添加最大体积为215升的供处理流出物。在温度为25℃且通气阶段期间溶解氧浓度较低(0.5mgO2/L)，以便有助于SBR中的转向(shunt)。向此SBR中加料来自排水台的由净化站厌氧消化池的经消化污泥脱水得到的滤液。滤液的平均组成提供于下表中。
Figure BDA00001663419500201
图5说明在利用包含四个子循环的硝酸盐转向法实施本发明方法处理流出物期间反应器中的NH4、NO2NO3浓度以及添加到反应器中的供处理流出物的体积曲线。
如所示，各子循环包含：
-用于向反应器加料的通气阶段(1)(在此期间开始亚硝化反应)；
-通气阶段(2)(在此期间继续亚硝化反应)；
-在乙醇掺入情况下进行的缺氧阶段(3)(在此期间开始反亚硝化反应)；
-在无乙醇掺入情况下进行的缺氧阶段(4)(在此期间继续反亚硝化反应)。
对应于反应器中N-NH4和N-NO2浓度总和的第一阈值S1等于70mgN/L，高于此值，则停止反应器的加料，并且只继续其通气。
对应于反应器中NO2的浓度的第二阈值S2等于20mgN-NO2/L，高于此值，则停止反应器通气，并开始缺氧阶段。
对应于反应器中NO2浓度的第四阈值S4等于2mgN-NO2/L，低于此值，则停止在含碳基质掺入下进行的缺氧阶段，并开始不掺入含碳基质的缺氧阶段。
对应于反应器中NO2浓度的第三阈值S3等于1mgN-NO2/L，低于此值，则停止在含碳基质掺入下进行的缺氧阶段，并起始下一子循环的加料阶段。
四个子循环根据调节器中指定的阈值逐一顺序进行，直到在加料步骤期间连续生物反应器中达到高值。
一旦反应器中达到高水平，就继续达到反应器高水平的子循环(在此情况下为第四子循环)。此子循环后为倾析步骤，之后是排出经过处理的流出物的步骤，这一步骤标志着全循环的结束。
在每一子循环添加到反应器中的水的体积可不同，并且取决于反应器中NH4的浓度。
在最后一个反应器通气步骤中，实施放掉污泥的步骤，由此监测反应器中存在的污泥龄。
此试验的结果突出一个事实：应用本发明方法使反应器中NO3的形成受到明显限制，并因此避免借助硝化-反硝化反应处理反应器中的水，而是偏向于借助亚硝化-反亚硝化反应进行处理。

Claims (21)

1.一种用于处理带有铵形式氮的水的方法，所述方法至少包含：
将所述水加料给一个连续生物反应器的第一步骤(i)；
通气亚硝化步骤(ii)；
缺氧反亚硝化步骤(iii)；
用于从所述反应器中萃取经过处理的水的步骤(iv)；
其特征在于，其进一步包含在线测量步骤，用于在线测量所述反应器中存在的所述水中的亚硝酸盐浓度，以及至少一个监测步骤，用于监测所述方法的至少一个步骤，所述监测步骤考虑所述亚硝酸盐浓度的所述在线测量结果。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其包含一个用于所述加料步骤(i)的监测步骤。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，其包含一个在线测量步骤，用于在线测量所述反应器(10)中存在的所述水中的铵离子浓度，以及所述用于监测所述加料步骤的监测步骤包含以下步骤：
计算所述亚硝酸盐浓度与所述铵离子浓度的总和；
比较所述总和与一个第一预定阈值；
当所述总和大于所述第一阈值时，立即停止所述第一加料步骤。
4.根据权利要求1到3中任一权利要求所述的方法，其特征在于，其包含一个用于监测所述通气亚硝化步骤(ii)的持续时间的监测步骤。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述用于监测所述通气亚硝化步骤(ii)的持续时间的监测步骤包含以下步骤：
比较所述亚硝酸盐浓度与一个第二预定阈值；
当所述亚硝酸盐浓度高于所述预定阈值时，立即停止所述通气亚硝化步骤(ii)。
6.根据权利要求1到5中任一权利要求所述的方法，其特征在于，其包含一个用于监测所述缺氧反亚硝化步骤(iii)的持续时间的监测步骤。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述用于监测所述缺氧反亚硝化步骤(iii)的持续时间的监测步骤包含以下步骤：
比较所述亚硝酸盐浓度与一个第三预定阈值；
当所述亚硝酸盐浓度小于所述第三预定阈值时，立即停止所述缺氧反亚硝化步骤(iii)。
8.根据权利要求1到7中任一权利要求所述的方法，其特征在于，所述缺氧反亚硝化步骤(iii)包含一个用于将所述水与异养细菌接触放置的步骤。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述缺氧反亚硝化步骤(iii)包含一个将碳注入所述反应器中的步骤，以及所述方法包含一个用于监测所述碳注入步骤的监测步骤，所述用于监测所述碳注入步骤的监测步骤包含以下步骤：
比较所述亚硝酸盐浓度与一个第四预定阈值；
当所述亚硝酸盐浓度低于所述第四阈值时，立即停止所述碳注入步骤。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，所述第一阈值在1mgN/L到400mgN/L的范围内。
11.根据权利要求8到10中任一权利要求所述的方法，其特征在于，所述第二阈值在1mgN-NO2/L到250mgN-NO2/L的范围内。
12.根据权利要求8到11中任一权利要求所述的方法，其特征在于，所述第三阈值在0mgN-NO2/L到120mgN-NO2/L的范围内。
13.根据权利要求8到12中任一权利要求所述的方法，其特征在于，所述第四阈值在0mgN-NO2/L到120mgN-NO2/L的范围内。
14.根据权利要求1到7中任一权利要求所述的方法，其特征在于，所述缺氧反亚硝化步骤(iii)包含用于将所述水与厌氧氨氧化细菌接触放置的步骤。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述通气亚硝化步骤(ii)之后是在不通气情况下进行的第二加料步骤，其包含以下步骤：
计算所述铵浓度与所述亚硝酸盐浓度的比率；
比较所述比率与一个第五阈值；
当所述比率大于所述第五阈值时，立即停止所述第二加料步骤(i)。
16.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述用于监测所述通气亚硝化步骤(ii)的监测步骤进一步包含以下步骤：
计算所述铵浓度与所述亚硝酸盐浓度的比率；
比较所述比率与一个第五阈值；
当所述亚硝酸盐浓度高于所述第二预定厌氧脱氮阈值时，或当所述比率小于所述第五阈值时，立即停止所述通气亚硝化步骤(ii)。
17.根据权利要求14到16中任一权利要求所述的方法，其特征在于，所述第一阈值在1到300mgN/L的范围内。
18.根据权利要求14到17中任一权利要求所述的方法，其特征在于，所述第二阈值在1到150mgN-NO2/L的范围内。
19.根据权利要求14到18中任一权利要求所述的方法，其特征在于，所述第三阈值在0到100mgN-NO2/L的范围内。
20.根据权利要求15到19中任一权利要求所述的方法，其特征在于，所述第五阈值在0.6到1.2的范围内。
21.一种借助亚硝化-反亚硝化反应处理水的设备，其至少包含：
一个连续生物反应器(10)；
用于将水加料给所述反应器(10)的加料构件(11、12、13)；
用于向所述反应器(10)通气的通气构件(14、15、16)；
用于监测所述用于将水加料给所述反应器(10)的构件(11、12、13)和所述用于向所述反应器(10)通气的构件(14、15、16)的监测构件(20、21、22)；
用于从所述反应器(10)中萃取经过处理的水的管道(24)；
其特征在于，所述监测构件(20、21、22)包含用于在线测量所述反应器(10)中存在的所述水中的亚硝酸盐浓度的测量构件。
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