CN109996766B - 利用碳源投加进行营养物移除的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本公开涉及利用碳源投加的氮移除，包括废水处理。反硝化反应可终止在进行厌氧氨氧化反应的中间亚硝酸盐产物。通过在特定区域使用包括但不限定为醋酸盐或丙三醇的电子供体移除氮。电子供体能用于通过单独或组合的合适的进料、缺氧SRT和/或维持醋酸盐残余物将硝酸盐转化为亚硝酸盐。也提出了用于厌氧氨氧化反应而随后供给亚硝酸盐和氨。可选择性地在媒质上保留更缓慢生长的厌氧氨氧化或使用其他物理方法。本公开的整体目标在于通过最大化脱硝化和厌氧氨氧化反应使得使用电子供体降到最低。提供了在生物膜选择性保留厌氧氨氧化、颗粒或悬浮生长系统或硝酸盐残余物控制的测试结果。

Description

利用碳源投加进行营养物移除的方法和设备

相关申请的交叉引用

本申请要求享有2016年7月8日递交的美国临时专利申请62/359,950的优先权。美国临时专利62/359,950的全部公开通过引用并入本文。

技术领域

本公开的一般领域涉及通常在废水处理环境中关于通过加入电子供体移除营养物的设备。更具体地，这种营养物移除包括分子的移除或部分移除，包括但不限定于氮、硝酸盐、亚硝酸盐或其他氮化合物(反硝化或脱硝化或脱硝化或厌氧氨氧化)。本公开的方法和设备涉及通过受控制地加入外部电子供体源移除营养物，所述外部电子供体源包括但不限定于在特定区域的醋酸盐或丙三醇，通过最小化化学氧需求或COD获得硝酸盐残余物，或将硝酸盐变为预定的浓度以保持希望浓度的营养物。

背景技术

本公开涉及在废水处理工艺中通过使用电子供体进行的反硝化反应。在废水处理工艺中需要电子供体以实现反硝化反应。电子供体可来自有机碳或无机化合物。实践中可使用许多不同类型的有机源，包括但不限定于醇(诸如丙三醇、甲醇、乙醇)；挥发性脂肪酸(诸如醋酸盐)；碳水化合物，包括但不限定于糖、淀粉或纤维素；废水碳，来自工业废弃物或生产副产品、甲烷、乙二醇、醛或酮的碳。无机源包括但不限定于氨、硫化物和亚铁离子。本公开寻求基于使用的有机物的类型和它们施加的固体保留时间限制和电子供体限制条件使用电子供体以部分或全部脱氮。

本公开包括目标在于移除硝酸盐或组合移除铵和硝酸盐的修正申请。不像涉及诸如硝化反应器(WO2006022539Al)、部分亚硝化系统(CN105923774(A，中国专利nr14，27，15)，厌氧氨氧化系统(中国nr22，23)和其他好氧步骤(中国专利nr12)的现有技术，本公开在部分反硝化反应之前不涉及这些预处理步骤。另外，与应用两阶段方法的现有技术应用(中国专利nr2，22，20)不同，当本公开与厌氧氨氧化细菌组合，电子供体加入到厌氧氨氧化反应器以在一个污泥系统中实现部分反硝化反应和厌氧氨氧化反应。

根据本公开的优选实施例，通过精准地控制/限制加入有机碳或另外的电子供体和/或维持硝酸盐残余物和/或维持限制的固体保留时间，可实现对部分反硝化反应(脱硝化)的有效选择。可通过维持铵残余物浓度将扩散限制降到最低而最大化或促进厌氧氨氧化反应。

发明内容

在本公开中，基于组合或单独提供固体保留时间限制、电子供体限制、过量残余硝酸盐或过量残余氨条件，我们提出为脱氮有机体使用电子供体以部分脱氮。在本公开的部分实施例中，脱氮有机体可为仅能从硝酸盐或亚硝酸盐部分脱氮的特殊有机体。在另外的实施例中，脱氮有机体是使用反硝化反应的完整步骤但能在可控的条件下最多地脱硝酸盐(将硝酸盐转化为亚硝酸盐)的更加普遍的有机体。在一些这样的实施例中，利用诸如合成载体、封装(在纯净或混合的培养基中)、砂、无烟煤、木屑、石头或任意其他合适的媒质的支撑材料，能保留脱氮有机体。

在其他这样的实施例中，利用物理选择器(诸如筛网、气旋、空运反应器、磁性分离器或其他比重测定、浮选、膜或过滤设备)能保留生物膜、媒质、石渣、凝聚剂或颗粒形式的脱氮有机体。在特定实施例中，利用电子供体限制，可使用厌氧氨氧化反应(在相同反应器或在单独反应器)将氨作为电子供体移除亚硝酸盐，伴随使用会减少硝酸盐或亚硝酸盐的限制电子供体。在另外其他实施例中，氧化的氮的传感器可用来校准用于外部碳源投加的化学计量学。当单个反应用于两个脱氮步骤(从硝酸盐到亚硝酸盐和从亚硝酸盐到氮气)，为了保证厌氧氨氧化反应主导亚硝酸盐的还原反应，在废水中优选小量的残余氨。

在本公开的其他实施例中，当进行反硝化反应时，厌氧氨氧化有机体可对反应器是强化的。从侧流或流连续地或平行地到反应器可以出现生物强化。如果在其他实施例中需要，从这种反应器到其他反应器，厌氧氨氧化有机体也可为生物强化的。厌氧氨氧化有机体可被收集并且随后转移到其他工艺以进行厌氧氨氧化反应。这种反应器可包括流程，其包括但不限定为，任意的固体膜、颗粒或或悬浮生长生物工艺。在这种特定实施例中，氨可作为残余物从之前的反应或作为旁路流从上流或测流工艺传送到反应步骤。在一些这样的实施例中，利用包括但不限定于合成载体、砂、硬煤、木屑、石头、膜或封装纯净或混合培养基的生物膜的支持物或任意其他合适的媒质，能保留厌氧氨氧化有机体。

在其他实施例中，利用物理选择器(包括但不限定为筛网、气旋和空运反应器、磁性分离器或其他比重测定、浮选和过滤设备)能保留厌氧氨氧化有机体。在特定实施例中，反应器或反应步骤可为专用的缺氧区或存在的生物营养物移除过程或在整体或单独的修正步骤的区域。在这种特定实施例中，氧化的氮流可循环到缺氧区以提供电子受体。在特定实施例中，可包括限定量的脱氮有机体的生物强化以实现脱硝。在另外其他实施例中，通过限制在生物膜内的氧气扩散，在曝气区域的缺氧生物膜可出现厌氧氨氧化反应。

因此，本公开允许脱氮有机体的电子供体基于硝酸盐残余物部分脱氮(例如脱硝)并且要求的平均硝酸盐残余物可基于固体保留时间增多或减少而上下调整。本公开涉及使用普遍或特殊的脱氮有机体，加入物包括但不限定于通过在曝气区域的缺氧生物膜中使用支持物或物理选择器或厌氧氨氧化反应保留厌氧氨氧化有机体实现的反硝化反应反应器的厌氧氨氧化生物强化。如果要求，脱硝化有机体也可为生物强化的。在本公开的精神内，还存在其他没有在本文明确提及或说明的反应。

附图说明

附图并入本文并且形成说明书的一部分，示出本公开的几个实施例，其中：

图1描述根据本公开而管理的氮反应。

图2a是描述部分反硝化反应百分数(％)与最大可能AnAOB率对观察到的硝酸盐率比的图表。

图2b是显示总N移除率(mg-N/gVSS/d)与最大可能AnAOB率对观察到的硝酸盐率比的图表。

图3描述了微生物量或取决于电子供体的可用性以及脱亚硝化、脱硝化与厌氧氨氧化有机体之间的竞争程度的生物或合成结构之内的种群控制。

图4是试点应用的详细原理图，其中工艺并入生物营养物移除系统作为缺氧区，其中厌氧氨氧化利用212um孔径的筛网选择性地保留。

图5是部分反硝化反应系统的长期进水和出水水平的图表，其COD被控制以将硝酸盐残余物维持在6-7mgNO3-N/L。

图6显示AnAOB不存在时3剂量的醋酸盐-COD/NOx的硝酸盐和亚硝酸盐的浓度曲线(Al)和速率曲线(A2)。

图7显示AnAOB不存在时10剂量的醋酸盐-COD/NOx的硝酸盐和亚硝酸盐的浓度曲线(C1)和速率曲线(C2)。

图8显示AnAOB(50％MLSS)存在时3剂量的醋酸盐-COD/NOx的硝酸盐和亚硝酸盐的浓度曲线(El)和速率曲线(E2)。每60分钟在相同比率3时加入COD。

图9显示主流试点的缺氧区，其中每20分钟COD/NOx为3和每60分钟COD/N为0(A)、3(B)和12(C)时加入醋酸盐。每60分钟相对于NO3残余物在电池加量的部分反硝化反应电势在面板D中显示。

图10A代表提出的设备/工艺作为单独步骤的应用选择，其中应用在一步-污泥系统的脱亚硝化和厌氧氨氧化包括选择性厌氧氨氧化保留(S/L分离)并且加入能量供体作为单独的流(1.1)或加入到废水基质(1.2)。

图10B代表提出的设备/工艺作为单独步骤的应用选择，其中应用在两步-污泥系统的脱亚硝化和厌氧氨氧化包括选择性厌氧氨氧化保留控制(S/L分离)并且加入能量供体作为单独的流(1.1)或加入到废水基质(1.2)。

图11A2代表提出的设备/工艺作为生物营养移除工艺的后处理步骤的应用选择，其中应用在一步-污泥系统的脱亚硝化和厌氧氨氧化包括选择性厌氧氨氧化保留(S/L分离)并且加入能量供体作为单独的流。

图11B2代表提出的设备/工艺作为生物营养移除工艺的后处理步骤的应用选择，其中应用在两步-污泥系统的脱亚硝化和厌氧氨氧化包括选择性厌氧氨氧化保留控制(S/L分离)并且加入能量供体作为单独的流。

图12A代表整合为一步脱亚硝化/厌氧氨氧化步骤的设备/工艺作为单独步骤的应用选择，包括作为生物营养物移除系统内的选择性厌氧氨氧化保留(S/L分离)作为加入外部碳源(3.1)的专用区域或利用NOx返回流和来自废水基质(3.2)的能量供体的第一区域。

图12B代表整合为一步脱亚硝化/厌氧氨氧化步骤的设备/工艺作为单独步骤的应用选择，包括作为生物营养物移除系统内的选择性厌氧氨氧化保留时间控制(S/L分离)作为加入外部碳源(3.1)的专用区域或利用NOx返回流和来自废水基质(3.2)的能量供体的第一区域。

图13是示出控制和操作本公开的实施例的示意图。

图14-16是图13中示出的工艺的控制算法的流程图。

具体实施方式

本公开的一些优选实施例在附图中示出。图1示出目标在本公开的优选实施例的氮反应。碳源投加控制在厌氧氨氧化细菌完成从亚硝酸盐到氧化铵后，硝酸盐到亚硝酸盐的还原反应。脱硝化优选为从硝酸盐到亚硝酸盐的还原反应，但是脱亚硝化指的是亚硝酸盐的还原反应。在本公开中，优选最小化脱亚硝化。

反应1(硝酸盐到亚硝酸盐)和反应2(铵+亚硝酸盐到氮气)的最大化通过优化电子供体加入、硝酸盐残余物、铵残余物和/或污泥保留时间(SRT)实现。管理反应3(亚硝酸盐到氮气)和反应4(好氧的铵氧化为亚硝酸盐或硝酸盐)以满足系统中废水处理要求和/或亚硝酸盐可用性。

基于使用加入铵(5mgN/L)和硝酸盐(10mgN/L)、不同能量供体(乙酸盐、甲醇、乙醇和甘油)以及不同COD/N比例(0-2)的厌氧氨氧化污泥和脱氮污泥的混合物的一系列批实验研究脱硝化、脱亚硝化和厌氧氨氧化之间的平衡，以评估能量供体源以及在非适应性污泥中进料的速率。上述因素自身没有一个认定为脱硝化选择的关键参数。但是，从所有测试的碳源，醋酸盐显示出强化的脱硝化(并且由此亚硝酸盐积累)的最高电势，其独立于亚硝酸盐的厌氧氨氧化竞争。文献记载了醇对厌氧氨氧化细菌可能具有毒性。因此，对于特定碳源的应用，在两步污泥系统应用脱硝化和厌氧氨氧化步骤对保护厌氧氨氧化细菌不遭受潜在毒性是必要的。可选地，厚生物膜或粒料的操作，或电子供体限制的操作会实现相同的保护。

整体上，脱亚硝化、脱硝化或反硝化反应的能量供体能为任意的可降解碳源，包括醇，这些醇包括但不限定于丙三醇、甲醇、乙二醇、乙醇；挥发性脂肪酸包括但不限定于醋酸盐、醋酸；碳水化合物包括但不限定于糖、淀粉或纤维素、废水碳、工业废物中的碳或制造副产品、甲烷、醛或酮；或任意无机电子供体例如硫磺或亚铁源。虽然我们在实验中使用了丙三醇、甲醇、乙醇和醋酸盐，也能使用其他电子供体实现脱硝化。

在非适应性污泥中允许成功应用的重要因素涉及平衡脱氮剂和厌氧氨氧化细菌之间的活性比例以实现铵移除和总氮移除比率之间的平衡。为了证实这个因素的重要性，执行了另外一组活性测试，其显示最大厌氧氨氧化电势与观察的硝酸盐比率(通过加入COD控制)之间的比率增加，其导致脱硝化(并且由此铵移除)增加但以消极方式也影响了总氮移除(图2)。这主要归因于硝酸盐速率更加显著地决定总氮速率但是铵移除通过厌氧氨氧化细菌与脱氮剂之间的亚硝酸盐竞争而限制的因素。

图3示出生物膜和/或合成基质系统内的脱硝化和厌氧氨氧化反应的控制。能使用实现生物膜厚度控制的特定屏障，通常是大约50-400um生物膜，可用于平衡能量供体和在独立脱硝化系统中通过直接污泥保留控制利用脱硝化选择的硝酸盐的扩散速率。对生物膜、封装基质和污泥聚合物或填料的空间的竞争允许挑选出脱亚硝化和对特殊脱硝化有机体的电势挑选。

在基于生物膜基的厌氧氨氧化保留的一步污泥系统中，生物膜厚度(大约50-400um(或，甚至更优选地，50-400um))的直接控制与厌氧氨氧化质量相比能管理脱硝化质量(图3)并且由此实现了挑选脱硝化而非全部反硝化反应。可选地，更长固体保留时间的生物膜(例如用于厌氧氨氧化)能在薄生物膜上形成以减少扩散抗力。厌氧氨氧化质量对脱硝化之间的合适平衡能确定铵移除以及总氮移除的效率(图2)。通过对合适粒径和/或封装基质尺寸(50-2000um)的挑选可发现相同平衡。

替代生物膜厚度或粒径控制，污泥保留时间控制实现了挑选脱硝化超过脱亚硝化。除了能量供体限制，能限制或减少污泥保留时间以实现挑选。在悬浮系统中，时间是竞争参数而非空间(如生物膜系统那样)(图3)。

生物营养物移除步骤的最后缺氧区中长期加入醋酸盐(图4)作为捷径氮移除工艺应用的一部分研究。本申请的优势在于由于部分铵被厌氧氨氧化消化对曝气的需要减少并且硝酸盐还原反应对电子供体的需要减少。图5显示脱硝化系统的长期进水和出水NOx水平(图4所示的反应器的最后八个反应器)。在这个系统中，醋酸盐利用PID控制器加料以维持硝酸盐残余物浓度为6-7mgN/L。结果是，利用5.5mgN/L的平均亚硝酸盐浓度实现了有效亚硝酸盐积累。COD加料实现硝酸盐残余物，其在向系统加入每克NO3-N的2gCOD的加料速率稳定。平均地，实现了81±9％的脱硝化效率。当形式为醋酸盐的有机碳加入到活塞流系统以在第一30％缺氧反应器容量达到5mgNO3-N/L并且向第一加料点流加入相似COD以实现在第二COD加料点(活塞流反应器-50％点中间)生成2mgNO3-N/L的完全反硝化反应和第三加料点后在废水(75％缺氧容量点)生成0.5mgNOx/L，缺氧容量尽管硝酸盐残余物增加是但是仅在第一30％缺氧容量仅观察到脱硝化有效减少。假设在更低硝酸盐残余物浓度增加的缺氧SRT降低了硝酸盐还原酶活性与亚硝酸盐还原酶活性之间的已建立的代谢不平衡。预期当大约50％缺氧容量低于2mgN/L的硝酸盐残余物运行时，可预期脱硝化仅大约50％电势损失。

挑选脱硝化的时刻出现时，当在单独步骤或厌氧氨氧化速率受限制时亚硝酸盐能积累。由于游离亚硝酸积累限制异氧有机体生长，因此亚硝酸盐积累能增加对脱硝化的选择。在一些实施例中，自养的有机体(植物、海藻和特定细菌)能以相同方式使用。但是，有显示异养的有机体比亚硝酸盐氧化有机体或厌氧氨氧化对游离亚硝酸更加敏感。因此，即使在次优选条件下，在生物膜、填料或通过封装中保护厌氧氨氧化同时将脱亚硝化和脱硝化有机体暴露在更高游离亚硝酸浓度会稳定脱硝化，即使在次佳条件下。

在厌氧氨氧化生物强化和由此同时硝酸盐和铵移除期间，利用212um筛网选择性地保留厌氧氨氧化同时所有其他有机体(硝化细菌、异养的有机体、脱亚硝化有机体、脱硝化有机体)以相似总SRT操作(图4)。厌氧氨氧化粒料从侧流脱氨系统每天进行生物强化的实现在混合液体悬浮固体中5-30％厌氧氨氧化生物量分数。

当挑选了正确的电子供体以为来自细胞色素的大多数电子上流供给(并且由此亚硝酸盐还原酶能得到电子)，给定硝酸盐还原酶与亚硝酸盐还原酶之间的更高的电子接收能力，到亚硝酸盐还原酶的电子运输降到最低直到硝酸盐浓度变成有限的。但是，在亚硝酸盐还原酶能再次得到电子供给的低硝酸盐残余物下使用更长缺氧时间(SRT)时，这种不平衡能达到最低。因此，在正中低硝酸盐水平下最小硝酸盐水平与SRT之间能产生平衡从而平衡仅挑选要求的放电限制的脱硝化的要求。整体上，能使用平均或中等硝酸盐残余物浓度，在更长的时间内优化需要维持稳定脱硝化速率的SRT。这是在对管理电子供体进料恒定的更长时间内和对管理SRT恒定的更长时间内使用硝酸盐是关键特征。

当结合使用，限制电子供体供应和缺氧SRT也能得到有效的脱硝化，其归因于选择特定的专门细菌或适应普通细菌或者其组合。

图6-8是几个测试的图解代表，涉及随着时间的COD加料或硝酸盐残余物调节导致的反硝化反应或脱硝化。没有厌氧氨氧化细菌存在，亚硝酸盐积累速率等于硝酸盐还原反应速率，在限定COD加入醋酸盐-COD/NOx-N为3时高达2-3mgN/L硝酸盐水平，测试中每小时加入(图8Al)。在更低硝酸盐水平(<2mgN/L)，建立完全反硝化反应。

当测试每小时加入更多的COD(在非限制的条件下)到系统(COD/NOx-N为10)，在4-5mgNO3-N/L硝酸盐水平观察到降低的硝酸盐移除速率(图7C1)。但是，在这个点硝酸盐到亚硝酸盐仍旧有100％的转化并且因此没有观察到总氮移除。与具有更低COD/N加料相似，在这个测试在2-3mgNO3-N/L的硝酸盐残余物处完全反硝化反应也开始(图7C2)。当COD是非限制性的，这就表明硝酸盐残余物对脱硝化是有益的。

自侧流脱氨反应器(675mgVSS/L)的浓缩厌氧氨氧化污泥源混合到主流污泥(790mgVSS/L)如图6具有相同测试。在COD/N加入量为3进行A1，每60分钟加入(图8El)。测试中存在可溶的COD在23与42mgCOD/L之间波动而没有允许COD移除速率计算的任何清洗趋势(也是图6A1的情况)。加入厌氧氨氧化污泥清除亚硝酸盐积累并且由此清除亚硝酸盐或亚硝酸对100％脱硝化的选择的潜在影响。这个测试显示出现由2mgN/L的硝酸盐水平的脱硝化(由此完全反硝化反应)降低，并且由此观察到相似水平。在图6A1出现与初始结果相似的结果。当NO3-N残余物大于3mgN/L，观察到硝酸盐移除速率与铵移除速率之间的化学计量学因素是1.48，其与理论厌氧氨氧化化学计量学因素1.32很接近。

图9提供了主流试点的最后缺氧区的简况，醋酸盐添加以每20分钟COD/NOx为3和每60分钟COD/N为0(A)、3(B)和12(C)。部分相对于每60分钟NO3残余物的加料的电池中反硝化反应的电势在面板D显示。在稳定状态操作，加入醋酸盐稳定为COD/NOx的计量是2-3以在废水中达5mgN/L的硝酸盐水平。为了测试硝酸盐残余物的重要性，醋酸盐另外进料在主流试点的缺氧塞流区的60分钟保留时间进行。COD/NOx为3的另外进料使得硝酸盐降低到2mgN/L，观察到大于5mgN/L的硝酸盐水平，并且脱硝化保持有效但稍微降低到80％而非100％脱硝化(图9)。更高进料(COD/N12)由此硝酸盐水平是0.1mgN/L，观察到完全反硝化反应和由此亚硝酸盐移除(图9)。这和在批实验的观察很好地关联。

本公开作为一步-污泥系统应用，其中脱硝化反应和厌氧氨氧化反应都在相同反应器系统悬浮、生物膜、颗粒或悬浮、生物膜和/或颗粒的组合中发生。厌氧氨氧化的污泥保留时间使用连续批反应器、载体、支持材料、筛网、气旋、空运反应器、磁性分离器、澄清器或任意其他比重测定、浮选和过滤设备通过选择性保留加强。在使用时，脱硝化SRT的控制可通过生物膜厚度控制、液压保留时间控制、整体污泥保留时间控制管理、或其可取决于系统条件(图2)。图10A、11A2和12A示出了应用的示例。

本公开可在两步-污泥系统应用，其中脱硝化反应与厌氧氨氧化步骤单独控制。脱硝化控制基于COD限制的组合基于硝酸盐残余物和SRT。SRT控制可通过，例如浪费悬浮生物量、生物强化、生物膜厚度控制、设置速率选择，基于选择或保留的粒径或颗粒密度。可使用、保留或选择仅进行从硝酸盐到亚硝酸盐的部分还原反应步骤专门的有机体并且其在悬浮液、粒料、媒质或封装物上生长。使用诸如支持载体、砂、硬煤、木屑、石头、膜生物膜的支持物保留脱氮有机体或其在自然或合成载体封装到纯净或混合培养基。可选地，通过诸如筛网、气旋、空运反应器、磁性分离器、澄清器或其他比重测定、浮选和过滤设备的物理选择器保留脱氮有机体。随后厌氧氨氧化步骤在第二反应器或反应器区域处理形成的亚硝酸盐和铵。这个步骤中的厌氧氨氧化保留与一步系统中应用的那样通过相同的技术选择执行。本方法的优势在于脱硝化选择完全独立于厌氧氨氧化保留执行并且实现了更具体的有机体挑选。应用的示例在图10B、11B2和12B示出。

在所有实施例中，可从其他反应器、区域或位置向工艺加入厌氧氨氧化的生物强化或脱硝化有机体。并且，在实施例中培育的一种或多种选择的有机体的生物强化可为对其他应用和反应器生物强化。BNR反应器可接收异养生物或自养生物的生物强化，包括来自具有大于每升200毫克铵氮的反应器进料浓度的高强度反应器的厌氧氨氧化有机体。有机体的生物强化可为悬浮形式，其在升华产物、粒料生长，或附接在塑料、沙子、无烟煤、膨胀粘土、陶瓷、海绵、活性炭、磁铁矿、氧化铝、二氧化硅、多孔或无孔岩石、木屑或富含纤维素的材料、淀粉或其他含碳支撑材料、选择性抑制材料、富含铁或铁的材料、石头、贝壳、橡胶、树脂，包括硝酸盐或铵选择树脂、膜生物膜或封装在纯净或混合培养基、富电子供体的材料，电子受体或富微量营养物生长。

当铵和氧化氮物质已经存在于水/废水基质中时，该设备/工艺可自身应用(图10)。能量供体可作为外部来源加入或其能整合到废水流(图10)。

为了在该工艺中获得正确铵与氧化氮的处理速率，铵流的旁路可在不同应用中使用(图11和12)。

可在生物营养素移除步骤中应用该设备/工艺，作为具有外部能量供体加入的专用的一个或多个区域(图12A3.1和12B3.1)。另外，其可整合为从废水和/或外部接收NOx返回和碳源的(第一)缺氧区。之后的应用可在生物系统中利用输入最小的诸如用于曝气和用于完全反硝化反映的外部碳源的电能的来源实现增强的氮移除。在这种结构中，加入厌氧氨氧化，可实现主流捷径氮移除而不需挑选出有效的亚硝酸盐氧化细菌，其被认定为本领域的主要挑战。本公开应用通过要求着重脱硝化而非亚硝化克服现有的限制。

图10、11和12示出的应用中，可使用传感器或测量控制废水中的铵浓度为大约半毫克N/L到两毫克N/L。观察到后一个目标是对主流应用的厌氧氨氧化有机体恒定的半饱和并且由此能被认为是能获得的最低铵浓度没有观察到厌氧氨氧化速率损失。

设备/工艺可作为生物营养物移除系统的后处理而应用(图11)。工艺中优选的有效氮移除需要的铵对NOx比例可通过生物营养移除系统内的合适曝气控制或通过使用含有铵的废水的旁路管理。生物营养物移除系统可具有任意合适的结构，包括并入图12优选的生物系统内的应用。

生物应用移除反应器(BNR)可为活化的污泥工艺、过滤器、单-媒质或多-媒质过滤器、向上流或向下流生物缺氧或曝气过滤器、织物过滤器、流化床反应器、连续回流过滤器模糊过滤器、整合固体膜活化污泥工艺、聚合膜生物膜反应器、陶瓷膜生物膜反应器、移动床生物膜反应器、膜生物反应器或任意这些反应器的组合。

BNR系统具有容量或一系列容量并且因此装配为在一个或多个容量中加入电子供体或有机基质。多容量能在独特的容器中、单个容器的多区域、在单个或多个过滤器或反应器中的单或多-媒质。

过滤器或反应器媒质可为塑料、沙子、无烟煤、膨胀粘土、陶瓷、海绵、活性炭、磁铁矿、氧化铝、二氧化硅、多孔或无孔岩石、木屑或富含纤维素的材料、淀粉或其他含碳支撑材料、选择性抑制材料(例如包含阻碍特定有机体而非其他的材料的亚硝酸盐或游离亚硝酸)、铁或富铁物质、石头、壳、橡胶、包括硝酸盐或铵选择性树脂的树脂、膜生物膜或封装在纯净或混合培养基、富电子供体材料、电子受体或富微量营养素。

设备可整合到多区移动床生物反应器或多区过滤器系统或膜生物膜反应器或悬浮生长、或一系列它们的组合，具有包括脱硝化和厌氧氨氧化反应区域的第一区域其中加入电子供体被控制以获得硝酸盐残余物，然后是可选的第二反硝化反应区域，其中可选的另外的电子供体加入以获得完全反硝化反应和低硝酸盐浓度，以及只要基于氨处理目标需要，可选的最后的后好氧的区域以移除残余物铵，在第一或第二区域之后加入。利用这种结构，区域可为多阶段反应器的阶段，其通过可视或真实墙壁分离。区域可为诸如内核或外核部分的聚合物、生物膜或颗粒(图3)。区域也可为多媒质过滤器内的媒质或以下媒质内的蔽阴的或非-蔽阴的之间的分离物。

铵到亚硝酸盐或硝酸盐的好氧的氧化也可通过使用缺氧区内的曝气的生物膜反应器实现。

根据本公开的设备/工艺可作为两个区域工艺应用，其中脱硝化和/或完全反硝化反应用作部分亚硝化-厌氧氨氧化系统移除有机物之前的预处理，该有机物能好氧的铵氧化细菌和/或缺氧铵氧化细菌到达有机物之前能产生毒性阻止它们。在部分亚硝化-厌氧氨氧化部分阶段内形成的硝酸盐可循环到脱硝化阶段一提供足够的电子受体。提供的电子供体的量能通过废水流的稀释控制使用硝酸盐循环流量而控制。

废水处理设备可包括，如果期望，具有容量或一系列容量的生物氮移除反应器，其中反应器用于在一个或多个容量中加入电子供体或有机基质而装配，用于生成诸如硝酸盐、亚硝酸盐、一氧化二氮、一氧化氮或它们的组合氧化氮的氧化氮传感器，控制器用于处理氧化氮信号由此在控制地加入电子供体或有机基质限制亚硝酸盐的异养，沿流路或沿工艺时间线控制条件，其中被控制的加入电子供体或有机基质设置为线上或线下测量的硝酸盐浓度高于1.5mg/L硝酸盐氮，在空间或时间内多于50％的反应器容量。

在控制器内，可设置电子供体或有机基质进料速率并且其进料的上和下限可根据期望的离开或进入系统的硝酸盐、亚硝酸盐或铵浓度改变。

废水处理设备可为包括具有容量或一系列容量的生物氮移除反应器，其中反应器用于在一个或多个容量中加入电子供体或有机基质装配；用于生成诸如硝酸盐、亚硝酸盐、一氧化二氮、一氧化氮或它们的组合的氧化氮信号的氧化氮传感器，并且氨传感器探测反应器中的氨浓度并且生成氨信号。根据本公开的一个方面，控制器生成用于增加、降低或维持硝酸盐设定值、铵设定值、电子供体或有机基质浓度或COD进料速率的上限的指令，以最大化总氮移除或最小化铵、亚硝酸盐或硝酸盐残余物并且在废水中维持大约半毫克到两毫克氮每升的氨设定值以最大化厌氧氨氧化反应。

厌氧氨氧化有机体能使用一些类型的电子供体或有机基质，例如用于脱硝化来自丙三醇的挥发性脂肪酸、乙酸盐、丙酸盐、甲酸盐或电子供体产物或中间体。因此，硝酸盐还原反应和缺氧铵氧化都可通过厌氧氨氧化有机体同时进行。

加入电子供体或有机基质也可基于硝酸盐设定值控制并且由此仅通过氧化氮传感器或氧化氮传感器和铵传感器的组合控制。通过控制器可使用两个信号以生成用于增加、降低或减少硝酸盐设定值、铵设定值、电子供体或有机基质浓度，或COD进料速率的上限或下限的指令，以最大化总氮移除或减小铵、亚硝酸盐或硝酸盐。

脱氮有机体的残余物污泥保留时间可通过管理缺氧容量或时间、管理废物速率、通过反洗固体或通过控制生物膜厚度而完成。后者可通过选择合适的媒质并且通过包括，但不限定为，气旋、空运反应器、筛选、混合和空气精炼的物理或化学磨损技术而完成。

在生物膜系统内，可分化出两种类型的生物膜。蔽阴的生物膜是在媒质受保护的孔或在受保护区域的媒质的表面生长的生物膜。这种生物膜被保护不受物理剪切力，并且生物膜厚度和/或保留通过微生物活性和微生物动力学确定。蔽阴的生物膜保留与它们的竞争有机体相比需要相对更长SRT(例如自养生物)的缓慢生长有机体(例如，厌氧氨氧化有机体或有机体)非常重要。能支持蔽阴的生物膜的媒质示例包括，但不限定为，膨胀粘土、陶瓷、熔岩、富铁材料、塑料或活性炭。除了蔽阴的生物膜，富铁材料可提供，用于厌氧氨氧化生长的微量营养物并且协助生物膜附接。生物膜的第二个类型是非-蔽阴的或腐蚀生物膜，其经受反洗、空气冲刷或剪切并且这种生物膜通过物理力而非微生物动力学控制。在这种生物膜内，有机体例如异养的有机体的快速生长有机体会生长，但是可使用物理力控制它们的固体保留时间。支持第二类型的生物膜的媒质包括，但不限定为，砂、硬煤、黏土或塑料。

为了在脱氮有机体与厌氧氨氧化有机体之间维持不同的SRT，可选择在蔽阴的生物膜生长的厌氧氨氧化和在非-蔽阴的生物膜生长的脱氮有机体。特别是在过滤器或流动床生物膜反应器，其中SRT控制仅能通过物理力完成，保护厌氧氨氧化有机体不受这些力的影响对维持铵移除的可能性由此竞争亚硝酸盐是重要的。根据本公开使用的单或多-媒质由此具有蔽阴的与腐蚀生物膜的组合以维持不同固体保留时间以支持不同有机基团，包括脱硝化有机体、厌氧氨氧化有机体或它们的组合。

反硝化反应期间从硝酸盐到亚硝酸盐的转化与亚硝酸盐还原反应相比是更快的速率，特别是当硝酸盐残余物存在时。因此，和会维持更加多元化种群结构(组合物)或功能的长SRT的操作相比，更低SRT的操作会逐渐选择更加专业的脱硝化有机体或得到对专业有机体的选择性脱硝化能力。一旦选择更加专业的种群或功能，其特点是缺少反硝化反应基因或表达基因减少，为后面的反硝化反应步骤选择，硝酸盐残余物可潜在地减少同时能维持足够的部分反硝化反应(脱硝化)。SRT越长，需要可能更高的硝酸盐残余物以选择有效的脱硝化。

由于控制器基于硝酸盐设定值确定电子供体或有机基质进料，因此虽时间变化的电子供体的进料速率能对工艺效率提供指示。电子供体速率变得更高，给定相似硝酸盐移除速率，或当电子供体速率为硝酸盐移除标准化，脱硝化选择效率更低，并且更重要的是其在(i)更高硝酸盐设定值(选项1)和/或(ii)增加的废物率(选项2)，或控制废物的设备频率增加。第一选项(增加硝酸盐设定值)可实现在最大硝酸盐还原反应速率操作，得到与后面的反硝化反应步骤的速率差异并且由此实现亚硝酸盐积累从而由此增加潜在的厌氧氨氧化贡献同时最大化或最小化电子供体加入。在降低的SRT操作(选项2)，再次通过使用硝酸盐还原反应和亚硝酸盐还原反应之间的动力学速率差异实现脱硝化对完全反硝化反应的生长选择。

决定选项1或选项2通过时间步骤确定。虽然硝酸盐设定值的变化是短期决定并且由此快速反应，但是SRT选择是更慢的响应，并且废弃率的变化基于在延长的时间段评估平均电子供体而确定。并且，硝酸盐设定值变化对于反应器类型是更加适应性的选项，反应器类型不允许精准的SRT控制，例如，移动生物反应器和过滤器。选项1和2能通过确定废弃率在整个SRT控制策略中组合，并且和设定的硝酸盐设定值相比，通过评估在延长时间段的硝酸盐设定值的变化确定系统的SRT。

基于上述说明，与反应器关联的缺氧固体保留时间可通过调整流速或流体设备废弃或反洗固体的频率而控制，通过感应和测量适合为反应器内脱硝化和/或厌氧氨氧化最大化工艺速率的COD进料速率和/或硝酸盐、亚硝酸盐和铵移除速率，以在每次总无机氮移除维持特定COD或电子供体进料速率或标准化的COD进料或电子供体速率。

可选地，与反应器关联的缺氧固体保留时间可通过调节流速或流体设备废弃或反洗固体的频率控制，以通过感应和测量适合为反应器内的脱硝化和/或厌氧氨氧化最大化工艺速率的硝酸盐浓度而维持特定硝酸盐设定值。

如果观察到亚硝酸盐废水水平，归因于缺少厌氧氨氧化贡献或铵限制，可选择更低的硝酸盐残余物以增加电子供体加入并且实现增加完全反硝化反应。这可防止亚硝酸盐排出。另一方面，来自部分脱硝化-厌氧氨氧化步骤的亚硝酸盐和/或硝酸盐浓度可通过另外的反硝化反应步骤能从废水中移除。在这个步骤中，能使用前述步骤的废水中的任一个电子供体或能提供电子供体以将硝酸盐和亚硝酸盐还原为双氮气。可选地，当允许硝酸盐限制，亚硝酸盐能在后好氧步骤氧化为硝酸盐以防止亚硝酸盐被排出。另外的反硝化反应步骤和/或另外的好氧步骤能在BNR系统中在空间或事件上实施。

希望铵残余物(0.5-2mgN/L)维持增加厌氧氨氧化速率并且由此在系统中提供增加亚硝酸盐水槽。这就实现了对部分脱硝化选择的更容易的控制。可基于排出限制或期望的厌氧氨氧化贡献选择铵设定值。通过用于探测反应器中氨氮和用于生成氨浓度差异信号的氨传感器测量的铵浓度与限定的设定值进行比较。控制器处理氨信号和对设定值的差值，并且控制COD进料的上限或下限、硝酸盐或亚硝酸盐设定值、溶解氧浓度、好氧的时间持久性，和/或在反应器的一个或多个容量的缺氧时间耐久性。

当铵残余物太低，可改变控制器中COD进料速率的下限，增长硝酸盐设定值或减少溶解氧浓度或好氧的容量以最小化铵氧化。当铵太高，厌氧氨氧化活性存在限制，并且由此期望通过增加硝酸盐设定值、降低SRT增加亚硝酸盐的竞争以洗脱脱氮有机体，降低控制器中COD进料速率的上限，增加缺氧时间以为反应提供更多时间，或通过增加溶解氧浓度或增加好氧容量或时间增加好氧氧化。

可控制电子供体进料以满足废水硝酸盐设置点。但是，为了进一步最大化厌氧氨氧化活性，如被氨移除所指示的，在进水和出水(或工艺)可使用在线氨和硝酸盐传感器控制工艺，可使用硝酸盐移除到氨移除的速率控制碳进料的上限，这样实现了最大(或改良的)氮移除并且厌氧氨氧化活性被最大化(或改良)。

可利用机器学习、人工智能、或神经网络发展一个或多个电脑算法，以发展电子供体进料协议，其包括但不限定为流入毫克硝酸盐-氮比例要求的流入化学氧的变量、残余硝酸盐-氮浓度和与第一反应关联的缺氧固体保留时间。这样的算法存在于边缘计算FOG计算或云计算框架，其中周期性地改善算法。

图13示出了用于管理第一反应(硝酸盐还原反应到亚硝酸盐)的设备、信息和信号处理线，该第一反应控制电子供体加入以维持限制的电子供体可行性以保持缺氧区内硝酸盐残余物。污泥保留时间(SRT)控制器与给定硝酸盐残余物组合用于优化SRT。如图13所示，可选的传感器或测量手段可包括氧化氮和/或铵的传感器。

根据图13示出的一个实施例，废水通过流入通道被接收，其从装有阀门的电子供体通道接收电子供体，并且其加入到缺氧区。传感器生成代表缺氧区硝酸盐的浓度的信号，其可为，例如NOx传感器。该信号被控制器接收，其通过生成控制信号响应于信号以控制电子供体通道的阀门，从而维持缺氧区中期望的硝酸盐残余物浓度。

根据图13示出的一个实施例，废水通过流入通道被接收，其从装有阀门的电子供体通道接收电子供体，并且其加入到缺氧区。固体/液体分离器(S/L)从缺氧区的流入物分离固体(污泥)流。根据阀门的控制(后面的阀门在图13的缺氧区和固体/液体分离器(S/L)之下示出)，固体流可(1)返回到缺氧区或(2)被废弃。返回/废弃/反洗阀门通过控制器控制以维持工艺中期望的固体停留时间(SRT)。SRT设定值、反洗频率、脱硝化有机体的洗出或其类似物基于平均硝酸盐残余物浓度控制。SRT的绝对值和/或生物膜厚度可能永远不会已知，但是SRT的相对性质能从代谢行为或整体反硝化反应或厌氧氨氧化反应推测。

图15是图13控制器的算法。如图15所示出的，控制器可包括用于选择通过控制COD/N进料速率以维持缺氧区内硝酸盐残余物等于或高于1.5mgN/L的部分反硝化反应(硝酸盐到亚硝酸盐还原反应)的控制逻辑。可基于期望的铵移除速率或厌氧氨氧化移除速率或优化的相对SRT调整最小的和最大的COD/N进料速率设置。

图14是图13控制器的算法。如图14所示出的，控制器可包括用于选择通过控制电子供体速率以维持缺氧区内硝酸盐残余物等于或高于1.5mgN/L的部分反硝化反应(硝酸盐到亚硝酸盐还原反应)的控制逻辑。可基于期望的铵移除速率或厌氧氨氧化移除速率或优化的相对SRT调整最小的和最大的电子供体速率设置。

图16是图13控制器的算法。如图16所示出的，控制器可包括用于选择通过控制废弃物流速或废弃设备的频率以维持缺氧区的硝酸盐残余物的部分反硝化反应(硝酸盐到亚硝酸盐还原反应)的控制逻辑。这种控制环的时间常数比电子供体加入控制更长并且实现了挑选的微生物种群的稳定。与优选硝酸盐浓度关联的相对优化的SRT设定值取决于废水特征和使用的反应器技术。可基于期望的铵移除速率或厌氧氨氧化移除速率或优化的相对SRT调整最小的和最大的COD/N进料速率设置。

参考

Kazulyuzhnyi，S.，等(2007)。“在硫化物驱动条件下来进行厌氧氨氧化的DEAMOX反应器的微生物种群的系统发生分析”厌氧消化的微生物多样性第11次世界会议海报展PT02呈现，2007年九月23-27日，布里斯班，澳大利亚

Kalyuzhnyi，S.，Gladchenko M.，Mulder A.，和Versprille B.(2006)。“基于耦合于硝酸盐到亚硝酸盐的硫化物驱动的厌氧氨氧化的DEAMOX-新生物氮移除工艺”WaterRes.，40，3637-3645。

PENG YONGZHEN等，“通过三步捷径脱氮-厌氧氨氧化-捷径反硝化反应工艺实现污泥笑话液体现金的氮移除的方法和设备”中国专利CN105923774(A)。2016年9月7日。

可理解的是以上示出和描述的各种的公开的实施例以说明本公开的不同的可能特征和这些特征可组合的不同方式。除了以不同方式组合上述实施例的特征，也能考虑其他在本公开的范围之内的改进。本公开并非意在限定上述说明的优选实施例，而是意在仅被下属权利要求限制。由此，本公开包括实质或等同落入这些权利要求的范围内的所有替代实施例。

本公开并非限定于以上说明和在附图中示出的结构、方法和手段。本发明被下述权利要求限定。被美国专利特许证保护要求和期望的是：

Claims (18)

1.一种废水处理方法，包括：

在一个或多个区域中接收废水；

对所述一个或多个区域中的所述废水执行生物氮移除工艺，其中所述生物氮移除工艺包括部分反硝化反应，其中在缺氧条件下将硝酸盐还原到亚硝酸盐，以及厌氧氨氧化反应，其中在缺氧条件下所述硝酸盐用作电子受体；

在所述生物氮移除工艺期间将电子供体或有机基质添加到所述一个或多个区域中，其中所述电子供体包括可降解碳源，所述可降解碳源包括醇，挥发性脂肪酸，碳水化合物，废水碳，来自工业废物或制造副产品的碳，甲烷，醛或酮，和/或无机电子供体。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括氨测量。

3.根据权利要求1所述的方法，所述电子供体或所述有机基质的添加包括进料来满足流出硝酸盐设定值，并且最大化氨移除：其中，使用在流入物中支持所述流出物或工艺中传感器的另外的在线氨和硝酸盐传感器控制所述生物氮移除工艺：并且使用硝酸盐移除相对于氨移除的目标比例控制在碳进料的上限，由此实现最大氮移除。

4.根据权利要求1所述的方法，其中生成的所有或部分所述亚硝酸盐被厌氧氨氧化细菌还原为双氮气。

5.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括异养生物或自养生物的生物强化，所述异养生物或自养生物包括但不限定于来自高强度反应器的厌氧氨氧化有机体，所述反应器具有大于200毫克铵氮每升的进料浓度。

6.根据权利要求1所述的方法，在流出物中维持半毫克到两毫克氮每升的氨设定值以最大化厌氧氨氧化反应。

7.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括通过探测或测量适合为所述生物氮移除工艺内脱硝化和/或厌氧氨氧化最大化工艺速率的电子供体进料速率和/或硝酸盐、亚硝酸盐或铵移除速率，维持每总无机氮移除特定电子供体进料速率或标准化的电子供体进料速率。

8.根据权利要求1所述的方法，其中所述生物氮移除工艺使用过滤器或反应器媒质，所述过滤器或反应器媒质由塑料、沙子、无烟煤、膨胀粘土、陶瓷、海绵、活性炭、磁铁矿、氧化铝、二氧化硅、多孔或无孔岩石、木屑或富含纤维素的材料、淀粉或其他含碳支持物、铁或富铁物质、石头、贝壳、橡胶、包括硝酸盐、亚硝酸盐或铵选择性树脂的树脂、膜生物膜或封装在纯净或混合培养基，或富电子供体、电子受体或其他微量营养素构成。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述一个或多个区域包括不同容器，单个容器内、单个或多个媒质、单个或多个聚集体、生物膜或颗粒，或在单个或多个过滤器或反应器中的其他合成方法的多缓冲或虚拟阶段。

10.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括通过包括筛网、气旋、空运反应器、磁力分离器或任何其他比重测定、浮选或过滤设备的物理选择器提供厌氧氨氧化细菌以及将所述厌氧氨氧化细菌保留在所述一个或多个区域中。

11.根据权利要求1所述的方法，其中厌氧氨氧化反应包括由厌氧氨氧化细菌将铵转化为双氮气。

12.一种废水处理方法，包括：

在一个或多个区域中接收废水；

对所述一个或多个区域中的所述废水执行生物氮移除工艺，其中所述生物氮移除工艺包括部分反硝化反应，其中在缺氧条件下将硝酸盐还原到亚硝酸盐，以及厌氧氨氧化反应，其中在缺氧条件下所述硝酸盐用作电子受体；和

处理氧化氮浓度的测量来维持在所述一个或多个区域中的硝酸盐的至少残余量，同时使所述部分反硝化反应中所述硝酸盐的还原最大化，其中所述氧化氮浓度包括与所述部分反硝化反应关联的线上或线下测得的硝酸盐浓度，其中所述方法还包括在所述生物氮移除工艺期间将电子供体或有机基质添加到所述一个或多个区域中，以及执行所述电子供体或所述有机基质的添加，使得所述硝酸盐浓度高于设定值或下限，并且其中所述电子供体或所述有机基质的所述添加是受控制的并且被设定使得线上或线下测得的硝酸盐浓度高于1.5mg/L硝酸盐氮，在空间或时间内多于50%的反应器容量。

13.根据权利要求12所述的方法，其中生成的所有或部分所述亚硝酸盐被厌氧氨氧化细菌还原为双氮气。

14.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述电子供体包括可降解碳源，包括：

a醇；

b挥发性脂肪酸；

c碳水化合物；

d废水碳；

e来自工业废弃或生产副产品物的碳；

f甲烷；

g醛或酮；和/或

h无机电子供体。

15.根据权利要求12所述的方法，在流出物中维持半毫克到两毫克氮每升的氨设定值以最大化厌氧氨氧化反应。

16.根据权利要求12所述的方法，所述方法还包括通过探测或测量适合为所述生物氮移除工艺内脱硝化和/或厌氧氨氧化最大化工艺速率的电子供体进料速率和/或硝酸盐、亚硝酸盐或铵移除速率，维持每总无机氮移除特定电子供体进料速率或标准化的电子供体进料速率。

17.根据权利要求12所述的方法，其中所述生物氮移除工艺使用过滤器或反应器媒质，所述过滤器或反应器媒质由塑料、沙子、无烟煤、膨胀粘土、陶瓷、海绵、活性炭、磁铁矿、氧化铝、二氧化硅、多孔或无孔岩石、木屑或富含纤维素的材料、淀粉或其他含碳支持物、铁或富铁物质、石头、贝壳、橡胶、包括硝酸盐、亚硝酸盐或铵选择性树脂的树脂、膜生物膜或封装在纯净或混合培养基，或富电子供体、电子受体或其他微量营养素构成。

18.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述一个或多个区域包括不同容器，单个容器内、单个或多个媒质、单个或多个聚集体、生物膜或颗粒，或在单个或多个过滤器或反应器中的其他合成方法的多缓冲或虚拟阶段。

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