CN110234609A - 去除水中的硝酸盐 - Google Patents

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Abstract

一种硫脱氮系统包括：液体输入端，所述液体输入端流体耦合到含硝酸盐的盐水源；液体输出端，所述液体输出端流体耦合到所述盐水源；多个竖直定向的水箱，所述水箱中的至少一个包括流体耦合到所述液体输入端以接收盐水流的液体入口、被配置为封闭多个支持脱氮细菌的硫颗粒的体积，所述脱氮细菌将硝酸盐生物转化为氧化亚氮或氮气中的至少一种，以及流体耦合到所述液体输出端和所述水箱的液体入口的液体出口；以及循环系统，所述循环系统被配置为使一部分盐水循环通过到所述多个水箱的液体入口的所述液体输入端，通过所述多个水箱，并且从所述水箱的液体出口循环到所述液体输出端和所述水箱的液体入口。

Description

去除水中的硝酸盐
技术领域
本文件涉及用于去除水中的硝酸盐的系统和方法，更具体地，涉及用于水族箱或再循环水产养殖系统或两者的脱氮系统和方法。
背景技术
贮水箱，如水族箱和其他形成动物栖息地的容器，经常回收和再利用水箱中的水(如盐水或淡水)。在某些情况下，可以使用几种处理技术来清洁和处理再循环水。例如，可以去除不想要的颗粒，并且可以调节水的化学成分。在某些情况下，生活在水箱中的动物以及它们食用的饲料形成了水中的有害物质，例如因为未食用饲料的分解和动物排泄物。例如，硝酸盐可能是这种未被食用的动物饲料和动物排泄物的副产品，当在水中以不希望的浓度出现时，会影响动物健康。
发明内容
在一般实施方式中，硫脱氮系统包括流体耦合到容纳硝酸盐的盐水源的液体输入端；流体耦合到盐水源的液体输出端；多个竖直定向的水箱，至少一个水箱包括流体耦合到液体输入端以接收盐水流的液体入口；被配置为封闭多个支持脱氮细菌的硫颗粒的体积，所述脱氮细菌将硝酸盐生物转化为氧化亚氮或氮气中的至少一种；以及流体耦合到液体输出端和水箱的液体入口的液体出口；以及循环系统，被配置为使一部分盐水循环通过到多个水箱的液体入口的液体输入端，通过多个水箱，并且从水箱的液体出口循环到液体输出端和水箱的液体入口。
在可与一般实施方式组合的一个方面，多个水箱在液体输入端和液体输出端之间并联流体耦合。
在可与前述任一方面组合的另一方面，多个水箱中的至少一个包括被配置为封闭多个碳酸钙颗粒的体积。
可与前述任一方面组合的另一方面还包括二氧化碳注入装置，该二氧化碳注入装置流体耦合到被配置为封闭多个碳酸钙颗粒的体积，该二氧化碳注入装置被配置为将二氧化碳流循环到该体积中。
可与前述任一方面组合的另一方面还包括流体耦合在水箱的液体出口和多个水箱的液体入口之间的流量控制装置。
在可与前述任一方面组合的另一方面，流量控制装置包括调节阀，该调节阀位于连接在水箱的液体出口和多个水箱的液体入口之间的旁通导管中。
在可与前述任一方面组合的另一方面，脱氮细菌包括脱氮硫杆菌。
在可与前述任一方面组合的另一方面，多个水箱中的至少一个还包括位于水箱顶部或其附近的气体释放装置，该气体释放装置被配置为打开水箱的体积并将该体积流体耦合到等于或高于该体积中的设定压力下的周围环境。
在可与前述任一方面组合的另一方面，液体输出端包括膨胀阀和位于膨胀阀附近的气体释放装置，膨胀阀被配置为将循环系统中盐水的压力降低到等于或接近环境压力。
在可与前述任一方面组合的另一方面，循环系统包括一个或多个泵，该泵使用流体导管流体耦合到液体输入端、液体输出端和多个水箱。
可与前述任一方面组合的另一方面还包括温度控制系统，该温度控制系统包括安装在液体输入端、液体输出端或液体出口中的至少一个中的至少一个温度传感器；以及加热器，安装在液体输入端、液体输出端或液体输出端中的至少一个中，并被配置为升高盐水流的温度。
可与前述任一方面组合的另一方面还包括臭氧系统，该臭氧系统包括至少一个氧化还原电位传感器，安装在液体输入端、液体输出端或液体出口中的至少一个中；以及一个或多个臭氧接触器，安装在液体输出端中并被配置为将臭氧注入盐水流中。
在可与前述任一方面组合的另一方面，盐水源包括人造动物栖息地。
在可与前述任一方面组合的另一方面，人造动物栖息地包括水族馆或再循环水产养殖系统中的至少一个。
在另一个一般实施方式中，硫脱氮工艺包括将来自含硝酸盐的盐水源的盐水循环通过到多个竖直定向的水箱的液体输入端；使至少一部分盐水循环通过多个水箱中至少一个水箱的液体入口，并通过水箱内的多个支持脱氮细菌的硫颗粒；用脱氮细菌将至少一部分硝酸盐转化为氧化亚氮或氮气中的至少一种；使来自多个水箱的体积的盐水部分循环通过多个水箱的液体出口；将从液体出口循环的盐水部分配比成第一盐水流和第二盐水流；将第一盐水流从液体出口循环到盐水源；以及将第二盐水流循环到多个水箱的液体入口。
可与一般实施方式组合的一个方面还包括使盐水部分循环通过并联的竖直定向的水箱。
可与前述任一方面组合的另一方面还包括使另一盐水部分通过多个水箱中的另一个的液体入口和封闭在另一个水箱中的碳酸钙循环。
可与前述任一方面组合的另一方面还包括将二氧化碳注入封闭碳酸钙的另一个水箱中；以及基于注入的二氧化碳增加碳酸钙溶解到另一盐水部分中的速率。
在可与前述任一方面组合的另一方面，将二氧化碳注入到封闭碳酸钙的另一个水箱中包括将盐水的pH水平与阈值pH进行比较；基于比较，将二氧化碳注入另一个封闭碳酸钙的水箱中。
可与前述任一方面组合的另一方面还包括控制第二盐水流从液体出口到液体入口的流速。
在可与前述任一方面组合的另一方面，脱氮细菌包括脱氮硫杆菌。
可与前述任一方面组合的另一方面还包括从至少一个水箱向周围环境释放氮气。
可与前述任一方面组合的另一方面还包括将循环到盐水源的第一盐水流的压力降低至等于或接近环境压力；并且基于压力的降低，从第一盐水流中释放氮气。
可与前述任一方面组合的另一方面还包括将循环到多个水箱的液体入口的第二盐水流的压力降低至环境压力或接近环境压力；并且基于压力的降低，从第二盐水流中释放氮气。
在可与前述任一方面组合的另一方面，盐水源包括人造动物栖息地。
在另一个一般实施方式中，系统包括贮水箱，该贮水箱包括一定体积的含有硝酸盐的水；脱氮系统，流体耦合到贮水箱，以接收来自贮水箱的水流，使水流循环通过多个脱氮室，并在室内将至少一部分硝酸盐转化为氮气；以及控制系统。控制系统包括位于水流中的传感器；一个或多个硬件处理器；以及数据存储器，耦合到所述一个或多个硬件处理器并存储指令，所述指令当被一个或多个硬件处理器执行时，使得所述一个或多个硬件处理器执行操作，包括从传感器接收与水流中硝酸盐浓度相关联的测量值；将测量值与硝酸盐浓度设定点进行比较；以及基于超过硝酸盐浓度设定点的测量值调整脱氮系统的部件。
在可与一般实施方式组合的一个方面，调整脱氮系统的部件包括调节脱氮系统的至少一个阀，以降低从多个脱氮水箱的出口直接再循环到脱氮水箱的入口的水的流速。
在可与前述任一方面组合的另一方面，调整脱氮系统的部件包括调整脱氮系统的泵的速度，以降低水从贮水箱到脱氮系统的流速。
在可与前述任一方面组合的另一方面，脱氮系统的部件包括将二氧化碳流体注入脱氮系统的pH平衡水箱中，以增加碳酸钙或文石溶解到水流中的速率。
在可与前述任一方面组合的另一方面，调整脱氮系统的部件包括调整脱氮系统的膨胀阀，以降低从脱氮系统循环回贮水箱的水流压力。
在另一个一般实施方式中，一种方法包括将盐水从盐水储存水箱循环到多个水箱；使第一盐水部分循环通过储存在多个水箱中的至少一个水箱中的硫和脱氮细菌，以硝酸盐浓度降低速率降低盐水中的硝酸盐浓度；使第二盐水部分循环通过储存在多个水箱中的至少另一个水箱中的碳酸钙或文石；在多个水箱的下游混合第一盐水部分和第二盐水部分；将二氧化碳流体注入多个水箱中的另一个；以及基于注入二氧化碳流体来提高盐水中硝酸盐浓度的降低速率。
可与一般实施方式组合的一方面还包括基于注入的二氧化碳流体，增加溶解在盐水的混合的第一和第二部分中的溶液中的碳酸钙或文石的浓度。
在可与前述任一方面组合的另一方面，至少部分基于注入二氧化碳流体来增加盐水中硝酸盐浓度的降低速率包括基于溶解在盐水的混合的第一和第二部分中的溶液中的增加的碳酸钙或文石浓度来增加盐水中硝酸盐浓度的降低速率。
根据本公开的脱氮系统的一个、一些或全部实施方式可以包括一个或多个以下特征。例如，相对于常规脱氮系统，本公开的脱氮系统可以更高效地(例如泵送更少的水和使用更小尺寸的设备)，实施脱氮工艺以从动物栖息地去除硝酸盐。作为另一个示例，与常规脱氮系统相比，本公开的脱氮系统可以绝对去除更多的硝酸盐。作为另一个示例，与常规脱氮系统相比，本公开的脱氮系统可以在动物栖息地的较大水处理系统中无缝实施。作为另一个示例，本公开的脱氮系统可以更可靠地运行，并且提供更少的服务或工艺中断，从而为活体和呼吸脱氮生物工艺提供非常稳定的运行条件。脱氮系统的实施例可以优化这些参数，以延长工艺持久性。作为另一个示例，本公开的脱氮系统可以提供更大的集成能力，因为示例性实施例可以允许脱氮系统被构建为滑动单元，以提供用于比当前提供的任何系统更广泛范围的水源和参数类型的“即插即用”系统。作为另一个示例，与常规脱氮相比，本公开的脱氮系统可以提供更低的维护或操作者友好的版本。作为另一个示例，本公开的脱氮系统可以用盐水或淡水水源运行。
附图和下面的描述中阐述一个或多个实施例的细节。从说明书和附图以及权利要求书中，其他特征、目的和优点将是显而易见的。
附图说明
图1示出了根据本公开的盐水处理系统的示例实施方式的示意图。
图2A至图2B示出了根据本公开的用于盐水处理系统的脱氮系统的示例实施方式的示意图。
图3A至图3C示出了根据本公开的脱氮系统的水箱的示例实施方式。
图4示出了根据本公开的脱氮系统的控制系统的示意图。
图5示出了控制系统的控制器的示意图，该控制器可以应用于本公开中描述的任何由计算机实施的方法和其他技术。
具体实施方式
本文件讨论了脱氮系统的实施方式，该脱氮系统运行以将水流中的硝酸盐(例如，可溶的)转化为亚硝酸盐，然后转化为例如氧化亚氮(NxOx)，然后转化为氮气(N2)，以降低水流中的硝酸盐浓度。在一些方面，水流源自动物栖息地或其他再循环水生动物饲养系统，该系统用制造的一定体积的盐水(或一定体积的淡水)支持海鱼和其他动物。例如，本公开中描述的脱氮系统利用再循环回路来增加脱氮系统内水流的水力停留时间，从而提高脱氮工艺的效率。在一些方面，脱氮工艺是自养硫脱氮工艺，其还包括水的pH平衡以提高脱氮工艺的效率。
图1示出了盐水处理系统100的示例实施方式的示意图。通常，盐水处理系统100可以包括盐水源或流体耦合到盐水源，例如盐水源102，以接收盐水流101，过滤盐水流101，并在盐水流101返回到盐水源之前处理盐水流101(例如，机械、化学、生物或其组合处理)。在一些方面，盐水源可以是封闭的水箱，例如水族馆或再循环水产养殖系统。在一些方面，封闭水箱可以流体耦合到天然海水源(例如，海洋、海或其他来源)。在替代方面，封闭水箱可以不流体耦合到天然海水源，并且例如可以位于不紧邻天然海水源的地理区域(例如，在内陆区域)。在一些方面，作为水族馆或再循环水产养殖系统的封闭水箱可以支持活的动物，例如鱼、哺乳动物、甲壳类动物和其他动物。
在一些方面，水族箱系统和再循环水产养殖系统可以基于这些系统的不同目的具有不同的配置。例如，水族馆可以由单个动物栖息地水箱组成，或者由多个独立的动物栖息地水箱组成，这些独立的动物栖息地水箱流体耦合以共享水源，但又是独立的，因为来自一个水箱的动物通常不会或者永远不会被转移到另一个水箱。在某些方面，一种或多种特定动物可能在水族馆系统的单个水箱中度过其一生或大部分时间。对水族箱系统的关注可以包括在特定的水箱内保持较低的动物数量，使得水箱内的动物密度不超过特定的阈值(例如，使得动物观察不受阻碍，动物预期寿命最大化，等等)。
相反，再循环水产养殖系统(RAS)可以包括一个或多个淡水、微咸水或盐水(人工或天然类型)动物饲养或生长水箱的系统或一系列系统。这些水箱不一定是栖息地，但可以用于支持动物生命和动物生命的快速生长，以便最终收获和准备供人类食用的动物生命(例如鱼)。与水族箱系统相比，RAS可能具有较高的动物放养密度(或多种密度)，例如每立方米水中有数百公斤鱼。这种RAS动物密度可能是典型水族馆环境的100倍以上。
这些动物放养密度通常需要相对于水族馆系统的特定动物饲养率，这种动物饲养率会产生大量溶解的氮，这些氮变成硝酸盐，并且由于动物呼吸而产生大量二氧化碳。像水族馆系统一样，RAS中的过滤部件可能包括机械过滤、生物过滤和化学过滤。在RAS的一些方面，由于盐水源102中溶解的二氧化碳含量高，因此可以包括气体交换系统(例如，在系统100中)。二氧化碳可以利用RAS中的快速搅拌从盐水101中机械汽提，并在负压管道系统中收集。
如图1的示例性实施方式所示，系统100包括盐水源102，盐水源102通过导管107(例如管道)流体耦合到多个处理子系统，例如砂过滤系统108、泡沫分离系统110、脱氮系统112、臭氧系统114、脱泡系统120和回流池122。在这个示例中，系统100还包括泵106a、106b、116和118，它们被定位成将盐水流从盐水源102循环到系统100的一个或多个部件。
在该示例中，盐水源102是封闭的水箱(例如，顶部向周围环境开放)，其包括水族馆或再循环水产养殖系统，该系统支持动物生命，例如鱼和其他动物。在该示例性实施例中，盐水源102可保持或容纳约400万加仑盐水101，而包括导管、管道和前述子系统的系统100可保持或容纳超过600万加仑盐水101。封闭在系统100内的盐水101最初可以由淡水、盐和其他添加剂(例如化学物质)制成，或者可以从天然海水源(如果有的话)循环到系统中。为简单起见，图1的示意图中省略了系统100的某些部件，例如化学添加剂系统、补充盐水系统、营养添加剂系统(用于动物和植物饲养)。
如图所示，流体导管103和105将盐水源102耦合到回流池122。流体导管103将盐水源102中的盐水101的顶面耦合到回流池122，而流体导管105将盐水101的底部(例如，比盐水101的顶面深30至40英尺)耦合到回流池122。在一些实施方式中，盐水101可以例如通过重力从盐水源102流过表面撇渣器(在导管103中)和底部排水管(在导管105中)到达回流池122。在这个示例中，回流池122被分成两个部分，腔室124a和腔室124b，这两个腔室被壁分开。腔室124a通过导管103和105流体耦合到盐水源102。腔室124a也通过泵106a流体耦合到泡沫分离系统110。腔室124b流体耦合以接收来自泡沫分离系统110以及系统100的其他部件的盐水流101。
泡沫分离系统110(即蛋白质撇除系统)通常包括多个水箱，这些水箱包括从回流池122的腔室124a返回到腔室124b的再循环工艺回路。泡沫分离系统110的目标是通过结合空气/水来制造泡沫去除溶解的有机或液体废物，并且如图所示，可以包括泵119，该泵119使盐水101的至少一部分通过系统110的水箱再循环。水分子的极性和泡沫的表面张力对这些废物产生亲和力，这允许脏泡沫从系统110中的水箱的顶部“分离”，从而去除工艺产生的废物。在一些方面，少量臭氧气体可以被计量到泡沫分离系统110中的空气/水流中，以增强该工艺，并且还产生微絮凝，该微絮凝有助于盐水101的其他处理(例如，在砂过滤系统108中)。
砂过滤系统108流体耦合到回流池122的腔室124b，并且包括多个用于快速去除盐水流101中的颗粒的水箱。砂过滤系统108一旦装载了颗粒材料，也可以定期反冲洗以清洁它们。除了机械过滤水中的颗粒之外，砂过滤系统108还为需氧异养菌创造了茁壮成长的位置，这将在后面详细讨论。例如，由于砂过滤系统108的每个水箱内的水流高表面积大，所以一些生物过滤以及机械过滤过滤在操作期间发生。例如，砂过滤系统108的水箱内的生物膜可以合成营养物，例如氮、磷和有机碳。在一些示例中，砂过滤系统108可以去除盐水流中的大约20微米或更大的颗粒。
如该示例所示，脱氮系统112和臭氧系统114流体耦合，以从砂过滤系统108接收通过系统100的盐水流101的一些部分。例如，泵118定位成使盐水流101的一部分循环通过脱氮系统112，而泵116定位成使盐水流101的一部分循环通过臭氧系统114。
如图所示，脱氮系统112接收通过系统100循环的盐水流101的一部分。通常，脱氮系统112将盐水101中的硝酸盐生物转化为亚硝酸盐，然后是氧化亚氮，然后(可能)是氮气。例如，在水族箱和再循环水产养殖系统中，水源的变化，例如盐水源102中盐水101的水变化，可能是必要的，因为来自饲料和动物废物的氮基产物的积累最终成为溶解硝酸盐(NO3)的形式。这种硝酸盐可能形成为氮循环的硝化部分的最终产物，在高浓度下会导致水族箱内的动物如鱼类和无脊椎动物的慢性健康问题。氮循环的硝化部分是需氧的，由于需氧细菌和溶解氧的存在和丰富，所以在封闭水族馆或再循环水产养殖系统中，硝化部分容易在水中和基质上发生。在这种情况下，这些被称为脱氮剂的环境细菌很容易将氨(氨是主要的动物排泄物)氧化成亚硝酸盐，然后再氧化成硝酸盐。氮循环的脱氮部分可以通过脱氮剂进行，该部分将硝酸盐还原为气态氮。在某些方面，脱氮剂可以是兼性厌氧菌，其在低氧环境中利用替代氧源，例如硝酸盐化合物。这在封闭系统的水族馆中可能更难实现，例如，由于在其他有氧环境中难以复制和维持所需的厌氧条件。
盐水(或淡水)中硝酸盐浓度高的相关问题可以通过海水(或淡水)源中每周总体积的10-30％的水变化来解决。例如，水的变化包括将一部分盐水从封闭系统中循环出来，同时将另一部分新盐水(例如，人造的或来自天然盐水源)循环到系统中。新的盐水(或淡水)有助于稀释过量的硝酸盐浓度，从而维持动物的健康水化学环境。替代地，脱氮系统，例如脱氮系统112，可用于将盐水中的全部或部分硝酸盐转化为氮气，然后氮气可从盐水中去除。
在示例实施方式中，脱氮系统112可以是硫脱氮系统112。例如，硫脱氮(SDN)系统可以实施自养工艺，该工艺需要很少或不需要外部供给或补充碳能源。相比之下，异养脱氮依赖于外部供应的碳，通常以乙醇或甲醇的形式作为反应的能源。SDN工艺培养嗜硫兼性厌氧菌，其将硝酸盐(NO3)还原为氧化亚氮(NxOx)，最终还原为氮气(N2)。由于它们的厌氧特性，SDN的应用可能发生在含有元素硫的封闭反应器中，水的流速被确定为能保持低氧张力。在这种条件下，细菌如脱氮硫杆菌和其他类似的嗜硫细菌，依靠元素硫繁殖，并将硝酸盐还原成氮气，如反应式1所示：
硫是细菌存在的介质，也充当细菌的电子供体或能量来源。脱氮工艺还消耗二氧化碳、碳酸盐和碳酸氢盐形式的可用碳作为反应的主要成分。尽管碳酸盐在天然海水中很容易获得，但在再循环SDN工艺循环中，碳酸盐可能会耗尽。在盐水处理系统100的一些方面，例如文石之类的碳酸钙源可以放置在系统100内(或流体耦合到系统100的另一系统内，例如脱氮系统112)，以补充和优化SDN工艺。
如图所示，臭氧系统114接收通过系统100循环的盐水流101的一部分。在一些方面，臭氧气体可以在现场产生并注入系统100中的盐水中。在一些示例中，臭氧可以被注入泡沫分离系统110和臭氧接触器，作为位于砂过滤系统108下游的系统100中的臭氧系统114的一部分。臭氧接触器可以作为化学过滤的一种形式，包括盐水源102的颜色去除、有机去除和消毒。使用氧化还原电位(ORP)传感器测量臭氧的氧化效果，该传感器控制臭氧气体流向臭氧系统114中的臭氧接触器。来自泡沫分离系统110(通过砂过滤系统108和脱氮系统112)和臭氧系统114的臭氧化盐水循环到脱泡系统120。
在返回盐水源102之前，系统100中的盐水101被循环到脱泡系统120。脱泡系统120包括一个或多个脱气塔，该脱气塔平衡盐水101中的溶解气体，例如氧气和二氧化碳，使其与大气平衡。在一些方面，脱泡系统120也可以是发生在盐水中的生物过滤的有益生物膜生长位置。经处理的盐水101可例如通过导管109中的重力馈送从脱泡系统120循环返回盐水源102。
图1中未示出的一个或多个附加系统和子系统也可以是盐水处理系统100的一部分。例如，一个或多个热交换器(例如，板和框架、壳和管或其他形式的热交换器)可以在系统100内热耦合，并且也可以热耦合到一个或多个加热源(例如，锅炉)和一个或多个冷却源(例如，冷却器)。例如，在一些方面，一个或多个热交换器的第一侧可以流体耦合到系统100内的导管107，而一个或多个热交换器的第二侧可以流体耦合到加热源、冷却源或两者。热交换器的第一侧和第二侧可以热耦合以在盐水101和加热或冷却源之间交换热量。
盐水处理系统100还可以包括反冲洗回收系统，其可以在一个或多个水池中捕获砂滤器反冲洗废水。在一些方面，可以有至少一个“干净”盆和至少一个“脏”盆。使用脏盆和干净盆，砂滤器反冲洗水可以用系统100内的回收系统(如针对这些特征所描述的那样操作)的专用砂滤器、泡沫分离和臭氧接触进行批量处理。一旦批量过滤并回收到干净的水池中，反冲洗水可以被重复使用并循环到盐水源102。
盐水处理系统100还可以包括流量控制系统。流量控制系统可以包括泵106a、106b、116、118和119，例如用于泵送系统中的盐水流101，一个或多个流管，例如流流经的导管103、105、107和109，以及一个或多个阀，用于调节盐水101通过管的流量。在一些实施方式中，可以手动操作流量控制系统。例如，操作者可以设置每个泵的流速，并设置阀门打开或关闭位置，以调节盐水101通过流量控制系统中的管道的流量。一旦操作者已经为分布在盐水处理系统100中的所有流量控制系统设置了流速和阀打开或关闭位置，流量控制系统就可以在恒定的流动状况下(例如恒定的体积速率或其他流动状况下)，使盐水101在系统100内流动。为了改变流动状况，操作者可以例如通过改变泵的流量或阀打开或关闭位置手动操作流量控制系统。
在一些实施方式中，流量控制系统可以自动操作。例如，流量控制系统可以连接到计算机系统来操作流量控制系统。计算机系统可以包括计算机可读介质，该介质存储可由一个或多个处理器执行以执行操作(例如流量控制操作)的指令(例如流量控制指令和其他指令)。操作者可以使用计算机系统为分布在盐水处理系统100中的所有流量控制系统设置流速和阀打开或关闭位置。在这些实施方式中，操作者可以通过计算机系统提供输入来手动改变流动状况。此外，在这些实施方式中，计算机系统可以例如使用在盐水处理系统100中实施并连接到计算机系统的反馈系统自动(即，无需手动干预)控制一个或多个流量控制系统。例如，传感器(例如，压力传感器、温度传感器、流量传感器、硝酸盐传感器或其他传感器)可以连接到盐水101流经的管道。传感器可以监控盐水101的流动状况(例如，压力、温度、流速、硝酸盐浓度或其他流动状况)并将其提供给计算机系统。响应于流动状况超过阈值(例如，阈值压力值、阈值温度值、阈值流量值、阈值硝酸盐浓度值或其他阈值)，计算机系统可以自动执行操作。
在盐水处理系统100的示例操作中，盐水101从盐水源102循环到腔室124a。在一些方面，盐水源102可以包含大约400万加仑的盐水101，并且一部分盐水连续或周期性地循环到腔室124a。盐水101然后可以循环到泡沫分离系统110，在泡沫分离系统110中，例如溶解的有机和液体废物可以被去除，臭氧可以被放入盐水101中。在一些方面，循环到泡沫分离系统110的盐水101的量约为每分钟65,000加仑(gpm)。
盐水101从泡沫分离系统110循环回腔室124b，然后到砂过滤系统108，在砂过滤系统108中去除盐水101中的颗粒物质。如同泡沫分离系统110一样，砂过滤系统108可以处理大约65,000gpm的盐水101。
从砂过滤系统108循环的盐水101然后循环到脱泡系统120。盐水101的一些部分，例如流经泡沫分离系统110和砂过滤系统108的65,000gpm的部分循环到脱氮系统112，然后到臭氧系统114。在一些实施方式中，一小部分(例如，50gpm、100gpm、200gpm、300gpm、400gpm或另一体积流速)循环通过脱氮系统112，然后到臭氧系统114，然后循环(盐水101的主流)到脱泡系统120。一旦臭氧已经接触盐水101，硝酸盐从盐水101中被去除，盐水101中的溶解气体被平衡，盐水流101被返回到盐水源102。
图2A至图2B示出了用于盐水处理系统的脱氮系统的示例实施方式的示意图。例如，图2A示出了硫脱氮系统200的示例性实施方式，在一些方面，硫脱氮系统200可以实施为图1所示的脱氮系统112。例如，如图2A所示，脱氮系统200流体耦合以接收来自盐水源102的盐水流101，处理盐水流101(例如，实施脱氮工艺)，并将处理后的盐水101返回盐水源102。
如图所示，通常，脱氮系统200包括流体耦合到盐水源102的再循环回路，并且在再循环回路中包括多个水箱206。再循环回路包括入口集管202，入口集管202流体耦合到盐水源102，并通过阀212流体耦合到水箱206的入口。再循环回路还包括出口集管204，出口集管204流体耦合到盐水源102，并通过阀214流体耦合到水箱206的出口。出口集管204也流体耦合到入口集管202，例如通过旁通集管220和阀222。
在该示例中，至少一些水箱206限定了可以容纳脱氮工艺中使用的介质230和细菌的体积。例如，在一些方面，至少一些水箱206可以容纳支持细菌(例如脱氮硫杆菌)的硫介质230，所述细菌用于在SDN期间将硝酸盐转化为例如氧化亚氮和/或氮气。在一些示例中，介质230可以包括由99.9％元素硫“小颗粒”组成的硫介质。
此外，在该示例中，至少一个水箱206可以限定能够容纳例如碳酸钙(CaCO3)或文石(即，天然存在的CaCO3)之类的碳酸钙介质240的体积。例如，如图所示，水箱206相对于入口集管202和出口集管204并联，几个(例如四个)水箱206容纳脱氮介质230，而一个水箱206容纳碳酸钙介质240。在替代实施方式中，可以有更多或更少的容纳脱氮介质230的水箱206，并且可以有更多或更少的容纳碳酸钙介质240的水箱206。
在该示例中，容纳碳酸钙介质240的水箱206还包括二氧化碳(CO2)注入系统228。例如，在一些方面，SDN可以在大约5.5pH的水pH下实施得更多。碳酸钙介质240(例如，CaCO3、文石或其他介质)可以帮助保持盐水101的特定或预定的pH，但是也可以通过向盐水101中提供溶解的碳酸盐和碳酸氢盐(在某些情况下，一定丰度的这种物质)来影响SDN工艺。在一些方面，这种溶解的碳酸盐和碳酸氢盐可以提高效率(例如，硝酸盐变成氧化亚氮或氮气的速率)。在一些方面，当CaCO3被添加到一个或多个水箱206中时，SDN的反应效率可以提高30-60％(例如，增加硝酸盐对氮气或NxOx的比率)。
此外，在一些方面，CO2注入系统228可以流体耦合到容纳碳酸钙介质240的水箱206，以将CO2气体流输送到水箱206中。在一些实施方式中，气态CO2可以溶解或增加碳酸钙介质240在盐水流101中的溶解速率，从而提高SDN的效率(例如，增加硝酸盐对氮气的速率)。在一些方面，例如在RAS中，可以从气体交换系统(在该图中未示出)输送CO2流，该气体交换系统从盐水101中去除溶解的CO2。例如，收获的CO2(例如，来自气体交换系统)可以通过在容纳碳酸钙介质240的水箱206中注入的CO2引入系统200。
在一些实施方式中，特定的水箱206(或多个水箱206)可以将硫介质230和碳酸钙介质240保持在一起。例如，在一些实施方式中，硫介质230、脱氮细菌和CaCO3(例如文石)可以在一个或多个水箱206中混合在一起。在一些方面，细菌自然存在于硫颗粒上，并且可能不需要来自系统100的操作者的其他形式的添加或补充。在一些方面，多个水箱206可以包括介质230、细菌和文石，而其他水箱206可以包括硫介质240/细菌或文石中的一种或另一种。在包括介质240/细菌和文石的水箱206中，碳酸钙介质240可以放置在硫介质230的顶部，例如硫与文石的比例为8比1。介质230和240可以在这种配置中保持层化和分层，从而允许在需要时监测和补充文石体积。在其它方面，文石和硫介质230可以在同一水箱206(或多个水箱206)中按比例掺和在一起，例如硫与文石的比例高达1比1，在该混合物中没有层化或分层。
在该示例中，每个水箱206包括位于水箱206出口处(例如，在水箱206和出口集管204之间)的反冲洗管线218。例如，在一些方面，反冲洗管线218可以打开，以允许冲洗并因此清洁水箱206内的硫和文石介质(单独或组合)。例如，为了减少细菌污泥(例如异养生物)对介质(例如介质230或240或两者)的生物污染，可能需要分别反冲洗或增加到每个水箱206的上涌流量，并将盐水101的一部分排放到回收系统(例如，在盐水源102中再利用)或卫生下水道。在一些方面，反冲洗或排放可以有助于消除硫介质230可能经常发生的沟道效应。例如，反冲洗有助于保持水的持续流动，并尽可能多地接触硫体积。沟道效应通常会导致过度缺氧区，从而降低效率并释放有害的硫化氢气体。
在该示例中，每个水箱206还包括气体释放装置216，该气体释放装置216流体耦合到水箱206的内部体积。在一些方面，气体释放装置216可以基于水箱206的体积内的预定或当前压力自动操作，以将气体流232释放到周围环境中。例如，气体232可以是来自水箱206内脱氮工艺的氧化亚氮和/或氮气。作为另一个示例，可以通过气体释放装置216释放例如CO2之类的其他气体。
如该示例所示，附加的气体释放装置224位于旁通导管220和阀234下游的出口集管204中。例如膨胀阀之类的孔口234也位于气体释放装置224上游的出口集管204中。组合起来，气体释放装置224和孔口234可操作来提供压降，以进一步将气体例如氮气释放到周围环境中。例如，孔口234和相邻气体释放装置224的结合(其可以位于系统200中的升高位置(在一些方面，系统200中的最高高度))可以相对于回路的其他部分(例如，水箱206、入口集管202)产生再循环回路的低压或减压区域。在这个高度高、压力低的区域，盐水101中的氮气和其他气体可以从液体中鼓泡出来并释放到周围环境中。例如，由于压力下降导致的相变，新释放的氮气和类似气体可以立即从再循环回路中排出，从而防止这些气体溶解回溶液中(例如，由于泵208将盐水101泵送通过回路)。
如图所示，另一气体释放装置224也可以定位在旁通导管220中(在该示例中，在旁通阀222的下游)。旁通阀222和气体释放装置242也可以位于系统200中的升高位置(并且在一些方面是系统200中的最高高度)。如上所述，相对于回路的其他部分(例如，水箱206、入口集管202)，这种升高的定位可以产生再循环回路的低压或减压区域。在该升高的低压区域，盐水101中的氮气和其他气体可以从液体中鼓泡出来，并被释放到旁通阀222正下游的周围环境中，旁通阀222也与旁通导管220中的气体释放装置224结合或组合操作。
示例系统200包括泵208和阀210。泵208(例如，离心泵或其他形式的泵，并且可以与泵118相同)可以将盐水101从盐水源102(例如，如图1所示)循环到入口集管202中，以流过再循环回路。在一些方面，阀210可以被控制(例如，调节)以改变循环到所有水箱206的盐水101的流速。在替代方面，阀210可以是隔离阀或调节阀，并且泵208可以可控地改变(例如，用变频驱动器、步进电机或其他方式)以改变盐水101的流速。在其他替代实施方式中，泵208和阀210可以提供盐水101通过再循环回路的恒定或基本恒定的流速。
如上所述，阀212和214分别位于水箱206的入口和出口。在一些方面，阀212和214可以是关闭隔离阀(例如，能够完全关闭或完全打开)，当操作时(例如，手动或自动)，其可以将水箱206(单独或组合地)与再循环回路流体隔离。在替代方面，阀212和214中的一个或多个可以是调节控制阀，当操作时，该控制阀可以调节盐水101到水箱的流速(单独或组合)。
其他阀或流量控制装置也可以位于再循环回路中。例如，如图所示，调节阀222(例如，自动或手动地，或两者兼有)被定位成控制从出口集管204循环到入口集管202的盐水101的流速。因此，控制阀222可被控制以改变再循环回路中再循环的盐水101的流速，用于进一步处理(例如，用于进一步去除硝酸盐、碳酸盐添加或两者)，以及在脱氮工艺中提供展示水的最佳水力停留时间(HRT)。因此，根据示例脱氮系统200，可以有两个回路。第一回路包括入口集管202和出口集管204以及旁通集管220。第二回路包括入口集管202和出口集管204，但不包括旁通集管220。第一回路通过水箱206泵送和再循环(例如，连续地)，而第二回路将少量盐水101(例如，相对于盐水102中盐水101的总体积，或相对于通过盐水处理系统100循环的盐水101的量)从盐水源102滴定到第一回路并再次返回盐水源102。
在一些方面，第一回路包含以特定参数(例如压力、速度)循环的盐水101，以有效利用脱氮介质230(例如硫)和水箱206内的细菌的全部体积和表面积。在一些方面，为了确保满足这些参数，特定体积的盐水101可以多次循环通过水箱206，以实现该体积盐水101的有效(例如，实现特定硝酸盐浓度)脱氮。在一些方面，相对于例如水箱206内的介质体积量，这种多次循环可以更好地实现有效的脱氮。因此，相对于常规脱氮系统，可以在具有较小水箱的系统200中实现有效的脱氮。
在一些方面，可以控制盐水101通过第二回路(例如，从盐水源102流出和流入盐水源102)的流速，不会淹没第一回路中的盐水101的流量。例如，如果过多的盐水101循环到第二回路中，则在第一回路中可能不会发生有效的脱氮作用，溶解氧含量可能上升，并且总硝酸盐浓度可能上升或不下降，以便考虑例如盐水101中的饲料和动物排泄物。
在系统200的示例操作中，来自盐水源102的盐水101循环到入口集管202中，并且循环到并联的水箱206。在一些方面，通过每个水箱206循环的盐水101的流速相似、基本相似或相同。在水箱206的至少一部分内，盐水101流过介质230和脱氮细菌，脱氮工艺将盐水101内的硝酸盐转化为氮气，如前所述。氧化亚氮或氮气通过气体释放装置216从水箱206中释放。如图所示，在至少一个水箱206内，盐水101流过介质240，通过介质240发生碳酸钙(例如文石)添加工艺，以及pH平衡工艺(例如，pH保持在至少5.5的最小值)。此外，由于介质240包括CaCO3或文石，这种介质的碎片溶解到盐水101中。在一些方面，CO2注入装置将气态CO2引入容纳碳酸钙介质240的水箱206中，从而进一步在盐水101中溶解CO2和碳酸盐或增加CO2和碳酸盐在盐水101中的溶解速率。处理过的盐水101从水箱206流入出口集管204。一部分处理过的盐水101通过旁通集管220流回入口集管202，而另一部分处理过的盐水101流回盐水源102。流过旁通集管220的那部分处理过的盐水101可以与来自盐水源102的额外盐水流101汇合，并循环回水箱206。
在该示例的附加操作或方面中，温度控制系统242可以包括在系统200内，例如旁通导管220内。例如，温度控制系统242内的加热源可以操作(例如，由气体、电力、太阳能或其他能量形式提供动力)来加热系统200的再循环回路内的盐水101。例如，温度控制系统242可被操作(例如自动或手动)以将再循环回路中的盐水温度保持在或大约20℃至22℃(例如设定点温度)。温度控制系统242可以包括测量旁通导管220中盐水101的温度的恒温器和加热源。在一些方面，温度控制系统242可以不包括加热源，而是可以可通信地耦合到控制器，该控制器基于来自系统242的温度测量值来控制系统200内的加热源。
在该示例的另一示例操作或方面中，臭氧气体注入和加压水箱接触系统244可以包括在系统200内(例如，在孔口234和气体释放装置224的下游)，以在盐水101返回水箱102之前处理盐水101。在一些方面，除了图1所示的臭氧系统114之外，该臭氧气体注入和加压水箱接触系统244也可以操作。在一些方面，该臭氧气体注入和加压水箱接触系统244可以替代图1所示的臭氧系统114操作，并且在一些情况下，可以替换臭氧系统114。因此，在一些方面，脱氮系统200可以包括作为单个套件的臭氧系统(根据本公开)。在操作中，硫脱氮工艺可以产生减少的化学物质，如果不进行处理，这些化学物质可能对生活在盐水源102中的动物有害。在盐水101返回盐水源102之前氧化盐水101可以处理这种流出物，以确保对例如生活在盐水源102中的动物(例如水族馆或水产养殖栖息地)没有有害影响。臭氧气体注入和加压水箱接触系统244可以包括氧化还原电位(ORP)传感器，该传感器测量盐水101作为氧化剂或还原剂的能力，以便控制从系统244到盐水101的臭氧剂量。ORP传感器在操作中向控制器提供反馈，控制器又可控制系统244、臭氧系统114或两者，以将盐水101中的ORP值保持在200毫伏以上但不超过400毫伏。
转到图2B，该图图示了硫脱氮系统250的示例性实施方式，在一些方面，硫脱氮系统250可以实施为图1所示的脱氮系统112。如图2B所示，系统250通常包括两个脱氮系统200，它们流体耦合以接收来自盐水源102的盐水流101，处理盐水流101(例如，通过脱氮工艺和pH平衡工艺)，并将至少一部分处理后的盐水101返回盐水源102。因此，在脱氮系统250内，每个系统200可以是可以独立或串联操作和控制的子系统，以提供盐水101的脱氮、pH平衡或两者。进一步的示例脱氮系统可以包括三个或更多子系统200，例如，与盐水源102流体并联耦合。此外，系统250内的每个子系统200可以包括更多的水箱206或更少的水箱206，包括更多或更少的具有脱氮介质230的水箱206和更多或更少的具有碳酸钙介质240的水箱206。系统250内每个子系统200的示例操作可以类似于前面描述的操作，并且可以每个子系统200独立实施(例如，每个子系统200的部件可以被控制为不同的参数或期望的输出)，或者串联实施(例如，每个子系统200的部件可以被控制为相同或相似的参数或期望的输出)。
图3A至图3C示出了脱氮系统的水箱300的示例实施方式。在一些方面，水箱300可以类似于或等同于图2A和图2B所示的一个或多个水箱206。因此，水箱300可用于脱氮工艺(例如，用脱氮介质230)、pH平衡和文石添加工艺(例如，用碳酸钙介质240)或两者。图3A示出了水箱300的侧面剖视图。图3B示出了包括盐水入口歧管312的水箱300底部的截面平面图。图3C示出了包括盐水出口310的水箱300顶部的截面平面图。
在该示例中，水箱300包括壳体302，壳体302封闭一定体积并支撑在基座306上。在该图中，水箱300被示为垂直取向，例如，体积的长轴相对于水箱300支撑在其上的地板垂直取向。因此，长轴在重力方向上对齐。在一些方面，图2A至图2B所示的每个水箱206也垂直对齐。通过垂直对齐水箱300，水箱300内待处理的盐水流实现与工艺介质322(例如，支持脱氮细菌的脱氮介质，例如硫，或碳酸钙介质，例如CaCO3)的充分接触和充分接触时间。在示例性水箱300中，介质322可以是支持脱氮细菌的硫。硫322也可以被支撑在豆砾石层324上，豆砾石层324位于壳体302的底部。
壳体302包括多个配件。例如，进入面板304和308可以如图所示分别位于壳体302的下部和上部。这种进入面板304和308可以是可打开的，以供人类进入或视觉进入壳体302的体积(例如，用于检查、清洁或其他)。此外，样本端口320可以沿着壳体302垂直定位，以执行例如介质322和流过介质322的盐水的手动水采样。
如图3B中更清楚地示出的，盐水入口歧管312包括入口318，该入口318通过集管316与多个出口分支314流体耦合。出口分支314靠近壳体302的端部包括开口，以允许盐水从入口318流过集管316，并通过分支314进入壳体302的体积。如图所示，出口分支314分散(例如，均匀地)在豆砾石324内的壳体302的体积中。在一些方面，这种分散可以提供盐水从壳体302的底部垂直向上穿过体积并到达盐水出口310的均匀或基本均匀的流动。在一些方面，一个或多个出口分支314可以具有沿分支314的长度布置的穿孔或细切狭缝，从而提供从穿孔输出的盐水，而不允许介质落入或进入出口分支314。在替代实施方式中，可以有单一入口让盐水进入壳体302，而不是具有多个出口的歧管。在进一步的替代实施方式中，出口分配歧管可以与类似于入口歧管出口312的穿孔或细切狭缝一起使用。例如，出口歧管可以防止或帮助防止容器302内的介质322逃逸到出口310中。此外，为此目的，可以使用筛网、穿孔板或其他密封机构来防止介质322从水箱300中逸出。
在该示例中，盐水出口310位于容器侧壁302的顶部，并与壳体302的垂直轴对齐。在替代实施方式中，盐水出口310可以位于壳体302的顶部，但是偏离壳体302的垂直轴，或者偏离靠近顶部的壳体302的横侧。
在操作中，盐水通过入口318循环(例如，强制地)并进入盐水入口歧管312。盐水从例如歧管312的分支314流出，例如通过分支314中的穿孔或细切狭缝、分支314端部的出口或两者。盐水循环通过豆砾石324并进入介质322。在脱氮水箱300的情况下，盐水循环通过支持脱氮细菌的介质322。如上所述，脱氮工艺发生在介质322中。硝酸盐被细菌转化为亚硝酸盐，然后转化为氧化亚氮和/或氮气，其可以通过气体释放装置离开水箱300，该气体释放装置可以连接到位于壳体302顶部的气体释放连接件326。在pH平衡水箱300的情况下，介质322可以包括溶解在盐水中的CaCO3或文石。处理后的盐水从介质322流入壳体302的顶部，并通过盐水出口310离开水箱300。
图4示出了脱氮系统的控制系统400的示意图。例如，根据本公开，控制系统400可用于控制例如脱氮系统112、脱氮系统200、脱氮系统250或其他脱氮系统。如图所示，控制系统400包括可通信地耦合到数据库404以及输入(用进入控制器402的连接箭头示出)和输出(用离开控制器402的连接箭头示出)的控制器402(例如，基于微处理器的控制器、PLC控制器、机电控制器、气动控制器或其他形式的控制器)。控制器402和数据库404中的一个或两个可以存储编码在非暂时性计算机可读介质上的指令，该指令与控制器402一起将输入和设定点(例如，由控制系统400的操作者提供)转换成输出，以控制脱氮系统的一个或多个部件。
如图所示，脱氮系统可以有多个部件向控制器402提供输入。例如，硝酸盐浓度传感器406可以定位在脱氮系统内(例如，在承载含硝酸盐的盐水或淡水流的流动导管内、脱氮水箱内或与盐水接触的其它地方)，以测量盐水流中的硝酸盐浓度(例如，百万分之几或其它单位)。硝酸盐浓度的测量值(例如，百分比或绝对值)可以传输到控制器402。在一些方面，硝酸盐浓度传感器406可以测量进入脱氮系统的盐水流和离开脱氮系统的盐水流之间的硝酸盐浓度差。在一些示例中，硝酸盐浓度传感器406可以是来自Hach公司的NITRATAX。作为另一个示例，传感器406可以是来自OTT Hydromet的Sea-Bird Coastal SUNA OpticalNitrate Sensor。在一些方面，传感器406可以包括基于试剂的分析仪，该分析仪具有用于测量硝酸盐的光电池。传感器406可以用机载24VDC继电器输出4-20mA信号，用于例如通过控制器402控制工艺设备。
控制器402还可以从一个或多个压差传感器408(例如，在此示出为两个传感器)接收压差(DP)测量值。例如，参考图2A所示的脱氮系统200，DP传感器408可以被定位成测量泵208两端以及出口集管204和入口集管202之间的流体压差。例如，控制器402可以使用这种测量值来确定流经系统200的再循环回路的盐水的相对流速。
控制器402还可以接收来自一个或多个流量计410(例如，这里示出了五个，但是也可以考虑更多或更少)和412(示出为两个，但是可以更多或更少)的输入。例如，在一些方面，流量计410可以位于图2A所示系统200的每个水箱206的入口或出口，以便测量通过每个单独水箱206的盐水流速。在一些方面，流量计412也可以位于再循环回路中，例如入口集管202、出口集管204或旁通集管220中的一个或多个处。每个流量计410/412可以在流量计410/412所处的特定位置测量盐水的流速(以gpm或其他单位计)，并将测量值提供给控制器402。
控制器402还可以接收来自恒温器或温度传感器428的输入，恒温器或温度传感器428是温度控制系统(例如，图2A所示的温度控制系统242)的一部分。恒温器428可以周期性地提供例如脱氮系统内的盐水流的温度测量值。而控制器402也可以可通信地耦合到温度控制系统的加热器系统424，该加热器系统424位于脱氮系统的再循环回路中(例如，在回路的旁通导管内或其他位置)。
控制器402还可以接收来自ORP传感器430的输入(例如，作为图2A所示的臭氧气体注入和加压水箱接触系统244的一部分)。ORP传感器430可以测量盐水101作为氧化剂或还原剂的能力。而控制器402也可通信地耦合以控制臭氧系统426，例如臭氧气体注入和加压水箱接触系统244、臭氧系统114，或者在包括两个分离的臭氧系统的情况下控制这两者。
控制器402还可以接收来自溶解氧(DO)传感器432的输入。DO传感器432可以位于脱氮系统中，以测量盐水中溶解氧的量。例如，在一些方面，氧传感器可以放置在再循环回路中(例如，在一个或多个水箱的入口或出口处或附近、入口集管中、出口集管中、旁通集管中)，以测量盐水中溶解氧的浓度。在一些方面，例如，诸如当脱氮系统是使用兼性脱氮细菌的自养脱氮系统时，当氧浓度保持相对较低时，脱氮工艺可能是最高效的。例如，兼性厌氧细菌当位于厌氧环境中时，利用例如硝酸盐的替代氧源作为替代氧源。因此，当环境为厌氧环境时，硫脱氮系统中的细菌可以更高效地将硝酸盐转化为氮气。然而，厌氧条件可能难以在封闭系统的水族馆中实现，因为这种生境需要厌氧条件(例如，由于动物的需要)。
如图所示，控制器402可以可通信地耦合(例如，无线或有线)以控制例如脱氮系统200的脱氮系统的多个部件的操作。例如，控制器402可以可通信地耦合到CO2注入装置414，CO2注入装置414例如可以是图2A中描述的CO2注入装置228。控制器402还可以可通信地耦合到控制阀416，控制阀416分别位于例如脱氮系统200中的旁通集管220和入口集管202中。控制器402还可以可通信地耦合到控制阀418和420，控制阀418和420分别位于脱氮系统200中的水箱206的入口和水箱206的出口。控制器402还可以可通信地耦合到一个或多个泵422(这里示出了一个，但是更多或更少是可能的)。例如，泵422可以代表脱氮系统200中所示的循环泵208。
在一些方面，阀416可以在完全打开和完全关闭之间可控地调节，以调节在其中循环的盐水的流速。相反，阀418和420可以可控地操作以完全关闭或完全打开。然而，在替代实施方式中，每个阀416/418/420可以是调节阀(例如，被控制为在完全打开和完全关闭之间进行调节)。
在一些方面，泵422也可以被控制为开启(例如，全功率或铭牌功率)或关闭(例如，无功率)。因此，一个或多个阀416/418/420的操作可以控制通过脱氮系统循环的盐水的流速。基于每个阀416/418/420的操作，与脱氮系统内的盐水的其他部分相比，盐水的一些部分可以以不同的流速流动。在特定示例实施方式中，泵422可以被控制以使盐水以恒定或基本恒定的流速循环，而位于旁通集管(例如旁通集管220)中的阀416被调节以控制盐水通过脱氮系统的流速。阀418/420在该示例实施方式中可以是隔离阀，被控制(用控制系统400或手动)为完全打开或完全关闭。
在另一个特定示例实施方式中，泵422可以被控制以改变盐水的流速，例如通过变频驱动器、步进电机或其他电机控制器。在该具体实施方式中，所有阀416/418/420可以是隔离阀(例如，完全打开或完全关闭)，并且泵422负责控制和调节脱氮系统的再循环回路中盐水的流速。在某些情况下，即使在这个示例中，旁通集管中的阀416也可以是调节阀。
控制器402可以接收前面描述的示例输入，并在作为指令存储在控制器402中的一个或多个操作算法中使用存储在数据库404中的一个或多个输入和设定点，控制脱氮系统的部件。在控制器402的示例操作中，硝酸盐浓度测量值可以从硝酸盐浓度406发送到控制器402。在一些情况下，该测量值可以动态地(例如，当盐水流过脱氮系统时实时地)和周期性地(例如，每分钟、每小时、每天或其他时间周期)发送。控制器402将盐水中测量的硝酸盐浓度与硝酸盐设定点值(或设定点范围)进行比较，该硝酸盐设定点值(或设定点范围)例如由操作者设定并存储在控制器402或数据库404中。如果测量的浓度小于或等于设定点，控制器402可以不采取行动。
如果测量的浓度高于设定值或设定点值范围的上限，控制器402可以向脱氮系统的一个或多个部件提供信号，以便降低盐水中硝酸盐的浓度。例如，控制器402可以向旁通集管中的阀416(或任何阀416/418/420，独立地或组合地)发出信号，以增加阀的打开百分比状态。在一些方面，例如，当旁通集管中的阀416打开时，来自脱氮水箱出口的更多盐水再循环回到脱氮水箱的入口。这可能增加盐水在脱氮系统内(例如，在脱氮系统的再循环回路内)的水力停留时间。随着盐水在脱氮系统中的水力停留时间的增加(例如，随着特定体积的盐水流过脱氮水箱的次数的增加)，更多的硝酸盐可以变成亚硝酸盐，然后变成氮气，从而降低盐水中的硝酸盐浓度。当控制器402从硝酸盐浓度传感器406接收到额外的硝酸盐浓度测量值时，控制器402可以继续打开阀416或停止打开阀416(例如，当测量值小于设定点时)。
控制器402也可以或替代地向泵422发送信号，以降低在脱氮系统的再循环回路中循环的盐水的流速。例如，随着泵220变慢，再循环回路中的盐水花费更多的时间(例如，从底部到顶部垂直)循环通过脱氮水箱。这也可以增加盐水在脱氮系统内(例如，在脱氮系统的再循环回路内)的水力停留时间，如前所述，这可以增加脱氮工艺中硝酸盐向氮气的变化速率。当控制器402从硝酸盐浓度传感器406接收到额外的硝酸盐浓度测量值时，控制器402可以继续降低泵422的速度或者停止改变泵422的速度(例如，当测量值小于设定点时)。
控制器402还可以或替代地向CO2注入装置414发送信号，以增加注入脱氮系统的pH平衡水箱中的CO2量。例如，随着更多的CO2被注入到pH平衡水箱中，水箱中的CaCO3或文石可以更快地溶解在盐水中。随着循环回路盐水中CaCO3或文石浓度的增加，脱氮工艺也可能增加。当控制器402从硝酸盐浓度传感器406接收到额外的硝酸盐浓度测量值时，控制器402可以继续增加注入到pH平衡水箱中的CO2的速率或者保持CO2注入速率恒定(例如，当测量值小于设定点时)。
在另一个示例操作中，控制器402可以将来自传感器428的温度测量值与设定点温度进行比较，并且基于该比较，操作加热器424(或其他部件，例如一个或多个阀416/418)，以将盐水流量保持在预定设定点或以上。例如，如果测量的温度太低，加热器424可以被致动或增加功率，或者一个或多个阀416/418可以被调节以限制流动来加热盐水流。
在其他示例操作中，DO传感器432测量盐水中的溶解氧量，并将测量值提供给控制器402。控制器402可以将测量到的DO与例如由操作者设定并存储在控制器402或数据库404中的DO的设定点值进行比较。在一些方面，设定点可以低于约3.0mg/l或40％饱和度，这被认为是发生脱氮的最小值。在一些方面，设定点可以在大约0.10mg/l至2.0mg/l之间，以发生理想的SDN。
DO测量值可以从传感器432动态地(例如，当盐水流过脱氮系统时实时地)和周期性地(例如，每分钟、每小时、每天或其他时间周期)发送到控制器402。如果测量到的DO小于或等于设定点(或在设定点范围内)，控制器402可以不采取行动。如果测量的浓度大于设定值或在设定值范围之外，控制器402可以向脱氮系统的一个或多个部件提供信号，以便降低盐水中的氧浓度。例如，为了降低DO浓度，控制器402可以控制入口集管中的阀416，以使较少的盐水从源循环到脱氮系统中。通过降低盐水进入脱氮系统的流速，再循环盐水的水力停留率增加，DO减少。
在其他示例操作中，可由控制器402计算理论硝酸盐去除量。例如，控制器402可以通过使用通过脱氮系统并返回盐水水源(例如，第二回路)的流速的测量值以及进入硝酸盐浓度和离开硝酸盐浓度之间的差值(例如，进入第二回路和离开第二回路)来计算理论硝酸盐去除量。这种差值可以是SDN工艺的硝酸盐增量，并且可以被控制器402用来计算SDN工艺的净硝酸盐通量。该净硝酸盐通量可以显示为输入，并且可能作为控制器402的设定点输入，从而为控制器402创建输出以试图实现或保持。
在这些工艺中，控制器402还可以周期性地接收其他值，例如来自传感器408的压差值和来自传感器410和412的流速值，并将这些值与压差和流速的相应设定点(或设定点范围)进行比较，以确保这些测量值在可接受的范围内。例如，控制器402可以实现反馈回路，该反馈回路周期性地从脱氮系统中的传感器接收诸如压差值、流速、温度和其他测量值的测量值，并将这些值与同这些值相关联的存储设定点(或设定点范围)(例如，由控制系统400的操作者设定)进行比较。如果测量值不满足设定点(或在设定点范围之外)，则控制器402可以调节一个或多个部件(例如，阀416/418/420、泵422或其他部件)，直到测量值满足设定点或在设定点范围内。
在一些方面，控制器402可以比较输入装置的值，例如流量、温度、溶解氧、pH或ORP，并将测量值与可以在数据库404中设置的预定报警参数进行比较。如果测量的输入参数超出了安全范围，则可以采取可执行的操作来关闭或隔离系统，并创建“锁定”条件，在正常运行条件重新建立之前，必须由操作者清除该条件。警报也可以作为输出装置生成，包括使用无线或IP连接以电话或基于文本的消息发送的可视、可听或通知警报。
图5是用于控制系统的控制器500(例如用于控制系统400的控制器402)的示意图。根据一些实施方式，例如注入物检测系统和工艺的实施方式，控制器500可以用于执行与前面描述的任何由计算机实施的方法相关联描述的操作。在一些实施方式中，本说明书中描述的计算系统和装置以及功能操作可以在数字电子电路、有形具体实施的计算机软件或固件、包括本说明书中公开的结构(例如，控制系统400)及其结构等同物的计算机硬件、或者它们中的一个或多个的组合中实施。控制器500旨在包括各种形式的数字计算机，例如膝上型计算机、台式计算机、工作站、个人数字助理、服务器、刀片服务器、大型主机和其他合适的计算机，包括安装在模块化车辆的基本单元或吊舱单元上的车辆。控制器500还可以包括移动装置，例如个人数字助理、蜂窝电话、智能手机和其他类似的计算装置。此外，该系统可以包括便携式存储介质，例如通用串行总线(USB)闪存驱动器。例如，USB闪存驱动器可以存储操作系统和其他应用程序。USB闪存驱动器可以包括输入/输出部件，例如可以插入另一计算装置的USB端口的无线发射器或USB连接器。
控制器500包括处理器510、存储器520、存储装置530和输入/输出装置540。部件510、520、530和540中的每一个都使用系统总线550互连。处理器510能够处理在控制器500内执行的指令。处理器可以使用多种架构中的任何一种来设计。例如，处理器510可以是CISC(复杂指令集计算机)处理器、RISC(精简指令集计算机)处理器或MISC(最小指令集计算机)处理器。
在一个实施方式中，处理器510是单线程处理器。在另一实施方式中，处理器510是多线程处理器。处理器510能够处理存储在存储器520或存储装置530中的指令，以在输入/输出装置540上显示用户界面的图形信息。
存储器520在控制器500中存储信息。在一个实施方式中，存储器520是计算机可读介质。在一个实施方式中，存储器520是易失性存储器单元。在另一实施方式中，存储器520是非易失性存储器单元。
存储装置530能够为控制器500提供大容量存储。在一个实施方式中，存储装置530是计算机可读介质。在各种不同的实施方式中，存储装置530可以是软盘装置、硬盘装置、光盘装置或磁带装置。
输入/输出装置540为系统500提供输入/输出操作。在一个实施方式中，输入/输出装置540包括键盘和/或定点装置。在另一实施方式中，输入/输出装置540包括用于显示图形用户界面的显示单元。
所描述的特征可以在数字电子电路中实施，或者在计算机硬件、固件、软件或它们的组合中实施。该设备可以在有形地具体实施在信息载体中的计算机程序产品中实施，例如，在由可编程处理器执行的机器可读存储装置中实施；并且方法步骤可以由执行指令程序的可编程处理器来执行，以通过对输入数据进行操作并生成输出来执行所述实施方式的功能。所描述的特征可以有利地在可编程系统上执行的一个或多个计算机程序中实施，该可编程系统包括至少一个可编程处理器，该可编程处理器耦合成从数据存储系统、至少一个输入装置和至少一个输出装置接收数据和指令，以及向其发送数据和指令。计算机程序是一组指令，可以在计算机中直接或间接用于执行某项活动或产生某个结果。计算机程序可以以任何形式的编程语言编写，包括编译或解释语言，并且可以以任何形式部署，包括作为独立程序或模块、部件、子例程或适合在计算环境中使用的其他单元。
举例来说，用于执行指令程序的合适处理器包括通用和专用微处理器，以及任何类型计算机的唯一处理器或多个处理器之一。通常，处理器将从只读存储器或随机存取存储器或两者接收指令和数据。计算机的基本元件是用于执行指令的处理器和用于存储指令和数据的一个或多个存储器。一般来说，计算机还将包括一个或多个用于存储数据文件的大容量存储装置，或者可操作地耦合以与之通信；这种装置包括磁盘，例如内部硬盘和可装卸磁盘；磁光盘；和光盘。适于有形地具体实施计算机程序指令和数据的存储装置包括所有形式的非易失性存储器，例如包括半导体存储器装置，例如EPROM、EEPROM和闪存装置；磁盘，例如内部硬盘和可装卸磁盘；磁光盘；以及CD-ROM和DVD-ROM光盘。处理器和存储器可以由专用集成电路(ASIC)来补充或结合在ASIC中。
为了提供与用户的交互，可以在特定计算机上实施这些特征，该计算机具有例如CRT(阴极射线管)或LCD(液晶显示器)监视器的显示装置，用于向用户显示信息，以及键盘和诸如鼠标或轨迹球的指示装置，用户可以通过该指示装置向计算机提供输入。此外，这些活动可以通过触摸屏平板显示器和其他适当的机制来实施。
这些特征可以在计算机系统中实施，该计算机系统包括后端部件，例如数据服务器，或者包括中间件部件，例如应用服务器或互联网服务器，或者包括前端部件，例如具有图形用户界面或互联网浏览器的客户端计算机，或者它们的任意组合。系统的部件可以通过任何数字数据通信形式或介质(例如通信网络)连接。通信网络的示例包括局域网(“局域网”)、广域网(“广域网”)、对等网络(具有自组织或静态成员)、网格计算基础设施和互联网。
计算机系统可以包括客户端和服务器。客户端和服务器通常彼此远离，并且通常通过诸如所描述的网络进行交互。客户端和服务器的关系是通过在各自的计算机上运行的计算机程序产生的，并且彼此之间具有客户端-服务器关系。
虽然本说明书包含许多具体的实施细节，但这些不应被解释为对任何发明或可能要求保护的范围的限制，而是对特定发明的特定实施方式特有的特征的描述。本说明书中在单独实施方式的上下文中描述的某些特征也可以在单个实施方式中组合实施。相反，在单个实施方式的上下文中描述的各种特征也可以在多个实施方式中单独实施或者在任何合适的子组合中实施。此外，尽管特征可以在前面被描述为在某些组合中起作用，并且甚至最初是这样要求保护的，但是在一些情况下，可以从该组合中删除所要求保护的组合中的一个或多个特征，并且所要求保护的组合可以针对子组合或子组合的变体。
类似地，尽管在附图中以特定顺序描述了操作，但这不应理解为要求以所示的特定次序或顺序执行这些操作，或者要求执行所有所示的操作，以获得期望的结果。在某些情况下，多任务处理和并行处理可能是有利的。此外，前面描述的实施方式中的各种系统部件的分离不应该被理解为在所有实施方式中都需要这种分离，并且应该理解，所描述的程序部件和系统通常可以集成在单个软件产品中或者封装到多个软件产品中。
因此，已经描述了主题的特定实施方式。其他实施方式也在所附权利要求的范围内。在一些情况下，权利要求中列举的动作可以以不同的次序执行，并且仍然获得期望的结果。此外，附图中描述的工艺不一定需要所示的特定次序或顺序来获得期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理可能是有利的。
因此，已经描述了本公开的特定实施方式，但是本公开也考虑了其他实施方式。例如，尽管本公开使用盐水作为有待例如通过脱氮、pH平衡和其他处理进行处理的示例液体，但是本文讨论的概念也可以应用于非盐水源，包括支持鱼类和其他动物的淡水生境。其他实施方式也在所附权利要求的范围内。

Claims (33)

1.一种硫脱氮系统，包括：
液体输入端，流体耦合到包含硝酸盐的盐水源；
液体输出端，流体耦合到所述盐水源；
多个垂直取向的水箱，所述水箱中的至少一个包括：
液体入口，流体耦合到所述液体输入端以接收盐水流，
体积，其被配置为封闭多个支持脱氮细菌的硫颗粒，所述脱氮细菌将所述硝酸盐生物转化为氧化亚氮或氮气中的至少一种，以及
液体出口，流体耦合到所述液体输出端和所述水箱的所述液体入口；以及
循环系统，被配置为使一部分所述盐水循环通过到所述多个水箱的所述液体入口的所述液体输入端，通过所述多个水箱，并且从所述水箱的所述液体出口循环到所述液体输出端和所述水箱的所述液体入口。
2.根据权利要求1所述的硫脱氮系统，其中所述多个水箱并联流体耦合在所述液体输入端和所述液体输出端之间。
3.根据权利要求1所述的硫脱氮系统，其中所述多个水箱中的至少一个包括被配置为封闭多个碳酸钙颗粒的体积。
4.根据权利要求3所述的硫脱氮系统，进一步包括二氧化碳注入装置，所述二氧化碳注入装置流体耦合到被配置为封闭所述多个碳酸钙颗粒的体积，所述二氧化碳注入装置被配置将二氧化碳流循环到所述体积中。
5.根据权利要求1所述的硫脱氮系统，进一步包括流量控制装置，所述流量控制装置流体耦合在所述水箱的所述液体出口和所述多个水箱的所述液体入口之间。
6.根据权利要求1所述的硫脱氮系统，其中所述流量控制装置包括调节阀，所述调节阀位于耦合在所述水箱的所述液体出口和所述多个水箱的所述液体入口之间的旁通导管中。
7.根据权利要求1所述的硫脱氮系统，其中所述脱氮细菌包括脱氮硫杆菌。
8.根据权利要求1所述的硫脱氮系统，其中所述多个水箱中的至少一个还包括位于所述水箱的顶部或顶部附近的气体释放装置，所述气体释放装置被配置为打开所述水箱的体积并将所述体积流体耦合到所述体积中的设定压力或所述设定压力以上的压力的周围环境。
9.根据权利要求1所述的硫脱氮系统，其中所述液体输出端包括膨胀阀和位于所述膨胀阀附近的气体释放装置，所述膨胀阀被配置为将所述循环系统中的盐水压力降低至等于或接近环境压力。
10.根据权利要求1所述的硫脱氮系统，其中所述循环系统包括一个或多个泵，所述泵使用流体导管流体耦合到所述液体输入端、所述液体输出端和所述多个水箱。
11.根据权利要求1所述的硫脱氮系统，进一步包括温度控制系统，所述温度控制系统包括：
至少一个温度传感器，其安装在所述液体输入端、所述液体输出端或所述液体出口中的至少一个中；以及
加热器，其安装在所述液体输入端、所述液体输出端或所述液体出口中的至少一个中，并被配置为升高所述盐水流的温度。
12.根据权利要求1所述的硫脱氮系统，进一步包括臭氧系统，所述臭氧系统包括：
至少一个氧化还原电位传感器，安装在所述液体输入端、所述液体输出端或所述液体出口中的至少一个中；以及
一个或多个臭氧接触器，安装在所述液体输出端中，并被配置为将臭氧注入所述盐水流中。
13.根据权利要求1所述的硫脱氮系统，其中所述盐水源包括人工动物栖息地。
14.根据权利要求13所述的硫脱氮系统，其中所述人工动物栖息地包括水族馆或再循环水产养殖系统中的至少一个。
15.一种硫脱氮工艺，包括：
使来自包含硝酸盐的盐水源的盐水循环通过液体输入端到多个竖直定向的水箱中；
使至少一部分盐水循环通过所述多个水箱中的至少一个水箱的液体入口，并通过所述水箱内的多个支持脱氮细菌的硫颗粒；
用所述脱氮细菌将至少一部分所述硝酸盐转化为氧化亚氮或氮气中的至少一种；
使来自所述多个水箱的所述体积的所述盐水部分循环通过所述多个水箱的液体出口；
将从所述液体出口循环的所述盐水部分配比成第一盐水流和第二盐水流；
将所述第一盐水流从所述液体出口循环到所述盐水源；以及
将所述第二盐水流循环到所述多个水箱的所述液体入口。
16.根据权利要求15所述的硫脱氮工艺，进一步包括使所述盐水部分循环通过所述并联的竖直定向的水箱。
17.根据权利要求15所述的硫脱氮工艺，进一步包括使另一部分盐水循环通过所述多个水箱中的另一个水箱的液体入口和封闭在所述另一个水箱中的碳酸钙。
18.根据权利要求17所述的硫脱氮工艺，进一步包括：
将二氧化碳注入封闭所述碳酸钙的所述另一个水箱中；以及
基于所述注入的二氧化碳增加所述碳酸钙溶解到所述另一盐水部分中的速率。
19.根据权利要求18所述的硫脱氮工艺，其中将二氧化碳注入封闭所述碳酸钙的所述另一个水箱包括：
将所述盐水的pH水平与阈值pH进行比较；
基于所述比较，将所述二氧化碳注入所述另一个封闭所述碳酸钙的水箱中。
20.根据权利要求15所述的硫脱氮工艺，进一步包括控制所述第二盐水流从所述液体出口到所述液体入口的流速。
21.根据权利要求15所述的硫脱氮工艺，其中所述脱氮细菌包括脱氮硫杆菌。
22.根据权利要求15所述的硫脱氮工艺，包括从所述至少一个水箱向周围环境释放氮气。
23.根据权利要求15所述的硫脱氮工艺，进一步包括：
将循环到所述盐水源的所述第一盐水流的压力降低至环境压力或接近环境压力；以及
基于所述压力的降低，从所述第一盐水流中释放氮气。
24.根据权利要求15所述的硫脱氮工艺，进一步包括：
将循环到所述多个水箱的所述液体入口的第二盐水流的压力降低至环境压力或接近环境压力；以及
基于所述压力的降低，从所述第二盐水流中释放氮气。
25.根据权利要求15所述的硫脱氮工艺，其中所述盐水源包括人造动物栖息地。
26.一种系统，包括：
贮水箱，容纳一定体积的含有硝酸盐的水；
脱氮系统，流体耦合到所述贮水箱，以接收来自所述贮水箱的水流，使所述水流循环通过多个脱氮室，并在所述室内将至少一部分所述硝酸盐转化为氮气；以及
控制系统，包括：
至少一个位于所述水流中的传感器；
一个或多个硬件处理器；以及
数据存储设备，耦合到所述一个或多个硬件处理器并存储指令，当所述指令被所述一个或多个硬件处理器执行时，使得所述一个或多个硬件处理器执行包括以下内容的操作：
从所述至少一个传感器接收与所述水流中的硝酸盐浓度相关联的测量值；
将所述测量值与硝酸盐浓度设定点进行比较；以及
基于所述测量值超过所述硝酸盐浓度设定点调节所述脱氮系统的部件。
27.根据权利要求26所述的系统，其中调节所述脱氮系统的部件包括：
调节所述脱氮系统的至少一个阀，以降低从所述多个脱氮水箱的出口直接再循环到所述脱氮水箱的入口的水的流速。
28.根据权利要求26所述的系统，其中调节所述脱氮系统的部件包括：
调节所述脱氮系统的泵的速度，以降低水从所述贮水箱到所述脱氮系统的流速。
29.根据权利要求26所述的系统，其中调节所述脱氮系统的部件包括：
将二氧化碳流体注入所述脱氮系统的pH平衡水箱中，以增加碳酸钙或文石在水流中的溶解速率。
30.根据权利要求26所述的系统，其中调节所述脱氮系统的部件包括：
调节所述脱氮系统的膨胀阀以降低从所述脱氮系统循环回所述贮水箱的水流压力。
31.一种方法，包括：
将盐水从盐水贮水箱循环到多个水箱；
使所述盐水的第一部分循环通过储存在所述多个水箱中的至少一个水箱中的硫和脱氮细菌，以硝酸盐浓度降低速率降低所述盐水中的硝酸盐浓度；
使所述盐水的第二部分循环通过储存在所述多个水箱中的至少另一个水箱中的碳酸钙或文石；
在所述多个水箱的下游混合所述盐水的第一和第二部分；
将二氧化碳流体注入所述多个水箱中的另一个水箱；以及
至少部分基于注入所述二氧化碳流体来提高所述盐水中的硝酸盐浓度的降低速率。
32.根据权利要求31所述的方法，进一步包括：
基于所述注入的二氧化碳流体，增加溶解在所述盐水的所述混合的第一和第二部分中的溶液中的碳酸钙或文石的浓度。
33.根据权利要求32所述的方法，其中至少部分基于注入所述二氧化碳流体来增加所述盐水中的硝酸盐浓度的降低速率包括：
基于溶解在所述盐水的所述混合的第一和第二部分的溶液中的碳酸钙或文石浓度的增加，增加所述盐水中硝酸盐浓度的降低速率。
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