Способ и устройство для удаления азота при обработке сточных вод

Способ и устройство для удаления азота при обработке сточных вод

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Перекрестная ссылка на родственные заявки

Настоящая заявка испрашивает приоритет предварительной заявки на патент США №61/700717, поданной 13 сентября 2012 г., предварительной заявки на патент США №61/708498, поданной 1 октября 2012 г., и предварительной заявки на патент США №61/783232, поданной 14 марта 2013 г. Описания предварительных заявок на патент США №№61/700717, 61/708498 и 61/783232 включаются в настоящий документ путем ссылки.

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение, вообще, относится к системам и способам обработки сточных вод. Обычно удаление азота является задачей обработки, наиболее требовательной в отношении ресурсов, таких как объем реактора, энергия аэрации и дозирование химических реагентов. Настоящее изобретение направлено на более эффективные в отношении использования ресурсов метаболические пути при удалении азота - так называемое, упрощенное биологическое удаление азота. Аспекты настоящего изобретения позволяют удалять азот из сточных вод и получать высококачественные очищенные сточные воды при сниженном энергопотреблении, расходовании химических реагентов и себестоимости.

Уровень техники

Подавление нитритокисляющих бактерий (nitrite oxidizing bacteria - NOB) является предварительным условием для осуществления процессов упрощенного биологического удаления азота (short-cut biological nitrogen removal - ScBNR), таких как нитрирование-денитрирование (см. Ciudad и др., 2005; Gee and Kim, 2004, Ju и др., 2007, Yoo и др., 1999, Yu и др., 2000, Zeng и др., 2008), нитритный шунт и частичное нитрирование - анаэробное окисление аммиака (anammox) (см. Fux и др., 2002, Hippen и др., 1997, van Dongen и др., 2001, Wett, 2006, Wett, 2007, Wett и др., 2010) и деаммонирование. Успешное подавление окисления нитритов путем управления NOB позволяет сохранить 25% кислорода и 40% органического углерода по сравнению с обычной нитрификацией-денитрификацией (см. Turk and Mavinic, 1986; Abeling and Seyfried, 1992). В процессах деаммонирования управление NOB позволяет получить дополнительные преимущества, заключающиеся в дальнейшем уменьшении потребляемой энергии аэрации, стоимости донора электронов и удаления твердых примесей. На фиг. 1, фиг. 2 и фиг. 3 показаны технологические схемы удаления азота посредством обычных нитрификации-денитрификации, нитрирования-денитрирования и деаммонирования (частичного нитрирования - анаэробного окисления аммиака) соответственно.

Одновременная нитрификация и денитрификация (simultaneous nitrification and denitrification - SND) в одном резервуаре является чрезвычайно целесообразной по сравнению с обычными системами, поскольку устраняет необходимость отдельных резервуаров и рециркуляции нитрата смешанного раствора из зоны аэробной нитрификации в зону бескислородной денитрификации. Преимущества SND дополнительно расширяются при использовании пути нитритного шунта, как было показано посредством применения регулирования длительности аэрации с профилем окислительно-восстановительного потенциала (oxidation-reduction potential - ORP) (см. Guo и др., 2009) и рН аммиака (см. Peng и др., 2004). На микросреды в реакторе (аэробная и бескислородная зоны, развивающиеся в реакторе из-за сочетания плохого перемешивания и конструкции реактора), и микросреды хлопьев (аэробная и бескислородная зоны, развивающиеся в активированных хлопьях ила) указывалось как на возможные механизмы SND (см. Daigger и др., 2007). В указанные выше механизмы трудно встроить стратегии регулирования, позволяющие достигнуть стабильных параметров SND. Сообщается об осуществлении SND в многоступенчатых реакторах с замкнутым циклом (таких как процесс в окислительной траншее, Orbal) (см. Diagger and Littenton, 2000), где обычно применяется длительное время обработки (hydraulic residence time - HRT), время пребывания твердых примесей (solid retention time - SRT) и постоянно низкое содержание растворенного кислорода (dissolved oxygen - DO).

Ввиду высокой стоимости биологического удаления азота (biological nitrogen removal - BNR), направленного на соответствие все более жестким стандартам на очищенные сточные воды, вызывает интерес ScBNR посредством подавления NOB. Попытки понять процесс подавления NOB обсуждались во многих публикациях, в том числе, более конкретно, предусматривающие использование высокой температуры (см. Hellinga и др., 1998, описание которой прямо включается в настоящей документ во всей полноте путем ссылки), высокие уровни ингибирования свободного аммиака или концентрации DO (см. Blackburne и др., 2008) и временный дефицит кислорода (см. Kornaros and Dokianakis и др., 2010). В частности, все эти условия успешно использованы, частично или полностью, с разными подходами, для управления NOB в системах, предназначенных для обработки потоков сточных вод, сильно насыщенных аммиаком, таких как продукт обезвоживания установки для анаэробного сбраживания (обычно при высокой температуре) и сточные воды свалок. Потоки сточных вод, сильно насыщенные аммиаком, в настоящем контексте определяются как втекающий исходный поток с концентрацией аммиака более 200 мг/л в виде азота. Управление подавлением NOB в потоках сточных вод с низкой насыщенностью аммиаком, таких как бытовые сточные воды, остается сложной проблемой и составляет объект настоящего изобретения. Средства управления, обычно используемые для подавления NOB в процессах ScBNR, описаны ниже.

Температура и аммиак: Считается, что и температура, и свободный аммиак являются характеристиками, обеспечивающими преимущество аммиакокисляющим бактериям (ammonia oxidizing bacteria - AOB) над NOB. Ингибирование NOB свободным аммиаком (free ammonia - FA) убедительно подтверждено документально в литературе с тех пор, как было рассмотрено Anthonisen и др. (1976), описание чего прямо включается в настоящей документ во всей полноте путем ссылки. Однако знания, полученные после сообщения об адаптации NOB (см. Turk and Mavinik, 1989; и Wong-Chong and Loehr, 1978), об управлении ингибированием FA для достижения стабильного нитрирования, более скудные. Кроме этого известно, что высокая температура благоприятствует росту AOB более чем NOB (см. Kim и др., 2008).

Повышенная активность AOB по сравнению с NOB при высокой температуре, большая диссоциация общего аммиака до свободного аммиака и проистекающее из этого ингибирование NOB при повышенной температуре в сочетании с работой при низком DO (часто осуществляемой с использованием прерывистой аэрации и регулируемого аэробного времени пребывания твердых примесей (SRT)) приводит к обогащению АОВ и селективному вымыванию NOB. Эти подходы по-разному рассмотрены (см. ЕР 0826639 А1, ЕР 0872451 В1, US 2010/0233777 A1, US 7846334 B2, US 6485646 B1 и WO 2012/052443 А1) в свете управления NOB в сточных водах, сильно насыщенных аммиаком. В этих способах используют либо суспензионные культуры (см. WO 2006/129132 А1), либо закрепленные культуры на субстратах (см. US 2011/0253625 А1 и ЕР 0931768 В1), либо гранулированный ил (см. Wett, 2007 и US 7846334 В2) с целью осуществления ScBNR.

Вместо того, чтобы быть эффективным, влияние повышенной температуры на увеличение активности АОВ и управление ростом NOB в основных процессах с низкой насыщенностью, проводимых в широком диапазоне температур, практически нереализуемо. Следовательно, управление NOB в сточных водах с низкой насыщенностью остается сложной проблемой и сопряжено с тщательным манипулированием иными факторами, нежели температура или свободный аммиак.

Растворенный кислород (DO): DO может играть значительную роль в управлении NOB в сточных водах с низкой насыщенностью аммиаком. Длительное нитрирование с использованием низкой концентрации DO уже исследуется во множестве конфигураций реакторов (см. Sliekers и др., 2005, Wyffels и др., 2004 Blackburne и др., 2008). Хотя в этих сообщениях отсутствует описание лежащих в основе этого механизмов, в них прибегают к гипотезе большего сродства к кислороду АОВ по сравнению с NOB (см. Hanaki и др., 1990; Laanbroek and Gerards, 1993 и Bernet и др., 2001) в качестве объяснения наблюдаемого явления (см. Yoo и др., 1999, Peng и др., 2007, Lemaire и др., 20008, Gao и др., 2009 и Zeng и др., 2009). Sin и др. (2008) обосновывают распространенность мнения о том, что сродство к кислороду у АОВ больше, чем сродство к кислороду у NOB, и работа при низком DO благоприятствует АОВ, а не NOB, однако существуют исследования, в которых выявлено обратное (см. Daebel и др., 2007 и Manser и др. 2005); и у авторов настоящего изобретения имеются данные (см. фиг. 5-6), указывающие на более сильную адаптацию к низкой концентрации DO у NOB, чем у АОВ.

Биоприращение и обогащение биомассы: Сообщалось (US 7404897 В2, US 6602417 В1) о переносе нитрифицирующей биомассы из реактора с высокой насыщенностью в реактор с низкой насыщенностью, так что SRT, необходимое для осуществления нитрификации в основном процессе уменьшается. Такое биоприращение может происходить за счет отдельного выводного реактора или реактора, соединенного с основным реактором (Parker and Wanner, 2007). Также имеются данные известного уровня техники в отношении физического отделения более плотной фракции биомассы, содержащей, преимущественно, анаэробно окисляющие аммиак (anammox) организмы, и рециркуляции этой более тяжелой фракции при помощи гидроциклона с целью обогащения очень медленно растущей биомассы (ЕР 2163524 А1, US 2011/0198284 А1).

Временный дефицит кислорода: Использование временного дефицита кислорода в настоящее время является общепринятым подходом к подавлению NOB (см. Li и др., 2012; Ling, 2009, Pollice и др., 2002, Zekker и др., 2012, US 7846334 В2, ЕР 0872451 В1 и WO 2006/129132 А1). Временный дефицит кислорода может вносить время задержки, используемое NOB для перехода из бескислородной в аэробную среды. Kornaros и Dokianakis (2010) показали задержку в восстановлении NOB и задержку роста NOB в аэробных условиях после временного дефицита кислорода, подтвердив, таким образом, наблюдения многих других исследователей (см. Allenman and Irvine, 1980, Kastogiannis и др., 2003, Sedlak, 199, Silverstein and Schroeder, 1983, Yang and Yang, 2011 и Yoo и др., 1999) в отношении пользы временного дефицита кислорода. Хотя временный дефицит кислорода уже успешно применяют для управления NOB в сточных водах, сильно насыщенных аммиаком (см. Wett, 2007; US 7846334 В2), усиливая его значительным ингибированием свободным аммиаком, и уже выдвинуто предположение (см. Peng и др., 2004) о его пригодности для использования в сточных водах с малой насыщенностью, возможность контроля параметров, связанных с временным дефицитом кислорода, без поддержки путем ингибирования свободным аммиаком остается загадкой. Подводя итоги, можно сказать, что стратегии по управлению деселекцией NOB в сточных водах с малой насыщенностью, что является основой новых технологий ScBNR, не приводят к созданию бесперебойно функционирующих процессов из-за недостаточного понимания того, что максимизация скорости роста АОВ становится ключом к деселекции NOB, особенно, когда активное подавление NOB нереализуемо. В данном контексте авторы определяют термин «деселекция» как подход к подавлению NOB посредством достижения более высокой скорости роста АОВ и, таким образом, производству нитрита для других организмов.

Сущность изобретения

Благодаря настоящему изобретению достигается надлежащее и измеримое управление поддержанием высокой скорости окисления АОВ при одновременной деселекции NOB, при этом используются различные стратегии управления, в том числе: 1) аэрационное управление, обеспечивающее концентрацию аммиака, близкую к насыщению, и профили DO, быстро изменяющейся от высокой заданной величины до почти нулевого с целью максимизации скорости роста АОВ во время аэробной фазы; 2) инновационная стратегия аэрационного управления, основанная на отношении измеренных в режиме реального времени сигналов NH₄^- и NO_X с целью максимизации общего удаления азота и обеспечения оптимального для реакций anammox стехиометрического соотношения в субстрате; 3) энергичное аэробное регулирование SRT с целью вымывного давления на NOB; 4) биоприращение организмов anammox и более легкой хлопьевидной фракции АОВ. Использование таких стратегий управления обеспечивает важные преимущества по сравнению со стратегиями известного уровня техники.

Следовательно, настоящим изобретением обеспечивается система и способ удаления азота из сточных вод в реакторе для биологического удаления азота, при этом длительность аэробной/бескислородной фаз и/или концентрации растворенного кислорода в реакторе регулируют на основании отношения концентрации аммиака к концентрации окисленного азота (NO_x, сумма концентраций нитрита и нитрата), измеряемых в реальном времени. Обычно, длительность аэробной/бескислородной фаз и/или концентрации растворенного кислорода в реакторе регулируют с целью достижения отношения концентрации аммиака к концентрации окисленного азота, лежащей в диапазоне от 0,5 до 1,5, предпочтительно от 0,7 до 1,0. Благодаря применению системы и способа настоящего изобретения достигается максимальное удаление азота, так как денитрификация (зависящая от химической потребности в кислороде (chemical oxygen demand - COD) на входе) и последующее окисление аммиака уравновешивают друг друга, что, в то же время, благоприятствует АОВ, а не NOB. В качестве альтернативы, вместо соблюдения какого-либо соотношения можно регулировать разность между концентрацией аммиака и концентрацией окисленного азота так, чтобы она была близка 0, что позволяет осуществлять эквивалентное управление.

Настоящее изобретение может быть использовано для достижения надлежащего и измеримого управления основным процессом SND, позволяющего проводить максимальное удаление общего неорганического азота (total inorganic nitrogen - TIN) посредством одного из нескольких механизмов удаления азота, включая нитрификацию-денитрификацию, нитрирование-денитрирование (ScBNR), частичное нитрирование-денитрирование с образованием отходящего потока, пригодного для окончательной обработки организмами anammox в отдельном реакторе далее по потоку, и частичное нитрирование-anammox в одном резервуаре с селективным временем пребывания на стадии anammox. В этих системах и способах используются стратегии управления, включающие: 1) измерение в режиме реального времени концентрации аммиака, нитрита и нитрата; 2) активное управление DO и надлежащее использование задаваемых величин DO, регулируемых на основании отношения концентрации аммиака к концентрации окисленного азота, измеряемых в реакторе; 3) управление эффективностью аэрации на основании отношения концентрации аммиака к концентрации окисленного азота, измеряемых в реакторе; 4) надлежащее применение временного дефицита кислорода в различных устройствах (конфигурациях реактора) и рабочих условиях.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 представлена молярная схема реакций, связанных с обычной нитрификацией и денитрификацией.

На фиг. 2 представлена молярная схема реакций, связанных с нитрированием и денитрированием.

На фиг. 3 представлена молярная схема реакций, связанных с деаммонированием.

На фиг. 4 представлен линейный график, позволяющий сравнить полученные данные в отношении величин Ко всех нитрифицирующих бактерий (АОВ+NOB) и только NOB в лабораторных реакторах периодического действия на станции Blue Plains Waste Water Treatment Plant (WWTR) (слева) и в производственном масштабе на Strass WWTR (справа).

На фиг. 5 представлен график (слева), на который нанесены полученные в ходе испытаний величины удельной скорости удаления азота, выраженные как удаление аммиака на грамм летучих взвешенных твердых веществ (volatile suspended solids - VSS) в день в зависимости от заданной величины DO для прерывистой аэрации в реакторах периодического действия Blue Plains WWTP; выражения Монода (Monod) (справа) приведены в соответствие с данными измерений путем применения, по меньшей мере, минимизации квадратичной ошибки (стрелка указывает на 15% более высокую скорость обработки азота АОВ при уровне DO 1,5 мг/л).

На фиг. 6 представлен линейный график, позволяющий сравнить полученные данные в отношении величин Ко АОВ и NOB в реакторе нитрирования на Hampton Roads Sanitation District (HRSD) WWTP.

На фиг. 7 представлена схема системы, предназначенной для осуществления настоящего изобретения.

Фиг. 8 представляет собой графическое сравнение во времени кривых истощения DO для двух идентичных последовательных реакторов периодического действия (sequencing batch reactor - SBR), функционирующих в одинаковом режиме аэрации, в один из которых подают первично обработанный отходящий поток (primary treated effluent - PE), а в другой - вторично обработанный отходящий поток (secondary treated effluent - SE). Отметим, что более высокая химическая потребность в кислороде (chemical oxygen demand - COD) в системе с подачей РЕ позволяет быстрее переходить к режиму с дефицитом кислорода от высокой заданной величины DO.

Фиг. 9 представляет собой график, на котором проведено сравнение концентраций азотсодержащих соединений (NH₃, NO₂ и NO₃) во время реакционной фазы в SBR конфигурации, функционирующей с прерывистой аэрацией (остаточный аммиак).

Фиг. 10 представляет собой график, на котором проведено сравнение концентраций азотсодержащих соединений (NH₃, NO₂ и NO₃) во время реакционной фазы в SBR конфигурации, функционирующей с прерывистой аэрацией (без остаточного аммиака).

На фиг. 11 представлено поперечное сечение реактора BNR, оборудованного механической мешалкой, воздухораспределительным устройством, анализаторами аммиака, нитрита, нитрата и DO.

Фиг. 12 представляет собой график, на котором показано соотношение аммиака и NO_x (ammonia vs NO_x-AVN) и управление содержанием аммиака путем регулирования длительности аэробной фазы и дефицита кислорода при флуктуациях (NH₄⁺-N-NO_x-N).

На фиг. 13 представлен график, отображающий степень деселекции NOB путем сравнения скоростей роста АОВ и NOB и обусловленного этим накопления нитрита в реакторе с нитритным шунтом на HRSD WWTP.

На фиг. 14 представлен график, на котором проведено сравнение скорости роста NOB и популяции NOB путем количественной оценки полимеразной цепной реакции (polymerase chain reaction - qPCR).

На фиг. 15 показан основной экспериментальный реактор деаммонификации непрерывного действия с мешалкой (continuous stirred tank reactor - CSTR) и с нитритным шунтом, за которым следует реактор с подвижным слоем (moving bed bioreactor - MBBR) anammox.

На фиг. 16 показана концентрация аммиака и нитрита на входе и выходе MBBR anammox.

Подробное описание изобретения

В настоящем описании раскрываются подходы к повышению скорости окисления АОВ и деселекции и управлению NOB посредством управления концентрацией аммиака, DO, биоприращения и временного дефицита кислорода (NICITA). Далее настоящее изобретение описано в связи с этими четырьмя характеристиками и способами управления с целью его реализации. Настоящее изобретение относится к системе и способу удаления азота из сточных вод, обрабатываемых в ректоре. В системе и способе настоящего изобретения осуществлено максимальное удаление азота при одновременно сведенных к минимуму аэрации и потребности в органическом углероде посредством регулируемого временного дефицита кислорода и аэробного SRT, деселекции NOB, управления динамической концентрацией DO и интервалом аэрации посредством поддержания заданного отношения концентрации аммиака (NH₄) к концентрации окисленного азота. Предпочтительное отношение концентрации аммиака к концентрации окисленного азота может составлять от 0,7 до 1,0, однако это отношение может быть и больше - от 0,5 до 1,5. Принцип управления, заключающийся в сочетании этих динамических стратегий управления, назван AVN (NH₄ vs NO_x) (баланс аммиака и NO_x). Благодаря управлению AVN возможно не только максимизировать потенциал удаления TIN обычными путями (фиг. 1), но также получить возможность деселекции NOB с соответствующими преимуществами в отношении удаления TIN в соответствии с фиг. 2 и фиг. 3. Дополнительной целью управления является надлежащая смесь двух субстратов (аммиак и нитрит), близкая к реальному стехиометрическому отношению NH₄-N/NO_x-N, равному 0,76. Вместо этого отношения, в качестве альтернативы, в алгоритме управления может быть использована сумма (концентрации аммиака NH₄) и отрицательной величины (суммы концентраций нитрита и нитрата NO_x-N), лежащая в целевом диапазоне от -3 до +1. Эти целевые величины отражают тот факт, что обычно аммиак более токсичен для принимающих водоемов и точно также в соответствии со стехиометрическим соотношением в реакции anammox, нитрита должно быть на 32% больше, чем аммиака.

Аммиак: Основным положением настоящего изобретения является отход от более типичного использования таких параметров, как температура и концентрация свободного аммиака, для деселекции NOB. Хотя использование температуры для управления относительными скоростями роста АОВ и NOB не всегда возможно в основных процессах, в соответствии с настоящим изобретением может быть применен параметр управления, предусматривающий использование прямого измерения концентрации аммиака, являющейся управляющей величиной, а не концентрации свободного аммиака и температуры. В настоящем изобретении использовано прямое управление степенью окисления аммиака, так что аммиак окисляется в ходе расчетной продолжительности цикла реактора или при прохождении конкретной длины реактора. Возможность поддерживать остаточную концентрацию аммиака посредством длины реактора или продолжительности цикла позволяет сохранять давление на NOB при одновременно высокой скорости роста АОВ.

В настоящем изобретении используется прямое изменение концентрации аммиака, нитрита, нитрата и DO в реакторе BNR с целью управления аэробным и бескислородным SRT и HRT, а также концентрацией DO в реакторе с целью достижения максимального окисления аммиака и денитрификации. Концентрация DO и интервал аэрации или и то, и другое поддаются эффективному управлению в зависимости от отношения углерод : азот (C/N) на входе и условий в реакторе так, что в любое время преимущественно идут реакции, приводящие к удалению азота. DO больше влияет на окисление аммиака через окисление COD, и доступный COD используется для осуществления денитрификации в любой момент времени, таким образом, обеспечивая максимальное общее удаление азота. Степенью окисления аммиака, предусматриваемой настоящим изобретением, управляют посредством доступности для денитрификации поступающего COD. Действительно, по своей природе окисление аммиака и денитрификация уравновешивают друг друга и максимизируют удаление азота. Управление концентрацией DO и/или длительностью аэрации обычно осуществляют для поддержания приблизительно равных концентраций NH₄-N и NO_x-N в реакторе в любой момент времени, степень окисления NH₄ и, таким образом, количество подаваемого кислорода регулируют на основании количества поступающего COD, доступного для денитрификации образовавшегося NO_x. Благодаря этому минимизируется аэробное гетеротрофное потребление COD и максимизируется возможность для денитрификации, что при низком DO и доступном COD требует времени. Данный принцип управления позволяет вводить коррекцию, которая бы обеспечила соответствие концентрации NH₄-N или NO_x-N, подлежащих удалению, определенным пределам на выброс по этим параметрам. Например, устройство управления может быть настроено на гарантированное соблюдение предела по NH₄ путем установки на обеспечение отходящего потока, который бы содержал 20-90% NH₄ относительно концентрации в отходящем потоке NO_x-N.

Растворенный кислород: Хотя в описанной выше литературе предполагается существование различия в сродстве (например, более сильная адаптация к низкой концентрации DO у NOB по сравнению с АОВ), возможности использовать это различие в схеме управления были обнаружены авторами настоящего изобретения. Так, неожиданно и вопреки имеющимся объяснениям, временное функционирование при высокой концентрации DO оказывается более уместным для вытеснения NOB. Доводы в пользу применения более высоких концентраций DO являются чертой, отличающей настоящее изобретение от известного уровня техники. Более высокие концентрации DO (>1,0 мг/л) не только способствуют поддержанию высокой скорости роста АОВ, но также регулируют относительное сродство субстрата АОВ и NOB относительно деселекции NOB.

Как описано выше и показано на фиг. 4-6 для трех различных конфигураций станций, окисление аммиака происходит быстрее при высоких концентрациях DO (например, концентрациях более 1 мг/л) по сравнению с окислением нитрита. Следовательно, было бы желательно эксплуатировать реактор BNR при временно высокой концентрации DO, чтобы рост АОВ пользовался преимуществом над NOB. Эта стратегия противоречит большому числу публикаций, в которых указывается на сильное сродство к кислороду АОВ по сравнению с NOB и предпочтительное функционирование при низких концентрациях DO с целью деселекции NOB.

Биоприращение: В отличие от подхода известного уровня техники, который направлен на биоприращение всей биомассы процесса с высокой насыщенностью, в данном изобретении целью является отбор более легкой фракции биомассы (т.е. верхний слив, а не нижний слив гидроциклона), содержащей, преимущественно, АОВ, чтобы дополнить относительно быстро растущими АОВ из выводного реактора основной процесс без неуправляемой потери активности anammox в выводном реакторе, подвергающемся деаммонификации. Отбор фракции более легкой или более мелкой биомассы при помощи циклона или сита либо неприкрепленной биомассы, отделенной от биопленочных носителей, позволяет достичь максимальной нормы высева, что облегчает подавление NOB и в реакторе с высокой насыщенностью (селективно снижая SRT), и в системе с малой насыщенностью (перенос АОВ почти без NOB). Точно так же, возможно биоприращение организмов anammox из выводного реактора или реактора с высокой насыщенностью. Настоящим изобретением предусматривается биоприращение организмов anammox в основном реакторе BNR А (фиг. 7), где концентрацию DO поддерживают превышающей 1,0 мг/л с целью ингибирования NOB. Добавленные организмы в оптимальных условиях удерживаются и могут размножаться в реакторе BNR А.

На фиг. 7 показана система 100, предназначенная для удаления азота из сточных вод 102. Система 100 включает реактор А, предназначенный для осуществления биологического удаления азота из сточных вод 102. В реакторе А находятся анализаторы В, С. Первый анализатор В измеряет концентрацию аммиака в реакторе А и генерирует соответствующий сигнал 12 по аммиаку, пересчитанный на азот. Второй анализатор С измеряет концентрацию в реакторе А нитрита, нитрата или сочетания нитрита и нитрата и генерирует соответствующий сигнал 14 по нитриту, нитрату или сочетанию нитрита и нитрата, пересчитанный на азот. Устройство управления D принимает сигналы 12, 14 и использует сигналы 12, 14 для выдачи сигнала 16 управления устройству Е регулирования расхода воздуха. Устройство Е функционирует на основании сигнала 16, изменяя расход воздуха или время аэрации 104 в реакторе А. Таким образом, количество воздуха 104, подаваемого в реактор А, зависит от сигнала 16 управления, получаемого от устройства управления D. Отходящий поток 106 из реактора А направляют во второй реактор F. Отходящий поток 106 пригоден для дополнительного удаления оставшегося азота, и такое дополнительное удаление азота осуществляют во втором реакторе F.

Временный дефицит кислорода: Настоящим изобретением также предусматривается быстрый переход к дефициту кислорода или обратно. Быстрый переход к дефициту кислорода от высокой концентрации DO является еще одним предметом настоящего изобретения. Быстрый переход к дефициту кислорода не только ограничивает возможность роста NOB, быстрый переход обратно к высокой заданной величине концентрации DO также позволяет ингибировать рост NOB. При быстром переходе от дефицита кислорода также образуются промежуточные соединения, ингибирующие NOB. Является естественным, что окисление нитрита следует за окислением аммиака. В большинстве моделей используют величину полунасыщения субстрата на основании уравнения Монода (Monod, 1949) для описания способности использовать и доноры, и акцепторы электронов. При быстром изменении условий DO, к концу окисления аммиака, если исходить из константы полунасыщения субстрата, связанного с NOB, по-видимому, накопится некоторое количество нитрита. В такой ситуации, если аэрация продолжается, остаточный нитрит в конце концов будет превращен NOB в нитрат; однако, если аэрацию прерывают, и условия быстро возвращаются к дефициту кислорода, оставшийся нитрит «бескислородно» восстанавливается либо гетеротрофными денитрифицирующими бактериями, побуждаемыми химической потребностью в кислороде (COD), в процессах с нитритным шунтом, либо организмами anammox в одностадийных процессах деаммонификации. Следовательно, нитритовосстанавливающие бактерии (например, гетеротрофные денитрифицирующие бактерии или организмы anammox) могут вытеснять NOB (потребляя нитрит), тем самым, создавая давление на NOB, ограничивая доступность их субстрата. Популяция NOB будет получать все меньше и меньше энергии в каждом последующем цикле, что дополнительно уменьшает активность этой популяции. Следовательно, решающим является ограничение аэрации и быстрый переход к дефициту кислорода в конце окисления аммиака, чтобы NOB были лишены DO, когда имеется доступный нитрит.

В соответствии с настоящим изобретением, быстрый переход к дефициту кислорода возможен путем поддержания более высокой скорости потребления кислорода (дефицит кислорода достигается за 10 минут) посредством увеличения концентрации твердых примесей в смешанном растворе (приблизительно, 2 г/л (от 1,5 г/л до 4,0 г/л)) или путем введения COD (C/N>2) в бескислородной фазе с целью быстрого потребления кислорода. Другой подход заключается в увеличении температуры (например, с использованием рассеиваемого тепла турбин или двигателей) и, таким образом, скорости роста всех организмов. На фиг. 8 показан один из таких примеров на основе сравнения двух систем SBR, функционирующих в прерывистом режиме аэрации, при этом в одном случае подают первично обработанный отходящий поток, а в другом подают вторично обработанный отходящий поток. В соответствии с этой стратегией измеряют концентрацию NH₄-N и поддерживают ее либо в пределах установленных величин NH₄-N, либо на одной установленной величине при надлежащей ширине диапазона, либо равной концентрации NOx-N в реакторе, что зависит от гидравлического режима в реакторе. При таком подходе исключается проблема избыточной аэрации после почти полного завершения окисления аммиака, так как остаточный аммиак всегда сохраняется, это также способствует поддержанию высокой скорости роста АОВ. Следовательно, в соответствии с настоящим изобретением, возможно применять известные стратегии деселекции NOB, используя устойчивый алгоритм управления на основании сигналов о непосредственной концентрации аммиака, нитрита, нитрата и DO. Быстрый переход от дефицита кислорода к аэрированному состоянию достигается при помощи надлежащих устройств аэрации, которые пригодны для быстрой подачи воздуха, или посредством последовательных аэробной и бескислородной зон. Надлежащее устройство аэрации в настоящем контексте обладает дополнительными функциональными возможностями в отношении подачи кислорода воздуходувным устройством и воздухораспределителями по сравнению с интенсивностью аэрации, необходимой при предположении о наличии постоянной скорости потребления кислорода при данной заданной величине DO во время периодов аэрации. Эти дополнительные функциональные возможности (примерно 10-25% сверх базовой модели) нужны для ускорения повышения концентрации DO от нижней заданной величины (<0,1 мг/л) до верхней заданной величины (>1,0 мг/л). На фиг. 9 и фиг. 13 показаны результаты реализации этой стратегии управления NOB, направленной на достижение ScBNR в системе с нитритным шунтом и системе одностадийной деаммонификации, соответственно. На фиг. 10 показано отрицательное воздействие избыточной аэрации (на что указывает отсутствие остаточного аммиака) на деселекцию NOB (характеризующуюся производством нитрата).

Конкретные элементы управления при управлении NOB посредством четырех возможных параметров (концентрация аммиака, DO, биоприращение и управление посредством временного дефицита кислорода) описаны далее.

Аэробное SRT и заданная величина DO: Желательно, чтобы заданная величина DO настолько превышала 1 мг/л, насколько это возможно на практике. При более высокой заданной величине DO возможен более быстрый рост АОВ по сравнению с NOB. Однако при очень высокой заданной величине DO увеличивается время перехода к бескислородной фазе. Один из подходов, с успехом использованный при реализации данной стратегии высокой концентрации DO, описан далее при описании стратегий управления. Следует отметить, что данная стратегия высокой концентрации DO противоречит общепринятой точке зрения на обеспечение нитритного шунта в потоках с малой насыщенностью и непосредственной практике обеспечения нитритного шунта в потоках с большой насыщенностью и потоках отходов с высокой температурой.

Имеется два подхода к управлению аэробным SRT. При увеличении сброса твердых примесей уменьшается общее и аэробное SRT. Второй подход к уменьшению аэробного SRT заключается в увеличении длительности бескислородной фазы во время временного дефицита кислорода. В реакторе с прерывистой аэрацией (во времени или пространстве), функционирующем в соответствии с AVN и стратегией управления концентрацией аммиака, аэробное SRT определяется потребностью в аэрации АОВ для окисления аммиака до нитрита так, чтобы i) концентрация NH₄-N была равна концентрации NO_x-N или ii) концентрация NH₄-N была равна заданной величине. Например, если скорость окисления аммиака АОВ низкая, потребуется более интенсивная аэрация (по времени, с более высокой концентрацией DO или и то, и другое), направленная на соблюдение этого условия по сравнению со случаем, когда скорость окисления аммиака АОВ выше. При таком сценарии намеренное понижение общего SRT постепенно приводит к уменьшению скорости окисления аммиака АОВ при определенной величине DO. Следовательно, нужна более интенсивная аэрация, целью которой является увеличение скорости роста АОВ и соблюдение заданного условия (концентрация NH₄-N = концентрации NO_x-N или заданной величине), и, следовательно, увеличение рабочей высокой заданной величины DO (во времени) и аэробного HRT (в пространстве) до такого значения, при котором рост АОВ преобладает над ростом NOB.

Энергичное управление SRT не является общепринятым средством достижения нитритного шунта, что также совпадает с неспособностью поддерживать стабильную деселекцию NOB. Когда реактор BNR функционирует при высоких заданных величинах DO, скорость роста АОВ выше, чем NOB, что позволяет данной системе функционировать при малом SRT, что также неблагоприятно для NOB. Кроме того, применением энергичного давления посредством SRT в соответствии с настоящим изобретением легко управлять. Поскольку концентрации аммиака, нитрита и нитрата определяют рабочие заданные величины высокой концентрации DO или длительность аэрации (во времени) и аэрируемую фракцию (в пространстве), настоящим изобретением обеспечивается простая система управления общим SRT так, что концентрация DO остается высокой, превышающей 1 мг/л.

Внешние и внутренние ингибиторы или токсиканты NOB: Уменьшить общую скорость роста NOB можно путем воздействия на NOB ингибиторами или токсичными веществами, такими как, помимо прочего, свободный аммиак, свободная азотистая кислота и другие природные или синтетические вещества. Также можно воспользоваться образующимися внутри (внутри станции по очистке сточных вод) азотсодержащими метаболитами, такими как оксид азота, гидроксиламин, гидразин и т.д., или другими промежуточными соединениями, имеющимися на станции (например, образующимися при термогидролизе или в других процессах ферментации), с целью ингибирования NOB путем управления, при необходимости, производством этих промежуточных соединений. Кроме того, ингибиторы могут быть введены в процесс для снижения скорости роста NOB.

Усилители роста для АОВ и anammox: Также возможно использование усилителей роста для АОВ и anammox. Например, одним из подходов является использование гидразина в качестве усилителя роста для anammox и, в то же время, вещества, токсичного для NOB. Общая цель использования ингибитора или усилителей роста - это повышение и дифференциация относительных скоростей роста АОВ или anammox относительно NOB, в конечном счете, для деселекции NOB.

Последующее бескислородное удаление азота: Исходящий поток процесса BNR А (фиг. 7), содержащий аммиак, нитрит и нитрат, может быть подвергнут дополнительной обработ