СПОСОБ И СИСТЕМА ДЛЯ УДАЛЕНИЯ АЗОТА ИЗ СТОЧНЫХ ВОД

[001] Эта непредварительная заявка испрашивает приоритет предварительной заявки США № 61/783232, поданной 14 марта 2013 г. Полное раскрытие предварительной заявки США № 61/783232 включено сюда посредством ссылки.

Одновременные нитрификация и денитрификация (ОНД) в едином резервуаре весьма желательны по сравнению с обычными системами, поскольку не требует отдельных резервуаров и рециркуляции нитрата смешанной жидкости (иловой смеси) из аэробной зоны нитрификации в бескислородную (аноксическую) зону денитрификации. Преимущества ОНД дополнительно расширены за счет использования нитритного обводного протока (отвода нитрита), как было продемонстрировано посредством использования управления длительностью аэрации с учетом ОВП (окислительно-восстановительного потенциала) (см. Guo и др. 2009, раскрытие которой явным образом включено посредством ссылки сюда во всей ее полноте) и кривой рН аммония (см. Peng и др. 2004, раскрытие которой явным образом включено посредством ссылки сюда во всей ее полноте). Микросреды реактора (аэробные и бескислородные зоны, возникающие внутри реактора из-за сочетания плохого перемешивания и конструкции реактора) и микросреды хлопьев (аэробные и бескислородные зоны, возникающие в хлопьях активного ила) были приняты без доказательств в качестве возможных механизмов ОНД (см. Daigger и др. 2007, раскрытие которой явным образом включено посредством ссылки сюда во всей ее полноте). Трудно внедрить стратегии управления в вышеупомянутые механизмы для достижения стабильных характеристик ОНД. Сообщалось о появлении ОНД в ступенчатых реакторах с замкнутым контуром (таких как канал окисления, orbal) (см. Daigger and Littenton, 2000, раскрытие которой явным образом включено посредством ссылки сюда во всей ее полноте), в которых типично применяют длительное время пребывания воды (HRT), время удержания твердых частиц (SRT) и постоянное низкое содержание растворенного кислорода (РК).

[002] Ингибирование нитрит-окисляющих бактерий (НОБ) является непременным условием для реализации процессов упрощенного биологического удаления азота (ScBNR), таких как нитритация-денитритация (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, раскрытия которых явным образом включены посредством ссылки сюда во всей их полноте), отвода нитрита и частичной нитритации - анаэробного окисления аммония (анаммокс) (см. Fux и др., 2002, Hippen и др., 1997, van Dongen и др., 2001, Wett, 2006, Wett, 2007, Wett и др., 2010, раскрытия которых явным образом включены посредством ссылки сюда во всей их полноте) и деаммонификация. Успешное подавление окисления нитрита за счет регулирования НОБ экономит 25% кислорода и 40% органического углерода по сравнению с обычными нитрификацией-денитрификацией (см. Turk and Mavinic, 1986; Abeling and Seyfried, 1992, раскрытия которых явным образом включены посредством ссылки сюда во всей их полноте). В процессах деаммонификации регулирование НОБ приводит к дополнительным преимуществам в дальнейших снижениях энергии, требуемой на аэрацию, и сниженным затратам на донор электронов и удаление механических примесей. На фиг. 1, фиг. 2 и фиг. 3 показаны схемы процесса удаления азота посредством обычных нитрификации/денитрификации, нитритации/денитритации и деаммонификации (частичной нитритации + анаэробного окисления аммония) соответственно.

[003] В связи с высокой стоимостью биологического удаления биогенных элементов (БУБЭ) с целью соблюдения все более жестких стандартов качества сточных вод, ScBNR за счет подавления НОБ является актуальной темой. Меры, направленные на обоснование подавления НОБ, обсуждались во многих публикациях, включая те, которые более характерны для использования высокой температуры (см. Hellinga и др., 1998, раскрытие которой явным образом включено посредством ссылки сюда во всей ее полноте), высоких степеней ингибирования свободного аммиака или концентрации растворенного кислорода (РК) (см. Blackburne и др., 2008, раскрытие которой явным образом включено посредством ссылки сюда во всей ее полноте) и временной аноксии (см. Kornaros and Dokianakis, 2010, раскрытие которой явным образом включено посредством ссылки сюда во всей ее полноте). В частности, все эти условия успешно используют, частично или в целом, в различных подходах по регулированию НОБ в системах, обрабатывающих «высококонцентрированные» (с высоким содержанием свободного аммиака) потоков сточных вод, таких как установка для анаэробного сбраживания осушенного щелока (осушенной сточной воды) (к тому же обычно при высокой температуре) и сточных вод свалок. Регулирование подавления НОБ в низкоконцентрированных потоках сточных вод, таких как бытовая сточная вода, остается трудной задачей и является предметом настоящего изобретения. Средства регулирования, которые в настоящее время используют для подавления НОБ в процессах ScBNR, описаны ниже.

[004] Температура и аммиак: Как температура, так и свободный аммиак являются признаками, считающимися обеспечивающими преимущества аммиак-окисляющих бактерий (аммоний-окисляющих бактерий) (АОБ) над НОБ. Ингибирование свободным аммиаком (СА) НОБ было хорошо задокументировано в литературе с тех пор, как оно было рассмотрено Anthonisen и др. (1976), раскрытие которой явным образом включено посредством ссылки сюда во всей ее полноте. Однако знания о регулировании СА-ингибирования для получения стабильной нитритации в большей степени ограничены, поскольку сообщалось об адаптации НОБ (см. Turk and Mavinic, 1989; и Wong-Chong and Loehr, 1978, раскрытия которых явным образом включены посредством ссылки сюда во всей их полноте). К тому же известно, что высокая температура благоприятствует росту АОБ над НОБ (см. Kim и др., 2008, раскрытие которой явным образом включено посредством ссылки сюда во всей ее полноте).

[005] Повышенная активность АОБ по сравнению с НОБ при более высокой температуре, большая диссоциация общего аммония до свободного аммиака и возникающее вследствие этого ингибирование НОБ при более высоких температурах, в сочетании с эксплуатацией РК низкого содержания (часто проводимой с помощью прерывистой аэрации и с регулируемым аэробным временем удержания твердых частиц (SRT)), приводит к обогащению АОБ и селективному вымыванию НОБ. Эти подходы различным образом описаны (см. EP 0826639 A1, EP 0872451 B1, US 2010/0233777 A1, US 7846334 В2, US 6485646 B1 и WO 2012/052443 A1, раскрытия которых явным образом включены посредством ссылки сюда во всей их полноте) для регулирования НОБ в «высококонцентрированной» сточной воде. В этих способах для выполнения ScBNR либо используют суспендированную культуру (см. WO 2006/129132 A1, раскрытие которой явным образом включено посредством ссылки сюда во всей ее полноте), прикрепленную культуру на субстрат среды (см. US 2011/0253625 A1 и EP 0931768 B1, раскрытия которых явным образом включены посредством ссылки сюда во всей их полноте), либо гранулированный ил (см. Wett, 2007 и US 7846334 B2, раскрытия которых явным образом включены посредством ссылки сюда во всей их полноте).

[006] Несмотря на эффективность, роль повышенной температуры по увеличению активности АОБ и по регулированию роста НОБ не реализуема в процессах очистки низкоконцентрированного основного потока, функционирующих в широком диапазоне температур. Следовательно, регулирование НОБ в низкоконцентрированной сточной воде остается непреодолимым и требует тщательного манипулирования другими факторами помимо температуры или свободного аммиака.

[007] Растворенный кислород: Растворенный кислород (РК) может играть значительную роль в регулировании НОБ в низкоконцентрированной сточной воде. Продолжительную нитритацию с использованием РК низкой концентрации наблюдали в реакторах различных конфигураций (см. Sliekers и др., 2005, Wyffels и др., 2004 и Blackburne и др., 2008, раскрытия которых явным образом включены посредством ссылки сюда во всей их полноте). Хотя все эти работы не учитывают лежащих в основе механизмов, они прибегают к гипотезе более высокого сродства к кислороду у АОБ по сравнению с НОБ (см. Hanaki и др., 1990, Laanbroek and Gerards, 1993 и Bernet и др., 2001, раскрытия которых явным образом включены посредством ссылки сюда во всей их полноте) в качестве объяснения наблюдаемого явления (см. Yoo и др., 1999, Peng и др., 2007, Lemaire и др., 2008, Gao и др., 2009 и Zeng и др., 2009, раскрытия которых явным образом включены посредством ссылки сюда во всей их полноте). В исследовании Sin и др. (2008), раскрытие которого явным образом включено посредством ссылки сюда во всей его полноте, задокументирована распространенность убеждения о том, что сродство АОБ к кислороду больше, чем сродство НОБ к кислороду, и что эксплуатация РК низкого содержания оказывает предпочтение АОБ над НОБ, однако существуют исследования, которые сообщают о противоположном (см. Daebel и др., 2007, and Manser и др., 2005, раскрытия которых явным образом включены посредством ссылки сюда во всей их полноте).

[008] Временная аноксия: использование временной аноксии было общим подходом к достижению подавления НОБ (см. Li и др., 2012; Ling, 2009, Pollice и др., 2002, Zekker и др., 2012, US 7846334 B2, EP 0872451 B1 и WO 2006/129132 A1, раскрытия которых явным образом включены посредством ссылки сюда во всей их полноте). Временная аноксия обеспечивает взвешенный подход к регулированию аэробного SRT, а также введения времени задержки для НОБ при переходе от бескислородной к аэробной среде. Kornaros and Dokianakis (2010), раскрытия которых явным образом включены посредством ссылки сюда во всей их полноте, продемонстрировали замедление в восстановлении НОБ и адаптации времени задержки НОБ в аэробных условиях вслед за временной аноксией, тем самым подтверждая наблюдения полезности временной аноксии многими другими (см. Allenman и Irvine, 1980, Katsogiannis и др., 2003, Sedlak, 199, Silverstein и Schroeder, 1983, Yang и Yang, 2011 и Yoo и др., 1999, раскрытия которых явным образом включены посредством ссылки сюда во всей их полноте). Хотя временная аноксия была успешно использована для регулирования НОБ в «высококонцентрированных» сточных водах (см. Wett, 2007 и US 7846334 B2, раскрытия которых явным образом включены посредством ссылки сюда во всей их полноте) и была предложена возможность ее применения в низкоконцентрированных сточных водах (см. Peng и др., 2004, раскрытие которой явным образом включено посредством ссылки сюда во всей ее полноте), возможность регулирования связанных с временной аноксией признаков остается загадкой. Подводя итог, стратегии по управлению подавлением НОБ в низкоконцентрированной сточной воде, которое является основой для появляющихся технологий ScBNR, значительно различаются, и все еще существует необходимость в более эффективных стратегиях управления.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[009] Соответственно, настоящее изобретение предлагает систему и способ удаления азота из сточной воды в реакторе для биологического удаления азота, в которых длительность аэробного-бескислородного периода и/или концентрацию растворенного кислорода в реакторе регулируют на основе измеренного в режиме реального времени отношения [концентрации аммония] к [сумме концентраций нитрита и нитрата]. Как правило, длительность аэробного-бескислородного периода и/или концентрацию растворенного кислорода в реакторе регулируют для достижения отношения [концентрации аммония] к [сумме концентраций нитрита и нитрата], которое составляет примерно 1. Альтернативно, длительность аэробного-бескислородного периода и/или концентрацию растворенного кислорода в реакторе можно регулировать для достижения предварительно заданного отношения [концентрации аммония] к [сумме концентраций нитрита и нитрата], которое составляет менее чем или более чем 1. При применении системы и способа по настоящему изобретению общее удаление азота максимально из-за баланса друг с другом денитрификации (зависящей от подвода ХПК) и последующего окисления аммония и в то же время предпочтения АОБ над НОБ.

[0010] Система и способ по изобретению могут быть использованы для достижения надлежащего и взвешенного регулирования процесса ОНД основного потока, который максимизирует удаление ОНА (общего неорганического азота) посредством одного из нескольких механизмов удаления азота, в том числе нитрификации-денитрификации, нитритации-денитритации (scBNR), частичной нитритации-денитритации с получением стока (сточной воды), подходящего для доочистки анаэробным окислением аммония в расположенном ниже по течению отдельном реакторе и частичной нитритации - анаэробного окисления аммония в одном резервуаре с селективным удержанием анаэробного окисления аммония. Эти системы и способы используют различные стратегии управления, в том числе: 1) измерение аммония, нитрита и нитрата в режиме реального времени, 2) рабочий РК и правильное использование заданных значений РК, регулируемых на основе отношения концентрации аммония к концентрации нитрита + нитрата, измеренных в реакторе, 3) регулирование частоты аэрации на основе отношения концентрации аммония к концентрации нитрита + нитрата, измеренных в реакторе, и 4) правильное осуществление временной аноксии в рамках широкого диапазона условий эксплуатации и (конфигураций реактора) аппарата.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0011] На фиг. 1 изображена молярная схема процесса, показывающая реакции, связанные с обычными нитрификацией и денитрификацией.

[0012] На фиг. 2 изображена молярная схема процесса, показывающая реакции, связанные с нитритацией и денитритацией.

[0013] На фиг. 3 изображена молярная схема процесса, показывающая реакции, связанные с деаммонификацией.

[0014] На фиг. 4 представлен линейный график сравнения собранных данных K_o-значений АОБ и НОБ в реакторе нитритации HRSD Pilot.

[0015] На фиг. 5 изображена блок-схема, показывающая алгоритм регулирования РК на основе концентраций аммиака (аммония), нитрита, нитрата и РК.

[0016] На фиг. 6 изображен график сравнения, показывающий иллюстрацию осуществления логической схемы временной аноксии с характерными заданными значениями и параметрами регулирования.

[0017] На фиг. 7 изображена блок-схема, показывающая алгоритм управления длительностью аэробного периода на основе концентраций аммиака (аммония), нитрита, нитрата и РК.

[0018] На фиг. 8 изображен график сравнения, показывающий иллюстрацию осуществления логической схемы управления длительностью аэробного-анаэробного периода с характерными заданными значениями и параметрами регулирования.

[0019] На фиг. 9 представлен график, сравнивающий скорости окисления аммония и скорости окисления нитрита в реакторе, эксплуатируемом в рамках стратегии, описанной для процесса полного смешения.

[0020] На фиг. 10 представлена иллюстрация возможных последствий логической схемы управления AVN на общую эффективность системы.

[0021] На фиг. 11 представлен вид сбоку в поперечном разрезе реактора БУБЭ, оснащенного механической мешалкой, воздушным диффузором, датчиком аммония, датчиком нитрита, датчиком нитрата и датчиком растворенного кислорода.

[0022] На фиг. 12 изображены результаты измерения аммиака (аммония), нитрита и нитрата в режиме реального времени в реакторе нитритации, эксплуатируемом под управлением AVN.

[0023] На фиг. 13 изображена характеристики удаления ОНА реактора нитритации, эксплуатируемого под управлением AVN.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

[0024] Эта заявка описывает систему и способ удаления азота из сточной воды, обрабатываемой в реакторе. Система и способ по изобретению максимизируют удаление азота при минимизировании требований по аэрации и органическому углероду посредством управления временной аноксией и аэробным SRT, подавления НОБ и контроля динамических концентраций РК или интервала аэрации путем поддержания заданного отношения [концентрации аммония (NH₄)] к [сумме концентраций нитрита и нитрата]. Предварительно заданное отношение концентрации аммония к сумме концентраций нитрита и нитрата, как правило, равно 1, но может быть менее или более 1. Контроллер, который использует эти динамические стратегии управления, был назван AVN (NH₄ против NO_х). Управление AVN не только максимизирует потенциал удаления ОНА нормальным путем (фиг. 1), но оно также обеспечивает возможность подавления НОБ и связанных с ним преимуществ относительно удаления ОНА в соответствии с фиг. 2 и фиг. 3.

[0025] Аммоний и нитрит + нитрат в реакторе: По настоящему изобретению применяют непосредственное измерение аммония, нитрита и нитрата и РК в реакторе БУБЭ для регулирования аэробного и бескислородного SRT и HRT, а также концентрации РК в реакторе для максимизации окисления аммония и денитрификации. Концентрация РК или интервал аэрации или и то, и другое, эффективно регулируются в зависимости от поступающего углерода:азота (C/N) и условий в реакторе таким образом, что реакции, необходимые для исключения азота, предпочтительны в любой момент времени. РК больше направлен на окисление аммония вместо окисления ХПК, и доступное ХПК используют для приведения в действие денитрификации всегда, таким образом максимизируя общее удаление азота (Фиг. 10). Степень окисления аммония, обеспечиваемая этим изобретением, регулируется доступностью входящего ХПК для денитрификации, поэтому естественно, что окисление аммония и денитрификация уравновешены друг другом для максимального удаления азота. Концентрацию РК и/или длительность аэрации, как правило, регулируют для поддержания все время приблизительно равных концентраций NH₄-N и NO_x-N в реакторе, величину окисления NH₄ и, таким образом, количество доставленного кислорода регулируют на основе количества поступающего ХПК, доступного для денитрификации полученного NO_x. Это сводит к минимуму потребление аэробного гетеротрофного ХПК и максимально увеличивает возможность денитрификации, которая требует времени при низком РК и доступном ХПК. Контроллер обеспечивает возможность ввода отклонений, что позволило бы удалить концентрации NH₄-N или NO_x-N так, чтобы соответствовать конкретным ограничениям на сброс по этим параметрам. Например, контроллер может быть настроен на обеспечение соблюдения ограничения NH₄ путем установления параметров контроллера для обеспечения стока, который содержит NH₄ на уровне 20-90% концентрации NO_x-N в стоке.

[0026] Растворенный кислород: Как описано выше и показано на фиг. 4, окисление аммония происходит с большей скоростью при высоких концентрациях РК (т.е. концентрациях более 1 мг/л) по сравнению с окислением нитрита. Следовательно, желательно эксплуатировать реактор БУБЭ при переменно высокой концентрации РК, так что рост АОБ преобладает над НОБ. Эта стратегия идет в противовес с большим количеством литературы, которая указывает на высокое сродство АОБ к кислороду по сравнению с НОБ при низких концентрациях РК.

[0027] Периодическая аэрация: быстрый переход от высокого содержания РК к аноксии очень важен, принимая во внимание тот факт, что задержку в росте НОБ по сравнению с АОБ при высоком содержании РК можно эксплуатировать только путем применения бескислородных условий. Это означает, что в конце аэрированного периода будет существовать некоторое накопление нитрита, для которого НОБ будет конкурировать с ХПК, работающим от гетеротрофных денитрификаторов в scBNR и анаэробного окисления аммония на отдельных стадиях процессов деаммонификации. Следовательно, давление РК, поддерживаемое в аэрированный период за счет АОБ, и давление нитрита за счет денитрификаторов и анаэробного окисления аммония во время бескислородного периода значительно способствует быстрому переходу к аноксии.

[0028] Поддержание повышенной скорости потребления кислорода (СПК) является ключевым для реализации быстрой временной аноксии. Возможно эксплуатировать реактор БУБЭ при условиях высокой СПК за счет увеличения концентрации MLSS (концентрации взвешенных твердых веществ в иловой смеси) и подвода ХПК так, что РК быстро расходуется c последующим началом аноксии. Использование непосредственного измерения РК, аммония, нитрита и нитрата для регулирования аэробного и бескислородного SRT и HRT в реакторе БУБЭ было продемонстрировано на фиг. 6 и 8, на которых изображены быстро чередующиеся аэробные и бескислородные условия в реакторе. В рамках этой стратегии концентрацию NH₄-N измеряют и поддерживают близкой к концентрации NO_x-N, или при любом необходимом отклонении. Аэрация обеспечивается для окисления аммония, так что концентрация NH₄-N в реакторе приблизительно соответствует концентрации NO_x-N в реакторе. Это сохраняет повышенную концентрацию NH₄ в реакторе все время или во всех местоположениях, гарантируя, что скорости АОБ удерживают на высоком уровне. Следовательно, могут быть использованы известные стратегии подавления НОБ с применением алгоритма грубого регулирования на основе прямых сигналов NH₄, NО₂, NO₃ и РК. Фиг. 9 демонстрирует характеристики этой стратегии по регулированию НОБ для достижения ScBNR в процессе отвода нитрита.

[0029] Ниже описываются конкретные средства управления.

[0030] Заданное значение аэробного SRT и РК: Аэробным SRT управляют с помощью двух подходов. Увеличение по сброшенным твердым веществам снижает общее и аэробное SRT. Второй подход к снижению аэробного SRT заключается в увеличении бескислородного интервала времени во время временной аноксии. В периодически аэрированном (во времени или пространстве) реакторе БУБЭ, работающем в рамках стратегии управления AVN, аэробное SRT определяется нуждами аэрации АОБ для окисления аммония до нитрита или нитрата, так что концентрации NH₄-N и NO_x-N остаются равными. Например, если скорость окисления аммония АОБ ниже, потребуется большая аэрация (время или более высокая концентрация РК, или и то, и другое) для поддержания этого состояния по сравнению с тем, когда скорости АОБ выше. При таком варианте развития событий преднамеренное снижение общего SRT постепенно приводит к снижению скорости окисления аммония АОБ при определенном значении РК. Следовательно, АОБ требуют большей аэрации для увеличения скорости их роста и удовлетворения желаемого условия (NH₄-N=NO_x-N), являющегося причиной рабочего заданного высокого значения РК (во времени) и аэробного HRT (в пространстве), для увеличения и нахождения в некоторой точке, в которой рост АОБ преобладает над НОБ.

[0031] Агрессивное регулирование SRT не является общепринятым в качестве средства достижения отвода нитрита, что также совпадает с невозможностью поддерживать стабильное подавление НОБ. Когда реактор БУБЭ эксплуатируют при высоких заданных значениях РК, АОБ растут быстрее, чем НОБ, что позволяет системе работать при низком SRT, дополнительно нанося вред НОБ. Кроме того, применение агрессивного давления SRT легко регулируется в соответствии с этим изобретением. Поскольку концентрации аммония, нитрита и нитрата определяют высокие рабочие заданные значения РК или длительность аэрации (во времени) и аэрированную фракцию (в пространстве), то это простая задача регулирования общего SRT, в результате чего РК остается при высокой концентрации, свыше 1 мг/л.

[0032] Переход к регулированию аноксии: Для распространения управления AVN по этому изобретению на подавление НОБ, желателен более быстрый переход между аэробным заданным значением и аноксией для сведения к минимуму времени, имеющегося у НОБ для роста преобладающе над АОБ. Существует по меньшей мере три подхода к повышению скоростей потребления кислорода при переходе к аноксии. Один подход заключается в эксплуатации реактора при более высокой концентрации твердых веществ в иловой смеси, в результате чего существует немало организмов, заинтересованных в воздухе в том же самом объеме. Другой подход заключается в использовании поступающего ХПК для обеспечения возможности продувки кислородом во время переходных периодов. Третий подход заключается в повышении температуры и, таким образом, скоростей роста всех организмов. Ключевой признак заключается в обеспечении возможности высоких скоростей потребления кислорода для перехода от кислородных к бескислородным условиям.

[0033] Регулирование частоты временной аноксии (ЧВА): Для распространения управления AVN по этому изобретению на подавление НОБ, желательно иметь высокую ЧВА для обеспечения возможности быстрых изменений между аэробными и бескислородными состояниями при поддержании того же самого общего аэробного SRT. Например, 5-минутный аэробный/бескислородный цикл предпочтительнее, чем 15-минутный аэробный/бескислородный цикл, который предпочтительнее, чем 30-минутный аэробный/бескислородный цикл. Самая высокая практически применимая ЧВА дает возможность нарушения НОБ, при этом допуская селективный рост АОБ в аэробной фазе и денитрифицирующих организмов или организмов анаэробного окисления аммония в бескислородной фазе. Существуют ограничения на увеличение до максимума этой частоты. Увеличение по частоте, максимальному значению, в конечном счете, ограничено на аэробном этапе временем, необходимым, чтобы позволить кислороду достичь своего заданного значения, а затем чтобы в достаточной степени окислить аммоний. Кроме того, требуется минимальное время бескислородного периода, чтобы позволить денитрифицирующим организмам и организмам анаэробного окисления аммония превратить нитрит в газообразный азот.

[0034] Конфигурации реактора: Доступно несколько аппаратов для реализации общих принципов этого окисления AОБ и подавления НОБ, включая реакторы полного смешения, последовательно-периодические реакторы, каналы окисления и реакторы идеального вытеснения. Следует отметить, что устройство реактора можно скорректировать, чтобы добиться признаков регулирования для достижения SRT, требований к окислению аммония, высоких концентраций РК и переходов к аноксии, там, где это возможно, за счет обеспечения механической и гидравлической гибкости. Могут быть предусмотрены зоны смешения или реакторы смешения для приема переменных потоков и загрузок, которые характерны для процесса обработки (очистки) сточных вод. Помимо реакторов с ростом во взвешенном слое также возможны биопленочные реакторы, реакторы с гранулированным илом или гибриды этих реакторов. Наконец, разделение твердой и жидкой фаз может произойти при использовании любого разделительного устройства, включая отстойники, мембраны или флотационные баки с растворенным воздухом.

[0035] Реакторы идеального вытеснения характеризуются как реакторы непрерывной подачи с очень высоким отношением длины к ширине и могут быть смоделированы в виде последовательности реакторов полного смешения, в которых концентрация загрязняющего вещества снижается по ходу потока по всей длине реактора (т.е. градиент концентрации). В реакторах идеального вытеснения и непрерывной подачи, которые широко используются на крупных очистных сооружениях, средства управления процессом для достижения управления AVN могут быть рассмотрены при использовании двух конфигураций: (1) регулирование аэрации в пространстве чередованием аэробных и анаэробных зон; и (2) регулирование аэрации во времени путем периодического чередования воздуха по всему реактору последовательностью действий "включение воздуха" и "отключение воздуха", аналогичной конфигурации ППР (последовательно-периодического реактора).

[0036] Управление AVN может быть интегрировано в различных конфигурациях реакторов для достижения максимального удаления азота путем нитрификации-денитрификации, нитритации-денитритации и частичной нитритации - анаэробного окисления аммония.

[0037] Управление AVN может быть реализовано в едином реакторе или соединенных последовательно реакторах с целью достижения удаления азота путем нитрификации и денитрификации, когда приток C/N является высоким. Если цель заключается в дополнительном улучшении удаления азота, при условии, что приток C/N достаточен, управление AVN также может быть использовано для подавления НОБ, благоприятствующего ScBNR/нитритации-денитритации при любой конфигурации единого реактора или соединенных последовательно реакторов. Когда приток C/N является низким, управление AVN может быть использовано для реализации автотрофного удаления азота путем частичной нитритации и анаэробного окисления аммония при любой конфигурации единого реактора или соединенных последовательно реакторов, допуская селективное удержание анаэробного окисления аммония, такое как циклонная сепарация (US 2011/0198284 A1). Средства управления обеспечивают соответствующие концентрации NH₄ и NО₂ в реакторе все время и во всех местоположениях, чтобы дать возможность роста культуры для анаэробного окисления аммония. Вышеупомянутые конфигурации реактора могут быть использованы для запитки отдельного полностью бескислородного реактора анаэробного окисления аммония, следующего за устройством по отделению твердых веществ, поскольку при подавлении НОБ сток сам по себе содержит подходящую смесь NH₄ и NО₂, чтобы служить в качестве субстрата для анаэробного окисления аммония. Этот полностью бескислородный реактор анаэробного окисления аммония может быть любой конфигурации, включая, но не ограничиваясь ими, биопленочный реактор с подвижным слоем, реактор с гранулированным илом, реактор с ростом во взвешенном слое, фильтр биологически активной гранулированной среды и мембранный биореактор.

[0038] Стратегии управления

[0039] Доступны некоторые стратегии управления, которые могут быть применены в вышеупомянутых конфигурациях реактора, использующих признаки этого изобретения для достижения максимального удаления ОНА, и могут быть распространены на подавление НОБ. Ниже описано несколько примерных стратегий, оптимизированных для различных конфигураций.

[0040] Стратегия управления А: первая стратегия управления, при которой рабочее значение РК является переменным и регулируется концентрациями NH₄-N и NO_x-N в реакторе БУБЭ, будет оптимизировать РК для высокой скорости окисления аммония и при аноксии, гетеротрофной денитрификации или вызванном анаэробным окислением аммония окислении аммиака. Этот подход действенен в широком диапазоне конфигураций реактора, включая реакторы идеального вытеснения, полного смешения, последовательно соединенные реакторы полного смешения и последовательно-периодический реактор. При таком подходе РК циклически меняется между нижним заданным значением РК (которое фиксировано) и переменным высоким заданным значением РК, обычно больше 1 мг/л, и регулируется концентрацией NH₄-N в реакторе по сравнению с концентрацией NO_x-N. Агрессивное аэробное SRT поддерживают для увеличения потребности в кислороде, тем самым позволяя контроллеру автоматически увеличивать уровни РК до более чем 1 мг/л. В этой стратегии управления аэробные и бескислородные периоды определяются требованиями аэрации АОБ для достижения поставленной цели, чтобы NH₄-N быть примерно равным NO_x-N, в противоположность установленному.

[0041] В этом примерном варианте осуществления реактор БУБЭ 10 (фиг. 11) может быть снабжен зондами (или датчиками) 12, 14, 16, 18 РК, аммония, нитрита и нитрата. Как описано в следующем подразделе, будет возможным иметь любую конфигурацию реактора, где регулирование может происходить либо во времени, либо в пространстве. В случае множественных реакторов или реакторов идеального вытеснения, множественные датчики РК устанавливают вдоль каждой основной секции по всему агрегату, тогда как зонды на аммоний, нитрит и нитрат будут стратегически установлены в последнем реакторе или последней секции для управления скоростями реакции, так что небольшие количества содержащегося аммония остаются в конце реактора и так, что сток из реактора содержит концентрации NH₄-N, приблизительно равные NO_x-N.

[0042] Изобретение предлагает систему для удаления азота в реакторе для биологического удаления азота из сточных вод. Система содержит: реактор 10; датчик аммония (или зонд) 14, который измеряет концентрацию аммония в реакторе 10 в режиме реального времени и генерирует сигнал 20 концентрации аммония; датчик нитрита (или зонд) 16, который измеряет концентрацию нитрита в реакторе 10 в режиме реального времени и генерирует сигнал 22 концентрации нитрита; датчик нитрата (или зонд) 18, который измеряет концентрацию нитрата в реакторе 10 в режиме реального времени и генерирует сигнал 24 концентрации нитрата; контроллер 30, который принимает сигнал концентрации аммония, сигнал концентрации нитрита и сигнал концентрации нитрата через один или более каналов 32 связи и генерирует одну или более команд, которые контроллер 30 подает системе регулирования и подачи растворенного кислорода (не показана) через канал(ы) 34 связи, на повышение, уменьшение или поддержание концентрации растворенного кислорода в реакторе 10 путем управления концентрациями аммония, нитрита и нитрата на основе отношения [концентрации аммония] к [сумме концентраций нитрита и нитрата]; и регулятор 36 растворенного кислорода, который подает растворенный кислород в реактор 10 под управлением контроллера 30 на основе отношения [концентрации аммония] к [сумме концентраций нитрита и нитрата]. Регулятор 36 растворенного кислорода может быть соединен с контроллером 30 через упомянутые один или более каналов 34 связи. Система может дополнительно содержать один или более клапанов с электронным (или механическим) управлением, которые могут быть связаны с контроллером по каналам связи. Контроллер может генерировать команды на повышение концентрации растворенного кислорода, если отношение [концентрации аммония] к [сумме концентраций нитрита и нитрата] больше 1. Контроллер 30 может генерировать команды на уменьшение концентрации растворенного кислорода в реакторе 10, если отношение [концентрации аммония] к [сумме концентраций нитрита и нитрата] меньше 1. Контроллер 30 может генерировать команды на поддержание концентрации растворенного кислорода в реакторе 10, если отношение [концентрации аммония] к [сумме концентраций нитрита и нитрата] равно 1.

[0043] Контроллер может быть одним или более компьютерами. Термин "компьютер", употребляемый в этом раскрытии изобретения, означает любую машину, устройство, схему, компонент или модуль, или любую систему машин, устройств, схем, компонентов, модулей или тому подобное, которые способны манипулировать данными в соответствии с одной или более командами, такие как, например, без ограничения, процессор, микропроцессор, центральный процессор, компьютер общего назначения, суперкомпьютер, персональный компьютер, портативный компьютер, карманный компьютер, компьютер типа «ноутбук», настольный компьютер, рабочая станция, сервер или тому подобное, или массив процессоров, микропроцессоров, центральных процессоров, компьютеров общего назначения, суперкомпьютеров, персональных компьютеров, портативных компьютеров, карманных компьютеров, компьютеров типа «ноутбук», настольных компьютеров, рабочих станций, серверов или тому подобное.

[0044] Термин "канал связи", употребляемый в этом раскрытии изобретения, означает проводной и/или беспроводной носитель, который передает данные или информацию по меньшей мере между двумя точками. Проводной или беспроводной носитель может включать в себя, например, канал с металлическим проводником, радиочастотный (РЧ) канал связи, инфракрасный (ИК) канал связи, оптический канал связи, или тому подобные, без ограничения. РЧ канал связи может включать в себя, например, WiFi, WiMAX, IEEE 802.11, DECT, 0G, 1G, 2G, 3G или 4G стандарты сотовой связи, Bluetooth и тому подобное.

[0045] Контроллер 30 может включать в себя считываемый компьютером носитель 40, который включает в себя компьютерную программу, имеющую секции кода или сегменты кода, которые при исполнении компьютером(ами) 30 заставляют осуществляться каждый из описанных здесь процессов. Термин "считываемый компьютером носитель", употребляемый в этом раскрытии изобретения, означает любой носитель, который участвует в предоставлении данных (например, команд), которые могут быть считаны компьютером. Такой носитель может принимать различные формы, включая энергонезависимые носители, энергозависимые носители и среды передачи данных. Энергонезависимые носители могут включать в себя, например, оптические или магнитные диски и другую энергостойкую память. Энергонезависимые носители могут включать в себя динамическое оперативное запоминающее устройство (ДОЗУ). Среды передачи данных могут включать в себя коаксиальные кабели, медный провод и оптоволоконные кабели, в том числе провода, которые составляют системную шину, соединенную с процессором. Среды передачи данных может включать в себя или передавать акустические волны, световые волны и электромагнитное излучение, такие как генерируемые при радиочастотных (RF) и инфракрасных (ИК) передачах данных. Общепринятые формы считываемых компьютером носителей включают в себя, например, гибкий магнитный диск (флоппи-диск), гибкий диск, жесткий диск, магнитную ленту, любой другой магнитный носитель, CD-ROM, DVD, любой другой оптический носитель, перфокарты, бумажную ленту, любой другой физический носитель с сетками отверстий, ОЗУ, ППЗУ, ЭППЗУ, флэш-ППЗУ, любую другую микросхему памяти или картридж памяти, несущие, как описано ниже, или любой другой носитель, с которого может считать компьютер. Считываемый компьютером носитель может включать в себя "облако", которое включает в себя распределение файлов между многочисленными (например, тысячами) сверхоперативными запоминающими устройствами на многочисленных (например, тысячах) компьютерах.

[0046] В соответствии с другим аспектом изобретения система для удаления азота в реакторе для биологического удаления азота из сточных вод может содержать: реактор; датчик аммония (или зонд), который измеряет концентрацию аммония в реакторе в режиме реального времени и генерирует сигнал концентрации аммония; датчик нитрита (или зонд), который измеряет концентрацию нитрита в реакторе в режиме реального времени и генерирует сигнал концентрации нитрита; датчик нитрата (или зонд), который измеряет концентрацию нитрата в реакторе в режиме реального времени и генерирует сигнал концентрации нитрата; контроллер, который принимает сигнал концентрации аммония, сигнал концентрации нитрита и сигнал концентрации нитрата через один или более каналов связи и генерирует команды, которые могут быть поданы одному или более клапанам и/или аэратору, на повышение, уменьшение или поддержание концентрации РК и длительности аэробного-бескислородного периода внутри реактора на основе отношения [концентрации аммония] к [сумме концентраций нитрита и нитрата]; и аэратор, который аэрирует реактор с частотой, регулируемой контроллером, причем эта частота основана на отношении [концентрации аммония] к [сумме концентраций нитрита и нитрата]. Контроллер может генерировать команды на повышение концентрации РК или длительности аэробного периода (или уменьшение длительности бескислородного периода), если отношение [концентрации аммония] к [сумме концентраций нитрита и нитрата] больше 1. Контроллер может генерировать команды на уменьшение концентрации РК или длительности аэробного периода (или увеличение длительности бескислородного периода) обработки, если отношение [концентрации аммония] к [сумме концентраций нитрита и нитрата] меньше 1. Контроллер может генерировать команды на поддержание концентрации РК и длительности аэробного-бескислородного периода, если отношение [концентрации аммония] к [сумме концентраций нитрита и нитрата] равно 1.

[0047] В одном примере концентрацию растворенного кислорода и/или длительность аэробного и бескислородного периодов регулируют путем переключения пневматического распределительного клапана 50 либо на ВКЛ., либо на ВЫКЛ., на основе заданного значения высокого РК (ВРК) и низкого РК (НРК). Например, чтобы увеличить длительность аэробного периода и снизить длительность бескислородного периода, пневматический распределительный клапан 50 может быть переключен на ВКЛ. Напротив, чтобы уменьшить длительность аэробного периода и увеличить длительность бескислородного периода, пневматический распределительный клапан 50 может быть переключен на ВЫКЛ. Заданное значение НРК фиксируют на близком к нулю уровне (от 0,001 до 0,1 мг/л), тогда как ВРК является переменным (на основе NH₄-N, NО₃-N и NО₂-N, измеренных в режиме реального времени в баке) от 0,3 мг/л (мин.НРК) до 3,0 мг/л (макс.ВРК). Макс.ВРК устанавливают на 2,0-3,0 мг/л, поскольку добавление дополнительной аэрации за этой точкой, как полагают, не даст дополнительных преимуществ по скорости окисления аммония. Когда NH₄-N в реакторе 10 больше, чем NO_x-N (ДА с этапа S10, фиг. 5), ВРК увеличивают (S12) до тех пор, пока NH₄-N не опустится ниже NO_x-N. Когда концентрация NH₄-N ниже, чем NO_x-N (НЕТ с этапа S10), ВРК уменьшают (S14) до тех пор, пока концентрация NH₄-N не станет равной или большей, чем NO_x-N. Чтобы обеспечить более концентрированный сток NH₄ в сравнении с NO_x или наоборот, по мере необходимости можно применить отклонения, как описано выше. Агрессивное управление SRT осуществляется посредством сброса твердых веществ, так что заданное значение ВРК постоянно выше 1 мг/л. Общее SRT также можно регулировать автоматически путем поддержания расхода отходов на основе концентрации РК в реакторе при определенном усредненном времени.

[0048] Стратегия управления B: В этой стратегии заданное значение РК фиксируют, в то время как длительность аэробного и бескислородного периодов является переменной. Общее время аэробного-бескислородного цикла можно поддерживать на определенном заданном значении, позволяя меняться длительностям аэробного и бескислородного периодов. В другом примере длительность бескислородного периода можно зафиксировать, позволяя контроллеру изменять только длительность аэробного периода, так что общая длительность бескислородный период + аэробный период остается динамически зависимой от потенциала удаления азота. Должно быть предусмотрено механическое перемешивание (60, фиг. 11), когда не предусмотрена аэрация (50). В примере, показанном на фиг. 7, длительность аэробного периода является переменной величиной от 5 минут до 15 минут, тогда как длительность бескислородного периода составляет 10 минут. Когда NH₄-N в реакторе больше, чем NO_x-N (ДА с этапа S20), длительность аэробного периода увеличивают (S22) до тех пор, пока NH₄-N не опустится ниже NO_x-N. Когда концентрация NH₄-N ниже, чем NO_x-N (НЕТ с этапа S20), длительность аэробного периода уменьшают (S24) до тех пор, пока концентрация NH₄-N не станет равной или большей, чем NO_x-N. Чтобы обеспечить более концентрированный сток NH₄ в сравнении с NO_x или наоборот, по мере необходимости можно применить отклонения, как описано выше.

[0049] Стратегия управления С: управление AVN также может быть использовано в баке идеального вытеснения с множественными аэробными и бескислородными зонами смешения, расположенными последовательно. Управление AVN влияет на то, какие расположенные последовательно зоны поддерживают бескислородными или аэробными, для достижения цели управления.

[0050] ПРИМЕРЫ

[0051] Систему для удаления азота в реакторе для биологического удаления азота из сточных вод по настоящему изобретению эксплуатировали с 2-3-часовым временем пребывания воды (HRT), ~5-дневным SRT, концентрацией взвешенных веществ в иловой смеси (MLSS) 3500±500 мг/л при 25°С. Реактор эксплуатировали в условиях стратегий управления AVN, изложенных в абзаце [0047] (выше) и показанных на фиг. 5 и 7. На фиг. 9 представлено подавление НОБ, которое наблюдали. Характеристики AVN контроллера продемонстрированы на фиг.12. Как видно на фиг. 13, высокое удаление ОНА, причем это удаление зависело от подвода ХПК, было также достигнуто с использованием тех же условий эксплуатации.

Соответствующие сокращения:

АОБ: аммиак-(аммоний)-окисляющие бактерии

БУБЭ: биологическое удаление биогенных элементов

ХПК: химическое потребление кислорода

C/N: отношение углерода к азоту

РК: растворенный кислород

СА: свободный аммиак

ВРК: высокий РК

HRT: время пребывания воды

НРК: низкий РК

НОБ: нитрит-окисляющие бактерии

NO_x: Нитрат

NΟ_х-N: Нитратный азот плюс нитритный азот

NO₃-N: Нитратный азот

NO₂-N: Нитритный азот

NO₃: Нитрат

NО₂: Нитрит

NH₄-N: Аммонийный азот

СПК: скорость потребления кислорода

ScBNR: упрощенное биологическое удаление азота

SRT: время удержания твердых частиц

ЧВА: Частота временной аноксии

ОНА: Общий неорганический азот

ОА: Общий азот