在废水处理生物反应器区室中提供需氧介质的方法及相关系统

摘要

本发明涉及用于监测和控制市政和工业废水处理系统中的生物活性的方法和相关系统。尤其是，本发明涉及通过实时监控废水处理系统的一个或多个参数来控制生物反应器型活性污泥废水处理系统中的空气流量。

说明书

技术领域

本公开内容涉及用于监测和控制市政和工业废水处理系统中的生物活性的方法和系统。特别地，本公开内容涉及用于通过实时监测废水处理系统的一个或更多个参数来控制生物反应器型活性污泥废水处理系统中空气流量的方法。

发明背景

存在多种不同的设计用于净化由工业和市政源所产生的废水的系统。活性污泥废水处理厂(WWTP)是一类通常用于处理工业和市政废水的生物学反应器(生物反应器)系统。

各种活性污泥工艺目前用于污水处理厂，以促进污染物降解。在采用活性污泥的大多数废水处理厂中，使用活性污泥悬浮液或活性污泥固定膜来促进污染物的降解。通常，根据期望的处理水平，活性污泥工艺使用需氧、缺氧和厌氧区。需氧、缺氧和厌氧区在处理过程中起重要作用。

在活性污泥工艺流中存在的需氧区中，通常以足以维持给定的溶解氧水平的空气流量将空气喷射到废水流中来供给氧。在需氧区中，硝化自养微生物能够使用NH₄⁺(氨)作为其能源将氨转化成亚硝酸盐，然后转化成硝酸盐，并且异养微生物消耗水相中可用的碳。

活性污泥工艺流中也存在缺氧区。这种缺氧区缺乏溶解氧。在缺氧区中，反硝化异养微生物使用硝酸盐和亚硝酸盐作为电子受体，并且可减少水中存在的氮量。反硝化异养细菌在反硝化过程中还消耗一些可用的碳。在反硝化过程中，“NOx”物质从NO₃(硝酸盐)→NO₂(亚硝酸盐)→NO(一氧化氮)→N₂O(一氧化二氮)→N₂逐步还原为氮气，后者最终被释放到大气中。在典型的活性污泥工艺中，用于反硝化的硝酸盐通常是通过向缺氧段的起点提供废水来供给的。

在活性污泥工艺流中也存在厌氧区。厌氧区缺乏溶解氧、硝酸盐和亚硝酸盐。在厌氧区中，废水中部分可用的碳源通过多磷酸盐形成微生物在其生长过程中而除去，无机磷酸盐(PO₄^-)进而则被释放到水中。这种通过厌氧区中多磷酸盐形成微生物快速吸收和储存可用的碳确保随后在工艺流的缺氧和好氧区中磷酸盐的去除。

重要的是，在生物反应器的好氧区中用于保持给定溶解氧的量的空气流量不恒定。这是因为进入活性污泥工艺流的废水流中的物料中有机氮和碳化合物的负荷量不恒定。例如，在市政废水流中存在昼夜变化，使得在夜间负荷水平较低，但在白天负荷水平较高。事实上，在市政污水负荷水平中可看出明显的每小时趋势，所述趋势与在工作期间的市政用水(如淋浴和其他浴室使用)相关。同样，可用的溶解氧量还存在季节性变化，该量随水温度和在较低温度下减少的微生物活性和在较高温度下增加的微生物活性以及多种其他变量而变化。

总之，这意味着典型的污水处理系统的动力学是非线性的，并且随时间的推移而变化。这些波动可能导致对需氧区中的溶解氧(DO)浓度根据情况而控制不足。

可监测活性污泥法污水处理工艺的多个不同参数。这些参数包括生物需氧量(BOD)、化学需氧量(COD)、作为总凯氏氮(TKN)测量的氮水平、硝酸盐水平(NO₃)、亚硝酸盐水平(NO₂)、作为无机磷酸盐(PO₄^-)测量的磷水平以及其他参数如总悬浮固体、温度和pH值。这些参数中的多个参数如空气流量、溶解氧浓度、介质流量、混合液悬浮固体浓度、NH₄⁺浓度和温度可利用自动化仪器进行实时监测。

曝气控制系统在需氧区中提供了氧供应，以满足不断变化的废水处理系统的氧需求。典型的曝气系统包括鼓风机和空气控制阀，以调节空气流量和空气喷射(曝气)，以保持给定的溶解氧水平。然而，也可以通过其他气体(例如压缩气体，例如纯氧)来提供氧。常规曝气控制系统使用来自带有比例积分控制器的溶解氧传感器读数，以在出现偏离预定的用户选择的溶解氧设定值时(例如在感测到过少的溶解氧之后增加空气流量)确定曝气系统需要的空气流量的期望变化从而恢复该设定值。图1描述了基于常规生物反应器的废水处理系统和常规曝气控制系统。

虽然可以监测大量的活性污泥污水处理工艺参数来提供大量信息，但是有效地利用该信息来最大限度地提高活性污泥工艺的效率存在困难。这意味着常规的曝气控制技术导致不必要的高能耗和差的废水处理效率。因此，需要选择空气流量以将废水处理工艺流的需氧区中保持期望的溶解氧以便不消耗过多的能量且保持高处理效率的方法。换言之，需要在执行这些方法的生物反应器区室和系统中提供需氧区的方法。

发明内容

因此，本文提供用于在生物反应器区室中提供需氧介质的方法，所述方法包括：a)测量区室中介质的NH₄⁺浓度、溶解氧浓度、介质流量和混合液悬浮固体和进入区室中的空气流量；b)选择区室中介质的NH₄⁺浓度、溶解氧浓度、介质流量和混合液悬浮固体和进入区室中的空气流量的参考值；c)选择参考时间段；d)将区室中介质的NH₄⁺浓度、介质流量和混合液悬浮固体的参考值与所测量的区室中介质的NH₄⁺浓度、介质流量和混合液悬浮固体进行比较；e)如果区室中介质的NH₄⁺浓度、介质流量和混合液悬浮固体的参考值与所测量的区室中介质的NH₄⁺浓度、介质流量和混合液悬浮固体不相等，则将溶解氧浓度和进入区室的空气流量的参考值与所测量的溶解氧浓度和进入区室的空气流量进行比较；f)如果溶解氧浓度和进入区室的空气流量的参考值与所测量的溶解氧浓度和进入区室的空气流量相等，当区室中的溶解氧浓度的参考值在参考时间段中没有变化时，则根据下式确定区室的空气流量设定值：

其中

和

和g)调节进入区室中的空气流量等于空气流量设定值；由此在生物反应器区室中提供需氧介质。

本文还提供用于在生物反应器区室中提供需氧介质的方法，所述方法包括：a)测量区室中介质的NH₄⁺浓度、溶解氧浓度、介质流量和混合液悬浮固体和进入区室中的空气流量；b)选择区室中介质的NH₄⁺浓度、溶解氧浓度、介质流量和混合液悬浮固体和进入区室中的空气流量的参考值；c)选择参考时间段；d)将区室中介质的NH₄⁺浓度、介质流量和混合液悬浮固体的参考值与所测量的区室中介质的NH₄⁺浓度、介质流量和混合液悬浮固体进行比较；e)如果区室中介质的NH₄⁺浓度、介质流量和混合液悬浮固体的参考值与所测量的区室中介质的NH₄⁺浓度、介质流量和混合液悬浮固体不相等，则将溶解氧浓度和进入区室的空气流量的参考值与所测量的溶解氧浓度和进入区室的空气流量进行比较；f)如果溶解氧浓度和进入区室的空气流量的参考值与所测量的溶解氧浓度和进入区室的空气流量相等，当区室中的溶解氧浓度的参考值在参考时间段中有变化时，则根据下式确定区室的空气流量设定值：

；和g)调节进入区室中的空气流量等于空气流量设定值；由此在生物反应器区室中提供需氧介质。

本文还提供用于在生物反应器区室中提供需氧介质的方法，所述方法包括：a)测量区室中介质的NH₄⁺浓度、溶解氧浓度、介质流量和混合液悬浮固体和进入区室中的空气流量；b)选择区室中介质的NH₄⁺浓度、溶解氧浓度、介质流量和混合液悬浮固体和进入区室中的空气流量的参考值；c)选择参考时间段；d)将区室中介质的NH₄⁺浓度、介质流量和混合液悬浮固体的参考值与所测量的区室中介质的NH₄⁺浓度、介质流量和混合液悬浮固体进行比较；e)如果区室中介质的NH₄⁺浓度、介质流量和混合液悬浮固体的参考值与所测量的区室中介质的NH₄⁺浓度、介质流量和混合液悬浮固体相等，则将溶解氧浓度和进入区室的空气流量的参考值与所测量的溶解氧浓度和进入区室的空气流量进行比较；f)如果溶解氧浓度和进入区室的空气流量的参考值与所测量的溶解氧浓度和进入区室的空气流量相等，当区室中的溶解氧浓度的参考值在参考时间段中没有变化时，则根据下式确定区室的第一空气流量设定值：

其中

和

或者，如果溶解氧浓度和进入区室的空气流量的参考值与所测量的溶解氧浓度和进入区室的空气流量相等，当区室中的溶解氧浓度的参考值在参考时间段中有变化时，根据下式确定区室的第二空气流量设定值：

g)如果溶解氧浓度和进入区室的空气流量的参考值与所测量的溶解氧浓度和进入区室的空气流量相等，则根据下式确定区室的第三空气流量设定值：

h)用空气流量_fb，i和空气流量_ff，i的加权和确定区室的空气流量设定值；和i)调节进入区室的空气流量等于空气流量设定值；由此在生物反应器区室中提供需氧介质。

本文还进一步提供在生物反应器区室中提供需氧介质的方法，包括：a)测量区室中介质的NH₄⁺浓度、溶解氧浓度、介质流量和混合液悬浮固体和进入区室的空气流量；b)选择用于区室中介质的NH₄⁺浓度、溶解氧浓度、介质流量和混合液悬浮固体和进入区室的空气流量的参考值；c)选择参考时间段；d)将区室中介质的NH₄⁺浓度、介质流量和混合液悬浮固体的参考值与所测量的区室中介质的NH₄⁺浓度、介质流量和混合液悬浮固体进行比较；e)如果区室中介质的NH₄⁺浓度、介质流量和混合液悬浮固体的参考值与所测量的区室中介质的NH⁴⁺浓度、介质流量和混合液悬浮固体不相等，选择执行步骤f)，如果区室中介质的NH₄⁺浓度、介质流量和混合液悬浮固体的参考值与所测量的区室中介质的NH₄⁺浓度、介质流量和混合液悬浮固体相等，选择执行步骤g)；和f)将溶解氧浓度和进入区室的空气流量的参考值与所测量的溶解氧浓度和进入区室的空气流量进行比较，如果溶解氧浓度和进入区室的空气流量的参考值与所测量的溶解氧浓度和进入区室的空气流量相等，当区室中的溶解氧浓度的参考值在参考时间段期间没有变化时，则根据下式确定区室的第一空气流量设定值：

其中，

和

或者当区室中的溶解氧浓度的参考值在参考时间段期间变化时，根据下式确定区室的第二空气流量设定值：

和，当区室中的溶解氧浓度的参考值在参考时间段期间不发生变化，调节进入区室的空气流量等于第一空气流量设定值，而当区室中的溶解氧浓度的参考值在参考时间段期间变化时，调节进入区室的空气流量等于第二空气流量设定值；或者，g)将溶解氧浓度和进入区室的空气流量的参考值与所测量的溶解氧浓度和进入区室的空气流量进行比较，如果溶解氧浓度和进入区室的空气流量的参考值与所测量的溶解氧浓度和进入区室的空气流量相等，当区室中的溶解氧浓度的参考值在参考时间段期间没有变化时，则根据下式确定区室的第一空气流量设定值：

其中

和

或者当区室中的溶解氧浓度的参考值在参考时间段期间发生变化时，根据下式确定区室的第二空气流量设定值：

并且根据下式确定区室的第三空气流量设定值：

和，当区室中的溶解氧浓度的参考值在参考时间段期间发生变化时，用空气流量_fb，i和空气流量_ff，i的加权和确定区室的第四空气流量设定值；和调节进入区室的空气流量等于空气流量设定值；从而在生物反应器区室中提供需氧介质。

本公开的另一方面是一种用于在生物反应器区室中提供需氧介质的方法，所述方法包括：a)根据下式确定用于区室的空气流量设定值：

其中

和

；和b)调节进入区室中的空气流量等于空气流量设定值；由此在生物反应器区室中提供需氧介质。本公开的该方面的一个实例示于图5右侧。

本文还提供一种用于在生物反应器区室中提供需氧介质的方法，所述方法包括：a)根据下式确定用于区室的空气流量设定值：

；和b)调节进入区室中的空气流量等于空气流量设定值；由此在生物反应器区室中提供需氧介质。本公开的该方面的一个实例示于图5左侧。

本文还提供一种用于在生物反应器区室中提供需氧介质的方法，所述方法包括：a)根据下式确定用于区室的空气流量设定值：

；和b)调节进入区室中的空气流量等于空气流量设定值；由此在生物反应器区室中提供需氧介质。

本文还提供用于在生物反应器区室中提供需氧介质的方法，所述方法包括：a)测量区室中介质的溶解氧浓度；b)选择区室中介质的溶解氧浓度的参考值；d)选择参考时间段；e)将区室中介质的溶解氧浓度的参考值与区室中介质的测量溶解氧浓度进行比较；f)当区室中介质的溶解氧浓度的参考值在参考时间段内没有变化时，根据下式确定第一空气流量设定值：

其中，

和

或者，当区室中介质的溶解氧浓度的参考值在参考时间段内有变化时，根据下式确定第二空气流量设定值：

；和g)当区室中介质的溶解氧浓度的参考值在参考时间段内没有变化时，调节进入区室中的空气流量等于第一空气流量设定值，或者，当区室中介质的溶解氧浓度的参考值在参考时间段内有变化时，调节进入区室中的空气流量等于第一空气流量设定值；由此在生物反应器区室中提供需氧介质。

本公开的另一方面是一种用于在生物反应器区室中提供需氧介质的方法，所述方法包括步骤：a)选择溶解氧浓度和进入区室的空气流量的参考值；b)选择足以保持需氧介质的预定空气流量值；c)测量溶解氧浓度和进入区室的空气流量；d)将溶解氧浓度和进入区室空气流量的参考值与所测量的溶解氧浓度和进入区室空气流量进行比较；e)如果溶解氧浓度和进入区室的空气流量的参考值与所测量的溶解氧浓度和进入区室的空气流量不相等，则调节进入区室的空气流量等于预定空气流量；由此在生物反应器区室中提供需氧介质。

本文提供用于在生物反应器区室中提供需氧介质的方法，包括a)根据下式确定空气流量设定值：

空气流量_sp＝w₁·空气流量_M1+w₂·空气流量_M2+w₃·空气流量_M3+w₄·空气流量_sp，default；和b)调节进入区室中的空气流量等于空气流量_sp；由此在生物反应器区室中提供需氧介质。

本文还提供用于在生物反应器区室中提供需氧介质的方法，包括a)根据下式确定空气流量设定值：

；和b)调节进入区室中的空气流量等于空气流量设定值；由此在生物反应器区室中提供需氧介质。

附图说明

图1显示基于生物反应器的废水处理系统中的常规曝气控制系统的示意图。

图2显示实施本公开方法的基于反馈\前馈的曝气控制系统和本公开的基于生物反应器的废水处理系统。

图3A～3B显示用于在包括多个需氧生物反应器区室的系统的生物反应器区室中提供需氧介质的本公开方法。

图4显示用于在包括多个需氧生物反应器区室的系统的生物反应器区室中提供需氧介质的基于反馈确定空气流量_sp，i的本公开方法。

图5显示用于在包括多个需氧生物反应器区室的系统的生物反应器区室中提供需氧介质的基于反馈/前馈确定空气流量_sp，i的本公开方法。

图6显示用于在包括多个需氧生物反应器区室的系统的生物反应器区室中提供需氧介质的本公开简化方法。

所述图使用标准的工程惯例来描述其中显示的系统和方法。

具体实施方式

应该理解，以下说明意图提供与本公开内容的特定代表性方面相关的细节。还应理解，可以用多种等同物代替本文所述的方法和系统的特定元件，而不脱离说明书以及所附权利要求中描述的精神和范围。此外，本公开引用的所有出版物，包括但不限于专利和专利申请，均通过引用并入本文，如在本文中全部提出一样。

本文所用的术语“需氧介质”是指向与流体接触的有机体提供营养物并且包含足够的氧以支持与流体接触的有机体的有氧呼吸或其他代谢过程(氧为终端电子受体)的流体。该介质包括但不限于水溶液和具有流体的流动特性复合均相介质，也包括固体。

本文使用的术语“生物反应器”是指其中有机体或其一部分(例如代谢活性的细胞器或包括有机体片段的膜)催化至少一种化学反应的设备。废水处理系统是生物反应器的一个实例。

本文所用的术语“区室”是指生物反应器中的工艺流所划分或仅仅是区别或标记等形成的部分或区域。该区室可以与生物反应器的其他区室(直接或间接)流体联通。例如，区室可以是第一容器或罐，其可与第二区室部分或完全物理隔开，但是包括用于与第二区室流体联通的管或其他装置。或者，区室可以是与周围或邻接区域不同的第一区域中的区域，理由是该区域中的介质包含特定的氧浓度，使得该介质可以支持需氧微生物或厌氧微生物，或者是在该区域中发现的有机体主要为某一特定类型，例如需氧微生物或厌氧微生物。这种区域型区室可与其他区域部分或完全物理隔开，但是经常不与其他相邻的区域型区室物理隔开。

本文使用的术语“混合液悬浮固体”是指生物反应器区室的混合液流体介质中的悬浮固体浓度。混合液悬浮固体(MLSS)量度用作介质中存在的微生物浓度的度量，并且可以通过本领域的普通技术人员熟知的各种标准方法和仪器来确定。

本文所用的术语“参考值”是指与用于生物反应器区室的期望操作参数对应的单个值或数值范围。参考值可以基于包括生物反应器区室的特定系统如废水处理系统的操作特性和设计来选择。在基于生物反应器的废水处理系统的情况中，该值通常是保持特定的经处理出水品质(例如，流出水中NO₃^-的许可浓度)所必要的那些值。

本文所用的术语“参考时间段”是指与从最后测量生物反应器区室中介质的特定性质起所过去的时间相对应的用户选定时间间隔的值。

本文方法在生物反应器区室中提供需氧介质，包括：a)测量区室中介质的NH₄⁺浓度、溶解氧浓度、介质流量和混合液悬浮固体和进入区室中的空气流量；b)选择区室中介质的NH₄⁺浓度、溶解氧浓度、介质流量和混合液悬浮固体和进入区室中的空气流量的参考值；c)选择参考时间段；d)将区室中介质的NH₄⁺浓度、介质流量和混合液悬浮固体的参考值与所测量的区室中介质的NH₄⁺浓度、介质流量和混合液悬浮固体进行比较；e)如果测量的区室中介质的NH₄⁺浓度、介质流量和混合液悬浮固体与区室中介质的NH₄⁺浓度、介质流量和混合液悬浮固体的参考值不相等，则将溶解氧浓度和进入区室的空气流量的参考值与测量的溶解氧浓度和进入区室的空气流量进行比较；f)如果溶解氧浓度和进入区室的空气流量的参考值与所测量值的溶解氧浓度和进入区室的空气流量相等，当区室中的溶解氧浓度的参考值在参考时间段期间没有变化时，则根据下式确定区室的空气流量设定值：

其中

和

；g)调节进入区室的空气流量等于空气流量设定值；由此在生物反应器室中提供需氧介质。本公开的该方面的一个实例在图3B和图4的右侧示出。

重要的是，所述方法及其步骤可以在至少一台计算机上执行，所述计算机包括例如个人电脑或可编程的逻辑控制器。该计算机可以是计算机网络或计算机控制的装置的一部分。从这些方法步骤计算和测量的值也可以通过计算机控制的显示装置如计算机控制的视频显示器或计算机控制的打印机来显示。本公开的方法和所公开方法的步骤可以与生物反应器系统如废水处理系统相结合。此外，本公开的方法可用于转换或改变生物反应器区室中的介质，以便提供需氧介质。

在本公开的方法中，提供这些方法中使用的公式中存在的各术语的值是必要的。如图3A～3B、4和5中所示，这可以利用诸如温度、NH₄⁺浓度、溶解氧浓度、介质流量和介质的混合液悬浮固体的测量值以及这些值的转换(使得它们以合适的单位表达)。例如，术语C_s的值可使用量度“T”。其他的值由用户输入，并且可以基于用户选定的值、常数和对于包括生物反应器区室的特定系统而言合适的校正因子。本公开的公式和方法中输入和使用的测量值可以利用设置为与生物反应器工艺流接触的自动化仪器来测量。该仪器可以置于单个生物反应器区室的上游，在特定生物反应器区室内的局部处，或者，在例如对特定系统而言必要或合适的生物反应器系统及其工艺流内的组合位置处。计算的值也在图3A～3B、4和5中示出。下文提供本公开方法中使用的公式和该方法中使用的其他值中存在的各种术语的更为详细的讨论。本领域普通技术人员将会认识到本公开方法中的值的合适单位，并且在必要时可以将这些值转换成其他合适的单位。

C_s＝调节的氧饱和浓度(mg/L)。典型地，这类值为0至1。C_s可利用本领域熟知的方法来确定。

B＝废水氧饱和校正因子。该术语的合适值可以基于本领域熟知的数据集来选择。典型地，这类值为约0.95至0.99。

DO_sp＝每个区域的溶解氧设定值(mg/L)。这是用于生物反应器区室的用户选定参考值。对于典型的废水处理厂而言，该值通常为0mg/L至约12mg/L

K_DO＝氧半饱和浓度(mg/L)。该术语的合适值可以基于本领域熟知的数据集来选择。该术语的典型值为约0.3mg/L至0.5mg/L。或者，对于生物反应器系统，例如特定的废水处理系统，该常数可以利用本领域熟知的方法来经验性地确定。K_DO是整个生物反应器系统的氧半饱和浓度的估值，而K_O，A和K_O，H分别特指用于自养生物和异养生物的氧半饱和浓度。

num_zones＝曝气区域的总数(无单位)。该值是与应用本公开方法的系统中存在的生物反应器区室的数目相等的整数。

x＝等候恒定的DO设定值的时间(分钟)。这是用于参考时间段的用户选定值。该用户选定时间间隔的值对应于从最后测量生物反应器区室的介质中溶解氧起所过去的时间。典型地，该值为30分钟至60分钟，但是也可以在该范围之外，取决于给定生物反应器系统的参数。

DO＝溶解氧浓度(mg/L)。这是测量值。对于典型的废水处理系统，区室中的溶解氧水平典型地为0至约12mg/L。后一值可代表用于测量溶解氧的大多数仪器的动态上限，如果超过该上限，则表明溶解氧不佳，其原因是该仪器超范围并可能发生故障。溶解氧可以利用本领域普通技术人员熟知的标准方法和设备来测量。溶解氧还可以利用许多商业用氧电极以及使用光学原理运行的装置来测量。

Flow＝工艺流量(MGD；百万加仑/天)。这是测量值，对于典型的废水处理厂，流过区室的流量可以为10,000加仑/天(0.01MGD)至500,000,000加仑/天(500MGD)，但是可以根据特定废水处理系统的设计和操作参数而变化。工艺流量还可以作为流入生物反应器区室中流量和返回生物反应器区室中的回流流量之和来测量。生物反应器中的介质流量可以通过流量计或可以提供流体(例如通道或管内的液体)的流量或质量流量的任意其他装置来测量。在废水处理工业中，例如，最常见的液体流量计是磁流量计。

MLSS＝混合液悬浮固体浓度(mg/L)。这是测量值。对于典型的废水处理厂，介质中的MLSS可以为10mg/L至5000mg/L。该值可以利用本领域中熟知的方法和设备来经验性地确定。在大多数情况下，应该使用由“i”标示的各区室中实际测量MLSS。

NH₄＝氨(NH₄⁺)浓度(mg/L)。这是测量值。该值可以通过本领域中熟知的方法和设备在工艺流中实时测量。铵还可以用使用比色和紫外(UV)吸收或多波长UV吸收分光光度原理来运行的装置进行测量。重要的是，在所属领域中，术语“氨”和“铵”有时可互换使用，指的是不同形式的氮浓度(例如随pH变化)。本公开中的惯例是在废水处理中通常使用的那些。例如，“氨”或NH₄浓度在此处是指氨中实际的氮浓度，通常也表示为NH₄-N。

Temperature＝温度(℃)。这是测量值。

空气流量_cur(Airflow_cur)＝进入区域的当前空气流量(SCFM)。这是测量值，代表进入生物反应器区室的当前空气流量。

空气流量_fb，i(Airflow_fb，i)＝区域i的中间反馈空气流量设定值(SCFM)。这是由特定值“i”标示的生物反应器区室的计算值，如下文描述的。该值的计算在图4中说明。

空气流量_ff，i(Airflow_ff，i)＝区域i的中间前馈空气流量设定值(SCFM)。这是由特定值“i”标示的生物反应器区室的计算值，如下文描述的。该值的计算在图5中说明。

空气流量_M1(Airflow_M1)＝利用反馈法1计算的中间空气流量设定值(SCFM)。这是计算值。该值的计算在图4中说明。

空气流量_M2(Airflow_M2)＝利用反馈法2计算的空气流量设定值(SCFM)。这是计算值。该值的计算在图4中说明。

空气流量_prev(Airflow_prev)＝在前一计算循环期间进入区域的空气流量(SCFM)。这是在最后执行本公开方法时预先计算的值。然而，在一些情况下，该值可以测量和记录。例如，如果空气流动系统未正常工作，例如当已知空气流动系统在其控制范围之外，则在最后控制循环期间计算的空气流量可以不用于本公开的方法中。在该情况下，应当使用测量的空气流量而不是计算的设定值。

空气流量_sp(Airflow_sp)＝包含每个区域的空气流量设定值的阵列(SCFM)。该阵列是存储通过本公开方法确定的用于每个生物反应器区室的空气流量设定值的数据阵列。该数据阵列可以用数字式计算机或相关设备存储，并且可以通过曝气控制系统来使用以调节进入生物反应器区室的空气流量。

空气流量_sp，i(Airflow_sp，i)＝曝气区域i的空气流量设定值(SCFM)。这是由特定值“i”标示的生物反应器区室的计算值，如下文所讨论。在本公开方法中，该值的计算在图3A～3B、4和5中说明。在本公开方法中，该值可用于选择在生物反应器区室中提供需氧介质的新的、经调节的空气流量。

空气流量_sp，default或空气流量_{sp，default，i}(Airflow_sp，default或Airflow_{sp，default，i})＝本公开方法中的默认空气流量设定值，例如由特定值“i”标示的生物反应器区室的默认空气流量设定点，如在下文中所讨论的。该值对应于足以确保在生物反应器区室中提供需氧介质的空气流量。

COD_cur＝估计的当前化学需氧量浓度(mg/L)。这是测量值。该值可以利用本领域熟知的方法在特定点处及时经验性地确定，然后该测量值可以在迟些时候作为当前化学需氧量的估计值。

COD_pred＝预测的化学需氧量浓度(mg/L)。这是计算值，并且可以通过利用本领域熟知的微分方程解算器来确定。

DO_cur＝区域中的当前DO浓度(mg/L)。这是如上文讨论的测量值。

DO_prev＝在前一计算循环中区域中的DO浓度(mg/L)。这是在前一循环期间测量的或在最后一次执行本公开方法时记录的溶解氧值。

i＝计数(counter)，用于记录每个区域的空气流量设定值计算的过程。“i”是用于识别将要产生需氧介质的系统中的每个生物反应器区室的整数值或其他值。

NH_4，cur＝估计的当前氨浓度(mg/L)。这是测量值。该值可以利用本领域熟知的方法在特定点处经验性地及时确定。如上文讨论的，假定氨和铵是等同的。

NH_4，pred＝预测的氨浓度(mg/L)。这是计算值，可使用利用本领域中熟知方法的微分方程解算器来确定。

NO_3，cur＝估计的硝酸盐浓度(mg/L)。这是测量值。该值可以利用本领域熟知的方法在特定点处经验性地及时确定。

NO_3，pred＝预测的硝酸盐浓度(mg/L)。这是测量值。这是计算值，可使用利用本领域中熟知方法的微分方程解算器来确定。

OUR＝氧吸收速率。这是通过本领域已知的用于确定代表生物反应器区室中的当前OUR的OUR_current和代表生物反应器区室中的预测OUR的OUR_pred的当前多种方法所确定的值，如图5中所示。

本发明公开的另一个方面是在生物反应器区室中提供需氧介质，其包括a)测量区室中介质的NH₄⁺浓度、溶解氧浓度、介质流量和混合液悬浮固体和进入区室的空气流量；b)选择用于区室中介质的NH₄⁺浓度、溶解氧浓度、介质流量和混合液悬浮固体和进入区室的空气流量的参考值；c)选择参考时间段；d)将区室中介质的NH₄⁺浓度、介质流量和混合液悬浮固体的参考值与所测量的区室中介质的NH₄⁺浓度、介质流量和混合液悬浮固体进行比较；e)如果区室中介质的NH₄⁺浓度、介质流量和混合液悬浮固体的参考值与所测量的区室中介质的NH₄⁺浓度、介质流量和混合液悬浮固体不相等，将溶解氧浓度和进入区室的空气流量的参考值与所测量的溶解氧浓度和进入区室的空气流量进行比较；f)如果溶解氧浓度和进入区室的空气流量的参考值与所测量的溶解氧浓度和进入区室的空气流量相等，当区室中的溶解氧浓度的参考值在参考时间段期间发生变化时，则根据下式确定区室的空气流量设定值：

；和g)调节进入区室的空气流量与空气流量设定值相同；从而在生物反应器区室中提供需氧介质。本发明公开的这方面的实施例示于图3B和图4的左侧。

本发明公开的另一个方面是在生物反应器区室中提供需氧介质，其包括a)测量区室中介质的NH₄⁺浓度、溶解氧浓度、介质流量和混合液悬浮固体和进入区室的空气流量；b)选择用于区室中介质的NH₄⁺浓度、溶解氧浓度、介质流量和混合液悬浮固体和进入区室的空气流量的参考值；c)选择参考时间段；d)将区室中介质的NH₄⁺浓度、介质流量和混合液悬浮固体的参考值与所测量的区室中介质的NH₄⁺浓度、介质流量和混合液悬浮固体进行比较；e)如果区室中介质的NH₄⁺浓度、介质流量和混合液悬浮固体的参考值与所测量的区室中介质的NH₄⁺浓度、介质流量和混合液悬浮固体相等，将溶解氧浓度和进入区室的空气流量的参考值与所测量的溶解氧浓度和进入区室的空气流量进行比较；f)如果溶解氧浓度和进入区室的空气流量的参考值与所测量的溶解氧浓度和进入区室的空气流量相等，当区室中的溶解氧浓度的参考值在参考时间段期间没有变化时，则根据下式确定区室的第一空气流量设定值：

其中

和

或者如果溶解氧浓度和进入区室的空气流量的参考值与所测量的溶解氧浓度和进入区室的空气流量相等，当区室中的溶解氧浓度的参考值在参考时间段期间变化时，根据下式确定区室的第二空气流量设定值：

g)如果溶解氧浓度和进入区室的空气流量的参考值与所测量的溶解氧浓度和进入区室的空气流量相等，则根据下式确定区室的第三空气流量设定值：

h)用空气流量_fb，i和空气流量_ff，i的加权和确定区室的空气流量设定值；和i)调节进入区室的空气流量与空气流量设定值相同；从而在生物反应器区室中提供需氧介质。本发明公开的这方面的实施例示于图3A～3B、4和5。

本发明公开的另一个方面是在生物反应器区室中提供需氧介质，其包括a)测量区室中介质的NH₄⁺浓度、溶解氧浓度、介质流量和混合液悬浮固体和进入区室的空气流量；b)选择用于区室中介质的NH₄⁺浓度、溶解氧浓度、介质流量和混合液悬浮固体和进入区室的空气流量的参考值；c)选择参考时间段；d)将区室中介质的NH₄⁺浓度、介质流量和混合液悬浮固体的参考值与所测量的区室中介质的NH₄⁺浓度、介质流量和混合液悬浮固体进行比较；e)如果区室中介质的NH₄⁺浓度、介质流量和混合液悬浮固体的参考值与所测量的区室中介质的NH₄⁺浓度、介质流量和混合液悬浮固体不相等，选择执行步骤f)，如果区室中介质的NH₄⁺浓度、介质流量和混合液悬浮固体的参考值与所测量的区室中介质的NH₄⁺浓度、介质流量和混合液悬浮固体相等，选择执行步骤g)；和f)将溶解氧浓度和进入区室的空气流量的参考值与所测量的溶解氧浓度和进入区室的空气流量进行比较，如果溶解氧浓度和进入区室的空气流量的参考值与所测量的溶解氧浓度和进入区室的空气流量相等，当区室中的溶解氧浓度的参考值在参考时间段期间没有变化时，则根据下式确定区室的第一空气流量设定值：

其中

和

或者当区室中的溶解氧浓度的参考值在参考时间段期间变化时，根据下式确定区室的第二空气流量设定值：

和，当区室中的溶解氧浓度的参考值在参考时间段内不发生变化，调节进入区室的空气流量等于第一空气流量设定值，而当区室中的溶解氧浓度的参考值在参考时间段内变化时，调节进入区室的空气流量等于第二空气流量设定值；或者，g)将溶解氧浓度和进入区室的空气流量的参考值与所测量的溶解氧浓度和进入区室的空气流量进行比较，如果溶解氧浓度和进入区室的空气流量的参考值与所测量的溶解氧浓度和进入区室的空气流量相等，当区室中的溶解氧浓度的参考值在参考时间段过程中没有变化时，则根据下式确定区室的第一空气流量设定值：

其中

和

或者当区室中的溶解氧浓度的参考值在参考时间段期间发生变化时，根据下式确定区室的第二空气流量设定值：

并且根据下式确定区室的第三空气流量设定值：

和，当区室中的溶解氧浓度的参考值在参考时间段期间发生变化时，用空气流量_fb，i和空气流量_ff，i的加权和确定区室的第四空气流量设定值；和调节进入区室的空气流量等于空气流量设定值；从而在生物反应器区室中提供需氧介质。本发明公开的该方面的实例示于图3A～3B、4和5。

在本发明的一个实施方案中，步骤f)和步骤g)还包括，如果溶解氧浓度和进入区室的空气流量的参考值与所测量的溶解氧浓度和进入区室的空气流量不相等，则调节进入区室的空气流量为等于足以保持需氧介质的预定空气流量值；从而在生物反应器区室中提供需氧介质。本发明公开的该实施方案的实施例示于图3B和图3A。

本发明公开的另一个方面是在生物反应器区室中提供需氧介质的方法，其包括a)根据下式确定区室的空气流量设定值：

其中

和

和b)调节进入区室的空气流量为等于空气流量设定值；从而在生物反应器区室中提供需氧介质。本发明公开的这个实施方案的实施例示于图5右侧。

本发明公开的另一个方面是在生物反应器区室中提供需氧介质的方法，其包括a)根据下式确定区室的空气流量设定值：

和b)调节进入区室的空气流量为等于空气流量设定值；从而在生物反应器区室中提供需氧介质。本发明公开的这个实施方案的实施例示于图5左侧。

本发明公开的另一个方面是在生物反应器区室中提供需氧介质的方法，其包括a)测量区室中介质的溶解氧浓度；b)选择区室中介质的溶解氧浓度的参考值；d)选择参考时间段；e)将溶解氧浓度的参考值与所测量的区室中介质的溶解氧浓度进行比较；f)当区室中的溶解氧浓度的参考值在参考时间段内不发生变化，则根据下式确定区室的第一空气流量设定值：

其中

和

或者当区室中的溶解氧浓度的参考值在参考时间段内发生变化时，根据下式确定区室的第二空气流量设定值：

和g)当区室中的溶解氧浓度的参考值在参考时间段内不发生变化时，调节进入区室的空气流量为等于第一空气流量设定值，或者当区室中的溶解氧浓度的参考值在参考时间段内发生变化时，则调节进入区室的空气流量为等于第二空气流量设定值；从而在生物反应器区室中提供需氧介质。本发明公开的这个方面的实施例示于图4。

本发明公开的另一个方面是在生物反应器区室中提供需氧介质的方法，其包括a)选择溶解氧浓度和进入区室的空气流量的参考值；b)选择足以保持需氧介质的预定空气流量值；c)测量溶解氧浓度和进入区室的空气流量；d)将溶解氧浓度和进入区室的空气流量的参考值与所测量的溶解氧浓度和进入区室的空气流量进行比较；e)当溶解氧浓度和进入区室的空气流量的参考值与所测量的溶解氧浓度和进入区室的空气流量不相等时，调节进入区室的空气流量为等于预定空气流量值；从而在生物反应器区室中提供需氧介质。本发明公开的这个方面的实施例示于图3B和图3A。

本发明公开的另一个方面是在生物反应器区室中提供需氧介质的方法，其包括a)根据下式确定空气流量设定值；

空气流量_sp＝w₁·空气流量_M1+w₂·空气流量_M2+w₃·空气流量_M3+w₄·空气流量_sp，default和b)调节进入区室的空气流量为等于空气流量设定值；从而在生物反应器区室中提供需氧介质。本发明公开的这个方面的实施例示于图6。

在这个方面的方法中，权重因子w₁，w₂，w₃和w₄可以根据特定生物反应器如废水处理系统的操作参数来选择。具体地，可以测量区室中介质的NH₄⁺浓度、溶解氧浓度、介质流量和混合液悬浮固体和进入区室的空气流量，并与区室中介质的NH₄⁺浓度、溶解氧浓度、介质流量和混合液悬浮固体和进入区室的空气流量的参考值相比较。然后基于这个比较来选择合适的w₁，w₂，w₃和w₄的值。

重要的是，权重因子值可以根据图3A～3B和4中所示的五种不同可能情况的每一种的决定点标准来选择。权重因子w₁，w₂，w₃和w₄的最优值很容易为本领域技术人员所确定。权重因子w₁，w₂，w₃和w₄的值也可以相等。通常，如图6中所示，权重因子的值的和等于1。本领域技术人员也将认识到基于包括生物反应器区室的特定系统如废水处理系统的操作特性和设计的其他合适的权重因子w₁，w₂，w₃和w₄的值。

在本发明公开的另一个实施方案中，根据下式确定区室的空气流量₁：

根据下式确定区室的空气流量₂：

根据下式确定区室的空气流量₃：

空气流量_default具有预选值；和

选为权重因子w₁，w₂，w₃和w₄的各个值的总和等于1。

本发明公开的另一个方面是在生物反应器区室中提供需氧介质的方法，其包括a)根据下式确定空气流量设定值：

和b)调节进入区室的空气流量为等于空气流量设定值；从而在生物反应器区室中提供需氧介质。

通常，本发明公开的方法也与其他一些步骤结合进行。除了计算之外

这些步骤还包括测量相关参数(例如NH₄、Flow、DO、空气流量、温度、MLSS)、计算C_s、计算(即OUR比)、对诸如活性污泥废水处理系统的生物反应器的每个区室重复进行上述步骤、将∑空气流量_sp(计算的空气流量_sp值的总和)传输到鼓风机控制系统、将计算的每个需氧区室或曝气区的空气流量_sp传输到该区室的阀控制系统。

OUR_current可以利用包括例如直接测量OUR_current，使用活性污泥废水处理生物反应器模型如ASM1、ASM2、ASM2d、ASM3、ASM4或其他模型和其他测量参数如DO、空气流量、NH₄和NO₃相关性的方法来确定。OUR_predicted可以利用可包括例如现有数据的内插法、其他测量的参数的相关性以及使用活性污泥废水处理生物反应器模型如ASM1、ASM2、ASM2d、ASM3、ASM4或其他模型的方法来确定。活性污泥废水处理生物反应器模型的其他实例包括BioWin中的ASDM一般模型、TUD、Mantis和Newgeneral模型，这些都是本领域中众所周知的。重要的是，这些方法可以改进为更加准确地模拟特定废水处理生物反应器的构造和物理特性(例如通过选择特定的沉降模型等)。本领域技术人员也将认识到多种其他不同的方法和模型适合于确定OUR_current和OUR_predicted以及适用于本发明方法的组合。

在本方面公开的另一个实施方案中，区室的值利用OUR_curent值和OUR_predicted值确定，所述OUR_current值是通过使用选自直接测量、活性污泥废水处理生物反应器的数学模型和测量的参数的相关性(correlation from a measured parameter)中的至少一种技术来确定的；所述OUR_predicted值是通过使用选自数据内插法(interpolation from data)、活性污泥废水处理生物反应器模型和测量的参数的相关性中的至少一种技术来确定的。重要的是，内插法和其他所述方法是众所周知并被本领域技术人员经常使用的。

在本方面公开的另一个实施方案中，模型选自ASM1模型、ASM2模型、ASM2D模型、ASM3模型和ASM4模型。

本方面公开的方法可进一步包括步骤a)对其中保持需氧环境的生物反应器中的每个区室重复进行该方法；b)确定足以保持每个区室中需氧环境的空气流量值的总和；c)将空气流量值的总和发送到鼓风机控制器；和d)将足以保持每个区室中需氧环境的每个空气流量值发送到用于调节进入各个区室的空气流量的各空气流量控制器。

该方法可以以用户选择的时间间隔来重复。

时间间隔可以从5分钟到30分钟。

本发明的另一个方面是实施本发明方法的系统，所述系统包括至少一个需氧生物反应器区室、曝气系统和曝气系统控制器。本发明的这个实施方案的实施例和这种系统的一个可能的构型的实施例示于图2中。

曝气系统可包括鼓风机或其他装置如包含加压气体或压缩气体的罐，用于传递气体流，如含有氧气的空气。例如，鼓风机可以是离心式或容积(positive displacement)式。鼓风机提供低压(例如5～12psi)空气，从而为在生物反应器区室中提供需氧介质供给所需的氧气。曝气系统的鼓风机可以是例如离心式或容积式的。通常，可以通过曝气系统控制器控制鼓风机速度或入口阀从而提供等于由本发明方法确定的空气流量设定值的空气流量。

曝气系统还可以包括一个或多个用于给生物反应器区室递送氧气的流体连通的装置，如管或其他通道。有助于传质的扩散器也可以用在装置的终端部分以将含氧气的气体如空气递送到生物反应器区室。曝气系统还可以包括用于产生期望的进入生物反应器区室的空气流量的阀或者其他装置如气流减速涡轮。控制进入生物反应器区室的气流的阀或其他装置通常是需要的，因为大部分鼓风机或其他递送氧气的系统产生比期望进入给定生物反应器区室更高的空气流量。例如，具有用于控制阀的定位的电制动器的蝶型阀是废水处理系统的曝气系统中最普遍使用的空气控制阀。重要的是，这种空气控制阀或其他装置可基于足以在生物反应器区室中产生需氧介质的调节的空气流量将空气分布到生物反应器区室中，如本发明方法所确定的那样。

曝气系统控制器可包括实施本发明方法的数字计算机如个人电脑(PC)或可编程逻辑控制器(PLC)。

曝气系统控制器可进一步包括控制鼓风机的鼓风机控制器。这种鼓风机控制器可包括能够从曝气系统控制器接收全部空气流量要求并且控制鼓风机以匹配该所需的全部空气流量的可编程逻辑控制器。

曝气系统控制器还可包括空气控制阀控制器。这种空气控制阀控制器可包括可编程逻辑控制器，该可编程逻辑控制器能够从实施本发明的方法的曝气系统控制器接收每个生物反应器区室所需要的各自空气流量。为响应该信息，空气控制阀控制器调节阀或其他装置以产生进入系统的生物反应器区室中的需要的空气流量。

本发明的另一个方面是其中生物反应器区室包括活性污泥的系统。在本领域中，“活性污泥”是由活性污泥厂产生的复合催化活性生物物质，其主要由若干不同的微生物组成。通常，这些微生物的大部分是细菌和原生动物，在一些情况下还有真菌。

本发明的另一个方面是其中曝气系统控制器是数字计算机的系统。

本发明的另一个方面是其中数字计算机是选自个人电脑或可编程逻辑控制器的系统。

根据上述的发明公开内容，对本领域技术人员来说，显然可以进行很多变化和修改而不偏离所附权利要求的精神和范围。