经最优化的污水营养物去除

摘要

提供用于通过反硝化方法部分减少氨的方法和系统。包含氨的流接触氧以形成处于低溶解氧条件的第一产物流。氧对氮的比率为约2.28gO

说明书

相关申请的交叉参考

本发明要求美国专利申请12/982,060，题目为“OPTIMIZED NUTRIENT  REMOVAL FROM WASTEWATER”(于2010年12月30日提交)的优先权， 其是美国申请12/886,321，题目为“SIMULTANEOUS ANOXIC  BIOLOGICAL PHOSPHORUS AND NITROGEN REMOVAL”(于2010年9月 20日提交)的继续申请，其全部内容引用在此作为参考。

发明背景

除去污水中的多种成分，例如氮、碳和磷是艰难的和高成本的过程，在 一些情况中需要向污水处理过程中加入碳源。另外，用于很多污水处理过程 中的高溶解氧浓度主要导致了污水处理厂的高能量成本。可以在过程中在缺 氧罐中加入碳源，例如甲醇以例如辅助硝化和反硝化。另外，曝气罐(aerated  tank)可能需要高浓度的溶解氧以促进生物需氧量(BOD)和氨的氧化。但碳源 的添加以及高浓度溶解氧的需求是高成本的，极大增加了处理污水的费用。

发明内容

本发明的实施方案通过权利要求进行定义，而不通过以下概述进行定 义。出于以下原因，在此提供本发明多个方面的高水准概述：提供本公开的 概述，以及介绍将在下文中进一步详细介绍的概念精选。此处的概述不意在 确定所要求的主题的关键特征或基本特征，也不意在用于辅助分离以确定所 要求主题的范围。

在第一方面，用于减小流中氨的方法。该方法包括提供含氨流以及在有 效处理条件下使该含氨流接触含氧流以形成第一产物流。含氨流中的氨对含 氧流中的氧的比率为约2.28 gO₂/gN-NH₃(每克氮(在氨中)2.28克的氧)或更 小。另外，该方法包括在有效处理条件下以为约0.57 gCOD/gN-NH₃(每克氮 (在氨中)0.57克化学需氧量)或更小的比率使所述第一产物流暴露至有机物。

在第二方面，提供用于减小流中氨的方法。该方法包括，在罐中，以 2.28gO₂/gN-NH₃(每克氨中的氮，2.28克的氧)或更小的量，用氧处理含氨的 流入流。所述氨和所述氧反应以形成包括氮气、亚硝酸和水的第一产物流。 该方法额外包括在所述罐中保持微需氧条件以促进细菌种群(bacterial  population)的形成(development)。另外，该方法包括以0.57gCOD/gN-NH₃(每 克氮(在氨中)0.57克化学需氧量)或更小的比率使所述第一产物流暴露至有 机物。所述有机物和所述亚硝酸反应以形成包括氮气、水和二氧化碳的第二 产物流。

在第三方面，提供用于减小流中氨的方法，所述方法包括提供含氨的流 入流以及使所述流入流流至在有效处理条件下运行的罐以实施反硝化。所述 有效处理条件包括存在低溶解氧浓度。所述方法还包括在存在细菌时，在所 述罐中所述流入流和2.28gO₂/gN-NH₃(每克氮(在氨中)2.28克氧)或更小量的 氧以及0.57gCOD/gN-NH₃(每克氮(在氨中)0.57克化学需氧量)或更小量的有 机物进行反应从而使所述氨转化至氮气、水和二氧化碳。

附图说明

以下将参考附图对本发明的示例性实施方案详细地进行说明，其中：

图1示出了根据本发明一实施方案的污水处理方法的示意图；

图2示出了根据本发明一实施方案的备选污水处理方法的示意图；

图3示出了作为实施本发明实施方案结果的污水处理厂能量使用量的 减小；

图4示出了当在污水处理厂中实施本发明实施方案时氨和磷酸盐两者 的减小；

图5示出了表示每个罐中的磷、溶解氧和硝酸盐浓度的柱状图。

本发明的详细说明

在本文中具体说明了本发明的实施方案的主题以满足法定需求。但是说 明本身不意在必要地限制权利要求的范围。所要求的主题可以其他方式实施 以包括不同的步骤或本文中所说明的类似的步骤组合，结合其他现有技术或 未来技术。术语不应该理解为在本文所述的多种步骤之间的任一特定次序， 除非明确说明了单个步骤的次序。

图1示出了污水处理方法10的示意图。更具体地，该污水处理方法提 供了能量和成本有效的方法用于同时除去工厂流入污水中的氮、磷和有机 物。尽管很多系统需要外部碳源和高浓度溶解氧，而本发明的实施方案不需 要外部碳源和高浓度溶解氧，事实上相比较通常用于污水处理系统中的溶解 氧和碳的量而言，本发明实施方案需要非常少量的溶解氧和碳。例如，很多 系统需要外部碳源用于除磷和除氮，但在本发明的实施方案中，除氮仅需要 最小量的碳，因为其主要利用氨。另外，除磷利用存在于污水中的溶解的和 颗粒状的碳(例如颗粒状有机物)，取代仅溶解的碳或外部碳源。在图1的实 施方案中，三个独立的罐用于同时除去工厂流入污水12中的氮、磷和有机 物。如本文中所使用的，工厂流入污水12是还未经处理因此还未进入污水 处理系统的原污水，所述污水处理系统例如本文中所说明的污水处理系统。

图1所示的第一个罐是缺氧罐16，其接收至少两个流，包括工厂流入 污水12和回流的活性污泥14。如本文中将进一步讨论的，回流的活性污泥 14是活性污泥的一部分，该活性污泥来自第三个罐或膜罐20，再循环进入 一个或多个其他罐，例如缺氧罐16。如本文中所使用的，活性污泥是已经 和工厂流出物分开的流。该活性污泥流除含硝酸盐和溶解氧之外还包含微生 物量(microbial mass)。微生物量包含大量生物成分，该生物成分包括细菌、 真菌、原生动物以及轮形动物等。在活性污泥中寄生了异养和自养细菌，通 常主要寄生了异养细菌。异养细菌从工厂流入污水中的含碳有机物中获取能 量用于合成新细胞。然后这些微生物通过转化有机物至化合物例如二氧化碳 和水而释放能量。活性污泥中的自养细菌通常还原经氧化的碳化合物例如二 氧化碳用于细胞生长。这些细菌通过氧化氨至硝酸盐(已知的硝化)而获取它 们的能量，这在下文中将进一步说明。

如上述，回流的活性污泥14是活性污泥的一部分，该活性污泥通过处 理方法的最后的分离步骤(例如膜罐或膜生物反应器)而产生。回流的活性污 泥14再循环至缺氧罐16中并向罐提供微生物量、残留氧、硝酸盐和亚硝酸 盐。应该注意到磷释放通常不会在缺氧罐中利用含硝酸盐和溶解氧的回流的 活性污泥发生，但是在本发明的实施方案中，磷释放在缺氧罐16中发生。 发生磷释放是因为用于消耗磷的细菌也存在于回流的活性污泥14中。另外， 发生磷释放是因为存在于流入污水中的颗粒状有机物的活性水解和发酵条 件。如本文中所使用的，水解是通过细菌作用将聚合的有机物分解为单体。 在一实施方案中，水解涉及化学反应，在该化学反应期间，水分子在化学机 理过程中分解为氢阳离子和氢氧根阴离子。这种类型的反应用于分解一些聚 合物。例如，代替仅利用溶解的有机物作为碳源来除磷，本发明的实施方案 允许溶解的和颗粒状有机物两者作为碳源用于磷的去除。一般地，不能使用 颗粒状有机物，但是因为它在本文中被发酵，它可以用作碳源从而省去了对 外部碳源的需求。

在污水中，有机物以颗粒状有机物和溶解的有机物形式出现。使用三个 主要测试用于测定污水中的有机物。这些测试包括生物需氧量(BOD)、总有 机碳量(TOC)和化学需氧量(COD)。不同于溶解的有机物，颗粒状有机物以 悬浮固体的形式存在于污水中。如本文中将进一步讨论的，当利用本发明的 实施方案时，颗粒状有机物进行水解以转化颗粒至可溶固体，从而允许更大 程度的除磷。

磷释放和磷吸收涉及聚磷生物(phosphorus accumulating organism， PAOs)在胞内颗粒体(intracellular granules)中储存多磷酸盐(polyphosphate)作 为能量储备的过程。在厌氧条件下，PAOs释放正磷酸盐，利用能量以聚集 简单有机物(organics)和储存它们作为多羟基链烷酸酯 (polyhydroxyalkanoates，PHAs)。在好氧条件下，或在至少存在一些氧的条 件下，PAOs基于所储存的有机材料生长，利用一些能量以吸收正磷酸盐和 储存它作为多磷酸盐。如此，当PAOs储存碳用于未来生长时，PAOs也释 放磷，有时是同时的。当PAOs利用所储存的碳时，它们吸收磷。如本文中 将进一步说明的，曝气罐具有低溶解氧浓度，但PAOs仍吸收磷。当氧存在 时，PAOs可以从碳中得到能量。因此，当碳充足时，PAOs在它们的细胞 中储存碳，等待存在氧的条件从而它们可以利用碳用于生长和吸收磷。然后 磷酸盐被移至废活性污泥26中，其通常是不再循环至缺氧罐16的活性污泥。 PAO种群的形成将在本文中进一步进行讨论。缺氧罐16在缺氧条件下操作， 在所述缺氧条件下存在很少或不存在溶解氧，但是可以存有硝酸盐(例如 NO₂和NO₃)。在缺氧罐中保持连续的氧不足。

缺氧罐16，在一实施方案中，包括混合器，其混合工厂流入污水12和 回流的活性污泥14以形成混合液。混合液，如本文中所使用的，简单地是 指工厂流入污水12和回流的活性污泥14的混合物。除了调节回流的活性污 泥14的流速外，可以调节混合比率以控制缺氧罐16中的磷释放。应该要注 意到在本发明的实施方案中避免添加外部碳源例如甲醇使得无需额外碳源 进行本发明的实施方案。除磷释放之外，反硝化也在缺氧罐16中发生。反 硝化是分解亚硝酸盐或硝酸盐以释放氮气，反硝化随着微生物消耗亚硝酸盐 或硝酸盐中的氧而发生。更具体地，反硝化是经微生物促进的最终产生氮分 子(N₂)的异化硝酸盐还原(dissimilatory nitrate reduction)过程，氮分子返回至 大气中。硝酸盐和亚硝酸盐通过反硝化转化为氮气。反硝化通常响应电子供 体的氧化作用还原氮的氧化形式，该电子供体如在此存在于回流的活性污泥 14中的有机物。该过程主要通过异养细菌在氧耗尽或氧消耗超过氧供应速 率的环境例如缺氧罐16和曝气罐18中进行。利用本发明的实施方案，反硝 化也通过自养硝化细菌在低溶解氧的条件下在缺氧罐16和曝气罐18中进 行。以下反应示例性说明反硝化过程，包括示例性氧化还原反应：

(1)NO₃^-→NO₂^-→NO+N₂O→N₂(g)

(2)2NO₃^-+10e^-+12H⁺→N₂+6H₂O

来自工厂流入污水12的颗粒状有机物和溶解的有机物在缺氧罐中发 酵。在本发明实施方案中的缺氧罐中的条件包括颗粒状有机物高程度的水解 和发酵，其提供多过反硝化反应所需的经发酵的有机物，允许同时释放磷和 形成PHAs。颗粒状有机物的发酵使得额外的碳可以用于除磷。流入污水流 在缺氧罐中的平均停留时间在一个小时至十个小时之间变化。在一实施方案 中，缺氧罐中的溶解氧浓度小于0.3mg/L。在其他的实施方案中，缺氧罐中 的溶解氧浓度小于0.2mg/L。在又一其他实施方案中，缺氧罐中的溶解氧浓 度是0.1mg/L或更小。另外，回流的活性污泥的再循环速率可以在流入物流 速的0.3至6倍之间变化。

将缺氧混合液转移到曝气罐18。在图1中示出了单个曝气罐18，也可 以使用多个曝气罐，可以平行配置或串联配置。备选地，可以使用一个曝气 罐，但是曝气罐可以包含多于一个腔室，其中混合液流动经过该腔室。包含 多于一个腔室的目的在于改进经最小化的罐体积的整个过程的动力学条件。 任选地，一部分活性污泥被转移进入曝气罐中以提供发酵颗粒状和溶解的有 机物所需的额外细菌种群并促进磷释放。这在当膜罐中的硝酸盐浓度非常高 的情况下是有利的。不同于很多曝气罐，本发明的实施方案中所提供的曝气 罐18在非常低的溶解氧浓度例如微需氧条件下运行，这促进了用于磷释放 和吸收的细菌种群(例如聚磷生物(PAO))的形成。通常地，这类细菌种群能 够储存磷，例如以多磷酸盐的形式，以及代谢其用于生成能量和细胞合成， 从而实现经过活性污泥除去系统中的磷。该特定的微生物种群在高溶解氧浓 度时不能形成。由于该种特定细菌种群可以在曝气罐18中形成，它也存在 于再循环至缺氧罐16的回流的活性污泥14中，从而允许在缺氧罐16中进 行磷释放。磷吸收可以在曝气罐18中和磷释放同时发生。

除了磷释放和磷吸收，在曝气罐18中也发生硝化和反硝化。在一实施 方案中，在曝气罐18中同时发生硝化、反硝化和磷释放。如前所述，反硝 化是微生物促进的通过还原氮的氧化形式最终产生氮气的异化硝酸盐还原 过程。硝化，从另一方面，是氨分解为硝酸盐和水。更具体地，硝化是氨和 氧进行生物氧化为亚硝酸盐，之后亚硝酸盐氧化为硝酸盐。通常两种生物负 责氧化氨至亚硝酸盐。这两种为氨-氧化细菌(AOB)和氨-氧化古细菌(AOA)。 以下方程式表示硝化过程：

(3)NH₃+CO₂+1.5O₂+亚硝化单孢菌属→NO₂^-+H₂O+H⁺

(4)NO₂^-+CO₂+0.5O₂+硝化杆菌属→NO₃^-

(5)NH₃+O₂→NO₂^-+3H⁺+2e^-

(6)NO₂^-+H₂O→NO₃^-+2H⁺+2e^-

在本发明的实施方案中，由方程式(4)和(6)所表示的反应以最小的程度 发生，从而降低氧的需求量以及显著节约能量的使用。在一些实施方案中， 在混合液中存在非常少量的硝酸盐或不存在的硝酸盐，这是因为反应(4)和(6) 占整个过程的百分比小，使得在上述方程式(1)中，主要是亚硝酸盐而非硝酸 盐被转化至氮气。在方程式(2)中，需要小于10个电子以转化亚硝酸盐至氮 气。在本发明的实施方案中，这些电子不是来自甲醇或其他外部碳源而是来 自于氨。这将在下文更详细地进行讨论。如以上反应(3)和(5)所示，氨用于 转化亚硝酸盐至氮气。由于不需要外部碳源，一些氨用于反应(3)和(5)，但 是一些氨也用作用于反硝化的电子还原源。这说明了硝化和反硝化在具有低 氧浓度和不含额外碳源的系统中是如何发生的。

另外，微需氧(microaerophilic)条件允许颗粒状和溶解的有机物在曝气罐 18中发酵，这在更高溶解氧浓度时通常是不会发生的。

如上所述，根据本发明的实施方案，硝化和反硝化在缺氧和曝气罐两者 中发生。常规硝化-反硝化由以下反应(7)、(8)和(9)表示。反应(9)是反应(7) 和(8)的净反应(net)。很多情况，该顺序的反应需要高溶解氧浓度和外部碳源。 在这里，每克N-NH₃需要约4.57克O₂用于反应(7)以及每克N-NO₃需要约 2.86克COD-O₂用于反应(8)。方程式如下：

(7)1NH₃+2O₂→1HNO₃+H₂O

(8)

以下反应(9)和(10)示例性说明了称作短程硝化的过程，其中初始反应或 反应(10)仅驱动至亚硝酸盐，其导致需氧量和有机物两者的需求的节约。每 克N-NH₃需要约3.43克O₂用于反应(9)以及每克N-NH₃需要约1.71克 COD-O₂用于反应(10)。在一个实例中，当比较以上第一组反应(反应(7)-(8)) 和以下第二组反应(反应(9)-(10))时，需氧量减小了约25%(4.57gO₂/gN-NH₃-3.43gO₂/gN-NH₃=1.15gO₂/gN-NH₃)以及有机物的需求量减小了约 40%(2.86gO₂/gN-NO₃-1.71gO₂/gN-NH₃=1.15gCOD/gN-NH₃)。该组反应发 生在缺氧罐和具有PAO细菌的曝气罐中，其中PAO细菌优选催化以下反应 (10)。

(9)

(10)

以下标为(11)和(12)的反应组发生在缺氧罐和曝气罐中。在一些实例中， 该组反应称作硝化-反硝化。如方程式(11)中所示，氨和氧转化至氮气、亚硝 酸和水。有机物然后用于转化亚硝酸至氮气、水和二氧化碳。每克N-NH₃需要约2.28克O₂用于反应(11)以及每克N-NH₃需要约0.57克COD用于反 应(12)。当比较所述三组反应时，该第三组反应(反应(13)-(15))需要最小量的 氧。当比较以下第三组反应所需的有机物量和第一组反应(反应(7)-(8))时， 有机物的节约量为约80%(2.86gO₂/gN-NO₃-0.57gCOD/gN-NH₃=2.29 gO₂/gN)。另外，第一组和第三组方程式之间所需的氧的节约量为约50%(4.57 gO₂/gN-NH₃-2.28gO₂/gN-NH₃=2.28gO₂/gN)。

(11)

(12)

回到图1，然后混合液从曝气罐18转移至第三个罐，其在此处显示为 膜罐20，用于固体-液体分离步骤，在这里分离经处理的水中的微生物。在 活性污泥法中，例如本文中所述的那些，溶解的有机污染物转化为水、二氧 化碳和生物质，引起产生剩余污泥。膜罐20将这样的污泥从经处理工厂流 出物22中分离。在一实施方案中，膜罐是膜生物反应器，其是膜方法(例如 微滤、超滤、中空纤维、平板(flat sheet)、管状的(tubular))和悬浮生长生物反 应器(suspended growth bioreactor)的组合。生物反应器是指支持生物活性环境 的设备。因为生物反应器必须联合分离单元以回收生物质和经纯化的液体， 由于独立单元的低效性和不便利性，膜生物反应器用于提供相同或更好的结 果，但是以单一单元的形式。膜生物反应器是生物反应器和错流过滤的联合。 在一个实例中，对膜罐20进行曝气以提供水扰动用于清洗浸渍(submerged) 的膜过滤器。在一实施方案中，膜过滤器利用微滤，但在另一实施方案中， 使用超滤。

发生于在膜罐20中的膜过滤得到至少两个出口流，其包括经处理的工 厂流出物22和活性污泥24，活性污泥24的一部分再循环至缺氧罐16，在 一些实施方案中，再循环至曝气罐18。如本文中所使用的，经处理的工厂 流出物22是离开第三个罐的流，其已经处理除去了碳、氮、磷和其他不期 望的成分。剩余活性污泥显示为活性污泥26。再循环至缺氧罐16的活性污 泥24的量有所变化，在一些实施方案中，其为进入缺氧罐16的工厂流入污 水12的量的50%至600%的范围中的任一量。如此，每加仑工厂流入污水 12，可以向缺氧罐16中添加0.5至6加仑回流的活性污泥14。在备选的实 施方案中，在图1的实施方案中的第三个罐(虽示为膜罐20)是澄清池。澄清 池是用于分离、浓缩和再循环活性污泥的罐。通常地，澄清池具有比膜生物 反应器大得多的占地面积。

关于图2，示出了备选污水处理方法的示意图。缺氧罐16a、曝气罐18a 以及膜罐20a示出在图2的实施方案中且和图1中所述的那些类似地运行。 在此，厌氧罐28添加在缺氧罐16a的下游或之后以及曝气罐18a的上游或 之前。通常，厌氧罐28在厌氧条件或在没有氧时操作。厌氧罐28是非-曝 气罐，从而没有添加的氧且不存在硝酸盐。在厌氧罐28中内含物进行混合， 存有混合器。图2的实施方案或具体地、向系统中加入厌氧罐28的实施方 案在以下条件时使用：存在于流入污水流中的有机物的特征使得需要额外的 停留时间用于颗粒状有机物的水解和发酵两者。在一实施方案中，额外磷释 放发生在厌氧罐28中。类似于图1中所说明的，工厂流入污水12a和回流 的活性污泥14a在缺氧罐16a中混合。混合液首先被转移至厌氧罐28，之后 至曝气罐18a，以及最后至膜罐20a。从膜罐20a离开的是经处理的工厂流 出物22a和活性污泥24a。活性污泥24a的一部分作为回流的活性污泥14a 被再循环至缺氧罐16a，以及任选地，一部分还再循环至曝气罐18a。在一 实施方案中，处置废弃的活性污泥26a。

图3示出了显示作为实施本发明的实施方案的结果的污水处理厂能量 使用量的减小的线形图300。如所述，当曝气罐中溶解氧浓度维持在最小值 时，能量使用成本显著减小，因为添加溶解氧的成本可以占污水处理厂总能 量成本的最多至50%。如“启动试验”所示，测试了本文所述的技术并发现 能量成本显著减小，其至少部分是由于曝气罐中所需的溶解氧量小。如所示， 在试验前，最高的能量使用为约64000kWh/月，而试验后的最高能量使用 为约54000kWh/月，虽然在早先几个月，达到的量小得多。

关于图4，示出了柱状图400，其显示当在污水处理厂中实施本发明的 实施方案时氨和磷酸盐两者的减小。如这里所示出的，氨的流入浓度为约 72mg/L，但是在利用本文所述的处理方法处理工厂流入污水后降低至约1 mg/L。另外，磷酸盐约74mg/L的流入浓度在利用本文所述的处理方法处理 工厂流入污水后降低至约4mg/L。

实施例

以下实施例示例性说明了包含两个平行列的工厂，所述两个平行列包括 第一列(列A)和第二列(列B)。在每列中的罐是相同的且在相同的位置上。但 是罐中的条件是不同的。列A表示不使用本发明实施方案发生的传统方法， 列B表示使用本发明的实施方案的方法，例如曝气罐中的低溶解氧浓度，如 前所述的。例如，如在下表1中所示，在列A的曝气罐中的溶解氧浓度为 1.3mg/L，而在列B的曝气罐中的溶解氧浓度是0.1mg/L。相比较列A而言， 如在列B中的磷和硝酸盐/亚硝酸盐的去除程度所示，在曝气罐中的更低的 溶解氧浓度允许除磷细菌在曝气罐中形成。这些除磷细菌然后存在于从膜罐 回到缺氧罐的回流的活性污泥(未示出)中。在列B的缺氧罐中观察到磷释放， 而在列A的缺氧罐中未观察到。在列B的曝气罐中发生净磷吸收，在列A 的曝气罐中未发生。因此，在该方法中发生更高程度的磷吸收和除去。结果 是列B的膜罐或工厂流出物中的磷的浓度为3.65mg/L，其比列A的膜罐中 的浓度7.41mg/L小得多。类似地，硝化-反硝化在列B的曝气罐中同时发生， 而在列A的曝气罐中仅发生硝化，其通过显著更大的硝酸盐浓度差别来反 映。列B的膜罐中的硝酸盐/亚硝酸盐浓度为7.15mg/L，其小于列A的膜罐 中的浓度8.31mg/L。

继续以上所述和示出在下表1中的实施例，图5示出了柱状图500，其 显示了在每个罐中的磷、溶解氧和硝酸盐的浓度。在比较磷浓度时，例如， 可见列B的膜罐中的浓度比列A中的小得多，这部分是因为曝气罐中的溶 解氧浓度低。

表1.在传统方法(列A)和利用本发明实施方案的方法(列B)中的溶解氧、 磷和硝酸盐的浓度

所示出的多种成分的很多不同设置以及未示出的成分是可能的，而不偏 离权利要求的范围。已经说明了技术的实施方案，其意在示例性说明而非限 制性的。备选的实施方案对于本公开文的阅读者来说是显而易见的。另外， 备选的执行上述的手段可以完成而不偏离权利要求的范围。一些特征和亚组 合是有效的，可以不参考其他特征和亚组合进行使用以及意在权利要求的范 围之内。