[发明专利]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

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