CN115315414A - 使用膜曝气生物膜反应器进行亚硝化的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本说明书描述一种用于亚硝化、亚硝化‑反亚硝化或反氨化的膜曝气生物膜反应器(MABR)和方法。通过气体转移膜的氧气供应受到限制，以抑制亚硝酸盐氧化细菌(NOB)的生长。来自MABR单元的排气可能具有4%或更低的氧浓度。所述方法可任选地包括以下中的一种或多种：间歇(分批)进料工艺空气；工艺空气调节；工艺空气方向反转；工艺空气再循环；以及，工艺空气阶式流动。所述方法可任选地包括将含有厌氧氨氧化的接种污泥加入到反应器中，任选地在预处理和选择之后。所述方法可任选地包括预先接种MABR介质。

Description

使用膜曝气生物膜反应器进行亚硝化的方法和装置
相关申请
本申请要求2020年2月11日递交的题目为“Process and Apparatus forNitritation Using Membrane Aerated Biofilm Reactor”的美国临时专利申请号62/972,719的权益和优先权，其通过引用结合至本文中。
技术领域
本说明书涉及膜曝气生物膜反应器(MABR)和相关装置以及使用膜曝气生物膜的废水处理。
背景技术
氮化合物通常以氨的形式存在，常规通过硝化-反硝化从废水中去除。常规硝化涉及两个步骤：通过氨氧化细菌(AOB)亚硝化产生亚硝酸盐，然后通过亚硝酸盐氧化细菌(NOB)将亚硝酸盐氧化为硝酸盐。亚硝化，或者称为部分硝化，仅通过第一步使用AOB进行以产生亚硝酸盐。在亚硝化-反亚硝化中，或者称为短程反硝化，亚硝酸盐通过普通异养细菌(OHB)直接转化为气态氮而不产生硝酸盐。厌氧氨氧化(anammox)为厌氧氨氧化(anaerobicammonium oxidation)的缩写，为一种其中将亚硝酸盐和铵转化成双原子氮和水的微生物过程。缩写也可用于指实施厌氧氨氧化过程的细菌。一些硝酸盐也作为厌氧氨氧化细菌的呼吸产物产生。反氨化(或者称为部分硝化-厌氧氨氧化)是指包括部分亚硝化(即废水供应中的一些但不是全部铵的亚硝化而不产生大量硝酸盐)与亚硝酸盐和剩余铵的厌氧氨氧化相结合的过程。亚硝化-反亚硝化和反氨化为实践中难以实现的过程，因为NOB易于生长并倾向于将这些过程转化为完全硝化-反硝化。
在膜生物膜反应器(MBfR)中，气体转移膜用于支撑生物膜，同时一种或多种气体通过膜供应至生物膜。膜曝气生物膜反应器(MABR)为MBfR的一个子集，其中含氧气体(一般地为空气)用于生物反应。Li等最近回顾了使用MABR进行反氨化的努力(2018年)。解决抑制生物膜中NOB的挑战的努力包括控制膜内的空气压力以匹配氨和氧的转移率(Gilmore等人., 2013)和通过定期关闭空气(或氧气)供应，例如在1.5天的周期中关闭空气1天(Pellicer-Nacher 2010)。
发明内容
以下段落旨在向读者介绍本发明和随后的具体实施方式而不是限制或定义任何要求保护的发明。
本发明人已经观察到，如上所述的控制NOB的方法在实践中不是有效的。例如，控制空气压力或空气流速可避免在反应器启动阶段期间(可能需要几个月)和之后的数月内生物膜中NOB的显著增长。然而，最终会出现显著的NOB种群，并将该过程转变为完全硝化-反硝化。然后必须关闭反应器，通常持续4-8周的时间段，以破坏生物膜中的NOB种群。但在重新启动反应器之后，NOB种群一般地会在几个月后重现，从而导致另一次反应器关闭。一年多次关闭反应器数周严重影响该过程的生产力。同样，在1.5-2天的周期中关闭空气12-24小时会严重影响过程的生产力。尽管停气期期间可抑制NOB的生长，但AOB在停气期也不会使氨转化为亚硝酸盐。
本说明书描述用于操作MABR的方法。MABR可用于水中氨的生物转化，例如通过亚硝化(不完全硝化)，伴随有或没有完全的亚硝化-反亚硝化或反氨化反应。在这些方法中，抑制或控制NOB的生长以及在反氨化的情况下支持厌氧氨氧化细菌的生长是有用的。一种方法包括将含氧的气体或气体混合物(任选地称为工艺空气)提供给含有膜曝气生物膜介质的装置，比如气体转移膜(该装置任选地称为MABR单元)，以抑制NOB的生长和在一些实例中鼓励厌氧氨氧化的生长。本说明书还描述一种装置，例如MABR或MABR单元。该装置包括工具，例如导管网络、计量器、阀门、传感器和流量控制仪器中的一种或多种，用于根据需要向膜曝气生物膜介质提供空气以实施方法。
在本文描述的一些实例中，方法可包括以下中的一种或多种：在短周期内间歇或分批进料工艺空气；工艺空气调节；工艺空气方向反转；工艺空气氮富集(或者称为工艺空气氧稀释)，例如通过工艺空气再循环；工艺空气阶式流动；和将排气氧浓度保持低于4%。工艺空气为提供至MABR单元内部以转移至生物膜的空气而不是提供的，例如在MABR单元外部产生气泡以冲刷生物膜的空气。排气为未递送至生物膜并离开MABR单元的工艺空气的部分。这些方法可以各种排列和组合一起使用。例如，工艺空气阶式流动可与任何其他方法组合，任选地与MABR介质(即一个或多个气体转移膜)或长度小于0.5 m的MABR单元组合。在另一个实例中，工艺气流方向反转可与任何其他方法组合。
本说明书描述一种在短周期内分批进料工艺空气的方法。在该方法中，将空气提供给MABR单元持续第一时间段，并然后关闭MABR单元上游和下游的阀门持续第二时间段。任选地，总周期时间长度可在0.1-2小时之间。
本说明书描述一种工艺空气调节的方法。在该方法中，将空气以第一速率持续第一时间段和以第二速率持续第二时间段提供给MABR单元。任选地，总周期时间长度可在0.5-10天之间。
本说明书描述一种工艺空气方向反转的方法。在该方法中，工艺空气沿一个方向流过MABR单元持续第一时间段，并然后沿相反方向流过MABR单元持续第二时间段。任选地，总周期时间长度可在0.5-10天之间。
本说明书描述一种工艺空气氮富集的方法。在工艺空气氮富集方法中，向MABR提供富氮(或稀释氧)空气持续一段时间。可连续提供富氮空气。任选地，将富氮空气提供给MABR单元持续第一时间段，和将环境空气提供给MABR单元持续第二时间段，例如总周期时间长度在0.5-10天之间。在一些实例中，富氮空气通过工艺空气再循环提供，即至少一些排气自MABR单元的出口流入MABR单元的入口。任选地，第二时间段中的工艺空气流速相对于第一时间段不会减小，使得通过MABR单元的空气流速在排气再循环时间段期间增加。
本说明书描述一种工艺空气阶式流动的方法。在一些实例中，将工艺空气提供给串联的多个MABR单元，例如通过将一个MABR单元的端口连接于另一个MABR单元的端口。
短启动阶段也得益于使用反氨化处理水，因为厌氧氨氧化为缓慢生长的低产微生物，并且反氨化反应器的启动时间一般地为有影响的。在一些实例中，本说明书描述一种可用于缩短反应器启动时间或用于缩短反应器从涉及厌氧氨氧化细菌减少的故障中恢复所需的时间的方法。该方法可包括将含有厌氧氨氧化的接种污泥加入到反应器中，任选地在接种污泥的预处理和选择之后，任选地在用硝化污泥接种反应器之后。或者或另外地，该方法可包括预先接种MABR介质或单元，其与接种反应器分开。
不旨在受到理论的限制，本文所述的方法通过使附着于MABR单元的生物膜的至少一些，但优选地大部分或全部定期经历低氧可用性来对NOB施加压力。然而，MABR单元整个很少(如果有的话)完全暴露于低氧可用性，因此AOB保持活跃。在一些实例中，该方法利用MABR单元的空间差异，例如MABR单元的上游部分接收的工艺空气的氧浓度高于MABR单元的下游部分。方法比如工艺空气阶式流动、工艺空气分批进料、工艺空气调节和工艺空气氮富集可助于确保MABR单元的下游部分至少暂时地暴露于低氧浓度(例如4%或更少的氧气)的空气。工艺空气方向反转或排气再循环可导致低氧浓度区域移动至MABR单元的先前上游端，使得贯穿大部分或全部生物膜地抑制NOB。
附图说明
图1为试验设备中DO和O2沿膜带(membrane cord)的通量的图表。
图2为工艺空气分批进料中的氧通量以某一频率变化的图表。
图3为工艺空气调节方法中氧通量随着时间推移的图表。
图4为工艺气流方向反转中氧通量沿膜长度分布的图表。
图5为在有和没有工艺空气再循环的情况下氧通量沿膜长度的图表。
图6A和6B分别为具有开放式介质和封闭式介质的工艺空气分批进料的图解。
图7为工艺空气调节的图解，左侧为连续但工艺气流低而右侧为间歇但工艺气流高。
图8为工艺气流方向反转的图解。
图9A和9B为工艺空气再循环的图解，左侧为具有再循环的连续工艺空气而右侧为具有再循环的纯氧分批进料。
图10A、10B和10C分别为工艺空气阶式流动、具有再循环的工艺空气阶式流动和具有工艺空气方向反转的工艺空气阶式流动的图解。
图11A、11B和11C分别为配置用于启动、工艺空气方向反转和工艺空气分批进料的实验性MABR的示意图。
图12为图11A的MABR操作期间的实验结果的图表。
图13为图11B的MABR操作期间的实验结果的图表。
图14为图11C的MABR操作期间的实验结果的图表。
图15为具有工艺空气调节和在一些情况下为工艺空气方向反转的MABR的实验结果的图表。
图16显示具有工艺空气方向反转的实验性MABR。
图17显示配置工艺空气方向反转和工艺空气阶式流动的图16的实验性MABR。
图18为图16和17的MABR的实验结果的图表。
图19为另一个MABR启动期间的实验结果的图表。
图20为包括一段时间的工艺空气方向反转的图19的MABR的实验结果的图表。
图21为包括一段时间的工艺空气氮富集的图19的MABR的实验结果的图表。
具体实施方式
膜曝气生物膜介质(任选地称为MABR介质)一般地包括一个或多个气体转移膜。气体转移膜可为疏水性多孔膜、密壁(dense walled)材料或具有足够小的孔隙(即<40Å)以防止主体水流的材料。气体转移膜可具有任何形状因素。例如，气体转移膜可以平板形式存在，例如如在由Fluence制造的产品中，或以离散中空纤维的形式存在，例如如在由3M或Oxymem制造的产品中。或者，气体转移膜可为带中的多个中空纤维气体转移膜，如在由Suez销售的ZeeLungTM产品中。这种带描述于国际公开号WO 2015/142586 A2中，其通过引用结合至本文中。在带或另一种具有多个小于预期生物膜厚度的气体转移膜的结构的情况下，气体转移表面可由覆盖单个膜的光滑表面表示。在国际公开号WO 2020/086407 A2中描述了使用带来支持亚硝化，其通过引用结合至本文中。MABR介质可部署于有或没有悬浮生物质的罐中。生物膜中可发生亚硝化、亚硝化-反亚硝化或反氨化。
抑制或清除NOB的因素包括例如固体保留时间(SRT)、溶解氧(DO)浓度(尤其是在AOB和NOB的不同滞后期期间)、温度、pH、碱度、游离亚硝酸和游离氨。然而，在MABR中，这些因素中的许多是不切实际或难以调整的。限制供氧可用于MABR中的NOB控制。然而，过度限制供氧也会降低AOB将氨转化为亚硝酸盐的能力。进一步地，单独限制供氧一般地不能有效实现和保持在较长时间内高速亚硝化同时最小化MABR中的完全硝化。
在膜曝气生物膜方法中，氧气穿过膜壁扩散到生物膜中，而底物比如铵从主体液体中以相反方向进入生物膜，这种现象称为反扩散。如果不立即消耗氧气，则氧气会积聚在生物膜的基部。当局部氧水平变得足够高时，NOB开始生长并可能在生物膜基部增殖。MABR中的一个难题为，较高的气流速率可增加传氧速率(OTR)，但其也可导致更多的氧气积聚在生物膜的基部。即使在受控的低空气流速下，在长时间操作之后，生物膜中仍可建立显著的NOB种群。
特别是，即使在低气流速率下，NOB也可在MABR单元的入口附近增殖。在MABR单元的入口处，工艺空气的氧浓度以及由此的传氧驱动力较高。图1显示沿中空纤维气体转移膜的长度在生物膜基部的氧通量和DO浓度。从图1中可以看出，MABR单元入口附近(即在气体转移膜入口处)的氧通量和DO浓度较高，而在出口处则变得较低。尽管可优化总体方法条件(即平均氧通量或DO浓度)以选择进行NOB抑制，但MABR单元入口附近的氧通量和DO浓度仍然很高，这可导致从膜的一端开始的长期NOB生长。然而，以下所述的一些或所有方法助于长期抑制NOB生长，并且最低限度地降低，或者可任选地增加总传氧速率(OTR)。
例如在0.1-2小时的时间段内间歇或分批进料工艺空气会在生物膜中产生一个OTR随着时间的推移变化的周期，包括一段高OTR (曝气开启期)、一段OTR减少至零(曝气过渡期)以及任选地一段短的OTR保持在零(曝气关闭期)。通过膜的氧流量变化的一个实例如图2所示。曝气开启和关闭期的持续时间为方法成功的可控参数，并且可针对特定设备进行优化。一般来说，曝气关闭期的持续时间应为总周期时间的25%或更少，或者10%或更少。周期的总持续时间任选地为30分钟或更短。曝气开启期期间的工艺空气条件，包括工艺气流速率和操作压力，可高于选择连续工艺空气以抑制NOB的方法。这样，用分批进料工艺空气的MABR单元的总体OTR和处理能力相对于用连续工艺空气的方法不一定会降低。
图6A和6B显示提供曝气过渡期的两种方法。在图6A所示的一种方法中，停止向MABR单元6供应工艺空气15，例如通过关闭进气阀20，同时保持MABR单元的排气18出口开启。在图6B所示的另一种方法中，停止向MABR单元6供应工艺空气15，例如通过关闭进气阀20，并且还关闭MABR单元的排气出口，例如通过关闭排气阀22。MABR单元6入口和出口的命名为相对于流过MABR单元6的工艺空气的方向，其可如以下进一步描述地变化。然而，入口和出口位于MABR单元6中气体转移膜的两端。因此，当进气阀20和排气阀22关闭时，工艺空气被困在MABR单元内，并且氧气继续通过气体转移膜渗透至生物膜。在一个短周期内，产生的曝气过渡期可继续至下一个曝气开启期，使得没有曝气关闭期。在图6A的布置中，MABR单元6的出口处通常存在一个压力控制阀。可调节该阀门以延长曝气过渡期，使得任何曝气关闭期少于总周期时间的25%，任选地少于10%。然而，在任一种情况下(图6A或6B)，总周期时间可为2小时或更短，或者30分钟或更短，因为在更长的周期中，曝气过渡期不太可能为周期的重要部分。如果有的话，曝气过渡期和曝气关闭期抑制NOB的生长。
图3和7显示工艺空气调节。工艺空气调节在较长的周期内进行，例如周期长度在0.5-10天之间或长度在1-7天之间。工艺空气调节没有曝气关闭期。如图3所示，在重复周期中，工艺空气流速在相对较高速率和相对较低速率之间调节。如图7所示，与低流速期期间(图7左侧) MABR单元6内的压力相比较，高流速期一般地对应于MABR单元6内的更高压力(图7右侧)。在至少部分MABR单元6中，工艺空气调节中的较低OTR期控制在抑制NOB的水平，即限制NOB的生长，任选地暂时停止或逆转NOB生长的水平。较高OTR期增加平均OTR而不会导致NOB过度增殖。任选地，工艺空气调节可与工艺空气的分批进料相结合，以产生具有高OTR期、低OTR期、曝气过渡期和曝气关闭期的方法。任选地，工艺空气调节与工艺空气方向反转相结合(如下所述)。在这种情况下，可选择较低流速，使得仅在MABR单元6的下游端抑制NOB。
限制NOB生长的低OTR阈值随许多参数变化，包括膜材料和配置，以及操作条件，比如温度、pH、DO和主体中的铵浓度。完全硝化的可接受水平也影响选择的OTR阈值。因此，实现低OTR的操作条件可根据影响参数的变化而变化。然而，本发明人观察到，当排气的氧浓度为4%或更低时，可在至少部分MABR单元中抑制NOB。当排气的氧浓度为2%或更低时，NOB很可能在MABR的至少下游部分受到抑制。
参照图8，在工艺空气方向反转中，在第一时间段内，工艺空气15进入MABR单元6的第一端口24而排气18从MABR单元6的第二端口26离开(图8的左侧)。在第二时间段内(图8右侧)，工艺空气15进入MABR单元6的第二端口26而排气18从MABR单元6的第一端口24离开。通过膜曝气生物膜介质(即中空纤维膜或带)的气流方向在重复周期中反转。
如上所述，在连续但相对低的工艺气流速率下可实现稳定的亚硝化。然而，通常会对连续曝气做出妥协，因为可允许一定水平的完全硝化，以使OTR (以及氨向亚硝酸盐的转化)增加到最大限度同时仅部分控制NOB。完全硝化可主要发生在MABR单元6上游端附近的生物膜中，其中工艺空气15被引入到膜曝气生物膜介质中，这种现象下文称为“入口效应”。发生入口效应是因为氧通量在MABR单元6的入口处较高，而在出口处随着MABR单元6中氧分压沿气流方向降低而变低。
如图4所示，当工艺气流方向反转时，氧通量沿气体转移膜长度的分布发生切换。膜两端处的生物膜仅间歇地接收相对高的氧通量，而然后为一段相对低的氧通量。如果低氧通量时间段足够长以损坏在高氧通量期间可能已经开始在生物膜中生长的任何NOB，则NOB种群不会在膜的任一端建立。反转操作的频率可因设备而异，但反转之间通常不应超过20天。任选地，总处理时间(即第一时间段和第二时间段的总和)在0.5-10天或1-7天的范围内。也可选择总体工艺空气条件以相对于具有连续工艺空气的方法增加OTR。为实施工艺空气方向反转，可将适当的阀门和管道网络连接于MABR单元6和控制器，以提供流过膜的自动反转。
当OTR沿介质长度存在较大梯度时，例如由于沿膜长度的氧浓度变化，工艺空气方向反转可更为有效。沿膜长度的较大分压差会在沿膜长度附着的生物膜中产生非均匀的DO分布。随着工艺空气方向反转，MABR单元6的上游和下游端附近的区域随着时间的推移具有非均匀的DO分布。极低DO的暂时存在对AOB为可应付的，但对NOB为有害的。然而，生物膜的一大部分在该方法中的任何时候均具有较高的DO，且具有活性AOB。生物膜内沿膜长度的非均匀DO分布，与工艺空气方向反转相结合，助于抑制MABR单元6入口附近生物膜关键部分中的NOB生长而不降低整个MABR单元6内的活性。
排气18中的氧浓度可用作是否存在沿生物膜长度的实质上的非均匀DO分布的指标。例如，排气中的氧浓度可为0.5-4%或更低，或者0.5-2%或更低，任选地为约1-2%。在自动化方法中，传感器可用于测量排气18中的氧浓度。控制方法可使用排气氧浓度设定点，例如在1-2%的范围内，以控制工艺空气15的流速和/或压力。基于排气氧浓度自动化工艺气流助于提供稳定和可靠的方法。
入口效应也可通过暂时或连续工艺空气氮富集来减轻。工艺空气相对于环境空气相对富氮或氧稀释。例如，在MABR单元入口处，工艺空气中的氧浓度可在5-15%的范围内。例如，可通过使工艺空气流过气体交换膜单元或通过向工艺空气中加入氮气来提供富氮工艺空气。任选地，可通过排气再循环提供工艺空气氮富集。排气中的氧气耗尽或富含氮气。图9A显示工艺空气再循环的一种方法。在该方法中，排气18中的一些与新鲜工艺空气15连续混合。新鲜工艺空气15和排气18的富氮混合物流过MABR单元6。图9B显示另一种工艺空气再循环的方法。在该方法中，将一批工艺空气15泵入到MABR单元6中。进气阀20和排气阀22关闭并且排气18通过MABR单元6再循环一段时间，任选地加入一些工艺空气15以补充从MABR单元6渗出的氧气体积。一段时间之后，加入一批新的新鲜工艺空气15。图9A的方法在工艺空气氮富集的持续时间内以通常恒定的氮浓度产生富氮工艺空气的连续供应。图9B的方法在工艺空气氮富集的持续时间内产生氮浓度增加的工艺空气。任选地，可提供工艺空气氮富集持续第一时间段，并然后在重复周期中抽出持续第二时间段，例如0.5-10天或1-7天。
图5显示在有和没有工艺空气氮富集的情况下沿膜长度的氧通量比较。在该实例中，当加入氮气或再循环排气时，新鲜工艺空气的流量不会减少。这样，通过MABR单元的总质量流速增加，但氧传质流速不增加，或不增加至相同程度。当工艺空气再循环(或用氮气稀释)时，膜入口处的氧分压变低，并且如果质量流速增加，则膜中的气体速度会变高。这导致膜入口处的氧通量较低，并且沿膜长度的氧通量分布更均匀。在抑制膜上游端NOB生长的同时，可保持总体OTR速率。
工艺空气再循环可如图9A所示，通过使用气泵28将排气18再循环至MABR单元6的入口24，例如通过将排气管线连接于工艺空气管线或直接连接于MABR单元6的膜集管来实施。然而，工艺空气再循环可以不同方式进行，具体取决于氧气来源。如果空气用作氧源，则可在***中使用连续工艺空气流速与连续排气再循环，如图9A所示。如果纯氧用作氧源，则可使用分批进料的纯氧并进行再循环，如图9B所示。如果加入惰性气体(比如氮气)来稀释工艺空气，则需要添加另外的气体管线和流量控制。
图10A、10B和10C显示工艺空气阶式流动的3种备选方法，一般说来，其使用第一个MABR单元的排气18作为下一个MABR单元6的供气，串联运行两个或更多个MABR单元6。在图10A中，将一个MABR单元的出口26连接于另一个MABR单元的入口24。入口24和出口26的名称可根据MABR单元中气流的参考方向而变化。例如，尽管气体在图10A中的两个MABR单元6中向下流动，气体或者可在一个MABR单元6中向下流动而在另一个MABR单元6中向上流动。任选地，如图10B所示，其中一些排气18也可再循环至第一个MABR的入口24，而另一部分排气18流向下一个MABR单元6。任选地，通过一个或两个MABR单元6的工艺空气方向和/或MABR单元的顺序可以变化。如图10C所示，工艺空气15以相对于图10A的相反顺序和相反方向流过MABR单元6。工艺空气阶式流动可与本文所述的任何一种或多种其他方法组合。例如，通过在重复周期中于图10A的配置和图10C的配置之间进行交替，使工艺空气阶式流动与工艺空气方向反转相结合。重复周期可为例如长度0.5-10天或长度1-7天。
一些快速启动策略包括优化条件以及接种污泥的选择和预处理。定量聚合酶链反应(qPCR)技术可用于鉴定和量化接种污泥和生物膜中的不同厌氧氨氧化或其他物种。富含快速生长的厌氧氨氧化物种的接种污泥比如Ca. Brocadia Sinica可缩短启动时间。另外，将接种污泥破碎成小颗粒的预处理将增强初始附着，并从而也缩短启动时间。
在另一个方法中，非现场启动通过提供一部分预先接种的MABR单元用于加速全面(full-scale)应用中的现场启动，并且在一些情况下，通过提供所有预先接种的MABR单元来消除现场启动。
在30-35℃范围内的温度下，使用高强度铵的合成废水为进料，以实验室规模试验进行反氨化。实现了在优化的工艺空气条件(最佳工艺气流和压力)下的稳定反氨化。测试了两种在ZeeLung膜带上快速形成含有铵氧化细菌(AOB)和厌氧氨氧化两者的单一生物膜的策略并证明是成功的。这两种策略为(1)首先在生物膜中形成AOB，并然后形成厌氧氨氧化，和(2)首先在生物膜中形成厌氧氨氧化，并然后形成AOB。TIN去除为约3.5 gN/m2/d。TIN去除似乎受生物膜中亚硝酸盐生成速率的限制。为提高亚硝酸盐生成速率，可间歇地提供比最佳连续工艺气流更高的工艺气流速率。仅从最佳连续气流速率增加气流速率会导致亚硝化不佳。
在本文描述的周期中，第一时间段的持续时间:第二时间段的持续时间可在1:4-4:1的范围内，或在1:2-2:1的范围内，或为约1:1。
实施例1
图11A、11B和11C显示试验规模的膜曝气生物膜反应器，其配置用于以3种不同模式操作。在图11A中，反应器配置为在向MABR连续供应工艺空气的情况下操作。在图11B中，反应器配置为在伴随工艺空气调节和工艺空气反转的情况下操作。在图11C中，反应器配置为提供间歇供应的工艺空气。
参照图11A，废水由进料泵2通过阀门3从进料罐1供应至开放式罐4。进料水在罐4中进行处理，并作为流出物17离开罐。MABR单元6位于罐4中，并保持浸没在进料水中。在该实施例中，MABR单元6为来自Suez的ZeeLungTM膜组件。工艺空气15被压缩，并通过质量流量控制器5进料至MABR单元6的入口。工艺空气从入口通过MABR单元6中气体转移膜的管腔流向MABR单元6的出口。当工艺空气通过MABR单元时，氧气通过气体转移膜至进料水至气体转移膜外部的生物膜。工艺空气从MABR单元6的出口流过压力表7、质量流量计8和针阀9，作为排气18释放。MABR单元6的外部定期用氮气泡冲刷，以去除过量的生物膜。为产生气泡，压缩氮气16通过压力调节器10和转子流量计11供应至粗气泡曝气器13。
图11B中的反应器与图11A中的反应器相似。图11B中的参考编号是指如针对图11A所述的元件。另外，图11B中的反应器具有两个三通阀13和相关管道。三通阀可配置为交替地(a) 向MABR单元6的入口提供工艺空气15并从MABR单元6的出口释放排气18或b) 向MAPR单元6的出口提供工艺空气15并从MEBR单元6的入口释放排气18。
图11C中的反应器与图11A中的反应器相似。图11C中的参考编号是指如针对图11A所述的元件。另外，图11C中的反应器具有电磁阀14。电磁阀可配置为交替地(a) 向MABR单元6的入口提供工艺空气并从MABR单元6的出口释放排气18或b) 密封MABR单元6的入口和出口。
反应器以图11A的配置启动。连续向MABR单元6供应工艺空气15。如下所述，除用硝化污泥和厌氧氨氧化污泥接种反应器时之外，向罐4供应进料水。进料水为含有浓度约100mgN/L的NH4-N和NaHCO3的合成废水。除反应器正在接种时之外，调节进料水流速以保持罐4中的NH4-N浓度高于50 mgN/L。罐4中的水温为30-35℃。罐4中水的pH高于6.7，并且大部分时间高于7.5。连续工艺气流速率为4.2 L/m2/h (基于MABR单元6中气体转移膜的面积)。MABR单元中的压力，如通过压力计7测量的，为约3 psi (21 kPa)。
在方法开始时，将来自活性污泥膜生物反应器的硝化接种污泥加入到罐4中。接种之后，反应器中的混合液悬浮固体(MLSS)浓度为约3 g MLSS/L。反应器以分批模式操作10天，以将接种污泥保持在罐4中。分批操作10天之后，启动进料水泵2并将反应器变为连续进料和流出操作。硝化接种污泥中的悬浮固体在几天内从反应器中清除。
在操作的第46天，停止进料水流动，并用取自DemonTM颗粒状污泥反应器的厌氧氨氧化污泥接种罐4。接种之后，反应器中的MLSS浓度为约3 g MLSS/L。反应器以分批模式操作30天，以将接种污泥保持在罐4中。分批操作30天之后，启动进料水泵2并将反应器变为连续流穿操作。硝化接种污泥中的悬浮固体在几天内从反应器中清除。
图12显示操作反应器持续150天的结果。在第46天接种厌氧氨氧化污泥之后，总无机氮(TIN)去除速率开始增加。图12中的结果表明，部分亚硝化/厌氧氨氧化(PN/A)生物膜在约80天形成，其中在第0天依序接种硝化接种污泥，然后在第46天开始接种厌氧氨氧化污泥。在用厌氧氨氧化污泥接种反应器之前，TIN去除为约零，表明反应器中没有厌氧氨氧化活性进行氮去除。TIN去除速率在厌氧氨氧化污泥接种期期间(第46-76天)开始增加。在大约第80天排出厌氧氨氧化接种污泥之后，TIN去除为稳定的。
NO2-N/NOx的比率接近1.0表明NOB被完全抑制。NO2-N/NOx的比率接近0表明NOB未被抑制。在厌氧氨氧化接种期间，NO2-N/NOx的比率降低。然而，在反应器恢复至正常操作并排出厌氧氨氧化污泥之后，NO2-N/NOx的比率恢复。
反应器操作持续450天，包括上述的150天阶段。提供连续的工艺空气持续约325天。在操作的前200天，NO2-N/NOx的比率为约0.7，但在第325天，当工艺空气调节和工艺空气反转两者均开始时，下降至约0.3。反应器的配置如图11B所示。根据工艺空气调节，在重复周期中，工艺空气以3.2 L/m2/h供应3天，并然后以1.6 L/m2/h供应3天。在重复周期中，工艺气流的方向每天反转一次，即工艺空气从MABR 6的入口到MABR 6的出口行进1天，并然后从出口到入口行进1天。参照图13，当引入工艺空气调节和工艺空气方向反转时，NO2-N/NOx的比率开始增加。到第450天，NO2-N/NOx的比率超过0.9。当引入工艺空气调节和工艺空气方向反转时，NO2-N的生成也增加。
第二反应器的设置和操作如针对反应器所述，不同的是反应器的配置如图11C所示。另外，在该反应器启动期间，工艺空气为分批而不是连续提供。特别是，在重复周期中，工艺空气以13.2 L/m2/h提供8分钟，并然后关闭电磁阀14以将加压工艺空气保持在MABR组件内持续10分钟。图14比较了在启动期间分批供应工艺空气的第二反应器和连续供应工艺空气的第一反应器之间的NO2-N/NOx比率。在分批提供工艺空气的启动期间，NOB几乎完全被抑制，而在启动期间供应连续空气时，生物膜中存在一些NOB。
实施例2
操作试验规模的MABR反应器并用来自厌氧消化过程的泻湖上清液进料。反应器在单个反应器罐中具有3个ZeeLungTM MABR单元。反应器罐以恒定速率进料泻湖上清液。每个MABR单元均具有独立的工艺空气控制，允许每个MABR单元中的不同气流条件。每个MABR单元均具有排气的氧浓度监测。使用再循环回路和在线加热器保持反应器温度。方法通过用3g/L的硝化MLSS接种反应器来启动，5天之后将其从***中稀释出来。初始接种之后，试验反应器以流穿配置操作。
反应器具有如表1所述的配置和操作条件。MABR单元1以每24小时的工艺空气方向反转操作。MABR单元2以每48小时的工艺空气方向反转操作。MABR单元3在没有工艺空气方向反转的情况下操作。测量排气氧浓度作为生物膜生长的指标。特别是低的，例如2%或更低的排气氧浓度，表明稳定的部分亚硝化和亚硝酸盐氧化细菌(NOB)的淘汰。
表1
参数 数值 单位
MABR单元的数目 3 #
每MABR单元的表面积 40 m<sup>2</sup>
总膜表面积 120 m<sup>2</sup>
进料流速 50 L/h
流入氨浓度 900 mg/L
工艺空气流速 1.35 L/m<sup>2</sup>/h
进气压力 45 kPa
排气压力 20 kPa
MABR 1空气反转频率 24 小时
MABR 2空气反转频率 48 小时
MABR 3空气反转频率 N/A 小时
反应器温度 30 ℃
图15显示3个MABR单元中每一个的排放氧浓度以及整个反应器产生的亚硝酸盐与产生的总NOx的比率。MABR单元1和2最快速和最一致地实现了低排放氧浓度。MABR单元3没有达到如此低的排放氧浓度。这些结果表明，对于给定气流，空气反转实现较低的排放氧浓度，表明通过工艺空气方向反转可更有效地抑制NOB。反应器实现硝酸盐与NOx的比率超过0.85，也表明有效的NOB抑制。
实施例3
操作实验室规模的MABR反应器以在市政废水处理设备处理来自厌氧消化污泥脱水的高强度浓缩液。反应器由单个罐4中的4个实验室规模的MABR单元6组成。实验室规模的MABR单元6长度为0.5 m (作为集管之间暴露于水的膜的长度测量)。相比之下，ZeeLungTMMABR单元长度为2.0 m。使用电加热毯控制罐4的温度。将浓缩液(进料水1)连续泵入到罐4。初始配置具有如图16所示并行配置的4个MABR单元6。通过变化三通阀27的位置，每24小时一次(即2天总周期时间)施加工艺空气方向反转。反应器最初接种3 g/L的硝化MLSS，然后在3天之后将其从***中清除。
在操作3个月之后，如图17所示重新配置反应器，使得MABR单元6以工艺空气阶式流动(即串联工艺空气流动)操作。MABR单元6与一个MARB单元6的出口26串联连接，出口26连接于下一个MABR单元6的入口24。通过变化三通阀27的位置，也每24小时一次(即2天总周期时间)施加工艺空气方向反转。反应器的操作条件概述于表2中。
表2
参数 数值 单位
MABR单元的数目 4 #
每MABR单元的表面积 0.25 m<sup>2</sup>
总膜表面积 1 m<sup>2</sup>
浓缩液流速 0.5 L/h
流入氨浓度 750 mg/L
工艺空气流速 0.5 L/m<sup>2</sup>/h
进气压力 45-55 kPa
排气压力 25-50 kPa
空气反转频率 24 小时
反应器温度 34 ℃
图18显示由于氨转化生成的氮种类以及来自MABR单元的排放氧浓度。当4个MABR单元并行接收氧气时，观察到高排放氧浓度。最初，反应器具有良好的亚硝化，如图18所示，在操作的前两个月期间产生大比例的亚硝酸盐。在大约2个月时发生亚硝化的减少和转化完全硝化，如图18所示，产生的硝酸盐比例增加和产生的亚硝酸盐比例降低。重新配置串联的4个MABR单元，导致更长的有效膜长度，导致排放氧浓度降低、亚硝化恢复和随后的厌氧氨氧化生长。通过氨转化为氮气的部分增加表明厌氧氨氧化的生长，表明AOB的亚硝化及厌氧氨氧化的氨和亚硝酸盐转化。
串联操作的MABR单元、低排放氧浓度和气流方向反转的组合导致厌氧氨氧化细菌的固有生长，表明NOB种群得到控制，并为厌氧氨氧化的生长提供适当条件。
实施例4
操作试验设备以在市政废水处理设备处理来自厌氧消化污泥脱水的高强度浓缩液。试验设备由单个反应器罐中的3个ZeeLungTM MABR单元组成，并以恒定速率进料浓缩液。MABR单元具有共同的工艺空气进料和排放，并且工艺空气在3个组件之间均匀分布。使用再循环回路和在线加热器保持反应器温度。方法通过用3 g/L的硝化MLSS接种反应器来启动，5天之后将其从***中稀释出来。初始接种之后，试验以流穿配置操作。
重新配置试验反应器以测试工艺空气方向反转和工艺空气氮富集的效果。在工艺空气氮富集期间，将氮气稀释流加入到工艺空气中，之后将富氮工艺空气进料至MABR单元。气流的布置使得MABR单元具有相同的氧气质量流量，但在工艺空气进入气体转移膜管腔的位置具有较低氧浓度。反应器在表3所示的条件下操作。
表3
参数 数值 单位
MABR单元的数目 3 #
每MABR单元的表面积 40 m<sup>2</sup>
总膜表面积 120 m<sup>2</sup>
浓缩液流速 40-50 L/h
流入氨浓度 500-700 mg/L
空气流速 1.6 L/m<sup>2</sup>/h
工艺气体稀释流速(当应用时) 1.6 L/m<sup>2</sup>/h
进气压力 40 kPa
排气压力 28 kPa
空气反转频率 24 小时
反应器温度 31 ℃
接种之后，反应器以进料水流穿模式运行。MABR单元最初通过在MABR单元的顶部引入工艺空气并收集来自MABR单元底部的排气来操作。整个操作的前60天亚硝化为稳定的，没有硝酸盐积聚。然而，随着时间的推移，NOB适应方法条件并且发生硝酸盐积聚。如图19所示，硝酸盐积聚在大约第80天开始并持续到大约第120天。在这段时间期间，硝酸盐浓度超过100 mgN/L。
从第120天开始，实施气流方向反转。以相反方向，工艺空气进料至MABR单元的底部并从MABR单元的顶部排放。工艺气流方向每24小时反转一次。直至第120天，排放氧浓度<2%，这意味着MABR单元底部的细菌从氧浓度低于2%的气体中接收氧传递。由于低氧浓度所致，MABR单元底部的生态学很可能调节为淘汰对缺氧更敏感的NOB，而AOB可能消耗有限的氧气来氧化氨。
当工艺空气方向反转并将含有20.9%氧气的空气引入到MABR单元的底部时，来自MABR单元的硝酸盐产生立即减少，但随着时间的推移缓慢重新积聚。随着气流方向的切换，可见组件顶部的氧浓度较低，从而产生NOB限制条件。因此，该策略为利用组件顶部相对于底部的缺氧时间段，以避免NOB活性，进而避免硝酸盐积聚。
图20显示定期(即每24小时)反转工艺空气方向的影响。在7月14日-8月23日之间的时间段中，亚硝酸盐浓度达到250 mgN/L，但硝酸盐浓度达到大于100 mgN/L。8月23日-10月为一个过渡期，期间间歇地实施工艺空气方向反转。在10月22日-12月1日之间发生工艺空气方向反转的连续操作。在该时间段期间，亚硝酸盐浓度再次达到250 mg-N/L，但硝酸盐浓度趋于稳定并保持在约70 mg-N/L。
参照图21，在8月14日-9月2日之间，重新配置了试验以测试工艺空气氮富集的效果。在工艺空气氮富集期间没有工艺空气方向反转。在图21中突出显示的时间段中存在两次工艺空气氮富集测试。空气稀释测试导致高的氨和氮去除速率。在第90天和第110天之间，氨和氮去除速率的性能数据的第90百分位数分别为0.62 kg/d/m3和0.47 kg-N/d/m3。在稀释的第一时间段期间，氨和氮去除速率的第25百分位数分别为0.65 kg-N/d/m3和0.45kg-N/d/m3，表明在无空气稀释的时间段，去除速率远高于第90百分位数去除速率。空气稀释时间段期间的性能表明，反应器在氨和氮去除方面的性能发生重要变化，当稀释去除时，情况正好相反。第二个较短的工艺空气稀释时间段显示出相同趋势。

Claims (20)

1.一种方法，其包括以下步骤，
将包含膜曝气生物膜介质的装置(“MABR单元”)浸入包含氨的水中；
向所述MABR单元内部提供包含氧气的气体(“工艺空气”)；和，
使细菌种群在所述MABR单元的外部生长，其中所述细菌包括氨氧化细菌(AOB)，
其中所述方法包括以下中的一种或多种：在短周期内分批进料工艺空气；工艺空气调节；工艺空气方向反转；工艺空气氮富集，例如通过工艺空气再循环；工艺空气阶式流动；和将排气氧浓度保持低于4%。
2.权利要求1的方法，其包括在短周期内分批进料工艺空气，其中将空气提供给所述MABR单元持续第一时间段，并然后关闭所述MABR单元上游和下游的阀门持续第二时间段。
3.权利要求2的方法，其中总周期时间在0.1-2小时之间。
4.权利要求1的方法，其包括工艺空气调节，其中将工艺空气以第一速率持续第一时间段和以第二速率持续第二时间段提供给MABR单元。
5.权利要求4的方法，其中总周期时间在0.5-10天之间。
6.权利要求1的方法，其包括工艺空气方向反转，其中工艺空气沿一个方向流过MABR单元持续第一时间段，并然后沿相反方向流过所述MABR单元持续第二段时间。
7.权利要求6的方法，其中总周期时间在0.5-10天之间。
8.权利要求1的方法，其包括工艺空气氮富集，其中将富氮空气提供给所述MABR单元。
9.权利要求8的方法，其中将第一工艺空气例如环境空气提供给所述MABR单元持续第一时间段和将第二相对富氮的工艺空气提供给所述MABR持续第二时间段，例如其中总周期时间长度在0.5-10天之间。
10.权利要求8或9的方法，其中所述富氮空气通过工艺空气再循环提供，包括使至少一些排气从所述MABR单元的出口流入所述MABR单元的入口。
11.权利要求8-10中任何一项的方法，其中第二工艺空气流速高于第一工艺空气流速。
12.权利要求1的方法，其包括在多个MABR单元之间的工艺空气阶式流动，其中将工艺空气提供给串联的多个MABR单元，例如通过将一个MABR单元的端口连接于另一个MABR单元的端口。
13.权利要求12的方法，其中每个MABR单元长度小于0.5 m，或者其中所述串联的MABR单元长度大于1 m。
14.权利要求1的方法，其包括与至少一种其他方法组合的工艺空气阶式流动。
15.权利要求1的方法，其包括与至少一种其他方法组合的工艺空气方向反转。
16.权利要求15的方法，其中MABR排气具有4%或更低或者2%或更低的氧浓度。
17.权利要求1的方法，其包括以下的组合：a) 以下中的一种或多种：工艺空气阶式流动；工艺空气分批进料；工艺空气调节；和工艺空气氮富集与b) 工艺空气方向反转或排气再循环。
18.一种用于启动MABR的方法，其包括以下中的一种或多种：用厌氧氨氧化预先接种待用于MABR的MABR单元；选择含有相对快速生长的厌氧氨氧化物种的接种污泥来接种所述MABR或MABR单元；将含有厌氧氨氧化的颗粒状接种污泥破碎成更小的颗粒；和，在用含有厌氧氨氧化的污泥接种所述MABR之前用硝化污泥接种所述MABR。
19.MABR，其包括MABR单元和以下中的一种或多种：导管网络；计量器；阀门；传感器；和流量控制仪器，配置用于根据权利要求1-18中任何一项的方法向MABR单元提供工艺空气。
20.MABR，其包括配置为以下中的一种或多种的一个或多个MABR单元以及管道和阀门的网络：串联连接两个或更多个MABR单元；将工艺空气源交替连接于MABR单元的第一端口和第二端口；以及，定期将MABR单元的第二端口连接于所述MABR单元的第一端口，其中第一端口和第二端口位于所述MABR单元中气体转移膜的两端。
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