本出願は、2012年9月13日に提出された米国特許仮出願番号61/700,717、2012年10月1日に提出された米国特許仮出願番号61/708,498、及び、2013年3月14日に提出された米国特許仮出願番号61/783,232、の利点を主張するものである。米国特許仮出願番号61/700,717、61/708,498、及び、61/783,232の全ての開示が、参照によって本願に組み込まれる。

本発明は、概して、廃水処理のシステム及び方法に関する。通常、脱窒は、反応炉の容積、曝気エネルギー、及び、化学的な投与量の観点で、最もリソースを必要とする処理作業である。本発明は、いわゆる簡易生物学的脱窒と呼ばれる、脱窒においてよりリソースを有効活用する代謝経路を目的とする。本発明の態様は、廃水からの脱窒を可能とし、少ないエネルギー、化学物質及びコストで、高品質な廃水を生じることを可能とする。

亜硝酸酸化細菌(NOB)の抑制は、硝化−脱窒(非特許文献1〜非特許文献6を参照)、嫌気性アンモニア酸化物(anammox)の亜硝酸分流及び部分的硝化(非特許文献7〜非特許文献12を参照)、及び、脱アンモニア化成等の、簡易な生物学的脱窒(ScBNR)処理を実施するための前提条件である。NOBの制御による亜硝酸の酸化の良好な抑制は、従来の硝化−脱窒(非特許文献13、14を参照)に比べて、25%の酸素と、40%の有機炭素とを節約する。脱アンモニア化成プロセスにおいて、NOBの制御は、必要な曝気エネルギーのさらなる低減の付加的な利益と、電子供与体及び固形物の処理の低減コストとをもたらす。図1、図2及び図3は、それぞれ、従来の硝化/脱窒、亜硝酸化/脱亜硝酸化、及び、脱アンモニア化成(部分的亜硝酸化+嫌気性アンモニア酸化)による、脱窒のフローチャートを示す。

一つのタンク内での、硝化脱窒同時処理(SND)は、独立した複数のタンクと、有酸素硝化ゾーンから無酸素脱窒ゾーンへの混合液硝酸の回収が不要であるため、従来のシステムに比べて、非常に望ましい。SNDの利点は、酸化還元電位(ORP)(非特許文献15参照)及びアンモニアpH特性(非特許文献16参照)による曝気期間の制御の利用によって既に証明されたように、亜硝酸分流路の利用により、さらに広げられる。反応炉の微小環境(不十分な混合と反応炉の設計との組み合わせに因り反応炉内で成長する有酸素及び無酸素ゾーン)及びフロックの微小環境(活性汚泥フロック内で成長する有酸素及び無酸素ゾーン)が、SNDに対して考えられるメカニズムとして仮定されていた(非特許文献17参照)。制御策を上述したメカニズムに統合し、安定したSND性能を得ることは、困難である。SNDの実現は、通常、長い水理学的滞留時間(HRT)、汚泥滞留時間(SRT)、及び、連続的な低い溶存酸素(DO)を用いる、段階的な、閉ループ反応炉(Orbal酸化溝等)で報告されている(非特許文献18参照)。

より厳しい廃水基準を満たすための生物学的栄養塩除去(BNP)の高いコストの観点から、NOBを抑制したScBNRは、関心のある話題である。NOBの抑制の理解の努力は、高温(非特許文献19参照)、高いレベルの遊離アンモニア抑制、または、DO濃度、(非特許文献20参照)、及び、一時的な無酸素状態(非特許文献21参照)の利用により特化したものを含む、様々な出版物で論じられてきた。実際には、これらの条件全てが、部分的にまたは全体として、様々なアプローチにおいて、用いられ、嫌気性消化脱水液(通常高温で)及び埋立地浸出水等の高いアンモニア強度の廃棄流を処理するシステムにおけるNOBの制御に成功している。高いアンモニア強度の廃棄流は、ここでは、窒素として、200 mg/Lを超えるアンモニア濃度で供給される廃水を有するものとして定義される。家庭廃水等の低いアンモニア強度の廃水流でのNOBの抑制の制御は、課題であり、本発明のテーマである。ScBNRプロセスにおいてNOBを抑制するため現在用いられる制御が、以下に説明される。

温度及びアンモニア:温度及び遊離アンモニアの双方が、NOBよりもアンモニア酸化細菌(AOB)に利点を与えると信じられている特徴である。NOBの遊離アンモニア(FA)の抑制は、非特許文献22により考察されて以来、文献に十分に文書化されてきており、この開示は、ここでは、参照によってその全体が本願に明確に組み込まれる。しかしながら、安定した亜硝酸化を得るためのFA抑制の制御の知識は、NOBの適用が報告されたため、より制限されている(非特許文献23及び非特許文献24参照)。さらに、高温は、NOBに比べてAOBの成長に好都合であることが知られている(非特許文献25参照)

低いDO運転(しばしば断続的な曝気を用いて、管理された好気性汚泥滞留時間(SRT)で実施される)と組み合わせた、高温でのNOBに比べたAOBの活性度の増加、全アンモニアの遊離アンモニアへのより強い分離、及び、高温で得られるNOBの抑制は、AOBの濃縮と、NOBの選択的な洗浄とをもたらす。これらのアプローチは、高いアンモニア強度の廃水においてNOBを制御するために、様々に記述されている(特許文献1〜特許文献6参照)。これらの方法は、浮遊生物(特許文献7参照)、支持媒体上の付着生物(特許文献8及び特許文献9参照)、または、粒状汚泥(非特許文献11及び特許文献4を参照)を利用して、ScBNRを実現する。

効果的ではあるものの、AOBの活性度を上げるため及びNOBの成長の制御のための温度の上昇の役割は、幅広い温度範囲下で稼働される、低いアンモニア強度の本流のプロセスでは、不可能である。その結果、低いアンモニア強度の廃水におけるNOBの制御は、解決困難であり、温度または浮遊アンモニア以外の要素の慎重な取り扱いが必要である。

溶在酸素(DO):DOは、低いアンモニア強度の廃水におけるNOBの制御において、重要な役割を果たす。低いDO濃度の利用による持続性の亜硝酸化が、様々な反応炉の構造で観察された(非特許文献26、非特許文献27、及び、非特許文献20参照)。これらの報告は、背景のメカニズムの説明を欠いているものの、観察された現象への説明として(非特許文献4、非特許文献31〜非特許文献34参照)、NOBに比べて、AOBのより高い酸素親和性の仮説を報告している(非特許文献28、非特許文献29、及び、非特許文献30参照)。非特許文献35は、AOBの酸素親和性は、NOBの酸素親和性より高く、低いDOの稼働は、NOBに比べてAOBに都合が良い、との信念の普及を文書化したが、反対を報告する研究も存在し(非特許文献36及び非特許文献37参照)、本発明者らも、AOBに比べて、NOBの低いDO濃度に対してより強い適合性を示すデータ(図5−図6参照)を有する。

生物学的増強とバイオマスの濃縮:本流のプロセスにおいて硝化の実行に必要なSRTが低減するような、高い強度の反応炉から低い強度の本流の反応炉への硝化バイオマスの移送が、報告されている(特許文献10、11)。この生物学的増強は、独立した分流の反応炉、または、本流の反応炉と協働する反応炉から生じてもよい(非特許文献38)。主にアナモックス微生物を含むより濃厚なバイオマス分の物理的な分離に関連し、非常に成長の遅いバイオマスを濃縮するために、液体遠心分離の利用により、このより重厚なバイオマス分を回収する、先行技術も存在する(特許文献12、13)。

一時的な無酸素状態:一時的な無酸素状態の利用は、NOBの抑制を実行する一般的なアプローチである(非特許文献39〜非特許文献42、特許文献4、特許文献2、及び、特許文献7参照)。一時的な無酸素状態は、無酸素環境から有酸素環境へ遷移するNOBの遅延を提供することができる。非特許文献21は、一時的な無酸素状態に続く有酸素条件での、NOBの回復の遅れ及びNOBの成長遅延を示し、従って、多くの人々(非特許文献43〜非特許文献47、及び、非特許文献4参照)による一時的な無酸素状態の有用性の観察を裏付けた。一次的な無酸素状態は、浮遊アンモニアの強い抑制によりサポートされた“高い強度の”の廃棄物(非特許文献11、及び、特許文献4参照)でのNOBの制御に有効利用され、低い強度の廃棄物での一次的な無酸素状態の利用能力が示唆されたが(非特許文献16参照)、浮遊アンモニアの抑制からのサポートのない一時的な無酸素状態に関連する特徴の制御能力は、謎のままである。要約すると、新たなScBNR技術の基盤である低い強度の廃水におけるNOBの選別制御の策は、特にNOBの能動的な抑制が不可能な場合に、最大のAOB速度がNOBの選別に対する鍵となることの理解の欠如に因り、信頼性の高いプロセス性能を得ていない。この意味において、ここでは、選別という表現を、AOBのより高い速度の達成による、NOBを抑制するアプローチとして定義し、従って、他の微生物に対して、亜硝酸を生じる。

本発明は、以下の様々な制御策を利用した、高いAOBの酸化速度を維持し、NOBの選別を達成する、適切で慎重な制御を達成する。1)略飽和したアンモニア濃度と、有酸素フェーズ中の最大AOB速度に対して、高い設定点から変化しゼロ近くまで急速に低減するDO特性とを保証する、曝気制御、2)全脱窒を最大化し、アナモックス反応に対して最適な化学量論的基質比を提供するための、オンライン計測されるNH₄-とNOx信号の比に基づく、革新的な曝気制御策、3)NOBへの洗浄圧力の積極的な有酸素SRTマネージメント、及び、4)アナモックス及びより軽い凝集性AOB分の生物学的増強。このような制御策の利用は、先行技術の策に対して、重要な利点を提供する。

その結果、本発明は、生物学的脱窒のための反応炉において、廃水から脱窒するシステム及び方法を提供し、有酸素−無酸素期間、及び/または、反応炉における溶在酸素の濃度が、リアルタイムで測定される酸化窒素濃度(NOx、亜硝酸と硝酸の濃度の和)に対するアンモニア濃度の比率に基づいて制御される。通常、有酸素−無酸素期間、及び/または、反応炉における溶剤酸素の濃度は、0.5から1.5の範囲内、好ましくは、0.7から1.0の間の、酸化窒素濃度に対するアンモニア濃度の比率を達成するために、制御される。本発明のシステム及び方法を用いることにより、脱窒(化学的酸素要求量(COD)の入力に応じる)および続くアンモニアの酸化が互いに平衡状態となり、NOBに比べてAOBに有利に働くため、全脱窒が、最大化される。または、比率を適用する代わりに、アンモニアの濃度と酸化窒素の濃度との差が、等価制御性能をもたらす、略0の値に制御されてもよい。

本発明は、硝化−脱窒、亜硝酸化−脱亜硝酸化(ScBNR)、独立した下流の反応炉での嫌気性アンモニア酸化による研磨に適した廃水流を生じる部分的な亜硝酸化−脱亜硝酸化、及び、選択的な嫌気性アンモニア酸化の保持による単一のタンクでの部分的な亜硝酸化−嫌気性アンモニア酸化、を含む、複数の脱窒メカニズムの一つによって、総無機窒素(TIN)の除去を最大化する、本流のSNDプロセスの、適切で慎重な制御を達成するために、利用可能である。これらのシステム及び方法は、以下を含む制御策を用いる。1)アンモニア、硝酸、亜硝酸のリアルタイム計測、2)使用可能なDO、及び、反応炉において計測される酸化窒素濃度に対するアンモニア濃度の比率に基づいて制御されるDO設定点の適切な利用、3)反応炉において計測される酸化窒素濃度に対するアンモニア濃度の比率に基づく、曝気の周波数の制御、及び、4)装置(反応炉構造)及び稼働条件の幅広い範囲での、一時的な無酸素状態の適切な実行。

従来の硝化及び脱窒に関連する反応を示すモルフローチャートである。

亜硝酸化及び脱亜硝酸化に関連する反応を示すモルフローチャートである。

脱アンモニア化成に関連する反応を示すモルフローチャートである。

Blue Plains廃水処理工場(WWTP)でのベンチ規模のバッチ反応炉(左)及びStrass WWTPでの大規模な反応炉(右)での、全硝化細菌(AOB+NOB)及びNOBのみのKo値の収集データを比較する、線グラフである。

Blue Plains WWTPでのバッチ反応炉の断続的な曝気のDO設定点に応じた、揮発性浮遊物質(VSS)・日のグラム(gVSS.d)当たりの、アンモニア除去の観点での、特定の窒素処理速度(SNPR)のプロットされるテストデータを示すグラフ(左)であり、最小二乗誤差最小化の適用により、Monod式(右)が計測データに適合される(矢印は、1.5 mg/LのDOレベルでの、AOBの15%高いN処理速度を示す)。

本願出願人(HRSD)WWTPでの亜硝酸化反応炉におけるAOB及びNOBのKo値の収集データを比較する、線グラフである。

本発明を実施するシステムの概略図である。

同じ曝気体制で稼働される二つの同一の連続するバッチ反応炉SBRの間のDO消耗曲線の時間に関するグラフの比較であり、一方に一次処理廃水(PE)が供給され、他方に二次処理廃水(SE)が供給される。PE供給システムでのより高い化学的酸素要求量(COD)は、高いDO設定点から無酸素状態へのより急速な遷移を可能とすることに留意されたい。

断続的な曝気で稼働されるSBR構造における反応フェーズ中の窒素種(NH

₃、NO

₂、及び、NO

₃)の特性を比較するグラフである(残存アンモニアあり)。

断続的な曝気で稼働されるSBR構造における反応フェーズ中の窒素種(NH

₃、NO

₂、及び、NO

₃)の特性を比較するグラフである(残存アンモニアなし)。

機械的な攪拌機、散気装置、アンモニア、亜硝酸、及び、硝酸の分析器、及び、DOの分析器が備えられたBNR反応炉の横断面図である。

(NH

₄

⁺-N-NOx-N)及びNH

₄

⁺-Nの変動を伴う有酸素及び無酸素化期間を調整する、アンモニア対NOx(AVN)及びアンモニアの制御を描写するグラフである。

HRSD WWTPでの亜硝酸分流反応炉における、AOB及びNOBの速度と得られる亜硝酸の蓄積との比較による、NOBの選別範囲を示すグラフである。

定量的なポリメラーゼ連鎖反応(qPCR)計測による、NOB速度とNOB群とを比較するグラフである。

アナモックス除去床バイオリアクター(MBBR)が続く亜硝酸分流連続攪拌タンク反応炉(CSTR)を有する本流の脱アンモニア化成生産設備を描写する。

アナモックスMBBRから流入及び流出するアンモニア及び亜硝酸を表す。

本発明は、アンモニア、DO、生物学的増強、及び、一時的な無酸素状態の制御により、AOBの酸化速度を促進し、NOBを選別し制御するためのアプローチを開発する(NICITA)。これらの四つの特徴に関連する本発明と、本発明を実行するための制御とが、以下に説明される。本発明は、反応炉で処理される廃水からの脱窒のためのシステム及び方法に関する。本発明のシステム及び方法は、一時的な無酸素的及び好気的SRTの制御により、NOBの選別により、及び、酸化窒素の濃度に対するアンモニア(NH₄)濃度の所定の比率の維持による、DO濃度または曝気間隔の動的な制御により、脱窒を最大化し、曝気処理及び有機炭素の必要性を最小化する。酸化窒素の濃度に対するアンモニア濃度の好ましい比率は、0.7から1.0の間であってもよく、この比率は、0.5から1.5の間程度であってもよい。これらの動的な制御策を利用する制御装置は、AVNと名付けられる(NH₄対NO_x)。 AVN制御は、通常の経路を通じてのTINの除去の可能性を最大にするだけでなく(図1参照)、NOBの選別の機会と、図2及び図3に従うTINの除去の観点での関連する利点とを与える。さらなる制御目標は、実際のNH₄-N/NOx-Nの化学量論的比率0.76に近い二つの基質(アンモニア及び窒素)の正しい融合を提供することである。比率に代わり、[アンモニア(NH₄)濃度]と[亜硝酸及び硝酸濃度の和NOx-N]の負の値が、-3から+1の間の範囲をターゲットとする制御アルゴリズムで用いられてもよい。これらのターゲット値が、一般的にアンモニアは放流水域に対してより有毒であり、アンモニア反応の化学量論的な比率は、アンモニアより32%多い硝酸を必要とするという事実を反映する。

アンモニア:本発明の主要な課題は、NOBの選別を実現するために、温度及び遊離アンモニアのより一般的な利用から外れる。AOB及びNOBの相対的な成長速度を制御するための温度の利用は、本流のプロセス内で常に可能ではなく、本発明によれば、浮遊アンモニア及び温度の代わりの制御変数として、アンモニア自体の直接的な計測を用いる、制御の特徴が用いられてもよい。本発明は、アンモニアが、特定の反応炉時間周期または特定の反応炉の長さにより酸化されるという、アンモニア酸化の程度の直接的な制御を利用する。反応炉の長さまたは時間周期を通じての残存アンモニアの維持の許容は、NOBへの圧力を維持し、高いAOB速度を維持する。

本発明は、BNR反応炉における、アンモニア、亜硝酸、及び、硝酸、及び、DOの直接計測を活用し、アンモニアの酸化と脱窒とを最大化するために、好気的及び無酸素性のSRT及びHRTと、反応炉のDO濃度とを制御する。DO濃度または曝気間隔あるいはそれら双方は、流入する炭素/窒素(C/N)の比率と、窒素を除去するのに必要な反応が任意の時点で都合が良いという反応条件とに応じて、効果的に制御される。DOは、CODの酸化よりもアンモニアの酸化により向けられ、利用可能なCODは、常に脱窒の促進に用いられ、従って、脱窒全体を最大化する。本発明により可能となるアンモニア酸化の程度は、脱窒のために流入するCODの供給力により制御され、アンモニア酸化と脱窒とは、最大の脱窒に対して、互いに平衡であることが自然である。DO濃度及び/または曝気期間は、通常、反応炉における略等しいNH₄-N及びNOx-Nの濃度を常に維持するために、制御され、NH₄酸化の量、従って、供給される酸素の量は、発生するNOxを脱窒するために利用可能な流入するCODの量に基づいて制御される。このことは、好気的なヘテロトロピックCOD消費量を最小化し、低いDOでの時間と利用可能なCODでとを要する、脱窒の機会を最大化する。制御装置は、NH₄-NまたはNOx-Nの濃度が、これらのパラメータの特有の排出限界に適合するように除去されることを可能とする、補正値の入力を許容する。例えば、制御装置は、廃水のNOx-Nの濃度の20-90%でNH₄を含む廃水を提供するように制御装置を設定することにより、NH₄の限界との適合性を保証するように調整可能である。

溶在酸素:上述した文献は、親和性の差異を提案しているが(例えば、AOBに比べて、NOBの低いDO濃度へのより強い適合性)、制御構想においてこれらの差異を利用する機会は、本発明者らにより発見された。従って、先の説明に意外にも反して、一時的な高いDOの稼働は、非競合NOBに対して、より適切に見える。より高いDOレベルを利用するケースは、本発明における従来技術からの差別化要因である。より高いDO(>1.0 mg/L)は、高いAOB速度を維持するだけでなく、NOBの選別に対するAOB及びNOBの相対的な基質の親和性を管理する。

三つの異なる設備構成に対して上述し、図4〜図6に示したように、アンモニア酸化は、亜硝酸の酸化に比べ、高いDO濃度(すなわち、1 mg/Lより大きい濃度)で、より速い速度で生じる。従って、AOBの成長がNOBに比べて有利であるように、一時的に高いDO濃度でBNR反応炉を運転することが望ましかった。この策は、NOBに比べてAOB高い酸素親和性を示し、NOBの選別のための低いDO濃度での好ましい稼働を示す文献の大部分に反する。

生物学的増強:高いアンモニア強度のプロセスからバイオマス全体を生物学的に増強することを目指す先行技術のアプローチとは異なり、本発明は、脱アンモニア化成を行う分流反応炉でのアナモックス活性の非制御損失なく、分流反応炉から本流反応炉へ至る相対的に成長の速いAOBの生物学的増強のために、主にAOBを含むより軽いバイオマス分(すなわち、液体遠心分離機の底流に代わり越流)を選択することを目指している。サイクロンまたはふるいを用いたより軽いまたはより細かいバイオマス分の選択、または、バイオフィルムキャリア媒体から分離された非結合バイオマスは、高いアンモニア強度の反応炉(選択的なSRTの低減)及び低いアンモニア強度のシステム(AOBの移動、NOBはほとんどない)の双方でNOB抑制に役立つ、最大育成速度をもたらす。同様に、分流または高いアンモニア強度の反応炉からのアナモックス微生物の生物学的増強も可能である。本発明は、本流のBNR反応炉A(図7)に、アナモックスの生物学的増強を提供し、NOBを抑制するため、DO>1.0 mg/Lに維持される。最適な条件下で生物学的増強が行われた微生物は、BNR反応炉Aに留保され、成長が許される。

図7は、廃水102から脱窒を行うシステム100を示す。システム100は、廃水102の生物学的な脱膣を行う反応炉Aを含む。反応炉Aには、分析器B、Cが配置される。第一の分析器Bは、反応炉A内のアンモニアを検出し、窒素塩基上に発現する、対応するアンモニア信号12を発生する。第二の分析器Cは、反応炉A内の硝酸、亜硝酸、及び、硝酸と亜硝酸の組み合わせを検出し、全て窒素塩基上に発現する、対応する硝酸、亜硝酸、及び、硝酸と亜硝酸の組み合わせ信号14を生じる。制御装置Dは、信号12、14を受け取り、信号12、14を使って、エアフロー制御装置Eに対して、命令信号16を生じる。装置Eは、命令信号16の制御下で、反応炉Aに供給される空気の流れまたは曝気時間104を調整する。従って、反応炉Aに供給される空気104の量は、制御装置Dから受け取る制御信号16に基づく。反応炉Aからの廃水106は、第二の反応炉Fに供給される。廃水106は、残留窒素のさらなる除去に適し、そのような窒素のさらなる除去が、第二の反応炉Fにより行われる。

一時的な無酸素状態:本発明は、また、無酸素状態へのまたは無酸素状態からの急速な遷移を提供する。高い濃度DOからの無酸素状態への急速な遷移は、本発明の他の課題である。無酸素状態への急速な遷移は、NOBが成長する機会をほとんど許容しないだけでなく、無酸素状態から高いDO濃度設定点へ復帰する急速な遷移は、また、NOBの成長の抑制をも許容する。また、無酸素状態からの急速な遷移は、NOBに対して抑制的な、中間体をも生じ得る。亜硝酸酸化は、アンモニア酸化に続くことが自然である。大部分のモデルは、電荷ドナー及びアクセプターの双方を用いる能力を表すために、Monod式(Monod, 1949)に基づく、基質の半飽和を利用する。DO環境の急速な変化では、NOBに関する基質の半飽和に基づいて、アンモニア酸化の終了に向かって、亜硝酸が蓄積されやすい。この状況では、曝気が続く場合、残存する亜硝酸が、NOBによって、最終的に硝酸に変換される。しかしながら、曝気が停止し、無酸素状態への急速な遷移の条件が許容される場合、残存する亜硝酸は、亜硝酸分流プロセスにおいて化学的酸素要求量(COD)に促進されるヘテロトロピックな脱窒細菌により、または、単一ステージの脱アンモニア化成プロセスにおけるアナモックスにより、“無酸素で”還元される。ここで、亜硝酸塩還元細菌(例えば、ヘテロトロピックな脱窒細菌またはアナモックス)は、(硝酸の消費により)NOBと競合せず、これにより、それらの基質の利用可能性を限定することで、NOBに圧力を生じる。NOB群は、全ての継続サイクルにおいて、次第にエネルギーを得られなくなり、さらに、それらの活性群をも低減する。従って、亜硝酸が利用可能である場合に、NOBがDOを奪われるような、曝気の制限と、アンモニア酸化の終了時の無酸素状態への急速な遷移の制限は、重要な意味を持つ。

本発明によれば、無酸素状態への急速な遷移は、混合液固形物濃度の増加(略2 g/L[1.5 g/Lと4.0 g/Lの間])による、より速い酸素摂取速度を維持することにより(10分以内で達成される無酸素状態)、または、急速な酸素除去のための無酸素フェーズへのCODの導入(C/N>2)により、許容される。他のアプローチは、温度を上げ(タービンまたはエンジンの排熱の利用等)、従って、全ての微生物の成長速度を上げることである。図8は、断続的な曝気モードで稼働される二つのSBRシステムに対するDO特性の比較例を示し、一方に一次処理される廃水が供給され、他方に二次処理される廃水が供給された。この策下で、NH₄-Nが計測され、ある所定のNH₄-N設定点内で、または、適切な帯域の単一の設定点で、または等しい反応炉NH₄-N濃度で維持され、反応炉の水圧状態に依存する。このアプローチは、残存するアンモニアが常に維持されるため、アンモニア酸化の略完遂後の過曝気の懸念を取り除き、さらに高いAOB速度を維持するのに役立つ。従って、本発明によれば、直接的なアンモニア、亜硝酸塩、及び、硝酸塩の信号、及び、DO信号に基づく、ロバストな制御アルゴリズムを利用する既知のNOBの選別策を利用することができる。無酸素状態から曝気状態への急速な遷移は、空気を急速に供給できる適切な曝気装置を用いて、または、連続的な有酸素及び無酸素ゾーンを通じて行われる。本説明文における適切な曝気装置は、必要な曝気能力に関する酸素の供給に対して、送風機または拡散機により、特別な能力を有し、曝気期間中に所与のDO設定点で一定の酸素摂取を担う。この特別な能力(基準を約10-25%超えた)は、低い設定点(<0.1 mg/L)から高い設定点(>1.0 mg/L)に至るDOの増加の加速に必要である。図9及び図13は、それぞれ亜硝酸分流システム及び単一ステージの脱アンモニア化成システムにおいてScBNRを達成するためのNOBの制御における、この策の性能を明示している。図10は、NOBの選別(硝酸塩生産物で指示)での過曝気(残存アンモニアなしで指示)のマイナスの影響を明示している。

これらの四つの特徴(アンモニア、DO、生物学的増強、及び、一時的な無酸素状態の制御)によりNOBを制御する特有の制御を、以下に説明する。

好気的SRT及びDOの設定点:実行可能な限り、約1 mg/Lを上回るDOの設定点を維持することが望ましい。より高いDOの設定点は、NOBに比べて、より急速なAOBの成長を許容する。しかしながら、非常に高いDOの設定点は、無酸素状態への遷移時間を増やす。この高いDO策の実行に成功裏に用いられたアプローチの一つを、制御の話で以下に説明する。この高いDO策は、低強度の亜硝酸分流を達成する従来の常識と、高強度及び高温廃水流での亜硝酸分流を達成する実践とに反する。

好気的SRTは、二つのアプローチにより制御される。固形廃棄物の増加は、全体的な、好気的SRTを低減する。好気的SRTを低減する第二のアプローチは、一時的な無酸素状態中の無酸素時間ステップを増加することによる。AVN及びアンモニア制御策下で運転される、断続的に曝気される(時間的または空間的に)BNR反応炉において、好気的SRTは、i) NH₄-N濃度がNOx-N濃度と等しい、または、ii)NH₄-Nが設定点に等しい、というようにアンモニアを亜硝酸へ酸化するための、AOBの曝気の必要性により決定される。例えば、AOBのアンモニア酸化速度が遅い場合、AOBのアンモニア酸化速度が速い場合に比べて、さらなる曝気(時間またはより高いDO濃度あるいは双方)が、この条件を維持するために必要である。このようなシナリオでは、総SRTの意図的な低減は、あるDO値でのAOBアンモニア酸化速度の低減を次第にもたらす。その結果、AOBは、その成長速度を増し、使用可能なDO設定点(時間)及び好気的HRT(空間)を増やす所望の条件(NH₄-N=NOx-Nまたは設定点)を満たし、NOBの成長に比べてAOBの成長が好ましい点にあるために、より多くの曝気を必要とする。

積極的なSRTの制御は、亜硝酸分流を実現する方法としては、一般的に受け入れられず、安定したNOBの選別を維持することができないことにも一致する。BNR反応炉が高いDO設定点で稼働される場合、AOBはNOBより速く成長し、さらにNOBに不利な低いSRTでのシステムの稼働を可能とする。また、積極的なSRT圧力の適用は、本発明に従って、容易に制御される。アンモニア、亜硝酸、及び、硝酸の濃度は、使用可能な高いDO設定点または曝気期間(時間)及び曝気分(空間)を決定するため、本発明は、DOが1 mg/Lを超える高い濃度に留まるように総SRTを制御する、複雑でないシステムを提供する。

NOBの外部及び内部抑制剤または毒物:NOBの純成長速度の低減は、浮遊アンモニア、浮遊亜硝酸、及び、他の天然または合成物質等の、限定されない、抑制剤または毒性物質へのNOBの暴露により、可能である。また、硝酸、ヒドロキシルアミン、ヒドラジン等、または、必要に応じてその生成を制御することによりNOBを抑制するための、他の処理設備の中間体(加熱加水分解または他の発酵プロセス等からの)等の、内部(廃水処理工場内)で発生する窒素代謝物を活用することも考えられる。また、抑制剤は、NOBの成長速度を低減するために、プロセスに添加されてもよい。

AOB及びアナモックスの成長促進剤:AOB及びアナモックスに対する成長促進剤の利用も可能である。例えば、一つのアプローチは、アナモックスの成長促進剤として、また、同時にNOBに対する毒物である、ヒドラジンの利用である。抑制剤または成長促進剤の利用の全体的な目的は、最終的にNOBを選別するための、NOBに対するAOBまたはアナモックスの相対的な成長速度を増し、差別化することである。

後の嫌気的脱窒:アンモニア、亜硝酸、及び、硝酸を含むBNRプロセスA(図7)からの廃水は、有機電子供与体が添加されるまたはされない、アナモックス等の限定されない微生物を利用する、後の嫌気的プロセスFで、さらに処理されてもよい。BNR反応炉A及び反応炉Fは、一体化された反応炉(単一の固形物−液体分離装置を用いる)であっても、独立した反応炉(単一の固形物−液体分離装置がそれらの間にある)であってもよい。完全に無酸素状態の反応炉Fは、活性汚泥無酸素後反応炉、粒状汚泥反応炉、移動床生物膜反応炉、統合固定膜活性汚泥反応炉、生物学的活性フィルター、または、膜型バイオリアクター等の、複数の種類のプロセスオプションを利用し、アナモックス細菌を選択的に留保するように構成される。このような脱窒のための有機外部電子供与体は、アセテート、酢酸、メタノール、エタノール、グリセロール、砂糖、及びそれらの組み合わせ等の有機炭素資源、または、硫化物、元素硫黄、元素鉄等の無機資源を含んでもよく、限定されない。また、無酸素後は、反応炉F内での、アナモックス微生物の収率の増加を許容し、これらの微生物の過剰分の反応炉Aへの回収を可能とする。

反応炉の構造:このAOBの酸化及びNOBの選別の枠組みを実行するために、完全混合反応炉、連続バッチ反応炉、酸化溝およびプラグ流反応炉を含む、複数の装置が利用可能である。反応炉装置は、SRT、アンモニアの酸化要件、高いDO設定、及び、無酸素状態遷移を実行する制御特性を実現するために、可能であれば、溶在酸素設定および空間での無酸素状態または時間設定での無酸素状態を実現するための機械的または油圧的な適応性の提供により、調整可能であることに留意されたい。廃水処理プロセスに一般的な可変流及び負荷に適合する、変動ゾーン(通性曝気反応炉容量)または反応炉が提供されてもよい。浮遊生物反応炉とは別に、生物膜反応炉、粒状汚泥反応炉、または、これらの反応炉の混合装置も実現可能である。最終的に、固形物−液体の分離は、浄化器、膜、または、溶解空気浮上タンクを含む、どのような分離装置を用いて行われてもよい。

プラグ流反応炉は、非常に高い長さ対幅比率を有する連続供給反応炉として特徴付けられ、汚染濃度が反応炉の長さに亘り流路に沿って低減する(すなわち、濃度勾配)、一連の完全混合反応炉としてシミュレート可能である。大規模な処理工場でより一般的に用いられる、プラグ流連続供給反応炉では、ScBNRを達成するためのプロセス制御は、二つの構造を用いて対処可能である。(1)好気的ゾーンと嫌気的ゾーンの入れ替えによる曝気の空間制御、及び(2)SBR構造と同様の、“空気あり”と“空気なし”のシーケンスでの反応炉を通じた空気の循環による曝気の時間制御。混合液及び有酸素状態/無酸素状態の遷移の制御を要する他の特徴は、上述したSBRの体系と同様である。

制御策:最大TIN除去を達成するための本発明の特徴を利用する、上述した反応炉構造に適用可能であり、NOBの選別に拡張可能な、複数の制御策が利用可能である。様々な構造に最適化された、幾つかの典型的な策を、以下に説明する。

制御策A(有酸素−無酸素期間の制御):この策では、DO設定点が固定され、有酸素−無酸素期間が可変される。総合的な有酸素−無酸素周期時間は、ある設定点で維持され、有酸素−無酸素期間の変化が許容される。他の例では、無酸素期間が固定され、無酸素+有酸素期間の全体が、脱窒性能に応じて動的であるように、制御装置に有酸素期間のみの調整を許容する。曝気が提供されない場合、機械的な混合が提供される必要がある。この例では、有酸素−無酸素期間は、16分の周期時間内に、4分から12分の間で変化する(図12)。反応炉内のNH₄-N濃度がNOx-N(AVN制御)濃度及びアンモニア設定点(アンモニア制御)より大きい場合、有酸素期間は、NH₄-N濃度がNOx-N濃度及び設定点を下回るまで、増加する。反応炉内のNH₄-N濃度がNOx-N濃度より小さい場合、有酸素期間は、NH₄-NがNOx-N及びアンモニア設定点を上回るまで、減少する(図12)。爆気DO>1.5 mg/Lで維持される場合、上述したように、亜硝酸酸化速度に比べて、より速いアンモニア酸化速度が支持される。必要に応じて、NOxに対してより高い廃水NH₄を許容するために、上述したように、補正値が適用されてもよく、逆も同様である。

この典型的な実施形態では、BNR反応炉20(図11)は、DO、アンモニア、亜硝酸、及び、硝酸の検出器(または分析器)22、24、26が備えられる。時間的または空間的に制御を実施可能な、適切な反応炉構造を有してもよい。複数の反応炉またはプラグ流反応炉の場合、複数の複数のDOプローブが、連なりに沿って、各主要部位に沿って取り付けられ、アンモニア、亜硝酸、及び、硝酸のプローブが、後方の反応炉または部位に戦略的に取り付けられ、少量のアンモニア濃度が反応炉の終端に残り、反応炉の廃水が、NOx-N(AVN制御)またはアンモニア設定点(アンモニア制御)に略一致するNH₄-N濃度を含むように、反応速度を管理する。

制御策B(DO強度の制御):本策下では、利用可能なDOが可変であり、速いアンモニア酸化速度に対するDOと、無酸素状態下での、ヘテロトロピックな脱窒またはアナモックス促進アンモニア酸化とを最適化する、BNR反応炉における、NH₄-N及びNOx-N濃度により、制御される。このアプローチは、プラグ流反応炉、完全混合反応炉、連続する完全混合反応炉、及び、連続バッチ反応炉を含む、幅広い反応炉構造で有効である。このアプローチ下では、DOは、低いDO設定点(固定される)と、通常1 mg/Lより大きく、設定点(アンモニア制御)またはNOx-N濃度(AVN制御)と比べた反応炉のNH₄-N濃度により制御される、可変の高いDO設定点との間で循環する。積極的な好気的SRTは、酸素の需要を増すために維持され、従って、制御装置に、DOレベルの1 mg/L以上への自動的な増加を許容する。本制御策では、有酸素及び無酸素期間は、NH₄-N濃度が略設定点(アンモニア制御)またはNOx-N濃度(AVN制御)であるという目的を満たすための、AOBに対する曝気の要件により、決定される。

制御策C(変動ゾーンの制御):アンモニア及びAVN制御は、また、複数の連続する有酸素性及び無酸素変動ゾーンを直列で備える、プラグ流タンクまたはステップ供給タンク(連続する無酸素ゾーンでの複数の供給点)で利用可能である。直列の各ゾーンに影響する制御(曝気されまたは無酸素のままの変動ゾーン)は、制御の目的を達成するために、無酸素または好気的に維持される。

制御策の例は、限定はされないが、以下を含む。

1.亜硝酸分流:本発明の廃水からの生物学的脱窒のための、反応炉20(図11)における脱窒のためのシステムが、2-3時間の水理学的滞留時間(HRT)、〜5日のSRTで、25℃で3500±500 mg/Lの混合液浮遊物質(MLSS)で、稼働された。反応炉は、図11、図12に示されるAVN制御策下で稼働された。図13は、観察されたNOBの選別を示す。図14は、主要なNOB(ニトロスピラ)の傾向が、NOB速度の計測の傾向に適合することを示し、観察されたNOBの選別を明確に立証している。

2.アナモックスの精錬:図15は、窒素の精錬のための完全な非曝気及び混合アナモックスMBBRが続く、上述例からの亜硝酸分流反応炉を示す。この反応炉は、4時間のHRTで、50%のK3(AnoxKaldnes(登録商標))媒体充填で、運転された。アナモックスMBBRは、NO₂^-(アナモックス廃水NO₂^--N=0.16±0.09 mg/L)の略完全な除去を示し、NH₄⁺の除去は、亜硝酸分流廃水におけるNO₂^-の蓄積レベルに限定された(図16)。

ここで図11を参照すると、本発明を実行するシステム200は、制御された一時的な無酸素条件下でNOBを選別する目的のために、生物学的脱窒反応炉20と、アンモニア分析器26と、アンモニア濃度信号30を処理する制御装置28とを含んでもよい。本発明によれば、条件は、流路に沿って、または、プロセスの時系列に沿って、制御されてもよい。稼働中、反応炉20のDOの特性は、0.1 mg/L未満の低いDO設定点と、1.0 mg/Lを超える高いDO設定点との間で切り替わり、曝気システム32の活動間隔、高いDO設定点、またはその双法が、アンモニア態窒素が空間的または時間的に一時的に曝気される反応炉の容量の75%以上である際に、オンライン計測されるアンモニア濃度(30)が1.5 mg/Lより高くなるように設定される。

図11のシステムは、さらに、反応炉20内の酸化窒素の濃度を検出する分析器24を含み、亜硝酸、硝酸、及び、亜硝酸と硝酸の組み合わせを表す濃度信号34を発生する。稼働中、制御装置28は、アンモニア及び酸化窒素の濃度信号30、34を処理し、反応炉20内のアンモニア濃度と酸化窒素の濃度の比率または和に基づいて、反応炉20内のDO濃度、または、曝気期間の長さ、及び/または、無酸素期間の長さを制御(36)する。

制御装置28、38は、溶在酸素の濃度(40)、または、曝気期間の長さ、及び/または、無酸素期間の長さを増加し、低減し、または維持するための、指示信号36、39を生じるために用いられてもよく、約0.5から1.5の酸化窒素の濃度に対するアンモニアの濃度の比率を維持し、または、-3.0から+1.0のアンモニア濃度と酸化窒素の濃度の負の値との和を維持する。

本発明によれば、反応炉20は、無酸素期間または容量の拡大制御により、及び、汚泥消耗速度の制御により、アンモニアの設定点42に達するのにちょうど十分な、限定された好気的汚泥滞留時間を有し、DOの強度の制御の場合は、1 mg/Lを超える高いDO(40)を維持し、または、有酸素/無酸素機関の制御の場合は、無酸素期間の低減により有酸素期間を増やし、最低限の曝気分が提供されるように、汚泥処理速度が制御される。

さらに、システム200は、供給物中の窒素として200 mg/Lを超えるアンモニアを有するものとして定義される高いアンモニア強度の反応炉52から生じるAOB50の生物学的増強を含んでもよく、密度の低い、または、より圧縮性の高い、あるいは、未結合の汚泥分が、サイクロン分離機、遠心分離機、ラメラ沈殿槽、スクリーン、または、統合バイオフィルム反応炉等の適切な装置54による生物学的増強のために、高いアンモニア強度の反応炉52から選択され、高いアンモニア強度の反応炉52において10日未満の生物学的増強分の滞留時間をもたらす最大速度で、反応炉20へ供給(50)される。

稼働中、制御装置28は、アンモニア濃度信号30と、亜硝酸濃度信号、硝酸濃度信号、または、亜硝酸濃度及び硝酸濃度の組み合わせ信号34を受取り、反応炉20における酸化窒素濃度に対するアンモニア濃度の比率または和に基づいて、反応炉20におけるDO濃度または有酸素及び無酸素期間を増加し、低減し、または、維持するための指示信号36を発生する。

本発明によれば、主設備の脱窒反応炉20は、NOBの選別に役立つ、亜硝酸に対する競合微生物を提供するために、高いアンモニア強度の反応炉52からのアナモックス微生物の生物学的増強50を含んでもよい。

本発明によれば、反応炉20は、反応炉20内における曝気状態から無酸素状態への10分未満の急速な遷移を許容する、酸素摂取速度を維持することができ、無酸素状態から曝気条件への急速な遷移を許容する、適切な曝気装置32、56、58、60を用いる。

図7を再び参照すると、反応炉A内の酸化窒素の濃度を検出するために、分析器Cが用いられてもよい。分析器Cは、亜硝酸濃度、硝酸濃度、または、亜硝酸濃度と硝酸濃度の組み合わせを表し得る濃度信号14を生じ、制御装置Dは、それぞれアンモニア濃度と酸化窒素濃度の信号12、14を処理し、アンモニア濃度及び酸化窒素濃度の比率または和に基づいて、反応炉A内のDO濃度、または、有酸素期間の長さ及び/または無酸素期間の長さを制御(16)する。制御プロセスにより生じる廃水106は、完全な無酸素構造の反応炉Fに供給され、アナモックス細菌を選択的に成長させ留保する。この無酸素構造反応炉Fは、反応炉Fから上流のBNR反応炉Aへの余剰バイオマスの回収または生物学的増強を可能とする、統合された、または独立した、後無酸素活性汚泥反応炉、粒状汚泥反応炉、移動床生物膜反応炉、統合固定膜活性汚泥反応炉、生物学的な活性フィルター、または、膜型バイオリアクターであってもよい。

稼働中、反応炉Aからの廃水流106(図7)は、アンモニア、亜硝酸、及び、硝酸の混合を含み、さらなる脱窒が、完全無酸素懸垂型または生物膜反応炉Fにおいて、アナモックスを用いて実施可能であり、アセテート、酢酸、または、他の有機または無機物質、あるいはそれらの物質の組み合わせが添加され、アナモックスまたは他の微生物による、硝酸の亜硝酸への選択的な還元と、続いてアナモックスによる亜硝酸及びアンモニアの除去とを行う。

必要であれば、NOB純観察成長速度は、抑制剤、窒素代謝中間体、または、浮遊亜硝酸、ヒドラジン、浮遊アンモニア、ヒドロキシルアミン、及び、酸化窒素等の有毒物質への暴露により、低減可能である。さらに、必要であれば、AOB及びアナモックスの純成長速度は、ヒドラジン等の成長因子を用いて、増加可能である。

本発明は、上述し、図面に示された構造、方法、及び、手段に限定されない。本発明は、以降に示す特許請求の範囲により、規定される。

EP 0826639 A1

EP 0872451 B1

US 2010/0233777 A1

US 7,846,334 B2

US 6,485,646 B1

WO 2012/052443 A1

WO 2006/129132 A1

US 2011/0253625 A1

EP 0931768 B1

US 7,404,897 B2

US 6,602,417 B1

EP 2163524 A1

US 2011/0198284 A1

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