專利名稱：監(jiān)測(cè)流體中生物活性的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微生物代謝有機(jī)和無(wú)機(jī)基質(zhì)過(guò)程中重要代謝轉(zhuǎn)變點(diǎn)的監(jiān)測(cè)法，和微生物處理程序的控制法。
微生物在代謝有機(jī)和無(wú)機(jī)基質(zhì)的過(guò)程中，可使例如pH、耗氧率等可測(cè)定參數(shù)變化。
以硝化作用為主的微生物培養(yǎng)物中，當(dāng)銨離子(NH4+)消耗至代謝標(biāo)準(zhǔn)以下，硝化過(guò)程產(chǎn)生的氫離子(H+)會(huì)大幅降低。因此，溶液中氫離子活性(即pH)也隨之改變。
類似地，與基質(zhì)含量低于某些代謝標(biāo)準(zhǔn)的情況相比，容易得到大量多種外部有機(jī)基質(zhì)的情況中，微生物培養(yǎng)物的耗氧率較高。這兩種情況中，可測(cè)得的pH變化率(本文中有時(shí)稱為“pH產(chǎn)生率”或“pHPR”)和耗氧率(本文中有時(shí)稱為“生物耗氧率”或“BOCR”)，隨時(shí)間直接受到基質(zhì)代謝率的影響。因此，假設(shè)基質(zhì)中pH和耗氧率的變化僅由微生物代謝活性所造成，理論上可以pHPR和BOCR做為微生物處理程序中重要代謝轉(zhuǎn)變點(diǎn)的指標(biāo)。pHPR的定義為d(pH)/dt或-Δ(pH)/Δt；BOCR的定義為d(DO)/dt，或-Δ(DO)/Δt。當(dāng)pH和/或DO的斜率為負(fù)時(shí)，pHPR和/或BOCR的值為正。
本發(fā)明的方法包括自流體供給器中分出流體試樣(例如凈化處理中的廢水)。測(cè)定流體試樣的pH，計(jì)算pHPR并分析，以迅速測(cè)定重要代謝轉(zhuǎn)變點(diǎn)的發(fā)生。經(jīng)分析可知，需要何種控制步驟，何時(shí)進(jìn)行該控制步驟以使監(jiān)測(cè)流體供給器的處理具最大效率。
附

圖1為Michaelis-Menten反應(yīng)動(dòng)力學(xué)理論的圖示。
附圖2為微生物處理過(guò)程中，混合液樣的耗氧率(BOCR)和pH變化率(pHPR)隨時(shí)間對(duì)銨(NH4+)濃度和有機(jī)碳源(總稱為BOD；生化需氧量)的理論變化情形。
附圖3為微生物處理過(guò)程中，混合液樣的耗氧率(BOCR)和pH變化率(pHPR)隨時(shí)間對(duì)銨(NH4+)濃度和有機(jī)碳源(總稱為BOD；生化需氧量)的理論變化情形。
附圖4為生物反應(yīng)槽中，根據(jù)本發(fā)明用于自流體供給器中取樣并監(jiān)測(cè)的裝置的一種實(shí)施方案的正截面圖。
附圖5為曝氣結(jié)束至開(kāi)始曝氣時(shí)，其間氧氣變化率和BOCR(以每分鐘氧氣飽和度的變化百分比表示)的關(guān)系。
附圖6為曝氣結(jié)束至開(kāi)始曝氣時(shí)，其間pH變化和pHPR(以氨濃度變化時(shí)，每分鐘pH變化量表示)的關(guān)系。
附圖7為當(dāng)COD(化學(xué)需氧量)不是代謝限制因素時(shí)，pHPR(以每分鐘pH變化量表示)與氨濃度的關(guān)系。
附圖8為當(dāng)COD不是代謝限制因素時(shí)，BOCR(以每分鐘氧氣飽和度的變化百分比表示)與氨濃度的關(guān)系。
附圖9不同氨濃度和COD時(shí)，pHPR(以每分鐘pH變化量表示)的變化情形。
附圖10為不同氨濃度和COD時(shí)，pHPR(以每分鐘pH變化量表示)、BOCR(以每分鐘氧氣飽和度的變化百分比表示)、氨濃度和COD的關(guān)系。
附圖11為連續(xù)曝氣時(shí)，DO和pH隨時(shí)間變化的關(guān)系。
附圖12為pH、NH3-N濃度和d(pH)/dt隨時(shí)間的關(guān)系。
附圖13為DO和d(DO)/dt隨時(shí)間的關(guān)系。
生化反應(yīng)進(jìn)行時(shí)，其反應(yīng)速率，部分可由Michaelis-Menten理論(如附圖1)說(shuō)明。該理論中陳述，當(dāng)基質(zhì)濃度極低時(shí)，生化反應(yīng)速率極低，隨基質(zhì)濃度增加生化反應(yīng)速率也增加至一定點(diǎn)，超過(guò)此定點(diǎn)，無(wú)論基質(zhì)濃度如何增加，反應(yīng)速率的增加極低。換句話說(shuō)，超過(guò)此定點(diǎn)，基質(zhì)濃度再高，反應(yīng)速度僅會(huì)接近而不會(huì)達(dá)到平頂。此平頂為最高反應(yīng)速率或Vmax。其為以線性外推法，在基質(zhì)濃度為2Ks時(shí)的反應(yīng)速率。Ks為代謝反應(yīng)速率為最高反應(yīng)速率(Vmax)一半時(shí)的基質(zhì)濃度。
因此，就代謝觀點(diǎn)而言，2Ks為基質(zhì)的重要濃度。當(dāng)基質(zhì)濃度超過(guò)2Ks時(shí)，微生物以最高且接近固定速率代謝基質(zhì)。基質(zhì)濃度低于2Ks時(shí)，微生物代謝反應(yīng)速率則隨基質(zhì)濃度變化，并受限于2Ks。因此，在微生物代謝特定無(wú)機(jī)和有機(jī)基質(zhì)時(shí)，直接受其影響和/或與其相關(guān)的某些可測(cè)定參數(shù)的變化，將隨特定基質(zhì)濃度變化而變化。明確地說(shuō)，當(dāng)基質(zhì)濃度等于或大于2Ks時(shí)，可測(cè)定參數(shù)和/或測(cè)得的此參數(shù)隨時(shí)間的變化率將相對(duì)恒定。當(dāng)基質(zhì)濃度降至2Ks以下時(shí)，可測(cè)定參數(shù)和/或測(cè)得的此參數(shù)隨時(shí)間的變化率，與基質(zhì)濃度等于或大于2Ks時(shí)，呈顯著不同。
在許多生物反應(yīng)中，希望測(cè)知何時(shí)特定基質(zhì)濃度會(huì)降至此重要代謝濃度2Ks以下。當(dāng)特定有機(jī)和無(wú)機(jī)基質(zhì)濃度改變時(shí)，通過(guò)監(jiān)測(cè)特定相關(guān)可測(cè)定參數(shù)的變化可得知微生物培養(yǎng)物代謝行為的變化類型。
舉例而言，在許多廢水凈化處理程度中，一個(gè)目的是將特定有機(jī)和無(wú)機(jī)基質(zhì)的濃度降至最低。這些基質(zhì)，通常包括以BOD(生化需氧量)和/或COD(化學(xué)需氧量)表示并檢測(cè)的有機(jī)營(yíng)養(yǎng)物，和無(wú)機(jī)銨鹽(NH4+)。假設(shè)硝化反應(yīng)和BOD/COD還原反應(yīng)為最主要的兩個(gè)反應(yīng)，當(dāng)BOD和氨各自被消耗至其2Ks以下時(shí)，耗氧率(BOCR)和pH變化率(pHPR)均會(huì)顯示出其特性變化。
以BOCR和pHPR為控制參數(shù)的主要缺點(diǎn)為，連續(xù)式廢水凈化處理時(shí)，流體介質(zhì)中pH和DO的變化與例如營(yíng)養(yǎng)物(可生物降解的碳、氮、磷化合物等等)濃度、生物量濃度、堿度等多種參數(shù)相關(guān)。當(dāng)廢水流經(jīng)處理設(shè)施時(shí)，這些參數(shù)經(jīng)常改變。由于受到太多未知和變化因子干擾，所以難以建立測(cè)定參數(shù)與廢水凈化處理效率的相關(guān)性。除非在測(cè)定pH和DO時(shí)，測(cè)知這些干擾參數(shù)或?qū)⑵渚S持于定值，測(cè)定pHPR和BOCR值對(duì)廢水處理效率無(wú)法提供有價(jià)值的信息。
使用例如美國(guó)專利第5,466,604號(hào)(其在本文中列為參考文獻(xiàn))中陳述的生物活性測(cè)定裝置，可從處理中的廢水主體中原位分出廢水試樣。當(dāng)然，根據(jù)本發(fā)明，也可使用其他裝置。本文中，所謂“原位”是指任何即時(shí)流體試樣分離法，無(wú)論試樣是否存在于流體主體中，例如廢水。換句話說(shuō)，只要大體上可做到“即時(shí)”和/或“在線”測(cè)定，就可使用實(shí)際自流體主體中取出試樣的裝置。
附圖2和3，顯示BOCR和pHPR隨BOD和氨(NH4+)濃度改變的理論變化，并于下文作說(shuō)明。附圖為自廢水主體分出的流體(即廢水)與進(jìn)行生物營(yíng)養(yǎng)去除(BNR)的微生物混合而成的單一試樣，產(chǎn)生的變化情形。對(duì)分出試樣曝氣或不曝氣。開(kāi)始曝氣并進(jìn)行至試樣溶氧量高出廢水主體的溶氧量一限定值。一旦達(dá)到此值，停止曝氣，直到試樣的溶氧量低于廢水主體的溶氧量一限定值時(shí)，才再開(kāi)始曝氣。在不進(jìn)行曝氣的階段，BOCR和pHPR都由下述方法估計(jì)和計(jì)算BOCR=-(ΔDO)/(Δt)其中ΔDO為在一定時(shí)段Δt內(nèi)，測(cè)得溶氧飽和度的變化量，其以百分飽和度表示；及pHPR=-(ΔpH)/(Δt)其中ΔpH為在一定時(shí)段Δt內(nèi)，測(cè)得pH的變化量。
如附圖2和3的A階段所示，當(dāng)NH4+和BOD的濃度各自高于其2Ks值時(shí)，由于BOD以最高速率消耗，且強(qiáng)于硝化的耗氧反應(yīng)，故BOCR在其相對(duì)最高值呈常數(shù)。因此，pHPR亦在中間處呈常數(shù)。這種BOCR/pHPR類型和后文所述的那些，都基于假設(shè)1)生物試樣中，主要反應(yīng)為硝化反應(yīng)和BOD消耗反應(yīng)，2)氫離子的生成和其活性與硝化反應(yīng)速率有關(guān)，和3)反應(yīng)不受氧獲取量限制。
而后，持續(xù)的代謝使NH4+濃度降至其2Ks以下，此時(shí)硝化反應(yīng)速度，氫離子產(chǎn)生速率由最高降至較低速率，其中氨濃度為代謝限制因子。如附圖2的B階段所示，pHPR大幅降至相對(duì)低值，BOCR則降至相對(duì)中間值，這顯示由于硝化反應(yīng)速度大幅下降所造成的氧氣需求與使用量的下降。氨濃度由高于2Ks轉(zhuǎn)至低于2Ks，這在附圖2中A和B階段之間的轉(zhuǎn)變示出。
附圖2和3的C階段，顯示當(dāng)NH4+濃度低于其2Ks且BOD也耗至低于其2Ks時(shí)，pHPR極小幅上升，這反映混合生物群體凈代謝行為的變化，而B(niǎo)OCR則降至其最低速率，這反映消耗BOD和硝化反應(yīng)的極低耗氧量，其在附圖2中B和C階段之間的轉(zhuǎn)變示出。
附圖3的D階段，顯示當(dāng)BOD濃度低于其2Ks，但NH4+濃度高于其2Ks時(shí)，pHPR上升至最高值，這反映高硝化反應(yīng)速率；而B(niǎo)OCR則降至中間值，這反映由BOD消耗反應(yīng)下降所造成的總耗氧量?jī)粝陆?。此時(shí)，pHPR呈極大值，是因?yàn)闊o(wú)BOD消耗反應(yīng)的緩沖效應(yīng)所致。通常，由BOD消耗反應(yīng)生成的二氧化碳經(jīng)碳酸系統(tǒng)在試樣中形成部分pH緩沖能力。因此，在無(wú)BOD消耗反應(yīng)和其生成的二氧化碳時(shí)，pHPR比其他條件下高得多。
基于上例，因BOCR和pHPR為微生物代謝活性的重要相關(guān)可測(cè)定參數(shù)，所以通過(guò)監(jiān)測(cè)和比較BOCR和pHPR的趨勢(shì)和/或水平可得知生物試樣的有關(guān)信息。明確地說(shuō)，此例中說(shuō)明，當(dāng)1)硝化和BOD去除同時(shí)在其最高速率進(jìn)行時(shí)，2)BOD低于其2Ks，進(jìn)行硝化反應(yīng)時(shí)，3)氨濃度低于其2Ks，進(jìn)行BOD去除反應(yīng)時(shí)，和4)氨和BOD都低于各自2Ks時(shí)，如何進(jìn)行決策。
直接且連續(xù)比較測(cè)定的參數(shù)BOCR和pHPR，可得知有關(guān)廢水情況的幾個(gè)結(jié)論。連續(xù)監(jiān)測(cè)混合液樣時(shí)，當(dāng)pHPR大幅上升且BOCR同時(shí)下降，表示BOD已降至其2Ks以下，而氨仍充足。連續(xù)監(jiān)測(cè)混合液樣時(shí)，當(dāng)BOCR降至中間值且pHPR降至接近零時(shí)，表示氨已降至其2Ks以下，而B(niǎo)OD仍充足。連續(xù)監(jiān)測(cè)混合液樣時(shí)，當(dāng)BOCR降至低值且pHPR也降至低值，表示氨與BOD都已降至其2Ks以下。當(dāng)BOCR降至低值且pHPR由接近零處小幅上升至稍高的低值，也表示相同情況。
表Ⅰ總結(jié)了這些類型，并示出如何由比較可測(cè)定參數(shù)BOCR與pHPR的相對(duì)值與類型并結(jié)合附圖2和3得到上述有關(guān)信息，表Ⅰ
<p>附圖4示出用來(lái)分出廢水試樣的一個(gè)優(yōu)選裝置的實(shí)例。裝置11浸于廢水槽2(僅部分示出)，且包括具移動(dòng)蓋32的檢測(cè)室8。與馬達(dá)53連接的頂軸57驅(qū)動(dòng)內(nèi)軸56，使移動(dòng)蓋32朝箭頭“A”所示方向推出。于開(kāi)啟位置，轉(zhuǎn)動(dòng)的漿葉48使檢測(cè)室8內(nèi)、外廢水交換，而將廢水新鮮試樣充滿檢測(cè)室8。經(jīng)一段時(shí)間(如30秒)，馬達(dá)53逆向轉(zhuǎn)動(dòng)，使移動(dòng)蓋32朝箭頭“B”所示方向抽回，至檢測(cè)室8完全密閉?？梢苿?dòng)蓋32和漿葉48都由同一可逆低轉(zhuǎn)速馬達(dá)53驅(qū)動(dòng)，內(nèi)軸56和外軸55與馬達(dá)53同軸連接。此同軸組件套于不銹鋼管54中。
廢水新鮮試樣充滿檢測(cè)室8后，以DO探針10檢測(cè)DO濃度，如溶氧量低于廢水主體氧濃度一設(shè)定值，則經(jīng)曝氣管13將空氣和/或氧氣泵入檢測(cè)室8，直至達(dá)到該DO濃度為止。當(dāng)溶氧量高于或低于廢水主體氧濃度一設(shè)定值，可確保檢測(cè)室8中需氧代謝反應(yīng)與廢水主體中營(yíng)養(yǎng)去除過(guò)程相同或接近。類似地，以pH探針12測(cè)定pH的變化。此外，漿葉48可周期性或持續(xù)性轉(zhuǎn)動(dòng)，以維持試樣于混合良好并為懸浮態(tài)。
當(dāng)溶氧濃度達(dá)到最高時(shí)，停止對(duì)裝置11曝氣，歷時(shí)測(cè)定間隔時(shí)段。在此階段中，用探針監(jiān)測(cè)殘余DO濃度和pH，而殘余DO濃度和pH并未受廢水大量曝氣影響。由各自的探針12和10測(cè)得的pH與殘余DO信號(hào)傳送至控制器，并由其按前述方程式(6)和(7)，經(jīng)數(shù)值微分，而將DO與pH隨時(shí)間的變化，分別轉(zhuǎn)換為BOCR和pHPR。
大部分的廢水處理廠，最終排放水的BOD與銨濃度都低于其2Ks值。檢測(cè)室中BOD與NH4+濃度降至低于其2Ks時(shí)，BOCR與pHPR值會(huì)顯著改變，這表示去除營(yíng)養(yǎng)物的需氧代謝反應(yīng)已完成。根據(jù)表Ⅰ所示的標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)分析BOCR和pHPR，可知去除營(yíng)養(yǎng)物的需氧代謝反應(yīng)完成。其他生物處理程序中，介質(zhì)中基質(zhì)濃度通常大大高于2Ks，使微生物生長(zhǎng)和目的物的生成維持于最高速率。因此，借助測(cè)定代謝反應(yīng)的完成，可知需要加入營(yíng)養(yǎng)物和基質(zhì)，或何時(shí)停止生物處理程序，或何時(shí)收獲制得的目的物。
有關(guān)去除營(yíng)養(yǎng)物的需氧代謝反應(yīng)的信息，諸如硝化反應(yīng)完成時(shí)間(NT)、脫硝時(shí)間(DNT)等，都可用來(lái)調(diào)節(jié)和控制廢水凈化程序和其他需氧代謝程序。例如廢水處理廠，可以把測(cè)定的NT與曝氣池中廢水的平均水力停留時(shí)間比較。當(dāng)NT大大短于HRT，則需氧性營(yíng)養(yǎng)物去除在曝氣池中央?yún)^(qū)域即已完成。此區(qū)域后的曝氣池其余區(qū)域?qū)嶋H上處于閑置狀態(tài)，對(duì)廢水凈化無(wú)任何幫助。此時(shí)，廢水處理廠可采用的適當(dāng)措施為(1)削減曝氣池的某些區(qū)域，以節(jié)約操作成本，和/或(2)增加廢水進(jìn)料量，并有效地增加廢水處理廠的處理量，和/或(3)降低曝氣池的空氣供給量，使需氧性代謝反應(yīng)速率降低，如此則NT可與曝氣池中水力停留時(shí)間緊密吻合，并降低空氣鼓風(fēng)機(jī)的電力消耗。
實(shí)施例1自位于Oaks,Pennsylvania的高級(jí)生物廢水處理工廠曝氣池取出的混合液試樣，置于配有測(cè)定試樣pH、溶氧飽和度的設(shè)備以及曝氣并維持試樣良好混合狀態(tài)的設(shè)備的容器中。得自測(cè)定pH和溶氧飽和度的設(shè)備的數(shù)據(jù)，以電腦記錄并分析以計(jì)算BOCR和pHPR。試樣于固定時(shí)段，交替進(jìn)行曝氣和停止曝氣。開(kāi)始曝氣，以取得試樣時(shí)廢水主體的溶氧量加上一限定值為標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)試樣的溶氧量達(dá)此標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，停止曝氣。以取得試樣時(shí)廢水主體的溶氧量減去一限定值為標(biāo)準(zhǔn)，僅在試樣的溶氧量降至此標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，才再度開(kāi)始曝氣。測(cè)定NH4+和可溶有機(jī)碳基質(zhì)濃度，并以化學(xué)需氧量(COD)表示。COD與BOD間存在線性關(guān)系。因此，以COD分析值表示BOD濃度。于未曝氣階段，例如附圖5和6中以箭頭所標(biāo)示，都以上述方法估測(cè)并由數(shù)值微分換算出BOCR和pHPR。
附圖5示出，在測(cè)得COD濃度維持大于150毫克COD/升(其遠(yuǎn)大于COD的2Ks值)而氨濃度由大于2Ks變化至低于2Ks的條件下進(jìn)行的試驗(yàn)過(guò)程中，溶氧飽和度和BOCR。由附圖5可知，溶氧的原始數(shù)據(jù)，即停止與開(kāi)始曝氣間氧氣的變化率與BOCR的關(guān)系。附圖5還示出，當(dāng)氨濃度降至其2Ks值以下，于重要代謝轉(zhuǎn)變過(guò)程中，BOCR由高降至中間值的轉(zhuǎn)變。BOCR以每分鐘氧飽和度的變化百分比表示。
附圖6為如附圖5所示相同時(shí)段內(nèi)，試樣的pH和pHPR。此階段中，測(cè)得COD濃度維持大于150毫克COD/升(其遠(yuǎn)大于COD的2Ks值)，而氨濃度由大于其2Ks變化至低于2Ks。附圖6表示出pH的原始數(shù)據(jù)，亦即停止與開(kāi)始曝氣間pH的變化量與pHPR的關(guān)系。附圖6亦示出，當(dāng)氨濃度降至其2Ks值以下，于重要代謝轉(zhuǎn)變過(guò)程中，pHPR由中間值降至接近零的轉(zhuǎn)變。pHPR以每分鐘pH的變化量表示。
附圖7顯示，如附圖6所示的相同時(shí)段內(nèi)，測(cè)得氨濃度的變化和算出的pHPR。附圖7示出，當(dāng)氨濃度從高于2Ks降至2Ks以下，pHPR由中間值轉(zhuǎn)變至接近零。pHPR以每分鐘pH的變化量表示。
附圖8顯示，如附圖5所示的相同時(shí)段內(nèi)，測(cè)得氨濃度的變化和算出的BOCR。附圖8示出，當(dāng)氨濃度從高于2Ks降至2Ks以下，BOCR由高轉(zhuǎn)變至中間值。BOCR以每分鐘氧飽和度的變化百分比表示。
附圖9顯示，pHPR與氨濃度的變化一致性。這是在試樣所含氨耗盡時(shí)，即在T=120和T=170分鐘時(shí)，向混合液樣中加入氨溶液而測(cè)得。在T=0和T=195分鐘之間，COD濃度遠(yuǎn)高于其2Ks。待T=195之后，COD濃度降至其2Ks之下。在約T=90分鐘時(shí)，當(dāng)氨濃度降至其2Ks以下，可發(fā)現(xiàn)pHPR的顯著轉(zhuǎn)變。
繼而在pHPR為接近零值的T=120和T=170分鐘時(shí)，添加氨。附圖9示出，pHPR由每次后繼添加稍前的接近零值，跳升至如同T=0和T=90分鐘之間的中間值。添加氨之后當(dāng)氨消耗至其2Ks值以下時(shí)，pHPR回復(fù)至接近零或低值。在T=120分鐘首次添加氨時(shí)，COD量充足，隨氨的消耗，pHPR下降至接近零值。T=170分鐘再次添加氨時(shí)，COD濃度也降至其2Ks以下時(shí)發(fā)生氨的耗盡。因此，pHPR降至低值，而非零，其如附圖2和3的C階段所示。
附圖10是對(duì)附圖9的數(shù)據(jù)更完整的說(shuō)明，其包括pHPR計(jì)算值、BOCR計(jì)算值、氨和COD濃度。附圖10中清楚地顯示，重要代謝事件發(fā)生時(shí)，pHPR和BOCR在不同相對(duì)水平間轉(zhuǎn)變。
由此例可知，根據(jù)本發(fā)明，借助監(jiān)測(cè)BOCR和pHPR的相對(duì)水平，可快速且精確地得知，有機(jī)基質(zhì)和/或無(wú)機(jī)基質(zhì)的濃度在何時(shí)會(huì)降至其2Ks以下。當(dāng)特定基質(zhì)濃度降至其重要代謝濃度2Ks以下時(shí)，通過(guò)表示微生物群體或其環(huán)境情況有顯著變化，或含活性微生物的試樣中代謝類型和/或行為的改變。
可根據(jù)特定處理程序，應(yīng)用各種控制步驟。例如，微生物群體中耗盡特定基質(zhì)，則表示其代謝的變化，確保所需的次生代謝產(chǎn)物形成，此即表示處理程序需有分離、收集和/或純化步驟。類似地，在某些生物處理程序中，微生物群體需用基質(zhì)階段喂食，檢測(cè)該基質(zhì)濃度低于其2Ks和/或檢測(cè)添加基質(zhì)何時(shí)使其濃度超過(guò)2Ks的能力，都可用來(lái)決定需要增加或減少喂食量。
實(shí)施例1為需氧性生物廢水凈化法，其目地為借助生物機(jī)制，減少特定無(wú)機(jī)和有機(jī)基質(zhì)，例如減少可溶氨和有機(jī)碳。由于2Ks的濃度通常低于對(duì)許多基質(zhì)所定的低濃度水平標(biāo)準(zhǔn)，所以可根據(jù)一種或多種基質(zhì)濃度低于其2Ks濃度的情況，采用各種控制步驟。舉例而言，如有機(jī)和無(wú)機(jī)(氨)基質(zhì)濃度都低于其各自2Ks濃度值，則可增加廢水通過(guò)廢水處理廠的流速，廢水處理量也隨之提升。如有機(jī)和氨基質(zhì)濃度都高于其各自2Ks濃度值，則可降低廢水通過(guò)廢水處理廠的流速。當(dāng)氨基質(zhì)低于其2Ks，而有機(jī)基質(zhì)高于其2Ks時(shí)，因硝化反應(yīng)的需求降低，可減少批次處理的曝氣量。最后，如果有機(jī)基質(zhì)濃度低于其2Ks，而氨基質(zhì)濃度高于其2Ks，則需增加曝氣量，以利硝化反應(yīng)進(jìn)行。
實(shí)施例2實(shí)施例2中，以實(shí)施例1所述相同方法，分出混合液試樣。持續(xù)對(duì)隔離期間的混合液試樣曝氣。選擇曝氣速率使試樣的溶氧濃度高于生物去除碳和氨基質(zhì)所需的臨界值。通過(guò)溶解氧探針和pH探針監(jiān)測(cè)氧濃度和pH變化量，結(jié)果如附圖11所示。
然后，自隔離試樣中，周期性地抽出少量混合液樣，并分析其氨濃度。附圖12顯示，隔離的混合液試樣，于整個(gè)曝氣過(guò)程中，pH和氨濃度的變化。硝化反應(yīng)結(jié)束時(shí)(氨濃度低于檢測(cè)極限，即0.1ppm)，伴隨pH值的緩慢增加。
pH對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)關(guān)系，d(pH)/dt，示于附圖12。當(dāng)氨濃度趨近于零時(shí)，d(pH)/dt值通過(guò)第2零點(diǎn)。d(pH)/dt值通過(guò)第2零點(diǎn)，也可視為d(pH)/dt由負(fù)值變?yōu)榱愕奈恢?。達(dá)此位置所需的時(shí)間，稱為混合液試樣的硝化反應(yīng)完成時(shí)間，或稱為NT。在實(shí)施例2，如附圖12所示，測(cè)得NT為約75分鐘。實(shí)施例2中，d(pH)/dt測(cè)定與實(shí)施例1不同。實(shí)施例1中，d(pH)/dt是在未曝氣階段測(cè)定，而實(shí)施例2的d(pH)/dt是在連續(xù)曝氣時(shí)測(cè)定。由于自混合液試樣中連續(xù)清除二氧化碳，測(cè)定pH時(shí)，可能發(fā)現(xiàn)pH下降。因而，有時(shí)pHPR為負(fù)值。
附圖13為同一試樣的溶氧量分布和其導(dǎo)數(shù)，d(DO)/dt。當(dāng)氨耗盡時(shí)，DO的一階導(dǎo)數(shù)值，d(DO)/dt，開(kāi)始顯著上升。由DO測(cè)得的硝化反應(yīng)時(shí)間(NT)，亦為約75分鐘。
于此，說(shuō)明如何將測(cè)定硝化反應(yīng)時(shí)間實(shí)際應(yīng)用于生物硝化程序控制。在進(jìn)行生物硝化反應(yīng)的生物反應(yīng)器或系列生物反應(yīng)器中，在生物反應(yīng)器的最前端，或系列生物反應(yīng)器中第一個(gè)生物反應(yīng)器前端，設(shè)置取樣裝置。測(cè)得的NT，表示在目前生物量濃度和氨負(fù)荷下需經(jīng)NT的時(shí)間完成硝化反應(yīng)。
生物反應(yīng)器或系列生物反應(yīng)器中混合液的水力停留時(shí)間(HRT)，是考慮混合液的流量和流動(dòng)型式以及生物反應(yīng)器或系列生物反應(yīng)器的幾何形狀，計(jì)算而得。然后比較NT和混合液的HRT。適當(dāng)?shù)南趸磻?yīng)，其在日常操作時(shí)，NT與HRT相當(dāng)。當(dāng)NT遠(yuǎn)小于HRT時(shí)，在生物反應(yīng)器或系列生物反應(yīng)器中，硝化反應(yīng)比即定HRT提早完成，這表示處理程序有額外的硝化反應(yīng)容量。在氨完全硝化前其他污染物即已去除時(shí)，NT檢測(cè)預(yù)示著廢水處理程序的終止點(diǎn)。這表明，在相同操作條件下，所用處理槽體積可處理更多的廢水，或該程序可減少操作中的槽體積，以降低操作成本。
另一方面，如果NT遠(yuǎn)大于HRT，氨濃度會(huì)大于零，但不一定會(huì)超過(guò)排放標(biāo)準(zhǔn)。為確保工廠排放水的品質(zhì)，提高對(duì)生物反應(yīng)器或系列生物反應(yīng)器的曝氣速率，和/或混合液的濃度。當(dāng)NT高于HRT很長(zhǎng)時(shí)間時(shí)，這表示處理程序?qū)Π比コ齺?lái)說(shuō)負(fù)荷過(guò)重，欲處理此給定量的廢水，需擴(kuò)大廢水處理設(shè)施。
一般而言，經(jīng)比較NT和HRT，可提供例如處理程序的硝化反應(yīng)容量、生物反應(yīng)器或系列生物反應(yīng)器所需的曝氣速率、生物反應(yīng)器排放水品質(zhì)等信息，以供工廠操作員調(diào)整硝化處理程序。
本發(fā)明可應(yīng)用于任何種類的微生物處理程序，其包括(但不限于)廢水凈化(城市、工業(yè)廢水等等)、藥品/生物技術(shù)制造、釀造、發(fā)酵或任何包括純化或混合微生物群體的處理程序。
權(quán)利要求
1．含微生物群體的流體供給器中微生物處理程序的監(jiān)測(cè)法，其包括a)自流體供給器中分出流體試樣；b)間隔固定時(shí)段測(cè)定流體試樣的pH；c)如pH變化，則分析其變化量，以測(cè)定試樣的pH變化率；d)間隔固定時(shí)段，大體上在測(cè)定pH的同時(shí)，測(cè)定試樣的溶氧量；和e)如溶氧量變化，則分析其變化量，以測(cè)定試樣的生物耗氧率。
2．根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中借助分析pH變化測(cè)定pH變化率時(shí)，根據(jù)下述方程式pHPR=(dpH)/(dt)其中，pHPR為pH變化率，dpH為pH的變化，dt為時(shí)間的變化，且dpH與dt二者都趨近于零。
3．根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中pH與溶氧量的測(cè)定大體上是連續(xù)的。
4．根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中借助分析DO變化測(cè)定生物耗氧率時(shí)，根據(jù)下述方程式BOCR=(dDO)/(dt)其中BOCR為生物耗氧率，dDO為溶氧量的變化，dt為時(shí)間的變化，且dDO與dt二者都趨近于零。
5．根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其進(jìn)一步包括間隔固定時(shí)段，重復(fù)步驟b)至e)，并把新測(cè)得的pH變化率和生物耗氧率與先前測(cè)得的pH變化率和生物耗氧率相比較。
6．根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其中把新測(cè)得的pH變化率和生物耗氧率與先前測(cè)得的pH變化率和生物耗氧率相比較而確定流體供給器中有機(jī)和無(wú)機(jī)化合物的含量是大于還是小于其各自2Ks濃度。
7．根據(jù)權(quán)利要求1的方法，進(jìn)一步包括如果pH變化率和/或生物耗氧率產(chǎn)生變化時(shí)而隨之進(jìn)行的控制步驟。
8．根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其中流體供給器經(jīng)曝氣處理并具流體供給器處理流，且其中控制步驟為至少一種選自增加流體供給器曝氣量、降低流體供給器曝氣量、增加流體供給器處理流量、減少流體供給器處理流量的處理。
9．根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其中采用添加基質(zhì)的微生物群體喂食法，其中控制步驟包括改變基質(zhì)添加量。
10．根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其中微生物處理程序產(chǎn)生所需的代謝物，且其中控制步驟為至少一種選自從流體供給器中分離代謝物、收集代謝物和純化代謝物的步驟。
11．根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述分離流體試樣的步驟是原位進(jìn)行的。
12．根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中在測(cè)定pH和溶氧量前，流體試樣含所需的溶氧量。
13．根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中在流體試樣容器中分出流體試樣，該流體試樣容器包括可將空氣和/或氧氣供給流體試樣的曝氣機(jī)和試樣攪拌器。
14．根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其進(jìn)一步包括，在試樣容器中分離試樣的全過(guò)程中用曝氣機(jī)對(duì)所述流體試樣曝氣，持續(xù)攪拌流體試樣的同時(shí)連續(xù)測(cè)定其溶氧量和pH。
15．根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其進(jìn)一步包括下列步驟在測(cè)定所述流體試樣的pH和溶氧量的步驟之前，用曝氣機(jī)對(duì)所述流體試樣曝氣直到試樣含有所需溶氧飽和度為止，在測(cè)定流體試樣的pH和溶氧量的步驟中用攪拌器間歇或持續(xù)攪拌試樣。
16．根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其應(yīng)用于選自廢水凈化、制藥和釀造的微生物處理程序。
17．含微生物群體的流體供給器中微生物處理程序的監(jiān)測(cè)法，其包括a)自流體供給器中分出流體試樣；b)間隔固定時(shí)段測(cè)定流體試樣的pH；c)如pH變化，則分析其變化量，以測(cè)定試樣的pH產(chǎn)生率；d)測(cè)定pH產(chǎn)生率何時(shí)為1)從負(fù)值轉(zhuǎn)為零和/或2)第二次轉(zhuǎn)為零；和e)顯示測(cè)定結(jié)果。
18．根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其中借助分析pH變化測(cè)定pH產(chǎn)生率時(shí)，根據(jù)下述方程式pHPR=(dpH)/(dt)其中，pHPR為pH產(chǎn)生率，dpH為pH的變化，dt為時(shí)間的變化，且dpH與dt二者都趨近于零。
19．根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其中pH的測(cè)定大體上是連續(xù)的。
20．根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其進(jìn)一步包括f)間隔固定時(shí)段，大體上在測(cè)定pH的同時(shí)測(cè)定試樣的溶氧量；和g)如溶氧量變化，則分析其變化量，以測(cè)定試樣的生物耗氧率。
21．根據(jù)權(quán)利要求19的方法，其中借助分析溶氧量變化測(cè)定生物耗氧率時(shí)，根據(jù)下述方程式BOCR=(dDO)/(dt)其中BOCR為生物耗氧率，dDO為溶氧量的變化，dt為時(shí)間的變化，且dDO與dt二者都趨近于零。
22．根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其進(jìn)一步包括間隔固定時(shí)段，重復(fù)步驟a)至e)，并把新測(cè)得的pH產(chǎn)生率與先前測(cè)得的pH產(chǎn)生率相比較。
23．根據(jù)權(quán)利要求20的方法，其進(jìn)一步包括間隔固定時(shí)段，重復(fù)步驟a)至g)，并把新測(cè)得的pH產(chǎn)生率和生物耗氧率與先前測(cè)得的pH產(chǎn)生率和生物耗氧率相比較。
24．根據(jù)權(quán)利要求17的方法，進(jìn)一步包括隨pH產(chǎn)生率變化而進(jìn)行的控制步驟。
25．根據(jù)權(quán)利要求24的方法，其中流體供給器經(jīng)曝氣處理并具流體供給器處理流，且其中控制步驟為至少一種選自增加流體供給器曝氣量、降低流體供給器曝氣量、增加流體供給器處理流量、減少流體供給器處理流量的處理。
26．根據(jù)權(quán)利要求24的方法，其中控制步驟包括借助測(cè)定自分出試樣至pH產(chǎn)生率由負(fù)值轉(zhuǎn)為零和/或第二次轉(zhuǎn)為零所需時(shí)間而測(cè)出硝化反應(yīng)時(shí)間，測(cè)定流體供給器中水力停留時(shí)間，并比較硝化反應(yīng)時(shí)間與水力停留時(shí)間。
27．根據(jù)權(quán)利要求26的方法，其中控制步驟進(jìn)一步包括當(dāng)硝化反應(yīng)時(shí)間小于水力停留時(shí)間，則增加流體供給器的流體輸入速率或降低流體供給器曝氣速率；當(dāng)硝化反應(yīng)時(shí)間大于水力停留時(shí)間，則增加流體供給器的曝氣速率。
28．根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其中所述分離流體試樣的步驟是原位進(jìn)行的。
29．根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其中在測(cè)定pH和溶氧量前，流體試樣所含的溶氧量為從零至100％飽和。
30．根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其中在流體試樣容器中分出流體試樣，該流體試樣容器包括可將空氣和/或氧氣供給流體試樣的曝氣機(jī)和試樣攪拌器。
31．根據(jù)權(quán)利要求30的方法，其進(jìn)一步包括下列步驟在測(cè)定流體試樣pH的步驟之前用曝氣機(jī)對(duì)流體試樣曝氣直到其所含溶氧量比流體試樣分出時(shí)所含溶氧量高出一個(gè)限定值為止，并在測(cè)定流體試樣pH的步驟中用攪拌器間歇攪拌試樣。
32．根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其中微生物處理程序選自廢水凈化、藥品或生物技術(shù)制造、釀造和發(fā)酵。
33．根據(jù)權(quán)利要求32的方法，其進(jìn)一步包括在試樣容器中分離試樣的全過(guò)程中用曝氣機(jī)對(duì)流體試樣曝氣，持續(xù)攪拌流體試樣的同時(shí)連續(xù)測(cè)定其溶氧量和pH。
34．根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其進(jìn)一步包括大體上連續(xù)對(duì)流體試樣曝氣。
35．含微生物群體的流體供給器中微生物處理程序的監(jiān)測(cè)和控制法，其包括a)自流體供給器中分出流體試樣；b)間隔固定時(shí)段測(cè)定流體試樣的pH；c)如pH變化，則分析其變化量，以測(cè)定試樣的pH產(chǎn)生率；d)測(cè)定pH產(chǎn)生率何時(shí)為1)從負(fù)值轉(zhuǎn)為零和/或2)第二次轉(zhuǎn)為零；和e)根據(jù)pH產(chǎn)生率的變化，采取控制步驟，此控制步驟包括f)借助測(cè)定自分出試樣至pH產(chǎn)生率由負(fù)值轉(zhuǎn)為零和/或第二次轉(zhuǎn)為零所需時(shí)間，而測(cè)出硝化反應(yīng)時(shí)間；g)測(cè)定流體供給器中水力停留時(shí)間，并比較硝化反應(yīng)時(shí)間與水力停留時(shí)間；和h)當(dāng)硝化反應(yīng)時(shí)間小于水力停留時(shí)間，則增加流體供給器的流體輸入速率或降低流體供給器曝氣速率；當(dāng)硝化反應(yīng)時(shí)間大于水力停留時(shí)間，則增加流體供給器的曝氣速率。
全文摘要
流體供給器中微生物處理程序的監(jiān)測(cè)方法,其包括自流體供給器中分出流體試樣,間隔固定時(shí)段測(cè)量流體試樣的pH,如pH變化,接著分析其變化量,以測(cè)定試樣的pH變化率。間隔固定時(shí)段,大體上在測(cè)定pH的同時(shí)測(cè)定試樣的溶氧量,如溶氧量變化,則分析其變化量,以測(cè)定試樣的生物耗氧率。
文檔編號(hào)G01N33/18GK1212053SQ97192545
公開(kāi)日1999年3月24日 申請(qǐng)日期1997年1月22日 優(yōu)先權(quán)日1996年1月22日
發(fā)明者X·揚(yáng), J·F·李, S·K·曼尼辛, T·J·瑪 申請(qǐng)人:美商生化科技公司