專利名稱：生物潛熱測定設備及方法
技術領域：
本發(fā)明是關于一種生物潛熱測定設備及方法，特別是關于一種自發(fā)性高溫好氧處理(Autothermal Thermophilic Aerobic WastewaterTreatment，以下簡稱為ATAT)系統所構成的生物潛熱測定設備及方法。
高濃度廢水生物處理目前遭遇瓶頸在于高廢棄污泥量、低反應速率與低有機負荷，而自發(fā)性高溫好氧處理適足以解決這些問題。ATAT操作于45℃以上高溫好氧條件，有別于一般高溫厭氧的35℃或55℃。因此，根據vant Hoff-Arrhenius定律，高溫條件能輕易提高反應速率；而且，根據生物能量學觀點，高溫環(huán)境使能量使用效率下降，促使生物反應過程中基質釋放能量走向維持細胞生存(maintenance)比例增加，走向細胞合成(synthesis)減少，生長系數隨即變小，污泥量可望減少，而此釋放能量即可提供反應槽的熱能需求。
傳統上對于ATAT的顧慮不外乎一、高溫若不能由廢水分解反應自發(fā)產生，外加熱源成本相當高；二、高反應速率須輔以高傳氧速率，然而高溫會降低氧氣在水中的溶解度，減緩傳氧速率。事實上經歐美地區(qū)多座高溫好氧污泥消化(autothermal aerobic sludge digestion，ATAD)實廠成功經驗，ATAD已被美國環(huán)保署(US EPA)列為成熟技術，而臺灣也有食品廢水廠被證實為ATAT，因此ATAT可行性不容置疑，當務之急在于建立成熟設備，以能精確測定生物潛熱，據以提高ATAT可行性。
若以傳統實驗室規(guī)模連續(xù)流馴化槽(chemostat)進行ATAT可行性研究可能遭遇困難有一、開放性系統可能造成大量蒸發(fā)熱損，不易評估反應產生熱值；二、以空氣曝氣可能因傳氧速率小于基質降解需氧速率造成質傳限制，若改以純氧曝氣則因屬開放系統而有氧氣爆炸等安全顧慮；三、一般磁石攪拌效果有限亦容易造成溶氧質傳限制；四、分析工作多利用COD與MLSS分析，分析方法耗時費力且精準性與再現性不佳。
本發(fā)明所提供的生物潛熱測定設備為密閉系統，且具有純氧曝氣、稀土(rare earth)磁石強力攪拌，以及可程序實時線上監(jiān)控瞬間攝氧量等特性，適足以克服上述困難。
本發(fā)明的目的即在于提供一種生物潛熱測定設備，可以用來測量ATAT試驗的線上(on-line)攝氧數據Ou和補溫數據Hc。
本發(fā)明的次一目的是在于提供一種生物潛熱測定方法，其包括使用復線性回歸法從熱平衡模式可以測定出ATAT試驗的比生物潛熱(hb)和熱損通量(J0)，結果證實本發(fā)明系統為一種有用的ATAT研究工具。
可達成上述發(fā)明目的的生物潛熱測定設備及方法，是使用一馴化槽培養(yǎng)好氧性菌種，并將菌種植入一反應瓶中，以實現期望的生物反應；使用一外界溫度控制器可控制及加熱該反應瓶外界至一設定溫度值；由一供氧單元提供及記錄反應瓶所需的攝氧量，供氧單元所輸出的數據為一實時攝氧數據(Ouvs.t)，并由一補溫溫度控制器控制及加熱反應瓶內部至一設定溫度值，同時記錄輸出一實時補溫數據(Hcvs.t)，上述攝氧數據及補溫數據由一比生物潛熱計算單元計算出比生物潛熱(hb)和熱損通量(J0)，最后由一補溫比計算單元計算出實時補溫比(r)，同時求得操作期間內的最小補溫比(rmin)，以評估自發(fā)性高溫好氧處理系統的反應自發(fā)性。
該生物潛熱測定設備主要是由反應瓶組，純氧供氣系統、補溫加熱溫控系統、熱損加熱溫控系統、磁力攪拌系統，與信號數據監(jiān)控處理系統等六大部分所組成，其特征在于具有可程序實時線上監(jiān)控大量瞬間攝氧與補溫加熱數據等功能，可用于進行比生物潛熱(specific biologic heatpotential，hb)算法與熱平衡分析，以了解生物反應熱力學特性與ATAT可行性研究。本發(fā)明也有關一種使用上述本發(fā)明生物潛熱測定設備經由比生物潛熱(hb)算法與熱平衡分析測定生物潛熱的方法。
請參閱以下有關本發(fā)明一較佳實施例的詳細說明及其附圖，將可進一步了解本發(fā)明的技術內容及其目的功效；有關該實施例的附圖為

圖1為本發(fā)明生物潛熱測定設備的主要系統示意圖；圖2為培養(yǎng)作為提供所有ATAT試驗好氧性菌種植種來源所用的本發(fā)明自行設計的馴化槽示意圖；圖3為本發(fā)明由ATAT系統所構成的生物潛熱測定設備示意圖；圖4為使用本發(fā)明生物潛熱測定設備用葡萄糖測得的攝氧曲線圖；以及圖5為使用本發(fā)明生物潛熱測定設備用葡萄糖測得的外溫曲線圖。
請參閱圖1，本發(fā)明所提供的生物潛熱測定設備，主要是使用一馴化槽10培養(yǎng)好氧性菌種，并將菌種植入一反應瓶11中，藉以實現期望的生物反應；使用一外界溫度控制器13a可控制及加熱該反應瓶11外界至一設定溫度值，可控制該反應瓶11外壁高溫，減少反應瓶11內外壁溫差，以降低反應瓶11在進行生物反應時的熱損失；由一供氧單元12提供及記錄反應瓶所需的攝氧量，供氧單元12所輸出的數據為一實時攝氧數據(Ouvs.t)并由一補溫溫度控制器13b控制及加熱反應瓶11內部至一設定溫度值，同時記錄輸出一實時補溫數據(Hcvs.t)，上述攝氧數據及補溫數據由一比生物潛熱計算單元14計算出比生物潛熱(hb)和熱損通量(J0)，最后由一補溫比計算單元15計算出實時補溫比(r)，同時求得操作期間內的最小補溫比(rmin)，藉以評估自發(fā)性高溫好氧處理系統的反應自發(fā)性。
比生物潛熱hb乃指一生物反應攝取單位氧氣質量所釋放的熱量，單位仟卡/克氧(Kcal/g BODr)，為ATAT可行性的重要指針，配合ATAT熱平衡分析可以了解ATAT如何產生自發(fā)性高溫。對ATAT系統而言，利用補溫與熱損加熱溫控系統將反應瓶內外分別控制在兩不同恒溫下，當系統達穩(wěn)態(tài)(steady state，dT/dt＝0)操作時，其熱平衡分析可考量反應頂(reaction)、熱損項(loss)與補溫項(compensation)表示成0=hbdOudtreaction-lossJo+dHcdtcompensation.......(1)]]>其中hb為比生物潛熱，單位仟卡/克氧；Ou為累積攝氧量，單位g；J0為熱損通量，單位仟卡/分(Kcal/min)；Hc為累積補溫加熱量，單位仟卡(Kcal)。將式(1)以初始條件當t＝0，Ou＝0且Hc＝0，代入積分可得
Hc＝J0t-hbOu(2)利用ATAT系統可以獲得大量攝氧數據(Ouvs.t)與補溫數據(Hcvs.t)，運用于式(2)配合復回歸(multiple linear regression)最小平方法(least square method)可用以求取熱損通量(J0)與比生物潛熱(hb)的實驗估計值。對于一段試驗期間，可依下式定出補溫比(r)r＝Hc/J0t (3)“r”值的大小指示出ATAT系統的反應自發(fā)性(reactionspontaneity)?！皉”愈小，用實驗規(guī)模ATAT系統所能達到的反應自發(fā)性愈大。
本發(fā)明自行設計高溫馴化槽以培養(yǎng)好氧性菌種，其裝置如圖2所示，特點包括在10升馴化反應瓶10a中可操作容積達9升，靠空氣泵16打入空氣經瓶底的曝氣石17曝氣以維持溶氧1-2毫克/升，依溫度測棒18測值可以比例積分微分(PID)控制器13b連動加熱棒19以維持高溫55℃，精確度0.1℃；馴化反應瓶10a底置一加重型稀土磁石20以磁力攪拌器21強力攪拌以維持馴化反應瓶10a內溶氧與溫度均勻分布；為避免大量水分蒸發(fā)，馴化反應瓶10a頂部連接一冷凝回流管22；基質與營養(yǎng)鹽為避免酸敗分置兩4升玻璃瓶23、24中，利用蠕動泵25依設定流速同時連續(xù)進流到馴化反應瓶10a中，并靠馴化反應瓶10a出流口維持液面高度以控制污泥齡(SRT)。
實施例高溫馴化培養(yǎng)操作先自某食品油脂ATAT實廠的高溫好氧曝氣池取回10公升菌種植入馴化反應瓶中，再以10g/L COD葡萄糖人工水樣控制SRT＝10天進流，定期由出流水取樣分析COD、pH與MLSS，并觀察污泥沉降性、顏色、泡沫與顯微鏡菌相，以監(jiān)控馴化情形。
本發(fā)明須以高溫馴化培養(yǎng)經由常態(tài)性操作以提供所有ATAT試驗植種來源，操作至所有ATAT試驗完成為止。
ATAT試驗為本發(fā)明的核心實驗，所使用設備如圖3所示，乃由反應瓶組、純氧供氣系統、補溫加熱溫控系統、熱損加熱溫控系統、磁力攪拌系統，與信號數據監(jiān)控處理系統等六大部分所組成，具有可程序實時線上監(jiān)控大量瞬間攝氧與補溫加熱數據等功能，可用于進行比生物潛熱，hb，算法與熱平衡分析，以了解生物反應熱力學特性與ATAT可行性研究。
其中，純氧供氣系統可設定反應瓶30頂空間氧含量，根據氧氣監(jiān)測器31測量值，以計算機程序依開/關控制方式連動控制閥32由供氧源33供氧，控制閥32每開一次可定量供氧，計算機程序紀錄累積開放歡數可換算成攝氧量，氧化產生二氧化碳由一吸收瓶34中強堿溶液所吸收，另外尚裝有一氣體循環(huán)泵35以利反應瓶30頂部空間與純氧供氣系統連通管線中氣體的均勻分布；補溫加熱溫控系統可設定反應瓶30內的溫度，依溫度測棒39測值以開/關控制方式連動加熱棒40以一固定功率補溫，紀錄加熱棒40開啟累積時間即可換算補溫加熱量；反應瓶30底置一加重型稀土磁石41可以磁力攪拌器42強力驅動攪拌，不易脫速，轉速可調整，信號數據監(jiān)控處理系統43是利用界面控制商業(yè)軟件撰寫的程序，可以線上實時監(jiān)控攪拌轉速、溫度。累積攝氧量、累積補溫加熱量等數據，并可繪制成線上實時動態(tài)圖；熱損加熱溫控系統44依反應瓶30外壁所置溫度測棒測值，并連動一加熱線圈，并經風扇循環(huán)氣流，可控制反應瓶30外壁高溫，減少反應瓶30內外壁溫差，以降低反應瓶30熱損失。
進行ATAT試驗時，先自高溫馴化槽植種至反應瓶30中，采半連續(xù)進流操作，每日以針筒依所控制的SRT換算抽取定量污泥廢棄，隨即添加等體積葡萄糖人工水樣，待每日累積攝氧趨勢達穩(wěn)定再現，即可終止該批試驗。
圖4和圖5分別顯示出Ou和Hc曲線?？梢钥闯鯫u曲線逐日變異。而Hc曲線則在一天的試驗期間內較具有可重復性。Ou和Hc數據都是用方程式(2)以復線性回歸法進行分析而估計出比生物潛熱(hb)和熱損通量(heat loss flux)(J0)供比較所用?；貧w結果顯示出hb的值，除了第3-6天之外，通常是在3.82-4.53仟卡/克BODr范圍之內。對于所有8個試驗無所得0.92-0.95的R2值顯示出完美的線性，甚至第3-6天亦然。hb在第3-6天發(fā)生較大變異的原因仍有待研究。根據推斷其可能是該嗜熱性微生物系統與試驗條件下的不完全馴化相關聯的動態(tài)本質所致。因為hb在第7-8天自動地回歸到基線值(第1-3天)之故，所以不可能是ATAT測定系統的設備問題所致。
回歸結果亦顯示出熱損速率(J0)是在0.43-0.55仟卡/分的相當窄范圍內變異。當系統在第5-6天經歷較低的生物熱釋放時該熱損即減少約10％。
使用hb的平均值(4.58仟卡/克Ou)和平均熱損通量值(J0)(0.50仟卡/分)，可以定出方程式3所定義的補溫比，其在24小時試驗期間的第12小時達到89.2％的最低值。
本發(fā)明所提供的生物潛熱測定設備可以用來測量ATAT試驗的線上(on-line)攝氧數據Ou和補溫數據Hc。本發(fā)明也提出一種生物潛熱測定方法，其包括使用復線性回歸法從熱平衡模型可以測定出ATAT試驗的比生物潛熱(hb)和熱損通量(J0)。結果證實本發(fā)明系統為一種有用的ATAT研究工具。當系統以10克COD/公升進流葡萄糖和操作在10天的污泥齡(SRT)時，測定出hb為4.28仟卡/克BODr。該ATAT系統的熱損通量經測定為50仟卡/分，且其最小補溫比(rmin)為89.2％。
權利要求
1.一種生物潛熱測定設備方法，其特征在于，包括下列步驟使用一馴化槽培養(yǎng)好氧性菌種，并將該菌種植入一反應瓶中，以進行生物反應；控制及加熱該反應瓶外界至一設定溫度值；提供及記錄該反應瓶所需的攝氧量，并輸出一實時攝氧數據Ouvs.t；控制及加熱該反應瓶至一設定溫度值，同時記錄輸出一實時補溫數據Hcvs.t；利用該攝氧數據及該補溫數據計算出一比生物潛熱hb和一熱損通量J0；以及利用該比生物潛熱及該熱損通量計算出一實時補溫比r，同時求得操作期間內的最小補溫比rmin。
2.根據權利要求1所述的生物潛熱測定方法，其特征在于，其中該實時攝氧數據是由一提供及記錄該反應瓶所需攝氧量的供氧單元所輸出測定。
3.根據權利要求1所述的生物潛熱測定方法，其特征在于，其中該實時補溫數據是由一控制及加熱該反應瓶內部至一設定溫度值的補溫溫度控制器所提供及記錄。
4.根據權利要求1所述的生物潛熱測定方法，其特征在于，其中該實時攝氧數據Ouvs.t及實時補溫數據Hcvs.t，由熱平衡分析考量反應項、熱損項與補溫項可表示成0=hbdOudtreaction-lossJo+dHcdtcompensation.....(1)]]>其中hb為比生物潛熱，單位仟卡/克氧；Ou為累積攝氧量，單位g；J0為熱損通量，單位仟卡/分；Hc為累積補溫加熱量，單位仟卡；將式(1)以初始條件當t＝0，Ou＝0且Hc＝0，代入積分可得Hc＝J0t-hbOu(2)
5.根據權利要求4所述的生物潛熱測定方法，其特征在于，其中比生物潛熱hb及該熱損通量J0，可依下列式定出補溫比rr＝Hc/J0t (3)
6.一種生物潛熱測定設備，其特征在于，包括有一用以培養(yǎng)好氧性菌種的馴化槽；一可供該好氧性菌種植入并進行生物反應的反應瓶；一控制及加熱該反應瓶外界至一設定溫度值的外界溫度控制器；一提供及記錄該反應瓶所需攝氧量的供氧單元，其可輸出一實時攝氧數據Ouvs.t；一控制及加熱該反應瓶內部至一設定溫度值的補溫溫度控制器，其可同時記錄輸出一實時補溫數據Hcvs.t；一比生物潛熱計算單元，其藉由該實時攝氧數據及該實時補溫數據計算出一比生物潛熱hb和一熱損通量J0；以及一補溫比計算單元，其藉由該比生物潛熱及該熱損通量計算出一實時補溫比r，同時求得操作期間內的最小補溫比rmin。
7.根據權利要求6所述的生物潛熱測定設備，其特征在于，其中該馴化槽是使用一空氣泵打入空氣，經該反應瓶瓶底的一曝氣石曝氣；依一溫度測棒測值可以比例積分微分補溫溫度控制器連動一加熱棒以維持高溫；該反應瓶底部置一加重型稀土磁石以一磁力攪拌器強力攪拌；將一基質與一營養(yǎng)鹽分置于二玻璃瓶中，并利用一蠕動泵依設定流速同時連續(xù)進流到該反應瓶中進行生物反應，并靠該反應瓶出流口維持液面高度以控制污泥齡。
8.根據權利要求7所述的生物潛熱測定設備，其特征在于，其中該反應瓶頂端還連接有一冷凝回流管。
9.根據權利要求6所述的生物潛熱測定設備，其特征在于，其可被應用作為評估一自發(fā)性高溫好氧處理系統的反應自發(fā)性。
10.一種生物潛熱測定設備，主要包括有一反應瓶組、一純氧供氣系統、一補溫加熱溫控系統、一熱損加熱溫控系統、一磁力攪拌系統與一信號數據監(jiān)控處理系統；其特征在于具有可程序實時線上監(jiān)控大量瞬間攝氧與補溫加熱數據等功能，可用于進行比生物潛熱算法與熱平衡分析，以了解生物反應熱力學特性與ATAT可行性研究。
11.根據權利要求10所述的生物潛熱測定設備，其特征在于，其中該純氧供氣系統可根據一氧氣監(jiān)測器測量值，以一計算機程序依開/關控制方式連動一控制閥由一供氧源供氧，該控制閥每開一次供氧一設定氧氣量，該計算機程序紀錄累積開放次數可換算成攝氧量，而氧化產生二氧化碳由一二氧化碳吸收瓶中的一強堿溶液所吸收。
12.根據權利要求10所述的生物潛熱測定設備，其特征在于，其中該純氧供氣系統還裝設有一氣體循環(huán)泵以利反應瓶頂空間與純氧供氣系統連通管線個氣體的均勻分布。
13.根據權利要求10所述的生物潛熱測定設備，其特征在于，其中該補溫加熱溫控系統可設定該反應瓶內的溫度，依一溫度測棒測值以開/關控制方式連動一加熱棒以一設定功率補溫，并紀錄該加熱棒開啟累積時間即可換算出一補溫加熱量。
14.根據權利要求10所述的生物潛熱測定設備，其特征在于，其中該反應瓶底部加置一加重型稀土磁石可以一磁力攪拌器強力驅動攪拌。
15.根據權利要求10所述的生物潛熱測定設備，其特征在于，其中該信號數據監(jiān)控處理系統是由一界面控制的程序，可以線上實時監(jiān)控各數據，并可繪制成一線上實時動態(tài)圖。
16.根據權利要求10所述的生物潛熱測定設備，其特征在于，其中該熱損加熱溫控系統依該反應瓶外壁所置一溫度測棒測值，并連動一加熱線圈，經一風扇循環(huán)氣流，可控制該反應瓶外壁高溫，減少反應瓶內外壁溫差，以降低反應瓶熱損失。
全文摘要
一種生物潛熱測定設備及方法,是使用一馴化槽培養(yǎng)好氧性菌種,并植入一反應瓶中;一外界溫度控制器;一供氧單元提供及記錄反應瓶所需的攝氧量,供氧單元所輸出的數據為一實時攝氧數據;由一補溫溫度控制器控制及加熱反應瓶內部至一設定溫度值,攝氧數據及補溫數據由一比生物潛熱計算單元計算出,最后由一補溫比計算單元計算出實時補溫比,同時求得操作期間內的最小補溫比,以評估自發(fā)性高溫好氧處理系統的反應自發(fā)性。
文檔編號C12Q1/02GK1389570SQ0111592
公開日2003年1月8日 申請日期2001年5月31日 優(yōu)先權日2001年5月31日
發(fā)明者江舟峰, 吳勇興 申請人:朝陽科技大學