專利名稱：監(jiān)視廢水中生物活性的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及監(jiān)視廢水中生物活性及控制其處理的裝置和方法，更具體地說，涉及實時監(jiān)視廢水處理過程中活性污泥中微生物代謝活性的裝置和方法，并利用監(jiān)視結(jié)果控制處理過程的操作。
各種生物養(yǎng)分移除法(BNR)在廢水處理廠(WWTP’S)中廣泛用來幫助降解污染。在典型BNR過程中，廢水中的污染物，如碳源(以生物需氧量或BOD為單位)、氨、硝酸鹽、磷酸鹽等，由活性污泥在厭氧、缺氧及有氧條件下將其分解，在此技術(shù)中亦為人所知。在缺氧條件下，經(jīng)過或未經(jīng)過預先沉降步驟的廢水與回流的活性污泥(RAS)混合，在下文中有時稱為“混合液體”，將在以下討論。
大部分廢水處理廠的BNR過程會設(shè)計一種或多種缺氧步驟。在缺氧條件下，脫氮菌，即能夠進行脫氮作用的微生物種，在脫氮過程中可利用硝酸鹽及/或亞硝酸鹽為電子受體，并消耗部分可得的碳源。硝酸鹽通?？捎蓪⒁欢w積的廢水從有氧步驟的最后循環(huán)回缺氧步驟的起始處供給。
BNR過程典型地使用一個或多個有氧步驟。在有氧步驟中，供給含有約20％氧的空氣或純氧以維持所需溶氧水平。自養(yǎng)硝化細菌，即能以氨為能源的微生物種，可在有氧條件下將氨轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽及硝酸鹽。廢水中的聚—P微生物種可從水相攝取磷酸鹽并消化胞內(nèi)貯存的PHB與PHV產(chǎn)物使其轉(zhuǎn)化為多聚磷酸鹽，其為一種貯存能量的化合物。因此補充了聚—P微生物種貯存的多聚磷酸鹽并移除水相中的磷。隨之以此技術(shù)中熟知的污泥耗置法移除系統(tǒng)中的磷。在有氧條件下，廢水中的碳源進一步由好氧生物分解。
然而，在使處理過程最有效率的厭氧、缺氧及/或有氧步驟中，提供監(jiān)視廢水處理系統(tǒng)中生物活性的裝置及方法已為一個難題。提供實時監(jiān)視廢水純化的裝置及方法，以適當控制廢水處理過程中厭氧、缺氧及/或有氧步驟，尤其是對工藝條件的過渡及其他改變，亦是一個難題。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案，通過測量微生物胞內(nèi)煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(下文有時稱為NAD(P)H)的變化，裝置可于厭氧、缺氧及有氧條件下監(jiān)視并控制混合液體的生物活性。NAD+為NAD(P)H的氧化型。當微生物代謝活性改變時微生物內(nèi)NAD(P)H/(NAD+＋NAD(P)H)的比率會發(fā)生變化。NAD(P)H熒光(下文有時稱為“NADH”)的相應(yīng)變化由諸如實時在線電腦數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)這樣的監(jiān)視系統(tǒng)檢測及記錄，該系統(tǒng)可分析變化及評定混合液體中的生物活性。監(jiān)視系統(tǒng)隨之確定廢水系統(tǒng)所需操作參數(shù)的改變以使BNR過程的效能最佳化。
在此實施方案的方法中，將混合液體的樣品從生物反應(yīng)槽原位分離至被此過程中NADH檢測器監(jiān)視的反應(yīng)室中。攪拌樣品使微生物均勻懸浮于廢水中，并以監(jiān)視系統(tǒng)記錄及分析有氧、缺氧及/或厭氧狀態(tài)下反應(yīng)室中混合液體樣品的熒光NADH的差異?；旌弦后w隨之流回或再注入生物反應(yīng)槽，因此可根據(jù)監(jiān)視系統(tǒng)得到的結(jié)果控制廢水處理系統(tǒng)。
根據(jù)本發(fā)明的另一實施方案，裝置通過測量廢水溶氧量的變化以監(jiān)視及控制有氧條件下廢水的生物活性。廢水中的溶氧量因廢水中微生物代謝活性而改變。諸如實時在線電腦數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)這樣的監(jiān)視系統(tǒng)檢測相同的溶氧(下文有時稱為“D.O.”)變化并隨之將其記錄，該系統(tǒng)可分析變化并評估廢水的生物活性。監(jiān)視系統(tǒng)隨后確定廢水系統(tǒng)所需的操作參數(shù)的變化以使生物廢水處理過程尤其是BNR過程的效能最佳化。
在此實施方案的方法中，將廢水樣品從生物反應(yīng)槽泵入由此過程中D.O.檢測器監(jiān)視的原位反應(yīng)室。攪拌樣品使廢水均勻分布，并用監(jiān)視系統(tǒng)記錄及分析廢水D.O.的差異。樣品隨之流回生物反應(yīng)槽，因此可根據(jù)監(jiān)視系統(tǒng)得到的結(jié)果控制水處理系統(tǒng)。
優(yōu)選將D.O.的檢測與監(jiān)視與其他檢測和監(jiān)視生物活性的裝置，例如檢測及監(jiān)視NADH的裝置連同使用，以幫助控制廢水處理過程全部或部分的需氧、缺氧或有氧的步驟。


圖1說明本發(fā)明用以檢測及監(jiān)視生物反應(yīng)槽中溶氧或熒光的具體裝置的正視略圖。
圖2說明部分取自圖1的廢水取樣裝置的剖視略圖。
圖3說明部分取自圖1的另一具體裝置的剖視略圖。
圖4說明本發(fā)明用以檢測及監(jiān)視生物反應(yīng)槽中溶氧及/或熒光的另一具體裝置的正視略圖，該反應(yīng)槽處于密閉狀態(tài)。
圖5說明圖4所示裝置的正視略圖，該反應(yīng)槽處于開放狀態(tài)。
圖6說明部分取自圖4及5所示的部分裝置的剖視圖。
圖7是應(yīng)用本發(fā)明實施方案監(jiān)視典型廢水處理過程的略圖。
圖8是厭氧處理步驟的NADH熒光隨時間變化的操作圖。
圖9是缺氧處理步驟的NADH熒光隨時間變化的操作圖。
圖10是以熒光及溶氧測定的有氧處理步驟生物活性隨時間變化的操作圖。
圖11有氧處理步驟的溶氧百分比隨時間變化的操作圖。
要正確評定及控制復雜的BNR過程則需要能在不同環(huán)境和各種條件下精確及通用地估價混合液體的代謝活性。與氧的代謝不同，氧的代謝只在BNR過程的好氣步驟時活躍，而NADH代謝則與整個環(huán)境步驟有關(guān)。因此，NADH是可用于控制整個BNR過程的極佳的代謝活性標志。氧代謝在控制部分BNR時亦起到重要作用，其可更加顯著，特別是與NADH代謝同時使用時。主要生物機體及活躍的生化途徑隨生物反應(yīng)器的環(huán)境步驟而變化。然而，一個普遍因素是需要通過可利用能源的氧化來轉(zhuǎn)移能量。
為了有效控制BNR過程的操作，必需依據(jù)處理過程厭氧、缺氧及有氧步驟中微生物活性來調(diào)節(jié)特定的處理參數(shù)。廢水處理廠常經(jīng)分許多過渡條件，如有機負荷的晝夜變化?？刂铺幚磉^程適應(yīng)各種條件需要一種快速且有效的測量生物活性的方法。典型WWTP使用的設(shè)備能控制該過程但不具實時效率及精確性。例如，由此設(shè)備控制的過程參數(shù)包括一級廢水輸入率、回流活性污泥的輸入率、脫氮再循環(huán)速率、微生物種類和數(shù)量、厭氧、缺氧及好氣步驟的數(shù)量與位置、滯留時間、營養(yǎng)物種類及輸入率、空氣或氧純度及輸入率、pH、溫度等等。
本發(fā)明針對一種改進的裝置，其通過檢測混合液體中微生物胞內(nèi)NADH水平及/或溶氧的變化以檢測并控制廢水處理系統(tǒng)中的生物活性。此裝置包括一反應(yīng)室，其開啟與關(guān)閉可用以取得混合液體樣品。反應(yīng)室含有NADH傳感器及/或溶氧探針，其可檢測因環(huán)境條件變化引起混合液體代謝改變時生物活性的變化。這些實時生物活性變化可被監(jiān)視且可作為驅(qū)動過程及控制算法的輸入函變以確保有效率的過程效能。這類算法在此技術(shù)中為已知，此處不再討論。值得注意的是，下列本發(fā)明實施方案只是為了解說的目的，并無意以任何方式限制如所附權(quán)利要求所述的本發(fā)明的本質(zhì)或范圍。
廢水取樣裝置的一實施方案示于圖1。生物反應(yīng)槽1(或廢水管)含廢水2及污泥。檢測裝置置于生物反應(yīng)槽1的上方且擴展至廢水2。該裝置包括以線路或無電線22連接至電腦/監(jiān)視器13的中央控制單元22。同樣地，中央控制單元20經(jīng)連接線路24與檢測探針10相接。馬達箱26亦經(jīng)連接線路28與中央控制單元20相接。電力亦由連接線路28供給馬達箱26。
檢測探針10置于檢測室8并以電連接到電腦/監(jiān)視器13，以檢測廢水樣品中溶氧量的變化或微生物放出熒光的變化。優(yōu)選溶氧檢測探針10是由Yellow Spring Instrument制造的。探針10亦可能作為熒光檢測探針。優(yōu)選的熒光檢測探針10稱為RLUOROMEA-SURE，是由此中受讓人制造并在美國專利4,577,110中公開。當然，只要具有相同或相似檢測性能其他裝置亦可用作探針。電腦/監(jiān)視器13可為任何適合的種類如個人電腦等等。添充裝置52亦與電腦/監(jiān)視器13相連，給檢測室8內(nèi)廢水中的微生物提供養(yǎng)料或氧或其他反應(yīng)物。
取樣單元11置于可動式運車30上方，該運車可完全地垂直上下移動以將檢測探針10移進或移出廢水2?？蓜邮竭\車30的明確構(gòu)造并不重要，只要其能達到取樣單元11的移動性。檢測探針10的檢測端50位于檢測室8中(如圖2所示)。檢測室8具有開口66和相鄰的可動式蓋32，此蓋可沿導管34垂直上下移動并關(guān)閉或封住開口66。
圖2說明取樣單元11特別結(jié)構(gòu)的剖視圖。馬達箱26包括齒輪馬達36、螺旋吊器38及與連接桿42相連的彈簧40。連接桿42亦與延伸經(jīng)導管34的導桿44連接。導桿44另一末端終止于可動式蓋子32。變速馬達36與連接螺旋槳48的螺旋桿46相連。螺旋槳48位于檢測室8內(nèi)，該室亦含檢測端50。
圖3說明取樣單元11的另一特別結(jié)構(gòu)的剖視圖。馬達箱26包括經(jīng)連接線28與中央控制器相連的線性操作機構(gòu)53。線性操作機構(gòu)53驅(qū)動與內(nèi)軸56相接的螺紋軸57，其中內(nèi)軸56穿越外軸55。不銹鋼管54包裹內(nèi)軸56及外軸55形成的裝置。管54與含螺旋槳48并接收檢測探針10的檢測末端50的檢測室8相接，其中檢測探針10經(jīng)接線24與中央控制器相接。檢測室8具開口66，可以與內(nèi)軸56相接的可動式蓋32關(guān)閉/封閉之。
圖1及2中所示裝置最好操作如下。當要取得部分廢水樣品時，控制信號經(jīng)接線28傳至螺旋吊器38，聯(lián)合施力于連結(jié)桿42并將導桿44和可動式蓋32推向“B”方向，對抗彈簧40的拉力作用。檢測室8隨之處于開放狀態(tài)。螺旋槳48的旋轉(zhuǎn)導致檢測室8內(nèi)的廢水流至室外廢水2中，而檢測室8外的部分廢水2內(nèi)流至室內(nèi)，因此補充檢測室8并供應(yīng)足量的新鮮廢水樣品。
檢測室8取得新鮮樣品后，通往螺旋吊器38的信號被切斷，從而釋放螺旋吊器38的推力。彈簧40回復到正常位置，將連結(jié)桿42、導桿44及可動式蓋32往“A”方向牽引，檢測室8隨之位于關(guān)閉/封閉狀態(tài)。
檢測室8充滿新鮮廢水樣品后，樣品代謝活性隨時間改變而變化，如從有氧至缺氧再至厭氧狀況。樣品在各種狀態(tài)如有氧、缺氧及厭氧狀態(tài)的時間間隔，和相應(yīng)于代謝活性變化的熒光及溶氧濃度的變化，可用溶氧控針或熒光探針10檢測，并以電腦13記錄及分析。使用電腦13能實時、在線監(jiān)視檢測室8內(nèi)的生物活性。本發(fā)明提供的信息分析與判斷視其特別應(yīng)用及WWTP內(nèi)裝置而定?？尚薷难b置的設(shè)計以符合廢水處理廠及其位置環(huán)境的特殊需要。當完成樣品分析后，中央控制器起動螺旋吊器38以使可動式蓋32朝“B”方向向下移動。將再一次打開檢測室8以進一步補充及取得新樣品。
如圖3所示，可動式蓋32及螺旋槳48由相同的可逆式低RPM馬達53驅(qū)動，該馬達與內(nèi)軸56及外軸55共軸相接。此共軸裝置由不銹鋼管54所包裹。當要取部分廢水樣品時，控制信號傳至馬達53，使其在此命令下改變旋轉(zhuǎn)方向?？蓜邮缴w32由與馬達53相接的ACME軸57驅(qū)動的內(nèi)軸56推往“B”方向。在開放狀態(tài)，螺旋槳48迫使檢測室8內(nèi)外的廢水交替，因而檢測室8可充滿新鮮廢水樣品。一段給定的時間后，如30秒后，馬達53按程序逆轉(zhuǎn)其轉(zhuǎn)向，可動式蓋32拉向“A”方向直到檢測室8完全關(guān)閉或封閉。
新鮮廢水樣品分析如圖2所述。當完成樣品分析后，中央控制器逆轉(zhuǎn)馬達53的方向，以推動可動式蓋32使其再度開放，進一步補充及取新鮮樣本。
圖4說明本發(fā)明另一實施方案，其中檢測室8含有帶檢測端50A的檢測探針10A。檢測探針10A為溶氧探針。檢測室8亦含有檢測端50B的檢測探針10B。檢測探針10B為熒光探針。
螺旋槳48位于檢測室8內(nèi)。蓋32覆蓋開口66(如圖3和5所示)時為關(guān)閉狀態(tài)?？諝鈹U散器103位于檢測室8內(nèi)且與空氣或氧源相接。
螺旋槳48經(jīng)一連串共軸管102、104及106與馬達箱100相接。螺帽108與推軸套筒112含于且連接于中管104。外管102裝于基座101上。螺帽108可垂直沿螺紋桿110移動，視馬達116轉(zhuǎn)動方向而開啟或關(guān)閉蓋32。僅當中管104上的誘導引力超過螺帽108起動螺桿110所需的扭矩時，帽180才能垂直運動。該引力可由連在中管104上的螺旋槳和/或任何與中管104相接的套筒或其他元件所誘導。推軸套筒112支撐當蓋32關(guān)閉時承受中心管106的軸向拉力的軸114。軸114可使中管104不依賴中心管106而運動，且將中管104的垂直運動傳向中心管106。外管102支撐馬達箱100及檢測室8且可同時保護內(nèi)部零件。檢測室8大體上與外管102密封，當蓋32拉至檢測室8時室8內(nèi)空間則被密封。
當馬達116朝一方向旋轉(zhuǎn)時，螺帽108移離馬達并將蓋32推開。當螺帽108到達栓118時，螺帽108停止垂直移動使得中管104與馬達速度大致相同。檢測室8隨之開啟且螺旋槳48引起檢測室8內(nèi)外液體的交換，如圖5所示。
當馬達116和螺紋桿110朝相反方向旋轉(zhuǎn)時，螺帽18移向馬達，將蓋32拉合。當檢測室8關(guān)閉時，螺帽108上的張力防止螺帽108的軸向移動。這使中管104與馬達116及螺紋軸110的轉(zhuǎn)速相同。檢測室8隨之關(guān)閉，因此液體留在檢測室8內(nèi)，并不斷由螺旋槳48攪拌，如圖4所示。
圖6說明圖4及5中所示的各種驅(qū)動元件的剖視圖螺紋桿110固定于可逆馬達116并防止其軸向移動。此現(xiàn)象使得僅當中管104產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)阻力大于螺帽108沿螺紋桿110移動所需扭力時才會在中管104內(nèi)直線移動。要防止中管104軸向移動，中管104的旋轉(zhuǎn)速度必需等于馬達的旋轉(zhuǎn)速度。此現(xiàn)象發(fā)生在檢測室8關(guān)閉或螺帽108到達較低的栓118時。
中管104沿其縱軸移動以開放或關(guān)閉檢測室8。其向一方向旋轉(zhuǎn)時為開啟而向相反方向旋轉(zhuǎn)時為關(guān)閉。栓連在螺紋桿110上且可防止螺帽108直線運動超過螺紋桿110的長度。外管102作為保護套且當蓋32關(guān)閉時壓縮。中心管106連在蓋32上。其旋轉(zhuǎn)不依賴中管104但與中管104同時軸向移動。推軸套筒112扣住軸114且連在中管104上。其使中管104不依賴中心管106而旋轉(zhuǎn)且將軸向移動從中管104傳至中心管106。軸114承受中心管106的軸向張力并使中管104不依賴中心管106而旋轉(zhuǎn)。
監(jiān)視生物活性的裝置可在WWTP的任何步驟或其任何組合中使用。裝置與典型WWTP的合并圖示于圖7。圖1—6所示典型廢水處理廠厭氧、缺氧及/或需氧步驟中裝置的一般應(yīng)用及使用討論如下1.厭氧步驟中的應(yīng)用裝在WWTP厭氧步驟中生物活性監(jiān)視裝置的操作圖說明于圖8。NFU一詞，如圖8所示及下文使用時，表示NADH熒光的正?；蛳鄬α炕蛩健７治鋈N參數(shù)ΔNFU1、ΔNFU2及Δt1以估計微生物的生物活性。ΔNFU表示NADH濃度增加的總和；ΔNFU1表示第一步驟NADH濃度的增加；ΔNFU2表示第二步驟NADH濃度的增加；及Δt1表示在WWTP厭氧步驟期間缺氧部分的時間。處理中厭氧步驟的混合液體經(jīng)有氧、缺氧及厭氧狀態(tài)的全部NADH濃度變化可以此公式表示之
ΔNFU＝ΔNFU1＋ΔNFU2ΔNFU與樣品中全部的生物量濃度成正比。雖然生物量濃度的絕對值不能從單一測量決定，但可以此技術(shù)中已知的方法精確而可靠地估計脫氮及非脫氮微生物的群體分布。當樣品中溶氧濃度降低至臨界值并最后耗盡時，不能用硝酸鹽和/或亞硝酸鹽作電子受體的微生物轉(zhuǎn)為厭氧狀態(tài)，使混合液體從有氧轉(zhuǎn)為缺氧狀態(tài)。這相當于第一次生物活性的增加ΔNFU1。大部分不能進行脫氮作用的微生物為自營硝化菌，如亞硝酸菌屬及硝酸菌屬。因此，ΔNFU1/ΔNFU值與全部生物量群體中的硝化菌百分比成正比。反之，可進行脫氮作用的微生物進入?yún)捬鯛顟B(tài)前能消耗樣品中全部硝酸鹽。
樣品中NADH的第二步增加，ΔNFU2，對應(yīng)于樣品從缺氧轉(zhuǎn)為厭氧狀態(tài)。因此ΔNFU2/ΔNFU值與全部生物量群體中的脫硝菌百分比成正比。
生物活性監(jiān)視裝置在WWTP缺氧步驟中的一種可能應(yīng)用是確定NH3的移除效率。當ΔNFU1/ΔNFU值低于預定值時，生物反應(yīng)槽中的硝化菌群體低于適當移除NH3所需的量。改變操作參數(shù)，如增加水力滯留時間或增加RAS流速，可幫助改進處理過程而使WWTP更為有效。若采用修改的回流活性污泥(RAS)流速參數(shù)，應(yīng)持續(xù)直到ΔNFU1值達到設(shè)定點，因此硝化菌群體將多至足以維持適當?shù)南趸俾省?br> 2.缺氧步驟中的應(yīng)用WWTP缺氧步驟中使用的生物活性監(jiān)視裝置的操作圖說明于圖9。兩個參數(shù)，ΔNFU3表示在樣品由缺氧轉(zhuǎn)為厭氧狀態(tài)時生物活性的變化，更具體地說是NADH熒光的變化，Δt2表示樣品缺氧狀態(tài)下以分鐘計的時間，對監(jiān)視及控制WWTP的缺氧步驟很有用。
Δt2值為從檢測室8取得樣品至完成氮硝作用的測定時間。Δt2值用來估計整個缺氧步驟中水力滯留時間，Tden，是否夠長足以完成脫氮過程。理想時間為Tden＝Δt2。要得到此理想脫氮時間，可相應(yīng)調(diào)整內(nèi)部再循環(huán)速率。
3.有氧步驟中的應(yīng)用WWTP有氧步驟結(jié)束時使用裝置的操作圖說明于圖10。因為污染物幾乎完全降解，所以BOD濃度很低，且與所得樣品從有氧至缺氧狀態(tài)的代謝改變相應(yīng)的生物活性濃度變化很小，但還是可測出。
本發(fā)明在有氧狀態(tài)中的一個應(yīng)用是作為NH3測量計。其最好操作如下兩組監(jiān)視裝置(未表示出)可在生物反應(yīng)槽2(如圖1所示)的相同位置使用。兩個檢測室8(或如圖4及5所示，如同時使用D.O.及熒光探針則為一個檢測室8)同時裝滿混合液體樣品。對第一個檢測室，如圖10所示，Δt3表示由電腦13記錄的從取得樣品至樣品開始有氧狀態(tài)的時間。在第二個檢測室中，檢測室充滿混合液體后立刻從送入器52，如圖1所示，添加一定量的NH3，如0.5ppm，如此將得知檢測室8內(nèi)NH3濃度的變化。隨之記錄從檢測室8取得樣品至檢測室8內(nèi)廢水開始缺氧狀態(tài)的時間Δt4。
為了測定NH3濃度，假設(shè)有氧步驟結(jié)束時的溶氧(D.O.)消耗大多由于硝化過程。有氧步驟期間溶氧消耗的典型操作圖說明于圖11。實驗結(jié)果顯示，當以送入器52添加醋酸鹽及葡萄糖(5ppm)入系統(tǒng)時混合液體的耗氧速率幾乎不變化，而添加0.1ppm的NH3入系統(tǒng)時可觀察到明顯變化。
WWTP有氧狀態(tài)中的NH3濃度表示如下(NH3)1＝ΔNH3Δt4/(Δt3—Δt4)其中(NH3)1為有氧步驟結(jié)束時水相中的氨濃度，ΔNH3為添入第二檢測室的已知量的氨。本發(fā)明可在WWTP有氧狀態(tài)中使用以準確監(jiān)視生物反應(yīng)槽內(nèi)NH3濃度。隨后可改變各種系統(tǒng)參數(shù)，如滯留時間，以增強硝化過程，需要的話可增加廢水處理系統(tǒng)的效率。
廢水處理廠有氧步驟中帶D.O.探針的裝置的使用描述如下當樣品室8充滿新鮮廢水(混合液體)時，溶氧濃度由D.O.探針測得。根據(jù)起始D.O.濃度，可經(jīng)由裝在室8內(nèi)的空氣擴散器103樣品室8提供空氣以使D.O.濃度高于預設(shè)值。
當通氣結(jié)束后，D.O.濃度因廢水(混合液體)中生物的耗氧而減少。一般時間Δt內(nèi)，溶氧濃度的降低可表示為ΔD.O.。生物耗氧速率(BOCR)定為BOCR=ΔD.O.Δt]]>得知生物耗氧速率(BOCR)，克(升—小時)-1，及樣品室8中溶氧起始濃度，CiC，克.升-1，亦為取得樣品時廢水處理槽的D.O.濃度，氧傳遞系數(shù)KLa可推算為kLa=BOCRC*-Ci]]>其中C*為在流動溫度及空氣壓力下水相中氧的飽和濃度。對于指定的廢水處理設(shè)備而言，氧傳遞系數(shù)KLa可用通氣法如通氣槽中細泡擴散器或機械式表面通氣器及空氣流速Q(mào)air測得。因此，得知所需KLa值即可準確控制空氣流速Q(mào)air。
當溶氧濃度降至低于臨界值時，廢水(混合液體)進入?yún)捬鯛顟B(tài)，若硝酸鹽和/或亞硝酸鹽存在下則進入缺氧狀態(tài)。轉(zhuǎn)變點可由NADH探針及D.O.探針測得。通氣關(guān)閉至轉(zhuǎn)變點的總時間記錄為生物耗氧時間(BOCT)。對給定的D.O.濃度及廢水(混合液體)而言，生物耗氧時間視殘留在廢水中的營養(yǎng)物而定。廢水中營養(yǎng)物量較低時廢水(混合液體)消耗的D.O.亦較少，這使生物耗氧時間較長。因此BOCT顯示移除廢水中營養(yǎng)物的程度，可用以檢查處理過程的效率。
根據(jù)本發(fā)明的方法，可得到WWTP有氧步驟中關(guān)于生物量組成、脫氮作用、硝化作用與BOD移除過程的效率及氨濃度的信息。此信息可由電腦13監(jiān)視及分析，該電腦可評估WWTP中厭氧、缺氧及需氧步驟中的生物活性，且可改變系統(tǒng)參數(shù)如RAS流速、供氧速率、內(nèi)部再循環(huán)速率或水力滯留時間等等，以在過渡條件或正常操作下使WWTP的效率最佳化。
雖然用特定的實施方案說明了本發(fā)明，但應(yīng)注意，可以多種相似物代替特定的原理及步驟，而不背離所附權(quán)利要求中定義的本發(fā)明的本質(zhì)或范圍。例如，本發(fā)明可用來單獨地監(jiān)視廢水處理廠中有氧、缺氧及厭氧等個別步驟的各種參數(shù)，或本發(fā)明可用來監(jiān)視及控制整個WWTP操作使其效率最佳化。另外，本發(fā)明的個別元件可以相似物取代。例如，檢測室8中的樣品可用任何可控制的攪拌方法使其均勻懸浮。監(jiān)視系統(tǒng)可能包括帶應(yīng)用軟件的個人電腦或單獨分析的個別電子儀器，其在本技術(shù)中都是已知的。在此強調(diào)，雖然重點在于測量NADH熒光以確定NADH的量或濃度，但主要是強調(diào)其為測定NADH量或濃度的優(yōu)選方法。可完成此工作的其他手段和方法亦完全納入本發(fā)明的范圍。例如，NADH量或濃度可用生化檢測法，如對NADH敏感的檢測法測得。此類檢測法在此技術(shù)中為已知且在檢測法中典型地利用酶及底物成分作為輔助。其他已知及尚未開發(fā)的方法只要能測定NADH存在亦可使用。在此亦強調(diào)，雖然重點在于用“探針”測定溶氧以確定氧量或濃度，但主要是強調(diào)其為測定氧量或濃度的優(yōu)選方法?？赏瓿纱斯ぷ鞯钠渌椒ㄒ嗤耆{入本發(fā)明的范圍。其他已知及尚未開發(fā)的方法只要能測定廢水中氧的存在亦可使用。
權(quán)利要求書按照條約第19條的修改34.一種在廢水處理過程中監(jiān)視生物活性的方法，其中包括的步驟有a)從供給廢水中原位分離廢水樣品；b)以1)用選擇的波長輻射樣品；根據(jù)輻射檢測樣品中微生物的NADH所放出的熒光變化；并分析NADH熒光變化以確定選擇的樣品性質(zhì)的狀態(tài)；或2)檢測樣品中溶氧量的變化；及分析溶氧變化以確定選擇的樣品性質(zhì)的狀態(tài)。
35.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中樣品性質(zhì)選自生物量、生物量成分、脫氮作用、硝化作用效率、NH3濃度、生物需氧量及供氧量。
36.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，進一步包括將樣本返回廢水處理過程的步驟。
37.一種監(jiān)視及控制廢水處理過程中生物活性的方法，包括從供應(yīng)廢水中原位分離廢水樣品；測量該廢水樣品所含微生物中的NADH量；分析該NADH量的變化；檢測該樣品中溶氧量的變化；分析溶氧量變化以確定選擇的樣品性質(zhì)的狀態(tài)；及在處理過程中根據(jù)該變化控制選擇的過程參數(shù)。
38.根據(jù)權(quán)利要求37的方法，其中該分析步驟確定選擇的樣品性質(zhì)。
39.根據(jù)權(quán)利要求38的方法，其中該樣品性質(zhì)選自生物量、生物量成分、脫氮作用、硝化作用效率、NH3濃度、生物需氧量和供氧量。
40.根據(jù)權(quán)利要求37的方法，其中該過程參數(shù)選自回流活性污泥流率、內(nèi)部再循環(huán)率，供氧率和水力滯留時間。
41.一種在廢水處理過程中監(jiān)視和控制生物活性的方法，它包括在該廢水處理過程中從廢水中原位分離廢水樣品；測定該分離出的廢水樣品中所含微生物的NADH；分析該NADH的變化；根據(jù)該變化控制該處理過程中的選擇的過程參數(shù)。
42.一種在廢水處理過程中監(jiān)視和控制生物活性的方法，它包括在該廢水處理過程中從廢水中原位分離廢水樣品；測定該分離出的廢水樣品中所含微生物的NADH；分析該微生物的生物活性的轉(zhuǎn)變而引起的NADH變化；根據(jù)該變化控制該處理過程中的選擇的過程參數(shù)。
43.一種在廢水處理過程中監(jiān)視生物活性的方法，它包括如下步驟在該廢水處理過程中從廢水中原位分離廢水樣品；檢測該分離出的樣品中所含微生物由于其生物活性的轉(zhuǎn)變而引起的NADH變化；以及分析NADH變化以確定所選擇的樣品性質(zhì)的狀態(tài)。
44.一種在廢水處理過程中監(jiān)視和控制生物活性的方法，它包括在該廢水處理過程中從廢水中原位分離廢水樣品；引起該分離出的廢水樣品中所含微生物的生物活性變化；測定該微生物的NADH；分析該NADH的變化；根據(jù)該變化控制該處理過程中的選擇的過程參數(shù)。
45.一種在廢水處理過程中監(jiān)視生物活性的方法，它包括如下步驟在該廢水處理過程中從廢水中原位分離廢水樣品；引起該分離出的廢水樣品中所含微生物的生物活性變化；檢測該微生物的NADH變化；以及分析NADH變化以確定所選擇的樣品性質(zhì)的狀態(tài)。
權(quán)利要求
1.一種在廢水處理過程中原位監(jiān)視及控制生物活性的裝置，它包括浸于處理供應(yīng)廢水中的廢水取樣箱，該取樣箱帶有廢水出口；為開啟和關(guān)閉該出口而設(shè)置的蓋子；位于取樣箱內(nèi)的廢水分配器；檢測端位于取樣箱內(nèi)的探針；與該探針相接的生物活性分析儀；及與1)該分析儀及蓋子相接以在選擇的時間間隔內(nèi)將樣品引入箱內(nèi)及從箱內(nèi)移出及與2)一種或多種過程參數(shù)控制器相連的過程控制器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中該過程參數(shù)控制器的控制參數(shù)選自初始流入率、回流活性污泥輸入率、脫氮再循環(huán)率、微生物種類及性質(zhì)、厭氧、缺氧及有氧步驟的數(shù)目和位置、該厭氧、缺氧及有氧步驟中的滯留時間、營養(yǎng)物種類及供給率、空氣或氧純度及供給率、pH及溫度。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的裝置，其中該探針為溶氧檢測探針。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的裝置，其中該分析儀分析箱內(nèi)樣品的溶氧含量。
5.根據(jù)權(quán)利要求2的裝置，其中該探針包括根據(jù)該箱而設(shè)置的輻射源，其可用選擇的波長輻射箱內(nèi)的廢水；根據(jù)該箱內(nèi)廢水而設(shè)置的檢測器，其可根據(jù)該輻射檢測箱內(nèi)廢水中微生物的NADH放出熒光的變化；及與該檢測器和控制器相連的NADH分析儀。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，進一步包括與該箱相連的樣品攪拌器。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的裝置，其中該攪拌器包括位于該箱內(nèi)的機械攪拌器。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的裝置，其中該攪拌器由馬達操作。
9.根據(jù)權(quán)利要求6的裝置，其中該箱帶有液體流動出口且借助該攪拌器輔助液體流進及流出該箱。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的裝置，進一步包括與出口相鄰并適合移向及移離出口的箱門。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的裝置，進一步包括至少一與箱門相連且適于與該箱作相對運動的開啟/關(guān)閉元件。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的裝置，進一步包括1)與該開放/關(guān)閉元件相接的彈簧以大體上對門施加正比于開啟的恒定關(guān)閉力及2)與該開啟/關(guān)閉元件相連的螺線管以對門施加正比于開啟的足夠開啟力而克服彈簧的關(guān)閉力。
13.根據(jù)權(quán)利要求11的裝置，進一步包括1)與該開啟/關(guān)閉元件相接的彈簧以大體上對門施加正比于開啟的恒定關(guān)閉力及2)與該開啟/關(guān)閉元件相連的馬達以對門施加正比于開啟的足夠開啟力而克服彈簧的關(guān)閉力。
14.根據(jù)權(quán)利要求2的裝置，其中該門與馬達相連。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的裝置，其中馬達向第一個方向旋轉(zhuǎn)時該門移向出口，馬達向第二方向旋轉(zhuǎn)時該門移離出口。
16.根據(jù)權(quán)利要求14的裝置，進一步包括與該馬達相接的機械攪拌器，當該門在關(guān)閉狀態(tài)封住檢測室和/或當門在開啟狀態(tài)時攪拌器能操作。
17.一種在流體處理過程中監(jiān)視生物活性的裝置，包括與流體供給相連的流體取樣箱；根據(jù)該箱而設(shè)置的輻射源，其可用選擇的波長輻射該箱中的流體樣品；根據(jù)該樣品而設(shè)置的探針，其可根據(jù)該輻射檢測微生物中NADH放出的熒光的變化；用于分析由該探針檢測出的NADH熒光變化的裝置；以及與該分析裝置相連的控制器，其可在選擇的時間間隔內(nèi)將樣品引入和移出該箱。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的裝置，進一步包括與該探針相連、用來記錄探針檢測出的NADH熒光變化的貯存器。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的裝置，其中該貯存器、分析NADH熒光變化的裝置及該控制器包含電腦。
20.根據(jù)權(quán)利要求17的裝置，其中該輻射源及探針為整體的并以360nm波長輻射樣品且在460nm下檢測NADH熒光。
21.根據(jù)權(quán)利要求17的裝置，進一步包括與出口相鄰并適合移向和移離出口的箱門。
22.根據(jù)權(quán)利要求21的裝置，進一步包括至少一與該門相連并適合移向該箱子的開啟/關(guān)閉元件。
23.根據(jù)權(quán)利要求22的裝置，進一步包括1)與該開啟/關(guān)閉元件相接的彈簧以大體上對門施加正比于開啟的恒定關(guān)閉力及2)與該開啟/關(guān)閉元件相接的螺線管以對門施加正比于開啟的足夠開啟力而克服彈簧的關(guān)閉力。
24.根據(jù)權(quán)利要求22的裝置，進一步包括1)與該開啟/關(guān)閉元件相連的彈簧以大體上對門施加正比于開啟的恒定關(guān)閉力及2)與該開啟/關(guān)閉元件相接的馬達以對門施加正比于開啟的足夠開啟力而超越彈簧的關(guān)閉力。
25.一種于廢水處理過程中原位監(jiān)視生物活性的裝置，包括浸于供給廢水中的帶出口的廢水取樣室；與該出口相鄰且大體上能封閉該室的門；根據(jù)該取樣室而設(shè)置的、用來檢測室內(nèi)廢水樣品的溶氧含量變化的探針；與該探針相接的溶氧分析儀；及與該分析儀及門相接的控制器，用來在選擇的時間間隔內(nèi)將樣本送進箱內(nèi)及從箱內(nèi)移出。
26.根據(jù)權(quán)利要求25的裝置，進一步包括與該探針相接、用來記錄探針檢測出的溶氧變化的貯存器。
27.根據(jù)權(quán)利要求26的裝置，其中該貯存器、分析儀及控制器包括電腦。
28.根據(jù)權(quán)利要求25的裝置，進一步包括置于該室內(nèi)的樣品攪拌器。
29.根據(jù)權(quán)利要求28的裝置，其中該攪拌器包括機械攪拌器。
30.根據(jù)權(quán)利要求29的裝置，其中該攪拌器由馬達操作。
31.根據(jù)權(quán)利要求28的裝置，其中當門開啟時該攪拌器輔助流體流進和流出取樣室。
32.根據(jù)權(quán)利要求31的裝置，其中使該門適合移向及移離該出口。
33.一種在流體處理過程中原位監(jiān)視生物活性的裝置，包括浸于處理過程中供應(yīng)流體中的流體取樣室，該取樣室具有出口以允許流體的進出；設(shè)置的可移向及移離該出口的蓋子；置于取樣室內(nèi)的流體攪拌器；檢測端在取樣室內(nèi)的溶氧探針；與該探針相接的溶氧分析儀；與該分析儀及蓋子相接的控制器，其可在選擇的時間間隔內(nèi)將樣品送入該取樣室內(nèi)及移離取樣室；根據(jù)該箱而設(shè)置的輻射源，其可用選擇的波長輻射箱內(nèi)廢水；根據(jù)箱內(nèi)廢水而設(shè)置的檢測器，其可根據(jù)該輻射檢測箱內(nèi)廢水微生物中NADH發(fā)出熒光的變化；及與該檢測器及控制器相連的NADH分析儀。
34.一種在廢水處理過程中監(jiān)視生物活性的方法，其中包括的步驟有a)從供給廢水中分離廢水樣品；b)以1)用選擇的波長輻射樣品；根據(jù)輻射檢測樣品中微生物的NADH所放出的熒光變化；并分析NADH熒光變化以確定選擇的樣品性質(zhì)的狀態(tài)；或2)檢測樣品中溶氧量的變化；及分析溶氧變化以確定選擇的樣品性質(zhì)的狀態(tài)。
35.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中樣品性質(zhì)選自生物量、生物量成分、脫氮作用、硝化作用效率、NH3濃度、生物需氧量及供氧量。
36.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，進一步包括將樣本返回廢水處理過程的步驟。
37.一種監(jiān)視及控制廢水處理過程中生物活性的方法，包括從供應(yīng)廢水中分離廢水樣品；測量該廢水樣品所含微生物中的NADH量；分析該NADH量的變化；檢測該樣品中溶氧量的變化；分析溶氧量變化以確定選擇的樣品性質(zhì)的狀態(tài)；及在處理過程中根據(jù)該變化控制選擇的過程參數(shù)。
38.根據(jù)權(quán)利要求37的方法，其中該分析步驟確定選擇的樣品性質(zhì)。
39.根據(jù)權(quán)利要求38的方法，其中該樣品性質(zhì)選自生物量、生物量成分、脫氮作用、硝化作用效率、NH3濃度、生物需氧量和供氧量。
40.根據(jù)權(quán)利要求37的方法，其中該過程參數(shù)選自回流活性污泥流率、內(nèi)部再循環(huán)率，供氧率和水力滯留時間。
全文摘要
一種通過測量微生物細胞內(nèi)NAD(P)H及/或混合溶液中溶氧的變化，以監(jiān)視及控制厭氧、缺氧及需氧條件下混合溶液中生物活性的裝置。該裝置包括帶開口(66)的室(8)，可動式蓋(32)和檢測探針(10)。一種根據(jù)本監(jiān)視系統(tǒng)得到的結(jié)果所控制的廢水處理系統(tǒng)。
文檔編號C02F3/00GK1127500SQ94192840
公開日1996年7月24日 申請日期1994年7月18日 優(yōu)先權(quán)日1993年7月20日
發(fā)明者楊新, 李肇芳, S·K·曼尼辛, M·E·寇伯 申請人:美商生化科技公司