УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ БИОЛОГИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ В ПРОЦЕССЕ ОБРАБОТКИ СТОЧНЫХ ВОД И СПОСОБ ЕЕ КОНТРОЛЯ Российский патент 1999 года по МПК C02F3/00 

Настоящее изобретение касается устройств и способов контроля (мониторинга) биологической активности в сточных водах и управления их обработкой, а более точно - устройств и способов контроля в реальном масштабе времени метаболической активности микроорганизмов в активном иле, используемом в процессе обработки сточных вод, и применение результатов такого контроля для управления отдельными аспектами процесса обработки.

Предшествующий уровень техники
В настоящее время в установках для обработки сточных вод (waistewater treatment plant - WWPT) используются разнообразные процессы удаления биологических питательных веществ (biological nutrient removal - BNR), способствующие разложению загрязнений. В типичном BNR-процессе загрязнители сточных вод, такие как источники углерода (измеряемые показателем биологической потребности в кислороде - biological oxigen demand, или BOD), аммиак, нитраты, фосфаты и т.п. перерабатываются активным илом в анаэробных, бескислородных и аэробных стадиях, также известных в данной области техники. В анаэробной стадии сточные воды с предварительным процессом отстаивания или без него смешиваются с возвращением активированным илом (return activated sludge - RAS), который будет иногда называться в дальнейшем тексте "смешанной жидкостью", см. ниже.

В большинстве установок для обработки сточных вод в процесс удаления биологических питательных веществ (BNR) включается одна или несколько бескислородных стадий. В бескислородной стадии денитрификаторы. т.е. микробы, способные к денитрификации, используют нитраты и/или нитриты как акцепторы электронов и в процессе денитрификации потребляют некоторые имеющиеся источники углерода. Нитраты обычно подаются обратно путем рециклинга определенного объема сточных вод в конце кислородной стадии в начало бескислородной стадии.

Обычно в BNR-процессах используют одну или несколько кислородных стадий. В кислородной стадии воздух, содержащий 20% кислорода, или чистый кислород подается таким образом, чтобы сохранять желаемый уровень растворенного кислорода. Аутотрофные нитрификаторы, т.е. микробы, способные использовать аммиак в качестве источника энергии, в аэробных условиях превращают аммиак в нитрит или нитрат. Полифосфатные микробы сточных вод поглощают фосфаты из водной фазы и переваривают их внутриклеточные запасы PHB и PHV, превращая их в полифосфаты, - соединения, аккумулирующие энергию. Таким образом происходит пополнение полифосфатного пула полифосфатных микробов и удаление фосфора из водной фазы. Фосфор затем удаляется из системы путем обработки ила методами, хорошо известными в данной области техники. Остающиеся в водной фазе источники углерода в аэробных условиях перевариваются аэробными микроорганизмами.

Однако имеются проблемы, связанные с обеспечением устройств и способов контроля биологической активности в системах обработки сточных вод на анаэробной, бескислородной и/или кислородной стадиях, которые могли бы максимально повысить эффективность процесса обработки. Имеются также проблемы, связанные с обеспечением устройств и способов контроля процесса очистки в реальном масштабе времени для адекватного управления анаэробными, бескислородными и/или кислородными стадиями процесса обработки сточных вод, особенно в отношении кратковременных и других изменений условий процесса.

В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения соответствующий прибор контролирует и управляет биологической активностью смешанной жидкости при анаэробных, бескислородных и аэробных условиях путем измерения изменений внутриклеточного никотинамид аденин динуклеотид фосфата (в дальнейшем иногда называемого NAD(P)H) микроорганизмов. NAD+является окисленной формой NAD(P)H. Соотношение (NAD(P)H/(NAD+NAD(P)H) в микроорганизмах изменяется во время сдвига в метаболической активности микроорганизмов. Соответствующее изменение в флуоресценции NAD(P)H (в дальнейшем иногда называемого как "NADH") определяется и затем регистрируется контролирующей системой (например, онлайновой компьютерной системой сбора данных в реальном масштабе времени), которая анализирует изменения и оценивает биологическую активность смешанной жидкости. Контролирующая система затем определяет изменения в эксплуатационных параметрах, необходимых для достижения максимальной производительности BNR-процесса в системе сточных вод.

По способу в данном варианте осуществления изобретения образец (пробу) смешанной жидкости изолируют от биореакторного резервуара in situ в камеру, снабженную NADH-детектором процесса (NADH - никотинамид аденин динуклеотид фосфат). Образец перемешивают для обеспечения однородной суспензии микроорганизмов в сточных водах и разницу во флуоресценции NADH между анаэробным, бескислородным и аэробным состояниями образца смешанной жидкости в камере регистрируют и анализируют с помощью данной контрольной системы. Образец смешанной жидкости затем возвращают или реинъецируют в биореакторный резервуар, и управление данной системой обработки сточных вод осуществляется в соответствии с результатами, полученными этой контролирующей системой.

В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения предлагаемый прибор контролирует и управляет биологической активностью сточных вод при аэробных и бескислородных условиях путем измерения изменения растворенного кислорода, содержащегося в сточных водах. Количество растворенного кислорода в сточных водах изменяется в результате метаболической активности микроорганизмов сточных вод. Соответствующее изменение растворенного кислорода (в дальнейшем иногда называемого как "D.O". - dissolved oxigen) определяется и затем регистрируется контролирующей системой (например, онлайновой компьютерной системой сбора данных в реальном масштабе времени), которая анализирует изменения и оценивает биологическую активность сточных вод. Эта контрольная система затем определяет изменения в эксплуатационных параметрах, необходимых в системе обработки сточных вод для достижения максимальной производительности процессов биологической обработки сточных вод, особенно BNR-процессов (процессов удаления биологических питательных веществ).

По способу в данном конструктивном оформлении образец сточных вод откачивают насосом из биореакторного резервуара в камеру in situ, снабженную D. O. - детектором (детектором растворенного кислорода). Образец перемешивают для обеспечения однородного распределения сточных вод и разница в D.O. сточных вод регистрируется и анализируется контролирующей системой. Определение и контроль D.O. могут быть предпочтительно использованы в сочетании с другими приборами определения и контроля биологической активности, такими как приборы определения и контроля NADH, для поддержки управления всеми или отдельными стадиями (аэробной, бескислородной или кислородной) процесса обработки сточных вод.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

Фиг. 1 показывает схематический вид спереди одного из вариантов конструктивного оформления устройства согласно данному изобретению, используемого для определения и контроля растворенного кислорода или флуоресценции в биореакторном резервуаре.

Фиг. 2 показывает схематически в разобранном виде, частично в разрезе, устройство для отбора проб в сточных водах.

Фиг. 3 показывает схематически в разобранном виде, частично в разрезе, другой вариант конструктивного оформления указанного устройства.

Фиг. 4 показывает схематически вид спереди другого варианта осуществления изобретения, используемого для определения и контроля растворенного кислорода и/или флуоресценции биореакторного резервуара, причем этот резервуар находится в закрытом состоянии.

Фиг. 5 показывает схематически вид спереди устройства, показанного на фиг. 4, с резервуаром в открытом состоянии.

Фиг. 6 показывает схематически в разобранном виде, частично в разрезе, часть устройства, показанного на фиг. 4 и 5.

Фиг. 7 представляет схему контроля типичного процесса обработки сточных вод, использующего предлагаемые варианты осуществления данного изобретения.

Фиг. 8 представляет график функционального разреза по изменению флуоресценции NADH (никотинамид аденин динуклеотид фосфат), начиная с анаэробной стадии обработки.

Фиг. 9 представляет график функционального разреза по изменению флуоресценции NADH, начиная с бескислородной стадии обработки.

Фиг. 10 представляет график функционального разреза по изменению биологической активности, измеренной с помощью флуоресценции и растворенного кислорода, начиная с кислородной стадии обработки.

Фиг. 11 представляет график функционального разреза по изменению процента растворенного кислорода, начиная с кислородной стадии обработки.

Правильная оценка и управление сложным BNR-процессом (процессом удаления биологических питательных веществ) требует точного и постоянного определения метаболической активности смешанной жидкости в различных средах и при целом ряде условий. В отличие от метаболизма кислорода, который происходит только в аэробной стадии BNR-процесса, метаболизм NADH (никотинамид аденин динуклеотид фосфат) происходит во всех стадиях. Таким образом, NADH является прекрасным индикатором метаболической активности, который может быть использован для контроля всего BNR-процесса. Метаболизм кислорода также играет важную роль в управлении тех частей BNR, которые могут в дальнейшем быть усилены, особенно когда связаны с метаболизмом NADH. Преобладающие микроорганизмы и активные метаболические процессы отличаются в зависимости от окружающих условий различных стадий биореактора. Однако одним общим фактором является необходимость переноса энергии окисления доступных источников энергии.

Чтобы эффективно управлять операциями BNR-процесса, необходимо регулировать специфические параметры процесса, основанные на биологической активности микроорганизмов в анаэробной, бескислородной и кислородной стадиях обработки. Установки для обработки сточных вод часто подвергаются воздействию различных кратковременных условий, например, таких как дневные изменения органических наносов. Управление процессом обработки в зависимости от этих условий требует быстрых и эффективных способов измерения биологической активности. Оборудование снабжается типичными установками для обработки сточных вод (WWTP), которые позволяют регулировать такие процессы, но не с эффективностью и точностью реального масштаба времени. Например, параметры процесса, управляемые таким оборудованием, включают в себя скорость подачи первичного элюента, скорость подачи возвращенного активного ила, скорость рецикла денитрификации, тип и количество микроорганизмов, число и расположение анаэробных, бескислородных и кислородных стадий, время нахождения, тип питательного вещества и скорость введения, чистота воздуха или кислорода и скорость введения, pH, температура и тому подобное.

Изобретение направлено на улучшение устройства для контроля и управления биологической активностью в системах обработки сточных вод путем определения изменений в уровне внутриклеточного NADH микроорганизмов и/или растворенного кислорода в смешанной жидкости. Устройство включает в себя камеру, которая открывается и закрывается для того, чтобы захватить образец смешанной жидкости. Камера содержит детектор NADH и/или зонд растворенного кислорода, которые определяют изменения в биологической активности как сдвиг в метаболизме смешенной жидкости из-за изменений условий окружающей среды. Эти изменения биологической активности в реальном масштабе времени могут контролироваться и могут быть использованы как входные данные для проведения процесса и управления алгоритмами для обеспечения эффективного рабочего процесса. Такие алгоритмы известны в данной области техники и далее не обсуждаются. Необходимо отметить, что в последующем конструктивное оформление настоящего изобретения приводится только для иллюстрации и не предлагает ограничивать так или иначе характер и объем данного изобретения как определяющее в дополнительных пунктах формулы изобретения.

Одно из конструктивных оформлений устройств для отбора проб сточных вод показано на фиг. 1. Биореакторный резервуар 1 (или альтернативно русло сточных вод) содержит сточные воды 2, а также ил. Устройство детектирования расположено в верхней части биореакторного резервуара 1 и распространяется на сточные воды 2. Устройство включает центральное устройство управления 20, связанное с компьютером/монитором 13 проводным или беспроводным соединением 22. Компьютер 13 управляет фундаментальными аспектами процесса обработки сточных вод и поэтому является устройством регулирования процесса. Подобным же образом центральное устройство управления 20 связано с зондом детектирования 10 путем проводного соединения 24. Корпус двигателя 26 также связан с центральным устройством управления 20 проводным соединением 28. Электропитание подается к корпусу двигателя 26 также проводным соединением 28.

Зонд детектирования 10 помещается в контейнер для пробы сточных вод или камеру детектирования 8 и связывается посредством электрического соединения с компьютером/монитором 13 для определения изменений количества растворенного кислорода во флуоресценции, испускаемой микроорганизмами в образце сточных вод. Предпочтительно зонд детектирования растворенного кислорода производится ф. Yellow Spring Instrument. Зонд 10 может быть также флуоресцентным зондом детектирования. Предпочтительно флуоресцентный зонд детектирования 10, известный как "FLUOROMEASURE" производится в соответствии с патентом США 4,577,110. Безусловно, и другие устройства могут быть использованы в качестве зондов, если будет доступно такое же или подобное детектирование. Компьютер/монитор 13 может быть любого подходящего типа, например, персональный компьютер. Устройство для подвода питания 52 также связано с компьютером/монитором 13, обеспечивая питательными продуктами, кислородом и другими реактантами микроорганизмы в сточных водах в камере детектирования 8.

Узел отбора проб 11 установлен на подвижной платформе 30, которая способна двигаться практически вертикально вверх и вниз, продвигая зонд детектирования 10 внутрь сточных вод 2 и из них. Определенная структура подвижной платформы 30 не является решающей при условии, что сохраняется подвижность узла отбора проб 11. Зонд (датчик) детектирования 10 имеет подвижную головку 50, расположенную в камере детектирования 8 (как показано на фиг. 2). Камера детектирования 8 имеет отверстие 66 и смежную двигающуюся крышку 32, являющуюся средством перекрытия, которая двигается вертикально вверх и вниз вдоль направляющих пазов 34 и открывает или изолирует отверстие 66.

На фиг. 2 показан вид в разрезе другой специфической конструкции блока отбора проб 11. Корпус двигателя 26 включает в себя редукторный двигатель 36, соленоидные выбрасыватели 38 и пружину 40, связанную с соединительным стержнем 42. Соединительный стержень 42 также связан с направляющими стержнями 44, которые проходят через направляющие пазы 34. Направляющие стержни 44 ограничиваются на другом конце перемещаемой крышкой 32. Редукторный двигатель 36 связан с валом пропеллерной мешалки 46, который связан с пропеллерной мешалкой 48. Пропеллерная мешалка 48 располагается внутри камеры детектирования 8, в которой также размещена детектирующая головка 50.

Фиг. 3 представляет вид в разрезе другой специфической конструкции узла отбора проб 11. Корпус двигателя 26 включает в себя линейный привод 53, который связан с центральным регулятором с помощью соединительного провода 38. Линейный привод 53 приводит в действие резьбовой вал 57, который связан с внутренним валом 56, который проходит через наружный вал 55. Узел, образованный из внутреннего и наружного валов 56 и 55 соответственно, защищается трубкой из нержавеющей стали 54. Трубка 54 связана с камерой 8, которая содержит пропеллерную мешалку 48, также известную как распределитель сточных вод, и принимает головку 50 зонда детектирования 10, который связан с центральным регулятором с помощью проводного соединения 24. Камера детектирования 8 имеет отверстие 66, которое может закрываться/изолироваться с помощью движущейся крышки 32, которая соединена с внутренним валом 56.

Устройства, представленные на фиг. 1 и 2, предпочтительно работают следующим образом. Когда необходимо отобрать порцию сточных вод, в соленоидные выбрасыватели 38 через соединительный провод 28 передается управляющий сигнал, которые одновременно прикладывают усилие к связывающему стержню 42 и толкают направляющие стержни 44 и двигающуюся крышку 32 в направлении стрелки "B", работая против растягивающего действия пружины 40. После этого камера детектирования 8 находится в открытом положении. Вращение пропеллерной мешалки 48 заставляет вошедшие внутрь камеры 8 сточные воды двигаться наружу из камеры в основную массу сточных вод 2, а часть общей массы сточных вод 2 снаружи камеры 8 - двигаться внутрь камеры 8, тем самым промывая камеру детектирования 8 и снабжая ее свежей порцией сточных вод для отбора проб.

После поступления свежей пробы в камеру детектирования 8, управляющий сигнал в соленоидном выбрасывателе 38 отключается, тем самым высвобождая выталкивающую силу соленоидного выбрасывателя 38. Пружина 40 возвращается в нормальное положение, перемещая связывающий стержень 42, направляющие стержни 44 и двигающуюся крышку 32 в направлении стрелки "А", и после этого камера 8 оказывается в закрытом/изолированном положении.

После заполнения камеры детектирования 8 свежей пробой сточных вод метаболическая активность образца изменяется в течение времени от аэробных к бескислородным, затем к анаэробным условиям. Интервалы времени, в течение которых образцы находятся в различных стадиях (аэробных, бескислородных и анаэробных), а также изменения флуоресценции и концентрации растворенного кислорода, соответствующие изменениям в метаболической активности, могут быть определены зондом 10 в зависимости от того, будет ли эта проба растворенного кислорода или флуоресцентная проба зарегистрированы и анализированы компьютером 13. Таким образом, компьютер 13 действует как анализатор биологической активности. Использование компьютера 13 позволяет осуществлять онлайновый контроль в реальном масштабе времени (мониторинг) биологической активности в камере детектирования 8. Интерпретация информации, полученной в настоящем изобретении, зависит от специфического применения и места установки в установке для обработки сточных вод (WWTP). Конструкция установки может быть модифицирована, чтобы отвечать специфическим требованиям установки по обработке сточных вод и ее местонахождению. По завершении анализа образца, центральный регулятор приводит в движение соленоидный выбрасыватель 38, который позволяет опуститься движущейся крышке 32 в направлении стрелки "B". Это снова позволяет открыть камеру детектирования 8 для дальнейшего промывания и поглощения новой пробы.

Как показано на фиг. 3, двигающийся колпачок 32 и мешалка 48 приводятся в движение одним и тем же реверсивным низкооборотным двигателем 53, который коаксиально соединен с внутренним валом 56 и наружным валом 55. Коаксиальный узел защищен трубкой из нержавеющей стали 54. Когда необходимо взять пробу сточных вод, управляющий сигнал посылается на двигатель 53, который изменяет направление вращения по этой команде. Двигающаяся крышка 32 подталкивается в направлении стрелки "B" с помощью внутреннего вала 56, приводимого в движение валом ACME 57, соединенным с двигателем 53. В открытом положении вращение пропеллерной мешалки 48 вызывает обмен сточных вод между внутренней и внешней частью камеры детектирования 8, и камера 8 заполняется свежей порцией сточных вод. После определенного периода времени, например, 30 секунд, двигатель 53 запрограммирован на изменение направления вращения, двигающаяся крышка 32 продвигается в направлении стрелки "A" до тех пор, пока камера 8 не будет полностью закрыта или изолирована.

Свежий образец сточных вод анализируется тем же способом, как описано в отношении фиг. 2. После завершения анализа образца, центральный регулятор изменяет направление двигателя 53, который толкает двигающуюся крышку 32 снова в открытое положение для дальнейшего промывания и поглощения нового образца.

На фиг. 4 показан другой вариант осуществления изобретения, в котором камера детектирования 8 имеет зонд детектирования 10A с головкой детектирования 50А. Зонд детектирования 10A является зондом растворенного кислорода. Камера детектирования 8 содержит также зонд детектирования 10B с головкой детектирования 50B. Зонд детектирования 10B является флуоресцентным зондом.

Пропеллерная мешалка 48 расположена внутри камеры детектирования 8. Крышка 32 находится в закрытом положении, в котором закрывает отверстие 66 (как показано на фиг. 3 и 5). Воздушный диффузор 103 расположен внутри камеры 8 и связан с источником воздуха или кислорода.

Пропеллерная мешалка 48 связана с корпусом двигателя 100 с помощью ряда коаксиальных трубок 102, 104 и 106. Гайка 108 и опорная втулка 112 содержатся внутри и прикрепляются в средней трубе 104. Внешняя трубка 102 крепится к основанию 101. Гайка 108 аксиально подвижна вдоль резьбового стержня 110, открывая и закрывая камеру 8 в зависимости от направления движения двигателя 116. Гайка 108 двигается аксиально, только если индуцированное сопротивление на средней трубке 104 превышает величину вращающего момента, необходимого для того, чтобы гайка 108 включила резьбовой стержень 110. Это сопротивление может быть вызвано пропеллерной мешалкой 48, связанной со средней трубкой 104, и/или каким-либо вкладышем или другим элементом, связанным со средней трубкой 104. Опорная втулка 112 держит подшипник 114, который передает растяжение по оси центральной турбки, когда крышка 32 закрыта. Подшипник 114 позволяет средней трубке вращать независимо центральную трубку 106 и передавать аксиальное перемещение средней трубки 104 на центральную трубку 106. Внешняя трубка 102 поддерживает как корпус двигателя 100, так и камеру 8, в то же время предохраняя внутренние части. Камера 8 практически изолирована от внешней трубки 102 и, когда крышка 32 притянута к камере 8, пространство внутри камеры 8 изолировано.

Когда двигатель 116 вращается в одном направлении, гайка 108 перемещается на некоторое расстояние от двигателя, толкая крышку 32 и открывая камеру. Когда гайка достигает фиксатора 118, гайка 108 больше не перемещается аксиально, и, тем самым, скорость средней трубки 104 соответствует скорости двигателя. После этого камера 8 находится в открытом состоянии, и мешалка 48 осуществляет обмен жидкой среды между внешней и внутренней средой камеры 8, как показано на фиг. 5.

Когда двигатель 116 и резьбовой стержень 110 вращаются в противоположном направлении, гайка 108 перемещается по направлению к двигателю, подтягивая крышку 32 к закрытию. Когда камера 8 закрыта, аксиальное движение гайки 108 предотвращается путем натяжения гайки 108. Это позволяет средней трубке 104 вращаться с той же скоростью, как двигатель 116 и резьбовой стержень 110. Камера 8 затем находится в закрытом положении, т.е. жидкость удерживается внутри камеры 8 и в то же время постоянно перемешивается мешалкой 48, как показано на фиг. 4.

Фиг. 6 представляет вид в разрезе различных движущихся компонентов, представленных на фиг. 4 и 5.

Резьбовой стержень 110 фиксируется в реверсивном двигателе 116 и предохраняет от аксиального движения. Это вызывает линейное движение в средней трубке 104 только тогда, когда трубка 104 оказывает вращательное сопротивление, превышающее вращательный момент, требующийся для того, чтобы двигать гайку 108 вдоль резьбового стержня 110. Когда средняя трубка не может перемещаться в аксиальном направлении, скорость вращения средней трубки 104 должна равняться скорости вращения двигателя. Это происходит, когда камера 8 закрыта или когда гайка 108 опускается на фиксатор 118.

Средняя трубка 104 перемещается вдоль своей продольной оси, открывая и закрывая камеру 8. Она вращается в одном направлении, когда открывает камеру и в противоположном, когда ее закрывает. Фиксатор связан с резьбовым стержнем 110 и предохраняет гайку 108 от линейного перемещения кроме как по длине резьбового стержня. Наружная трубка 102 действует как защитный футляр и находится в сжатом состоянии, когда крышка 32 закрыта. Центральная трубка 106 связана с крышкой 32. Она вращается независимо от средней трубки 104, но двигается аксиально со средней трубкой 104. Опорная втулка 112 держит подшипник 114 и связана со средней трубкой 104. Это позволяет средней трубке 104 вращаться независимо от центральной трубки 106 и передает аксиальное движение от средней трубки 104 к центральной трубке 108. Подшипник 114 принимает аксиальное растяжение центральной трубки 106 и позволяет средней трубке 104 вращаться независимо от центральной трубки 106.

Устройства контроля биологической активности могут быть использованы во всех стадиях работы установок для обработки сточных вод (WWTP) или каких-либо их комбинациях. Включение такого устройства в типичную WWTP схематически показано на фиг. 7. Теперь будет обсуждаться общее применение и использование устройства, показанного на фиг. 1-6, в анаэробных, бескислородных и/или аэробных стадиях типичной установки для обработки сточных вод.

1. Использование в анаэробной стадии
На фиг. 8 показан рабочий профиль биологической активности, измеренный устройством, установленным в анаэробной стадии WWTP. Обозначение NFU, как показано на фиг. 8 и как использовано в дальнейшем, представляет нормализованную, или относительную величину уровня флуоресценции NADH (NADH - никотинамид аденин динуклеотид фосфат). Для оценки биологической активности микроорганизмов анализируются три параметра - d_NFU1, d_NFU2 и d_t1. d_NFU представляет общее увеличение концентрации NADH; d_NFU1 представляет первую ступень увеличения концентрации NADH; d_NFU2 представляет вторую ступень увеличения концентрации NADH; и d_t1 представляет период времени бескислородной части в течение анаэробной стадии WWTP. Общее изменение концентрации NADH от начала до конца аэробной, бескислородной и анаэробной стадий смешанной жидкости относительно анаэробной стадии обработки может быть выражено уравнением:
d_NFU = d_NFU1 + d_NFU2
d_ NFU пропорционально общей концентрации биомассы в пробе. Хотя абсолютное значение концентрации биомассы не может быть точно определено из единичного измерения, имеется возможность точного и надежного определения распределения популяций денитрифицирующих и не денитрифицирующих микроорганизмов с помощью способов, известных в дан ной области техники. Когда концентрация растворенного кислорода в образце снижается ниже критического значения и окончательно исчерпывается, те микроорганизмы, которые не могут использовать нитраты и/или нитриты в качестве акцепторов электронов, переключаются на анаэробную стадию, сдвигая смешанную жидкость от анаэробной к бескислородной стадии. Это соответствует первому увеличению биологической активности, т.е. d_NFU1. Большинство микроорганизмов, не способных осуществлять денитрификацию, являются аутотрофными нитрификаторами, такими как Nitrosomonas и Nitrobacter. Поэтому значение d_NFU1/d_NFU2 пропорционально проценту нитрификаторов в общей популяции биомассы. И наоборот, - микроорагнизмы, которые способны осуществлять денитрификацию, потребляют все нитраты в образце, прежде чем наступит анаэробная стадия.

Увеличение NADH на второй стадии, d_ NFU2, из образца соответствует сдвигу в образце (пробе) от бескислородной к анаэробной стадии. Поэтому значение d_ NFU1/d_NFU2 пропорционально проценту денитрификатов в общей популяции биомассы.

Одним из возможных применений устройства для измерения биологической активности на анаэробной стадии WWTP (установки для обработки сточных вод) является определение эффективности удаления NH3. Если значение d_NFU1/d_NFU2 меньше заранее определенного значения, популяция нитрификаторов в биореакторном резервуаре оказывается ниже требуемого количества для соответствующего удаления NH3. Изменения рабочих параметров, например, увеличение времени гидравлического удерживания или увеличение скорости потока возвращенного активированного ила (RAS), помогает в модификации процесса, делая WWTP более эффективной. Если изменение параметров скорости потока возвращенного активированного ила (RAS) принято, это должно продолжаться, пока значение d_ NFU1 не достигнет такой величины, когда популяция нитрификаторов достаточна для поддержания надлежащей скорости нитрификации.

2 Использование в бескислородной стадии
На фиг. 9 показан рабочий профиль биологической активности, измеренный устройством, установленным в бескислородной стадии WWTP. Для измерения и управления бескислородной стадии WWTP полезны два параметра: d_ NFU3, представляющий изменение в биологической активности, а точнее, - флуоресценцию NADH, в течение сдвига от бескислородного к анаэробному состоянию образца, и d_t2, представляющий период времени в минутах бескислородного состояния образца.

Значение d_t2 измеряется как период времени от захвата образца в камеру детектирования 8 до момента, когда денитрификация завершена. Значение d_t2 может быть использовано для оценки, является ли время гидравлического удерживания для всей бескислородной стадии, Tden, достаточным для завершения процесса денитрификации. "Идеальное" значение времени Tden = d_t2. Для достижения этого "идеального" значения времени денитрификации должна быть соответственно отрегулирована скорость внутреннего рецикла.

3. Использование в кислородной стадии
Рабочий профиль использования устройства в конце кислородной стадии WWTP показан на фиг. 10. Так как разрушение загрязняющих веществ почти закончено, концентрация BOD (биологическая потребность в кислороде) очень низка и изменение в концентрации биологической активности, соответствующее метаболическому сдвигу в захваченном образце от аэробного к бескислородному состоянию, очень мало, однако его можно определить.

Одно из приложений изобретения на кислородной стадии является его использование как измерителя NH3. Этот аспект осуществляется предпочтительно следующим образом: две установки контролирующих устройств (не показаны) могут быть использованы в той же самой области биореакторного резервуара 2 (как показано на фиг. 1). Обе камеры детектирования 8 (или одна камера 8, если оба зонда (датчика) - D.O. и флуоресцентный - используются вместе, как показано на фиг. 4 и 5) одновременно заполняются образцами смешанной жидкости. Для первой камеры параметр d_t3, как показано на фиг. 10, представляет время от захватывания образца до начала кислородной стадии образца, зарегистрированное компьютером 13. Во второй камере сразу после того, как камера наполняется смешанной жидкостью, прибавляют определенное количество NH3 из питательного устройства 52, как показано на фиг. 1, так, чтобы было известно изменение концентрации NH3 в детектирующей камере 8, например, 0,5 ppm (частей на миллион). Затем регистрируют время d_t4 от захвата образца в камере 8 до начала бескислородной стадии обработки сточных вод.

Чтобы определить концентрацию NH3, предполагают, что растворенный кислород (D.O.) потребляется в конце кислородной стадии большей частью благодаря процессам нитрификации. Типичный рабочий профиль потребления растворенного кислорода в течение кислородной стадии показан на фиг. 11. Проведение эксперименты показывают, что скорость потребления кислорода в смешанной жидкости при добавлении ацетата и глюкозы (5 ppm - частей на миллион) изменяется незначительно, в то время как при прибавлении 0,1 ppm (частей на миллион) NH3 к системе наблюдалось значительное изменение.

Концентрация NH3 на кислородной стадии выражается следующим образом:
(NH3)1 = d_NH3 d_t4 / (d_t3 - d_t4)
Здесь (NH3)1, - концентрация аммиака в водной фазе в конце кислородной стадии, и d_ NH3 - известное количество аммиака, добавленное во вторую определительную камеру, соответственно. Настоящее изобретение может быть использовано на кислородной стадии WWTP для точного контроля концентрации NH3 в биореакторном резервуаре. Различные параметры системы, такие как время удерживания, могут быть измерены для усиления процесса нитрификации и, если необходимо, повышения эффективности обработки системы сточных вод.

Применение устройства с зондом (датчиком) растворенного кислорода (D.O.) 10 в кислородной стадии в установке по обработке сточных вод описывается следующим образом: когда камера для образцов 8 наполняется свежей сточной водой (смешанная жидкость) концентрация растворенного кислорода определяется с помощью зонда D. O. В зависимости от первоначальной концентрации D.O. воздух может подаваться в камеру с пробой 8 через диффузор воздуха 103, установленный внутри камеры 8, для увеличения концентрации D.O. выше заранее установленного значения.

Когда аэрация отключена, концентрация D.O. уменьшается из-за биологического потребления кислорода сточными водами (смешанная жидкость). В пределах периода времени d_t уменьшение концентрации растворенного кислорода может быть выражено как d_D.O. Скорость биологического потребления кислорода (BOCR) определяется как
BOCR = d_D.O.

d_t
Зная скорость биологического потребления кислорода (BOCR), грамм (литр-час)-1, и первоначальную концентрацию растворенного кислорода Ci, грамм. литр-1, в образце в камере 8, которая также является концентрацией D. O. в резервуаре для обработки сточных вод на тот момент, когда берется образец, коэффициент кислорода KLa может быть вычислен как
KLa = BOCR
C^*-Ci
где C^* - насыщенная концентрация кислорода в водной фазе при обычной температуре и давлении воздуха. Для данной установки по обработке сточных вод коэффициент переноса кислорода KLa определен методом аэрации в аэрируемом резервуаре, например, с помощью тонкого барбатирующего диффузора или механического поверхностного аэратора, также как и скорость потока воздуха Qair. Таким образом, если известно требуемое значение KLa, это дает возможность тщательно контролировать скорость потока воздуха Qair.

Когда концентрация растворенного кислорода снижается ниже критического значения, сточные воды (смешанная жидкость) достигают анаэробной стадии или бескислородной стадии, если присутствуют нитраты и/или нитриты. Точка перехода может быть определена как NADH-пробой, так и D.O.-пробой. Общее время с момента окончания аэрации до точки перехода регистрируется как время биологического потребления кислорода (BOCT). Для данных D.O.-концентрации и вида сточных вод (смешанной жидкости) время биологического потребления кислорода зависит от пищевых частиц, уходящих из сточных вод. Более низкое количество пищевых частиц в сточных водах дает меньшее потребление D.O. (растворенного кислорода) сточными водами (смешанной жидкостью), что приводит к длительному времени биологического потребления кислорода. Таким образом, величина BOCT напрямую связана со степенью удаления пищевых частиц из сточных вод и может быть использована для проверки эффективности процесса обработки.

В способе согласно настоящему изобретению может быть получена информация о составе биомассы, эффективности денитрификации, нитрификации, BOD (показатель биологической потребности в кислороде) и концентрации NHз в кислородной стадии WWTP (установки для обработки сточных вод). Эта информация может быть проконтролирована и проанализирована компьютером 13, который оценивает биологическую активность на анаэробной, бескислородной и аэробной стадиях WWTP и может изменять систему таких параметров, как скорость потока возвращенного активированного ила (RAS), скорость подачи кислорода, скорость внутреннего рециркулирования, времени гидравлического пребывания или подобных параметров для достижения максимальной эффективности WWTP в ответ на неустановившиеся условия или нормальный процесс. Таким образом, компьютер 13 - это также устройство регулирования параметров процесса.

Хотя изобретение иллюстрируется использованием специфического конструктивного оформления, следует заметить, что широкое разнообразие эквивалентов может быть представлено вместо указанных элементов и стадий и описано без отклонения от общей тенденции и объема этого изобретения, определенного в прилагаемой формуле. Например, настоящее изобретение может использовать контроль различных параметров отдельно анаэробной, бескислородной и аэробной стадий в установке по обработке сточных вод, или изобретения может быть использовано для контроля и управления всего процесса WWTP для достижения максимальной эффективности. Кроме того, отдельные компоненты изобретения могут использоваться эквивалентные заменители. Например, образец в камере детектирования может быть однородно суспензирован при использовании любого контролируемого перемешивания. Контролирующая система может содержать персональный компьютер с подходящим программным обеспечением или индивидуальные электронные приборы для раздельного анализа; все они известны в данной области техники. Следует также подчеркнуть, что хотя здесь сделан акцент на измерении флуоресценции NADH для определения количества или концентрации NADH, это является просто предпочтительным способом определения количества или концентрации NADH. Другие средства и методы для достижения этой задачи полностью рассматриваются как подпадающие под область данного изобретения. Например, количество или концентрация NADH могут быть определены с использованием биохимических проб, которые чувствительны к NADH. Такие пробы известны в данной области техники и обычно используют ферменты и субстраты как средства вспомогательного определения. Однако могут использоваться и другие способы, известные, но недостаточно усовершенствованные, способные определять присутствие NADH. Следует также подчеркнуть, что хотя для определения количества или концентрации кислорода имеет место акцент на измерение растворенного кислорода с "зондом", этот акцент является просто предпочтительным способом, в котором определяется количество или концентрация кислорода. Другие средства и методы для достижения этой задачи полностью рассматриваются как подпадающие под область данного изобретения. Однако могут использоваться и другие способы, известные, но недостаточно разработанные, если они позволяют определять присутствие кислорода в сточных водах.

Изобретение касается устройства и способов контроля биологической активности в сточных водах и управления их обработкой. Устройство включает в себя контейнер для пробы сточных вод, погруженный в источник сточных вод. Контейнер снабжен отверстием, оснащенным средством перекрытия отверстия. Внутри контейнера расположен распределитель сточных вод и детектирующая головка зонда. С зондом связан анализатор биологической активности, который в свою очередь соединен с регулятором процесса, который связан со средством перекрытия отверстия и одним или более регуляторами параметров процесса обработки сточных вод. Выделенную пробу сточных вод облучают излучением с выбранной длиной волны, обнаруживают изменения флуоресценции, выделяемой NADH из микроорганизмов, и анализируют изменения флуоресценции NADH для определения состояния характеристик пробы. Изобретение позволяет осуществлять контроль метаболической активности микроорганизмов в активном иле в реальном масштабе времени. 2 с. и 16 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Устройство для контроля и управления биологической активности в процессе обработки сточных вод, содержащее средство определения биологической активности сточных вод, отличающееся тем, что оно включает в себя контейнер для пробы сточных вод, погруженный в источник сточных вод, подвергающихся обработке, и снабженный отверстием для сточных вод, оснащенным средством его перекрытия, зонд, имеющий детектирующую головку, расположенную внутри контейнера проб, анализатор биологической активности, связанный с зондом, регулятор процесса, связанный с анализатором и средством перекрытия отверстия для сточных вод, для введения и удаления проб из упомянутого контейнера в выбранном временном интервале и одним или более регуляторами параметров процесса. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что регуляторы параметров процесса предназначены для регулирования параметров, выбранных из группы, состоящей из таких параметров, как скорость подачи первичного элюента, скорость подачи возвращенного активного ила, скорость рециркулирования денитрификации, тип и качество микроорганизмов, число и расположение анаэробных, бескислородных и аэробных стадий, время пребывания в анаэробных, бескислородных и аэробных стадиях, тип питательного вещества и скорость введения, чистота воздуха или кислорода и скорость введения, pH и температура. 3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что зонд представляет собой зонд для определения растворенного кислорода. 4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что анализатор представляет собой средство для определения содержания растворенного кислорода в пробах в упомянутом контейнере. 5. Устройство по п.2, отличающееся тем, что зонд включает в себя источник излучения, связанный с контейнером, для облучения сточных вод в контейнере излучением с выбранной длиной волны, детектор, связанный с контейнером, для определения изменения в флуоресценции, испускаемой никотинамид аденин динуклеотид фосфатом (NADH) в микроорганизмах внутри сточных вод в контейнере в ответ на упомянутое излучение и NADH-анализатор, связанный с детектором и регулятором процесса. 6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено мешалкой для перемешивания проб, размещенной внутри контейнера для пробы сточных вод и обеспечивающей протекание жидкости в контейнер и из него. 7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что мешалка представляет собой приводную мешалку. 8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что упомянутая мешалка связана с двигателем. 9. Устройство по п.8, отличающееся тем, что средство перекрытия отверстия для сточных вод выполнено в виде заслонки, примыкающей к упомянутому отверстию с возможностью перемещения по направлению к отверстию и от него. 10. Устройство по п.9, отличающееся тем, что оно дополнительно включает в себя по крайней мере один открывающий/закрывающий элемент, связанный со средством перекрытия отверстия для сточных вод и установленный с возможностью перемещения относительно контейнера. 11. Устройство по п.10, отличающееся тем, что оно дополнительно включает в себя пружину, связанную с упомянутым открывающим/закрывающим элементом, для приложения практически постоянного закрывающего усилия к средству перекрытия относительно упомянутого отверстия, и соленоидный выбрасыватель, связанный с открывающим/закрывающим элементом для создания открывающего усилия, прикладываемого к средству перекрытия относительно упомянутого отверстия, достаточного для преодоления закрывающего усилия упомянутой пружины. 12. Устройство по п.10, отличающееся тем, что оно дополнительно включает в себя пружину, связанную с упомянутым открывающим/закрывающим элементом, для приложения практически постоянного закрывающего усилия к средству перекрытия относительно упомянутого отверстия, и двигатель, связанный с открывающим/закрывающим элементом для создания открывающего усилия, прикладываемого к средству перекрытия относительно упомянутого отверстия, достаточного для преодоления закрывающего усилия упомянутой пружины. 13. Устройство по п.2, отличающееся тем, что средство перекрытия отверстия для сточных вод связано с двигателем. 14. Устройство по п.13, отличающееся тем, что упомянутое средство перекрытия установлено с возможностью перемещения по направлению к упомянутому отверстию при вращении упомянутого двигателя в одном направлении и по направлению от упомянутого отверстия при вращении двигателя в другом направлении. 15. Устройство по п.13, отличающееся тем, что оно дополнительно включает в себя приводную мешалку, соединенную с упомянутым двигателем и работающую при нахождении средства перекрытия в закрытом положении, изолирующем контейнер для пробы сточных вод и/или при нахождении средства перекрытия в открытом положении. 16. Способ контроля биологической активности в процессе обработки сточных вод, включающий в себя выделение пробы сточных вод in sity от источника сточных вод, отличающийся тем, что способ осуществляют либо облучением проб излучением с выбранной длиной волны, обнаружением изменений флуоресценции, выделяемой NADH из микроорганизмов, находящихся в пробах, как реакции на излучение, и анализом изменений флуоресценции NADH для определения состояния характеристик выбранных проб, или обнаружением изменений в количестве растворенного кислорода в пробах и анализом изменений количества растворенного кислорода для определения состояния характеристик выбранных проб. 17. Способ по п.16, отличающийся тем, что характеристики проб выбираются из группы, состоящей из количества биомассы, состава биомассы, эффективности денитрификации, нитрификации, концентрации NH₃, биологической потребности в кислороде и подачи кислорода. 18. Способ по п.16, отличающийся тем, что включает в себя возвращение проб в процессе обработки сточных вод.

Приоритет по пунктам:
08.03.94 - по пп.1 - 15;
25.05.94 - по пп.1 - 15;
20.07.93 - по пп.16 - 18.