способ мониторинга микробиологического процесса в потоке жидкости (варианты)

Формула изобретения

1. Способ мониторинга микробиологического процесса в потоке жидкости, содержащем микробную популяцию, предусматривающий этапы a) выделения образца жидкости из указанного потока жидкости, b) измерения рН указанного образца жидкости в выбранные интервалы времени, c) определения скорости изменения рН для указанного образца, d) измерения количества растворенного кислорода в указанном образце жидкости в выбранные интервалы времени, в сущности, синхронно с указанным измерением рН, и e) определения скорости биологического потребления кислорода для указанного образца, f) повторения этапов от b) до е) в выбранные интервалы времени и q) сравнивания вновь определенной скорости (скоростей) изменения рН и скорости (скоростей) биологического потребления кислорода с ранее определенной скоростью (скоростями) изменения рН и скоростью (скоростями) биологического потребления кислорода.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что определение указанной скорости изменений рН производят в соответствии со следующей формулой:

pHPR= (dpH)/(dt),

где pHPR - указанная скорость изменения рН;

dpH - изменение рН;

dt - изменение времени,

и dpH и dt приближаются к нулю.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что указанное измерение рН и растворенного кислорода осуществляют в сущности продолжительно.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что определение указанной скорости биологического потребления кислорода производят в соответствии со следующей формулой:

BOCR= (dDO)/(dt),

где BOCR - указанная скорость биологического потребления кислорода;

dDO - изменение растворенного кислорода;

dt - изменение времени;

и dDO и dt приближаются к нулю.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что сравнивают указанную вновь определенную скорость (скорости) изменения рН и скорость (скорости) биологического потребления кислорода с ранее определенной скоростью (скоростями) изменения рН и скоростью (скоростями) биологического потребления кислорода для определения, являются ли уровни органических и неорганических соединений в указанном потоке выше или ниже их соответствующих концентраций 2К_s.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что указанный этап выделения указанного образца жидкости осуществляют in situ.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что указанные этапы измерения рН и растворенного кислорода проводят в образце жидкости, содержащем желаемое количество растворенного кислорода.

8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что указанный образец жидкости выделяют в камеру для образца жидкости, включающую в себя аэратор для подачи воздуха и/или кислорода в указанный образец жидкости и устройство для перемешивания образца.

9. Способ по п. 8, отличающийся тем, что он дополнительно включает аэрацию указанного образца жидкости указанным аэратором в продолжение всего периода времени, когда указанный образец выделен в указанную камеру для образца, а растворенный кислород и рН в указанном образце измеряют в сущности продолжительно при постоянном перемешивании образца.

10. Способ по п. 8, отличающийся тем, что он дополнительно содержит этапы аэрации указанного образца жидкости указанным аэратором до достижения указанным образцом жидкости желаемого уровня насыщения растворенным кислородом перед этапами измерения рН и количества растворенного кислорода в указанном образце жидкости и периодическое или постоянное перемешивание указанного образца указанным устройством для перемешивания во время этапов измерения рН и количества растворенного кислорода в указанном образце жидкости.

11. Способ по п. 1, отличающийся тем, что микробиологический процесс выбирают из группы, состоящей из очистки сточных вод, фармацевтического производства и производства с использованием сбраживания.

12. Способ мониторинга микробиологического процесса в потоке жидкости, содержащем микробную популяцию, предусматривающий этапы a) выделения образца жидкости из указанного потока жидкости; b) измерения рН указанного образца жидкости в выбранные интервалы времени, c) определения скорости установления рН для указанного образца, d) отображения результатов указанного определения и повторения этапов от а) до с) в выбранные интервалы времени и сравнения вновь определенной скорости (скоростей) установления рН с ранее определенной скоростью (скоростями) установления рН, e) определения того момента, когда указанная скорость установления рН изменяется от отрицательного значения к нулевому и/или достигает нулевого значения второй раз, по которому судят о времени нитрификации и/или этапы: f) измерения количества растворенного кислорода в указанном образце жидкости в выбранные интервалы времени синхронно с указанным измерением рН, g) определения скорости биологического потребления кислорода для указанного образца, h) повторения этапов f) и g) в выбранные интервалы времени и сравнивают вновь определенную скорость (скорости) биологического потребления кислорода с ранее определенной скоростью биологического потребления кислорода, i) определения того момента, когда скорость биологического потребления кислорода начинает значительно увеличиваться, по которому судят о времени нитрификации.

13. Способ по п. 12, отличающийся тем, что определение указанной скорости установления рН осуществляют в соответствии со следующей формулой:

pHPR= (dpH)/(dt),

где pHPR - указанная скорость установления рН;

dpH - изменение рН;

dt - изменение времени;

и dpH и dt приближаются к нулю.

14. Способ по п. 12, отличающийся тем, что указанное измерение рН осуществляют в сущности продолжительно.

15. Способ по п. 14, отличающийся тем, что анализ изменений в растворенном кислороде для определения указанной скорости биологического потребления кислорода осуществляют в соответствии со следующей формулой:

BOCR= (dDO)/(dt),

где BOCR - указанная скорость биологического потребления кислорода;

dDO - изменение растворенного кислорода;

dt - изменение времени;

и dDO и dt приближаются к нулю.

16. Способ по п. 12, отличающийся тем, что указанный этап выделения осуществляют in situ.

17. Способ по п. 12, отличающийся тем, что указанный образец жидкости выделяют в камеру для образца жидкости, включающую в себя аэратор для подачи воздуха и/или кислорода в указанный образец жидкости и устройство для перемешивания образца.

18. Способ по п. 17, отличающийся тем, что он дополнительно содержит этапы аэрации указанного образца жидкости указанным аэратором до насыщения указанного образца жидкости растворенным кислородом до уровня, превышающего с запасом уровень растворенного кислорода в образце после его выделения, перед этапами измерения рН указанного образца жидкости, и периодического перемешивания указанного образца указанным устройством для перемешивания во время этапов измерения рН указанного образца жидкости.

19. Способ по п. 12, отличающийся тем, что указанный микробиологический процесс выбирают из группы, состоящей из очистки сточных вод, фармацевтического или биотехнологического производства, производства с использованием сбраживания и ферментации.

20. Способ по п. 17, отличающийся тем, что он дополнительно содержит аэрацию указанного образца жидкости указанным аэратором на протяжении всего периода времени, когда образец находится в камере, в которую он выделен, а растворенный кислород и рН в указанном образце регулярно измеряются при постоянном перемешивании указанного образца.

21. Способ по п. 12, отличающийся тем, что он дополнительно содержит в сущности постоянную аэрацию указанного образца жидкости.

22. Способ регулирования микробиологического процесса в потоке жидкости, содержащем микробную популяцию, предусматривающий этапы a) выделения образца жидкости из указанного потока жидкости, b) измерения рН указанного образца жидкости в выбранные интервалы времени, c) определения скорости установления рН для указанного образца, d) определения момента, когда указанная скорость установления рН изменяется от отрицательного значения на нулевое и/или изменяется на нулевое значение второй раз, и e) регулирования в ответ на изменения в указанной скорости (скоростях) установления рН, причем указанный этап регулирования содержит f) определения времени нитрификации как времени работы в период между выделением образца и изменением скорости установления рН от отрицательного значения на нулевое и/или изменением на нулевое значение во второй раз, g) измерения времени гидравлического удержания в указанном образце жидкости и сравнение указанного времени нитрификации с указанным временем гидравлического удержания и h) увеличения скорости поступления жидкости в поток жидкости, или снижение скорости аэрации потока жидкости, если указанное время нитрификации меньше, чем указанное время гидравлического удержания, или повышение скорости аэрации потока жидкости, если указанное время нитрификации больше, чем указанное время гидравлического удержания.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способу мониторинга" метаболически значимых переходных точек во время микробного метаболизма органических и неорганических веществ и регулирования микробиологического процесса.

СУЩЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Микробное использование органических и неорганических веществ в метаболических процессах может привести к определяемым изменениям в измеряемых параметрах, таких как рН и скорости расхода кислорода.

Если нитрификация является доминирующей реакцией в микробной культуре, можно ожидать, что получение ионов водорода (Н⁺) в процессе нитрификации будет значительно снижаться после уменьшения количества используемого обычно аммония (NH₄ ⁺) ниже определенного метаболически критического уровня. Следовательно, можно ожидать, что активность ионов водорода в растворе, т.е. рН, также изменится.

Подобным образом, ожидается, что расход кислорода микробной культуры будет выше в том случае, когда в наличии имеется большое количество экзогенных органических веществ, чем в случае, когда количество этих веществ будет ниже определенного метаболически значимого уровня. В обоих случаях измеряемая скорость изменения рН, которая далее иногда указывается как "скорость получения рН" или "pHPR", и расход кислорода, который далее иногда указывается как "скорость биологического потребления кислорода" или "BOCR", будет непосредственно определяться скоростью метаболизма вещества на протяжении времени. Таким образом, если допустить, что изменения рН и потребления кислорода в среде являются результатом только микробной метаболической активности, pHPR и BOCR теоретически могут быть использованы для обозначения метаболически значимых переходных точек в микробиологическом процессе. pHPR определяется как d(pH)/dt или -(pH)/t, а BOCR определяется как d(DO)/dt или -(DO)/t. Отрицательное приращение рН и/или DO имеет своим результатом измерение положительной pHPR и/или BOCR.

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Способ изобретения включает в себя выделение образца жидкости из источника жидкости, например, сточных вод, в процессе очистки. pHPR рассчитывается путем измерений рН образца жидкости, и анализируется для быстрого определения возникновения метаболически значимых переходных точек. Анализ показывает, какие этапы регулирования требуются и когда они должны быть осуществлены, чтобы обеспечить максимальную эффективность процесса, подвергаемого мониторингу.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг. 1 графически представляет теорию реакционной кинетики Микэлиса-Ментена.

На фиг. 2 представлен график теоретической зависимости скорости потребления кислорода (BOCR) и скорости изменений рН (pHPR) образца смешанной жидкости как концентраций аммония (NH₄ ⁺) и органических углеродистых материалов, совместно называемых BOD (биохимическая потребность в кислороде), от времени в микробиологическом процессе.

На фиг. 3 представлен график теоретической зависимости скорости потребления кислорода (BOCR) и скорости изменений рН (pHPR) образца смешанной жидкости как концентраций аммония (NH₄ ⁺) и органических углеродистых материалов, совместно называемых BOD (биохимическая потребность в кислороде), от времени в микробиологическом процессе.

На фиг.4 схематически показана вертикальная проекция устройства по одному варианту осуществления изобретения, которое может быть использовано для выделения и мониторинга образца жидкости из потока жидкости в емкости биореактора в соответствии с данным изобретением.

Фиг.5 графически иллюстрирует взаимозависимость между скоростью изменения количества кислорода в период между прекращением и началом аэрации и BOCR, выраженной как процентное изменение в кислородном насыщении в минуту.

Фиг. 6 графически иллюстрирует взаимозависимость между изменением рН в период между прекращением и началом аэрации и pHPR, выраженной как изменение рН в минуту при изменении концентрации аммиака.

Фиг.7 графически отображает взаимозависимость между pHPR, выраженной как изменение рН в минуту, и концентрацией аммиака, где COD не является метаболически ограничивающим фактором.

Фиг.8 графически отображает взаимозависимость между BOCR, выраженной как процентное изменение в кислородном насыщении в минуту, и концентрацией аммиака, где COD не является метаболически ограничивающим фактором.

Фиг. 9 показывает изменение pHPR, выраженной как изменение рН в минуту, при различных условиях наличия аммиака и COD.

Фиг.10 показывает взаимозависимость между pHPR, выраженной как изменение рН в минуту, BOCR, выраженной как процентное изменение в кислородном насыщении в минуту, концентрацией аммиака и COD при различных условиях наличия аммиака и COD.

Фиг. 11 представляет собой график изменения DO и рН относительно времени при постоянной аэрации.

Фиг. 12 представляет собой график рН, концентрации NH₃-N и d(pH)/dt относительно времени.

Фиг.13 представляет собой график DO и d(DO)/dt относительно времени.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Механическая скорость, с которой происходят биохимические реакции, может быть частично описана посредством теории Микэлиса-Ментена, как это проиллюстрировано на фиг.1. Согласно этой теории скорость биохимической реакции является очень низкой при очень низких концентрациях вещества, но скорость возрастает с ростом концентрации вещества до такой точки, выше которой она будет возрастать незначительно, независимо от величины роста концентрации вещества. Другими словами, независимо от того, на сколько увеличится концентрация вещества выше этой точки, скорость реакции приблизится, но никогда не достигнет пологого участка кривой. Этот пологий участок представляет собой максимальную скорость реакции или V_max. Это линейная экстраполяция, соответствующая концентрации вещества, равной 2K_s. K_s является концентрацией вещества, при которой скорость метаболической реакции составляет половину максимальной скорости реакции (V_max).

Отсюда следует, что, исходя из метаболической перспективы, 2K_s является значимой концентрацией вещества. Микробный метаболизм вещества продолжается при концентрации выше 2K_s при максимальной и почти постоянной скорости. Скорость метаболической реакции может становиться переменной и ограниченной наличием вещества менее 2K_s. Следовательно, можно ожидать изменений некоторых измеряемых параметров, непосредственно зависящих и связанных со скоростью микробного метаболизма конкретных неорганических и органических веществ, в связи с изменениями концентрации конкретных веществ. Характерно, что при концентрации вещества, равной или более чем 2K_s, ожидается, что зависимый измеряемый параметр и/или измеряемая скорость изменения этого параметра на протяжении времени будут относительно постоянными. Когда концентрация вещества снижается до уровня ниже 2K_s, ожидается, что зависимый измеряемый параметр и/или измеряемая скорость изменения этого параметра на протяжении времени будут значительно отличаться от величин, измеренных при концентрации вещества, равной или выше 2K_s.

Для многих биологических реакций желательно определить точку, при которой концентрация конкретных веществ становилась ниже этой метаболически значимой концентрации 2K_s. Возможно определять изменения в модели метаболического поведения микробной культуры путем мониторинга изменений в определенных зависимых измеряемых параметрах при изменении концентраций определенных органических и неорганических веществ.

Например, во многих процессах очистки сточных вод требуется снизить концентрации некоторых органических и неорганических веществ до очень низких уровней. Эти вещества обычно включают в себя такие органические вещества, которые в целом могут рассматриваться и измеряться как BOD (биохимическая потребность в кислороде) и/или COD (химическая потребность в кислороде), и неорганический аммоний (NH₄ ⁺). Допуская, что реакция нитрификации и реакция сокращения BOD/COD являлись двумя наиболее доминирующими реакциями, можно ожидать характерных изменений как в скорости потребления кислорода (BOCR), так и в скорости изменения рН (pHPR), так как BOD и содержание аммиака стали ниже их соответствующих значений 2К_s.

Недостатком использования BOCR или pHPR как контрольных параметров является то, что в длительном процессе очистки сточных вод изменения рН и DO в жидкой среде зависят от многих факторов, таких как концентрация питательных веществ (биологически разлагающихся углеродсодержащих, азотистых, фосфористых соединений и т.п.), концентрация биомассы, щелочность и т.п. Эти факторы постоянно изменяются, пока сточные воды проходят через очистное оборудование. Следовательно, трудно устанавливать взаимосвязь между измеряемыми параметрами и осуществлением очистки сточных вод вследствие взаимной зависимости слишком многих неизвестных и постоянно меняющихся факторов. Если только эти взаимовлияющие факторы не могут быть либо определены, либо поддерживаться на постоянном уровне при измерении рН и DO, измерения pHPR и BOCR не обеспечат получение более ценной информации по осуществлению обработки сточных вод.

Использование устройства для определения биологической активности, описанного в патенте США 5466604, позволяет осуществлять выделение in situ образцов сточных вод из основного объема сточных вод при их очистке. Конечно, могут быть использованы и другие устройства в соответствии с этим изобретением. Термин "in situ" также используется здесь для описания любого способа выделения образца жидкости в реальном масштабе времени, независимо от того, остается ли образец в основном объеме жидкости, например сточных водах. Другими словами, может быть использовано устройство, которое физически удаляет образец (образцы) из основного объема жидкости на такой период времени, что измерения могут быть произведены, в сущности, "в реальном масштабе времени" и "в оперативном режиме".

Теоретические ответные реакции BOCR и pHPR на изменения концентрации BOD и аммиака (NH₄ ⁺) показаны на фиг.2 и 3 и описаны ниже. На фигурах графически представлены ответные реакции единственного образца смешанной жидкости (т.е. сточных вод) и микробов для биологического отделения питательных веществ (BNR), выделенного из основного объема сточных вод. Выделенный образец альтернативно подвергается и не подвергается аэрации. Аэрация начинается и продолжается, пока не достигается уровень растворенного кислорода, который с некоторым запасом выше, чем уровень DO в основном объеме сточных вод. По достижении этого уровня аэрация останавливается и начинается только тогда, когда уровень растворенного кислорода в образце достигает уровня, который с некоторым запасом ниже уровня DO в основном объеме сточных вод. В течение тех периодов, когда аэрация не осуществляется, BOCR, так и pHPR определяются и рассчитываются следующим образом:

BOCR = -(DO)/(t),

где DO эквивалентно изменению уровня насыщения растворенным кислородом, выраженному как процентное насыщение, измеренное на протяжении периода времени t и

pHPR = -(pH)/(t),

где pH эквивалентно изменению, наблюдаемому в рН на протяжении периода времени t.

Как показано в периоде А на фиг. 2 и 3, когда концентрация как NH4⁺, так и BOD, выше их соответствующих значений 2K_s, BOCR является постоянной на своем наивысшем относительном уровне, поскольку использование BOD продолжается при максимальных скоростях и преобладает над реакциями нитрификации с расходом кислорода. Таким образом, pHPR является постоянной на среднем уровне. Эта модель BOCR/pHPR, как и описанные выше, ожидается, если допустить, что 1) реакции нитрификации и использования BOD являются доминирующими реакциями в биологическом образце, 2) получение и активность водородных ионов связаны со скоростью реакции нитрификации, и 3) реакции не ограничены наличием кислорода.

Впоследствии продолжающийся метаболизм сокращает содержание имеющегося NH₄ ⁺ ниже его значения 2K_s, и скорость нитрификации, получения водородных ионов падает с максимальной скорости до более низкой скорости, когда концентрация аммиака является метаболически ограничивающим фактором. Как показано в периоде В на фиг. 2, pHPR падает существенно до сравнительно низкого уровня, a BOCR падает до сравнительно среднего уровня, отображая сниженную потребность и расход кислорода, что обусловлено сравнительно более низкой скоростью реакции нитрификации. Изменение концентрации аммиака от значения выше 2K_s к значению ниже 2K_s изображено переходом между периодами А и В на фиг.2.

Период С на фиг.2 и 3 показывает, что когда концентрация имеющегося NH₄ ⁺ ниже его значения 2K_s, и после снижения BOD ниже его значения 2K_s, pHPR возрастает очень медленно, чтобы отражать изменение в чисто метаболическом поведении смешанной биологической популяции, и BOCR падает до своей самой низкой скорости, чтобы отражать очень низкий расход кислорода путем реакций с расходом BOD и нитрификации. Этот переход изображен между периодами В и С на фиг.2.

Период D на фиг. 3 показывает, что когда концентрация BOD ниже своей величины 2K_s, а концентрация NH₄ ⁺ выше своей величины 2K_s, pHPR возрастает до своего наивысшего уровня, отражая высокую скорость нитрификации, а BOCR падает до среднего уровня, отражая чистое снижение общего расхода кислорода, обусловленное реакциями со сниженным уровнем расхода BOD. Наивысшая pHPR наблюдается при этом условии, потому что буферные эффекты реакций с расходом BOD отсутствуют. Обычно получение CO₂ в реакциях с расходом BOD придает некоторые буферные свойства образцу посредством системы угольной кислоты. Таким образом, в отсутствие реакций с расходом BOD и получения вследствие этого CO₂, pHPR является гораздо большей, чем в других условиях.

Возможно определить релевантную информацию относительно биологического образца на основании вышеприведенного примера путем мониторинга и сравнения тенденций и/или уровней BOCR и pHPR, потому что они представляют ключевые измеряемые, зависимые параметры микробной метаболической активности. Конкретно этот пример иллюстрирует, каким образом можно определить: 1) происходят ли нитрификация и удаление BOD одновременно при максимальных скоростях, 2) происходит ли нитрификация, когда BOD снизилась до уровней ниже своего значения 2K_s, 3) продолжаются ли реакции удаления BOD, когда количество аммиака снизилось до уровня ниже своего значения 2K_s, и 4) снизилось ли количество и аммиака и BOD до уровня ниже их соответствующих значений 2K_s.

Непосредственное и постоянное сравнение измеренных параметров BOCR и pHPR приводит к нескольким выводам относительно состояния сточных вод. Если образец смешанной жидкости подвергается постоянному мониторингу, и значительное увеличение pHPR происходит одновременно со снижением BOCR, это указывает на то, что BOD уменьшилась до уровня ниже своего соответствующего значения 2К_s, тогда как аммиака все еще много. Если образец смешанной жидкости подвергается постоянному мониторингу, и BOCR снижается до среднего уровня в то время, как pHPR снижается почти до нуля, это показывает, что содержание аммиака уменьшилось до уровня ниже его соответствующего значения 2K_s, тогда как BOD все еще является значительной. Если образец смешанной жидкости подвергается постоянному мониторингу, и BOCR уменьшается до низкого уровня и как pHPR уменьшается до низкого уровня, это указывает на то, что и содержание аммиака и BOD уменьшились до уровней ниже их соответствующих значений 2K_s. На это состояние также указывает снижение BOCR до низкого уровня и небольшое повышение pHPR от приблизительно нулевого уровня до чуть более высокого, но, в сущности, низкого уровня.

Таблица суммирует эти характеристики и иллюстрирует, как сравнение соответствующих значений и характеристик измеренных параметров BOCR и pHPR приводит к получению релевантной информации, описанной выше в связи с фиг.2 и 3.

На фиг.4 показан пример предпочтительного устройства, используемого для выделения образца сточных вод. Устройство 11, погруженное в ванну 2 (показана только ее часть) со сточной водой, включает в себя определительную камеру 8, имеющую подвижную крышку 32. Подвижная крышка 32 проталкивается в направлении стрелки "А" внутренним штоком 56, приводимым в действие стержнем Acme 57, соединенным с двигателем 53. В открытом положении вращение винта 48 обеспечивает обмен сточных вод в камере 8 между направлениями внутрь и наружу определительной камеры, и определительная камера 8 наполняется новым образцом сточных вод. Через заданный отрезок времени, например 30 секунд, запрограммированный двигатель 53 меняет направление вращения, подвижная крышка 32 подтягивается в направлении стрелки "В" до полного закрытия и герметизации определительной камеры 8. Подвижная крышка 32 и винт 48 приводится в движение тем же реверсивным низкоскоростным двигателем 53, который коаксиально соединяет внутренний шток 56 и внешний шток 55. Коаксиальное соединение заключено в трубу 54 из нержавеющей стали.

Концентрация DO определяется зондом (10) после наполнения определительной камеры 8 новым образцом сточных вод, и если DO меньше концентрации кислорода в основном объеме сточных вод на заданную резервную величину, воздух и/или кислород нагнетается в направлении определительной камеры 8 через аэрационную трубу 13 до достижения такой концентрации DO. Концентрация DO на уровне, который выше или ниже концентрации кислорода в основном объеме сточных вод на заданную резервную величину, обеспечит такие условия, что аэробные метаболические реакции внутри определительной камеры 8 будут такими же или близкими к процессу удаления питательных веществ в основном объеме сточных вод. Подобным образом зонд 12 рН определяет изменения в рН. Кроме того, винт 48 может периодически или постоянно вращаться для поддержания образца в хорошо перемешанном или взвешенном состоянии.

Аэрация в устройстве 11 прерывается на определенный интервал времени для измерений после достижения максимальной концентрации DO. В течение этого периода остаточная концентрация DO и рН, на которые в целом не влияет аэрация ванны со сточными водами, подвергаются мониторингу при помощи зондов. Сигналы об уровне рН и остаточном DO от соответствующих зондов 12 и 10 поступают к контроллерам, которые преобразуют изменения в DO относительно времени в BOCR, и изменения в рН относительно времени - в pHPR посредством численного дифференцирования в соответствии с вышеописанными уравнениями.

В большинстве установок для очистки сточных вод концентрация BOD и аммиака после окончательной очистки находится на уровне ниже значений 2K_s для BOD и NH₄ ⁺. Когда концентрация BOD и NH₄ ⁺ в определительной камере снижается до уровня ниже значений 2K_s, аэробные метаболические реакции для удаления питательных веществ считаются завершенными с значительными изменениями в значениях BOCR и pHPR. Завершение аэробных метаболических реакций для удаления питательных веществ может быть определено при помощи анализов BOCR и pHPR в соответствии с критериями, приведенными в таблице. Для других биологических процессов концентрации веществ в среде являются обычно значительно более высокими, чем значения 2K_s, для поддержания максимальной скорости и получения требуемого вещества. Таким образом, определение завершения метаболических реакций будет сигнализировать о необходимости добавления питательного вещества, или о времени прекращения биологического процесса, или о времени сбора определяемого вещества, полученного в ходе процесса.

Информация об аэробных метаболических реакциях для удаления питательных веществ, такая как время завершения (NT) нитрификации, время денитрификации (DNT) и т. д., может быть использована для регулирования и контроля процесса очистки сточных вод и других аэробных метаболических процессов. Например, измеренное NT может сравниваться со средним временем гидравлического удержания сточных вод в аэротенке в установке для очистки сточных вод. Если NT значительно меньше, чем время гидравлического удержания HRT, аэробное удаление питательных веществ закончено в середине аэротенка. После этого остальная часть аэротенка находится, в сущности, в нерабочем состоянии и не участвует в процессе очистки сточных вод. В этом случае на установке могут быть предприняты должные меры, чтобы: (1) исключить некоторые части аэротенка из эксплуатации для экономии эксплуатационных затрат и/или (2) принимать больший объем сточных вод и эффективно увеличить производительность очистной установки, и/или (3) снизить количество воздуха, подающегося в аэротенк, для снижения скорости аэробных метаболических реакций, чтобы NT точно соответствовало HRT в аэротенке и уменьшало потребление энергии от нагнетательных вентиляторов.

ПРИМЕР 1

Образец смешанной жидкости, взятый из аэротенка усовершенствованной установки для биологической очистки сточных вод, расположенной в Оуксе, Пенсильвания, был выделен в резервуаре, оснащенном устройствами для измерения уровней рН и насыщения растворенным кислородом, а также устройствами для аэрации и поддержания образца в хорошо перемешанном состоянии. Данные от устройств, измеряющих уровни рН и насыщения растворенным кислородом, записывались и анализировались компьютером для расчета BOCR и pHPR. Затем попеременно чередовались определенные периоды времени, когда образец подвергали или не подвергали аэрации. Аэрация начиналась и продолжалась до тех пор, пока не достигался такой уровень растворенного кислорода, который был сравним с его уровнем в основном объеме сточных вод плюс определенный запас при выделении образца. Концентрации NH₄ ⁺ и растворимых углеродистых органических веществ измерялись и представлялись как COD. Существовала линейная корреляция между COD и BOD. Поэтому анализ COD использовался для отображения концентрации BOD. В периоды отсутствия аэрации, примеры которых обозначены стрелками на фиг.5 и 6, как BOCR, так и pHPR вычисляли и рассчитывали путем численного дифференцирования, как описано выше.

На фиг.5 показано насыщение растворенным кислородом и BOCR в период исследования, когда измеренная концентрация COD была постоянно больше, чем 150 мг COD на литр, что существенно выше значения 2K_s для COD, но когда концентрация аммиака изменялась от значения выше 2K_s до значения ниже 2K_s. Фиг. 5 раскрывает взаимосвязь между необработанными данными о растворенном кислороде, которые представляют собой скорость изменения количества кислорода в период между прекращением и началом аэрации, как было указано, и BOCR. Фиг.5 иллюстрирует также переход в уровне BOCR от высокого к среднему во время метаболически значимого перехода, когда концентрация аммиака падала ниже его значения 2K_s. BOCR выражена как процентное изменение в кислородном насыщении в минуту.

На фиг.6 показаны рН и pHPR образца за такой же период, что и на фиг.5. В течение этого периода измеренная концентрация COD была постоянно больше, чем 150 мг COD на литр, что было значительно выше значения 2K_s для COD, но концентрация аммиака изменялась от величины выше значения 2K_s до величины ниже значения 2K_s. Фиг. 6 иллюстрирует взаимосвязь между необработанными данными об уровне рН, т.е. изменением рН в период между прекращением и началом аэрации, как было указано, и pHPR. Фиг.6 также иллюстрирует переход в pHPR от среднего уровня до уровня около нуля во время метаболически значимого перехода, когда концентрация аммиака падала ниже его значения 2K_s. pHPR выражена как изменение рН в минуту.

На фиг. 7 показаны изменения измеренных уровней аммиака и рассчитанной pHPR за тот же период, что показан на фиг.6. Фиг.7 иллюстрирует переход в pHPR от среднего уровня к уровню около нуля во время перехода концентрации аммиака от величины, примерно равной значению 2K_s, до уровня ниже значения 2K_s. pHPR выражена как изменение рН в минуту.

На фиг.8 показаны изменения в измеренных уровнях аммиака и рассчитанной BOCR за тот же период, что показан на фиг.5. Фиг.8 иллюстрирует переход BOCR от высокого к среднему уровню во время перехода концентрации аммиака от величины, превышающей 2K_s до величины ниже 2K_s. BOCR выражена как процентное изменение в кислородном насыщении в минуту.

Фиг.9 графически отображает постоянство зависимости pHPR от концентрации аммиака. Это достигалось добавлением раствора аммиака в образец смешанной жидкости в те моменты, когда количество содержащегося в образце аммиака снижалось, т.е. при Т=120 мин и Т=170 мин. С периода между Т=0 мин и Т=195 мин концентрация COD была значительно выше значения 2K_s. Примерно при Т=90 мин значительный переход может наблюдаться в pHPR, когда концентрация аммиака уменьшается до уровня ниже ее значения 2K_s.

Последующие добавления аммиака были сделаны при Т=120 мин и Т=170 мин, когда рН была примерно на нулевом уровне. Фиг.9 показывает, что pHPR резко подскакивала почти с нулевого уровня, непосредственно перед каждым последующим добавлением, до сравнительно среднего уровня, такого, какой наблюдался между Т= 0 мин и Т=90 мин. После последующих добавлений аммиака pHPR возвращалась на почти нулевой или низкий уровень после уменьшения содержания аммиака ниже значения 2K_s. COD присутствовала в достаточном количестве, а снижение содержания аммиака приводило к снижению pHPR почти до нулевого уровня в случае первого добавления аммиака при Т=120 мин. Уменьшение содержания аммиака имело место в то время, когда концентрация COD также была снижена до уровня ниже своего значения 2K_s во втором случае добавления аммиака при Т= 170 мин. В результате pHPR снижалась до низкого, но не нулевого, уровня, как показано в периоде С на фиг.2 и 3.

Фиг. 10 дает более полную картину данных, представленных на фиг.9, и включает в себя рассчитанную pHPR, рассчитанную BOCR, концентрации аммиака и COD. Фиг.10 наилучшим образом иллюстрирует переходы pHPR и BOCR между различными соответствующими уровнями в случае значимых метаболических явлений.

Можно быстро и точно установить момент, когда концентрация органических веществ и/или неорганических веществ падает ниже их соответствующих уровней 2K_s, как показано в этом примере, путем мониторинга соответствующих уровней BOCR и pHPR, в соответствии с данным изобретением. Определение снижения количества конкретного вещества ниже его соответствующего и метаболически существенного значения концентрации 2K_s часто свидетельствует о значительном изменении в состоянии микробной популяции или ее окружения, или изменении в метаболической модели и/или поведении образца, содержащего активные микробы.

В ответ могут быть предприняты различные регулирующие действия в зависимости от конкретного процесса. Например, снижение количества конкретного вещества в микробной популяции может сигнализировать об изменении в метаболизме, вследствие чего можно обеспечить получение желаемого вторичного метаболита, что показывает, что процесс должен продолжаться до стадии отделения, сбора и/или очистки. Подобным образом в биологических процессах, целью которых является поддержание конкретной схемы поэтапной подачи вещества в микробную популяцию, способность к определению снижения содержания вещества ниже концентрации 2K_s и/или состояния, когда добавление вещества увеличивает концентрацию вещества до уровня выше 2K_s, может быть использована для указания на то, что желательно увеличение или уменьшение подачи вещества.

В Примере 1 описана аэробная биологическая очистка сточных вод, целью которой часто является снижение посредством биологических механизмов количества конкретных неорганических и органических веществ, например сокращение растворимого аммиака и углеродистых органических веществ. Таким образом, различные регулирующие действия могут быть предприняты в ответ на снижение количества одного или более из этих веществ ниже уровня концентрации 2K_s, так как концентрация 2K_s часто бывает ниже низкого уровня концентрации, необходимого для многих веществ. Например, если обнаружено, что концентрация и органических, и неорганических (аммиак) веществ ниже их соответствующих значений концентрации 2K_s, скорость потока в процессе очистки сточных вод может быть увеличена, вследствие чего увеличится производительность очистного оборудования. Если обнаружено, что концентрация и органических, и неорганических веществ выше их соответствующих значений концентрации 2K_s, скорость потока в процессе очистки сточных вод может быть снижена. Если содержание аммиака ниже значения 2K_s, а органического вещества - выше значения 2K_s, аэрация ванны может быть уменьшена вследствие сниженной потребности в нитрификации. Наконец, если содержание органического вещества ниже значения 2K_s, а аммиака - выше значения 2K_s, аэрация может быть увеличена для создания более благоприятных условий для нитрификации.

ПРИМЕР 2

В Примере 2 образец смешанной жидкости был выделен таким же образом, как описано в Примере 1. Постоянная аэрация образца смешанной жидкости поддерживалась на протяжении периода, в течение которого образец был выделенным. Скорость аэрации выбиралась таким образом, чтобы уровень концентрации растворенного кислорода в образце был выше, чем критическое значение, требуемое для биологического удаления углеродистых питательных веществ и аммиака. Изменения концентрации кислорода и рН подвергались мониторингу при помощи зонда растворенного кислорода и зонда рН, как показано на фиг.11.

Затем небольшой объем смешанной жидкости периодически отводился из выделенного образца, и проверялась концентрация аммиака. Фиг.12 показывает изменения в концентрациях аммиака и рН на протяжении всего периода аэрации, во время которого образец был выделен. Конец нитрификации (концентрация аммиака была ниже, чем уровень определения, т.е. 0,1 частиц на миллион) сопровождался медленным повышением значения рН.

Производная рН от времени, d(pH)/dt показана на фиг.12. Когда концентрация аммиака приблизилась к нулю, значение d(pH)/dt прошло вторую нулевую точку. Характеристика d(pH)/dt во второй нулевой точке может быть также определена как точка, где d(pH)/dt изменяется от отрицательной величины до нуля. Время, соответствующее этой точке, определяется как время завершения нитрификации смешанной жидкости, или NT. В Примере 2, как показано на фиг. 12, NT измеряется примерно при 75 минутах. Измерение d(pH)/dt в Примере 2 отличается от измерения в Примере 1. В Примере 1 d(pH)/dt измеряли в период отсутствия аэрации, тогда как в Примере 2 d(pH)/dt измеряли при продолжающейся аэрации. Вследствие постоянного удаления CO₂ из смешанной жидкости, можно видеть снижение рН при измерении. Таким образом, pHPR иногда является отрицательной.

На фиг. 13 показана кривая растворенного кислорода и ее производная, d(DO)/dt, для того же образца. Когда аммиак был израсходован, значение первой производной от DO, d(DO)/dt, начинало значительно увеличиваться. Значение времени нитрификации (NT), измеренное для DO, также составляло примерно 75 минут.

Далее будет описано одно практическое применение измерения NT в регулировании процесса биологической нитрификации. В одном из ряда биореакторов, где имеет место процесс биологической нитрификации, один пробоотборник был установлен в самом начале биореактора или перед первым из ряда биореакторов. Измеренное NT показывает, что при существующей концентрации биомассы и дозировке аммиака потребуется время NT завершения нитрификации.

Время гидравлического удержания (HRT) смешанной жидкости в одном из серии биореакторов рассчитывается, принимая во внимание скорость течения и режим течения смешанной жидкости и геометрию биореактора. Затем NT сравнивают с временем гидравлического удержания смешанной жидкости. Должный процесс нитрификации будет иметь сопоставимые значения NT и HRT при ежедневной работе. Когда NT значительно меньше, чем HRT, нитрификация заканчивается в биореакторе или в ряде биореакторов ранее заданного HRT, что означает процесс, обладающий дополнительной способностью к нитрификации. В случае, когда другие загрязняющие примеси удалены до того, как аммиак полностью нитрифицирован, определение NT сигнализирует об окончании процесса обработки сточных вод. Это указывает на то, что в процессе может быть обработано больше сточных вод в данном объеме резервуара при том же рабочем режиме, или что в процессе можно использовать меньший объем резервуара и осуществить определенную экономию эксплуатационных расходов.

С другой стороны, если NT больше, чем HRT, концентрация аммиака будет выше нуля, но необязательно выше, чем позволяет выпуск. Чтобы обеспечить качество жидкости, выпускаемой из очистного сооружения, увеличивают скорость аэрации в биореакторе (биореакторах) и/или концентрацию смешанной жидкости. Если NT превышает HRT в продолжение длительного периода, это указывает на то, что процесс перегружен в отношении удаления аммиака, и, скорее всего, мощность оборудования должна быть увеличена, чтобы обработать данный объем сточных вод.

В общем случае, при сравнении NT и HRT такая информация, как способность процесса к нитрификации, необходимая скорость аэрации для биореактора или ряда биореакторов и качество выходящих из биореактора очищенных сточных вод, может быть определена и направлена оператору установки для регулирования процесса нитрификации.

Данное изобретение может применяться для любого типа микробиологического процесса, включающего (но не ограниченного) очистку сточных вод (городскую, промышленную и т.п.), фармацевтическое/биотехнологическое производство, процессы сбраживания, ферментации или любые другие процессы, включающие чистые или смешанные популяции микроорганизмов.