Способы измерения скоростей нитрификации и денитрификации и nox в жидкости

 

Изобретение может быть использовано для определения количественного состава загрязняющих веществ, содержащихся в сточных водах. Способ измерения скоростей нитрификации включает отделение пробы жидкости в момент времени t₀, измерение концентрации аммиака [NH₃]₁ или аммония [NH⁺₄]₁, присутствующих в указанной пробе в заданное время t₁, отделение другой пробы жидкости и введение воздуха в другую пробу жидкости по истечении другого заданного времени t₂, прекращение введения воздуха в другую пробу жидкости и регулирование уровня рН другой пробы в момент времени t₃, регистрацию другого значения аммиака [NH₃]₂ или аммония [NH⁺₄]₂ в другой пробе в заданное время t₄ и определение скорости нитрификации жидкости в соответствии с формулой или , где NR является скоростью нитрификации, Δt является t₃-t₂ и Δ[NH₃] является [NH_3]1-[NH_3]2 или Δ[NH⁺₄] является [NH⁺₄]₁-[NH⁺₄]₂. Изобретение предусматривает другой вариант выполнения способа и предусматривает измерение скорости денитрификации в жидкости. Изобретение позволяет определить количественный состав различных загрязняющих веществ, таких как оксиды азота, содержащихся в сточных водах, что обеспечивает возможность наилучшим образом обработать сточную воду, поскольку ненадлежащим образом очищенная сточная вода несет угрозу человеческому здоровью. 4 с. и 23 з.п. ф-лы, 10 ил.

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Данное изобретение относится к системам и способам для измерения количества NO_x (нитрата (NO₃) и/или нитрита (NO₂)) и скоростей нитрификации/денитрификации в жидкой среде и управления ходом данных процессов.

ОПИСАНИЕ ПРЕДШЕСТВУЮЩЕГО УРОВНЯ ТЕХНИКИ )

На водоочистительных сооружениях промышленного и муниципального назначения для осаждения и ускорения распада загрязняющих веществ используются микроорганизмы. Для эффективного управления этими процессами требуется быстрое и точное получение информации об активности данных микроорганизмов. Данная задача осложняется ввиду постоянного наличия в системах водоочистки большого количества разнообразных загрязняющих веществ. Помимо этого дневное, недельное либо сезонное изменение количества сточных вод, подвергаемых очистке, может губительным образом сказаться на многочисленных важных факторах процесса очистки, таких как уровень рН, температура, кислород, растворенный в воде, питательные среды и т.п., изменение этих факторов может быть вредным для надлежащего хода процесса очистки. Сточная вода, очищенная ненадлежащим образом, несет серьезную угрозу человеческому здоровью.

В биохимических процессах/системах/сооружениях часто используются разнообразные процессы БПС (удаления в биологических питательных средах). В дальнейшем термин "БПС" используется в очень широком смысле, имеется в виду любой процесс, в котором для удаления питательных сред используются микроорганизмы. В ходе процессов БПС загрязняющие вещества в жидкостях, например в сточных водах, в частности источники углерода (измеряемые как биохимическая потребность в кислороде или БПК), аммиак, нитраты, фосфаты и тому подобные соединения, перевариваются при помощи активного ила в ходе анаэробной бескислородной и аэробной (кислородсодержащей) стадий, что также известно на нынешнем уровне развития технологии.

В ходе анаэробной стадии процесса сточные воды с прохождением процесса предварительного осаждения либо без него смешиваются с возвратным активным илом (ВАИ), в дальнейшем также иногда упоминаемым как "смешанная жидкость".

Конечно важно определить количественный состав различных загрязняющих веществ, содержащихся в сточных водах. Одними из таких загрязняющих веществ являются оксиды азота NO_x. Это происходит потому, что определение количества NO_x предоставляет ценную информацию о процессах нитрификации и денитрификации. Важно также определить скорость нитрификации или денитрификации для того, чтобы иметь возможность регулировать различные параметры системы, как например время удержания, для улучшения процесса обработки и увеличения эффективности обработки системы с учетом этой важной информации.

К известным подобным решениям можно отнести патенты США 6143246 и 6416652, которые относятся к устройству и способу измерения аммония в биохимическом процессе, и более того, в частности, к устройству для измерения в реальном времени количества аммония в жидкости с или без примесей в виде суспензий.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Один из предпочтительных вариантов осуществления изобретения включает в себя способ измерения скорости нитрификации для жидкости, включающий в себя:

a) отделение пробы жидкости в момент времени t₀,

b) измерение концентрации аммиака [NН₃]₁ или аммония [NH⁺₄]₁, присутствующих в указанной пробе, в заданное время t₁,

c) отделение другой пробы жидкости и введение воздуха в другую пробу жидкости по истечении другого заданного времени t₂,

d) прекращение введения воздуха в другую пробу жидкости и регулирование уровня рН другой пробы в момент времени t₃,

e) регистрацию другого значения аммиака [NН₃]₂ или аммония [NH⁺₄]₂ в другой пробе в заданное время t₄,

f) определение скорости нитрификации жидкости в соответствии со следующей формулой:

или

где NR является скоростью нитрификации, Δt является t3-t2 и Δ[NН3] является [NН3]1-[NН3]2 или Δ[NH4+] является [NH4+]1-[NH4+]2.

Кроме того, он включает в себя дополнительно повторение стадий а) - f) через выбранные интервалы для определения изменений в скорости нитрификации.

Кроме того, указанные значения аммиака [NН₃] определяют при помощи селективного зонда на аммиак.

Дополнительно указанные значения аммония [NH⁺₄] определяют при помощи селективного зонда на ион аммония.

Кроме того, он дополнительно включает в себя периодическое калибрование указанного селективного зонда на аммиак.

Кроме того, он дополнительно включает в себя периодическое калибрование указанного селективного зонда на ион аммония.

Кроме того, указанная жидкость содержит органическое вещество.

Кроме того, хотя бы часть указанного органического вещества способна выделять аммиак.

Кроме того, указанная жидкость не отфильтрована.

Кроме того, указанная жидкость является сточной водой.

Другой из предпочтительных вариантов осуществления изобретения включает в себя способ измерения скорости нитрификации в жидкостях, включающий в себя:

a) отделение первой и второй проб жидкости и введение воздуха в указанную вторую пробу жидкости в момент времени ₀,

b) измерение концентрации аммиака [NН₃]₁ или аммония [NH⁺₄]₁, присутствующих в указанной первой пробе,

c) прекращение введения воздуха в указанную вторую пробу в момент времени t₁,

d) измерение концентрации аммиака [NН₃]₂ или аммония [NH⁺₄]₂, присутствующих в указанной второй пробе,

e) определение скорости нитрификации жидкости в соответствии со следующей формулой:

или

где NR является скоростью нитрификации, Δt является t₁-t₂ и Δ[NН₃] является [NН₃]₁-[NН₃]₂ или Δ[NH⁺₄] является [NH⁺₄]₁-[NH⁺₄]₂.

Кроме того, он дополнительно включает в себя повторение стадий а) - d) через выбранные интервалы для определения изменений в скорости нитрификации.

Дополнительно указанные значения аммиака определяют при помощи селективного зонда на аммиак.

Дополнительно указанные значения аммония определяют при помощи селективного зонда на ион аммония.

Кроме того, он дополнительно включает в себя периодическое калибрование указанного селективного зонда на аммиак.

Кроме того, он дополнительно включает в себя периодическое калибрование указанного селективного зонда на ион аммония.

Кроме того, указанная жидкость содержит органическое вещество.

Дополнительно, хотя бы часть указанного органического вещества способна выделять аммиак.

Дополнительно указанная жидкость не отфильтрована.

Кроме того, указанная жидкость является сточной водой.

Термины “аммиак” ([NH₃]) и “аммоний” ([NH⁺₄]) в дальнейшем часто являются взаимозаменяемыми и относятся к концентрации аммония в водной фазе. Это происходит потому, что при заданном уровне рН существует химическое равновесие между молекулами аммиака и ионами аммония в водной фазе. Данное равновесие может быть описано в следующей форме с константой равновесия, равной единице при уровне рН 9,25.

NH₃+H₂O↔NH⁺₄+ОН^-

Измерения аммиака [NH₃] и аммония [NH⁺₄] существенно эквивалентны, так как уровень рН раствора известен. Измерение концентрации аммония [NH⁺₄] более предпочтительно осуществлять при пониженном уровне рН (рН<6), в то время как измерение концентрации аммиака [NН₃] является более удобным при повышенном уровне рН (рН>8). Обсуждение данного изобретения часто относится к концентрации аммиака [NН₃], измеренной при помощи селективного зонда на аммиак, в то же время необходимо понимать, что при пониженном уровне рН он может быть заменен аммонием [NH⁺₄], измеренным при помощи селективного зонда на ион аммония.

Данное изобретение также включает способ измерения уровня NO_x в жидкостях, в частности в сточных водах. Данный способ отличается от других способов анализа тем, что отсутствует необходимость подготовки образца путем фильтрации либо другим способом удаления твердых частиц.

Данный способ включает в себя:

a) отделение пробы жидкости,

b) регулирование уровня рН и/или ионной силы указанной пробы в момент времени t₀,

c) регистрацию значения mV₁, показанного в указанной пробе, при помощи селективного зонда на NО_х в заданное время t₁,

d) регистрацию другого значения mV₂, показанного в указанной пробе, по истечении другого заданного времени t₂,

e) определение концентрации NO_x в указанной пробе в каждый из заданных моментов времени t₁ и t₂ в соответствии со следующей формулой:

[NО_х]=10^a·mV+b,

где а и b являются линейными коэффициентами зонда NO_X,

f) определение изменения в NO_x в указанной пробе в соответствии со следующей формулой:

Δ[NO_x]=[NO_x]₂-[NO_x]₁ ,

g) определение концентрации NO_x в пробе в соответствии со следующей формулой:

где Δt является t₂-t₁.

Кроме того, он дополнительно включает в себя слив указанной пробы и повторение шагов а) - g).

Кроме того, он дополнительно включает в себя периодическое калибрование указанного селективного зонда на нитрат и/или нитрит.

В еще одном из предпочтительных способов осуществления изобретения может быть измерена скорость денитрификации. Скорость денитрификации (DR) может быть измерена следующим способом:

отделение пробы жидкости в момент времени t₀, регистрация уровня содержания [NO_x]₁, присутствующего в пробе, в заданное время t₁, регистрация уровня содержания [NO_x]₂, присутствующего в пробе, в заданное время t₂ и определение скорости денитрификации жидкости в соответствии со следующей формулой:

где Δ[NO_x] является [NO_x]₁-[NО_х]₂ и Δt=t₂-t₁.

Кроме того, он дополнительно включает в себя повторение стадий а) - d) через выбранные интервалы для определения изменений в скорости денитрификации.

Кроме того, указанные значения [NO_x] определяют при помощи селективного зонда на нитрат и/или нитрит.

Дополнительно указанная жидкость является сточной водой.

ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг.1 схематически представляет типичный процесс обработки сточных вод с представлением изобретения и показом множества мест в системе, где могут быть установлены детекторы.

Фиг.2 показывает схематический вид спереди примера осуществления устройства согласно изобретению, используемого для мониторинга резервуара биореактора.

Фиг.3 показывает расширенный схематический вид в частичном разрезе устройства для забора проб сточных вод в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения.

Фиг.4 показывает график зависимости величины рН от NН₃/(NН₃+NН₄).

Фиг.5 показывает график зависимости (NН₃+NH⁺₄)/(истинное значение) от величины рН.

Фиг.6 показывает график показаний зонда на аммиак в mV в зависимости от количества аммиака в частях на миллион для калибрования аммиачного зонда на аммиак. Одно калибрование проводится в смешанной жидкости и одно- в дистиллированной воде.

Фиг.7 показывает еще один график показаний зонда на аммиак в mV в зависимости от количества аммиака в частях на миллион для калибрования зонда на аммиак. Одно калибрование проводится в смешанной жидкости и одно - в дистиллированной воде.

Фиг.8 показывает график зависимости NН₃ в частях на миллион от времени при рН 12, когда аммиак выпускается клеточным объемом микроорганизмов. Скорость выпуска можно считать постоянной во времени.

Фиг.9 показывает блок-схему способа измерения аммиака в соответствии с особенностями изобретения.

Фиг.10 показывает блок-схему способа калибрования анализатора аммиака в соответствии с особенностями изобретения.

ДЕТАЛЬНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Для эффективного управления процессом БПС необходимо регулировать определенные параметры процесса, основанные на биологической активности микроорганизмов в ходе анаэробной, бескислородной и/или кислородсодержащей стадий процесса. Сооружения по очистке сточных вод зачастую подвержены сильно неопределенным нестационарным воздействиям, таким как суточные колебания количества органических остатков.

Надлежащая оценка процесса БПС и управление им требуют точного и своевременного установления среди прочего количества NО_х и аммиака в смешанной жидкости, скоростей хода нитрификации и денитрификации в разнообразных средах и при разнообразных условиях.

Устройство для определения количества аммиака, и/или оксида азота NO_x, и/или скоростей нитрификации, и/или денитрификации может быть использовано в ходе любых стадий процесса ПОСВ (процесса очистки сточных вод) и в любых сочетаниях. Возможность встраивания устройства в типичный ПОСВ схематически показана на фиг.1. Измерения аммиака и/или NO_x могут осуществляться в любой точке или любом участке системы, изображенной на фиг.1. Не исключена возможность измерений на множественных участках избранной стадии процесса. В дальнейшем будет показана общая методика применения устройства в ходе анаэробной, бескислородной и/или кислородсодержащей стадий процесса очистки сточных вод в наиболее типичном исполнении.

Один из способов применения устройства для забора проб сточных вод показан на фиг.2. Резервуар биореактора 1 (или, в другом варианте, канал прохождения сточных вод) содержит сточные воды 2. Устройство детектирования монтируется сверху на резервуаре 1 биореактора и простирается до уровня сточных вод 2. Устройство включает в себя центральный блок 20 управления и анализа, соединенный с монитором 13 компьютера проводным либо беспроводным соединением 22. Подобным же образом центральный блок 20 управления и анализа соединяется с зондом 10 детектирования при помощи проводного соединения 24. Двигательный отсек 26 также присоединен к центральному блоку 20 управления и анализа при помощи проводного соединения 28.

Зонд 10 детектирования размещается в камере 8 детектирования и соединен электрически с центральным блоком 20 управления и анализа для распознавания изменений в количестве аммиака или аммония либо концентрации NO_x в пробах сточных вод в зависимости от компоновки. При низком уровне рН в качестве наиболее предпочтительного селективного зонда 10 на ион аммония используется зонд на ион аммония, производимый компаниями НАСН или NICO. При средне-высоком уровне рН в качестве наиболее предпочтительного селективного зонда 10 на аммиак используется газовый аммиачный зонд, также производимый компаниями НАСН или NICO. Наиболее предпочтительными селективными зондами на NO₂ и/или NО₃ являются зонды, производимые компанией NICO. Разумеется, в качестве зондов могут быть использованы и другие устройства, обеспечивающие возможность проведения подобных измерений.

Выбираемый компьютер/монитор 13 может быть любого подходящего типа, например персональный компьютер или подобное. Устройство 52 состоит из двух контейнеров (один для хранения калибровочного раствора аммиака или NО_х и другой для хранения раствора регулирования уровня рН и/или раствора регулирования ионной силы) и устройства доставки для каждого из контейнеров, например, насоса. Устройство 52 присоединено к центральному блоку 20 управления и анализа при помощи провода 54. Устройство 52 обеспечивает поступление калибровочного раствора аммиака или NО_х, раствора регулирования уровня рН и/или раствора регулирования ионной силы в жидкость (т.е. в сточные воды) в камере 8 детектирования при помощи соединительной трубы 53 через отверстия 55 подачи. Раствор регулирования уровня рН, как правило, щелочной для среднего или высокого уровня рН и кислотный для низкого уровня рН, может быть выбран из большого разнообразия растворов, изменяющих рН. Щелочи включают в себя NaOH, КОН и тому подобные. Кислоты включают в себя HC₁, уксусную кислоту и тому подобные. Раствор регулирования ионной силы жидкости, как правило раствор Аl₂(SO₄)₃ или раствор Аl₂(SO₄)₃, Ag₂SO₄, Н₃ВО₃ и сульфаминовой кислоты, может быть выбран из большого разнообразия растворов для регулирования ионной силы проб сточных вод.

Узел забора проб 11 монтируется на способной перемещаться каретке 30, которая может перемещаться на значительное расстояние вниз и вверх по вертикали для помещения узла 11 забора проб в сточные воды 2 и извлечения его из сточных вод. Точное исполнение перемещаемой каретки не является критичным, поскольку наиболее важным является достижение способности свободного перемещения узла 11 забора проб. Зонд 10 детектирования имеет конец детектирования, расположенный в камере 8 детектирования. Камера 8 детектирования имеет отверстие 66 и примыкающую с возможностью перемещения крышку 32, которая перемещается вниз и вверх по вертикали по направляющим пазам 34 и закрывает либо герметизирует отверстие 66.

На фиг.3 изображена камера 8 детектирования с зондом 10А детектирования с концом 50А детектирования. Зонд 10А детектирования может быть зондом на аммиак, аммоний или NO_x. Камера 8 детектирования также имеет необязательный зонд 10В детектирования с концом детектирования 50В. Необязательный зонд 10В является зондом уровня рН. Камера 8 детектирования еще дополнительно имеет отверстия 55А и 55В подачи. Через отверстие 55В подачи устройство 52 подачи подает раствор для регулирования уровня рН и/или раствор для регулирования ионной силы в камеру 8 детектирования.

Через отверстие 55А подачи устройство 52 подает аммиак или NO_x в камеру 8 детектирования. Пропеллер 48 расположен внутри камеры 8 детектирования и размешивает либо взбалтывает пробы во время работы зондов 10А и 10В. Крышка 32 находится в открытом положении, в закрытом положении она закрывает отверстие 66.

Пропеллер 48 соединен с двигательным отсеком 26 при помощи ряда коаксиальных труб 102, 104 и 106. Переходник 108 и втулка 112 упорного подшипника находятся внутри средней трубы 104 и соединены с ней.

Внешняя труба 102 смонтирована на основании 101. Переходник 108 присоединен к резьбовому стержню 110 для того, чтобы закрывать либо открывать крышку 32 в зависимости от направления движения двигателя 116 линейного исполнительного механизма. Средняя труба 104 перемещается по оси только в том случае, если наведенная тяга на средней трубе 104 превышает значение крутящего момента, необходимое двигателю 116 линейного исполнительного механизма для того, чтобы привести в движение резьбовой стержень 110. Данная тяга может быть вызвана пропеллером 48, прикрепленным к средней трубе 104, и/или втулками либо другими деталями конструкции, находящимися в соприкосновении со средней трубой 104. Втулка 112 опорного подшипника содержит подшипник 114, на который приходится осевое усилие центральной трубы 106 в тот момент, когда крышка 32 находится в закрытом положении. Подшипник 114 позволяет средней трубе 104 вращаться независимо от центральной трубы 106 и передает осевое движение трубы 104 центральной трубе 106. Внешняя труба 102 поддерживает как основание 101, так и камеру 8 детектирования, предохраняя от повреждения внутренние части. Камера 8 детектирования надлежащим образом уплотнена с внешней трубой 102, и когда крышка 32 подтянута к камере 8, пространство внутри камеры 8 герметизировано.

Когда двигатель 116 линейного исполнительного механизма вращается в одном направлении, резьбовой стержень 110 перемещается вниз, толкая крышку 32 и открывая ее. Когда гайка 118 достигает упорного подшипника 119, резьбовой стержень 110 более не в состоянии двигаться по оси, и это приводит к тому, что средняя труба 104 начинает вращаться со скоростью вращения двигателя. При этом камера 8 находится в открытом состоянии, а пропеллер 48 вызывает обмен жидкости снаружи и внутри камеры 8.

Когда двигатель 116 линейного исполнительного механизма вращается в противоположном направлении, резьбовой стержень 110 перемещается вверх, тянет крышку 32 и закрывает ее. Когда камера 8 закрыта, осевое движение резьбового стержня 110 предотвращается напряжением средней трубы 104. Это заставляет среднюю трубу 104 вращаться со скоростью вращения двигателя 116. Камера 8 тогда находится в закрытом положении таким образом, что жидкость внутри камеры 8 постоянно перемешивается пропеллером 48.

Показанное на фиг.2 и 3 устройство 52 сконструировано таким образом, чтобы точно приготавливать разнообразные варианты растворов для всей системы. Устройство 52 включает в себя корпус и в наиболее предпочтительном варианте исполнения два контейнера для растворов, хотя оно может быть сконструировано и таким образом, чтобы включать один или более двух контейнеров для раствора. Контейнеры имеют соответствующие насосы для растворов, соединенные со своими соответствующими контейнерами подающими трубопроводами насосов. Подающие трубопроводы насосов в наиболее предпочтительном варианте исполнения оснащены остроконечным или игольчатого типа устройством, которое проходит через корпус.

Каждый контейнер для раствора предпочтительно изготовлен из пластичного материала, проницаемого острием или иглой устройства, для того чтобы когда контейнер с раствором опущен на иглу, она протыкала контейнер, обеспечивая доступ раствора. Наиболее предпочтительно контейнер имеет форму, заставляющую жидкость в контейнере с раствором течь в направлении игольчатого устройства.

Поскольку для целей измерения является важным сохранение растворами их точной концентрации и отсутствие возможности загрязнения растворов, важно чтобы они были герметизированы. Однако при опорожнении контейнера весьма предпочтительным является обеспечение средства для заполнения воздухом пространства в контейнере, когда раствор удален. Это может быть достигнуто рядом средств, хотя наиболее предпочтительным является использование устройства игольчатого типа для протыкания контейнеров для раствора и обеспечения доступа воздуха внутрь контейнеров для раствора. Устройства игольчатого типа присоединены к трубопроводам подачи воздуха.

Каждый насос, присоединенный к соответствующему контейнеру для раствора, связан с центральным блоком 20 управления и анализа соединительными трубопроводами. Насосы также соединены с камерой (-ами) 8 детектирования при помощи трубопроводов подачи раствора для осуществления подачи точного количества раствора в камеру 8 детектирования в определенное время.

Конечно растворы, содержащиеся в контейнерах, могут быть различными. Однако наиболее предпочтительными растворами являются растворы хлорида аммония или нитрата натрия. Растворы для регулирования уровня рН и/или ионной силы также могут содержаться в контейнерах. Другие растворы также могут быть приготовлены в соответствии с необходимостью. Разумеется, по необходимости растворы могут быть приготовлены различных концентраций.

NO_x зачастую является основным загрязняющим веществом в сточных водах. Поэтому быстрый и доступный метод измерения NО_х в режиме реального времени является весьма предпочтительным. Соответственно один из способов осуществления изобретения включает измерение количества NО_х в сточных водах. Это осуществляется способом измерения NO_x в жидкости, включающим в себя отделение пробы жидкости, регулирование уровня рН и/или ионной силы пробы в момент времени t₀; регистрацию значения NO_x, присутствующего в пробе, при помощи селективного зонда (-ов) в заданное время t₁, регистрацию другого значения NO_x, присутствующего в пробе, по истечении другого заданного времени t₂; определение концентраций NO_x в пробе в каждый из заданных моментов времени t₁ и t₂ в соответствии со следующей формулой:

[NО_х]=10^a·mV+b,

где а и b являются линейными коэффициентами зонда(-ов) на NO_x;

определение изменений в NO_x в пробе в соответствии со следующей формулой:

Δ[NO_x]=[NO_x]₂-[NO_x]₁;

определение концентрации [NO_x] в пробе в соответствии со следующей формулой:

Анализатор [NО_х] может быть откалиброван в соответствии со следующим способом:

а) отделить пробу смешанной жидкости из резервуара очистки сточных вод и провести анализ на [NО_х], как описано выше, за исключением того, что проба не сливается в резервуар очистки после измерения концентрации [NО_х]. Параметры и промежуточные результаты, такие как [NO_x]₁, [NO_x]₂, mV₁, mV₂, Δ[NО_х]/Δt, сохранить для использования в стадии калибрования;

b) после того, как концентрация [NO_x] измерена, заданный объем раствора нитрата или нитрита ввести в контейнер для проб таким образом, чтобы концентрация [NO_x] в контейнере увеличилась на Δ[NО_х]^c1 (например, 0,5 мл 1000 частей на миллион раствора NаNО₃ или раствора NaNO₂ для Δ[NO_x]^c1=1 части на миллион при условии, что объем контейнера для проб равен 500 мл);

с) ожидать до t₃ с, чтобы снять третье показание mV с зонда [mV₃];

d) ввести вторую дозу калибровочного раствора таким образом, чтобы концентрация [NO_x] увеличилась на Δ[NO_x]^с2 (например, 2,0 мл 1000 частей на миллион раствора NaNO₂ или раствора NaNO₂ для Δ[NO_x]^c2=5 частей на миллион, учитывая первую дозу калибровочного раствора);

e) ожидать до t₄, чтобы снять четвертое показание mV с зонда [mV₄];

f) используя следующие уравнения, вычислить линейные коэффициенты [NO_x] а и b:

g) используя вновь полученные а и b, вычислить [NO_x]₀ из mV₀. Если вновь вычисленное значение [NO_x]₀ в значительной степени совпадает с исходным [NO_х]₀, значит калибрование прошло успешно, в противном случае используют вновь вычисленные значения [NO_х]₀ для повторения процесса калибрования. Калибрование считается законченным тогда, когда разница между и находится в пределах допустимого заданного уровня;

h) спустить пробу в резервуар очистки и начать новый цикл измерений;

i) калибрование анализатора NО_х может осуществляться с каждым новым циклом измерений или каждый день. По умолчанию предпочтительным считается калибрование, осуществляемое раз в день. Это дает дополнительные преимущества для определения скорости нитрификации.

В изобретении существуют два предпочтительных метода осуществления такого определения. В первом варианте способ включает в себя:

a) отбор первой пробы жидкости во время t₀,

b) измерение концентрации аммиака [NH₃]₁ или аммония [NH⁺₄]₁, присутствующего в пробе, в заданное время t₁, возвращение первой пробы в резервуар очистки,

c) отбор второй пробы жидкости и введение воздуха во вторую пробу жидкости по истечении другого заданного времени t₂,

d) прекращение введения воздуха во вторую пробу жидкости и регулирование уровня рН второй пробы в момент времени t₃,

e) регистрация другого значения аммиака [NН₃]₂ или [NH⁺₄]₂, присутствующего во второй пробе, в заданное время t₄,

f) определение скорости нитрификации жидкости в соответствии со следующей формулой:

или

где NR является уровнем нитрификации, Δt является t₃-t₂ и Δ[NН₃] является [NH₃]₁-[NН₃]₂ либо Δ[NН⁺₄] является [NH⁺₄]₁-[NH⁺₄]₂.

Во втором варианте с использованием двух устройств для забора проб способ включает в себя:

а) отбор первой и второй проб жидкости и введение воздуха во вторую пробу жидкости в момент времени t_o,

б) измерение концентрации аммиака [NH₃]₁ или аммония [NH⁺₄], присутствующих в первой пробе,

c) прекращение введения воздуха во вторую пробу в момент времени t₁,

d) измерение концентрации аммиака [NН₃]₂, присутствующего во второй пробе,

е) определение скорости нитрификации жидкости в соответствии со следующей формулой:

или

где NR является уровнем нитрификации, Δt является t₁-t₀ и Δ[NН₃] является [NH₃]₁-[NН₃]₂ либо Δ[NH⁺₄] является [NH⁺₄]₁-[NH⁺₄]₂.

Наиболее предпочтителен следующий режим работы анализатора аммиака в режиме измерения:

a) отобрать пробы смешанной жидкости из резервуара очистки сточных вод,

b) ввести раствор для регулирования уровня рН для доведения показателя рН в водной фазе приблизительно до 12,0. Это может быть осуществлено либо при помощи определенного количества, либо при помощи управления с обратной связью в виде рН зонда. Этот момент фиксируется как время ноль, t₀,

c) ожидать t₁ с для снятия первого показания mV₁ с зонда на аммиак,

d) ожидать t₂ с для снятия второго показания mV₂ с зонда на аммиак,

e) вычислить концентрацию аммиака из mV₁ и mV₂ с использованием следующего уравнения, где а и b являются линейными коэффициентами зонда на аммиак

[NH₃]=10^a·mV+b,

f) количество аммиака, выделившегося из пробы, вычислить как

g) концентрацию аммиака в пробе вычислить как

h) после измерения концентрации аммиака пробу возвратить в резервуар очистки и для следующего анализа осуществить забор свежей пробы.

Анализатор аммиака предпочтительно калибруется следующим способом:

a) отобрать пробу смешанной жидкости из резервуара очистки сточных вод и провести анализ аммиака, как описывалось выше, за исключением того, что проба не возвращается в резервуар очистки после измерения концентрации аммиака. Параметры и промежуточные результаты, такие как [NН₃]₁, [NН₃]₂, mV₁, mV₂, Δ[NН₃]/Δt, сохраняются для использования в ходе стадии калибрования;

b) после того как концентрация аммиака измерена, определенный объем раствора аммиака ввести в контейнер для проб таким образом, чтобы концентрация аммиака в контейнере увеличилась на Δ[NН₃]^c1 (например, 0,5 мл 1000 частей на миллион раствора NH₄Cl-N для Δ[NН₃]^c1=1 часть на миллион при условии, что объем контейнера для проб равен 500 мл);

c) ожидать до t₃ с, чтобы снять третье показание mV с зонда (mV₃);

d) ввести вторую дозу калибровочного раствора таким образом, чтобы концентрация аммиака увеличилась на Δ[NН₃]^c2 (например 2,0 мл 1000 частей на миллион раствора NH₄C₁-N для Δ[NН₃]^c2=5 частей на миллион, принимая во внимание первую дозу калибровочного раствора);

e) ожидать до t₄ с, чтобы снять четвертое показание mV с зонда (mV₄);

f) используя следующие уравнения, вычислить линейные коэффициенты аммиака а и b:

g) используя вновь полученные а и b, вычислить [NН₃]₀ из mV₀. Если вновь вычисленное значение [NН₃]₀ в значительной степени совпадает с исходным [NН₃]₀, значит калибрование прошло успешно, в противном случае использовать вновь вычисленное значение [NH₃]₀ для повторения процесса калибрования. Калибрование считается законченным тогда, когда разница между находится в пределах допустимого заданного уровня;

h) спустить пробу в резервуар очистки и начать новый цикл измерений.

Калибрование анализатора аммиака может осуществляться с каждым новым циклом измерений или каждый день. По умолчанию предпочтительным считается калибрование, осуществляемое раз в день.

Это также дает преимущества для определения скорости денитрификации (DR). Определение (DR) зависит от концентраций NO_x. Оно вычисляется в соответствии со следующим способом:

a) отбор пробы жидкости в момент времени t₀,

b) измерение концентрации [NO_x] ([NO_x]₁), присутствующего в пробе, в заданное время t₁,

c) измерение концентрации оксида азота [NO_x] ([NO_x]₂), присутствующего в пробе в заданное время t₂,

d) определение скорости денитрификации жидкости в соответствии со следующей формулой:

где Δ[NO_x] является [NO_x]₁-[NO_x]₂ и Δt=t₂-t₁.

Одним из практических аспектов определения скорости нитрификации NR в мониторинге и управления процессом очистки сточных вод является оценка и оптимизация работы биореактора. Когда NR измеряется в режиме реального времени, получаемая информация позволяет ответить на следующие вопросы:

1) Обладает ли активный ил способностью к нитрификации, т.е. присутствуют ли нитрификационные бактерии в биомассе. Низкий или близкий к нулю уровень NR показывает, что популяция нитрификационных бактерий в биомассе низка либо вообще не представлена, в то время как высокий уровень NR указывает на правильный ход процесса нитрификации.

2) Какая степень нитрификации достигается при текущей загрузке очистного сооружения? Когда NR определен, время, требуемое для надлежащего удаления аммиака, может быть вычислено на основании загрузки питательной среды. Это требуемое время нитрификациии может быть сравнено с текущим временем гидравлической задержки в биореакторе, чтобы видеть, может ли быть достигнута надлежащая нитрификация.

3) Какая интенсивность аэрации нужна для достижения желаемого уровня нитрификации? Оптимальная интенсивность подачи воздуха может быть достигнута, когда подача воздуха, вычисленная из значения NR, совпадает с реальной потребностью процесса нитрификации в воздухе. Чрезмерная аэрация может привести к ухудшению биомассы и потере энергии, в то время как недостаточная аэрация может вызвать недостаточную очистку сточных вод. Можно избежать каждого из этих случаев, управляя аэрацией надлежащим способом, используя NR как один из контрольных параметров.

4) Каково наилучшее среднее клеточное время жизни (СКВЖ) биомассы в биореакторе для желаемого уровня нитрификации? Популяция нитрификационных бактерий может быть оценена, исходя из значения NR. Эта оценка позволяет оператору определить надлежащее среднее клеточное время жизни (СКВЖ) для желаемого роста нитрификационных бактерий в биомассе. СКВЖ может быть использовано для управления убыванием активного ила.

5) Какой уровень концентрации биомассы должен поддерживаться в биореакторе для достижения нитрификации? Когда значение NR высоко, что говорит о многочисленности популяции нитрификационных бактерий, очистное сооружение может использовать более низкую концентрацию биомассы в биореакторе для достижения нитрификации, в то время как низкий NR говорит о необходимости поддерживать более высокую концентрацию биомассы в биореакторе.

6) Измерение NR также позволяет оператору очистного сооружения сточных вод оценивать, какое количество сточных вод может быть очищено нынешними средствами, планируя расширение или модификацию очистного сооружения.

Уровень денитрификации DR может быть использован при мониторинге и управлении ходом биологической денитрификации в процессе очистки сточных вод. Когда DR измеряется в режиме реального времени, получаемая информация позволяет ответить на следующие вопросы:

1) Какова мощность денитрификации в биореакторе? Основываясь на измеренном значении DR, информации о поступлении нитратов в бескислородную зону, времени гидравлической задержки в бескислородной зоне и желаемой степени денитрификации, можно оценить количество сточных вод, которое может очистить очистное сооружение.

2) Какова оптимальная внутренняя скорость обращения в бескислородной зоне? Поступление нитратов в бескислородную зону существенным образом зависит от внутреннего обращения нитрифицированной смешанной жидкости в конце аэробной зоны биореактора, см. фиг.1, на участок внутреннего денитрификационного обращения. Знание значения DR позволяет осуществлять точное управление внутренним обращением, позволяя достичь полного использования бескислородной зоны и избежать перерасхода энергии на перекачку, вызванного чрезмерным обращением.

3) Существуют ли факторы, ограничивающие достижение оптимальной денитрификации? Измерение DR позволяет оценить активность денитрификации в условиях углеродной питательной среды и поступления нитратов. Более низкое значение DR указывает на эндогенную денитрификацию, так как количество углеродной питательной среды ограничено. Увеличение поступления углеродной питательной среды улучшает процесс денитрификации.

С другой стороны, более высокое значение DR прогнозирует активный денитрификационный процесс. Увеличение внутреннего обращения улучшает общее удаление азота из потока сточных вод.

Данное изобретение может быть использовано в любом из микробиотических процессов, включая, но не ограничиваясь следующим: очистка сточных вод (муниципальная, промышленная и тому подобная), фармацевтическое/биотехнологическое производство, пивоварение, ферментация либо любой иной процесс, идущий с использованием смешанных популяций микроорганизмов.

Формула изобретения

1. Способ измерения скорости нитрификации в жидкости, включающий в себя а) отделение пробы жидкости в момент времени t₀, b) измерение концентрации аммиака [NН₃]₁ или аммония [NH⁺₄]₁, присутствующих в указанной пробе, в заданное время t₁, с) отделение другой пробы жидкости и введение воздуха в другую пробу жидкости по истечении другого заданного времени t₂, d) прекращение введения воздуха в другую пробу жидкости и регулирование уровня рН другой пробы в момент времени t₃, е) регистрацию другого значения аммиака [NН₃]₂ или аммония [NH⁺₄]₂ в другой пробе в заданное время t₄ и f) определение скорости нитрификации жидкости в соответствии со следующей формулой: или где NR является скоростью нитрификации, Δt является t₃ - t₂, Δ[NН₃] является [NН₃]₁ - [NH₃]₂ или Δ[NH⁺₄] является [NH⁺₄]₁ - [NH⁺₄]₂.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что он включает в себя дополнительно повторение стадий а) - f) через выбранные интервалы для определения изменений в скорости нитрификации.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что указанные значения аммиака [NH₃] определяют при помощи селективного зонда на аммиак.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что указанные значения аммония [NH⁺₄] определяют при помощи селективного зонда на ион аммония.

5. Способ по п.3, отличающийся тем, что он дополнительно включает в себя периодическое калибрование указанного селективного зонда на аммиак.

6. Способ по п.4, отличающийся тем, что он дополнительно включает в себя периодическое калибрование указанного селективного зонда на ион аммония.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что указанная жидкость содержит органическое вещество.

8. Способ по п.7, отличающийся тем, что хотя бы часть указанного органического вещества способна выделять аммиак.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что указанная жидкость не отфильтрована.

10. Способ по п.1, отличающийся тем, что указанная жидкость является сточной водой.

11. Способ измерения скорости нитрификации в жидкостях, включающий в себя а) отделение первой и второй проб жидкости и введение воздуха в указанную вторую пробу жидкости в момент времени t₀, b) измерение концентрации аммиака [NН₃]₁ или аммония [NH⁺₄]₁, присутствующих в указанной первой пробе, с) прекращение введения воздуха в указанную вторую пробу в момент времени ₁, d) измерение концентрации аммиака [NH₃]₂ или аммония [NH⁺₄]₂, присутствующих в указанной второй пробе, и е) определение скорости нитрификации жидкости в соответствии со следующей формулой:

или

где NR является скоростью нитрификации, Δt является t₁ - t₂ и Δ[NH₃] является [NH₃]₁ - [NН₃]₂ или Δ[NH⁺₄] является [NH⁺₄]₁ - [NH⁺₄]₂.

12. Способ по п.11, отличающийся тем, что он дополнительно включает в себя повторение стадии а) - d) через выбранные интервалы для определения изменений в скорости нитрификации.

13. Способ по п.11, отличающийся тем, что указанные значения аммиака определяют при помощи селективного зонда на аммиак.

14. Способ по п.11, отличающийся тем, что указанные значения аммония определяют при помощи селективного зонда на ион аммония.

15. Способ по п.13, отличающийся тем, что он дополнительно включает в себя периодическое калибрование указанного селективного зонда на аммиак.

16. Способ по п.13, отличающийся тем, что он дополнительно включает в себя периодическое калибрование указанного селективного зонда на ион аммония.

17. Способ по п.11, отличающийся тем, что указанная жидкость содержит органическое вещество.

18. Способ по п.17, отличающийся тем, что хотя бы часть указанного органического вещества способна выделять аммиак.

19. Способ по п.11, отличающийся тем, что указанная жидкость не отфильтрована.

20. Способ по п.11, отличающийся тем, что указанная жидкость является сточной водой.

21. Способ измерения NO_x в жидкости, включающий в себя а) отделение пробы жидкости, b) регулирование уровня рН и/или ионной силы указанной пробы в момент времени t₀, с) регистрацию значения mV₁, показанного в указанной пробе при помощи селективного зонда на NO_x в заданное время t₁, d) регистрацию другого значения mV₂, показанного в указанной пробе, по истечении другого заданного времени t₂, e) определение концентрации NO_x в указанной пробе в каждый из заданных моментов времени t₁ и t₂ в соответствии со следующей формулой: [NO_x]=10^a·mV+b, где а и b являются линейными коэффициентами зонда NO_x, f) определение изменения в NO_x в указанной пробе в соответствии со следующей формулой: Δ[NO_x]=[NO_x]₂-[NO_x]₁ и g) определение концентрации NO_x в пробе в соответствии со следующей формулой:

где Δt является t₂ - t₁.

22. Способ по п.21, отличающийся тем, что он дополнительно включает в себя слив указанной пробы и повторение шагов а) - g).

23. Способ по п.21, отличающийся тем, что он дополнительно включает в себя периодическое калибрование указанного селективного зонда на нитрат и/или нитрит.

24. Способ измерения скорости денитрификации в жидкости, включающий в себя а) отделение пробы жидкости в момент времени t₀, b) измерение концентрации [NO_x]₁, присутствующего в указанной пробе, в заданное время t₁, с) измерение концентрации [NO_x]₂, присутствующего в указанной пробе, в заданное время t₂ и d) определение скорости денитрификации жидкости в соответствии со следующей формулой:

где Δ[NO_x] является [NO_x]₁ - [NO_x]₂ и Δt=t₂-t₁.

25. Способ по п.24, отличающийся тем, что он дополнительно включает в себя повторение стадий а) - d) через выбранные интервалы для определения изменений в скорости денитрификации.

26. Способ по п.24, отличающийся тем, что указанные значения [NO_x] определяют при помощи селективного зонда на нитрат и/или нитрит.

27. Способ по п.24, отличающийся тем, что указанная жидкость является сточной водой.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10