CN103765211B - 用于监测并控制废水处理的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是针对用于准确地检测废水中污染物的存在与含量的方法、组合物以及设备。所述方法包括以下步骤：将至少一种示踪剂分子添加到一定体积的废水中，观察所述示踪剂对特定污染物的指示，进行至少一种第二形式的污染检测，以及使所述两种所测量的性质相互关联，从而鉴别所述污染的特定组成。使用失踪剂分子允许检测以其他方式难以检测的油和油脂。然而，所述第二方法的使用补偿了污染物对示踪剂的干扰，并且允许更准确的读数。本发明包括响应于所述检测馈入功能性化学物质并且进行在线并连续地检测。
Description
相关申请的交叉引用
不适用。
关于联邦政府资助的研究或开发的声明
不适用。
发明背景
本发明整体涉及废水处理方法以及适用于废水处理的设备和物质组合物。各种工业过程导致多种形式的污染聚集在废水中，如油脂和油。这种污染是有问题的，因为它使废水可以处理的方式复杂化了。可获得用于处理污染性油和油脂的各种技术，但是这些技术依赖于清楚在一定体积的废水中存在何种污染物和各种污染物的多少。
存在各种现有技术方法来确定废水的污染物含量。这些方法包括重量分析法、直接测量法(如US EPA方法1664)、比色测定法、UV法、荧光法、IR吸收法以及气相色谱法。这些方法中的许多以在线和离线方式描述在国际专利申请WO2010/007390A2中。
这些方法中，一种特别令人关注的方法是使用极性敏感性荧光染料。这些染料相互作用，使得当存在特定的油时，它们可检测地发出荧光；但在那些染料不存在时，不发出荧光。然而，这种方法遭受检测困难，因为背景干扰和多种类型的油的相互影响导致荧光读数混淆且不可靠。
因此，提供更好地检测废水中油和油脂的存在的方法和设备是有用并且需要的。在此部分中所描述的技术并不打算承认本文所提到的任何专利、公开案或其它信息是关于本发明的“现有技术”，除非特定地指明如此。此外，此部分不应该解释为意指已经进行了搜索或不存在如37CFR§1.56(a)中所定义的其它相关信息。
发明概述
本发明的至少一个实施方案是针对准确地检测至少一种液体中具体污染物的存在和含量的方法，所述方法包括以下步骤：1)提供一定体积的液体；2)进行一种污染检测方法，所述方法能够测量所述体积的液体中的浊度量并且由此推断出所述液体中引起浊度的污染物的含量；3)通过以下步骤来选择校正因子：鉴别一系列预定校正因子中何者与所测量的浊度量散射来自特定示踪剂的光并且由此改变当示踪剂存在于油中时特定液体中所发生的荧光变化量的程度相符；4)向所述液体中引入特定示踪剂；5)通过向所述液体中引入特定示踪剂来测量所发射的荧光的变化；6)通过根据所选择的校正因子调整所测量的变化来校正所测量的荧光变化；7)从经过校正的所测量的荧光变化计算所述液体中油的含量；以及8)通过从所计算的引起浊度的污染物的含量中扣除所计算的油的含量来计算所述液体中非油污染物的含量。
所述示踪剂可以是极性敏感性的并且当在水中并存在油时而不是在不存在油的水中时展现出可检测的性质。所述示踪剂的荧光当有油存在时会被淬灭或者当有油存在时会得到增强。所述方法可以进一步包括以下步骤：在添加去除非极性污染物的化学物质之前和之后均测量示踪剂并且使用测量结果的差异来确定所述液体中非极性污染物的含量。所述液体可以选自由以下组成的列项：废水澄清池流出液或流入液、水、醇以及其任何组合。所述方法可以进一步包括使用光发射源，其将光发射到液体中，从而有助于示踪剂性质的检测。可检测的性质可以通过经构造并布置以在特定设置下检测的设备来检测，所述设置选自由以下组成的列项：波长、发射强度、所发射的光或能量的吸光度以及其任何组合。非油浊度可以鉴别为固体微粒。所述方法可以进一步包括响应于所检测的污染物向所述液体中添加功能性化学物质的步骤，所述功能性化学物质是特别适用于修复所检测的特定污染物的存在的化学物质。所述功能性化学物质可以选自由以下组成的列项：灭生物剂、分散剂、絮凝剂、表面活性剂、乳化剂、破乳剂、无机物、酸、碱、腐蚀抑制剂、水以及溶剂。所述液体可以是从工艺流中转移的样品并且对所述样品进行检测。可以在连续的基础上进行检测并且针对通过传感器的特定液体流来优化示踪剂检测。所述方法可以进一步包括使用与检测信息连接的控制装置，其中所述控制装置接收来自检测的数据并且将至少一种功能性化学物质适当地释放到所述液体中。所述引起浊度的材料可以发射其自身的荧光并且校正因子考虑了所述浊度所发射的荧光。
额外的特征和优势描述在此，并且将从以下详细说明中显而易知。
发明详述
提供以下定义来确定本申请书中，并且尤其是权利要求书中所用的术语应该如何理解。定义的组织仅仅是为了方便起见并且不打算将任何定义局限于任何特定类别。
“整体样品(bulk sample)”意指除了整体样品可以包括基于尺寸的分离之外，其成分尚未被具体地分离的样品。
“油”意指粘度大于水的任何液体并且包括但不限于烃液和油脂。
“极性敏感性”意指物质组合物(包括但不限于染料)取决于其周围环境的极性和/或疏水性材料的存在而具有移动的吸光度和/或荧光发射波长。
“溶剂化显色(solvatochromatic)”意指物质组合物(包括但不限于染料)取决于其周围环境的极性而具有移动的吸光度和/或荧光发射波长。
“示踪剂”意指通过改变其发荧光的程度而对另一种液体中油的存在起反应的物质组合物，所述改变可以是增加、降低、抑制和/或终止荧光。
“浊度”意指液体的透明度由于所述液体中存在降低透明度的材料而下降的程度，此类材料包括但不限于油、固体微粒物、溶解物、分散物以及其任何组合，浊度变化可以或可以不伴随液体的粘度或其它性质的变化。
“废水工艺(Wastewater process)”意指处理废水流入液并且释放为流出液的任何工艺。
在上述定义或本申请中其它地方所陈述的描述与字典中常用的或通过引用方式并入本申请中的原始资料中所陈述的意思(明示或暗示)不一致的情况下，本申请并且尤其是权利要求书中的术语应理解为根据本申请中的定义或描述而不是根据常见定义、字典定义或通过引用并入的定义来理解。鉴于上文，在某一个术语只有在它根据字典解释时来理解的情况下，如果该术语是由Kirk-Othmer化工技术百科全书(Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology)第5版(2005)(Wiley,John&Sons,Inc.出版)定义，那么该定义应决定着如何在权利要求书中定义该术语。
本发明整体涉及用于使用一种或多种传感器来控制功能性化学物质到废水操作工艺的馈入的方法和设备。在至少一个实施方案中，检测一个废水体积的两种或更多种性质并且响应于所检测的性质向所述废水中添加一种或多种功能性化学物质。所述性质包括但不限于以下各项中的某一种或所有的任何组合：浊度、悬浮固体、溶剂萃取、流动电势、TOC(总有机碳)、BOD(生物需氧量)、ORP(氧化-还原电势)、pH、温度、液体流量、质量流量、各种光谱的吸光度以及荧光。所述功能性化学物质包括但不限于灭生物剂、分散剂、絮凝剂、表面活性剂、乳化剂、破乳剂、酸、碱、腐蚀抑制剂、水以及溶剂。
通过考虑两个或更多个参数，解决了许多现有技术方法所面对的问题。因为没有单一的测量方法可以考虑到废水中的每一种污染物，所以只使用一种检测方法的现有技术方法将提供不完全的结果。举例来说，TSS常用于考虑废水中的固体污染的水平。然而，TSS将不考虑油脂和油。在至少一个实施方案中，进行TSS测量方法以及溶剂萃取，以便也考虑油和油脂。
在至少一个实施方案中，这些参数中的至少一个通过将示踪剂分子放到水中来检测。示踪剂分子是当在一定体积的水中存在特定污染物时经历可检测的变化的分子。在至少一个实施方案中，该分子是溶剂化显色示踪剂。在至少一个实施方案中，示踪剂的可检测的变化是使用荧光光谱和吸收光谱中的至少一种可检测的。在至少一个实施方案中，该示踪剂是美国公开专利申请2009/0260767和/或美国专利申请12/405797中所描述的类别中的一种，并且以这些专利申请中所描述的方式使用。
在至少一个实施方案中，准确地检测至少一种液体中特定污染物的存在和含量的方法包括以下步骤：
提供一定体积的液体，
进行能够测量该体积的液体中的浊度量的污染检测方法，
通过以下步骤来选择校正因子：鉴别一系列预定校正因子中何者与所测量的浊度量散射来自特定示踪剂的光并且由此改变当示踪剂存在于油中时特定液体中所发生的荧光变化量的程度相符，
向该液体中引入该示踪剂分子，
通过向该液体中引入该第一示踪剂分子来测量所发射的荧光的变化，
通过根据所选择的校正因子调整所测量的变化来校正所测量的荧光变化，
从经过校正的所测量的荧光变化计算该液体中油的含量，以及
通过从所计算的浊度量中扣除所计算的油的含量来计算该液体中非油污染物的含量。
这种方法允许测定有多少浊度是由油所造成的，并且有多少是由我的分散的微粒物质所造成的。它解决了由浊度所造成的先前问题，该浊度干扰该示踪剂分子的作用并且因此提供了不正确的荧光读数。
在至少一个实施方案中，使用了一种以上示踪剂。这解决了单一示踪剂在每一种污染物的存在方面不准确的状况。在至少一个实施方案中，该示踪剂是极性敏感性的。
在至少一个实施方案中，使用传感器的组合来测定功能性化学物质的需求和/或控制所述化学物质的配量。在至少一个实施方案中，使用该示踪剂分子来测定该工艺流中疏水性污染物的水平。疏水性材料的排放不仅从法规的角度来看是重要的，而且它还可以不利地影响曝气池中的生物活动。因此，除了常规测量方法之外还使用溶剂化显色示踪剂作为测定工艺流中的疏水性污染的水平的手段，该工艺流被用于系统中，该系统控制被添加以清洁工艺水的功能性化学物质的配量。在至少一个实施方案中，该示踪剂分子可能需要使用荧光光谱、吸收光谱或这两种测量方法的组合。在使用超过一种单一示踪剂染料的情况下，疏水性污染的测量也可以证明是更准确的。废水可以含有会干扰荧光发射的测量或与示踪剂的吸收峰重叠的物质。因此，使用超过一种类型的示踪剂染料在测定工艺流中疏水性污染的水平方面是更有利的，尤其是如果测量手段不同(荧光对比吸光度)。
在至少一个实施方案中，为了适当地使用溶剂化显色示踪剂来测量荧光发射，针对具体的波长、激发以及增益设置来定制荧光计。在至少一个实施方案中，待测量的水样在线并且针对具体的流速和示踪剂配量速率来定制荧光计。因为极性敏感性染料的最大强度与特定污染物疏水性有多大相关，所以在至少一个实施方案中，构造并布置荧光计来测量变化的荧光强度和变化的发射波长。在至少一个实施方案中，构造并布置荧光计来补偿这些检测中的变化，以作为该染料周围的介质的补偿。
在至少一个实施方案中，该示踪剂在检测过程结束之前提供了与该污染物相互作用的足够的时间。
在至少一个实施方案中，在该示踪剂被添加到水样中之后，向该样品中添加至少一种功能性化学物质，该至少一种功能性化学物质减少了已知的非极性污染物的存在。该示踪剂的检测常常通过减少非极性污染物的存在而得到强化，否则非极性污染物有可能干扰该示踪剂。
在至少一个实施方案中，在向所述样品中添加功能性化学物质之前和之后均观察示踪剂的可检测的性质，向所述样品中添加功能性化学物质减少了已知的非极性污染物的存在，从而测定该样品中非极性污染物的数量。
在至少一个实施方案中，待分析的样品是废水澄清池(外加DAF、曝气池、膜)的流出液和/或流入液。
在至少一个实施方案中，该示踪剂在其被引入到一定体积的水中之前与溶剂混合。
可以根据预定方案间歇地或连续地进行示踪剂检测。在至少一个实施方案中，通过手持式分析器来分析该废水体积。在至少一个实施方案中，将该示踪剂直接添加到含有废水的水槽或水管中。在至少一个实施方案中，所分析的体积是从工艺流中转移的样品。在至少一个实施方案中，将检测结果反馈至控制装置，该控制装置响应于检测结果将功能性化学物质适当地添加到废水处理流中，并且纠正检测结果。在至少一个实施方案中，这种控制和检测装置形成了一个封闭的控制回路。
在至少一个实施方案中，为了使用溶剂化显色示踪剂适当地测量荧光发射，针对适当的激发和发射波长、增益设置以及在在线测量的情况下针对样品通过荧光计的适当的流速和溶剂化显色示踪剂的配量来定制荧光计。由于溶剂化显色染料的性质，预计发射波长具有取决于样品疏水性程度的最大强度。因此，必须建立荧光计来测量取决于染料周围的介质的波动的荧光强度和变化的发射·max两者。
通过使用来自上述信号的组合的输出，本发明还提供了用于测量一种或多种降低废水工艺中的一种或多种污染物的含量的化学物质的有效性的方法：(a)监测废水工艺中的一种或多种类型的污染物，包括：从所述废水工艺获得流体的整体样品；选择能够与所述流体中的所述污染物相互作用并且提供所述流体中的光信号的溶剂化显色染料；向所述流体中添加所述染料并且允许所述染料有足够量的时间来与所述流体中的所述污染物相互作用；测量所述流体中该染料的荧光、吸光度或光谱位移；以及将该染料的响应与所述污染物的浓度相联系；(b)向所述废水工艺中添加一种或多种降低所述废水工艺中所述非极性污染物的含量的化学物质；(c)通过再进行步骤(a)至少一次重新测量所述废水工艺中污染物的含量；以及(d)任选地控制被添加到所述废水工艺中的所述化学物质的含量。
在至少一个实施方案中，该工艺适用于使用其它上述信号，如浊度、悬浮固体、溶剂萃取、流动电势、TOC、BOD、ORP、pH、温度或吸光度，来测量一种或多种降低废水工艺中的一种或多种污染物的含量的化学物质的有效性。
在至少一个实施方案中，该方法涉及监测废水工艺中的一种或多种类型的非极性材料，包括：(a)从所述废水工艺获得流体样品；(b)选择能够与所述流体中的所述非极性材料相互作用并且提供所述流体中的光信号的溶剂化显色染料；(c)向所述流体中添加所述染料并且允许所述染料有足够量的时间来与所述流体中的所述非极性材料相互作用；(d)测量所述流体中该染料的荧光、吸光度或光谱位移；(e)将该染料的光响应与所述污染物的浓度相联系；以及(f)任选地控制被添加到所述废水工艺中，使所述非极性材料减少、分离或失活的一种或多种化学物质的含量。
在至少一个实施方案中，该方法是用于监测废水工艺中的一种或多种类型的非极性材料，包括：(a)从所述废水工艺获得流体样品；(b)选择能够与所述流体中的所述非极性材料相互作用并且提供所述流体中的光信号的溶剂化显色染料；(c)向所述流体中添加所述染料并且允许所述染料有足够量的时间来与所述流体中的所述非极性材料相互作用；(d)测量所述流体中该染料的荧光、吸光度或光谱位移；(e)将该染料的光响应与所述污染物的浓度相联系；以及(f)任选地控制被添加到所述废水工艺中，使所述非极性材料减少、分离或失活的一种或多种化学物质的含量。
在至少一个实施方案中，该方法是用于监测一种或多种类型的一种或多种降低废水工艺中的一种或多种非极性污染物的含量的化学物质：(a)监测废水工艺中的一种或多种类型的污染物，包括：从所述废水工艺获得流体的整体样品；选择能够与所述流体中的所述污染物相互作用并且提供所述流体中的光信号的溶剂化显色染料；向所述流体中添加所述染料并且允许所述染料有足够量的时间来与所述流体中的所述污染物相互作用；测量所述流体中该染料的荧光、吸光度或光谱位移；以及将该染料的响应与所述污染物的浓度相联系；(b)向所述废水工艺中添加一种或多种降低所述废水工艺中所述非极性污染物的含量的化学物质；(c)通过再进行步骤(a)至少一次重新测量所述废水工艺中污染物的含量；以及(d)任选地控制被添加到所述废水工艺中的所述化学物质的含量。
重要的是注意该技术可以按批量方式使用，其中从该工艺获取样品并偶尔测量；或者以连续方式使用，其中在待用溶剂化显色染料处理的侧流中进行该测量。
在至少一个实施方案中，被添加到该样品中的这些染料能够对非极性污染物(如油、油脂、脂肪、表面活性剂)进行染色或与其相互作用。
在至少一个实施方案中，还测量了该流体的浊度。在另一实施方案中，在添加所述化学物质之前和之后测量所述流体的浊度。在另一实施方案中，从离开废水工艺的稀释样品点，例如澄清池的流出液获取样品。在另一实施方案中，该样品点是澄清池的流入液。关于此收集/样品点所假设的推论是可以通过测量流入液和流出液中非极性污染物的浓度来监测澄清/分离步骤的执行。
在至少一个实施方案中，被添加到样品中的该染料在其荧光测量之前具有足够量的时间与该流体中的污染物相互作用。本领域的普通技术人员能够确定所述相互作用的足够量的时间而无过度实验。
在一个实施方案中，该染料在其被添加到所述流体中之前与溶剂混合。本领域的普通技术人员能够确定混合的充分时间而无过度实验。
在另一实施方案中，这些非极性污染物选自由以下组成的群组：油、油脂、基于石油的非极性烃、两亲分子、脂肪、脂肪酸、芳香族化合物、表面活性剂、聚合物以及其组合。
在另一实施方案中，该方法是在线方法和/或批量样品方法。
在另一实施方案中，在预设置基础上、在间歇基础上和/或在连续基础上进行光学测量(吸光度、荧光)。举例来说，可以使用流通池作为测量所述非极性污染物的荧光或吸光度的手段。更具体地说，在一个实施方案中，测量方法包括：将一种或多种光学示踪剂在其于所述流通池中进行光学测量之前添加到从废水工艺获得的样品中。本领域的普通技术人员应该能够进行此方法而无过度实验。举例来说，可以采用流动注射分析和/或顺序注射分析技术来进行以上所提到的测量方案。
在另一实施方案中，用手持式光谱仪进行光学测量。可以用其它类型的荧光计或吸收光谱仪来进行光学测量。
本发明还提供了用于测量一种或多种从废水工艺中分离非极性材料的化学物质的有效性的方法。可以采用关于流体中非极性污染物的含量的信息来形成用于添加一种或多种化学物质的控制回路，该控制回路可以用来控制非极性污染物的含量。
在一个实施方案中，可以通过上述荧光、吸光度或光谱位移方法以及其各种实施方案来测量用于监测非极性污染物的方法。
在另一实施方案中，非极性污染物的含量的测定通过上述方案来测量，然后在此步骤之后是将一种或多种化学物质添加到废水工艺中以处理污染物，例如增加/减少用于污染物分离的相同化学性质或用于污染物分离的化学处理程序的变化，并且然后在该处理步骤之后是通过上述方案重新测量所述废水工艺中的污染物的含量。
在另一实施方案中，这些化学物质是以下中的至少一种：凝结剂、絮凝剂、分散剂、酸、无机物、破乳剂以及表面活性剂。
虽然本发明可以按多种不同形式实施，但本文中详细描述本发明的特定优选实施方案。本公开是本发明的原理的范例，并且并不旨在将本发明限于所说明的特定实施方案。本文中提到的所有专利、专利申请、科学文献或任何其他参考材料都以全文引用的方式并入。此外，本发明涵盖本文中描述和本文中并入的各个实施方案中的一些或全部的任何可能组合，并且排除或不排除那些各个描述和/或并入的实施方案中的一者或多者。
以上公开旨在是说明性的而非详尽的。本说明书将向本领域的普通技术人员建议许多变化形式和替代方案。所有这些替代方案和变化形式都打算包括在权利要求书的范围内，其中术语“包含(comprising)”意指“包括但不限于”。本领域技术人员可以认识到本文中所描述的特定实施方案的其它等效形式，这些等效形式也打算由权利要求书所涵盖。
本文中所描述的所有范围和参数应理解为涵盖其中的任何和所有子范围，以及端点之间的每一个数字。举例来说，所述范围“1到10”应该视为包括最小值1与最大值10之间(并且包括1和10)的任何和所有子范围；即所有范围都是以1或大于1的最小值开始(例如1到6.1)，并且以10或小于10的最大值结束(例如2.3到9.4、3到8、4到7)，并且最终每个数字1、2、3、4、5、6、7、8、9以及10都包含在该范围内。
这样就完成了对本发明的优选和替代性实施方案的说明。本领域技术人员可以认识到本文中所描述的特定实施方案的其它等效形式，这些等效形式打算由随附的权利要求书所涵盖。
Claims (16)
1.一种准确地检测至少一种液体中特定污染物的存在和含量的方法，包括以下步骤：
提供一定体积的液体，
进行污染检测方法，所述方法能够测量所述体积的液体中的浊度量并且由此推断出所述液体中引起浊度的污染物的含量，
通过以下步骤来选择校正因子：鉴别一系列预定校正因子中何者与所述所测量的浊度量散射来自特定示踪剂的光并且由此改变当所述示踪剂存在于油中时所述特定液体中所发生的荧光变化量的程度相符，
向所述液体中引入所述特定示踪剂，
通过向所述液体中引入所述特定示踪剂来测量所发射的荧光的所述变化，
通过根据所述所选择的校正因子调整所述所测量的变化来校正所述所测量的荧光变化，
从所述经过校正的所测量的荧光变化计算所述液体中油的含量，以及
通过从所计算的引起浊度的污染物的含量中扣除所计算的油的含量来计算所述液体中非油污染物的含量；
其中所述示踪剂是极性敏感性的并且当在水中并存在油时而不是在不存在所述油的水中时展现出可检测的性质。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述示踪剂的荧光在存在油时被淬灭。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述示踪剂的荧光在存在油时得到增强。
4.如权利要求1所述的方法，其进一步包括以下步骤：在添加去除非极性污染物的化学物质之前和之后测量所述示踪剂并且使用测量结果的差异来确定所述液体中非极性污染物的含量。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述液体是废水澄清池流出液或流入液。
6.如权利要求1所述的方法，其进一步包括使用光发射源，所述光发射源将光发射到所述液体中，从而有助于所述示踪剂性质的所述检测。
7.如权利要求1所述的方法，其中所述可检测的性质通过设备来检测，所述设备经构造和布置以在特定设置下检测，所述特定设置选自由以下组成的列项：波长、发射强度、所发射的光或能量的吸光度以及其任何组合。
8.如权利要求1所述的方法，其中所述液体选自由水、醇以及其任何组合组成的列项。
9.如权利要求1所述的方法，其中所述非油浊度被鉴别为固体微粒。
10.如权利要求1所述的方法，其进一步包括响应于所述所检测的污染物向所述液体中添加功能性化学物质的步骤，所述功能性化学物质是特别适用于修复所检测的所述特定污染物的存在的化学物质。
11.如权利要求10所述的方法，其中所述功能性化学物质选择由以下组成的列项：灭生物剂、分散剂、絮凝剂、表面活性剂、破乳剂、无机物、酸、碱、腐蚀抑制剂、以及溶剂。
12.如权利要求10所述的方法，其中所述功能性化学物质选择由以下组成的列项：乳化剂和水。
13.如权利要求1所述的方法，其中所述液体是从工艺流中转移的样品并且所述检测是对所述样品进行的。
14.如权利要求1所述的方法，其中在连续的基础上进行所述检测并且针对通过传感器的特定液体流来优化所述示踪剂检测。
15.如权利要求10所述的方法，其进一步包括与所述检测信息连接的控制装置，其中所述控制装置接收来自所述检测的数据并且将至少一种功能性化学物质适当地释放到所述液体中。
16.如权利要求1所述的方法，其中引起所述浊度的所述材料发射其本身的荧光并且所述校正因子考虑了所述浊度所发射的荧光。
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| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |