CN1153967C - 测量液体硝化/脱氮速率以及液体中NOx的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及在生化过程中测量NO_X的设备及方法，以及在有或没有悬浮固体的情况下，实时测量液体的硝化和/或脱氮速率的设备及方法。

Description

测量液体硝化/脱氮速率以及液体中NOX的方法

                          发明领域

本发明涉及测量液体中NO_X(硝酸盐(NO₃)和/或亚硝酸盐(NO₂))的量及硝化/脱氮速率的设备及方法，以及对其处理过程的控制。

                          发明背景

在工业及市政水处理装置的污泥中的微生物，针对这些装置中所要求的水处理分解或降解污染物。有效的过程操作及控制需要快速准确地估测微生物的活性信息。由于通常进入处理系统的物料及污染物的多样性，已经证实这是一项困难的任务。另外，所需处理的废水量的变化，如每天、每周或每季的变化，可能大幅度地改变处理过程的多个重要参数，如pH值、温度、溶氧量、养分以及类似参数，而这些参数的变化对于适当的废水处理来说是极为有害的。处理不当的废水会严重危害人身健康。

在生化系统/装置/过程中，经常使用各种生物养分脱除(BNR)方法。本文所使用的“BNR”具有普遍意义，即使用微生物脱除养分的所有生化方法。在BNR过程中，液体如废水中的污染物，特别是碳源(按生化需氧量或BOD来测量)、氨、硝酸盐、磷酸盐及类似物，通过活性污泥在无氧、缺氧和有氧阶段被消化，这在本领域中是公知的。在无氧阶段时，经过或未经过初始处理过程的废水与返回的活性污泥(RAS)混合，在本文中有时被称作“混合液体”。

当然，量化废水中的各种污染物是很重要的。这些污染物中，一种对量化来说很重要的是NO_X的量。这是因为量化NO_X的量可以为硝化和脱氮过程提供有价值的信息。另外，针对这一重要信息确定硝化或脱氮速率从而利于调节各种系统参数，如停留时间，以强化处理过程，提高处理系统效率，也是很重要的。

                          发明概述

本发明一方面为一种测量液体硝化速率的方法，该方法包括在t₀时刻分离出第一个液体试样；在预定时刻t₁记录第一个试样中的氨值[NH₃]₁；分离也第二个液体试样并在另一个预定时刻t₂向第二个液体试样中引入空气；在t₃时刻停止向第二个液体试样中引入空气并调节第二液体试样的pH值；在预定时刻t₄记录第二个液体试样的又一个氨值[NH₃]₂；按下式确定液体硝化速率：

$\mathrm{NR}=\frac{\mathrm{\Δ}\left[{\mathrm{NH}}_3\right]}{\mathrm{\Δt}}$

其中NR为硝化速率，Δt为t₂-t₃，Δ[NH₃]为[NH₃]₁-[NH₃]₂。

本发明另一方面为另一种测量液体硝化速率的方法，该方法包括在t₀时刻分离出第一和第二个液体试样并向第二个液体试样中引入空气；在t₁时刻记录第一全试样中的氨值[NH₃]₁，并终止向第二试样中引入空气；在t₂时刻记录第二个液体试样中的氨值[NH₃]₂；按下式确定液体硝化速率：

$\mathrm{NR}=\frac{\mathrm{\Δ}\left[{\mathrm{NH}}_3\right]}{\mathrm{\Δt}}$

其中NR为硝化速率，Δt为t₁-t₂，Δ[NH₃]为[NH₃]₁-[NH₃]₂。

术语“氨”([NH₃])和“铵”([NH₄ ⁺])在本文中通常可互换用于指代水相中的氨浓度。这是因为在确定的pH值下，水相中氨分子和铵离子间存在一个化学平衡。在pH＝9.25时，该平衡由下式来表示，其平衡常数等于1。

只要溶液的pH值已知，测量氨[NH₃]和铵[NH₄ ⁺]基本上是等效的。在pH值较低(pH＜6)时，测量铵浓度[NH₄ ⁺]是优选的，而当pH值较高(pH＞8)时，测量氨浓度[NH₃]则更为方便。在本发明的讨论中，通常指的是氨浓度[NH₃]，利用氨选择性探针测得，而当pH值较低时，可以理解为该浓度可以由铵离子选择性探针测得的[NH₄ ⁺]来替代。本发明还包括一种测量液体、特别是废水中NO_X的方法。这种方法不同于其它分析方法，因为它不需要通过过滤或其它固体脱除方法来制备试样。该方法包括分离废水试样；针对预定间间隔t₁调节试样的pH值和/或离子浓度达到预定水平；利用NO_X选择性探针记录试样中的[NO_X]₁的值；在另一个预定时间间隔t₂之后，记录试样中的另一个[NO_X]₂的值；按下式确定在每个预定时间间隔t₁和t₂时试样中的NO_X浓度：

                    [NO_X]＝10^a.mV+b

其中a和b是NO_X探针的线性系数，mV为来自NO_X离子选择性探针的读数；按下式确定NO_X的变化：

                  Δ[NO_X]＝[NO_X]₂-[NO_X]₁

按下式确定试样中NO_X的浓度：

$\left[{\mathrm{NO}}_x\right]={{[\mathrm{NO}}_x]}_1-\frac{\mathrm{\Δ}{[\mathrm{NO}}_x]}{\mathrm{\Δt}}\·t_1$

在本发明的另一方面中，可以确定脱氮速率。脱氮速率(DR)可以如下确定：在t₀时刻分离液体试样；在预定时刻t₁记录试样中的[NO_X]₁值；在预定时刻t₂记录试样中的[NO_X]₂值；按下式确定液体脱氮速率：

$\mathrm{DR}=\frac{\mathrm{\Δ}\left[{\mathrm{NO}}_x\right]}{\mathrm{\Δt}}$

其中Δ[NO_X]为[NO_X]₁-[NO_X]₂，Δt为t₂-t₁。

                              附图说明

图1是应用本发明实施方案的一个通用的废水处理过程的示意图，图中给出了在整个系统中可以安装检测器的多个位置。

图2是本发明设备一个实施方案示意性的正视图，该设备用于监测生化反应罐。

图3是是本发明设备一个实施方案示意性的正视图，该设备用于监测生化反应罐。

图4是按照本发明各方面的关于废水采样设备的分解示意图，部分为剖面图。

图5是按本发明另一实施方案的关于废水采样设备的分解示意图，部分为剖面图。

图6是按照本发明各方面的溶液分配设备的示意图，部分为剖面图。

图7是按照本发明各方面测量NO_X及标定NO_X分析仪的方法的方框图。

图8是确定废水脱氮速率的方法的方框图。

图9是确定废水硝化速率的方法的方框图。

图10是确定废水硝化速率的另一种方法的方框图。

                      发明的详细描述

为了有效地控制BNR过程的操作，有必要按照微生物在无氧、缺氧和/或有氧处理阶段的生物活性来调节特定的工艺参数。废水处理装置经常会面临苛刻的瞬时条件，例如每日有机物负荷的变化。

适当估测和控制BNR过程需要准确及时地估测在变化的环境中、以及在许多条件下NO_X和氨在混合液体中的量、硝化速率、脱氮速率以及其它一些量。

量化氨和/或NO_X和/或硝化速率和/或脱氮速率的设备可以应用在废水处理装置(WWTP)的所有阶段中或这些阶段的任意组合中。该设备与通用的WWTP的组合由图1示意性给出。在图1所示系统中的任意或位置均可以进行NO_X和/或氨的测量。如果需要的话，在所选的阶段中可以包括多个测量位置。下面将讨论该设备在一个常用的废水处理装置的无氧、缺氧和/或有氧阶段中的应用及使用。

用于废水采样设备的一个实施方案示于图2中。一个生化反应罐1(或者为废水槽)装有废水2和/或污泥。检测设备安装在生化反应罐1的顶部并伸入废水2中。该设备包括通过有线或无线接头22与任选的计算机或/监测器13相连的中心控制和分析单元20。类似地，中心控制和分析单元20通过线接头24与探针10相连。电机箱26也通过线接头28与中心控制和分析单元20相连。同时通过线接头28向电机箱26供电。探针10安装在检测室8中，并与中心控制及分析单元20电连接，从而根据配置检测废水试样中的氨或铵量或NO_X浓度的变化。当pH值较低时，优选的铵离子选择性探针10为HACH或NICO生产的铵探头。当pH值为中高时，优选的氨探针10也是由NICO或HACH生产的氨气探针。优选的NO₃和/或NO₂离子选择性探针是由NICO生产的。当然，只要能达到相同或相似的检测能力，其它的设备也可以用做探针。

a)任选的计算机或监测器13可以为任何适合的类型，如个人计算机或类似设备。设备52由两个容器(一个贮存氨或NO_X标定溶液，另一个贮存pH值调节溶液和/或离子浓度调节溶液)和各自的输送设备如泵组成。设备52通过线54与中心控制和分析单元20相连。设备52通过连接管53经进料口55，向检测室8中的液体(例如废水)中供给氨或NO_X标定溶液和pH值调节溶液和/或离子浓度调节溶液。pH值调节溶液，对于中、高pH值通常为碱，低pH值为酸，可以从多种pH值调节溶液中进行选择。碱包括NaOH、KOH及类似物。酸包括HCl、醋酸及类似物。离子浓度调节溶液，通常为Al₂(SO₄)₃溶液、或Al₂(SO₄)₃、Ag₂SO₄、H₃BO₃的溶液及硫酸，可以从多种溶液中进行选择，用于调节废水试样的离子浓度。下面将结合图6对设备52在进行详细描述。

采样单元11安装在一个可移动的支架30上，该支架可以大体上垂直上下移动，从而将采样单元11移入或移出废水2。可移动支架30的精确结构并不重要，只要可以达到优选的采样单元11的能力和移动性即可。

探针10的检测端安装在检测室8内。检测室8有一个开口66和一个相邻的可移动的盖子32，盖子32沿导轨34上下垂直移动，从而闭合或密封开口66。

图3所示的是废水取样设备的另一个实施方案。图3所示的实施方案与图2所示的实施方案是类似的，只是提供了一个具有附加采样能力的设备。具体地，在与图2所示的检测室/探针结构相邻处安装了另一个带有探针10的检测室8。当然，也提供了与控制和分析单元20及设备52所供应的溶液之间的连接。

图4所示的检测室8具有一个带有检测端50A的探针10A。探针10A可以是氨、铵或NO_X探针。检测室8还可以有一个任选的带有检测端50B的探针10B。任选的探针10B为pH探针。检测室8还有进料口55A和55B。进料设备52通过进料口55B向检测室8中加入pH值调节溶液和/或离子浓度调节溶液。进料设备52通过进料口55A向检测室8中加入氨或NO_X。推进器48安装在检测室8内部，当探针10A和10B操作时搅动或搅拌试样。盖子32处于打开位置，当它关闭时，盖住开口66。

搅拌器48通过一系列同轴管子102、104、106与发动机26相连。适配器108和止推轴承套112包在中间管104中，并且贴在中间管104上。外管102安装在基座101上。适配器108装到螺杆110上，从而依据线性激励电机116的电机方向打开或者关闭盖子32。只有当加在中间管104上的拉力超过线性激励电机116驱动螺杆110所需的扭矩时，中间管104才会沿轴向移动。这一拉力可以由连到中间管104上的推进器48和/或与中间管104接触的其它轴衬或其它硬件引起。止推轴承套112支承轴承114，当盖子32关闭时，轴承114负载着中心管106的轴向拉力。轴承114可以使中间管104独立于中心管106而旋转，并且将管子104的轴向运动传送给中心管106。外管102支撑基座101和室8，同时保护内件。室8基本上对外管102密封，并且当盖子32逆着室8拉动时，室8内的空间被密封。

当线性激励电机116向一个方向旋转，螺杆110向下运动，盖子32被推开。当螺母118到达止推轴承119时，螺杆110不再沿轴向运动，这使得中间管104与电机速度基本上相匹配。然后室8处于打开状态，推进器48引起室8内外液体之间的交换。

当线性激励电机116向相反的方向旋转时，螺杆110向上运动，推动盖子32关闭。当室8关闭时，螺杆110的轴向运动被作用在中间管114上的拉力阻止。这使得中间管104与电机116以相同的速度进行旋转。然后室8处于关闭位置，使液体保留在室8中，并通过推进器48不断被混合。

图5所示的为含有另一任选探针的室8结构的另一种实施方案。所有其它组件均与图4所示的相同。任选探针10C有一个检测端50C。任选探针10C为溶氧探针。它通过接头24C与中心控制及分析单元20相连。

参照图6，设备52用来准确地向整个系统的其它部件分散各种溶液。设备52包括一个外套198，并且优选包括两个溶液容器200和202，当然它也可以被构造成为只含有一个或两个以上的溶液容器。容器200和202均有相应的溶液泵204和206，这些泵通过泵进料线208和210与各自的溶液容器相连。泵进料线优选配有尖状或针状元件212和214，它们穿过外套198延伸。

每个溶液容器优选用塑料材料制成，这种材料能够用针或尖利元件刺穿，因此当溶液容器降低到针上时，针就刺穿容器供给溶液。最优选的是使容器的形状能够促使溶液容器内的液体流向针状元件。

因为对于测量目的而言，保持溶液不受污染且保持它的精确浓度是很重要的，所以这些容器密封是很重要的。但在倒空容器的过程中，特别优选的是提供一种能够向容器内移走溶液后所形成的空间内注入空气的设备。这一点可以通过多种设备来实现，尽管特别优选的是用针状元件216和218刺破溶液容器200和202，并且向溶液容器内部加入空气。针状元件216和218与空气管线230和232相连。

与各溶液容器相连的每个泵204和206分别通过管线222和224与控制及分析单元20相连(图6中没有画出)。泵204和206还通过溶液进料管线226和228与检测室8相连(图6中没有画出)，从而在特定时刻向检测室8供应计量好的或精确的溶液量。

当然容器内的溶液可以变化。但优选的溶液为氯化氨或硝酸钠。pH和/或离子浓度调节溶液也可以装在这些容器中。按特定需要也可以使用其它溶液。当然溶液按需要可以是各种浓度。

NO_X经常是废水中的主要污染物。因此快速且容易地实时测得废水中NO_X的方法是极为优选的。因此，本发明的一个方面涉及测量废水中的NO_X含量。这一点是通过测量液体中NO_X的方法来进行的。该方法包括：分离液体试样；在t₀时刻调节试样的pH值和/或离子浓度；在预定时刻t₁用NO_X选择性探针记录试样中的NO_X量；在经过另一个预定时刻t₂后，记录试样中的另一个NO_X量；按下式确定在每个预定时刻t₁和t₂时试样中的NO_X浓度：

                       [NO_X]＝10^a.mV+b

其中a和b是NO_X探针的线性系数；按下式确定试样中NO_X的变化：

Δ[NO_X]＝[NO_X]₂-[NO_X]₁

按下式确定试样中NO_X的浓度：

${\left[N{O}_x\right]}_0={\left[N{O}_x\right]}_1-\frac{\mathrm{\Δ}{[\mathrm{NO}}_x]}{\mathrm{\Δt}}\·(t_1-t_0)$

这种方法示于图7中流程图的上半部分。

可以按图7所示方框图的下半部分来标定NO_X分析仪，并且按以下方法进行：

a)从废水处理罐中收集混合液体试样，并如上文所述进行NO_X分析，

只是在测定NO_X浓度后不将试样排放到处理罐中。将[NO_X]₁、[NO_X]₂、mV₁、mV₂、Δ[NO_X]/Δt等参数和中间结果保存起来用于标定步骤。

b)测定NO_X浓度后，向试样容器中注入预定体积的硝酸盐或亚硝酸盐溶液，从而使容器中的NO_X浓度增加Δ[NO_X]^c1(例如0.5ml 1000ppm的NaNO₃或NaNO₂溶液对应Δ[NO_X]^c1＝1ppm，假定采样器的体积为500ml。)。

c)等过了t₃秒读取探针上的第三个mV读数[mV]₃.

d)注入第二剂标定溶液，从而使NO_X浓度增加Δ[NO_X]^c2(例如在算上第一剂标定溶液后，2.0ml 1000ppm的NaNO₃或NaNO₂溶液对应Δ[NO_X]^c2＝5ppm。)

e)等过了t₄秒读取探针上的第四个mV读数[mV]₄.

f)用下式计算NO_X的线性系数a和b：

$\log {\left[{\mathrm{NO}}_x\right]}_0-\frac{\mathrm{\Δ}\left[{\mathrm{NO}}_x\right]}{\mathrm{\Δt}}\·(t_3-t_0)+\mathrm{\Δ}{\left[{\mathrm{NO}}_x\right]}^{c1}=a\·{\mathrm{mV}}_3+b$

$\log {\left[{\mathrm{NO}}_x\right]}_0-\frac{\mathrm{\Δ}\left[{\mathrm{NO}}_x\right]}{\mathrm{\Δt}}\·(t_4-t_0)+\mathrm{\Δ}{\left[{\mathrm{NO}}_x\right]}^{c2}=a\·{\mathrm{mV}}_4+b$

g)应用新得到的a和b由mV₀计算[NO_X]₀。如果新算得的[NO_X]₀基本上与原始的[NO_X]₀相同，则认为标定是成功的，否则，用新算得的[NO_X]₀重复标定过程。当[NO_X]₀ ^j与[NO_X]₀ ^j+1间的差值在可接受的预定范围内时，才认为完成了标定过程。

h)将试样排放到处理罐中，开始一个新的测量周期。

i)可以在每个测量周期或每天对NO_X分析仪进行标定。默认的标定频率优选为一天一次。

确定硝化速率仍然是进一步优选的。依据本发明有两种优选方法来做这项决定。在第一种实施方案中，该方法包括：

a)在t₀时刻分离第一个液体试样；

b)在预定时刻t₁测量试样中的氨浓度[NH₃]₁或铵浓度[NH₄ ⁺]₁，然后将第一个试样倒回到处理罐中；

c)在另一个预定时刻t₂分离第二个液体试样，并向第二个液体试样中通入空气；

d)在t₃时终止向第二个液体试样中通入空气，并且调节第二个液体试样的pH值；

e)在预定时刻t₄记录第二个试样中的另一个氨值[NH₃]₂或铵值[NH₄ ⁺]₂；

f)按下式确定液体的硝化速率：

$\mathrm{NR}=\frac{\mathrm{\Δ}\left[{\mathrm{NH}}_3\right]}{\mathrm{\Δt}}$ 或 $\mathrm{NR}=\frac{\mathrm{\Δ}\left[{\mathrm{NH}}_4^{+}\right]}{\mathrm{\Δt}}$

其中NR为硝化速率，Δt为t₃-t₂，Δ[NH₃]为[NH₃]₁-[NH₃]₂，或Δ[NH₄ ⁺]为[NH₄ ⁺]₁-[NH₄ ⁺]₂。

在图10所示的流程图中给出了该方法。

在应用了两个采样单元的第二个实施方案中(如图3所示)，该方法包括：

a)在t₀时刻分离第一和第二个液体试样，并向第二个液体试样中通入空气；

b)测量第一试样中的浓度氨[NH₃]₁或铵浓度[NH₄ ⁺]₁；

c)在t₁时终止向第二个试样中通入空气；

d)测量第二个试样中的氨浓度[NH₃]₂；

e)按下式确定液体的硝化速率：

$\mathrm{NR}=\frac{\mathrm{\Δ}\left[{\mathrm{NH}}_3\right]}{\mathrm{\Δt}}$ 或 $\mathrm{NR}=\frac{\mathrm{\Δ}\left[{\mathrm{NH}}_4^{+}\right]}{\mathrm{\Δt}}$

其中NR为硝化速率，Δt为t₁-t₀，Δ[NH₃]为[NH₃]₁-[NH₃]₂，或Δ[NH₄ ⁺]为[NH₄ ⁺]₁-[NH₄ ⁺]₂

在图9所示的流程图中给出了该方法。

在测量方案中，优选的氨分析仪的操作如下：

a)从废水处理罐中收集混合液体试样。

b)注入pH调节溶液，使水相的pH值达到12.0左右。这项操作可以

利用pH探针通过预定的量或者反馈控制来完成。此时时间被记录为0时刻t₀。

c)等过了t₁秒后，读取氨探针上的第一个mV₁读数。

d)等过了t₂秒后，读取氨探针上的第二个mV₂读数。

e)用下式由mV₁和mV₂计算氨的浓度，其中a和b为氨探针的线性系数。

                        [NH₃]＝10^a.mV+b

f)从试样中释放的NH₃量计算如下：

$\frac{\mathrm{\Δ}\left[{\mathrm{NH}}_3\right]}{\mathrm{\Δt}}=\frac{{\left[{\mathrm{NH}}_3\right]}_2-{\left[{\mathrm{NH}}_3\right]}_1}{t_2-t_1}$

g)试样的氨浓度计算如下：

${\left[{\mathrm{NH}}_3\right]}_0={\left[{\mathrm{NH}}_3\right]}_1-\frac{\mathrm{\Δ}\left[{\mathrm{NH}}_3\right]}{\mathrm{\Δt}}\·(t_1-t_0)$

h)测完氨浓度后，将试样排放到处理罐中，并采取新试样用于下一次分析。

优选按下述方法对氨分析仪进行标定：

a)从废水处理罐中收集混合液体试样，并按上文所述方法进行氨分析，只是在测完氨浓度后不将试样排放到处理罐中。将[NH₃]₁、[NH₃]₂、mV₁、mV₂、Δ[NH₃]/Δt等参数和中间结果保存起来用于标定步骤。

b)测完氨浓度后，向试样容器中注入预定体积的氨溶液，从而使容器中的氨浓度增加Δ[NH₃]^c1(例如0.5ml 1000ppm的NH₄Cl-N溶液对应Δ[NH₃]^c1＝1ppm，假定采样器的体积为500ml。)。

c)等过了t₃秒后读取探针上的第三个mV读数(mV₃)。

d)注入第二剂标定溶液，从而使氨浓度增加Δ[NH₃]^c2(例如在算上第一剂标定溶液后，2.0ml 1000ppm的NH₄Cl-N溶液对应Δ[NH₃]^c2＝5ppm。)

e)等过了t₄秒后读取探针上的第四个mV读数(mV₄).

f)用下式计算氨的线性系数a和b：

$\log {\left[{\mathrm{NH}}_3\right]}_0-\frac{\mathrm{\Δ}\left[{\mathrm{NH}}_3\right]}{\mathrm{\Δt}}\·(t_3-t_0)+\mathrm{\Δ}{\left[{\mathrm{NH}}_3\right]}^{c1}=a\·{\mathrm{mV}}_3+b$

$\log {\left[{\mathrm{NH}}_3\right]}_0-\frac{\mathrm{\Δ}\left[{\mathrm{NH}}_3\right]}{\mathrm{\Δt}}\·(t_4-t_0)+\mathrm{\Δ}{\left[{\mathrm{NH}}_3\right]}^{c2}=a\·{\mathrm{mV}}_4+b$

g)应用新得到的a和b由mV₀计算[NH₃]₀。如果新算得的[NH₃]₀与原始的[NO_X]₀基本上相同，则认为标定是成功的，否则，应用新算得的[NH₃]₀重复标定过程。当[NH₃]₀ ^j与[NH₃]₀ ^j+1间的差值在可接受的预定范围内时，才认为标定工作完成。

h)将试样排放到处理罐中，开始一个新的测量周期。

可以在每个测量周期或每天对NO_X分析仪进行标定。默认的标定频率优选为一天一次。

确定脱氮速率(DR)也是优选的。根据NO_X浓度确定脱氮速率。按图8流程图所示的方法进行计算。该方法包括：

a)在t₀时刻分离液体试样；

b)在预定时刻t₁测量试样中的NO_X浓度([NO_X]₁)；

c)在预定时刻t₂测量试样中的NO_X浓度([NO_X]₂)；

d)按下式确定液体的脱氮速率：

$\mathrm{DR}=\frac{\mathrm{\Δ}\left[{\mathrm{NO}}_x\right]}{\mathrm{\Δt}}$

其中Δ[NO_X]为[NO_X]₁-[NO_X]₂，Δt＝t₂-t₁，

在废水处理过程的监测和控制过程中，确定硝化速率NR的一个实际应用是用估测并优化生化反应器的操作。当NR是在实时基础上进行测量时，得到的信息可以回答下列问题：

1)活性污泥是否具有硝化能力，即在生物质中是否有硝化细菌存在。低的或接近于0的NR值表明在生物质中硝化细菌的数量很低或不存在，而高的NR值则表示适当的硝化过程。

2)按目前装置的废水负荷量，硝化已经达到了何种程度？当NR确定后，以养分负荷为基准，可以计算出适当的氨脱除所需的时间。可以将这一所需硝化时间与现今生化反应器中的水力学停留时间进行比较，来判断是否达到了适当的硝化程度。

3)为了达到所需要的硝化程度，最佳的充气速率是多少？当由NR值计算得到的空气供给量与硝化过程中实际的空气需要量相匹配时，就能达到最优的空气供给速率。过量充气会造成生物质的破坏并且浪费能量，而充气不足会造成废水处理不当。这两种情况均可以通过将NR作为控制参数进行适当的充气控制来避免。

4)对于所要求的硝化程度，生物质在生化反应器中的最佳平均细胞停留时间(MCRT)是多少？硝化细菌的数量可以由NR值来估算。这一估算使操作人员可以针对生物质中所要达到的硝化细节的生长，来确定适当的平均细胞停留时间(MCRT)。MCRT值可以用来控制活性污泥的浪费。

5)为了实现硝化，在生物反应器中应保持什么样的生物质浓度水平？当NR值高时，表明硝化细菌的数量较高，装置能够在生物反应器中使用较低的生物质浓度而实现硝化，而较低的NR值，则要求在生物反应器中保持较高的生物质浓度。

6)NR的测量还使废水处理装置的操作人员能够估算，利用现有设施能处理多少流入装置的废水，从而规划装置扩建或改建。

脱氮速率DR，可以用于在废水处理过程中对生物脱氮过程的监测和控制。当DR是在实时基础上测量时，所得到的信息可以回答以下问题：

1)生化反应器的脱氮能力是多少？依据所测得的DR值、加到缺氧段的硝酸盐信息、在缺氧段的水力学停留时间、以及所要求的脱氮水平，人们可以估算出装置能够处理多大的废水流入量。

2)缺氧段的最佳内部循环速率是多少？加到缺氧段的硝酸盐基本上来自于在生物反应器无氧段末端、硝化后的混合液体的内部循环，参照图1中脱氮内部循环的位置。已知DR可以精确控制内部循环，因此可以充分利用缺氧段，并且避免过度循环而浪费泵能量。

3)有没有因素限制最佳脱氮的实现？DR测量值允许人们从含碳养分和硝酸盐负荷量的角度来估算脱氮活性。当碳养分受到限制时，较低的DR值表示的是基于内因的脱氮。增加碳养分负荷会强化脱氮过程。另一方面，较高的DR值则表示积极的脱氮过程。增加内部循环可以改善废水物流的整个脱氮过程。

本发明可以应用到任何一种微生物过程，包括废水净化(市政、工业及类似情况)、医药/生物技术生产、酿造业、发酵或其它任何涉及纯的或混合的微生物群体在内的过程，但不局限于这些过程。

Claims (26)

1.一种测量液体硝化速率的方法，该方法包括：

a)在t₀时刻分离一个液体试样；

b)在预定时刻t₁测量所述试样中的氨浓度[NH₃]₁或铵浓度[NH₄ ⁺]₁；

c)在另一个预定时刻t₂后，分离另一个液体试样，并向该液体试样中通入空气；

d)在t₃时终止向第二个液体试样中通入空气，并且调节第二个液体试样的pH值；

e)在预定时刻t₄测量第二个试样中的氨浓度[NH₃]₂或铵浓度[NH₄ ⁺]₂；

f)按下式确定液体的硝化速率：

$\mathrm{NR}=\frac{\mathrm{\Δ}\left[{\mathrm{NH}}_3\right]}{\mathrm{\Δt}}$ 或 $\mathrm{NR}=\frac{\mathrm{\Δ}\left[{{\mathrm{NH}}_4}^{+}\right]}{\mathrm{\Δt}}$ 其中NR为硝化速率，Δt为t₃-t₂，Δ[NH₃]为[NH₃]₁-[NH₃]₂，或Δ[NH₄ ⁺]为[NH₄ ⁺]₁-[NH₄ ⁺]₂。

2.权利要求1所定义的方法，还包括，按照选定的时间间隔重复步骤a)-f)，以确定硝化速率的变化。

3.权利要求1所定义的方法，其中所述的氨值[NH₃]由氨选择性探针确定。

4.权利要求1所定义的方法，其中所述的铵值[NH₄ ⁺]由铵离子选择性探针确定。

5.权利要求3所定义的方法，还包括定期标定所述的氨选择性探针。

6.权利要求4所定义的方法，还包括定期标定所述的铵离子选择性探针。

7.权利要求1所定义的方法，其中所述液体中含有有机物。

8.权利要求7所定义的方法，其中至少一部分所述有机物能够释放氨。

9.权利要求1所定义的方法，其中所述液体是未经过滤的。

10.权利要求1所定义的方法，其中所述液体为废水。

11.一种测量液体硝化速率的方法，该方法包括：

a)在t₀时刻分离第一和第二个液体试样，并向第二个液体试样中通入空气；

b)测量第一个试样中的氨浓度[NH₃]₁或铵浓度[NH₄ ⁺]₁；

c)在t₁时终止向第二个试样中通入空气；

d)测量第二个试样中的氨浓度[NH₃]₂或铵浓度[NH₄ ⁺]₂；

e)按下式确定液体的硝化速率：

$\mathrm{NR}=\frac{\mathrm{\Δ}\left[{\mathrm{NH}}_3\right]}{\mathrm{\Δt}}$ 或 $\mathrm{NR}=\frac{\mathrm{\Δ}\left[{{\mathrm{NH}}_4}^{+}\right]}{\mathrm{\Δt}}$

其中NR为硝化速率，Δt为t₁-t₀，Δ[NH₃]为[NH₃]₁-[NH₃]₂，或Δ[NH₄ ⁺]为[NH₄ ⁺]₁-[NH₄ ⁺]₂。

12.权利要求11所定义的方法，还包括，按照选定的时间间隔重复步骤a)-e)，以确定硝化速率的变化。

13.权利要求11所定义的方法，其中所述的氨值[NH₃]由氨选择性探针确定。

14.权利要求11所定义的方法，其中所述的铵值[NH₄ ⁺]由铵离子选择性探针确定。

15.权利要求13所定义的方法，还包括定期标定所述的氨选择性探针。

16.权利要求14所定义的方法，还包括定期标定所述的铵离子选择性探针。

17.权利要求11所定义的方法，其中所述液体中含有有机物。

18.权利要求17所定义的方法，其中至少一部分所述有机物能够释放氨。

19.权利要求11所定义的方法，其中所述液体是未经过滤的。

20.权利要求11所定义的方法，其中所述液体为废水。

21.一种测量液体中NO_X的方法，该方法包括：

a)分离一个液体试样；

b)在t₀时刻调节所述试样的pH值和/或离子浓度；

c)在预定时刻t₁，利用NO_X选择性探针记录所述试样的毫伏值mV₁；

d)在另一个预定时刻t₂之后，记录所述试样中的另一个毫伏值mV₂；

e)按照下式确定每个预定时刻t₁、t₂时所述试样中NO_X的浓度：

                          [NO_X]＝10^a.mV+b

其中a和b为NO_X探针的线性系数；

f)按照下式确定所述试样中NO_X的变化：

                    Δ[NO_X]＝[NO_X]₂-[NO_X]₁

其中[NO_X]₁和[NO_X]₂分别为预定时刻t₁、t₂时所述试样中NO_X的浓度，

g)按照下式确定试样的NO_X浓度：

${{[\mathrm{NO}}_x]}_0={{[\mathrm{NO}}_x]}_1-\frac{\mathrm{\Δ}\left[{\mathrm{NO}}_x\right]}{\mathrm{\Δt}}\·(t_1-t_0)$

[NO_X]₀是t₀时刻所述试样中NO_X的浓度，

其中Δt为t₂-t₁。

22.权利要求21所定义的方法，还包括排放所述试样并重复步骤a)-g)。

23.权利要求21所定义的方法，还包括定期标定所述NO_X选择性探针。

24.一种测量液体脱氮速率的方法，该方法包括：

a)在t₀时刻分离液体试样；

根据下式确定每个预定时刻t₁、t₂时所述试样中NO_X的浓度：

[NO_X]＝10^a·mV+b

其中a和b为NO_X探针的线性系数，mV为利用NO_X选择性探计记录所述试样的毫伏值，

b)在预定时刻t₁测量所述试样的浓度[NO_X]₁；

c)在预定时刻t₂测量所述试样的浓度[NO_X]₂；

d)按下式确定液体的脱氮速率：

$\mathrm{DR}=\frac{\mathrm{\Δ}{[\mathrm{NO}}_x]}{\mathrm{\Δt}}$

其中Δ[NO_X]为[NO_X]₁-[NO_X]₂，Δt＝t₂-t₁。

25.权利要求24所定义的方法，还包括按照选定的时间间隔进行步骤a)-d)，以确定脱氮速率的变化。

26.权利要求24所定义的方法，其中所述液体为废水。

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