CN1389570A - 生物潜热测定设备及方法 - Google Patents

Abstract

一种生物潜热测定设备及方法,是使用一驯化槽培养好氧性菌种,并植入一反应瓶中;一外界温度控制器;一供氧单元提供及记录反应瓶所需的摄氧量,供氧单元所输出的数据为一实时摄氧数据;由一补温温度控制器控制及加热反应瓶内部至一设定温度值,摄氧数据及补温数据由一比生物潜热计算单元计算出,最后由一补温比计算单元计算出实时补温比,同时求得操作期间内的最小补温比,以评估自发性高温好氧处理系统的反应自发性。

Description

生物潜热测定设备及方法

本发明是关于一种生物潜热测定设备及方法，特别是关于一种自发性高温好氧处理(Autothermal Thermophilic Aerobic WastewaterTreatment，以下简称为ATAT)系统所构成的生物潜热测定设备及方法。

高浓度废水生物处理目前遭遇瓶颈在于高废弃污泥量、低反应速率与低有机负荷，而自发性高温好氧处理适足以解决这些问题。ATAT操作于45℃以上高温好氧条件，有别于一般高温厌氧的35℃或55℃。因此，根据vant Hoff-Arrhenius定律，高温条件能轻易提高反应速率；而且，根据生物能量学观点，高温环境使能量使用效率下降，促使生物反应过程中基质释放能量走向维持细胞生存(maintenance)比例增加，走向细胞合成(synthesis)减少，生长系数随即变小，污泥量可望减少，而此释放能量即可提供反应槽的热能需求。

传统上对于ATAT的顾虑不外乎：一、高温若不能由废水分解反应自发产生，外加热源成本相当高；二、高反应速率须辅以高传氧速率，然而高温会降低氧气在水中的溶解度，减缓传氧速率。事实上经欧美地区多座高温好氧污泥消化(autothermal aerobic sludge digestion，ATAD)实厂成功经验，ATAD已被美国环保署(US EPA)列为成熟技术，而台湾也有食品废水厂被证实为ATAT，因此ATAT可行性不容置疑，当务之急在于建立成熟设备，以能精确测定生物潜热，据以提高ATAT可行性。

若以传统实验室规模连续流驯化槽(chemostat)进行ATAT可行性研究可能遭遇困难有：一、开放性系统可能造成大量蒸发热损，不易评估反应产生热值；二、以空气曝气可能因传氧速率小于基质降解需氧速率造成质传限制，若改以纯氧曝气则因属开放系统而有氧气爆炸等安全顾虑；三、一般磁石搅拌效果有限亦容易造成溶氧质传限制；四、分析工作多利用COD与MLSS分析，分析方法耗时费力且精准性与再现性不佳。

本发明所提供的生物潜热测定设备为密闭系统，且具有纯氧曝气、稀土(rare earth)磁石强力搅拌，以及可程序实时线上监控瞬间摄氧量等特性，适足以克服上述困难。

本发明的目的即在于提供一种生物潜热测定设备，可以用来测量ATAT试验的线上(on-line)摄氧数据O_u和补温数据H_c。

本发明的次一目的是在于提供一种生物潜热测定方法，其包括使用复线性回归法从热平衡模式可以测定出ATAT试验的比生物潜热(h_b)和热损通量(J₀)，结果证实本发明系统为一种有用的ATAT研究工具。

可达成上述发明目的的生物潜热测定设备及方法，是使用一驯化槽培养好氧性菌种，并将菌种植入一反应瓶中，以实现期望的生物反应；使用一外界温度控制器可控制及加热该反应瓶外界至一设定温度值；由一供氧单元提供及记录反应瓶所需的摄氧量，供氧单元所输出的数据为一实时摄氧数据(O_u vs.t)，并由一补温温度控制器控制及加热反应瓶内部至一设定温度值，同时记录输出一实时补温数据(H_c vs.t)，上述摄氧数据及补温数据由一比生物潜热计算单元计算出比生物潜热(h_b)和热损通量(J₀)，最后由一补温比计算单元计算出实时补温比(r)，同时求得操作期间内的最小补温比(r_min)，以评估自发性高温好氧处理系统的反应自发性。

该生物潜热测定设备主要是由反应瓶组，纯氧供气系统、补温加热温控系统、热损加热温控系统、磁力搅拌系统，与信号数据监控处理系统等六大部分所组成，其特征在于具有可程序实时线上监控大量瞬间摄氧与补温加热数据等功能，可用于进行比生物潜热(specific biologic heatpotential，h_b)算法与热平衡分析，以了解生物反应热力学特性与ATAT可行性研究。本发明也有关一种使用上述本发明生物潜热测定设备经由比生物潜热(h_b)算法与热平衡分析测定生物潜热的方法。

请参阅以下有关本发明一较佳实施例的详细说明及其附图，将可进一步了解本发明的技术内容及其目的功效；有关该实施例的附图为：

图1为本发明生物潜热测定设备的主要系统示意图；

图2为培养作为提供所有ATAT试验好氧性菌种植种来源所用的本发明自行设计的驯化槽示意图；

图3为本发明由ATAT系统所构成的生物潜热测定设备示意图；

图4为使用本发明生物潜热测定设备用葡萄糖测得的摄氧曲线图；以及

图5为使用本发明生物潜热测定设备用葡萄糖测得的外温曲线图。

请参阅图1，本发明所提供的生物潜热测定设备，主要是使用一驯化槽10培养好氧性菌种，并将菌种植入一反应瓶11中，藉以实现期望的生物反应；使用一外界温度控制器13a可控制及加热该反应瓶11外界至一设定温度值，可控制该反应瓶11外壁高温，减少反应瓶11内外壁温差，以降低反应瓶11在进行生物反应时的热损失；由一供氧单元12提供及记录反应瓶所需的摄氧量，供氧单元12所输出的数据为一实时摄氧数据(O_u vs.t)并由一补温温度控制器13b控制及加热反应瓶11内部至一设定温度值，同时记录输出一实时补温数据(H_cvs.t)，上述摄氧数据及补温数据由一比生物潜热计算单元14计算出比生物潜热(h_b)和热损通量(J₀)，最后由一补温比计算单元15计算出实时补温比(r)，同时求得操作期间内的最小补温比(r_min)，藉以评估自发性高温好氧处理系统的反应自发性。

比生物潜热h_b乃指一生物反应摄取单位氧气质量所释放的热量，单位仟卡/克氧(Kcal/g BODr)，为ATAT可行性的重要指针，配合ATAT热平衡分析可以了解ATAT如何产生自发性高温。对ATAT系统而言，利用补温与热损加热温控系统将反应瓶内外分别控制在两不同恒温下，当系统达稳态(steady state，dT/dt＝0)操作时，其热平衡分析可考量反应顶(reaction)、热损项(loss)与补温项(compensation)表示成 $0{=}^{h_b}\underset{\mathrm{reaction}}{\frac{d{O}_u}{\mathrm{dt}}}{-}_{\mathrm{loss}}^{J_o}+\underset{\mathrm{compensation}}{\frac{d{H}_c}{\mathrm{dt}}}.......\left(1\right)$

其中h_b为比生物潜热，单位仟卡/克氧；O_u为累积摄氧量，单位g；J₀为热损通量，单位仟卡/分(Kcal/min)；H_c为累积补温加热量，单位仟卡(Kcal)。将式(1)以初始条件：当t＝0，O_u＝0且H_c＝0，代入积分可得

H_c＝J₀t-h_bO_u                                      (2)

利用ATAT系统可以获得大量摄氧数据(O_u vs.t)与补温数据(H_cvs.t)，运用于式(2)配合复回归(multiple linear regression)最小平方法(least square method)可用以求取热损通量(J₀)与比生物潜热(h_b)的实验估计值。对于一段试验期间，可依下式定出补温比(r)：

r＝H_c/J₀t                                         (3)

“r”值的大小指示出ATAT系统的反应自发性(reactionspontaneity)。“r”愈小，用实验规模ATAT系统所能达到的反应自发性愈大。

本发明自行设计高温驯化槽以培养好氧性菌种，其装置如图2所示，特点包括：在10升驯化反应瓶10a中可操作容积达9升，靠空气泵16打入空气经瓶底的曝气石17曝气以维持溶氧1-2毫克/升，依温度测棒18测值可以比例积分微分(PID)控制器13b连动加热棒19以维持高温55℃，精确度0.1℃；驯化反应瓶10a底置一加重型稀土磁石20以磁力搅拌器21强力搅拌以维持驯化反应瓶10a内溶氧与温度均匀分布；为避免大量水分蒸发，驯化反应瓶10a顶部连接一冷凝回流管22；基质与营养盐为避免酸败分置两4升玻璃瓶23、24中，利用蠕动泵25依设定流速同时连续进流到驯化反应瓶10a中，并靠驯化反应瓶10a出流口维持液面高度以控制污泥龄(SRT)。

实施例：

高温驯化培养操作先自某食品油脂ATAT实厂的高温好氧曝气池取回10公升菌种植入驯化反应瓶中，再以10g/L COD葡萄糖人工水样控制SRT＝10天进流，定期由出流水取样分析COD、pH与MLSS，并观察污泥沉降性、颜色、泡沫与显微镜菌相，以监控驯化情形。

本发明须以高温驯化培养经由常态性操作以提供所有ATAT试验植种来源，操作至所有ATAT试验完成为止。

ATAT试验为本发明的核心实验，所使用设备如图3所示，乃由反应瓶组、纯氧供气系统、补温加热温控系统、热损加热温控系统、磁力搅拌系统，与信号数据监控处理系统等六大部分所组成，具有可程序实时线上监控大量瞬间摄氧与补温加热数据等功能，可用于进行比生物潜热，h_b，算法与热平衡分析，以了解生物反应热力学特性与ATAT可行性研究。

其中，纯氧供气系统可设定反应瓶30顶空间氧含量，根据氧气监测器31测量值，以计算机程序依开/关控制方式连动控制阀32由供氧源33供氧，控制阀32每开一次可定量供氧，计算机程序纪录累积开放欢数可换算成摄氧量，氧化产生二氧化碳由一吸收瓶34中强碱溶液所吸收，另外尚装有一气体循环泵35以利反应瓶30顶部空间与纯氧供气系统连通管线中气体的均匀分布；补温加热温控系统可设定反应瓶30内的温度，依温度测棒39测值以开/关控制方式连动加热棒40以一固定功率补温，纪录加热棒40开启累积时间即可换算补温加热量；反应瓶30底置一加重型稀土磁石41可以磁力搅拌器42强力驱动搅拌，不易脱速，转速可调整，信号数据监控处理系统43是利用界面控制商业软件撰写的程序，可以线上实时监控搅拌转速、温度。累积摄氧量、累积补温加热量等数据，并可绘制成线上实时动态图；热损加热温控系统44依反应瓶30外壁所置温度测棒测值，并连动一加热线圈，并经风扇循环气流，可控制反应瓶30外壁高温，减少反应瓶30内外壁温差，以降低反应瓶30热损失。

进行ATAT试验时，先自高温驯化槽植种至反应瓶30中，采半连续进流操作，每日以针筒依所控制的SRT换算抽取定量污泥废弃，随即添加等体积葡萄糖人工水样，待每日累积摄氧趋势达稳定再现，即可终止该批试验。

图4和图5分别显示出O_u和H_c曲线。可以看出O_u曲线逐日变异。而H_c曲线则在一天的试验期间内较具有可重复性。O_u和H_c数据都是用方程式(2)以复线性回归法进行分析而估计出比生物潜热(h_b)和热损通量(heat loss flux)(J₀)供比较所用。回归结果显示出h_b的值，除了第3-6天之外，通常是在3.82-4.53仟卡/克BODr范围之内。对于所有8个试验无所得0.92-0.95的R²值显示出完美的线性，甚至第3-6天亦然。h_b在第3-6天发生较大变异的原因仍有待研究。根据推断其可能是该嗜热性微生物系统与试验条件下的不完全驯化相关联的动态本质所致。因为h_b在第7-8天自动地回归到基线值(第1-3天)之故，所以不可能是ATAT测定系统的设备问题所致。

回归结果亦显示出热损速率(J₀)是在0.43-0.55仟卡/分的相当窄范围内变异。当系统在第5-6天经历较低的生物热释放时该热损即减少约10％。

使用h_b的平均值(4.58仟卡/克O_u)和平均热损通量值(J₀)(0.50仟卡/分)，可以定出方程式3所定义的补温比，其在24小时试验期间的第12小时达到89.2％的最低值。

本发明所提供的生物潜热测定设备可以用来测量ATAT试验的线上(on-line)摄氧数据O_u和补温数据H_c。本发明也提出一种生物潜热测定方法，其包括使用复线性回归法从热平衡模型可以测定出ATAT试验的比生物潜热(h_b)和热损通量(J₀)。结果证实本发明系统为一种有用的ATAT研究工具。当系统以10克COD/公升进流葡萄糖和操作在10天的污泥龄(SRT)时，测定出h_b为4.28仟卡/克BODr。该ATAT系统的热损通量经测定为50仟卡/分，且其最小补温比(r_min)为89.2％。

Claims (16)

1.一种生物潜热测定设备方法，其特征在于，包括下列步骤：

使用一驯化槽培养好氧性菌种，并将该菌种植入一反应瓶中，以进行生物反应；

控制及加热该反应瓶外界至一设定温度值；

提供及记录该反应瓶所需的摄氧量，并输出一实时摄氧数据O_uvs.t；

控制及加热该反应瓶至一设定温度值，同时记录输出一实时补温数据H_c vs.t；

利用该摄氧数据及该补温数据计算出一比生物潜热h_b和一热损通量J₀；以及

利用该比生物潜热及该热损通量计算出一实时补温比r，同时求得操作期间内的最小补温比r_min。

2.根据权利要求1所述的生物潜热测定方法，其特征在于，其中该实时摄氧数据是由一提供及记录该反应瓶所需摄氧量的供氧单元所输出测定。

3.根据权利要求1所述的生物潜热测定方法，其特征在于，其中该实时补温数据是由一控制及加热该反应瓶内部至一设定温度值的补温温度控制器所提供及记录。

4.根据权利要求1所述的生物潜热测定方法，其特征在于，其中该实时摄氧数据O_u vs.t及实时补温数据H_c vs.t，由热平衡分析考量反应项、热损项与补温项可表示成 $0{=}^{h_b}\underset{\mathrm{reaction}}{\frac{{\mathrm{dO}}_u}{\mathrm{dt}}}{-}_{\mathrm{loss}}^{J_o}+\underset{\mathrm{compensation}}{\frac{d{H}_c}{\mathrm{dt}}}.....\left(1\right)$

其中h_b为比生物潜热，单位仟卡/克氧；O_u为累积摄氧量，单位g；J₀为热损通量，单位仟卡/分；H_c为累积补温加热量，单位仟卡；

将式(1)以初始条件：当t＝0，O_u＝0且H_c＝0，代入积分可得

H_c＝J₀t-h_bO_u                           (2)

5.根据权利要求4所述的生物潜热测定方法，其特征在于，其中比生物潜热h_b及该热损通量J₀，可依下列式定出补温比r：

r＝H_c/J₀t                              (3)

6.一种生物潜热测定设备，其特征在于，包括有：

一用以培养好氧性菌种的驯化槽；

一可供该好氧性菌种植入并进行生物反应的反应瓶；

一控制及加热该反应瓶外界至一设定温度值的外界温度控制器；

一提供及记录该反应瓶所需摄氧量的供氧单元，其可输出一实时摄氧数据O_uvs.t；

一控制及加热该反应瓶内部至一设定温度值的补温温度控制器，其可同时记录输出一实时补温数据Hcvs.t；

一比生物潜热计算单元，其藉由该实时摄氧数据及该实时补温数据计算出一比生物潜热h_b和一热损通量J₀；以及

一补温比计算单元，其藉由该比生物潜热及该热损通量计算出一实时补温比r，同时求得操作期间内的最小补温比r_min。

7.根据权利要求6所述的生物潜热测定设备，其特征在于，其中该驯化槽是使用一空气泵打入空气，经该反应瓶瓶底的一曝气石曝气；依一温度测棒测值可以比例积分微分补温温度控制器连动一加热棒以维持高温；该反应瓶底部置一加重型稀土磁石以一磁力搅拌器强力搅拌；将一基质与一营养盐分置于二玻璃瓶中，并利用一蠕动泵依设定流速同时连续进流到该反应瓶中进行生物反应，并靠该反应瓶出流口维持液面高度以控制污泥龄。

8.根据权利要求7所述的生物潜热测定设备，其特征在于，其中该反应瓶顶端还连接有一冷凝回流管。

9.根据权利要求6所述的生物潜热测定设备，其特征在于，其可被应用作为评估一自发性高温好氧处理系统的反应自发性。

10.一种生物潜热测定设备，主要包括有一反应瓶组、一纯氧供气系统、一补温加热温控系统、一热损加热温控系统、一磁力搅拌系统与一信号数据监控处理系统；其特征在于：

具有可程序实时线上监控大量瞬间摄氧与补温加热数据等功能，可用于进行比生物潜热算法与热平衡分析，以了解生物反应热力学特性与ATAT可行性研究。

11.根据权利要求10所述的生物潜热测定设备，其特征在于，其中该纯氧供气系统可根据一氧气监测器测量值，以一计算机程序依开/关控制方式连动一控制阀由一供氧源供氧，该控制阀每开一次供氧一设定氧气量，该计算机程序纪录累积开放次数可换算成摄氧量，而氧化产生二氧化碳由一二氧化碳吸收瓶中的一强碱溶液所吸收。

12.根据权利要求10所述的生物潜热测定设备，其特征在于，其中该纯氧供气系统还装设有一气体循环泵以利反应瓶顶空间与纯氧供气系统连通管线个气体的均匀分布。

13.根据权利要求10所述的生物潜热测定设备，其特征在于，其中该补温加热温控系统可设定该反应瓶内的温度，依一温度测棒测值以开/关控制方式连动一加热棒以一设定功率补温，并纪录该加热棒开启累积时间即可换算出一补温加热量。

14.根据权利要求10所述的生物潜热测定设备，其特征在于，其中该反应瓶底部加置一加重型稀土磁石可以一磁力搅拌器强力驱动搅拌。

15.根据权利要求10所述的生物潜热测定设备，其特征在于，其中该信号数据监控处理系统是由一界面控制的程序，可以线上实时监控各数据，并可绘制成一线上实时动态图。

16.根据权利要求10所述的生物潜热测定设备，其特征在于，其中该热损加热温控系统依该反应瓶外壁所置一温度测棒测值，并连动一加热线圈，经一风扇循环气流，可控制该反应瓶外壁高温，减少反应瓶内外壁温差，以降低反应瓶热损失。

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