KR100499830B1

KR100499830B1 - 유체에서생물학적활성도를모니터하기위한방법

Info

Publication number: KR100499830B1
Application number: KR10-1998-0705687A
Authority: KR
Inventors: 신 양; 조우 팡 리; 세르게이 케이. 마네신; 테란스 제이. 마
Original assignee: 바이오켐 테크놀로지, 인코포레이티드
Priority date: 1996-01-22
Filing date: 1997-01-22
Publication date: 2005-09-30
Also published as: NZ331036A; WO1997026525A1; CA2243190A1; AU710378B2; AR005521A1; CN1212053A; CA2243190C; AU1833697A; EP0877922A4; CN1138855C; EP0877922A1; NO983360D0; MY129784A; RU2192474C2; KR19990081969A; NO983360L; BR9707013A; JP2000504215A

Abstract

본 발명은 유체 공급원으로부터 유체 샘플을 분리하고, 선택된 시간 간격으로 유체 샘플의 pH를 측정한 후 만약 변화가 있다면 샘플의 pH변화를 분석하여 pH 변화율을 측정하는 것을 포함하는 유체 공급원에서 미생물학적 처리를 모니터하는 방법에 관한 것이다. 샘플의 용존 산소도 선택된 시간간격으로 pH측정과 거의 동시에 측정되고, 만약 변화가 있다면 용존 산소 변화는 샘플에 대한 생물학적 산소 소비율을 측정하기 위해 분석된다.

Description

유체에서 생물학적 활성도를 모니터하기 위한 방법{METHOD FOR MONITORING BIOLOGICAL ACTIVITY IN FLUIDS}

본 발명은 유기 및 무기 기질의 미생물 신진대사 동안 대사적으로 중요한 전이점을 모니터하고 미생물학적 과정을 조절하기 위한 방법에 관한 것이다.

대사 과정에서 유기 및 무기 기질의 미생물 사용은 pH 및 산소 이용률과 같은 측정 가능한 파라미터의 검출 가능한 변화를 일으킬 수 있다.

질화가 미생물 배양에서 우세한 반응이라면 질화과정으로부터 수소이온(H⁺)의 생성은 어떤 대사적 임계 수준 이하로 쉽게 이용 가능한 암모니아(NH₄ ⁺)의 소모시 현저하게 감소하는 것으로 기대되었다. 결과적으로 용액에서 수소이온의 활성도 즉, pH 또한 변화할 것으로 기대되었다.

유사하게, 미생물 배양물의 산소 이용은 외인성 유기 기질이 어떤 대사적으로 중요한 수준 이하로 고갈되는 조건에서 보다 이 기질들이 쉽게 이용 가능하고 풍부한 조건에서 보다 높은 것으로 기대되었다. 두 예에서, 때때로 하기에서 "pH 생성률" 또는 "pHPR"로서 언급되는 측정 가능한 pH 변화율 및 하기에서 "생물학적 산소 소비율" 또는 "BOCR"로서 언급되는 산소 사용은 시간에 따른 기질 신진대사 율에 의해 직접적으로 영향을 받는다. 따라서, 배지에서 pH 변화와 산소 소비가 오직 미생물 대사 활성으로부터 기인한다고 가정하면 pHPR과 BOCR은 이론적으로 미생물 과정에서 대사적으로 중요한 전이 점을 나타내는데 사용될 수 있었다. pHPR은 d(pH)/dt 또는 -Δ(pH)/Δt로서 정의되고 BOCR은 d(DO)/dt 또는 -Δ(DO)/Δt로서 정의된다. pH 및/또는 DO의 음의 기울기는 양의 pHPR 및/또는 BOCR 크기를 가져온다.

발명의 요약

본 발명의 방법은 정제 과정에서 폐수와 같은 유체 공급물로부터 유체 샘플을 분리하는 것을 포함한다. pHPR은 유체 샘플로부터 이루어진 pH 측정으로부터 계산되고 대사적으로 중요한 전이점이 발생할 때 빠르게 측정하기 위해 분석된다. 분석은 어떤 조절단계가 필요하며 언제 그들이 모니터되는 과정의 효율성을 최대화하도록 주어져야 하는지를 나타낸다.

도1은 반응 운동학의 미하엘리스-멘텐(Michaelis-Menten) 이론을 설명하는 그래프이다.

도2는 미생물학적 처리에서 시간에 따른 변화인 총괄적으로 BOD(생화학적 산소 요구량)로서 언급되는, 암모니아(NH₄ ⁺)와 유기탄소성 물질의 농도로서의 혼합된 액체 샘플의 pH 변화율 (pHPR) 및 산소 이용률(BOCR)의 이론적 응답을 나타내는 그래프이다.

도3은 미생물학적 처리에서 시간에 따른 변화인 총괄적으로 BOD(생화학적 산소 요구량)로서 언급되는, 암모니아(NH₄ ⁺)와 유기탄소성 물질의 농도로서의 혼합된 액체 샘플의 pH 변화율(pHPR) 및 산소이용률(BOCR)의 이론적 응답을 나타내는 그래프이다.

도4는 본 발명에 따른 생물반응기 탱크에서 유체 공급물로부터 유체 샘플을 분리 및 모니터하기 위해 사용될 수 있는 장치의 한 예의 개략적인 정면도이다.

도5는 분당 산소 포화가 %변화로서 표시되는 BOCR과 폭기의 정지 및 개시 사이의 산소 변화율 사이의 관계를 그래프로 설명한 것이다.

도6은 암모니아 농도 변화에 따른 분당 pH 변화로서 표시되는 pHPR과 폭기의 정지와 개시 사이의 pH 변화 사이의 관계를 그래프로 설명한 것이다.

도7은 COD가 대사적으로 제한 요소가 아닌 경우 분당 pH 변화로 표시되는 pHPR과 암모니아 농도 사이의 관계를 그래프로 도시한 것이다.

도8은 COD가 대사적으로 제한 요소가 아닌 경우 분당 산소포화 %변화로서 표시되는 BOCR과 암모니아 농도 사이의 관계를 그래프로 도시한 것이다.

도9는 암모니아와 COD 유용성의 다양한 조건 하에서 분당 pH 변화로서 표시되는 pHPR의 응답을 도시한 것이다.

도10은 암모니아와 COD 유용성의 다양한 조건 하에서 분당 pH 변화로서 표시되는 pHPR, 분당 산소포화 %변화로서 표시되는 BOCR, 암모니아 농도 및 COD 사이의 관계를 도시한 것이다.

도11은 연속적인 폭기 하에서 DO와 pH 변화 대 시간의 그래프이다.

도12는 pH, NH₃-N 농도 및 d(pH)/dt 대 시간의 그래프이다.

도13은 DO와 d(DO)/dt 대 시간의 그래프이다.

생화학적 반응이 진행되는 기계작용 속도는 도1에 설명된 미하엘리스-멘텐 이론에 의해 부분적으로 설명될 수 있다. 이 이론은 생화학적 반응 속도가 매우 낮은 기질 농도에서 매우 낮지만 그 속도는 기질농도가 증가할 때 얼마나 많은 기질 농도가 증가하는지에 관계없이 반응속도의 작은 증가도 없어지는 지점 이상에 도달할 때까지 증가한다는 것을 나타낸다. 바꿔 말하면 기질 농도가 얼마나 많이 이 이점을 지나 증가하는지에 관계없이 반응속도는 정체상태에 접근하지만 결코 도달하지는 않을 것이다. 이러한 정체상태가 최대 반응속도 또는 V_max이다. 이는 2K_s와 동일한 기질 농도에 해당하는 직선 외삽법(linear extrapolation)이다. K_s는 대사 반응속도가 최대 반응 속도(V_max) 의 반인 기질 농도이다.

따라서, 신진대사 시각에서 2K_s는 중요한 기질 농도이다. 기질의 미생물 대사는 최대 및 거의 일정한 속도에서 2K_s 이상 진행된다. 대사 반응 속도는 가변적이 될 수 있는데 2K_s 이하의 기질 유용성에 의해 제한된다. 결과적으로, 특정 무기 및 유기기질의 미생물 신진대사 속도에 의해 직접적으로 영향을 받고 및/또는 이와 관련된 어떤 측정 가능한 파라미터 변화는 특정 기질의 농도가 변화함에 따라 변화하는 것으로 예상될 수 있다. 상세하게는, 2K_s와 같거나 그 이상의 기질 농도에서 부수적인 측정 가능한 파라미터 및/또는 시간에 따라 이 파라미터에서 측정된 변화율은 상대적으로 일정한 것으로 예상되었다. 기질 농도가 2K_s 이하로 감소됨에 따라 부수적인 측정 가능한 파라미터 및/또는 이 파라미터에서 측정된 변화율은 기질 농도가 2K_s와 같거나 높을 때 측정된 값과 현저하게 다른 것으로 예상되었다.

많은 생물학적 반응에서, 특정 기질이 대사적으로 중요한 2K_s 농도이하로 소비된 지점에서 측정하는 것이 바람직하다. 특정유기 및 무기 기질의 농도가 변화함에 따라 어떤 부수적인 측정 가능한 파라미터의 변화를 모니터함으로써 미생물 배양물의 대사 습성의 패턴 변화를 검출할 수 있다.

예를 들면, 많은 폐수 정화 처리에서 어떤 유기와 무기 기질농도를 매우 낮은 수준으로 감소시키는 것이 목적이다. 이들 기질은 전형적으로 총괄적으로 BOD(생화학적 산소 요구량) 및/또는 COD(화학적 산소 요구량) 및 무기 암모늄(NH₄ ⁺)으로서 언급되고 측정되는 유기기질을 포함한다. 질화 반응과 BOD/COD 감소 반응이 2개의 가장 우선하는 반응이라면 특징적인 변화는 BOD와 암모니아가 각각 2K_s 값 이하로 고갈될 때 산소 이용률(BOCR)과 pH 변화율(pHPR) 모두에서 나타나는 것으로 예상된다.

조절 파라미터로서 BOCR과 pHPR을 사용하는 것의 결점은 연속적인 폐수 정화 처리에서 유동매체의 pH와 DO 변화가 영양물 (생물분해성의 탄소, 질소, 인 화합물 등)의 농도, 생물량 농도, 알칼리성 등과 같은 많은 요소에 좌우된다. 이들 요소는 폐수가 처리시설을 통과할 때 일정하게 변화한다. 따라서, 너무나 많은 알려지지 않았으며 계속 변화하는 요소의 방해로 인해 측정된 파라미터와 폐수정화 성능 사이의 관계를 얻기가 어렵다. 이들 방해요소가 pH와 DO측정동안 검출되거나 일정하게 유지될 수 없다면 pHPR과 BOCR 측정은 폐수처리 성능에 대한 많은 가치 있는 정보를 제공하지 않을 것이다.

여기에 참고로 도입된 미국특허 제 5,466,604호에 기술된 바와 같은 생물학적 활성도 검출장치의 사용은 처리하의 폐수 주체로부터의 폐수 샘플을 그 자리(in situ)에서 분리할 수 있게 한다. 물론, 다른 장치도 본 발명에 따라 사용될 수 있다 또한, "그 자리"라는 용어는 샘플이 유체의 주체, 예를 들면 폐수에 남아 있는지에 상관없는, 어떤 실시간 유체 샘플 분리 공정을 설명하기 위해 사용된다. 바꿔 말하면, 장치는 측정이 사실상 "실시간" 및/또는 "온-라인"으로 이루어질 수 있는 한 샘플을 유체 본체로부터 물리적으로 제거하도록 사용될 수 있다.

BOD와 암모니아(NH₄ ⁺) 농도변화에 대한 BOCR과 pHPR의 이론적인 응답은 도2와 도3에 도시되고 하기에 설명된다. 도면은 혼합된 액체(즉, 폐수)의 단일 샘플과 폐수 주체로부터 분리된 생물학적 영양물 제거(BNR)용 미생물로부터 응답을 나타낸 그래프이다. 분리된 샘플은 선택적으로 폭기되거나 폭기되지 않는다. 폭기는 시작되어 용존산소수준이 한계까지 폐수주체의 DO 수준보다 높은 수준에 도달할때까지 계속된다. 일단 이 수준에 도달되면 폭기는 정지하고 샘플내의 용존산소 수준이 한계까지 폐수 주체의 DO 수준보다 낮은 수준에 도달하는 때에만 시작한다. 폭기가 수행되지 않는 기간 중에 경우 BOCR과 pHPR은 모두 하기와 같이 평가 및 계산된다 :

BOCR=-(ΔDO)/(Δt)

여기에서 ΔDO는 용존산소의 포화 수준변화이고, %포화로 표시되며 시간 Δt에 따라 측정된다.

pHPR=-(ΔpH)/(Δt)

여기에서 ΔpH는 시간 Δt에 따라 관찰된 pH 변화이다.

도2와 3의 기간 A에 도시된 바와 같이 NH₄ ⁺ 와 BOD의 농도 모두 그들 각각의 2K_s값 이상일 때 BOCR은 일정하고 그들의 최고의 상대적 수준에 있는데 이는 BOD 이용이 최대속도로 진행되고 질화산소 소비 반응 이상으로 경쟁에서 이기기 때문이다. 따라서 pHPR은 중간 수준으로 일정하다. 이러한 BOCR/pHPR 패턴뿐만 아니라 하기 기술된 것들은 1) 질화와 BOD 이용 반응이 생물학적 샘플 내에서 진행중인 우세한 반응이고, 2) 수소이온의 생성과 활성도는 질화반응속도와 관련되며, 3) 반응은 산소 유용성에 의해 제한되지 않는 것으로 가정된다.

순차적으로, 계속되는 신진대사는 이용 가능한 NH₄ ⁺를 2K_s값 이하로 떨어뜨리고 질화 속도, 수소 이온 생성은 암모니아 농도가 대사적으로 제한 요소인 경우 최대 속도에서 보다 낮은 속도로 떨어진다. 도2의 기간 B에 도시된 바와 같이, pHPR은 비교적 낮은 수준으로 상당히 떨어지고 BOCR은 매우 낮은 질화반응속도에 의해 일어나는 산소의 감소된 요구량과 사용을 반영하도록 비교적 중간 수준으로 저하된다. 2K_s값 이상의 암모니아 농도에서 2K_s값 이하로의 변화는 도2에서 기간 A와 B사이의 변화로 도시되었다.

도2와 도3의 기간 C는 이용 가능한 NH₄ ⁺의 농도가 2K_s값 이하이고 BOD가 2K_s값 이하로 소비될 경우 pHPR은 혼합된 생물학적 군집의 총 신진대사 행동 변화를 반영하기 위해 매우 적게 증가하고 BOCR은 BOD 소비와 질화반응에 의한 매우 낮은 산소 사용을 반영하기 위해 가장 낮은 비율로 떨어진다. 이러한 변화는 도2에서 기간 B와 C사이로 도시되었다.

도3의 기간 D는 BOD 농도가 2K_s값 이하이지만 NH₄ ⁺의 농도가 2K_s값 이상인 경우 pHPR은 높은 질화 속도를 반영하는 가장 높은 수준으로 증가하고 BOCR은 감소된 수준의 BOD 소비 반응에 의해 일어나는 총 산소 사용의 순 감소를 반영하는 중간 수준으로 떨어진다. 가장 높은 pHPR은 BOD 소비 반응의 완충 효과가 없기 때문에 이 조건 하에서 나타난다. 정상적으로, BOD 소비 반응에서 CO₂의 생성은 탄산 시스템을 통해 약간의 pH 완충능력을 샘플에 제공한다. 따라서, BOD 소비 반응과 결과적으로 CO₂생성이 없을 때 pHPR은 다른 조건에서보다 훨씬 크다.

BOCR과 pHPR은 미생물 대사 활성도의 주요한 측정가능하고 부수적인 파라미터이기 때문에 BOCR과 pHPR의 경향 및/또는 수준을 모니터하고 비교함으로써 상기 제공된 예에 기초한 생물학적 샘플에 관한 적절한 정보를 측정하는 것이 가능하다. 특히, 이 예는 1) 질화와 BOD 제거가 최대속도로 동시에 발생하는지, 2) BOD가 2K_s 값 이하로 감소되는 동안 질화가 발생하는지, 3) 암모니아가 2K_s값 이하로 감소되는 동안 BOD 제거반응이 진행 중인지, 4) 암모니아와 BOD 모두 각각의 2K_s값 이하로 감소되는 지에 대해 어떻게 측정이 이루어지는지를 설명한다.

측정된 파라미터 BOCR과 pHPR의 직접적이고 계속적인 비교는 폐수 조건에 대해 몇 가지 결론을 이끈다. 만약 혼합된 액체 샘플이 계속적으로 모니터되고 pHPR의 큰 증가가 BOCR의 감소와 동시에 발생한다면 이는 암모니아가 충분하지만 BOD가 2K_s 이하로 소모된다는 것을 나타낸다. 혼합된 액체 샘플이 계속적으로 모니터되고 pHPR이 거의 0 수준으로 감소되는 반면에 BOCR이 중간수준으로 감소된다면 이는 BOD가 그때까지 충분하지만 암모니아는 2K_s값 이하로 소비된다는 것을 나타낸다. 혼합된 액체 샘플이 계속적으로 모니터되고 BOCR은 낮은 수준으로 감소되고 pHPR도 낮은 수준으로 감소된다면 이는 암모니아와 BOD가 각각 2K_s값 이하로 소비된다는 것을 나타낸다. 이 조건은 또한 BOCR이 낮은 수준으로 감소하고 pHPR이 거의 0 수준에서 약간 높은 그러나 낮은 수준으로 증가하는 것으로 표시된다.

표1은 이들 패턴을 요약한 것으로서 BOCR과 pHPR의 측정된 파리미터의 상대적인 값과 패턴의 비교가 어떻게 도2와 도3과 관련하여 상기 기술된 적절한 정보를 산출하는지 설명한다.

[표 1]

도4는 폐수 샘플을 분리하는데 사용된 바람직한 장치의 예를 도시한 것이다. 폐수 배치(2)(단지 일부분만 도시됨)에 담겨진 장치(11)는 이동 가능한 커버(32)를 갖는 검출챔버(8)를 포함한다. 이동 가능한 커버(32)는 모터(53)에 연결된 극점 축(57)에 의해 구동되는 내부 축(56)에 의해 화살표 "A" 방향으로 밀려진다. 개방 위치에서, 프로펠러(48)의 회전은 검출챔버(8)의 내부와 외부사이의 폐수 교환을 강요하고 검출챔버(8)는 새로운 폐수샘플로 채워진다. 주어진 시간 기간, 예를 들면 30초 후 모터(53)는 이의 회전방향을 역으로 하도록 프로그램되고 이동 가능한 커버(32)는 검출챔버(8)가 완전히 닫혀서 밀봉될 때까지 화살표 "B" 방향으로 당겨진다. 이동 가능한 커버(32)와 프로펠러(40)는 내부축(56)과 외부축(55)을 동축상으로 연결하는 동일한 역회전 가능한 낮은 RPM 모터(53)에 의해 구동된다. 동축상의 조립품은 스테인리스 스틸 파이프(54)에 의해 보호된다.

DO 농도는 새로운 폐수 샘플로 검출챔버(8)를 채운 후 DO 프로브(10)에 의해 검출되고, DO가 주어진 한계에 의해 폐수 주체에서의 산소농도보다 적다면 공기 및/또는 산소는 DO 농도가 도달될 때까지 폭기 튜브(13)를 통해 검출챔버(8) 내로 펌프된다. 주어진 한계에 의해 폐수 주체에서 산소농도보다 높거나 낮은 수준의 DO농도는 검출챔버(8) 내부에서의 호기성 대사 반응이 폐수 주체에서의 영양물 제거과정과 같거나 가깝다는 것을 보장한다. 유사하게, pH 프로브(12)는 pH 변화를 검출한다. 추가적으로, 프로펠러(48)는 잘 혼합되고 현탁된 조건의 샘플을 유지하기 위해 주기적 또는 일정하게 회전될 수 있다.

장치(11)에서 폭기는 최대 DO 농도가 도달된 후 측정 간격동안 저지된다. 이 기간동안 폐수 배치의 폭기에 의해 크게 영향 받지 않는 잔류 DO 농도와 pH가 프로브를 통해 모니터된다. 각각의 프로브(12,10)로부터 pH와 잔류 DO 신호는 상기 기술된 식(6)과 (7)에 따른 미분에 의해 시간에 따른 DO 변화를 BOCR로 그리고 시간에 따른 pH 변화를 pHPR로 변환하는 콘트롤러로 전달된다.

대부분의 폐수처리 설비에서 최종 방출물의 BOD와 암모니아 농도는 BOD와 NH₄ ⁺모두 2K_s값 이하이다. 검출챔버에서의 BOD와 NH₄ ⁺ 농도가 2K_s값 이하로 감소할 때 영양물 제거를 위한 호기성 대사 반응은 BOCR과 pHPR값의 큰 변화와 함께 완료되는 것으로 간주된다. 영양물 제거를 위한 호기성 대사 반응의 완료는 표 1에 기재된 기준에 따라 BOCR과 pHPR을 통해 검출될 수 있다. 다른 생물학적 처리의 경우 매체에서 기질의 농도는 보통 표적 물질의 미생물적 성장과 생성의 최대 속도를 유지하기 위해 일반적으로 2K_s값보다 상당히 높다. 따라서, 대사 반응 완료의 검출은 영양물의 요건과 기질첨가 또는 생물학적 처리를 중단하기 위해 시간 또는 처리동안 생성된 표적 물질을 수집하기 위한 시간을 나타낸다.

질화 완료시간(NT), 질화제거 시간(DNT) 등과 같은 영양물 제거를 위한 호기성 대사 반응에 관한 정보는 폐수 정화 과정과 다른 호기성 대사 과정을 조정하고 조절하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들면, 측정된 NT는 폐수 처리 시설의 폭기조에 있는 폐수의 평균 유압 유지시간과 비교될 수 있다. NT가 HRT보다 매우 짧다면, 호기성 영양물 제거는 폭기조 중간 구역에서 종료된다. 영양물 제거가 완료된 구역 다음의 나머지 폭기조는 사실상 무의미한 조건이고 폐수 정화 과정에 기여하지 않는다. 이 경우, 설비는 (1) 작동비용을 절감하기 위해 서비스로부터 폭기조의 특정 부분을 제거하고 및/또는 (2) 보다 많은 폐수를 수용하여 효과적으로 설비의 처리 효율을 증가시키며 및/또는 (3) NT가 폭기조에서의 HRT와 밀접하게 조화를 이루어 공기 송풍기에 의한 전력소비를 감소하도록 호기성 대사 반응 속도를 감소시키기 위해 폭기조에 공급되는 공기 양을 감소시키는 등의 적당한 행위가 취해질 수 있다.

실시예 1

펜실베니아, 오크스에 위치한 진보된 생물학적 폐수처리설비의 호기성 조로부터 회수된 혼합 액체 샘플을 샘플 pH와 용존산소 포화 수준을 측정하기 위한 장치뿐만 아니라 잘 혼합된 조건에서 샘플을 폭기하고 유지하기 위한 장치가 설치된 용기에서 분리했다. 샘플 pH와 용존산소 포화 수준을 측정하는 장치로부터의 데이터는 BOCR 과 pHPR을 계산하기 위해 컴퓨터에 의해 기록되고 분석되었다. 샘플을 고정된, 폭기 조건과 폭기하지 않는 조건의 기간에 번갈아 노출시켰다. 폭기를 시작하여 용존산소 수준이 샘플이 분리될 때 폐수 주체에 있는 것 더하기 한계에 상당한 것에 도달할 때까지 계속했다. 일단 이 수준에 도달하면 폭기를 정지하고 용존산소 수준이 샘플 분리 시 폐수의 주체 DO보다 한계에 의해 보다 낮은 수준으로 하락한때만 폭기를 시작했다. NH₄ ⁺와 용해성 탄소질 유기 기질의 농도를 COD로서 측정하고 보고했다. 직선 상호관계가 COD와 BOD 사이에 존재했다. 따라서, COD 분석을 BOD 농도를 나타내기 위해 사용했다 비-폭기 기간 동안 도5와 6에서 화살표로 표시되는 BOCR과 pHPR의 예를 상기 기술된 미분에 의해 평가하고 계산했다.

도5는 측정된 COD농도가 COD에 대한 2K_s값 이상인 150mg COD/L보다 일정하게 더 크지만 암모니아 농도가 2K_s 이상의 농도에서 2K_s값 이하의 농도로 변하는 경우의 시험기간 동안 용존산소 포화 및 BOCR을 도시한 것이다. 도5는 도시된 바와 같은 폭기의 중단과 개시 사이의 산소 변화율인 원래의 용존산소 데이터와 BOCR 사이의 관계를 도시한다. 도5는 또한 암모니아 농도가 이의 2K_s값 이하로 떨어질 때 대사적으로 중요한 전이동안 높은 수준에서 중간수준으로의 BOCR 수준 변화를 설명한다. BOCR은 분당 산소 포화 %변화로서 표현했다.

도6은 도5에 도시된 것과 같은 기간 동안 샘플 pH와 pHPR을 도시한 것이다. 이 기간 동안 측정된 COD농도는 COD에 대한 2K_s값 이상인 150mg COD/L보다 일정하게 더 컸지만 암모니아 농도는 2K_s값 이상부터 2K_s값 이하로 변화했다. 도6은 원래의 pH 데이터 즉, 도시된 바와 같이 폭기의 중단과 개시 사이의 pH 변화와 pHPR 사이의 관계를 도시한 것이다. 도6은 또한 암모니아 농도가 2K_s값 이하로 떨어질 때 대사적으로 중요한 전이동안 중간에서 거의 0 수준까지의 pHPR 변화를 설명하고 있다. pHPR은 분당 pH 변화로서 나타냈다.

도7은 도6에 도시된 것과 같은 기간 동안 측정된 암모니아 수준과 계산된 pHPR 변화를 도시하고 있다. 도7은 약 2K_s부터 2K_s 이하까지 암모니아 농도가 변화하는 동안 중간에서 거의 0 수준까지의 pHPR 변화를 설명하고 있다. pHPR은 분당 pH 변화로 나타냈다.

도8은 도5에 도시된 것과 같은 기간 동안 측정된 암모니아 수준과 계산된 BOCR 변화를 도시하고 있다 도8은 2K_s 이상부터 2K_s 이하까지 암모니아 농도가 변화하는 동안 높은 수준에서 중간 수준까지의 BOCR 변화를 설명하고 있다 BOCR은 분당 산소 포화 % 변화로서 나타냈다.

도9는 암모니아 농도에 대한 pHPR의 응답의 일관성을 도시한 그래프이다. 이것을 샘플 내에 함유된 암모니아가 소비되는 시점 즉, T=120과 T=170분에서 혼합된 액체 샘플에 암모니아 용액을 첨가함으로써 이루어졌다. T=0 과 T=195분 사이의 기간부터 COD 농도가 2K_s값 이하로 떨어졌다. 약 T=90분에서 암모니아 농도가 이의 2K_s값 이하로 떨어짐에 따라 중요한 변화가 pHPR에서 관찰될 수 있다.

암모니아의 다음 추가는 pHPR이 거의 0 수준일 때 T=120과 T=170에서 이루어졌다. 도 9는 pHPR이 각각 후속 첨가 바로 전의 거의 0 수준에서 T=0과 T=90분 사이에 관찰되는 것과 같이 비교적 중간 수준으로 올라간다는 것을 도시한 것이다. 후속 암모니아 첨가 후, pHPR은 암모니아가 2K_s 값 이하로 소비되었을 때 거의 0 또는 낮은 수준으로 돌아간다. COD는 풍부했으며 암모니아 소비는 T=120분에서 첫 번째 암모니아 첨가의 경우 거의 0 수준으로 pHPR의 감소를 가져왔다. 암모니아 소비는 COD농도가 T=170분에서 두 번째 암모니아 첨가의 경우에서 2K_s값 이하로 소비되는 시간에 발생했다. 결과적으로, pHPR은 도2와 도3의 기간 C에 도시된 바와같이 0이 아닌 낮은 수준으로 감소한다.

도10은 도9에 도시된 데이터의 보다 완전한 형태를 제공하는데 계산된 pHPR, 계산된 BOCR, 암모니아 및 COD 농도를 포함한다. 도10은 중요한 신진대사가 발생할 때 다른 상대적인 수준 사이의 pHPR과 BOCR의 변이를 설명한다.

본 발명에 따라 BOCR과 pHPR의 상대적인 수준을 모니터함으로써 본 실시예에 의해 입증된 바와 같이 유기기질 및/또는 무기 기질의 농도가 각각 2K_s 수준 이하로 떨어지는 순간을 빨리 정확하게 확인하는 것이 가능하다. 이들 각각의 대사적으로 중요한 2K_s 농도값 이하로 특정기질의 소모를 검출하는 것은 종종 미생물 군집 또는 이들 환경의 조건의 중요한 변화 또는 활성 미생물 함유 샘플의 대사 패턴 변화 및/또는 습성 변화를 나타낸다.

다양한 조절 단계가 특정 처리에 좌우되는 응답으로 취해질 수 있다. 예를들면, 미생물 군에서 특정 기질의 소모가 신진대사 변화를 나타냄으로써 소정의 2차 대사산물 생성이 일어나고 따라서 처리가 분리, 수집 및/또는 정화단계로 진행해야 한다는 것을 나타낸다. 유사하게, 기질의 특정 단계 공급 프로토콜을 미생물 군에 유지시키는 것이 목적인 생물학적 처리에서 2K_s농도 이하로의 기질의 소모를 검출하는 능력을 기질 첨가가 기질 농도를 2K_s 이상으로 증가시킬 때 기질공급의 증가 또는 감소를 결정하는 것을 나타내는데 사용될 수 있다.

실시예 1은 용해 가능한 암모니아와 탄소성 유기물의 감소와 같이 생물학적 메커니즘을 통해 특정 무기 및 유기기질을 감소시키는 것이 목적인 경우의 호기성 생물학적 폐수 정화를 포함한다. 따라서, 다양한 조절단계는 2K_s 농도가 많은 기질에 대해 표적으로 하는 낮은 농도 수준 이하일 때 이의 2K_s 농도 이하의 하나 이상의 이들 기질의 소모에 대한 반응으로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 유기와 무기(암모니아) 기질이 각각 2K_s 농도값 이하인 것으로 발견된다면 폐수 처리 과정에 걸쳐 유속은 증가하고 이에 의해 처리 시설의 능력이 증가될 수 있다. 유기와 무기 기질 모두 각각 2K_s 농도값 이상인 것으로 발견된다면 폐수 처리 과정에 걸쳐 유속이 감소 될 수 있다. 암모니아 기질이 2K_s 이하이지만 유기기질이 2K_s 이상일 때 배치의 폭기가 질화 요구가 감소되기 때문에 감소될 수 있다. 마지막으로, 유기 기질이 2K_s 이하이고 암모니아 기질이 2K_s 이상이라면 폭기는 보다 좋은 질화조건을 만들기 위해 증가될 수 있다.

실시예 2

실시예 2에서, 혼합된 액체 샘플을 실시예 1에 기술된 바와 같이 같은 방법으로 분리했다. 혼합된 액체 샘플에 대한 연속적인 폭기를 샘플이 분리를 유지하는 기간에 걸쳐 유지시켰다. 폭기 속도는 샘플에서 용존산소 농도 수준이 생물학적 탄소성 영양물과 암모니아 제거를 위해 요구되는 임계 값보다 크도록 선택했다. 산소 농도와 pH 변화를 도11에 도시된 바와 같이 용존산소 프로브와 pH 프로브로 모니터했다.

소량의 혼합된 액체를 분리된 샘플로부터 주기적으로 회수하여 암모니아 농도를 분석했다. 도12는 샘플이 분리되는 전체 폭기 기간 동안 pH와 암모니아 농도변화를 도시한 것이다. 질화의 종료(암모니아 농도가 검출 수준 즉, 0.1ppm보다 낮은)는 pH값의 느린 증가에 의해 이루어졌다.

시간에 대한 pH의 도함수인 d(pH)/dt를 플롯하고 도12에 도시했다. 암모니아 농도가 0에 접근할 때 d(pH)/dt의 값은 제2의 0 지점을 통과했다. 제2의 0 지점에서와 같이 d(pH)/dt의 특징은 d(pH)/dt가 음의 값에서 0으로 변화하는 지점으로서도 언급될 수 있다. 이 지점에 해당하는 시간은 혼합된 액체의 질화완료시간 또는 NT로 정의된다. 실시예 2에서 도12에 도시된 바와 같이 NT는 약 75분으로 측정된다. 실시예 2에서 d(pH)/dt 측정은 실시예 1에서와 다르다. 실시예 1에서는 d(pH)/dt를 비폭기 기간동안 측정한 반면에 실시예 2에서는 d(pH)/dt를 연속적인 폭기와 함께 측정했다. 혼합된 액체로부터 CO₂의 연속적인 제거 때문에 pH 측정에서 pH 감소를 나타내는 것이 가능하다. 따라서, pHPR이 때때로 음의 값이다.

도13은 같은 샘플의 용존산소 프로파일과 이의 도함수 d(DO)/dt를 도시하고 있다. 암모니아가 소비됨에 따라 DO의 제1도함수 d(DO)/dt의 값은 크게 증가하기 시작했다. DO로부터 측정된 질화시간(NT)값도 약 75분이었다.

생물학적 질화 과정의 조절에 있어서 NT 측정의 실제적인 적용이 하기에 기술된다. 생물학적 질화 처리가 발생하는 생물반응기 또는 일련의 생물반응기들에 샘플링 장치가 생물반응기 처음 부분 또는 일렬 중에 제1생물반응기의 앞에 장치된다. 측정된 NT는 현재 생물량 농도와 암모니아 적재량에서 질화를 완료하기 위한 시간인 NT가 걸릴 것이라는 것을 나타낸다.

생물반응기 또는 일련의 생물반응기에 있는 혼합된 액체의 유압유지시간(HRT)은 혼합된 액체의 유속과 흐름 패턴 및 생물반응기 또는 일련의 생물반응기의 배치를 고려하여 계산된다. NT를 혼합된 액체의 유압유지시간과 비교한다. 적당한 질화 과정이 매일 작업에서 비교할만한 값의 NT와 HRT를 갖는다. NT가 HRT보다 매우 작을 때 질화는 주어진 HRT보다 먼저 생물반응기 또는 일련의 생물반응기에서 종료하는데 이는 공정이 여분의 질화능력을 갖는다는 것을 의미한다. 다른 오염물이 암모니아가 완전히 질화되기 전에 제거되는 경우 NT 검출은 폐수처리 공정의 종료를 나타낸다. 이는 그 공정이 같은 작업조건 하에서 주어진 탱크설비부피로 보다 많은 폐수를 처리할 수 있거나 그 공정이 작업 시 탱크 부피를 감소시키고 작동 비용을 약간 절감할 수 있다는 것을 나타낸다.

한편, NT가 HRT보다 길다면 암모니아 농도는 0보다 크지만 유출 한계점보다 반드시 높지는 않다. 공장 배출물질을 보장하기 위해 생물반응기에 대한 폭기 속도 및/또는 혼합된 액체 농도가 증가한다. NT가 연장된 기간동안 HRT보다 클 경우 이는 공정이 암모니아 제거와 관련하여 과부하되고 처리 설비가 주어진 양의 폐수를 처리하기 위해 쉽게 확장될 것이다.

일반적으로 NT와 HRT를 비교함으로써 공정의 질화 능력, 생물반응기 또는 일련의 생물반응기에 대해 요구되는 폭기속도 및 생물반응기로부터 폐기물 성질과 같은 정보가 측정되어 질화 공정의 조절을 위한 설비작업자에게 보내진다.

본 발명은 제한되지는 않지만 폐수정화(도시, 산업 등), 약제학적/생물기술학 제조, 양조, 발효 또는 미생물의 순수하거나 혼합된 군을 포함하는 다른 과정을 포함하는 어떤 종류의 미생물 처리에도 제공될 수 있다.

Claims

a) 유체 공급원으로부터 유체샘플을 분리하는 단계;

b) 선택된 시간 간격으로 상기 유체샘플의 pH를 측정하는 단계;

c) pH 변화를 분석하여 상기 유체샘플에 대한 pH 변화율을 측정하는 단계;

d) 상기 pH 측정과 거의 동시에 선택된 시간 간격으로 상기 유체샘플의 용존 산소량을 측정하는 단계; 및

e) 용존산소 변화를 분석하여 상기 유체샘플에 대한 생물학적 산소 소비율을 측정하는 단계;

를 포함하는, 미생물 군을 갖는 유체 공급원에서 미생물학적 처리과정을 모니터하는 방법.
제1항에 있어서, pH 변화를 분석하여 상기 pH 변화율을 측정하는 단계가 하기 식에 의해 수행되는 방법.

pHPR = (dpH)/(dt)

여기서, pHPR은 상기 pH 변화율이고, dpH는 pH 변화이며, dt는 시간 변화이고, dpH와 dt는 모두 0에 접근한다.
제1항에 있어서, pH와 용존산소의 측정이 실질상 연속적인 방법.
제1항에 있어서, 용존산소 변화를 분석하여 생물학적 산소 소비율을 측정하는 것이 하기 식에 의해 수행되는 방법.

BOCR=(dDO)/(dt)

여기서 BOCR은 상기 생물학적 소비율이고, dDO는 용존산소 변화이며, dt는 시간 변화이고, dDO와 dt는 모두 0에 접근한다.
제1항에 있어서, 선택된 시간 간격으로 b)단계부터 e)단계를 반복하는 단계; 및 새로 측정된 pH 변화율 및 생물학적 산소 소비율을 이미 측정된 pH 변화율과 생물학적 산소 소비율과 비교하는 단계;를 더 포함하는 방법.
제5항에 있어서, 상기 새롭게 측정된 pH 변화율 및 생물학적 산소 소비율을 이미 측정된 pH 변화율 및 생물학적 산소 소비율을 비교하는 것이 상기 유체 공급원의 유기 및 무기화합물의 수준이 각각의 2K_s 농도보다 크거나 적은지를 측정하는 것인 방법.
제1항에 있어서, 상기 pH 변화율, 상기 생물학적 산소 조절률의 변화, 또는 상기 pH 변화율과 상기 생물학적 산소 조절률의 변화에 대한 응답으로 조절 단계를 수행하는 단계를 더 포함하는 방법.
제7항에 있어서, 상기 유체 공급원이 폭기되고 유체 공급원 처리 흐름을 가지며, 상기 조절단계는 상기 유체 공급원의 폭기를 증가시키기, 상기 유체 공급원의 폭기를 감소시키기, 상기 유체 공급원 처리 흐름을 증가시키기, 및 상기 유체 공급원 처리 흐름을 감소시키기로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 처리인 방법.
제7항에 있어서, 기질 첨가의 공급 프로토콜이 상기 미생물 군을 위해 유지되며, 상기 조절 단계가 상기 기질 첨가를 다양화하는 것을 포함하는 방법.
제7항에 있어서, 상기 미생물학적 처리가 소정의 대사산물을 생성하며, 상기 조절 단계가 상기 유체 공급원으로부터 상기 대사산물의 분리, 상기 대사산물의 수집, 및 상기 대사산물의 정화로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 단계인 방법.
제1항에 있어서, 상기 유체 샘플의 분리 단계가 원위치에서 수행되는 방법.
제1항에 있어서, pH와 용존산소량을 측정하는 단계 전에 유체샘플이 소정의 용존산소 함량을 함유하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 유체샘플이 유체샘플 챔버에서 분리되며, 상기 유체샘플 챔버는 공기, 산소, 또는 공기와 산소를 상기 유체샘플에 공급할 수 있는 통풍기 및 샘플 교반기를 포함하는 방법.
제13항에 있어서, 상기 샘플이 상기 샘플용기에 분리되고 상기 샘플의 용존 산소와 pH가 상기 샘플이 연속적으로 교반되는 동안 연속적으로 측정되는 전체 기간동안, 상기 유체샘플을 상기 통풍기로 폭기하는 단계를 더 포함하는 방법.
제13항에 있어서, 상기 유체샘플의 pH와 용존산소량을 측정하는 단계 전에, 상기 유체샘플이 소정 포화수준의 용존산소를 함유할 때까지 상기 유체샘플을 상기 통풍기로 폭기하는 단계; 및 상기 유체샘플의 pH와 용존산소량을 측정하는 단계 중에, 주기적으로 또한 연속적으로 상기 샘플을 상기 교반기로 교반하는 단계;를 더 포함하는 방법.
제1항에 있어서, 폐수정화, 약제학적 제조 및 양조로 이루어진 그룹으로부터 선택된 미생물학적 처리에 적용되는 방법.
a) 유체 공급원으로부터 유체샘플을 분리하는 단계;

b) 선택된 시간 간격으로 상기 유체샘플의 pH를 측정하는 단계;

c) pH 변화를 분석하여 상기 유체샘플의 pH 생성률을 측정하는 단계;

d) 상기 pH 생성률이 1) 음의 값에서 0으로 변할 때, 2) 두 번째로 0으로 변할 때, 또는 3) 음의 값에서 0으로 변할 때와 두 번째로 0으로 변할 때를 측정하는 단계; 및

e) 상기 측정으로부터의 결과를 표시하는 단계;

를 포함하는, 미생물 군을 갖는 유체 공급원에서의 미생물학적 처리를 모니터하는 방법.
제17항에 있어서, pH 변화를 분석하여 상기 pH 변화율을 측정하는 것이 하기 식에 의해 수행되는 방법.

pHPR = (dpH)/(dt)

여기서, pHPR은 상기 pH 변화율이고, dpH는 pH 변화이며, dt는 시간 변화이고, dpH와 dt는 모두 0에 접근한다.
제17항에 있어서, pH를 측정하는 것이 실질상 연속적인 방법.
제17항에 있어서,

f) 상기 pH 측정과 실질상 동시에 선택된 시간 간격으로 상기 유체샘플의 용존산소량을 측정하는 단계; 및

g) 용존산소 변화를 분석하여 상기 유체샘플에 대한 생물학적 산소 소비율을 측정하는 단계;를 더 포함하는 방법.
제20항에 있어서, 용존산소 변화를 분석하여 생물학적 산소 소비율을 측정하는 것이 하기 식에 의해 수행되는 방법.

BOCR = (dDO)/(dt)

여기서 BOCR은 상기 생물학적 소비율이고, dDO는 용존산소 변화이며, dt는 시간 변화이고, dDO와 dt는 모두 0에 접근한다.
제17항에 있어서, 선택된 시간 간격으로 a) 단계에서 e)단계를 반복하는 단계; 및 새로 측정된 pH 생성률을 이미 측정된 pH 생성률과 비교하는 단계;를 더 포함하는 방법.
제20항에 있어서, 선택된 시간 간격으로 a) 단계에서 g) 단계를 반복하는 단계; 및 새로 측정된 pH 생성률 및 생물학적 산소 소비율을 이미 측정된 pH 생성률 및 생물학적 산소 소비율과 비교하는 단계;를 더 포함하는 방법.
제17항에 있어서, 상기 pH 생성률 변화에 대한 응답으로 조절 단계를 수행하는 단계를 더 포함하는 방법.
제24항에 있어서, 상기 유체 공급원이 폭기되고 유체 공급원 처리 흐름을 가지며, 상기 조절 단계는 상기 유체 공급원의 폭기를 증가시키기, 상기 유체 공급원의 폭기를 감소시키기, 상기 유체 공급원 처리 흐름을 증가시키기, 및 상기 유체 공급원 처리흐름을 감소시키기로 이루어진 그룹으로부터 선택된 최소한 하나의 처리인 방법.
제24항에 있어서, 상기 조절 단계가 샘플분리와 상기 음의 값에서 0으로 변하거나, 두 번째로 0으로 변하거나, 또는 상기 음의 값에서 0으로 변하고 두 번째로 0으로 변하는 pH 생성률 사이의 경과된 시간에 따라 질화시간을 측정하는 단계, 상기 유체 공급원에서 유압유지시간을 측정하는 단계, 및 상기 유압유지시간에 대한 상기 질화시간을 비교하는 단계를 포함하는 방법.
제26항에 있어서, 상기 조절단계가 유체 공급원에 유체 투입률을 증가시키거나 상기 질화시간이 상기 유압유지시간보다 적을 때 유체 공급원에 대한 폭기속도를 감소시키거나 또는 상기 질화시간이 상기 유압유지시간 보다 클 때 유체 공급원의 폭기속도를 증가시키는 것을 포함하는 방법.
제17항에 있어서, 상기 유체 샘플의 분리 단계가 원위치에서 수행되는 방법.
제20항에 있어서, pH와 용존산소량을 측정하는 상기 단계 전에, 유체샘플이 0-100% 포화의 용존산소 함량을 함유하는 방법.
제17항에 있어서, 상기 유체샘플이 유체샘플 챔버에서 분리되며, 상기 유체 샘플 챔버는 공기, 산소, 또는 공기와 산소를 상기 유체샘플에 공급할 수 있는 통풍기 및 샘플 교반기를 포함하는 방법.
제30항에 있어서, 상기 유체샘플의 pH를 측정하는 단계 전에, 샘플이 분리될 때 샘플이 용존산소 수준보다 높은 수준으로 상기 유체샘플이 용존산소를 함유할 때까지 상기 유체샘플을 상기 통풍기로 폭기하는 단계; 및 상기 유체샘플의 pH를 측정하는 단계 중에, 주기적으로 또는 연속적으로 상기 샘플을 상기 교반기로 교반하는 단계;를 더 포함하는 방법.
제17항에 있어서, 폐수정화, 약제학적 제조 및 양조로 이루어진 그룹으로부터 선택된 미생물학적 처리에 적용되는 방법.
제32항에 있어서, 상기 샘플이 상기 샘플용기에 분리되고 상기 샘플의 용존 산소와 pH가 상기 샘플이 연속적으로 교반되는 동안 연속적으로 측정되는 전체 기간동안, 상기 유체샘플을 상기 통풍기로 폭기하는 단계를 더 포함하는 방법.
제17항에 있어서, 상기 유체샘플을 실질상 연속적으로 폭기하는 단계를 더 포함하는 방법.
a) 유체 공급원으로부터 유체샘플을 분리하는 단계;

b) 선택된 시간 간격으로 상기 유체샘플의 pH를 측정하는 단계;

c) pH 변화를 분석하여 상기 유체샘플에 관한 pH 생성률을 측정하는 단계;

d) 상기 pH 생성률이 1) 음의 값에서 0으로 변할 때, 2) 두 번째로 0으로 변할 때, 또는 3) 음의 값에서 0의 변할 때와 두 번재로 0으로 변할 때를 측정하는 단계; 및

e) pH 생성률 변화에 대한 응답으로 조절 단계를 수행하는 단계;

를 포함하며,

상기 조절 단계가,

f) 샘플 분리와 음의 값에서 0으로 변하거나, 두 번째로 0으로 변하거는, 또는 음의 값에서 0으로 변하고 두 번째로 0으로 변하는 pH 생성률 사이의 경과된 시간에 따른 질화시간을 측정하는 단계;

g) 상기 유체 공급원의 유압유지시간을 측정하여 상기 유압 유지시간과 상기 질화시간을 비교하는 단계; 및

h) 유체 공급원에 유체 투입률을 증가시키거나, 상기 질화시간이 상기 유압 유지 시간보다 짧을 때 유체 공급원의 폭기속도를 감소시키거나, 상기 질화시간이 상기 유압 유지시간보다 길 경우 유체 공급원의 폭기속도를 증가시키는 단계;

를 포함하는, 미생물 군을 갖는 유체 공급원의 미생물학적 처리를 모니터하고 조절하는 방법.