RU2192474C2

RU2192474C2 - Method of monitoring of microbiological process in flow of liquid (versions)

Info

Publication number: RU2192474C2
Application number: RU98115841/13A
Authority: RU
Inventors: Дзин ЯН (US); Дзин Ян; Джо Фан ЛИ (US); Джо Фан Ли; Сергей К. МАНЕШИН (US); Сергей К. Манешин; Терренс Дж. МА (CA); Терренс Дж. Ма
Original assignee: БАЙОКЕМ ТЕКНОЛОДЖИ, Инк.
Priority date: 1996-01-22
Filing date: 1997-01-22
Publication date: 2002-11-10
Also published as: AU1833697A; KR100499830B1; EP0877922A4; JP2000504215A; NO983360D0; CA2243190A1; CA2243190C; NZ331036A; KR19990081969A; AU710378B2; WO1997026525A1; BR9707013A; CN1212053A; MY129784A; NO983360L; AR005521A1; CN1138855C; EP0877922A1

Abstract

FIELD: pharmaceutical and biotechnological processes; cleaning of sewage; fermentation processes. SUBSTANCE: proposed method includes measurement of pH and amount of oxygen dissolved in specimen of liquid within definite periods of time. Then, rate of change of pH and rate of biological consumption of oxygen are determined. Significant transition points are then noted metabolically to determine state of microbe populations and content of organic and inorganic agents contained in specimen or nitrification time is determined. EFFECT: extended field of application; reduced labor consumption; enhanced efficiency of monitoring. 22 cl, 13 dwg, 2 ex

Description

Изобретение относится к способу мониторинга" метаболически значимых переходных точек во время микробного метаболизма органических и неорганических веществ и регулирования микробиологического процесса. The invention relates to a method for monitoring "metabolically significant transition points during the microbial metabolism of organic and inorganic substances and regulating the microbiological process.

СУЩЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Микробное использование органических и неорганических веществ в метаболических процессах может привести к определяемым изменениям в измеряемых параметрах, таких как рН и скорости расхода кислорода.EXISTING BACKGROUND
Microbial use of organic and inorganic substances in metabolic processes can lead to detectable changes in the measured parameters, such as pH and oxygen flow rates.

Если нитрификация является доминирующей реакцией в микробной культуре, можно ожидать, что получение ионов водорода (Н⁺) в процессе нитрификации будет значительно снижаться после уменьшения количества используемого обычно аммония (NH₄ ⁺) ниже определенного метаболически критического уровня. Следовательно, можно ожидать, что активность ионов водорода в растворе, т.е. рН, также изменится.If nitrification is the dominant reaction in microbial culture, it can be expected that the production of hydrogen ions (H ⁺ ) during the nitrification process will significantly decrease after the amount of commonly used ammonium (NH ₄ ⁺ ) is lower than a certain metabolically critical level. Therefore, it can be expected that the activity of hydrogen ions in solution, i.e. pH will also change.

Подобным образом, ожидается, что расход кислорода микробной культуры будет выше в том случае, когда в наличии имеется большое количество экзогенных органических веществ, чем в случае, когда количество этих веществ будет ниже определенного метаболически значимого уровня. В обоих случаях измеряемая скорость изменения рН, которая далее иногда указывается как "скорость получения рН" или "pHPR", и расход кислорода, который далее иногда указывается как "скорость биологического потребления кислорода" или "BOCR", будет непосредственно определяться скоростью метаболизма вещества на протяжении времени. Таким образом, если допустить, что изменения рН и потребления кислорода в среде являются результатом только микробной метаболической активности, pHPR и BOCR теоретически могут быть использованы для обозначения метаболически значимых переходных точек в микробиологическом процессе. pHPR определяется как d(pH)/dt или -Δ(pH)/Δt, а BOCR определяется как d(DO)/dt или -Δ(DO)/Δt. Отрицательное приращение рН и/или DO имеет своим результатом измерение положительной pHPR и/или BOCR. Similarly, the oxygen consumption of a microbial culture is expected to be higher when a large amount of exogenous organic substances are available than when the amount of these substances is below a certain metabolically significant level. In both cases, the measured rate of change of pH, which is sometimes referred to as the "rate of pH production" or "pHPR", and the oxygen consumption, which is sometimes referred to as the "rate of biological oxygen consumption" or "BOCR", will be directly determined by the metabolic rate of the substance over time. Thus, assuming that changes in pH and oxygen consumption in the medium are the result of only microbial metabolic activity, pHPR and BOCR can theoretically be used to indicate metabolically significant transition points in the microbiological process. pHPR is defined as d (pH) / dt or -Δ (pH) / Δt, and BOCR is defined as d (DO) / dt or -Δ (DO) / Δt. A negative increment in pH and / or DO results in a measurement of positive pHPR and / or BOCR.

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Способ изобретения включает в себя выделение образца жидкости из источника жидкости, например, сточных вод, в процессе очистки. pHPR рассчитывается путем измерений рН образца жидкости, и анализируется для быстрого определения возникновения метаболически значимых переходных точек. Анализ показывает, какие этапы регулирования требуются и когда они должны быть осуществлены, чтобы обеспечить максимальную эффективность процесса, подвергаемого мониторингу.SUMMARY OF THE INVENTION
The method of the invention includes the extraction of a sample of liquid from a source of liquid, for example, wastewater, during the cleaning process. pHPR is calculated by measuring the pH of a liquid sample and analyzed to quickly determine the occurrence of metabolically significant transition points. The analysis shows which regulatory steps are required and when they should be implemented in order to maximize the effectiveness of the process being monitored.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 графически представляет теорию реакционной кинетики Микэлиса-Ментена.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
FIG. 1 graphically represents Mikelis-Menten's theory of reaction kinetics.

На фиг. 2 представлен график теоретической зависимости скорости потребления кислорода (BOCR) и скорости изменений рН (pHPR) образца смешанной жидкости как концентраций аммония (NH₄ ⁺) и органических углеродистых материалов, совместно называемых BOD (биохимическая потребность в кислороде), от времени в микробиологическом процессе.In FIG. Figure 2 shows a graph of the theoretical dependence of the oxygen consumption rate (BOCR) and the rate of change of pH (pHPR) of a mixed fluid sample as concentrations of ammonium (NH ₄ ⁺ ) and organic carbon materials, collectively called BOD (biochemical oxygen demand), versus time in the microbiological process.

На фиг. 3 представлен график теоретической зависимости скорости потребления кислорода (BOCR) и скорости изменений рН (pHPR) образца смешанной жидкости как концентраций аммония (NH₄ ⁺) и органических углеродистых материалов, совместно называемых BOD (биохимическая потребность в кислороде), от времени в микробиологическом процессе.In FIG. Figure 3 shows a graph of the theoretical dependence of the oxygen consumption rate (BOCR) and the rate of change of pH (pHPR) of a mixed fluid sample as concentrations of ammonium (NH ₄ ⁺ ) and organic carbon materials, collectively called BOD (biochemical oxygen demand), versus time in the microbiological process.

На фиг.4 схематически показана вертикальная проекция устройства по одному варианту осуществления изобретения, которое может быть использовано для выделения и мониторинга образца жидкости из потока жидкости в емкости биореактора в соответствии с данным изобретением. Figure 4 schematically shows a vertical projection of a device according to one embodiment of the invention, which can be used to isolate and monitor a liquid sample from a liquid stream in a bioreactor vessel in accordance with this invention.

Фиг.5 графически иллюстрирует взаимозависимость между скоростью изменения количества кислорода в период между прекращением и началом аэрации и BOCR, выраженной как процентное изменение в кислородном насыщении в минуту. Figure 5 graphically illustrates the relationship between the rate of change of the amount of oxygen between the cessation and the start of aeration and BOCR, expressed as a percentage change in oxygen saturation per minute.

Фиг. 6 графически иллюстрирует взаимозависимость между изменением рН в период между прекращением и началом аэрации и pHPR, выраженной как изменение рН в минуту при изменении концентрации аммиака. FIG. 6 graphically illustrates the relationship between the change in pH between the cessation and the start of aeration and pHPR, expressed as a change in pH per minute with a change in ammonia concentration.

Фиг.7 графически отображает взаимозависимость между pHPR, выраженной как изменение рН в минуту, и концентрацией аммиака, где COD не является метаболически ограничивающим фактором. 7 graphically displays the relationship between pHPR, expressed as the change in pH per minute, and the concentration of ammonia, where COD is not a metabolically limiting factor.

Фиг.8 графически отображает взаимозависимость между BOCR, выраженной как процентное изменение в кислородном насыщении в минуту, и концентрацией аммиака, где COD не является метаболически ограничивающим фактором. 8 graphically depicts the relationship between BOCR, expressed as a percentage change in oxygen saturation per minute, and ammonia concentration, where COD is not a metabolic limiting factor.

Фиг. 9 показывает изменение pHPR, выраженной как изменение рН в минуту, при различных условиях наличия аммиака и COD. FIG. 9 shows a change in pHPR, expressed as a change in pH per minute, under various conditions of the presence of ammonia and COD.

Фиг.10 показывает взаимозависимость между pHPR, выраженной как изменение рН в минуту, BOCR, выраженной как процентное изменение в кислородном насыщении в минуту, концентрацией аммиака и COD при различных условиях наличия аммиака и COD. Figure 10 shows the relationship between pHPR, expressed as a change in pH per minute, BOCR, expressed as a percentage change in oxygen saturation per minute, the concentration of ammonia and COD under various conditions of the presence of ammonia and COD.

Фиг. 11 представляет собой график изменения DO и рН относительно времени при постоянной аэрации. FIG. 11 is a graph of DO and pH versus time with constant aeration.

Фиг. 12 представляет собой график рН, концентрации NH₃-N и d(pH)/dt относительно времени.FIG. 12 is a graph of pH, NH ₃ —N and d (pH) / dt concentrations versus time.

Фиг.13 представляет собой график DO и d(DO)/dt относительно времени. 13 is a graph of DO and d (DO) / dt versus time.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Механическая скорость, с которой происходят биохимические реакции, может быть частично описана посредством теории Микэлиса-Ментена, как это проиллюстрировано на фиг.1. Согласно этой теории скорость биохимической реакции является очень низкой при очень низких концентрациях вещества, но скорость возрастает с ростом концентрации вещества до такой точки, выше которой она будет возрастать незначительно, независимо от величины роста концентрации вещества. Другими словами, независимо от того, на сколько увеличится концентрация вещества выше этой точки, скорость реакции приблизится, но никогда не достигнет пологого участка кривой. Этот пологий участок представляет собой максимальную скорость реакции или V_max. Это линейная экстраполяция, соответствующая концентрации вещества, равной 2K_s. K_s является концентрацией вещества, при которой скорость метаболической реакции составляет половину максимальной скорости реакции (V_max).SUMMARY OF THE INVENTION
The mechanical rate at which biochemical reactions occur can be partially described using the Mikelis-Menten theory, as illustrated in FIG. According to this theory, the biochemical reaction rate is very low at very low concentrations of the substance, but the rate increases with increasing concentration of the substance to a point above which it will increase slightly, regardless of the magnitude of the increase in the concentration of the substance. In other words, no matter how much the concentration of a substance increases above this point, the reaction rate will approach, but never reach a gentle portion of the curve. This gentle portion represents the maximum reaction rate or V _max . This is a linear extrapolation corresponding to a substance concentration of 2K _s . K _s is the concentration of the substance at which the metabolic reaction rate is half the maximum reaction rate (V _max ).

Отсюда следует, что, исходя из метаболической перспективы, 2K_s является значимой концентрацией вещества. Микробный метаболизм вещества продолжается при концентрации выше 2K_s при максимальной и почти постоянной скорости. Скорость метаболической реакции может становиться переменной и ограниченной наличием вещества менее 2K_s. Следовательно, можно ожидать изменений некоторых измеряемых параметров, непосредственно зависящих и связанных со скоростью микробного метаболизма конкретных неорганических и органических веществ, в связи с изменениями концентрации конкретных веществ. Характерно, что при концентрации вещества, равной или более чем 2K_s, ожидается, что зависимый измеряемый параметр и/или измеряемая скорость изменения этого параметра на протяжении времени будут относительно постоянными. Когда концентрация вещества снижается до уровня ниже 2K_s, ожидается, что зависимый измеряемый параметр и/или измеряемая скорость изменения этого параметра на протяжении времени будут значительно отличаться от величин, измеренных при концентрации вещества, равной или выше 2K_s.It follows that, from a metabolic perspective, 2K _s is a significant concentration of the substance. Microbial metabolism of a substance continues at a concentration above 2K _s at a maximum and almost constant speed. The metabolic reaction rate can become variable and limited by the presence of a substance of less than 2K _s . Therefore, one can expect changes in some measured parameters that are directly dependent on and related to the rate of microbial metabolism of specific inorganic and organic substances, due to changes in the concentration of specific substances. It is characteristic that at a substance concentration equal to or more than 2K _s , it is expected that the dependent measured parameter and / or the measured rate of change of this parameter over time will be relatively constant. When the concentration of a substance decreases to below 2K _s , it is expected that the dependent measured parameter and / or the measured rate of change of this parameter over time will differ significantly from the values measured at a concentration of the substance equal to or higher than 2K _s .

Для многих биологических реакций желательно определить точку, при которой концентрация конкретных веществ становилась ниже этой метаболически значимой концентрации 2K_s. Возможно определять изменения в модели метаболического поведения микробной культуры путем мониторинга изменений в определенных зависимых измеряемых параметрах при изменении концентраций определенных органических и неорганических веществ.For many biological reactions, it is desirable to determine the point at which the concentration of specific substances became lower than this metabolically significant concentration of 2K _s . It is possible to determine changes in the metabolic behavior model of a microbial culture by monitoring changes in certain dependent measured parameters when changing concentrations of certain organic and inorganic substances.

Например, во многих процессах очистки сточных вод требуется снизить концентрации некоторых органических и неорганических веществ до очень низких уровней. Эти вещества обычно включают в себя такие органические вещества, которые в целом могут рассматриваться и измеряться как BOD (биохимическая потребность в кислороде) и/или COD (химическая потребность в кислороде), и неорганический аммоний (NH₄ ⁺). Допуская, что реакция нитрификации и реакция сокращения BOD/COD являлись двумя наиболее доминирующими реакциями, можно ожидать характерных изменений как в скорости потребления кислорода (BOCR), так и в скорости изменения рН (pHPR), так как BOD и содержание аммиака стали ниже их соответствующих значений 2К_s.For example, in many wastewater treatment processes, it is required to reduce the concentrations of certain organic and inorganic substances to very low levels. These substances usually include organic substances that can be generally considered and measured as BOD (biochemical oxygen demand) and / or COD (chemical oxygen demand), and inorganic ammonium (NH ₄ ⁺ ). Assuming that the nitrification reaction and the BOD / COD reduction reaction were the two most dominant reactions, one can expect characteristic changes both in the rate of oxygen consumption (BOCR) and in the rate of change of pH (pHPR), since BOD and ammonia content became lower than their respective values of 2K _s .

Недостатком использования BOCR или pHPR как контрольных параметров является то, что в длительном процессе очистки сточных вод изменения рН и DO в жидкой среде зависят от многих факторов, таких как концентрация питательных веществ (биологически разлагающихся углеродсодержащих, азотистых, фосфористых соединений и т.п.), концентрация биомассы, щелочность и т.п. Эти факторы постоянно изменяются, пока сточные воды проходят через очистное оборудование. Следовательно, трудно устанавливать взаимосвязь между измеряемыми параметрами и осуществлением очистки сточных вод вследствие взаимной зависимости слишком многих неизвестных и постоянно меняющихся факторов. Если только эти взаимовлияющие факторы не могут быть либо определены, либо поддерживаться на постоянном уровне при измерении рН и DO, измерения pHPR и BOCR не обеспечат получение более ценной информации по осуществлению обработки сточных вод. The disadvantage of using BOCR or pHPR as control parameters is that in a long process of wastewater treatment, changes in pH and DO in a liquid medium depend on many factors, such as the concentration of nutrients (biodegradable carbon-containing, nitrogenous, phosphorous compounds, etc.) , biomass concentration, alkalinity, etc. These factors are constantly changing as wastewater flows through the treatment equipment. Therefore, it is difficult to establish the relationship between the measured parameters and the implementation of wastewater treatment due to the interdependence of too many unknown and constantly changing factors. Unless these mutually influencing factors can either be determined or maintained at a constant level when measuring pH and DO, pHPR and BOCR measurements will not provide more valuable information on the implementation of wastewater treatment.

Использование устройства для определения биологической активности, описанного в патенте США 5466604, позволяет осуществлять выделение in situ образцов сточных вод из основного объема сточных вод при их очистке. Конечно, могут быть использованы и другие устройства в соответствии с этим изобретением. Термин "in situ" также используется здесь для описания любого способа выделения образца жидкости в реальном масштабе времени, независимо от того, остается ли образец в основном объеме жидкости, например сточных водах. Другими словами, может быть использовано устройство, которое физически удаляет образец (образцы) из основного объема жидкости на такой период времени, что измерения могут быть произведены, в сущности, "в реальном масштабе времени" и "в оперативном режиме". Using a device for determining the biological activity described in US Pat. No. 5,466,604 allows in situ isolation of wastewater samples from the main volume of wastewater during treatment. Of course, other devices in accordance with this invention may be used. The term “in situ” is also used here to describe any method for isolating a sample of a fluid in real time, regardless of whether the sample remains in the bulk of the fluid, such as wastewater. In other words, a device can be used that physically removes the sample (s) from the bulk of the liquid for such a period of time that the measurements can be made, in essence, "in real time" and "on-line".

Теоретические ответные реакции BOCR и pHPR на изменения концентрации BOD и аммиака (NH₄ ⁺) показаны на фиг.2 и 3 и описаны ниже. На фигурах графически представлены ответные реакции единственного образца смешанной жидкости (т.е. сточных вод) и микробов для биологического отделения питательных веществ (BNR), выделенного из основного объема сточных вод. Выделенный образец альтернативно подвергается и не подвергается аэрации. Аэрация начинается и продолжается, пока не достигается уровень растворенного кислорода, который с некоторым запасом выше, чем уровень DO в основном объеме сточных вод. По достижении этого уровня аэрация останавливается и начинается только тогда, когда уровень растворенного кислорода в образце достигает уровня, который с некоторым запасом ниже уровня DO в основном объеме сточных вод. В течение тех периодов, когда аэрация не осуществляется, BOCR, так и pHPR определяются и рассчитываются следующим образом:
BOCR = -(ΔDO)/(Δt),
где ΔDO эквивалентно изменению уровня насыщения растворенным кислородом, выраженному как процентное насыщение, измеренное на протяжении периода времени Δt и
pHPR = -(ΔpH)/(Δt),
где ΔpH эквивалентно изменению, наблюдаемому в рН на протяжении периода времени Δt.
Как показано в периоде А на фиг. 2 и 3, когда концентрация как NH4⁺, так и BOD, выше их соответствующих значений 2K_s, BOCR является постоянной на своем наивысшем относительном уровне, поскольку использование BOD продолжается при максимальных скоростях и преобладает над реакциями нитрификации с расходом кислорода. Таким образом, pHPR является постоянной на среднем уровне. Эта модель BOCR/pHPR, как и описанные выше, ожидается, если допустить, что 1) реакции нитрификации и использования BOD являются доминирующими реакциями в биологическом образце, 2) получение и активность водородных ионов связаны со скоростью реакции нитрификации, и 3) реакции не ограничены наличием кислорода.The theoretical responses of BOCR and pHPR to changes in the concentration of BOD and ammonia (NH ₄ ⁺ ) are shown in FIGS. 2 and 3 and are described below. The figures graphically represent the responses of a single sample of mixed fluid (i.e., wastewater) and microbes for biological separation of nutrients (BNR), isolated from the main volume of wastewater. The isolated sample is alternatively and does not undergo aeration. Aeration begins and continues until the level of dissolved oxygen is reached, which with some reserve is higher than the DO level in the main volume of wastewater. Upon reaching this level, aeration stops and begins only when the level of dissolved oxygen in the sample reaches a level that with some margin is lower than the DO level in the main volume of wastewater. During periods when aeration is not carried out, BOCR and pHPR are determined and calculated as follows:
BOCR = - (ΔDO) / (Δt),
where ΔDO is equivalent to the change in the level of saturation with dissolved oxygen, expressed as percentage saturation, measured over a period of time Δt and
pHPR = - (ΔpH) / (Δt),
where ΔpH is equivalent to the change observed in pH over a period of time Δt.
As shown in period A in FIG. 2 and 3, when the concentration of both NH4 ⁺ and BOD is higher than their respective values of 2K _s , BOCR is constant at its highest relative level, since the use of BOD continues at maximum speeds and prevails over nitrification reactions with oxygen consumption. Thus, pHPR is constant at an average level. This BOCR / pHPR model, as described above, is expected if 1) the nitrification and use of BOD are the dominant reactions in the biological sample, 2) the production and activity of hydrogen ions are related to the rate of the nitrification reaction, and 3) the reactions are not limited the presence of oxygen.

Впоследствии продолжающийся метаболизм сокращает содержание имеющегося NH₄ ⁺ ниже его значения 2K_s, и скорость нитрификации, получения водородных ионов падает с максимальной скорости до более низкой скорости, когда концентрация аммиака является метаболически ограничивающим фактором. Как показано в периоде В на фиг. 2, pHPR падает существенно до сравнительно низкого уровня, a BOCR падает до сравнительно среднего уровня, отображая сниженную потребность и расход кислорода, что обусловлено сравнительно более низкой скоростью реакции нитрификации. Изменение концентрации аммиака от значения выше 2K_s к значению ниже 2K_s изображено переходом между периодами А и В на фиг.2.Subsequently, continued metabolism reduces the content of available NH ₄ ⁺ below its value of 2K _s , and the rate of nitrification, production of hydrogen ions decreases from maximum speed to a lower speed when the concentration of ammonia is a metabolically limiting factor. As shown in period B in FIG. 2, pHPR drops significantly to a relatively low level, while BOCR drops to a relatively average level, reflecting reduced oxygen demand and consumption, due to the relatively lower nitrification reaction rate. The change in the concentration of ammonia from a value above 2K _s to a value below 2K _{s is} depicted by the transition between periods A and B in FIG. 2.

Период С на фиг.2 и 3 показывает, что когда концентрация имеющегося NH₄ ⁺ ниже его значения 2K_s, и после снижения BOD ниже его значения 2K_s, pHPR возрастает очень медленно, чтобы отражать изменение в чисто метаболическом поведении смешанной биологической популяции, и BOCR падает до своей самой низкой скорости, чтобы отражать очень низкий расход кислорода путем реакций с расходом BOD и нитрификации. Этот переход изображен между периодами В и С на фиг.2.Period C in FIGS. 2 and 3 shows that when the concentration of available NH ₄ ^{+ is} below its 2K _s , and after the BOD decreases below its 2K _s , the pHPR increases very slowly to reflect the change in the purely metabolic behavior of the mixed biological population, and BOCR drops to its lowest rate to reflect very low oxygen consumption through reactions with BOD consumption and nitrification. This transition is depicted between periods B and C in FIG. 2.

Период D на фиг. 3 показывает, что когда концентрация BOD ниже своей величины 2K_s, а концентрация NH₄ ⁺ выше своей величины 2K_s, pHPR возрастает до своего наивысшего уровня, отражая высокую скорость нитрификации, а BOCR падает до среднего уровня, отражая чистое снижение общего расхода кислорода, обусловленное реакциями со сниженным уровнем расхода BOD. Наивысшая pHPR наблюдается при этом условии, потому что буферные эффекты реакций с расходом BOD отсутствуют. Обычно получение CO₂ в реакциях с расходом BOD придает некоторые буферные свойства образцу посредством системы угольной кислоты. Таким образом, в отсутствие реакций с расходом BOD и получения вследствие этого CO₂, pHPR является гораздо большей, чем в других условиях.Period D in FIG. 3 shows that when the BOD concentration is lower than its 2K _s value and the NH ₄ ⁺ concentration is higher than its 2K _s value, pHPR rises to its highest level, reflecting a high nitrification rate, and BOCR drops to an average level, reflecting a net decrease in the total oxygen consumption, due to reactions with reduced BOD consumption. The highest pHPR is observed under this condition, because there are no buffering effects of reactions with BOD consumption. Typically, the production of CO ₂ in reactions with a BOD flow rate gives some buffering properties to the sample through a carbonic acid system. Thus, in the absence of reactions with the consumption of BOD and production of CO ₂ as a result, pHPR is much higher than under other conditions.

Возможно определить релевантную информацию относительно биологического образца на основании вышеприведенного примера путем мониторинга и сравнения тенденций и/или уровней BOCR и pHPR, потому что они представляют ключевые измеряемые, зависимые параметры микробной метаболической активности. Конкретно этот пример иллюстрирует, каким образом можно определить: 1) происходят ли нитрификация и удаление BOD одновременно при максимальных скоростях, 2) происходит ли нитрификация, когда BOD снизилась до уровней ниже своего значения 2K_s, 3) продолжаются ли реакции удаления BOD, когда количество аммиака снизилось до уровня ниже своего значения 2K_s, и 4) снизилось ли количество и аммиака и BOD до уровня ниже их соответствующих значений 2K_s.It is possible to determine relevant information about a biological sample based on the above example by monitoring and comparing trends and / or levels of BOCR and pHPR, because they represent key measurable, dependent parameters of microbial metabolic activity. Specifically, this example illustrates how to determine: 1) whether nitrification and removal of BOD occur simultaneously at maximum speeds, 2) whether nitrification occurs when BOD decreases to levels below its value 2K _s , 3) whether BOD removal reactions continue when ammonia decreased to below its 2K _s value, and 4) whether both ammonia and BOD decreased to below their respective 2K _s values.

Непосредственное и постоянное сравнение измеренных параметров BOCR и pHPR приводит к нескольким выводам относительно состояния сточных вод. Если образец смешанной жидкости подвергается постоянному мониторингу, и значительное увеличение pHPR происходит одновременно со снижением BOCR, это указывает на то, что BOD уменьшилась до уровня ниже своего соответствующего значения 2К_s, тогда как аммиака все еще много. Если образец смешанной жидкости подвергается постоянному мониторингу, и BOCR снижается до среднего уровня в то время, как pHPR снижается почти до нуля, это показывает, что содержание аммиака уменьшилось до уровня ниже его соответствующего значения 2K_s, тогда как BOD все еще является значительной. Если образец смешанной жидкости подвергается постоянному мониторингу, и BOCR уменьшается до низкого уровня и как pHPR уменьшается до низкого уровня, это указывает на то, что и содержание аммиака и BOD уменьшились до уровней ниже их соответствующих значений 2K_s. На это состояние также указывает снижение BOCR до низкого уровня и небольшое повышение pHPR от приблизительно нулевого уровня до чуть более высокого, но, в сущности, низкого уровня.A direct and continuous comparison of the measured parameters of BOCR and pHPR leads to several conclusions regarding the state of wastewater. If the mixed liquid sample is constantly monitored and a significant increase in pHPR occurs simultaneously with a decrease in BOCR, this indicates that the BOD has decreased to below its corresponding value of 2K _s , while ammonia is still a lot. If the mixed fluid sample is continuously monitored and the BOCR drops to an average level while the pHPR drops to almost zero, this indicates that the ammonia content has decreased to below its corresponding value of 2K _s , while the BOD is still significant. If the mixed fluid sample is continuously monitored and the BOCR decreases to a low level and as the pHPR decreases to a low level, this indicates that both the ammonia and BOD contents have decreased to levels below their respective values of 2K _s . This condition is also indicated by a decrease in BOCR to a low level and a slight increase in pHPR from approximately zero to a slightly higher, but essentially low level.

Таблица суммирует эти характеристики и иллюстрирует, как сравнение соответствующих значений и характеристик измеренных параметров BOCR и pHPR приводит к получению релевантной информации, описанной выше в связи с фиг.2 и 3. The table summarizes these characteristics and illustrates how comparing the corresponding values and characteristics of the measured BOCR and pHPR parameters yields the relevant information described above in connection with FIGS. 2 and 3.

На фиг.4 показан пример предпочтительного устройства, используемого для выделения образца сточных вод. Устройство 11, погруженное в ванну 2 (показана только ее часть) со сточной водой, включает в себя определительную камеру 8, имеющую подвижную крышку 32. Подвижная крышка 32 проталкивается в направлении стрелки "А" внутренним штоком 56, приводимым в действие стержнем Acme 57, соединенным с двигателем 53. В открытом положении вращение винта 48 обеспечивает обмен сточных вод в камере 8 между направлениями внутрь и наружу определительной камеры, и определительная камера 8 наполняется новым образцом сточных вод. Через заданный отрезок времени, например 30 секунд, запрограммированный двигатель 53 меняет направление вращения, подвижная крышка 32 подтягивается в направлении стрелки "В" до полного закрытия и герметизации определительной камеры 8. Подвижная крышка 32 и винт 48 приводится в движение тем же реверсивным низкоскоростным двигателем 53, который коаксиально соединяет внутренний шток 56 и внешний шток 55. Коаксиальное соединение заключено в трубу 54 из нержавеющей стали. 4 shows an example of a preferred device used to isolate a wastewater sample. The device 11, immersed in a bath 2 (only a part thereof is shown) with waste water, includes a detection chamber 8 having a movable cover 32. The movable cover 32 is pushed in the direction of arrow “A” by the inner rod 56 driven by the Acme 57, connected to the engine 53. In the open position, the rotation of the screw 48 allows the wastewater to be exchanged in the chamber 8 between the inward and outward directions of the detection chamber, and the detection chamber 8 is filled with a new wastewater sample. After a predetermined period of time, for example 30 seconds, the programmed motor 53 changes the direction of rotation, the movable cover 32 is pulled in the direction of arrow “B” until the detection chamber 8 is completely closed and sealed. The movable cover 32 and the screw 48 are driven by the same reversible low-speed motor 53 which coaxially connects the inner rod 56 and the outer rod 55. The coaxial connection is enclosed in a stainless steel pipe 54.

Концентрация DO определяется зондом (10) после наполнения определительной камеры 8 новым образцом сточных вод, и если DO меньше концентрации кислорода в основном объеме сточных вод на заданную резервную величину, воздух и/или кислород нагнетается в направлении определительной камеры 8 через аэрационную трубу 13 до достижения такой концентрации DO. Концентрация DO на уровне, который выше или ниже концентрации кислорода в основном объеме сточных вод на заданную резервную величину, обеспечит такие условия, что аэробные метаболические реакции внутри определительной камеры 8 будут такими же или близкими к процессу удаления питательных веществ в основном объеме сточных вод. Подобным образом зонд 12 рН определяет изменения в рН. Кроме того, винт 48 может периодически или постоянно вращаться для поддержания образца в хорошо перемешанном или взвешенном состоянии. The DO concentration is determined by the probe (10) after filling the detection chamber 8 with a new wastewater sample, and if DO is less than the oxygen concentration in the main volume of wastewater by a predetermined reserve value, air and / or oxygen is pumped towards the detection chamber 8 through the aeration pipe 13 until such a concentration of DO. The DO concentration at a level that is higher or lower than the oxygen concentration in the main volume of wastewater by a predetermined reserve value will provide such conditions that the aerobic metabolic reactions inside the detection chamber 8 will be the same or close to the process of removing nutrients in the main volume of wastewater. Similarly, a pH probe 12 detects changes in pH. In addition, screw 48 may rotate periodically or continuously to maintain the sample in a well-mixed or suspended state.

Аэрация в устройстве 11 прерывается на определенный интервал времени для измерений после достижения максимальной концентрации DO. В течение этого периода остаточная концентрация DO и рН, на которые в целом не влияет аэрация ванны со сточными водами, подвергаются мониторингу при помощи зондов. Сигналы об уровне рН и остаточном DO от соответствующих зондов 12 и 10 поступают к контроллерам, которые преобразуют изменения в DO относительно времени в BOCR, и изменения в рН относительно времени - в pHPR посредством численного дифференцирования в соответствии с вышеописанными уравнениями. Aeration in the device 11 is interrupted for a certain period of time for measurements after reaching the maximum concentration of DO. During this period, the residual concentration of DO and pH, which are not generally affected by aeration of the wastewater baths, are monitored using probes. Signals about the pH level and residual DO from the corresponding probes 12 and 10 are fed to the controllers, which convert the changes in DO relative to time into BOCR, and the changes in pH relative to time into pHPR by means of numerical differentiation in accordance with the above equations.

В большинстве установок для очистки сточных вод концентрация BOD и аммиака после окончательной очистки находится на уровне ниже значений 2K_s для BOD и NH₄ ⁺. Когда концентрация BOD и NH₄ ⁺ в определительной камере снижается до уровня ниже значений 2K_s, аэробные метаболические реакции для удаления питательных веществ считаются завершенными с значительными изменениями в значениях BOCR и pHPR. Завершение аэробных метаболических реакций для удаления питательных веществ может быть определено при помощи анализов BOCR и pHPR в соответствии с критериями, приведенными в таблице. Для других биологических процессов концентрации веществ в среде являются обычно значительно более высокими, чем значения 2K_s, для поддержания максимальной скорости и получения требуемого вещества. Таким образом, определение завершения метаболических реакций будет сигнализировать о необходимости добавления питательного вещества, или о времени прекращения биологического процесса, или о времени сбора определяемого вещества, полученного в ходе процесса.In most wastewater treatment plants, the concentration of BOD and ammonia after final treatment is below 2K _s for BOD and NH ₄ ⁺ . When the concentration of BOD and NH ₄ ⁺ in the detection chamber drops below 2K _s , the aerobic metabolic reactions to remove nutrients are considered complete with significant changes in BOCR and pHPR. The completion of aerobic metabolic reactions to remove nutrients can be determined using BOCR and pHPR assays in accordance with the criteria in the table. For other biological processes, the concentrations of substances in the medium are usually significantly higher than the values of 2K _s to maintain maximum speed and obtain the desired substance. Thus, the determination of the completion of metabolic reactions will signal the need to add a nutrient, or the time of termination of the biological process, or the time of collection of the analyte obtained during the process.

Информация об аэробных метаболических реакциях для удаления питательных веществ, такая как время завершения (NT) нитрификации, время денитрификации (DNT) и т. д., может быть использована для регулирования и контроля процесса очистки сточных вод и других аэробных метаболических процессов. Например, измеренное NT может сравниваться со средним временем гидравлического удержания сточных вод в аэротенке в установке для очистки сточных вод. Если NT значительно меньше, чем время гидравлического удержания HRT, аэробное удаление питательных веществ закончено в середине аэротенка. После этого остальная часть аэротенка находится, в сущности, в нерабочем состоянии и не участвует в процессе очистки сточных вод. В этом случае на установке могут быть предприняты должные меры, чтобы: (1) исключить некоторые части аэротенка из эксплуатации для экономии эксплуатационных затрат и/или (2) принимать больший объем сточных вод и эффективно увеличить производительность очистной установки, и/или (3) снизить количество воздуха, подающегося в аэротенк, для снижения скорости аэробных метаболических реакций, чтобы NT точно соответствовало HRT в аэротенке и уменьшало потребление энергии от нагнетательных вентиляторов. Information on aerobic metabolic reactions to remove nutrients, such as nitrification completion time (NT), denitrification time (DNT), etc., can be used to regulate and control wastewater treatment and other aerobic metabolic processes. For example, the measured NT can be compared with the average hydraulic retention time of wastewater in aeration tanks in a wastewater treatment plant. If NT is significantly less than the hydraulic retention time of HRT, aerobic nutrient removal is completed in the middle of the aeration tank. After this, the rest of the aeration tank is essentially inoperative and does not participate in the wastewater treatment process. In this case, appropriate measures can be taken at the installation in order to: (1) remove some parts of the aeration tank from operation to save operating costs and / or (2) take a larger volume of wastewater and effectively increase the capacity of the treatment plant, and / or (3) reduce the amount of air supplied to the aeration tank, to reduce the speed of aerobic metabolic reactions, so that NT exactly matches the HRT in the aeration tank and reduces the energy consumption from the blower fans.

ПРИМЕР 1
Образец смешанной жидкости, взятый из аэротенка усовершенствованной установки для биологической очистки сточных вод, расположенной в Оуксе, Пенсильвания, был выделен в резервуаре, оснащенном устройствами для измерения уровней рН и насыщения растворенным кислородом, а также устройствами для аэрации и поддержания образца в хорошо перемешанном состоянии. Данные от устройств, измеряющих уровни рН и насыщения растворенным кислородом, записывались и анализировались компьютером для расчета BOCR и pHPR. Затем попеременно чередовались определенные периоды времени, когда образец подвергали или не подвергали аэрации. Аэрация начиналась и продолжалась до тех пор, пока не достигался такой уровень растворенного кислорода, который был сравним с его уровнем в основном объеме сточных вод плюс определенный запас при выделении образца. Концентрации NH₄ ⁺ и растворимых углеродистых органических веществ измерялись и представлялись как COD. Существовала линейная корреляция между COD и BOD. Поэтому анализ COD использовался для отображения концентрации BOD. В периоды отсутствия аэрации, примеры которых обозначены стрелками на фиг.5 и 6, как BOCR, так и pHPR вычисляли и рассчитывали путем численного дифференцирования, как описано выше.EXAMPLE 1
A mixed fluid sample taken from the aeration tank of an advanced biological wastewater treatment plant located in Oaks, PA, was isolated in a tank equipped with devices for measuring pH levels and dissolved oxygen, as well as devices for aeration and maintaining the sample in a well mixed state. Data from devices that measure pH and dissolved oxygen saturation were recorded and analyzed by a computer to calculate BOCR and pHPR. Then, alternating periods of time alternating when the sample was subjected or not subjected to aeration. Aeration began and continued until a level of dissolved oxygen was reached that was comparable to its level in the main volume of wastewater plus a certain margin when the sample was isolated. The concentrations of NH ₄ ⁺ and soluble carbonaceous organic substances were measured and presented as COD. There was a linear correlation between COD and BOD. Therefore, COD analysis was used to display the concentration of BOD. During periods of no aeration, examples of which are indicated by arrows in FIGS. 5 and 6, both BOCR and pHPR were calculated and calculated by numerical differentiation, as described above.

На фиг.5 показано насыщение растворенным кислородом и BOCR в период исследования, когда измеренная концентрация COD была постоянно больше, чем 150 мг COD на литр, что существенно выше значения 2K_s для COD, но когда концентрация аммиака изменялась от значения выше 2K_s до значения ниже 2K_s. Фиг. 5 раскрывает взаимосвязь между необработанными данными о растворенном кислороде, которые представляют собой скорость изменения количества кислорода в период между прекращением и началом аэрации, как было указано, и BOCR. Фиг.5 иллюстрирует также переход в уровне BOCR от высокого к среднему во время метаболически значимого перехода, когда концентрация аммиака падала ниже его значения 2K_s. BOCR выражена как процентное изменение в кислородном насыщении в минуту.Figure 5 shows the saturation with dissolved oxygen and BOCR during the study period, when the measured COD concentration was constantly greater than 150 mg COD per liter, which is significantly higher than the value of 2K _s for COD, but when the ammonia concentration changed from a value above 2K _s to below 2K _s . FIG. 5 discloses the relationship between raw dissolved oxygen data, which is the rate of change in the amount of oxygen between the cessation and the start of aeration, as indicated, and BOCR. Figure 5 also illustrates the transition in the BOCR level from high to medium during a metabolically significant transition, when the concentration of ammonia fell below its value of 2K _s . BOCR is expressed as the percentage change in oxygen saturation per minute.

На фиг.6 показаны рН и pHPR образца за такой же период, что и на фиг.5. В течение этого периода измеренная концентрация COD была постоянно больше, чем 150 мг COD на литр, что было значительно выше значения 2K_s для COD, но концентрация аммиака изменялась от величины выше значения 2K_s до величины ниже значения 2K_s. Фиг. 6 иллюстрирует взаимосвязь между необработанными данными об уровне рН, т.е. изменением рН в период между прекращением и началом аэрации, как было указано, и pHPR. Фиг.6 также иллюстрирует переход в pHPR от среднего уровня до уровня около нуля во время метаболически значимого перехода, когда концентрация аммиака падала ниже его значения 2K_s. pHPR выражена как изменение рН в минуту.Figure 6 shows the pH and pHPR of the sample over the same period as in figure 5. During this period, the measured COD concentration was constantly greater than 150 mg COD per liter, which was significantly higher than the 2K _s value for COD, but the ammonia concentration varied from a value above 2K _s to a value below 2K _s . FIG. Figure 6 illustrates the relationship between raw pH data, i.e. a change in pH between the cessation and the start of aeration, as indicated, and pHPR. 6 also illustrates the transition in pHPR from an average level to a level near zero during a metabolically significant transition, when the concentration of ammonia dropped below its value of 2K _s . pHPR is expressed as the change in pH per minute.

На фиг. 7 показаны изменения измеренных уровней аммиака и рассчитанной pHPR за тот же период, что показан на фиг.6. Фиг.7 иллюстрирует переход в pHPR от среднего уровня к уровню около нуля во время перехода концентрации аммиака от величины, примерно равной значению 2K_s, до уровня ниже значения 2K_s. pHPR выражена как изменение рН в минуту.In FIG. 7 shows changes in measured ammonia levels and calculated pHPR over the same period as shown in FIG. 6. 7 illustrates the transition in pHPR from an average level to a level near zero during the transition of the ammonia concentration from a value approximately equal to 2K _s to a level below 2K _s . pHPR is expressed as the change in pH per minute.

На фиг.8 показаны изменения в измеренных уровнях аммиака и рассчитанной BOCR за тот же период, что показан на фиг.5. Фиг.8 иллюстрирует переход BOCR от высокого к среднему уровню во время перехода концентрации аммиака от величины, превышающей 2K_s до величины ниже 2K_s. BOCR выражена как процентное изменение в кислородном насыщении в минуту.On Fig shows the changes in the measured levels of ammonia and the calculated BOCR for the same period as shown in Fig.5. FIG. 8 illustrates a BOCR transition from high to medium during a transition of ammonia concentration from a value in excess of 2K _s to a value below 2K _s . BOCR is expressed as the percentage change in oxygen saturation per minute.

Фиг.9 графически отображает постоянство зависимости pHPR от концентрации аммиака. Это достигалось добавлением раствора аммиака в образец смешанной жидкости в те моменты, когда количество содержащегося в образце аммиака снижалось, т.е. при Т=120 мин и Т=170 мин. С периода между Т=0 мин и Т=195 мин концентрация COD была значительно выше значения 2K_s. Примерно при Т=90 мин значительный переход может наблюдаться в pHPR, когда концентрация аммиака уменьшается до уровня ниже ее значения 2K_s.Fig.9 graphically displays the constancy of the dependence of pHPR on the concentration of ammonia. This was achieved by adding an ammonia solution to the mixed liquid sample at those times when the amount of ammonia contained in the sample decreased, i.e. at T = 120 min and T = 170 min. From the period between T = 0 min and T = 195 min, the concentration of COD was significantly higher than 2K _s . At approximately T = 90 min, a significant transition can be observed in pHPR, when the concentration of ammonia decreases to a level below its value of 2K _s .

Последующие добавления аммиака были сделаны при Т=120 мин и Т=170 мин, когда рН была примерно на нулевом уровне. Фиг.9 показывает, что pHPR резко подскакивала почти с нулевого уровня, непосредственно перед каждым последующим добавлением, до сравнительно среднего уровня, такого, какой наблюдался между Т= 0 мин и Т=90 мин. После последующих добавлений аммиака pHPR возвращалась на почти нулевой или низкий уровень после уменьшения содержания аммиака ниже значения 2K_s. COD присутствовала в достаточном количестве, а снижение содержания аммиака приводило к снижению pHPR почти до нулевого уровня в случае первого добавления аммиака при Т=120 мин. Уменьшение содержания аммиака имело место в то время, когда концентрация COD также была снижена до уровня ниже своего значения 2K_s во втором случае добавления аммиака при Т= 170 мин. В результате pHPR снижалась до низкого, но не нулевого, уровня, как показано в периоде С на фиг.2 и 3.Subsequent ammonia additions were made at T = 120 min and T = 170 min, when the pH was approximately at zero level. Figure 9 shows that pHPR jumped sharply from almost zero, just before each subsequent addition, to a relatively average level, such as was observed between T = 0 min and T = 90 min. After subsequent additions of ammonia, the pHPR returned to almost zero or low after a decrease in ammonia content below 2K _s . COD was present in sufficient quantities, and a decrease in the ammonia content led to a decrease in pHPR to almost zero in the case of the first addition of ammonia at T = 120 min. A decrease in the ammonia content took place at a time when the concentration of COD was also reduced to a level below its value of 2K _s in the second case of adding ammonia at T = 170 min. As a result, pHPR decreased to a low, but not zero, level, as shown in period C in FIGS. 2 and 3.

Фиг. 10 дает более полную картину данных, представленных на фиг.9, и включает в себя рассчитанную pHPR, рассчитанную BOCR, концентрации аммиака и COD. Фиг.10 наилучшим образом иллюстрирует переходы pHPR и BOCR между различными соответствующими уровнями в случае значимых метаболических явлений. FIG. 10 provides a more complete picture of the data presented in FIG. 9 and includes calculated pHPR, calculated BOCR, ammonia and COD concentrations. Figure 10 best illustrates the transitions of pHPR and BOCR between different respective levels in the case of significant metabolic events.

Можно быстро и точно установить момент, когда концентрация органических веществ и/или неорганических веществ падает ниже их соответствующих уровней 2K_s, как показано в этом примере, путем мониторинга соответствующих уровней BOCR и pHPR, в соответствии с данным изобретением. Определение снижения количества конкретного вещества ниже его соответствующего и метаболически существенного значения концентрации 2K_s часто свидетельствует о значительном изменении в состоянии микробной популяции или ее окружения, или изменении в метаболической модели и/или поведении образца, содержащего активные микробы.It is possible to quickly and accurately determine the moment when the concentration of organic substances and / or inorganic substances falls below their respective levels of 2K _s , as shown in this example, by monitoring the corresponding levels of BOCR and pHPR, in accordance with this invention. Determining the decrease in the amount of a particular substance below its corresponding and metabolically significant concentration of 2K _s often indicates a significant change in the state of the microbial population or its environment, or a change in the metabolic model and / or behavior of the sample containing active microbes.

В ответ могут быть предприняты различные регулирующие действия в зависимости от конкретного процесса. Например, снижение количества конкретного вещества в микробной популяции может сигнализировать об изменении в метаболизме, вследствие чего можно обеспечить получение желаемого вторичного метаболита, что показывает, что процесс должен продолжаться до стадии отделения, сбора и/или очистки. Подобным образом в биологических процессах, целью которых является поддержание конкретной схемы поэтапной подачи вещества в микробную популяцию, способность к определению снижения содержания вещества ниже концентрации 2K_s и/или состояния, когда добавление вещества увеличивает концентрацию вещества до уровня выше 2K_s, может быть использована для указания на то, что желательно увеличение или уменьшение подачи вещества.In response, various regulatory actions may be taken depending on the particular process. For example, a decrease in the amount of a particular substance in the microbial population may signal a change in metabolism, whereby it is possible to obtain the desired secondary metabolite, which indicates that the process should continue to the stage of separation, collection and / or purification. Similarly, in biological processes, the purpose of which is to maintain a specific scheme for the phased supply of a substance to a microbial population, the ability to determine a decrease in the content of a substance below a concentration of 2K _s and / or a state where the addition of a substance increases the concentration of a substance to a level above 2K _s can be used for indications that an increase or decrease in the supply of a substance is desired.

В Примере 1 описана аэробная биологическая очистка сточных вод, целью которой часто является снижение посредством биологических механизмов количества конкретных неорганических и органических веществ, например сокращение растворимого аммиака и углеродистых органических веществ. Таким образом, различные регулирующие действия могут быть предприняты в ответ на снижение количества одного или более из этих веществ ниже уровня концентрации 2K_s, так как концентрация 2K_s часто бывает ниже низкого уровня концентрации, необходимого для многих веществ. Например, если обнаружено, что концентрация и органических, и неорганических (аммиак) веществ ниже их соответствующих значений концентрации 2K_s, скорость потока в процессе очистки сточных вод может быть увеличена, вследствие чего увеличится производительность очистного оборудования. Если обнаружено, что концентрация и органических, и неорганических веществ выше их соответствующих значений концентрации 2K_s, скорость потока в процессе очистки сточных вод может быть снижена. Если содержание аммиака ниже значения 2K_s, а органического вещества - выше значения 2K_s, аэрация ванны может быть уменьшена вследствие сниженной потребности в нитрификации. Наконец, если содержание органического вещества ниже значения 2K_s, а аммиака - выше значения 2K_s, аэрация может быть увеличена для создания более благоприятных условий для нитрификации.Example 1 describes aerobic biological wastewater treatment, the purpose of which is often to reduce the amount of specific inorganic and organic substances through biological mechanisms, for example, to reduce soluble ammonia and carbon organic substances. Thus, various regulatory actions can be taken in response to a decrease in the amount of one or more of these substances below the concentration level of 2K _s , since the concentration of 2K _s is often below the low level of concentration required for many substances. For example, if it is found that the concentration of both organic and inorganic (ammonia) substances is lower than their respective concentration values of 2K _s , the flow rate during the wastewater treatment process can be increased, as a result of which the productivity of the treatment equipment will increase. If it is found that the concentration of both organic and inorganic substances is higher than their respective concentration values of 2K _s , the flow rate during the wastewater treatment process can be reduced. If the ammonia content is lower than 2K _s and the organic matter is higher than 2K _s , bath aeration can be reduced due to the reduced need for nitrification. Finally, if the organic matter content is lower than 2K _s , and ammonia is higher than 2K _s , aeration can be increased to create more favorable conditions for nitrification.

ПРИМЕР 2
В Примере 2 образец смешанной жидкости был выделен таким же образом, как описано в Примере 1. Постоянная аэрация образца смешанной жидкости поддерживалась на протяжении периода, в течение которого образец был выделенным. Скорость аэрации выбиралась таким образом, чтобы уровень концентрации растворенного кислорода в образце был выше, чем критическое значение, требуемое для биологического удаления углеродистых питательных веществ и аммиака. Изменения концентрации кислорода и рН подвергались мониторингу при помощи зонда растворенного кислорода и зонда рН, как показано на фиг.11.EXAMPLE 2
In Example 2, a mixed fluid sample was isolated in the same manner as described in Example 1. Permanent aeration of the mixed fluid sample was maintained for the period during which the sample was isolated. The aeration rate was chosen so that the level of dissolved oxygen concentration in the sample was higher than the critical value required for the biological removal of carbon nutrients and ammonia. Changes in oxygen concentration and pH were monitored with a dissolved oxygen probe and a pH probe, as shown in FIG.

Затем небольшой объем смешанной жидкости периодически отводился из выделенного образца, и проверялась концентрация аммиака. Фиг.12 показывает изменения в концентрациях аммиака и рН на протяжении всего периода аэрации, во время которого образец был выделен. Конец нитрификации (концентрация аммиака была ниже, чем уровень определения, т.е. 0,1 частиц на миллион) сопровождался медленным повышением значения рН. Then a small volume of the mixed liquid was periodically removed from the isolated sample, and the ammonia concentration was checked. 12 shows changes in ammonia concentrations and pH throughout the aeration period during which the sample was isolated. The end of nitrification (the concentration of ammonia was lower than the level of determination, i.e. 0.1 particles per million) was accompanied by a slow increase in pH.

Производная рН от времени, d(pH)/dt показана на фиг.12. Когда концентрация аммиака приблизилась к нулю, значение d(pH)/dt прошло вторую нулевую точку. Характеристика d(pH)/dt во второй нулевой точке может быть также определена как точка, где d(pH)/dt изменяется от отрицательной величины до нуля. Время, соответствующее этой точке, определяется как время завершения нитрификации смешанной жидкости, или NT. В Примере 2, как показано на фиг. 12, NT измеряется примерно при 75 минутах. Измерение d(pH)/dt в Примере 2 отличается от измерения в Примере 1. В Примере 1 d(pH)/dt измеряли в период отсутствия аэрации, тогда как в Примере 2 d(pH)/dt измеряли при продолжающейся аэрации. Вследствие постоянного удаления CO₂ из смешанной жидкости, можно видеть снижение рН при измерении. Таким образом, pHPR иногда является отрицательной.The time derivative of pH, d (pH) / dt, is shown in FIG. When the ammonia concentration approached zero, the value of d (pH) / dt passed the second zero point. The characteristic d (pH) / dt at the second zero point can also be defined as the point where d (pH) / dt changes from a negative value to zero. The time corresponding to this point is defined as the time to complete the nitrification of the mixed liquid, or NT. In Example 2, as shown in FIG. 12, NT is measured at approximately 75 minutes. The measurement of d (pH) / dt in Example 2 is different from the measurement in Example 1. In Example 1, d (pH) / dt was measured in the absence of aeration, while in Example 2, d (pH) / dt was measured with continued aeration. Due to the constant removal of CO ₂ from the mixed liquid, a decrease in pH during measurement can be seen. Thus, pHPR is sometimes negative.

На фиг. 13 показана кривая растворенного кислорода и ее производная, d(DO)/dt, для того же образца. Когда аммиак был израсходован, значение первой производной от DO, d(DO)/dt, начинало значительно увеличиваться. Значение времени нитрификации (NT), измеренное для DO, также составляло примерно 75 минут. In FIG. 13 shows the dissolved oxygen curve and its derivative, d (DO) / dt, for the same sample. When ammonia was used up, the value of the first derivative of DO, d (DO) / dt, began to increase significantly. The nitrification time (NT) measured for DO was also approximately 75 minutes.

Далее будет описано одно практическое применение измерения NT в регулировании процесса биологической нитрификации. В одном из ряда биореакторов, где имеет место процесс биологической нитрификации, один пробоотборник был установлен в самом начале биореактора или перед первым из ряда биореакторов. Измеренное NT показывает, что при существующей концентрации биомассы и дозировке аммиака потребуется время NT завершения нитрификации. Next, one practical application of NT measurement in regulating a biological nitrification process will be described. In one of a number of bioreactors where biological nitrification takes place, one sampler was installed at the very beginning of the bioreactor or in front of the first of a number of bioreactors. The measured NT shows that at the existing biomass concentration and dosage of ammonia, NT time will be required to complete nitrification.

Время гидравлического удержания (HRT) смешанной жидкости в одном из серии биореакторов рассчитывается, принимая во внимание скорость течения и режим течения смешанной жидкости и геометрию биореактора. Затем NT сравнивают с временем гидравлического удержания смешанной жидкости. Должный процесс нитрификации будет иметь сопоставимые значения NT и HRT при ежедневной работе. Когда NT значительно меньше, чем HRT, нитрификация заканчивается в биореакторе или в ряде биореакторов ранее заданного HRT, что означает процесс, обладающий дополнительной способностью к нитрификации. В случае, когда другие загрязняющие примеси удалены до того, как аммиак полностью нитрифицирован, определение NT сигнализирует об окончании процесса обработки сточных вод. Это указывает на то, что в процессе может быть обработано больше сточных вод в данном объеме резервуара при том же рабочем режиме, или что в процессе можно использовать меньший объем резервуара и осуществить определенную экономию эксплуатационных расходов. The hydraulic retention time (HRT) of a mixed fluid in one of a series of bioreactors is calculated taking into account the flow rate and flow regime of the mixed fluid and the geometry of the bioreactor. Then NT is compared with the hydraulic retention time of the mixed fluid. A proper nitrification process will have comparable NT and HRT values during daily operation. When NT is significantly less than HRT, nitrification ends in a bioreactor or in a series of bioreactors of a previously defined HRT, which means a process with additional nitrification ability. In the event that other contaminants are removed before ammonia is completely nitrified, the determination of NT signals the end of the wastewater treatment process. This indicates that in the process more wastewater can be treated in a given tank volume with the same operating mode, or that a smaller tank volume can be used in the process and some savings in operating costs can be realized.

С другой стороны, если NT больше, чем HRT, концентрация аммиака будет выше нуля, но необязательно выше, чем позволяет выпуск. Чтобы обеспечить качество жидкости, выпускаемой из очистного сооружения, увеличивают скорость аэрации в биореакторе (биореакторах) и/или концентрацию смешанной жидкости. Если NT превышает HRT в продолжение длительного периода, это указывает на то, что процесс перегружен в отношении удаления аммиака, и, скорее всего, мощность оборудования должна быть увеличена, чтобы обработать данный объем сточных вод. On the other hand, if NT is greater than HRT, the ammonia concentration will be above zero, but not necessarily higher than the release allows. In order to ensure the quality of the liquid discharged from the treatment plant, the aeration rate in the bioreactor (s) and / or the concentration of the mixed liquid are increased. If NT exceeds HRT for a long period, this indicates that the process is overloaded with respect to ammonia removal, and most likely the capacity of the equipment should be increased in order to process a given volume of wastewater.

В общем случае, при сравнении NT и HRT такая информация, как способность процесса к нитрификации, необходимая скорость аэрации для биореактора или ряда биореакторов и качество выходящих из биореактора очищенных сточных вод, может быть определена и направлена оператору установки для регулирования процесса нитрификации. In general, when comparing NT and HRT, information such as the ability of the process to nitrify, the necessary aeration rate for the bioreactor or a number of bioreactors, and the quality of the treated wastewater coming out of the bioreactor can be determined and sent to the plant operator to control the nitrification process.

Данное изобретение может применяться для любого типа микробиологического процесса, включающего (но не ограниченного) очистку сточных вод (городскую, промышленную и т.п.), фармацевтическое/биотехнологическое производство, процессы сбраживания, ферментации или любые другие процессы, включающие чистые или смешанные популяции микроорганизмов. This invention can be applied to any type of microbiological process, including (but not limited to) wastewater treatment (urban, industrial, etc.), pharmaceutical / biotechnological production, fermentation, fermentation processes or any other processes, including pure or mixed populations of microorganisms .

Claims

1. A method for monitoring a microbiological process in a fluid stream containing a microbial population, comprising the steps of a) isolating a liquid sample from the specified liquid stream, b) measuring the pH of the specified liquid sample at selected time intervals, c) determining the rate of change of pH for the specified sample, d) measuring the amount of dissolved oxygen in said fluid sample at selected time intervals, essentially synchronously with said pH measurement, and e) determining the rate of biological oxygen consumption for the specified sample, f) repeating steps b) to e) at selected time intervals and q) comparing the newly determined rate (s) of change in pH and the rate (s) of biological oxygen consumption with a previously determined rate (s) of change in pH and speed ( speeds) biological oxygen consumption.

2. The method according to p. 1, characterized in that the determination of the indicated rate of change of pH is carried out in accordance with the following formula:
pHPR = (dpH) / (dt),
where pHPR is the indicated rate of change of pH;
dpH is the change in pH;
dt - time change,
and dpH and dt approach zero.

3. The method according to p. 1, characterized in that the said measurement of pH and dissolved oxygen is carried out essentially continuously.

4. The method according to p. 1, characterized in that the determination of the specified rate of biological oxygen consumption is carried out in accordance with the following formula:
BOCR = (dDO) / (dt),
where BOCR is the indicated rate of biological oxygen consumption;
dDO is the change in dissolved oxygen;
dt is the change in time;
and dDO and dt approach zero.

5. The method according to p. 1, characterized in that they compare the specified newly defined rate (s) of change in pH and the rate (s) of biological oxygen consumption with a previously determined rate (s) of change in pH and rate (s) of biological oxygen consumption to determine whether the levels of organic and inorganic compounds in the specified stream are higher or lower than their respective concentrations of 2K _s .

6. The method according to p. 1, characterized in that said step of isolating said fluid sample is carried out in situ.

7. The method according to p. 1, characterized in that the said steps of measuring pH and dissolved oxygen are carried out in a sample of liquid containing the desired amount of dissolved oxygen.

8. The method according to p. 1, characterized in that said fluid sample is isolated into a fluid sample chamber, including an aerator for supplying air and / or oxygen to said fluid sample and a device for mixing the sample.

9. The method according to p. 8, characterized in that it further includes aeration of the specified liquid sample by the specified aerator during the entire period of time when the specified sample is isolated in the specified chamber for the sample, and dissolved oxygen and pH in the specified sample are measured essentially continuously at constantly stirring the sample.

10. The method according to p. 8, characterized in that it further comprises the steps of aeration of the specified liquid sample by the specified aerator until the specified liquid sample reaches the desired level of saturation of dissolved oxygen before the steps of measuring pH and the amount of dissolved oxygen in the specified liquid sample and periodic or continuous mixing of the specified a sample by said stirring device during the steps of measuring pH and the amount of dissolved oxygen in said liquid sample.

11. The method according to p. 1, characterized in that the microbiological process is selected from the group consisting of wastewater treatment, pharmaceutical production and production using fermentation.

12. A method for monitoring a microbiological process in a liquid stream containing a microbial population, comprising the steps of a) isolating a liquid sample from said liquid stream; b) measuring the pH of the specified liquid sample at selected time intervals, c) determining the pH establishment rate for the specified sample, d) displaying the results of the specified determination and repeating steps a) to c) at the selected time intervals and comparing the newly determined establishment speed (s) pH with a previously determined pH establishment rate (s); e) determining when the said pH establishment rate changes from a negative value to zero and / or reaches a zero value a second time, by which the nitrification time is judged and / or the steps of: f) measuring the amount of dissolved oxygen in the specified liquid sample at selected time intervals in synchronization with the specified pH measurement, g) determining the rate of biological oxygen consumption for the specified sample, h) repeating steps f) and g ) at selected time intervals and compare the newly determined rate (s) of biological oxygen consumption with a previously determined rate of biological oxygen consumption, i) determine when the speed biological oxygen consumption begins to increase significantly, which is used to judge the time of nitrification.

13. The method according to p. 12, characterized in that the determination of the specified rate of establishment of pH is carried out in accordance with the following formula:
pHPR = (dpH) / (dt),
where pHPR is the indicated rate of establishment of pH;
dpH is the change in pH;
dt is the change in time;
and dpH and dt approach zero.

14. The method according to p. 12, characterized in that the said pH measurement is carried out essentially continuously.

15. The method according to p. 14, characterized in that the analysis of changes in dissolved oxygen to determine the specified rate of biological oxygen consumption is carried out in accordance with the following formula:
BOCR = (dDO) / (dt),
where BOCR is the indicated rate of biological oxygen consumption;
dDO is the change in dissolved oxygen;
dt is the change in time;
and dDO and dt approach zero.

16. The method according to p. 12, characterized in that said extraction step is carried out in situ.

17. The method according to p. 12, characterized in that said liquid sample is isolated into a liquid sample chamber, including an aerator for supplying air and / or oxygen to said liquid sample and a device for mixing the sample.

18. The method according to p. 17, characterized in that it further comprises the steps of aeration of the specified liquid sample with the specified aerator until the specified liquid sample is saturated with dissolved oxygen to a level that exceeds the level of dissolved oxygen in the sample after its separation, before the pH measurement steps of the specified sample liquid, and periodically mixing said sample with said device for mixing during the steps of measuring the pH of said liquid sample.

19. The method according to p. 12, characterized in that said microbiological process is selected from the group consisting of wastewater treatment, pharmaceutical or biotechnological production, production using fermentation and fermentation.

20. The method according to p. 17, characterized in that it further comprises aeration of the specified liquid sample by the specified aerator throughout the entire period of time when the sample is in the chamber into which it is isolated, and dissolved oxygen and pH in the specified sample are regularly measured at a constant stirring said sample.

21. The method according to p. 12, characterized in that it further comprises in essence a constant aeration of the specified liquid sample.

22. A method for controlling a microbiological process in a liquid stream containing a microbial population, comprising the steps of a) isolating a liquid sample from the specified liquid stream, b) measuring the pH of the specified liquid sample at selected time intervals, c) determining the rate of pH establishment for the specified sample, d) determining the moment when the indicated rate of pH establishment changes from a negative value to zero and / or changes to zero a second time, and e) regulation in response to changes in said the rate (s) of establishing the pH, and the specified regulation step contains f) determining the nitrification time as the time between the selection of the sample and the change in the rate of establishment of the pH from a negative value to zero and / or a change to zero a second time, g) measuring time hydraulic retention in the specified fluid sample and comparison of the specified nitrification time with the specified hydraulic retention time and h) increase the rate of fluid entry into the fluid stream, or reduced the rate of aeration of the fluid flow, if the specified nitrification time is less than the specified hydraulic retention time, or the increase of the aeration rate of the fluid flow, if the specified nitrification time is greater than the specified hydraulic retention time.