TWI576586B - 用來監測和控制廢水程序流的方法 - Google Patents

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Description

用來監測和控制廢水程序流的方法 相關申請案之交叉參照
不適用。
關於聯邦資助研究或開發之聲明
不適用。
本發明針對用於精確偵測廢水中污染物之存在及量的方法、組成物及裝置。
本發明大體上係關於廢水處理之方法以及適用於廢水處理之裝置及物質組成物。多種工業程序產生彙集於廢水中之多種污染形式，諸如油脂及油。該污染可構成問題，因為其使得處置廢水之方式複雜化。多種技術可用於處置污染性油及油脂，但其取決於對一定體積之廢水內所存在之污染物之種類及量的瞭解。
存在多種用於測定廢水中污染物含量之先前技術方法。該等方法包括重量分析法、直接量測法(諸如US EPA方法1664)、比色法、UV方法、螢光方法、IR吸收法及氣相層析法。許多該等方法以線上及離線兩種形式描述於國際專利申請案WO 2010/007390 A2中。
在該等方法中，一種尤其令人感興趣之方法為使用極性敏感性螢光染料。該等染料相互作用，使得當存在特定油時，該等染料可偵測地發出螢光，但當不存在該等染料時則不發出螢光。然而，該方法存在偵測困難，因為背景 干擾及多種油類型之相互作用會導致螢光讀數混淆且不可靠。
因此，提供更好地偵測廢水中油及油脂之存在的方法及裝置有用且合乎需要。此部分所述之技術不意欲承認本文中引用之任何專利、公開案或其他資訊相對於本發明為「先前技術」，除非特別如此指定。另外，此部分不應被視為意謂已進行檢索或不存在如37 CFR§1.56(a)中所定義之其他相關資訊。
本發明之至少一個具體實例針對一種精確偵測至少一種液體中特定污染物之存在及量的方法，該方法包含以下步驟：1)提供一定體積之液體；2)進行污染偵測方法，該污染偵測方法能夠量測該液體體積中混濁度之量且由在該液體內引起污染物之該混濁度之量進行推定；3)藉由鑑別一系列預定修正因子中何者與該所量測量之混濁度散射來自特定示蹤劑之光相對應且從而在該示蹤劑過到油時改變特定液體內產生之螢光變化量的程度來選擇修正因子；4)將特定示蹤劑引入液體中；5)藉由將特定示蹤劑引入液體中來量測所發出之螢光的變化；6)藉由根據所選修正因子調節所量測之變化來修正該量測螢光變化；7)由經修正之螢光量測變化來計算液體內油之量；及8)藉由自引起污染物之混濁度的計算量中減去油之計算量來計算液體內非油污染物之量。
示蹤劑可具有極性敏感性，並且當處於水中且遇到油 時展示可偵測性質，但當處於不存在油之水中時不展示可偵測性質。示蹤劑之螢光在遇到油時可淬滅，或在存在油時得以增強。該方法可進一步包含以下步驟：在添加非極性污染物移除化學物質前後均量測示蹤劑，且使用量測值之差來確定液體中非極性污染物之量。液體可選自由以下組成之清單：廢水澄清器流出液或流入液、水、酒精及其任何組合。該方法可進一步包含使用光學發射源，其向液體中發光，從而有助於偵測示蹤劑之性質。可偵測性質可藉由經建構及配置以在特定設定下進行偵測的裝置來偵測，該特定設定選自由以下組成之清單：波長、發射強度、所發出光或能量之吸收率及其任何組合。非油混濁度可鑑別為固體顆粒。該方法可進一步包含以下步驟：回應於所偵測之污染物，向液體中添加功能化學物質，該功能化學物質為尤其適於去除所偵測特定污染物之存在的化學物質。該功能化學物質可選自由以下組成之清單：殺生物劑、分散劑、絮凝劑、界面活性劑、乳化劑、去乳化劑、無機物、酸、鹼、腐蝕抑制劑、水及溶劑。液體可為自程序流中取出之樣品且對該樣品進行偵測。偵測可連續地進行且示蹤劑偵測針對通過感測器之特定液體流而最佳化。該方法可進一步包含使用與該等偵測呈資訊連通之控制設備，其中該控制設備接收來自偵測之資料且向液體中適當地釋放至少一種功能化學物質。導致混濁度之物質可發射其自身之螢光且該修正因子考慮該混濁度所發出之螢光。
本文中描述其他特徵及優勢，且該等特徵及優勢將由 以下實施方式顯而易知。
提供以下定義以確定本申請案且尤其是申請專利範圍中所用之術語應如何解釋。定義之組織僅為方便起見且不意欲將任何定義限制於任何特定類別。
「大體積樣品」意謂尚未特別分離各組分之樣品，但大體積樣品可包括基於尺寸之分離。
「油」意謂黏度高於水之任何液體且包括(但不限於)烴類液體及油脂。
「極性敏感性」意謂物質組成物(包括(但不限於)染料)視其周圍環境及/或所存在之疏水性物質之極性而具有變化吸收及/或螢光發射波長。
「溶致變色」意謂物質組成物(包括(但不限於)染料)視其周圍環境之極性而具有變化吸收及/或螢光發射波長。
「示蹤劑」意謂一種物質組成物，該物質組成物藉由改變其發出螢光之程度而與另一液體內之油反應，該改變可為螢光之增加、減少、起始及/或終止。
「混濁度」意謂液體之透明度由於液體內存在透明度降低物質而降低的程度，該等物質包括(但不限於)油、固體顆粒物質、溶解之物質、分散之物質及其任何組合，混濁度之變化可能或可能不伴隨黏度或液體其他性質之變化。
「廢水程序」意謂對廢水流入液進行處理且以流出液 形式釋放之任何程序。
若以上定義或本申請案中另外陳述之描述與常用、辭典中或以引用方式併入本申請案中之來源中所述之含義(明顯或隱含)不一致，則本申請案及申請專利範圍術語尤其應理解為根據本申請案中之定義或描述，而不是根據常見定義、辭典定義或以引用方式併入之定義來解釋。根據上文，在術語僅可理解為由辭典加以解釋的情況下，若該術語由Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology,第5版，(2005)(由Wiley,John & Sons,Inc.出版)定義，則該定義應控制在申請專利範圍中應如何定義該術語。
本發明大體上係關於使用一或多個感測器來控制向廢水處理程序中饋入功能化學物質的方法及裝置。在至少一個具體實例中，對廢水體積之兩種或兩種以上性質進行偵測且回應於所偵測之性質而向廢水中添加一或多種功能化學物質。該等性質包括(但不限於)以下性質中之一種、一些或所有性質之任何組合：混濁度、懸浮固體、溶劑萃取、流動勢能、TOC(總有機碳)、BOD(生物需氧量)、ORP(氧化還原電位)、pH值、溫度、液體流量、質量流量、不同光譜之吸收率及螢光。功能化學物質包括(但不限於)殺生物劑、分散劑、絮凝劑、界面活性劑、乳化劑、去乳化劑、酸、鹼、腐蝕抑制劑、水及溶劑。
藉由觀察兩個或更多個參數，可克服許多先前技術方法所面臨之問題。因為單一量測無法估算廢水中之每種污染物，因此僅使用一種偵測方法之先前技術方法將提供不 完全結果。例如TSS常用於估算廢水中固體污染物之含量。然而，TSS不能估算油脂及油。在至少一個具體實例中，亦進行TSS量測以及溶劑萃取程序以估算油及油脂。
在至少一個具體實例中，藉由將示蹤分子置於水中來偵測至少一個參數。示蹤分子為當一定體積之水中存在特定污染物時將發生可偵測變化之分子。在至少一個具體實例中，該分子為溶致變色示蹤劑。在至少一個具體實例中，示蹤劑之可偵測變化可使用螢光光譜法及吸收光譜法中之至少一者加以偵測。在至少一個具體實例中，該示蹤劑為美國公開專利申請案2009/0260767及/或美國專利申請案12/405797中所述之種類之一，且以其中所述之方式加以使用。
在至少一個具體實例中，精確偵測至少一種液體中特定污染物之存在及量的方法包含以下步驟：提供一定體積之液體；進行污染偵測方法，該污染偵測方法能夠量測該液體體積中混濁度之量；藉由鑑別一系列預定修正因子中何者對應於該所量測量之混濁度散射來自特定示蹤劑之光且從而在該示蹤劑過到油時改變特定液體內所存在之螢光變化量的程度來選擇修正因子；將示蹤分子引入液體中；藉由將第一示蹤分子引入液體中來量測所發出螢光之變化； 藉由根據所選修正因子調節所量測之變化來修正該量測螢光變化；由經修正之量測螢光變化來計算液體內油之量；及藉由自混濁度之計算量中減去油之計算量來計算液體內非油污染物之量。
該方法允許測定由油及由分散顆粒物質所引起之混濁度程度。該方法克服了混濁度干擾示蹤分子之作用且從而提供不正確螢光讀數所導致的先前問題。
在至少一個具體實例中，使用超過一種示蹤劑。此係針對存在每種污染物時單一示蹤劑不精確的情形。在至少一個具體實例中，該示蹤劑具有極性敏感性。
在至少一個具體實例中，使用感測器之組合來確定對功能化學物質之需求及/或控制該等化學物質之劑量。在至少一個具體實例中，使用示蹤分子來測定程序流中疏水性污染物之含量。疏水性物質之排放不僅自管理觀點看來較為重要，而且其亦可消極影響曝氣池中之生物活性。因此，溶致變色示蹤劑之使用係用作除習知量測之外用於測定程序流中疏水性污染物之含量的手段而用於控制功能化學物質之添加劑量的系統中以清潔程序水。在至少一個具體實例中，示蹤分子可需要使用螢光光譜法、吸收光譜法或兩種量測之組合。亦可使用超過一種單一示蹤染料來量測疏水性污染物，此舉被證明更為精確。廢水可含有可能干擾螢光發射之量測或與示蹤劑之吸收峰重疊的物質。因此，使用超過一種類型示蹤染料更有利於測定程序流中疏水性 污染物之含量，尤其是在量測手段不同的情況下(螢光相對於吸收)。
在至少一個具體實例中，為了使用溶致變色示蹤劑來適當地量測螢光發射，針對特定波長、激發及增益設置而定製螢光計。在至少一個具體實例中，所量測之水樣品在線上且針對特定流速及示蹤劑投配速率而定製螢光計。因為極性敏感性染料之最大強度與特定污染物之疏水性程度相關，因此在至少一個具體實例中，螢光計經建構及配置以量測變化之螢光強度及變化之發射波長。在至少一個具體實例中，螢光計經建構及配置以補償該等偵測中之變化而補償染料周圍之介質。
在至少一個具體實例中，在偵測程序結束前提供足量時間供示蹤劑與污染物相互作用。
在至少一個具體實例中，在將示蹤劑添加至水樣品中後，向樣品中添加至少一種功能化學物質，該等功能化學物質可減少所存在之已知非極性污染物。通常藉由減少所存在之非極性污染物來增強示蹤劑之偵測，否則該等非極性污染物可干擾示蹤劑。
在至少一個具體實例中，在將可減少所存在之已知非極性污染物的功能化學物質添加至樣品中前後均觀測示蹤劑之可偵測性質，以測定樣品內非極性污染物之量。
在至少一個具體實例中，待分析樣品為廢水澄清器之流出液及/或流入液(亦添加DAF、曝氣池、膜)。
在至少一個具體實例中，示蹤劑在引入一定水體積中 之前與溶劑混合。
示蹤劑偵測可根據預定進度以間歇或連續方式進行。在至少一個具體實例中，由手持式分析儀來分析廢水體積。在至少一個具體實例中，將示蹤劑直接添加至含有廢水之貯槽或管路中。在至少一個具體實例中，分析體積為自程序流中取出之樣品。在至少一個具體實例中，將偵測結果饋入控制設備中，該控制設備向廢水程序流中適當添加功能化學物質以回應且補償偵測結果。在至少一個具體實例中，該控制及偵測設備形成閉合控制迴路。
在至少一個具體實例中，為了使用溶致變色示蹤劑來適當地量測螢光發射，針對適當激發及發射波長、增益設置及(在線上量測之情況下)樣品通過螢光計之正常流速及溶致變色示蹤劑之劑量而定製螢光計。由於溶致變色染料之性質，預期發射波長具有取決於樣品疏水性程度之最大強度。因此，須設置螢光計以量測視染料周圍介質而定之波動螢光強度及變化發射λ mSK 兩者。
藉由使用來自上述信號之組合的輸出，本發明亦提供一種用於量測一或多種化學物質之效用的方法，該一或多種化學物質可減少廢水程序中一或多種污染物之量：(a)監測廢水程序中之一或多種類型污染物，包含：自該廢水程序中獲得大體積流體樣品；選擇能夠在該流體中與該等污染物相互作用且在該流體中提供光學信號之溶致變色染料；將該染料添加至該流體中且允許該染料在該流體中與該等污染物相互作用持續足量時間；量測該流體中染料之 螢光性、吸收率或光譜位移；及使染料反應與該等污染物之濃度相關聯；(b)向該廢水程序中添加一或多種化學物質，該一或多種化學物質可減少該廢水程序中該等非極性污染物之量；(c)藉由再進行步驟(a)至少一次來再量測該廢水程序中污染物之量；及(d)視情況控制添加至該廢水程序中之該等化學物質的量。
在至少一個具體實例中，該程序適用於使用其他上述信號，諸如混濁度、懸浮固體、溶劑萃取、流動勢能、TOC、BOD、ORP、pH值、溫度或吸收率來量度一或多種化學物質之效用，該一或多種化學物質可減少廢水程序中一或多種污染物之量。
在至少一個具體實例中，該方法涉及監測廢水程序中之一或多種類型非極性物質，該方法包含：(a)自該廢水程序中獲得流體樣品；(b)選擇能夠在該流體中與該等非極性物質相互作用且在該流體中提供光學信號的溶致變色染料；(c)將該染料添加至該流體中且允許該染料在該流體中與該等非極性物質相互作用持續足量時間；(d)量測該流體中染料之螢光、吸光度或光譜位移；(e)使染料之光學反應與該等污染物之濃度相關聯；及(f)視情況控制添加至該廢水程序中之一或多種化學物質之量，該一或多種化學物質可減少、分離或鈍化該等非極性物質。
在至少一個具體實例中，該方法係用於監測廢水程序中之一或多種類型非極性物質，該方法包含：(a)自該廢水程序中獲得流體樣品；(b)選擇能夠在該流體中與該等 非極性物質相互作用且在該流體中提供光學信號的溶致變色染料；(c)將該染料添加至該流體中且允許該染料在該流體中與該等非極性物質相互作用持續足量時間；(d)量測該流體中染料之螢光、吸光度或光譜位移；(e)使染料之光學反應與該等污染物之濃度相關聯；及(f)視情況控制添加至該廢水程序中之一或多種化學物質之量，該一或多種化學物質可減少、分離或鈍化該等非極性物質。
在至少一個具體實例中，該方法係用於監測廢水程序中可減少一或多種非極性污染物之量的一或多種類型之一或多種化學物質：(a)監測廢水程序中之一或多種類型污染物，包含：自該廢水程序中獲得大體積流體樣品；選擇能夠在該流體中與該等污染物相互作用且在該流體中提供光學信號之溶致變色染料；將該染料添加至該流體中且允許該染料在該流體中與該等污染物相互作用持續足量時間；量測該流體中染料之螢光、吸光度或光譜位移；及使染料反應與該等污染物之濃度相關聯；(b)向該廢水程序中添加一或多種化學物質，該一或多種化學物質可減少該廢水程序中該等非極性污染物之量；(c)藉由再進行步驟(a)至少一次來再量測該廢水程序中污染物之量；及(d)視情況控制添加至該廢水程序中之該等化學物質之量。
重要的是應注意，該技術可以分批方式使用，其中自程序中獲取樣品且以間歇或連續方式進行量測，其中量測在經溶致變色染料處理之側流中進行。
在至少一個具體實例中，添加至樣品中之染料能夠將 非極性污染物(例如油、油脂、脂肪、界面活性劑)染色或與其相互作用。
在至少一個具體實例中，亦量測流體之混濁度。在另一具體實例中，在添加該等化學物質前後量測該流體之混濁度。在另一具體實例中，樣品取自廢水程序之稀釋取樣點，例如澄清器之流出液。在另一具體實例中，取樣點為澄清器之流入液。假定此收集/取樣點之原因在於可藉由量測流入液及流出液中非極性污染物之濃度來監測澄清/分離步驟之效能。
在至少一個具體實例中，添加至樣品中之染料在螢光量測前具有足量時間與流體中之污染物相互作用。一般技術者可在不過度實驗的情況下確定該相互作用之足量時間。
在一個具體實例中，在將染料添加至該流體中之前使其與溶劑混合。一般技術者可在不過度實驗之情況下確定充分混合時間。
在另一具體實例中，非極性污染物選自由以下組成之群：油、油脂、石油基非極性烴、兩親媒性物質、脂肪、脂肪酸、芳族化合物、界面活性劑、聚合物及其組合。
在另一具體實例中，該方法為線上方法及/或分批取樣方法。
在另一具體實例中，光學量測(吸光度、螢光)以預設方式、間歇方式及/或連續方式進行。例如，可使用流量槽作為量測該等非極性污染物之螢光或吸光度的構件。更 特定言之，在一個具體實例中，量測程序包含：在該流量槽中進行光學量測之前，向獲自廢水程序之樣品中添加一或多種光學示蹤劑。一般技術者應能夠在不過度實驗之情況下進行該程序。例如，可使用流動注入分析及/或順序注入分析技術來進行以上提及之量測方案。
在另一具體實例中，使用手持式光譜儀進行光學量測。可使用其他類型螢光計或吸收光譜儀來進行光學量測。
本發明亦提供一種量測一或多種可自廢水程序中分離非極性物質之化學物質之效用的方法。可利用關於流體中非極性污染物之量的資訊來形成關於添加一或多種化學物質之控制迴路，該控制迴路可用於控制非極性污染物之量。
在一個具體實例中，監測非極性污染物之方法可藉由上述螢光、吸光度或光譜位移法及其各種具體實例來進行量測。
在另一具體實例中，非極性污染物之量的測定藉由上述方案來量測，接著在該步驟之後，向廢水程序中添加一或多種化學物質以處理污染物，例如增加/減少污染物分離之相同化學處理或改變污染物分離之化學處理程序，接著在該處理步驟之後，藉由上述方案再量測該廢水程序中污染物之量。
在另一具體實例中，化學物質為以下各物中之至少一者：凝結劑；絮凝劑；分散劑；酸；無機物；去乳化劑；及界面活性劑。
儘管本發明可以許多不同形式實施，但本文中詳細描 述本發明特定較佳具體實例。本揭示內容為本發明原理之例示且不意欲將本發明限制於所說明之特定具體實例。本文所提及之所有專利、專利申請案、科學論文及任何其他引用材料均以全文引用的方式併入本文中。此外，本發明涵蓋本文所述及併入本文中之一些或所有各種具體實例的任何可能組合，且排除或不排除該等所述及/或所併入之各種具體實例中之一或多者。
以上揭示內容意欲為說明性的而非窮舉性的。本發明說明將為一般技術者提出許多變化形式及替代方案。所有此等替代方案及變化形式意欲包括在申請專利範圍之範疇內，其中術語「包含」意謂「包括(但不限於)」。熟習此項技術者可認識到本文所述之特定具體實例之其他等效方案，該等等效方案亦意欲由申請專利範圍涵蓋。
本文中所揭示之所有範圍及參數均應理解為涵蓋其中所包含之任何及所有子範圍以及端點之間的每個數字。例如，所述範圍「1至10」應被視為包括最小值1與最大值10之間(且包含1及10)的任何及所有子範圍；亦即，以最小值1或大於1(例如1至6.1)開始且以最大值10或小於10(例如2.3至9.4、3至8、4至7)結束的所有子範圍，且最後，各數字1、2、3、4、5、6、7、8、9及10均含於該範圍內。
至此完成本發明之較佳及替代性具體實例之描述。熟習此項技術者可認識到本文所述之特定具體實例的其他等效方案，該等等效方案意欲由隨附申請專利範圍涵蓋。

Claims (15)

  1. 一種精確偵測至少一種液體中特定污染物之存在及量的方法，該方法包含以下步驟：提供一定體積之液體；進行污染偵測方法，該污染偵測方法能夠量測該液體體積中混濁度之量且由在該液體內引起污染物之該混濁度之量進行推定；藉由鑑別一系列預定修正因子中何者與該所量測量之混濁度散射來自特定示蹤劑之光且從而在該示蹤劑過到油時改變該特定液體內產生之螢光變化量的程度相對應來選擇修正因子；將該特定示蹤劑引入該液體中；藉由將該特定示蹤劑引入該液體中來量測所發出之螢光的變化；藉由根據該所選修正因子調節該所量測之變化來修正該所量測之螢光變化；由該經修正之螢光量測變化來計算該液體內油之量；藉由自該引起污染物之混濁度的計算量中減去該油之計算量來計算該液體內非油污染物之量，且其中，該示蹤劑具有極性敏感性並且當處於水中且遇到油時展示可偵測性質，但當處於不存在油之水中時不展示可偵測性質。
  2. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該示蹤劑之螢光在遇到油時淬滅。
  3. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該示蹤劑之螢光在存在油時得以增強。
  4. 如申請專利範圍第1項之方法，其進一步包含以下步驟：在添加該非極性污染物移除化學物質前後均量測該示蹤劑，且使用量測結果之差來確定該液體中非極性污染物之量。
  5. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該液體為廢水澄清器流出液或流入液。
  6. 如申請專利範圍第1項之方法，其進一步包含使用光學發射源，該光學發射源向該液體中發射光，從而有助於偵測該示蹤劑之性質。
  7. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該等可偵測性質係藉由經建構及配置以在特定設定下進行偵測的裝置來偵測，該特定設定係選自由以下組成之清單：波長、發射強度、所發射之光或能量之吸光度及其任何組合。
  8. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該液體係選自由水、酒精及其任何組合組成之清單。
  9. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該非油混濁度鑑別為固體顆粒形式。
  10. 如申請專利範圍第1項之方法，其進一步包含回應於該所偵測之污染物而向該液體中添加功能化學物質之步驟，該功能化學物質為尤其適於去除所偵測之該特定污染物之存在的化學物質。
  11. 如申請專利範圍第10項之方法，其中該功能化學物 質係選自由以下組成之清單：殺生物劑、分散劑、絮凝劑、界面活性劑、乳化劑、去乳化劑、無機物、酸、鹼、腐蝕抑制劑、水及溶劑。
  12. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該液體為自程序流取出之樣品且該偵測係對該樣品進行。
  13. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該偵測係以連續方式進行且該示蹤劑偵測針對通過感測器之特定液體流而最佳化。
  14. 如申請專利範圍第10項之方法，其進一步包含與該等偵測呈資訊連通之控制設備，其中該控制設備接收來自該偵測之資料且向該液體中適當釋放至少一種功能化學物質。
  15. 如申請專利範圍第1項之方法，其中導致該等混濁度之該物質發射其自身螢光且該修正因子考慮該混濁度所發出之螢光。
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