TWI773233B - 即時監測硝化菌活性之方法及設備 - Google Patents

Abstract

本發明是有關於一種即時監測硝化菌活性之方法。首先，對營養鹽溶液進行曝氣步驟，以獲得飽和溶氧溶液，其中營養鹽溶液包含銨鹽及碳酸鹽。接著，進行即時監測步驟，以將待測汙泥加入飽和溶氧溶液中，並在密封環境中進行反應步驟，從而獲得反應溶液。在反應步驟持續進行之反應時間中，對反應溶液進行連續檢測步驟，以獲得待測汙泥中硝化菌之攝氧速率。

Description

即時監測硝化菌活性之方法及設備

本發明是有關於一種監測汙泥活性之方法，特別是關於一種即時監測硝化菌活性的方法及設備。

人類活動產生的廢水中，包含許多汙染物，如：固體汙染物、有機化合物及/或無機鹽等等，這些汙染物如不加以處理，不僅會破壞生態環境，還會威脅人體健康。因此，需在廢水排放至環境之前，先進行廢水處理，以移除廢水中的汙染物，其中廢水處理可透過物理、生物及/或化學方法進行。

上述廢水處理的生物方法是利用汙泥進行，其中汙泥是微生物群集與載體的集合，且微生物群集可包含細菌、真菌、藻類及/或原生生物等微生物。這些微生物可透過代謝作用直接或間接利用汙染物進行生長及/或繁殖。然而，廢水處理的環境(如：溫度、酸鹼度、營養物含量及/或汙染物含量)非恆定，一旦微生物無法適應環境的變化，就會影響微生物的代謝反應，從而降低廢水處理的效率，因此 需即時監測硝化菌活性，以維持廢水排放時的水質。汙泥的活性可藉由生物量變化及/或廢水處理前後之水質變化評估，其中如果汙染物之移除是透過微生物的好氧代謝反應進行，則汙泥的活性還可透過攝氧速率(oxygen uptake rate，OUR)評估。

測量攝氧速率之習知方法是對待測汙泥進行曝氣步驟，以提高待測汙泥溶氧量，再測量待測汙泥的攝氧速率。然而，在曝氣的過程中，由於待測汙泥仍持續進行好氧的代謝反應，待測汙泥之溶氧量難以達飽和，導致汙泥樣本之起始氧氣濃度低，故無法用於測量攝氧速率大的樣本，也無法精準測量攝氧速率。

有鑑於此，實有必要提供一種即時監測硝化菌活性之方法，以解決上述問題。

因此，本發明之一樣態是提供一種即時監測硝化菌活性之方法，其包含進行曝氣步驟及即時監測步驟，以先提高營養鹽溶液之溶氧量至飽和，再加入待測汙泥，故可提供待測汙泥較高的溶氧量，因此上述方法可用於測量好氧量及/或體積較大的待測汙泥，且可提高監測結果的精準度。

本發明之另一樣態是提供一種即時監測硝化菌活性設備，其包含反應裝置、溶液裝置、曝氣裝置及取樣裝置，可用於進行上述即時監測硝化菌活性之方法。

根據本發明之上述態樣，提供一種即時監測硝化菌活性之方法。首先，對營養鹽溶液進行曝氣步驟，以獲得飽和溶氧溶液，其中營養鹽溶液需包含銨鹽及碳酸鹽。接著，進行即時監測步驟，其中即時監測步驟包含將待測汙泥加入飽和溶氧溶液中，並在密封環境中進行反應步驟，以獲得反應溶液，其中待測汙泥可例如源自於硝化池。在反應步驟持續進行之反應時間中，對反應溶液進行連續檢測步驟，以獲得待測汙泥之攝氧速率。

根據本發明之另一態樣，提供一種即時監測硝化菌活性設備，包含反應裝置、溶液裝置、曝氣裝置及取樣裝置，其中曝氣裝置設置在反應裝置之上方且與反應裝置及溶液裝置連通，且取樣裝置連通至反應裝置。上述反應裝置包含密閉槽及檢測單元，其中檢測單元可例如設置於密閉槽中。上述溶液裝置容置營養鹽溶液，且營養鹽溶液可包含銨鹽及碳酸鹽。上述曝氣裝置是配置以對來自溶液裝置的營養鹽溶液進行曝氣步驟，以提供飽和溶氧溶液。上述取樣裝置是提供待測汙泥，且密閉槽可例如配置以對飽和溶氧溶液及待測汙泥進行反應步驟，以提供反應溶液，且檢測單元可例如配置以對反應溶液進行連續檢測步驟，從而獲得待測汙泥之攝氧速率。

根據本發明之一實施例，營養鹽溶液之碳酸鹽的濃度可例如為800ppm至1200ppm。

根據本發明之一實施例，營養鹽溶液之銨鹽的濃度可例如為50ppm至150ppm。

根據本發明之一實施例，營養鹽溶液之鹼度可例如為600mg/L至1200mg/L。

根據本發明之一實施例，飽和溶氧溶液之溶氧量可例如為至少5mg/L。

根據本發明之一實施例，飽和溶氧溶液對待測汙泥之體積比值可例如為3至5。

根據本發明之一實施例，待測汙泥可包含氨氧化菌及亞硝酸氧化菌，且每公升汙泥可包含5000mg至12000mg之固形物。

根據本發明之一實施例，反應時間可例如為5分鐘至15分鐘，且連續檢測步驟之檢測頻率可例如為每分鐘4次至8次。

根據本發明之一實施例，溶液裝置為避光裝置。

應用本發明之即時監測硝化菌活性之方法及設備，可提供待測汙泥中硝化菌進行硝化作用時所需的穩定環境，從而可提高即時監測硝化菌活性的精準度。

100:即時監測硝化菌活性設備

110:反應裝置

111:密閉槽

113:檢測單元

119:處理單元

120:溶液裝置

130:曝氣裝置

140:取樣裝置

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之詳細說明如下：[圖1]係繪示根據本發明之一實施例之即時監測硝化菌活性設備的示意圖。

承上所述，本發明提供一種即時監測硝化菌活性之方法及設備，其藉由先對營養鹽溶液進行曝氣步驟，以獲得飽和溶氧溶液，再將待測汙泥加入飽和溶氧溶液中，不僅可即時測量攝氧量較大的樣本，亦可提升汙泥活性監測結果的精準度。

在一實施例中，上述汙泥可例如來源自生物脫氮系統的硝化池。詳細而言，生物脫氮系統是先利用微生物將有機氮代謝成氨氮，再透過硝化池將氨氮氧化成硝酸氮後，藉由脫硝池將硝酸氮還原成氮氣，其中硝化池的待測汙泥包含氨氧化菌(ammonium oxidation，AOB)及亞硝酸氧化菌(nitrite oxidizing bacteria，NOB)等硝化菌，前者可將氨氮氧化為亞硝酸氮，而後者可將亞硝酸氮氧化為硝酸氮。上述硝化菌進行之氧化反應屬於好氧代謝反應，因此可利用攝氧速率評估待測汙泥活性。

請參閱圖1，其係繪示根據本發明之一實施例之即時監測硝化菌活性設備100的示意圖。如圖1所示，即時監測硝化菌活性設備100可包含但不限於反應裝置110、溶液裝置120、曝氣裝置130及取樣裝置140，其中曝氣裝置130設置於反應裝置110之上方，且曝氣裝置130與反應裝置110及溶液裝置120連通，而取樣裝置140則與反應裝置110連通。

上述溶液裝置120容置營養鹽溶液，且營養鹽溶液可包含銨鹽及碳酸鹽，以提供硝化菌進行硝化作用的受 質(氨氮)、碳源及鹼度。上述銨鹽的種類不限，包含銨離子即可，具體例可為氯化銨、硝酸銨、硫酸銨及/或碳酸氫銨等。上述碳酸鹽的具體例可為碳酸鈉、碳酸鉀、碳酸氫鉀、碳酸鎂及/或碳酸氫鎂等，但不限於此，呈鹼性的碳酸鹽皆可。上述營養鹽溶液可利用蒸餾水及/或自來水調配。

在一實施例中，營養鹽溶液之碳酸鹽之濃度可例如為800ppm至1200ppm。在一實施例中，營養鹽溶液銨鹽之濃度可例如為50ppm至150ppm。在一實施例中，營養鹽溶液之鹼度可例如為600mg/L至1200mg/L。當營養鹽溶液的碳酸鹽之濃度、銨鹽之濃度及鹼度在上述範圍內，可提供適合待測汙泥之硝化菌進行硝化作用之環境。需特別說明的是，為了避免藻類滋長，溶液裝置120以避光裝置為宜。

上述曝氣裝置130是配置以對來自溶液裝置120的營養鹽溶液進行曝氣步驟，以提供飽和溶氧溶液。在一實施例中，飽和溶氧溶液的溶氧量可例如為至少5mg/L。

上述取樣裝置140可自硝化池取樣，以提供待測汙泥。值得注意的是，為了避免待測汙泥中的硝化菌消耗氧氣而降低飽和溶氧溶液之溶氧量，因此取樣裝置140僅與密閉槽111連通，並未直接與溶液裝置120及曝氣裝置130連通。

上述反應裝置110是配置以進行即時監測步驟。詳細而言，反應裝置110包含密閉槽111及檢測單元113，其中檢測單元113設於密閉槽111中。前述密閉槽111 可例如配置以對上述飽和溶氧溶液及待測汙泥進行反應步驟，其中曝氣裝置130及取樣裝置140連通至密閉槽111的連接處可選擇性設有可拆卸但密封性良好的控制閥(圖未繪示)，可視需求使密閉槽111連通或不連通至曝氣裝置130及取樣裝置140。當上述飽和溶氧溶液及待測汙泥導入後，密閉槽111可形成完全密封的空間，並阻絕氧氣的進出。密閉槽111可選擇性包含攪拌元件(圖未繪示)，其中攪拌元件可例如電磁攪拌元件及/或震盪元件，以均勻混合飽和溶氧溶液及待測汙泥。

前述檢測單元113是配置以對反應溶液進行連續檢測步驟。檢測單元113的種類不限，可例如為利用電極法之薄膜式溶氧感測元件及/或利用螢光法之光學式溶氧感測元件。在一實施例中，檢測單元113可選擇性包含處理單元119，以計算及/或顯示連續檢測步驟的偵測結果。上述反應裝置110與取樣裝置140之間以及溶液裝置120與曝氣裝置130之間可選擇性設有幫浦(圖未繪示)，以分別將待測汙泥及營養鹽溶液抽送至曝氣裝置130及反應裝置110。需補充的是，上述實施例的曝氣裝置130是設置於反應裝置110之上方，在一般情況下，飽和溶氧溶液能藉由重力流入反應裝置110中，因此曝氣裝置130與反應裝置110之間可不需設置幫浦。

在一實施例中，即時監測硝化菌活性設備100可利用自動化控制系統(圖未繪示)控制各裝置的運作，以即時監測硝化菌活性。在一實施例中，自動化控制系統可例 如為可程式邏輯控制器(programmable logic controller，PLC)，且PLC可控制各種製程條件，例如：各幫浦運作的時間、導入營養鹽溶液及/或待測汙泥的流量、檢測單元113即時監測硝化菌活性的頻率及/或密閉槽111內反應時間的長短等。

上述即時監測硝化菌活性設備100可用於執行即時監測硝化菌活性之方法。首先，對容置於溶液裝置120的營養鹽溶液進行曝氣步驟，以獲得飽和溶氧溶液，其中曝氣步驟的時間可例如15分鐘至60分鐘。

同時，利用反應裝置110進行即時監測步驟，其中即時監測步驟可將待測汙泥與飽和溶氧溶液導入密閉槽111中，以進行反應步驟，從而獲得反應溶液。在一實施例中，飽和溶氧溶液對待測汙泥之體積比值可例如為3至5，其中每公升汙泥可包含5000mg至12000mg之固形物。前述固形物是指待測汙泥的乾重。在一實施例中，在進行反應步驟的3分鐘至5分鐘前，取樣裝置140將待測汙泥自硝化池導入密閉槽111中，以避免待測汙泥之硝化菌因長時間缺乏氧氣及/或營養鹽而失去活性。

在反應步驟持續進行過程中，利用檢測單元113對密閉槽111內的反應溶液進行連續檢測步驟，以獲得待測汙泥之攝氧速率。在一實施例中，每次取樣的反應時間可例如為5分鐘至15分鐘，且連續檢測步驟之檢測頻率可例如為每分鐘4次至8次。連續檢測步驟可包含檢測溶氧量(dissolved oxygen，DO)，再計算攝氧速率，其中 攝氧速率的是利用下式(I)計算：

OUR表示平均攝氧速率，T表示反應時間，DO_i表示第i次檢測之溶氧量，n+1表示測量的次數，其中n為檢測頻率乘以反應時間。舉例而言，當反應時間為10分鐘，檢測頻率為每分鐘6次(每10秒測一次)，則n為60，共測量61次。

攝氧速率越高，表示待測汙泥中的硝化菌的活性越高。如果攝氧速率低於經驗值及/或有下降的趨勢，表示待測汙泥中的硝化菌的活性下降，而可能需要採取改善措施，以避免硝化池待測之汙泥中的微生物群失去活性。上述改善措施之具體例可為在脫硝池及/或硝化池中加入無機鹽及維生素B等營養物質、延長廢水的曝氣時間及/或提高硝化池之鹼度等。因此，本發明之即時監測硝化菌活性設備可協助即時監測硝化菌活性，以維持硝化池處理廢水的效率。

以下利用數個實施例以說明本發明之應用，然其並非用以限定本發明，本發明技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。

實施例

首先，如圖1所示，將營養鹽溶液填充於溶液裝 置120中，其中溶液裝置120的體積為60L，且營養鹽溶液包含濃度100mg/L之氯化銨、濃度1000mg/L之碳酸氫鈉及水。接著，利用幫浦(圖未繪示)將1750mL之營養鹽溶液從溶液裝置120導入曝氣裝置130，以進行曝氣步驟達1小時，從而獲得飽和溶氧溶液，其中飽和溶氧溶液之溶氧量為至少5mg/L。曝氣完成後，利用重力流將飽和溶氧溶液導入密閉槽111中。值得注意的是，在曝氣完成的5分鐘前，再利用取樣裝置140將350mL之待測汙泥自硝化池導入密閉槽111中。

接著，將飽和溶氧溶液及待測汙泥導入密閉槽111並混合成反應溶液後，利用控制閥(圖未繪示)阻隔密閉槽111與曝氣裝置130及取樣裝置140的連通，以形成密閉空間，從而進行反應步驟達10分鐘。在反應步驟進行時，每10秒鐘利用市售DO偵測器偵測反應溶液的溶氧量，再依據式(I)計算攝氧速率。

比較例

另一方面，利用人工方式測量待測汙泥的攝氧速率。此人工方式是利用磁攪拌子及磁攪拌器混合飽和溶氧溶液及比較待測汙泥成混合溶液後，於密閉空間下進行反應步驟，同時以市售DO偵測器偵測混合溶液的溶氧量，期間每20秒記錄一次溶氧量，直到混合溶液溶氧量數值歸0或反應時間達10分鐘。

在某一次的試驗中，實施例的攝氧速率為9.53mg O₂/L．小時至13.01mg O₂/L．小時，而比較例的攝 氧速率為8.95mg O₂/L．小時至12.13mg O₂/L．小時。在另一次的試驗中，實施例的攝氧速率為7.33mg O₂/L．小時至10.53mg O₂/L．小時。相較之下，而比較例的攝氧速率為8.01mg O₂/L．小時至11.32mg O₂/L．小時。上述的試驗中，實施例及比較例的平均誤差為7%，顯示應用本發明之即時監測硝化菌活性之方法及設備於體積大及/或好氧量大的樣本，精準度不變。

由上述實施例可知，本發明之即時監測硝化菌活性之方法及設備，其優點在於在進行反應步驟前，先對營養鹽溶液進行曝氣步驟，直到營養鹽溶液形成飽和溶氧溶液，因此可即時測量攝氧量較大的樣本。此外，由於飽和溶氧溶液中的氨氮濃度、碳酸根濃度、鹼度及溶氧量恆定，故可排除環境對待測汙泥的影響，從而提升精準度。

綜言之，本發明雖以特定的方法、特定的設備或特定的評估方式作為例示，說明本發明之即時監測硝化菌活性之方法的精準度，惟本發明所屬技術領域中任何具有通常知識者可知，本發明並不限於此，在不脫離本發明之精神和範圍內，本發明亦可使用其他的方法、其他的設備或其他的評估方式進行。

雖然本發明已以數個實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，在本發明所屬技術領域中任何具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100:即時監測硝化菌活性設備

110:反應裝置

111:密閉槽

113:檢測單元

119:處理單元

120:溶液裝置

130:曝氣裝置

140:取樣裝置

Claims (10)

1. 一種即時監測硝化菌活性之方法，包含：對一營養鹽溶液進行一曝氣步驟，以獲得一飽和溶氧溶液，其中該營養鹽溶液係由銨鹽、碳酸鹽及水所組成；以及進行一即時監測步驟，包含：將一待測汙泥加入該飽和溶氧溶液中，在一密封環境中進行一反應步驟，以獲得一反應溶液，其中該待測汙泥係源自於一硝化池；以及在該反應步驟持續進行之一反應時間中，對該反應溶液進行一連續檢測步驟，以獲得該待測汙泥之一攝氧速率。
2. 如請求項1所述之即時監測硝化菌活性之方法，其中該營養鹽溶液之該碳酸鹽之一濃度為800ppm至1200ppm。
3. 如請求項1所述之即時監測硝化菌活性之方法，其中該營養鹽溶液之該銨鹽之一濃度為50ppm至150ppm。
4. 如請求項1所述之即時監測硝化菌活性之方法，其中該營養鹽溶液之一鹼度為600mg/L至1200mg/L。
5. 如請求項1所述之即時監測硝化菌活性之方法，其中該飽和溶氧溶液之一溶氧量是至少5mg/L。
6. 如請求項1所述之即時監測硝化菌活性之方法，其中該飽和溶氧溶液對該待測汙泥之一體積比值為3至5。
7. 如請求項1所述之即時監測硝化菌活性之方法，其中該待測汙泥包含氨氧化菌及亞硝酸氧化菌，且每公升該待測汙泥的一乾重係5000mg至12000mg。
8. 如請求項1所述之即時監測硝化菌活性之方法，其中該反應時間為5分鐘至15分鐘，且該連續檢測步驟之一檢測頻率為每分鐘4次至8次。
9. 一種即時監測硝化菌活性設備，包含：一反應裝置，包含：一密閉槽；以及一檢測單元，設置於該密閉槽中；一溶液裝置，其中該溶液裝置容置一營養鹽溶液，且該營養鹽溶液係由銨鹽、碳酸鹽及水所組成；以及一曝氣裝置，設置於該反應裝置之上方且與該反應裝置及該溶液裝置連通，其中該曝氣裝置是配置以對來自該溶 液裝置的該營養鹽溶液進行一曝氣步驟，以提供一飽和溶氧溶液；以及一取樣裝置，與該反應裝置連通，其中該取樣裝置是提供一待測汙泥，且該密閉槽是配置以對該飽和溶氧溶液及該待測汙泥進行一反應步驟，以提供一反應溶液，且該檢測單元是配置以對該反應溶液進行一連續檢測步驟，以獲得該待測汙泥之一攝氧速率。
10. 如請求項9所述之即時監測硝化菌活性設備，其中該溶液裝置為一避光裝置。

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