【正文】 1 中文 7350 字 利用 pH 測量值對金屬進行生物濾除的操作方法 作者： 杜 1， 泰爾基 2， 斯里克里斯曼 3 摘要： 一種高級的操作的方法在微生物的過濾過程中發(fā)展起來，在最佳時刻終止艙口操作，利用氧化硫去除污泥中的重金屬。在濾除操作中，由于在線測量可溶解金屬濃度存在實際的困難，現行的方法是在反應系統(tǒng)對 pH 值的測量。為了監(jiān)控金屬溶解，與弱酸性細菌和酸性細菌一致的，生物濾除程序模型被開發(fā)出來。一種高級的在線預測系統(tǒng)隨后應用于實施，它是利用卡爾門過濾技術的拓展，以及基于實驗室中為了預測生物濾除系統(tǒng) 中液體階段的六種重金屬的濃度而大量實驗觀察的神經網狀模型，最后，一個說明它的應用的研究實例被提出。 介紹 在污水處理過程中，廢水中的重金屬在污泥中得到濃縮。在這些污泥在土地里被分解之前，污泥中的重金屬含量被減少到一個合理的水平（弗萊斯， 1987）。重金屬從污泥中的去除，可以通過加酸，也可以通過微生物濾去。在生物濾出程序的研究中，它是將特有的氧化硫細菌應用于污泥中（布萊斯， 1992）。 在最近幾十年，大量的研究直接朝向已被用于對去除重金屬的微生物濾出方法（科爾達和朱 1992；泰爾基和科爾達 1989；科爾達和莫塞爾 1991）。一些研究（泰爾基 1993；斯里克斯曼 1993）有在數學的模擬和仿真上使用氧化硫細菌的濾除程序被實施。然而，很少在高級的監(jiān)視器上已被報告對這種過程的理想的控制。這個問題當前的狀態(tài)遠低于令人滿意的水平。這種重金屬的生物濾除程序通常是在反應堆中進行的。它要求在污泥中的重金屬減少到合理的水平時停止批量操作。然而，由于在線對金屬濃度測量措施有關的實際的困難，批量操作會直到它自然終止。而2 保持運行時間 pH 媒介將落下到其最低水平（大約是 ）的同時，活性的微生物將很少。根據我們的實驗室工作 ，其中六種常遇到的有毒重金屬，即鎘，鉻，鋁和鋅，銅，鉛被監(jiān)控，這種程序要自然結束需要 120 個小時（表格 13），盡管它能依污泥大大縮短時間。在實踐中，污泥中的重金屬往往被過度降解，就是說，在生物濾除后，污泥中濃縮的重金屬遠遠低于標準水平。當這種情況發(fā)生時，往往是因為 pH低于 ，并且有機營養(yǎng)物被分解了。這種固定時間的操作并不是符合要求的，因為過度的濾除重金屬是完全沒有必要的，這樣只會浪費能量和時間，還有就是分解了污泥中的有機物。眾所周知，系列操作要求達到必須的重金屬水平主要決定于下面幾個因素：（ 1）污 水污泥中重金屬的總量；（ 2）操作中生物濾除效率（取決于污泥顆粒濃度，污泥種類，等等）；還有（ 3）標準或者發(fā)布的為了安全處理允許的金屬的量。因此，要求的批操作時間是污泥性質的一種功能， 同時，濾去的效率并且趨向于從情況到變化情況。明顯，對于重金屬最初在污泥中比較低的情況，批操作時間實際上要求必須比 120 小時短。 為了在最好狀態(tài)終止批濾除操作，當所有重金屬達到必要的溶解要求，在生物濾除期間規(guī)律地監(jiān)控金屬濃度是必要的?，F在，金屬集中測量不能被考慮是為了監(jiān)控任務，因為適當的實驗儀器直接測量重金屬溶解不是可供使用的。 實驗室分析是時間消耗，它通?；ㄙM幾小時并且代價也比較昂貴。對金屬溶解度頻繁的實驗室分析是不可取的，至少現階段是不現實的。 實驗證據顯示 ，在批微生物的濾去的操作期間，金屬的溶解度程度取決于污泥的種類（難消化的，厭氧消化，或者厭氧消化污泥），污泥中金屬的初始含量，污泥的 pH 值， pH 值是操作過程中最重要的參數（斯里克里斯曼， 1993）。所以，從工程學的角度來看，生物濾除程序由兩部分組成：（ 1）細菌在生長過程中產生酸，使 pH 值變得越來越低；（ 2）污泥中低的 ph 使金屬得到溶解。這就說明， ph 值就是這個操作過程中最 重要的因素。其他因素諸如污泥種類（難消化的，厭氧消化，3 或者厭氧消化污泥）和污泥中金屬的初始濃度也影響金屬的溶解度（斯里克里斯曼，1993）。最終的 ph 值給了不同污泥的期望值。由于缺少對生物濾除程序機理足夠的認識，所以想要得到關于各種因素的準確的方程式一般是很難的。因此，在這項研究中，我們依靠在實踐活動中的不斷觀察，神經網絡的應用是由于它對數據獨特的處理能力和預測能力，從而利用 ph 值和其他相關的因素對金屬溶解度的及時預測來替代離線分析工作。 由于對污的泥特性認知的的不同程度，污泥中初始金屬濃度的變更，操作條件如操作溫度的變更，使得生物濾除程序有隨時間變動的自然屬性。當一個開環(huán)網絡系統(tǒng)在執(zhí)行過程中，對金屬濃度一定程度上的預測誤差（現階段的案例中小于 15%）是不可避免的。批操作的終止過程中，由于消極的預測誤差的存在，如果這個決定做的更謹慎些，基于開環(huán)網絡系統(tǒng)預測的單個操作可能會被采納。為了使工作更有效，精確，當然，預測誤差必須被減少或者糾正，預測誤差只有在如下情況下才是有價值的，測量值和預測值確實是存在不同。結果，金屬濃度需要離線測量，但在整個操作過程中只有一次。為了說明實驗結果所需要的時間段內，幾小時內，需要事先 預測金屬濃度。結果，借助于卡爾曼過濾技術的拓展，一個合適的在線預測系統(tǒng)被開發(fā)出來，用于在提前 6 小時預測 ph 值。借助于一個神經系統(tǒng)模型，相應的金屬濃度隨后被預測出來。隨著這些動態(tài)的預測的可行性，為了彌補預測誤差，在這項研究中，一種高級的操作方法最終被發(fā)明出來。該程序在這項研究中的應用只是實例研究中的一個小插曲。 表格 1. 生物濾除期間難消化污泥中金屬溶解度的平均值和標準誤差百分數 4 材料與方法 生物濾除實驗 基于一種新技術的應用，將氧化硫細菌與固有的細菌聯合起來，微生物的濾去的操作在一個艙門中 被實行（布萊斯 1992）。這個程序中有兩種明顯的氧化硫細菌：5 弱酸性菌種在 ph 值高于 （極限范圍從 到 ）時占主要地位，而酸性菌種在ph 值低于 （極限值為 到 ）時占主要地位。這些菌種通過氧化大自然中的硫化物來產生硫酸，從而使媒介的 ph 值變低，金屬的溶解就發(fā)生在這個階段。 二十二種污泥被從加拿大魁北克，安大略湖，特拉華和馬里蘭的 11 種水處理植物獲得，生物濾除程序中一套完整的數據設備，包括實驗室分析和一項詳細的根據實驗的描述在別的地方被報道。