呼吸计的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及感测装置和方法，特别地用于监视水中的生物体，在某些优选应用中用于监视在污水处理设施中的活性污泥。
【背景技术】
[0002]废水处理占了总英国能量供应的令人吃惊的较大比例，据估计，高达2%。这些能量中的大部分用于对处理设施中的生物絮凝物的充气。举例而言，污水处理设施可能具有20个100KW马达持续地运行以对活性(包含细菌)污泥提供充气。很可能的是，更低得多的程度的充气将是足够的，但应了解，设施管理者将宁求稳妥，不愿涉险。对于保持废水处理设施令人满意地运行的过程相对地知之甚少，并且通常并未严格地加以控制。
[0003]由有经验的管理者主要使用视觉和味觉来控制设施(当适当地操作时，嗅觉并非令人不快的)，并补充以偶尔的测试。在英国，典型情况下，通常使用B0D5测试(生物化学需氧量5日测试)，顾名思义，其对现场样品进行孵育超过5天以通过其用氧量来表征样品。有时也采用探针诸如氧或氨探针，但实际上这并不良好地作用并且常常失效/发生故障或无法校准。
[0004]更好地理解和控制这个过程可能通过将充气程度减小到恰好必需的水平来允许实现显著的能量节省。然而，难以获得对设施的状态和特别地对活性污泥的生物需氧量的准确测量。这特别地是因为水性污泥并非纯液体，而是包括不可溶的粒子，家用/工业垃圾等。
【发明内容】
[0005]根据本发明，因此，提供一种浮动呼吸计，包括:浮力装置，其允许呼吸计浮动于水性液体中；呼吸计腔室，其由浮力装置支承并且被布置成使得当呼吸计浮动于所述水性液体中时，所述腔室被部分地填充所述水性液体并且限定了在所述水性液体上方的封闭的顶部空间；以及，气体传感器，其与所述顶部空间成气体连通。
[0006]采用这种类型的浮动呼吸计解决了一些问题:如在下文中所描述，为了一致的结果，重要的是，在腔室内的液体样品的体积从一个样品到下一个样品基本上恒定，因为在腔室内的体积影响信号，但这对于包含不易于栗送的高固体含量的流体难以实现。
[0007]使呼吸计浮动对腔室内的流体体积提供自然、可重复的控制，因为流体在腔室内升高到外部空气-液体界面的高度。可以通过控制腔室的大小和该装置的总浮力来控制体积。浮力可以由一个或多个浮体来提供或者浮力装置可以是内置的，例如，作为第二空气填充腔室和/或通过将样品腔室安装于浮力平台上。本领域技术人员将认识到可以采用许多不同类型的浮力布置。
[0008]在某些优选实施例中，气体传感器是气体压力传感器，更特别地是采用柔性隔膜或膜的类型，使得腔室的顶部空间保持密封，但额外地或替代地，也可以采用气体组成传感器，例如用以感测氧气、氮气、氨、二氧化碳等水平。在优选实施例中，特别地在对压力进行测量的情况下，在测量所述腔室内的液体中的生物体的呼吸期间密封所述腔室，但在原则上，这对于其它类型的测量并不重要。
[0009]采用浮动呼吸计的另一优点在于对腔室内的液体样品进行温度控制以处于并且保留在周围液体的温度。对于监视活性污泥容器的浮动呼吸计而言，这意味着呼吸测量将是活性污泥的实际生物化学需氧量的指示，因为其处于与污泥相同的温度，为此，在实施例中，将要控制充气的程度。另外，由于活性污泥的温度并不在数小时的时间段内显著地变化，而是逐月变化，则浮动布置确保了从一个测量到下一个测量的稳态的、基本上恒定的温度。而这当测量由于腔室中液体内的生物体的呼吸造成的气体压力变化时同样特别重要，因为所观察的压力变化可能非常小，例如大约0.1毫巴并且因此为了避免由于温度变化所造成的错误读数，温度控制是重要的。
[0010]在某些实施例中，呼吸计可以基本上是自由浮动的，例如，由浮动环支承并且例如由提供电力和/或压缩空气的脐带拴系。在其它布置中，该装置可以浮动，附连到臂上，被布置成使得呼吸计能根据需要上下浮动。在培养腔室可能大体上呈圆柱形的实施例中，较大的体积通常是优选的，例如，大于一升。当浮动时，腔室无需在所有的深度处具有相同截面积。应认识到如果腔室在空气-水界面的高度处具有较小截面积，那么顶部空间体积将相对较小并且装置浮动处的深度的较小变化也将导致腔室内液体体积的较小变化(相反地，在空气-水界面处的较大截面积将使得腔室对于液体体积比对于浮动高度更敏感)。因此，可以调整腔室在空气-液体界面的高度处的截面积以调整所述装置对于浮力变化的敏感性，并且可选地，在这个高度处的面积可以小于在腔室的更深部分处的截面面积，用于有所增加的体积控制准确度。
[0011]然而，在实施例中，培养容器腔室可以大体上为管状的并且大部分腔室可以悬挂于浮动平台下方，腔室安装于浮动平台上。在压力-测量实施例中，在腔室内顶部空间体积与液相体积之间的比例影响压力变化速率并且无论腔室形状如何，这由装置的浮力来进行自动调节(并且可以通过调整浮力而调整)。
[0012]如先前所提到的那样，特别地，当监视时难以栗送液体诸如活性污泥的另一问题在于如何获得样品的准确体积。在装置的优选实施例中，入口阀设置于腔室浮动处水位的下方从而使得能通过打开这个阀来填充腔室。在优选实施例中，此阀在腔室的下端处，例如在腔室的基底中。然后，通过将空气栗送到腔室内，在腔室中的液体可以被排出。方便地，这可以通过再使用一种用来促进在液体与腔室内的顶部空间之间的气体交换的机构来实现，更特别地，一种空气喷雾或鼓泡(air sparge)布置，如将在下文中所描述。在优选实施例中，入口阀包括夹管阀或夹管阀，特别地可以由管的夹紧侧来闭合的管的一段长度，例如，通过利用压缩空气来压缩管。这种布置是有利的，因为能绕已穿过阀的所述一段长度中途的固体粒子进行密封。
[0013]在某些优选实施例中，特别地，用于活性污泥容器中，呼吸计包括了在所述入口阀下方的气泡罩。这可以包括位于腔室下端下方的网格，网格具有从呼吸计下方向上，向外，朝向并且优选地超过呼吸计侧部而延伸的表面以将气泡从呼吸计下方转移走。这种布置特别适用于活性污泥容器，其中，可能存在从下方对容器的充气，这种罩阻止气泡进入样品腔室。有利地，在网格中的孔的大小可以适于提供过滤效果，以阻止更大的不希望的实体进入到入口阀。
[0014]特别地在测量到压力变化的情况下，因为源自呼吸的压力变化非常小，重要的是确保在腔室中的液体样品内的气体与顶部空间之间充分的气体交换。更特别地，在有些实施例中，应存在有促进这种气体交换到足以允许气体交换的发生比液体样品中由生物体进行的气体使用/产生的速率更快的程度的系统，实质上，气体必须在液体与顶部空间之间比生物体使用气体更快地交换。这是优选的，因为原本气体压力变化信号可能会令人误解，因为在腔室中的液体与顶部空间中的气体之间并不存在充分的混合，压力测量可能会受到它们之间的气体交换速率的限制。通过测量样品的呼吸(压力变化)并且减小混合程度，能在实验上针对特定情况确定所需混合程度，直到可以看出压力变化取决于(受限于)混合速率，这确立了混合速率的下限。
[0015]因此，浮动呼吸计的优选实施例包括一种混合系统以促进介于腔室中的液体与在腔室的顶部空间中的气体之间的气体混合。可以设想到各种技术，例如桨轮或栗送布置。如先前所提到的那样，在优选实施例中，气体交换很快，特别地将氧气从顶部空间移动到液体内，减少了在顶部空间中的分压或氧气。一种方案是与顶部空间中的文丘里管布置组合地采用栗，但如先前提到的那样，栗具有针对活性污泥样品的缺陷。已发现实际上良好地起作用的优选方案也采用喷雾器或鼓泡器(sparge)来使气体从顶部空间通过腔室中的液体而起泡(在密封系统中)。因此，在实施例中，可以设置空气栗以将气体从顶部空间沿着管道而栗送到腔室中的液体内，优选地将气体向下栗送到腔室的底部，例如，到喷淋环(spargering)，以允许气体向上通过液体而起泡回到顶部空间。
[0016]在优选实施中，呼吸计设有与腔室的顶部空间相连通的至少一个气体/空气阀。以此方式，可以通过打开在腔室底部处的入口阀和在腔室顶部处的气体(出口)阀来填充腔室，并且可以通过闭合在腔室顶部处的气体阀并且向腔室内提供外部空气供应，例如再使用所述喷雾器系统将空气吹送进入到腔室内以将腔室中的液体通过在底部处的入口阀排出来净化该装置。(应意识到即使向腔室底部处吹入空气时，这些空气将上升到顶部并且推动液体穿过底部处的入口阀出来)。在有些实施例中，可设置两个气体/空气阀用于该装置，空气释放阀与顶部空间相连通，以在液体填充所述腔室时允许空气从顶部空间出来，且空气入口阀允许空气进入到腔室内，例如，进入到喷雾器系统内，以将液体排出从而清除腔室的液体。在有些实施例中，呼吸计设有控制器，控制器适当地设定这些阀的顺序(空气入口打开，空气出口闭合，液体入口打开以净化该装置;空气入口闭合，空气出口打开，液体入口打开以填充该装置;液体入口闭合，空气入口闭合，空气出口闭合以将该装置作为呼吸计操作)。
[0017]在某些优选实施例中，通过气动控制系统来操作阀；方便地，在有些实施例中，操作所述阀的压缩空气也可以用来驱动所述喷雾器系统，更特别地，喷雾器系统的气体再循环栗。气体(压力和/或组成)传感器可以是电池提供电力的、或者由构成用于也向装置提供压缩空气的脐带连接的部分的低电压电源提供电力。来自该装置的气体感测信号可以无线地提供或者另外经由线连接而提供，例如经由脐带。
[0018]在本发明的其它方