基本信息
- 项目名称：
- 废水资源化处理关键过程产物在线检测仪
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 本系统设计遵循荧光光谱仪器设计原理，采用了微弱信号检测技术和处理技术。设计研发废水资源化处理关键过程产物在线检测仪，实现厌氧反应器中反应过程产生的色氨酸、核黄素和辅酶I的相应含量的在线检测，从而完成对废水处理厌氧降解过程的实时检测，对其参数控制提供技术依据以及判断基础，进一步提高废水资源化的水平。
- 详细介绍：
- 我国水资源的现状，一方面表现为我国是一个缺水国家，人均水资源只有世界平均水平的 1/4。据统计数据显示，由于水污染的处理技术、人们对水污染的认识以及财政资金不能完全到位，造成了全国目前大约有一半的城市缺水的现状。 针对普遍存在的水污染的现状，近年来，我国污水处理厂不断兴建，污水的处理率虽然在不断提高，但主要是集中在城市的污水处理，全国大部分农村及农业的污水得不到处理，农村污水排放量在污水总排放量中的比例越来越大。全国监测数据显示，2008年我国废水排放总量为572. 8亿吨, 比上年增加2. 7% , 其中工业废水排放量为241.9亿吨, 生活污水为330. 1亿啊。这些废水中, 80% 以上未经任何处理便直接排入江湖河海中, 造成水体严重污染。据文献报道，我国各大水系及其流经地区的河段受到了不同程度污染，这也在另一个侧面上说明了我国水污染的现状。总之，我国的水资源状况不容乐观，污染相对比较普遍，但对废水的处理滞后，同时水资源利用率较低。针对上述现象，需要对提高废水处理效率，并对大量废水进行有效的资源化，这符合我国现有的国情和可持续发展战略。 在污水处理方面，国外走在了前列，从上个世纪六十年代开始污水处理技术以及相关的化学和非化学方法研究，已用于工业生产过程中的主要有湿式氧化法[5]等处理方法。在国内，污水处理的技术起步较晚，上述处理方法，在国内工农业生产过程中的污水处理中很少采用，这主要是因为处理费用较高，使得国内相关行业很少选择这种方式处理。目前我国废水现状是对于高浓度有机废水中的处理，处理效率还没有达到应有的水平。因此，解决我国水污染的主要目标是控制有机物污染。有机物污染治理的最佳技术是采用生物处理技术，它比化学和物化处理技术效果好而且处理费用低。厌氧降解比好氧降解更具有优越性。主要表现在：(1)节省过多的动力消耗；(2)厌氧生物处理技术可以产生生物能，例如甲烷；(3)厌氧生物处理技术对某些有机物有较好的降解能力。废水厌氧处理主要是在没有氧气存在的条件下，通过厌氧降解反应器内部的微生物对废水中的有机化合物进行厌氧降解消化，达到污水处理的效果。在废水厌氧降解过程中，产生的甲烷等可利用的资源，这也正是进行废水资源化的一个重要手段。废水资源化主要是指将生产和生活的废水经合理分类和科学处理后加以综合利用的相关方法和相关手段。实际上它是将废水加以处理后用于可再生水的地方去减轻水资源供需矛盾。针对我国当前水资源和水环境现状,需要从水资源的合理开发利用和保护入手，于此同时学习和借鉴国内外水资源利用和保护的先进经验，推行废水资源化，提高水的循环和综合利用程度，实现水资源的重复利用。这是我国国民经济发展极其重要的基础,也是实施区域可持续发展战略的保证。针对废水处理厌氧降解过程中的厌氧反应器中产生的色氨酸、核黄素和辅酶I的检测，采用荧光光谱技术对其进行检测是可行的。通过对三种物质在厌氧降解过程中的厌氧反应器内部的浓度变化，可表征厌氧降解过程中厌氧反应器内部的运行状态从而实现反应器中荧光活性生化物质(色氨酸、核黄素和辅酶I)的在线测量，提高反应器的反应效率，进一步提高废水资源化水平。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 设计目的：研制废水资源化处理关键过程产物在线检测仪，目的在于实现反应器中荧光活性生化物质(色氨酸、核黄素和辅酶I)的在线测量，提高反应器的反应效率，进一步提高废水资源化水平。基本思路：本系统主要由系统总控模块、氙灯脉冲模块、激发光单色模块、参考光探测模块以及荧光探测模块等模块组成。激发光发出的光通过激发光单色仪获得对应物质的相应波长范围的光，通过光纤传至放置在厌氧反应器内部在线光纤探头；其中单色仪由步进电机通过传动装置调整激发光单色仪；被测水体发射的荧光经光纤传输、光耦合、光谱滤光后，经光电转换、弱信号检测电路得到反映被测水样中厌氧处理器中荧光物质的电信号；然后由数据采集模块进行采样，将采样值传输至上位机；上位机通过对数据进行处理、分析等操作。创新点：将荧光光谱技术拓展应用于废水处理厌氧降解过程中，在线监测生物反应器的运行状态，属于应用创新。技术关键：1确定反应器各荧光活性物质浓度曲线，它将决定在线监测仪体积、造价、速度等因素。2在线监测仪研制过程中各主要部件(如光源、光电探测器、光纤探头等)的技术参数确定以及系统信噪比的提高；微弱光信号的探测，以及后续光电转换电路及微弱电信号的处理、去噪及采集的实现。3系统控制软件(光源和探测器同步控制、机械部分的转动控制、接口控制等)、分析算法、浓度与反应器状态间关系模型的一体化智能软件的研发。主要技术指标：测量范围：0.1-20mg/L（可扩展）;分辨率：0.1mg/L;精度：2%;测量间隔：2min
科学性、先进性
- 作品的科学性先进性： 传统方法中，对厌氧反应器的检测，需要经过取样、样品预处理以及实验室常规仪器的检测等步骤，这在很大程度上大大降低了检测的实时性，另一个方面，经过上述过程，中间掺杂了许多人为因素，这对测量的重复性的影响很大。针对废水处理厌氧降解过程中厌氧反应器内产生的色氨酸、核黄素和辅酶I，本仪器采用荧光光谱技术，实现对着三种物质浓度的在线测量，实时的监测厌氧反应器的反应状态，可提高废水处理效率，以进一步提高废水资源化的水平。 从采用的技术而言，一方面，本仪器拓展了荧光光谱技术的应用范围；另一方面，本仪器打破了实验室传统仪器在过程检测中的瓶颈，实现了对反应过程的实时检测，这在过程检测和控制上都有着显著的改善。
获奖情况及鉴定结果
- 无
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 有偿技术转让。
作品可展示的形式
- 实物、产品，实物演示。
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 适用范围： 污水处理厂、啤酒生产中发酵过程中等等。社会效益： （1）为废水处理过程检测提供可靠技术依据。 （2）提高废水处理效率，最大限度实现废水资源化。 （3）替代进口，节约外汇。经济效益： 类设备主要应用于废水处理过程中，保守估计市场为每年50套。该系列设备以每套均价10 万元，年销售50套计算，销售收入500万元,经济效益可观。
同类课题研究水平概述
- 1、当前国内外研究水平概述： 对于高浓度有机废水中的综合治理在我国一直未得到根本解决，特别是难生物降解的高浓度有机废水的治理更为困难。国外从20世纪60年代开始研究高浓度有毒、有害化工废水的治理工艺，已用于生产规模的主要有湿式氧化法、膜分离法、吸附法和焚烧法等。但是由于处理费用较高（通常为15～30元/t，甚至更高），国内很少有企业采用。目前工厂企业排放出的高浓度有机废水一般用两类方法处理：一种是采用化学氧化和催化氧化为主的工艺；另一种治理方法是先预处理提高可生化性，让然后再采用生化处理。目前国内还仅限于小流量高浓度难生化降解的废水处理，其推广应用受到很大限制。生化法由于其经济、高效，一直以来在有机废水的二级和深度处理中占有重要的地位，是废水达标排放的重要保障。生化法目前是国内大多数高浓度有机废水处理工程实践中的必选方法，也只有生化法才能在组合工艺的末端，较经济的满足我国目前“分散治理、达标排放”所要求的较低排放浓度。 2、发展趋势： 为了提高污水处理的效率，需要对降解过程的主要指标进行表征。目前，传统的检测方法都需要取样后在实验室进行测定，测定需要时间长、需要消耗化学试剂、可能造成二次污染。而采用荧光在线监测，能对降解过程进行非接触、不消耗试剂、直接、在线、实时表征，是污染物降解监测中潜力巨大的监测手段。 3、知识产权状况分析： 通过查询中华人民共和国国家知识产权局，并未发现有对厌氧降解过程在线监测设备。所申请的专利主要是厌氧处理方法及设备，比如：一种卧式带搅拌有机废物厌氧消化处理设备及处理方法(200810114652.2)、一种立式无搅拌有机废物干式厌氧消化处理设备及方法(200810114643.3)、含硫化合物废水的厌氧处理方法和设备(200480020406.0) 、禽畜养殖废水亚硝化-厌氧氨氧化处理方法及设备(200810198364.X)、UASB-生物膜厌氧氨氧化方法及其设备(200710026435.3)、生物压力厌氧同时处理垃圾和废水新技术及其设备(200710007674.4)、温控UASB厌氧氨氧脱氮方法及其设备(200710026433.4)、用于厌氧发酵生物垃圾的方法和发酵设备(200580024106.4)等。
