專(zhuān)利名稱(chēng)：一種人工濕地填料生物膜活性的測(cè)定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及人工濕地領(lǐng)域，具體說(shuō)，涉及到人工濕地填料生物膜活性的測(cè)定。
背景技術(shù)：
人工濕地系統(tǒng)中有機(jī)物的吸附、降解和轉(zhuǎn)化主要是由生物膜完成的，生物膜的生 物活性直接影響人工濕地系統(tǒng)的處理效率。因此如何判斷生物膜活性的高低，以便及時(shí)調(diào)節(jié)人工濕地系統(tǒng)的操作條件，使之達(dá)到最佳的運(yùn)行狀態(tài)，是十分重要的。在現(xiàn)階段用于生物膜活性的測(cè)定方法主要有各種生物酶活性測(cè)定法和耗氧速率法，但是這些方法應(yīng)用于人工濕地填料生物膜的活性測(cè)定時(shí)，有很多弊端(I)生物酶活性測(cè)定法這種方法的原理是讓微生物的酶與底物在一定溫度下作用一段時(shí)間，通過(guò)加入強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、蛋白沉淀劑等，使反應(yīng)完全停止(也叫中止反應(yīng)法)。加入試劑進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)顯色測(cè)出底物和產(chǎn)物的變化。由于酶活性受溫度、溶解氧濃度、電子受體濃度、酸堿度的影響很大，在人工濕地系統(tǒng)操作環(huán)境波動(dòng)較大的情況下，測(cè)出的結(jié)果很不穩(wěn)定，很多情況下缺乏前后可比性。另外，由于人工濕地填料及其表面微生物膜在測(cè)定時(shí)容易脫落，混淆色度，易造成測(cè)定結(jié)果的不可靠性。(2)生物膜耗氧速率測(cè)定法該方法的原理是認(rèn)為在微生物的代謝過(guò)程中，氧作為好氧微生物的電子受體而被利用，因而耗氧速率直接反映了微生物的代謝速率。但是在生物膜工藝中，由生物膜的最里層到最外層，依次為厭氧區(qū)、缺氧區(qū)、有氧區(qū)，相對(duì)應(yīng)分布著厭氧微生物、兼性微生物、好氧微生物，并且濕地環(huán)境中厭氧微生物和兼性微生物的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于好氧微生物；因此只測(cè)定氧的消耗速率，而忽視厭氧微生物和兼性微生物所需電子受體(通常為硝酸根、硫酸根、鐵離子)的濃度變化，不能全面準(zhǔn)確地反映生物膜的代謝能力，也即不能反映生物膜的真實(shí)活性。因此，對(duì)于人工濕地環(huán)境下應(yīng)用的填料生物膜活性，需要考慮其菌群特點(diǎn)，提出新的快捷方便的測(cè)定方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供了一種有效、準(zhǔn)確、快捷的人工濕地填料生物膜活性測(cè)定方法，其測(cè)定原理是根據(jù)生物膜中微生物(好氧菌、兼性菌、厭氧菌混合)在新陳代謝中對(duì)電子受體消耗，反映生物膜的活性，在單位時(shí)間內(nèi)不同類(lèi)別的電子受體消耗越多，說(shuō)明生物膜中的微生物活性越高。而且，本發(fā)明的方法不僅限于人工濕地的生物膜活性測(cè)定，其他任何非純好氧條件下的生物膜活性的測(cè)定，都可以推廣應(yīng)用。本發(fā)明提供了一種生物膜活性測(cè)定方法，所述方法包括步驟I)將掛有生物膜的人工濕地填料與硝酸根、硫酸根、三價(jià)鐵離子、飽和充氧水混合；2)測(cè)量上述混合物的初始溶解氧含量，并在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后測(cè)量所述混合物的終溶解氧含量、終硝酸根濃度、終硫酸根濃度和終三價(jià)鐵離子濃度，并測(cè)量亞硝酸根濃度；
3)將生物膜填料取出、干燥并稱(chēng)質(zhì)量；4)利用上述生物膜填料的質(zhì)量、初始溶解氧含量、初始硝酸根濃度、初始硫酸根濃度和初始三價(jià)鐵離子濃度，以及上述測(cè)量的終溶解氧含量、終硝酸根濃度、終硫酸根濃度、終三價(jià)鐵離子濃度和亞硝酸根濃度計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)生物膜代謝消耗氧分子、硝酸根、硫酸根和鐵離子過(guò)程所轉(zhuǎn)移的電子摩爾數(shù)，并由這三個(gè)值計(jì)算所述生物膜的代謝活性。好氧菌在呼吸中消耗的電子受體是氧分子，厭氧菌在呼吸代謝中消耗的常見(jiàn)電子受體是硝酸根(N03_)、硫酸根(S042_)、三價(jià)鐵離子[Fe3+]，兼性菌具有兩套呼吸系統(tǒng)，既能消耗氧分子，又可以利用其他3種厭氧菌常用的電子受體，所以采用同時(shí)監(jiān)測(cè)單位時(shí)間內(nèi)溶解氧(DO)含量、硝酸根(NO3-)、硫酸根(SO/—)、三價(jià)鐵離子[Fe3+]濃度變化來(lái)反映生物膜的活性，具有較好的準(zhǔn)確性。另外還需指出，有些厭氧或兼性菌可以利用C02、H2氣體作為呼吸過(guò)程中的電子受體(也即呼吸作用會(huì)使其在樣品中含量降低)，但是這兩種氣體同時(shí)又是微生物的代謝產(chǎn)物(也即對(duì)有機(jī)物的分解會(huì)使其在樣品中含量升高)，因此其濃度變化不是單純來(lái)自微生物的呼吸代謝，故不建議采用這兩種氣體濃度的變化來(lái)反映生物膜的活性。本發(fā)明彌補(bǔ)了傳統(tǒng)方法測(cè)定人工濕地填料生物膜活性的弊端，具有以下優(yōu)點(diǎn)(I)本方法使用的儀器、實(shí)驗(yàn)器材、測(cè)定方法均屬于常規(guī)方法，不需特殊培訓(xùn)，相對(duì)比較簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)單方便；(2)與酶活性的方法相比，本方法測(cè)定結(jié)果穩(wěn)定；(3)由于充分考慮到濕地環(huán)境中氧的分布特點(diǎn)，全面考慮了不同代謝途徑微生物的呼吸過(guò)程，本方法測(cè)定結(jié)果比其他傳統(tǒng)方法更加準(zhǔn)確、可靠，結(jié)果更有說(shuō)服力；(4)本方法的應(yīng)用范圍廣，不僅限于人工濕 地的生物膜活性測(cè)定，其他任何非純好氧條件下的生物膜活性的測(cè)定，都可以推廣應(yīng)用。


下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明具體實(shí)施方案結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)描述圖I是人工濕地沸石填料掛膜期間生物膜活性的測(cè)定。其中顯示隨著掛膜時(shí)間的延長(zhǎng)，生物膜的活性越來(lái)越高，單位時(shí)間內(nèi)的電子受體代謝速率由O. 38mmole/g. h，上升到第8天的2. 99mmol e/g. h,有上升到14天的5. 35mmol e/g. h。這與常規(guī)掛膜試驗(yàn)中對(duì)生物膜活性變化的判斷是一致的，即在掛膜后的20天內(nèi)，生物膜的厚度會(huì)逐漸增加，生物膜的活性也逐步增強(qiáng)。但是本實(shí)施實(shí)例中具有明顯的上升規(guī)律，受其他因素干擾小，因此趨勢(shì)非常明顯。圖2是沸石、陶粒掛膜22天時(shí)生物膜活性的測(cè)定結(jié)果。其中顯示在2種人工濕地填料掛膜22天時(shí)的生物膜活性，陶粒的明顯要高于沸石的，前者為9. 6mmole/g. h，沸石的為 6. 4mmo1 e/g. h。圖3是沸石、陶粒掛膜22天時(shí)不同電子受體對(duì)生物膜代謝活性的貢獻(xiàn)率。其中顯示陶粒、沸石填料生物膜在呼吸代謝過(guò)程中，不同電子受體的貢獻(xiàn)率大小均為硫酸根>硝酸根>氧氣>鐵離子，且硫酸根的貢獻(xiàn)率占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。說(shuō)明人工濕地的生物膜是以厭氧呼吸為主的，因此只測(cè)定溶解氧變化不能準(zhǔn)確反映整體的生物膜活性的變化趨勢(shì)。
具體實(shí)施例方式參考以下具體實(shí)施方案和其中包括的實(shí)施例的詳細(xì)說(shuō)明以及附圖和它們的前文和下文的描述可以更容易地理解所公開(kāi)的方法在對(duì)本發(fā)明的方法公開(kāi)和描述之前，除非另有說(shuō)明，應(yīng)理解它們并不限于具體的方法，或者除非另有說(shuō)明，它們并不限于具體的試劑，因?yàn)樗鼍唧w的方法、技術(shù)或試劑當(dāng)然是可變的。還應(yīng)理解，本文使用的技術(shù)僅僅是用于描述具體的實(shí)施方案，并不意欲進(jìn)行限制。本發(fā)明中為了清楚表示或者用于方便在公式中表示而使用或定義的編號(hào)和符號(hào)僅僅是為了說(shuō)明的目的，不是意欲進(jìn)行限制。下文所述的實(shí)施方案，在互不沖突的情況下，可以互相組合形成一個(gè)新的技術(shù)方案，該新技術(shù)方案在本發(fā)明的范圍內(nèi)。例如，公開(kāi)具體實(shí)施方案A和B，那么包含實(shí)施方案A和B所有技術(shù)特征的技術(shù)方案C也應(yīng)認(rèn)為被公開(kāi)。本發(fā)明提供了一種生物膜活性測(cè)定方法，所述方法包括步驟I)將掛有生物膜的人工濕地填料與硝酸根、硫酸根、三價(jià)鐵離子、飽和充氧水混合；2)測(cè)量上述混合物的初始溶解氧含量，并在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后測(cè)量所述混合物的終溶解氧含量、終硝酸根濃度、終硫酸根濃度和終三價(jià)鐵離子濃度，并測(cè)量亞硝酸根濃度；3)將生物膜填料取出、干燥并稱(chēng)質(zhì)量；4)利用上述生物膜填料的質(zhì)量、初始溶解氧含量、初始硝酸根濃度、初始硫酸根濃度和初始三價(jià)鐵離子濃度，以及上述測(cè)量的終溶解氧含量、終硝酸根濃度、終硫酸根濃度、終三價(jià)鐵離子濃度和亞硝酸根濃度計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)生物膜代謝消耗氧分子、硝酸根、硫酸根和鐵離子過(guò)程所轉(zhuǎn)移的電子摩爾數(shù)，并由這三個(gè)值計(jì)算所述生物膜的代謝活性。在一個(gè)實(shí)施方案中，在本發(fā)明的方法的步驟I)后，還包括測(cè)量所述混合物的硝酸根、硫酸根和三價(jià)鐵離子的濃度作為所述混合物的初始硝酸根濃度、初始硫酸根濃度和初始三價(jià)鐵離子濃度。這樣做可以減少儀器誤差對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，使結(jié)果更加準(zhǔn)確。在本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施方案中，所述硝酸根可以是可溶性硝酸鹽，例如選自NaN03> KNO3等，考慮到經(jīng)濟(jì)性一般會(huì)選用NaNO3 ;硫酸根可以是可溶性硫酸鹽，例如選自Na2SO4, K2SO4和MgSO4，慮到經(jīng)濟(jì)性一般會(huì)選用Na2SO4 ;三價(jià)鐵離子可以是可溶性三價(jià)鐵鹽，例如選自FeCl3和Fe2 (SO4) 3，但是考慮到經(jīng)濟(jì)性及計(jì)算方便一般選用FeCl3。在一個(gè)具體實(shí)施方案中，硝酸根、硫酸根和三價(jià)鐵離子的初始濃度范圍在濃度O. 2-lmol/L?？紤]到微生物的呼吸速率以及對(duì)鹽度的耐受度，一般不會(huì)選用大于lmol/L的濃度，但濃度低于O. 2mol/L有電子受體供應(yīng)不足的弊端，而影響微生物的正常新陳代謝。在本發(fā)明方法的步驟I)中，在一個(gè)具體實(shí)施方案中，所述已經(jīng)掛有生物膜的人工濕地填料與所述混合物的質(zhì)量體積比是10-50 250。這種比例是考慮到生物膜呼吸代謝過(guò)程中的耗氧速率，確保在測(cè)定時(shí)間段內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)水中溶解氧供應(yīng)不足的現(xiàn)象。在本發(fā)明方法的步驟I)中，在一個(gè)具體實(shí)施方案中，所述混合物被預(yù)曝氣充氧飽和。預(yù)曝氣是為了保證水中有充足的溶解氧，以供測(cè)試生物膜在測(cè)定時(shí)間段內(nèi)的好氧呼吸消耗。在一個(gè)具體實(shí)施方案中，將掛有生物膜的人工濕地填料、硝酸根、硫酸根、三價(jià)鐵離子混合后加入預(yù)曝氣充氧飽和的無(wú)菌水。在本發(fā)明方法的步驟2)中，在一個(gè)具體實(shí)施方案中，該步驟在隔絕空氣的狀態(tài)下進(jìn)行。該方法可以避免外界空氣中的氧氣進(jìn)入測(cè)試體系中，或者水中氧氣溢出，從而不能保證測(cè)定的溶解氧減少的結(jié)果完全是好氧微生物呼吸代謝所消耗的。在一個(gè)具體實(shí)施方案中，將盛所述混合物的容器用預(yù)曝氣充氧飽和的無(wú)菌水加滿(mǎn)，排出其中的空氣并密封。在一個(gè)具體實(shí)施方案中，為防止測(cè)定過(guò)程空氣中氧氣與液體混合物氧氣之間的交換，將纏有生料帶的溶解氧(DO)儀探頭插入容器中，使探頭與容器口達(dá)到密封狀態(tài)，且使容器內(nèi)無(wú)氣泡。在本發(fā)明的方法的步驟2)中，在一個(gè)具體實(shí)施方案中，所述一段時(shí)間為O. 5-10小時(shí)，優(yōu)選1-5小時(shí)。在本發(fā)明的方法中，在一個(gè)具體實(shí)施方案中，測(cè)定硝酸根、硫酸根、三價(jià)鐵離子和亞硝酸根按照標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行測(cè)定。例如參照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法第四版》。例如，在一個(gè)具體實(shí)施方案中，N03_測(cè)定方法為酚二磺酸光度法，SO42-為鉻酸鋇光度法，F(xiàn)e3+為鄰菲啰 呤分光光度法。 在本發(fā)明中，硝酸根的電子轉(zhuǎn)移可大致分為2部分，轉(zhuǎn)化為亞硝酸根和完全轉(zhuǎn)化為氮?dú)狻Ｔ诒景l(fā)明的方法的步驟3)中，在一個(gè)具體實(shí)施方案中，將生物膜填料取出，放置于105°C烘干24h后稱(chēng)重。在本發(fā)明的方法的步驟4)中，在一個(gè)具體實(shí)施方案中，計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)生物膜代謝消耗氧分子、硝酸根、硫酸根和鐵離子過(guò)程所轉(zhuǎn)移的電子摩爾數(shù)分別按如下進(jìn)行單位時(shí)間內(nèi)生物膜代謝消耗氧分子過(guò)程所轉(zhuǎn)移的電子摩爾數(shù)
權(quán)利要求
1.一種生物膜活性測(cè)定方法，所述方法包括步驟 1)將掛有生物膜的人工濕地填料與硝酸根、硫酸根、三價(jià)鐵離子、飽和充氧水混合； 2)測(cè)量上述混合物的初始溶解氧含量，并在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后測(cè)量所述混合物的終溶解氧含量、終硝酸根濃度、終硫酸根濃度和終三價(jià)鐵離子濃度，并測(cè)量亞硝酸根濃度； 3)將所述生物膜填料取出、干燥并稱(chēng)質(zhì)量； 4)利用上述生物膜填料的質(zhì)量、初始溶解氧含量、初始硝酸根濃度、初始硫酸根濃度和初始三價(jià)鐵離子濃度，以及上述測(cè)量的終溶解氧含量、終硝酸根濃度、終硫酸根濃度、終三價(jià)鐵離子濃度和亞硝酸根濃度計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)生物膜代謝消耗氧分子、硝酸根、硫酸根和鐵離子過(guò)程所轉(zhuǎn)移的電子摩爾數(shù)，并由這三個(gè)值計(jì)算所述生物膜的代謝活性。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中在步驟I)后，還包括 測(cè)量所述混合物的硝酸根、硫酸根和三價(jià)鐵離子的濃度作為所述混合物的初始硝酸根濃度、初始硫酸根濃度和初始三價(jià)鐵離子濃度。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的方法，其中所述步驟2)在隔絕空氣的狀態(tài)下進(jìn)行。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的方法，其中在步驟4)中 所述單位時(shí)間內(nèi)生物膜代謝消耗氧分子過(guò)程所轉(zhuǎn)移的電子摩爾數(shù)
5.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的方法，其中 由所述單位時(shí)間內(nèi)生物膜代謝消耗氧分子、硝酸根、硫酸根和鐵離子過(guò)程所轉(zhuǎn)移電子摩爾數(shù)計(jì)算所述生物膜的代謝活性按如下公式進(jìn)行 生物膜代謝活性=N (O2) +N (硝酸根)1+N (硝酸根)2+N (硫酸根)+N (鐵離子)。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的方法，其中步驟I)之后和步驟2)之前包括將所述混合物預(yù)曝氣充氧飽和的步驟。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的方法，其中硝酸根選自NaNO3和KNO3,硫酸根選自Na2SO4' K2SO4 和 MgSO4,三價(jià)鐵離子選自 FeCl3 和 Fe2 (SO4)30
8.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的方法，其中所述初始硝酸根濃度、初始硫酸根濃度和初始三價(jià)鐵離子濃度均為O. 2-lmol/L。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的方法，其中所述一段時(shí)間為O.5-10小時(shí)。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的方法，其中所述所述已經(jīng)掛有生物膜的人工濕地填料與步驟I)所得混合物的質(zhì)量體積比是10-50 250。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)一種人工濕地填料生物膜活性的測(cè)定方法。根據(jù)人工濕地填料生物膜好氧微生物、厭氧微生物、兼性微生物新陳代謝特征，采用同時(shí)監(jiān)測(cè)這3大類(lèi)微生物在呼吸代謝中的常用電子受體濃度的變化來(lái)反映其生物膜活性的高低。即發(fā)明了測(cè)定單位時(shí)間內(nèi)溶解氧(DO)含量、硝酸根(NO3-)、硫酸根(SO42-)、三價(jià)鐵離子[Fe(III)]濃度變化來(lái)綜合反映生物膜的活性的方法，提供了計(jì)算公式，具有可靠的理論依據(jù)。該方法結(jié)果更準(zhǔn)確、穩(wěn)定、受干擾小，操作簡(jiǎn)單快捷，在技術(shù)上可行，經(jīng)濟(jì)上合理。
文檔編號(hào)G01N31/00GK102636613SQ20121007744
公開(kāi)日2012年8月15日 申請(qǐng)日期2012年3月22日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月22日
發(fā)明者葉春, 姜怡, 李春華 申請(qǐng)人:葉春, 姜怡, 李春華