CN106959361B - 一种基于微型动物速度分析的生物膜法水处理效果监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于微型动物速度分析的生物膜法水处理效果监测方法，属于污水处理技术领域。本发明针对目前通过化学指标分析费时性、微型动物群落特征来判断污水水质指标复杂繁琐性，建立一种通过污水生物膜法系统中行为指示微型动物的运动方式观察、运动速度分析监测污染物去除效果的方法，具体为：通过动态显微视频拍摄、静态图片分析的方法观察生物膜中指示微型动物的运动方式，计算微型动物运动速度，分析监测污水处理效果；为污水处理水质检测与工艺运行状况判断、管理，提供更有效的方法。

Description

一种基于微型动物速度分析的生物膜法水处理效果监测方法

技术领域

本发明属于污水处理技术领域，更具体地说，涉及一种基于微型动物速度分析的生物膜法水处理效果监测方法。

背景技术

污水处理中，可以通过水质化学分析来判断污水效果优劣，但化学分析不仅时间长，且分析过程繁琐。因此，通常通过分析一些宏观指标(MLSS、MLVSS、SV、SVI)来监测生物处理系统(活性污泥法、生物膜法)成熟与否、正常或异常，并以此来监测污水处理效果。但宏观指标往往是间接的、滞后的，准确性较差。

污水生物处理系统是由微观生态系统及其有机物、无机物质等组成的复杂系统。其中的微型动物(原生动物、后生动物)处于较高营养级，对环境非常敏感，可以作为指示微生物，能比较准确、及时地反映污泥特征、污水处理工艺条件及处理效果。

目前在生产管理中，通常只观察代表性的指示微生物种类，不进行定量分析，其准确性只能依赖于观察者的经验。为了更加准确地监测，发明专利“一种基于微型动物密度分析的活性污泥状态监测方法(中国专利号ZL201310363705.5)”，采用微型动物群落特征参数，建立集活性污泥微型动物的密度统计分析、密度函数计算与污泥状态检索表使用为一体的整套方法，对悬浮活性污泥特性进行分析。但该申请案需鉴别样品中所有微型动物并计数，对微型动物鉴别、分类技术要求高，统计分析工作量较大。

生物膜法工艺中的生物膜是污水处理的核心，其特性决定了有机物降解效率。生物膜特性参数包括：1)物理性指标：挥发性生物膜量、生物膜厚度、生物膜脱水性等；2)化学特性：生物膜胞外聚合物EPS含量、EPS组成等；3)生物特性：脱氢酶活性、生物膜耗氧率、生物膜内微生物种群分布等指标。有研究表明，单一物理、化学指标只能表征生物膜某一方面特性，很难综合性地反应生物膜特性，不能监测污水处理效果；生物指标脱氢酶活性、生物膜耗氧率分析又比较繁琐，且对分析准确性要求较高。采用通过观察微型动物数量和种群分布来监测生物膜法水处理效果，也存在任务繁重、工作量大的缺点。

因此，针对上述现有技术存在的问题，需要一种更优化的污水生物膜法处理效果监测分析方法。

发明内容

1.发明要解决的技术问题

针对现有技术中通过微型动物群落分类、鉴别、计数与统计比较繁琐、工作量大的问题，本发明提供了一种基于微型动物速度分析的生物膜法水处理效果监测方法；发明人研究发现：生物膜法污水处理中，环境优良时微型动物运动速度正常，污水处理效果好；当生态系统环境恶劣时，微型动物运动受到影响，速度减慢，污水处理效果变差，微型动物的运动速度是对水处理环境的综合反映。因此，以微型动物运动为基础建立了直接反映生物膜法污水处理效果的监测方法，本发明提高了生物膜法污水处理效果监测的简单性、准确性、高效性，为膜法污水处理厂运行管理提供了技术支撑，能够更好地适合实际工程需要。

2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明的一种基于微型动物速度分析的生物膜法水处理效果监测方法，其步骤为：

步骤一、从填料上刮取少量成熟的生物膜，加蒸馏水稀释制成混合液，用微量移液器移取定量的混合液于载玻片中，盖上盖玻片，制成生物膜标本；

步骤二、用显微成像系统跟踪观察优势度较大的微型动物运动方式，并将其运动过程录制成视频；

步骤三、采用图形分析软件在运动起始t₁时刻对拍摄的微型动物视频进行截图得到图1，在t₂时刻截图得到图2，在t_n时刻截图得到图n，将图1、图2……图n合并成一张图W；

步骤四、将微型动物运动方式分为6类：曲线型、蠕动型、摆动型、转圈型、伸缩型、综合型，每种微型动物计算3个视频的运动速度，然后求其平均速度V；

步骤五、分析生物膜中各种微型动物运动平均速度V与主要水质污染指标去除效果相关性，建立两者间的相关性函数：

Y_i(％)＝f(V_ni)

式中，Y_i为i种污染指标去除率，V_ni为n种微型动物运动速度，V_ni单位为um/s；

步骤六、根据微型动物的运动速度V与污染指标去除率相关性大小排序，确定各水质指标的行为指示微型动物；

步骤七、采集待检测生物膜法污水处理生物膜，重复上述步骤一～六，确定行为指示微型动物，计算运动速度，根据Y_i(％)＝f(V_ni)监测污水处理效果。

更进一步地，步骤二中录制的视频长度必须能覆盖微型动物整个运动状态，每一种微型动物至少录制3段代表性视频。

更进一步地，步骤三中视频截图的时间间隔t_n-t_n-1、截图数量n，根据不同微型动物的运动方式、运动速度确定。

更进一步地，步骤四中对运动方式为曲线型、蠕动型的微型动物，其运动速度的计算过程如下：根据图W上微型动物在不同时刻图像，采用曲线工具绘出其运动轨迹，选择合适标尺，计算出该段轨迹的曲线长度S，平均运动速度V＝S/(t_n-t₁)。

更进一步地，步骤四中对运动方式为伸缩型的微型动物，其运动速度的计算过程如下：截图时将弹跳图、收缩图完全分开，然后将弹跳图合成图W₁，将收缩图合成图W₂，分别算出弹跳速度Vt、收缩速度Vs，运动速度V＝(Vt+Vs)，单位为μm/s。

更进一步地，步骤四中对运动方式为摆动型的微型动物，其运动速度的计算过程如下：在图W上测出微型动物身体长度L、摆动起始时t₁的角度α₁、摆动结束时t₂的角度α₂，以线速度表示运动速度，其运动速度V＝L(α₂－α₁)/(t₂－t₁)，单位为μm/s。

更进一步地，步骤四中对运动方式为转圈型的微型动物，其运动速度的计算过程如下：在图W上测出微型动物身体长度L、转圈一周时间t，其运动速度V＝2πL/t，单位为μm/s。

更进一步地，步骤四中对运动方式为综合型的微型动物，其运动速度的计算过程如下：这类微型动物以多种方式进行活动，其运动速度计算为各种运动速度的平均值，运动速度V＝(∑n_iV_i)/i，式中，i为运动方式的种数，i≤6；n_i为不同种运动方式的权重系数，∑n_i＝1，V_i为第i种运动方式的运动速度。

更进一步地，步骤四中对运动方式为综合型的微型动物，所述权重系数n_i为该微型动物的运动方式时长占所有运动方式时长的比值。

更进一步地，步骤六中将微型动物的运动速度V与污染指标去除率函数关系相关性系数进行排序，将相关性系数最大的微型动物作为污染指标去除率的行为指示微生物。

3.有益效果

采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：

(1)本发明的一种基于微型动物速度分析的生物膜法水处理效果监测方法，利用对环境非常敏感的微型动物作为指示微生物监测处理效果，相比于常规的宏观性、滞后性分析，如污泥指数(MLSS、MLSS)、各种水质指标分析，微观上分析微型动物的行为，能及时、准确地反映污水处理效果，准确性高；

(2)本发明的一种基于微型动物速度分析的生物膜法水处理效果监测方法，根据运行速度与水质指标的相关性，找出行为指示微型动物，监测污水处理效果的方法，只要采用显微镜对观察指示微型动物，分析运动速度，通过函数计算，就可以检测水处理效果，方法操作简单、快捷、方便，实用性强。

附图说明

图1为本发明中采用图形分析软件在t₁时刻对拍摄的微型动物视频的截图图像；

图2为本发明中在t₂时刻的截图图像；

图3为本发明中在t₃时刻的截图图像；

图4为图1、图2、图3合并后图像。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。

本发明的一种基于微型动物速度分析的生物膜法水处理效果监测方法，通过动态显微视频拍摄、静态图片分析的方法观察生物膜中指示微型动物的运动方式与运动速度，分析监测污水处理效果。具体过程为：

步骤一、当生物膜中微型动物种类与数量组成达到稳定，污水处理效果达到80％以上，就标志生物膜生长成熟。用镊子从填料上刮取一小块附着良好、生长成熟的生物膜放在小烧杯中，加蒸馏水稀释，制成均匀混合液。用微量移液器移取25uL混合液于载玻片中央，盖上盖玻片，制成生物膜标本。

步骤二、采用显微成像系统的显微镜观察生物膜混合液中种类数量、个体体积大小均排在前5-10％的优势度高的微型动物运动方式，并将其运动过程录制成视频。视频长度必须包含一个完整运动方式的运动轨迹，每一种微型动物分析至少3段能代表其典型运动方式的运动视频。

步骤三、采用显微图像分析软件绘出步骤二所得每段视频中各种微型动物的运动轨迹，分析其运动方式，采用图形分析软件在该种微型动物按照自己运动方式的运动起点t₁时刻对拍摄的微型动物视频进行截图得到图1，在t₂时刻截图得到图2，在t₃时刻截图得到图3……在微型动物完成其一个完整运动方式t_n时刻截图得到图n，然后将图1、图2……图n合并成一张图(图W)。t_n时刻截图得到图n即是一个运动方式周期的结束，又是下一个运动方式周期的开始。其中截图的时间间隔t_n-t_n-1、截图数量N，不同运动方式的微型动物不同，一般截图数量N取3-6，取值以便于计算及计算准确为标准。不同时刻的截图图像如图1-3所示，合并后图像如图4所示。

步骤四、将微型动物运动方式分为6类：曲线型、蠕动型、摆动型、转圈型、伸缩型、综合型。采用不同方法计算不同类型微型动物的运动速度，每种微型动物计算3个视频的运动速度，然后求其平均速度V。不同运动类型微型动物的运动速度采用不同方法进行计算，具体如下：

(1)曲线型、蠕动型：根据合并的图W上此类微型动物在不同时刻图像，结合视频，采用曲线工具绘出其运动轨迹，选择合适标尺，计算出该段轨迹曲线长度S(μm)，平均运动速度V＝S/(t_n-t₁)(μm/s)。

(2)伸缩型：截图时将弹跳图、收缩图完全分开，然后将弹跳合成图W₁，将收缩图合成图W₂，分别算出弹跳速度(V_t)、收缩速度(V_s)，弹跳速度(V_t)或收缩速度(V_s)＝弹跳或收缩距离S/弹跳或收缩时间t，运动速度V＝(V_t+V_s)/2(μm/s)。

(3)摆动型：这类微型动物运动时以身体的一端(常为尾部)为圆心，身体长度L为半径(μm)进行左右摆动。在图W上测出微型动物摆动起始时(t₁)的角度(α₁)、摆动结束时(t₂)的角度(α₂)，以线速度表示运动速度，运动速度V＝L(α₂－α₁)/(t₂－t₁)(μm/s)。

(4)转圈型：这类微型动物运动时以身体的一端(常为尾部)为圆心，身体长度L为半径(μm)进行不断地转圈运动。测出转圈一周时间t(s)，以线速度表示运动速度，运动速度V＝2πL/t(μm/s)。

(5)综合型：这类微型动物以多种方式进行活动，其运动速度计算为各种运动速度的平均值，运动速度V＝(∑n_iV_i)/i，式中，i为运动方式的种数，i≤6；n_i为不同种运动方式的权重系数，本实施例中n_i为该微型动物的运动方式时长占所有运动方式时长的比值。∑n_i＝1，V_i为第i种运动方式的运动速度。

步骤五、分析生物膜中各种微型动物运动平均速度V与主要水质指标(COD、NH₃-N等)去除效果相关性，建立两者间的相关性函数：

Y_i(％)＝f(V_ni)

式中，Y_i为i种污染指标去除率，V_ni(um/s)为n种微型动物的运动速度。

步骤六、根据微型动物的运动速度V与污染指标去除率相关性大小排序，确定各项水质指标的行为指示微型动物。进一步地，将各种微型动物运动速度V与污染指标去除率函数关系的相关性系数进行排序，将相关性系数最大的微型动物作为污染指标去除率的行为指示微型动物。

运用行为指示微生物的运动速度V与污染指标去除率函数，监测待分析生物膜法污水处理的效果。在待监测的生物膜法污水处理系统中，采集生物膜，分析指示生物行为，计算运动速度，根据Y_i(％)＝f(V_ni)监测污水处理效果。

本发明利用对环境非常敏感的微型动物作为指示微生物监测处理效果，相比于常规分析(如污泥指标MLSS、各种水质指标)的宏观性、滞后性，微观上分析微型动物的行为，具有及时性、准确性，能更好地反映污水处理效果；根据运行速度与水质指标的相关性，找出行为指示微型动物，监测污水处理效果的方法，只要采用显微镜观察指示微型动物，分析其运动速度，通过函数计算，就可以检测水处理效果，方法操作简单、快捷、方便，实用性强。

实施例1

本实施例的一种基于微型动物速度分析的生物膜法水处理效果监测方法，具体过程为：

1)K3型悬浮填料生物膜微型动物采集：在K3型填料生物接触氧化法处理城市污水的反应器中，从填料上刮取成熟的少量生物膜，加蒸馏水稀释，制成混合液，用微量移液器移取25uL混合液于载玻片中，盖上盖玻片。

2)显微观察常见的微型动物运动方式和形态变化，跟踪拍摄优势度排列前20种微型动物运动过程并录制成视频。使用image-pro plus软件绘出该段视频的运动轨迹，分析运动方式并计算出每种微型动物平均运动速度。

3)建立运动速度与污染指标去除率的相关性函数。分析优势度排列前20种微型动物运动速度，与反应器处理出水COD、NH₃-N去除率进行回归分析得出线性关系函数。

Y_iCOD(％)＝f(V_i)

式中，Y_iCOD为i种微型动物运动速度对应的COD、NH₃-N去除率，V_i(um/s)为i种微型动物的运动速度。

4)行为指示型微型动物确定：不同微型动物运动速度对应的污染物去除率函数的相关性系数r排列为：

COD：r_{有肋楯纤虫}(0.901)＞r_沟钟虫(0.875)＞r_钝漫游虫(0.724)＞……r_{三角袋鞭虫}(0.239)，

COD去除效率的行为指示型微动物为综合型活动的有肋楯纤虫(Aspidiscacostata)，Y_COD(％)＝32.849e^109x(r＝0.901)

NH₃-N：r_斜管虫(0.924)＞r_{龙骨漫游虫}(0.827)＞r_{有肋楯纤虫}(0.695)＞……r_游仆虫(0.156)，

NH₃-N去除效率的行为指示型微动物为曲线型活动的斜管虫(Chilodonelladentata)，Y_NH3-N(％)＝-0.1850X2+25.7452X-660.2127(r＝0.924)

5)监测K3型填料生物膜法中污染物效果

采集另4个K3型填料生物膜样本，经混合液制备、制片、显微镜观察、视频录制等计算出肋楯纤虫(Aspidisca costata)、斜管虫(Chilodonella dentata)运动速度V，将运动速度V带入步骤4)中的相关性函数中计算出其COD、NH₃-N去除率，与实际测定出去除率相比较，吻合率均到达90％以上。

实施例2

本实施例的一种基于微型动物速度分析的生物膜法水处理效果监测方法，具体过程为：

1)陶粒填料生物膜微型动物采集：在陶粒填料生物接触氧化法处理城市污水的反应器中，从填料上刮取成熟的少量生物膜，加蒸馏水稀释，制成混合液，用微量移液器移取25uL混合液于载玻片中，盖上盖玻片。

2)显微观察常见的微型动物运动方式和形态变化，并将优势度排列的前15种微型动物运动过程录制成视频。使用image-pro plus软件绘出该段视频的运动轨迹，分析运动方式并计算出每种微型动物运动速度。

3)建立运动速度与污染指标去除率的相关性函数。分析优势度排列前15种微型动物运动速度，与反应器处理出水COD、NH₃-N的去除率进行进行回归分析得出线性关系函数。

Y_iCOD(％)＝f(V_i)

式中，Y_iCOD为i种微型动物运动速度对应的COD、NH₃-N去除率，V_i(um/s)为i种微型动物的运动速度。

4)行为指示型微动物确定。不同微型动物运动速度对应的污染物去除率函数的相关性系数r排列为：

COD：r_斜管虫(0.995)＞r_盖纤虫(0.868)＞r_{有肋楯纤虫}(0.782)＞……r_壳吸管虫(0.114)，

COD去除效率的行为指示型微动物为综合型活动的斜管虫(Chilodonelladentata)，Y_COD(％)＝0.0238X2-5.9428X+400.33(r＝0.995)

(1)NH₃-N：r_沟钟虫(0.912)＞r_游仆虫(0.877)＞r_{有肋楯纤虫}(0.742)＞……r_漫游虫(0.341)。

NH₃-N去除效率的行为指示型微动物为曲线型活动的沟钟虫(VorticellaConvallaria)，Y_NH3-N(％)＝17.768e^0.992x(r＝0.912)

5)监测陶粒填料生物膜法中污染物效果

采集另4个不同反应器陶粒填料生物膜样本，经混合液制备、制片、显微镜观察、视频录制等计算出斜管虫(Chilodonella dentata)、沟钟虫(Vorticella Convallaria)运动速度V，V带入步骤4)中的相关性函数计算出其COD、NH₃-N去除率，与实际测定出的去除率相比较，吻合率均到达92％以上。

上述实施方式为在生物膜污水处理中的应用，应该指出，本发明不仅限于上述实施例子，还有许多实施方式。本领域的技术人员能从本发明公开的内容中直接导出或联想到的变形，均应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于微型动物速度分析的生物膜法水处理效果监测方法，其步骤为：

步骤一、从填料上刮取少量成熟的生物膜，加蒸馏水稀释制成混合液，用微量移液器移取定量的混合液于载玻片中，盖上盖玻片，制成生物膜标本；

步骤二、用显微成像系统跟踪观察优势度较大的微型动物运动方式，并将其运动过程录制成视频；

步骤三、采用图形分析软件在运动起始t₁时刻对拍摄的微型动物视频进行截图得到图1，在t₂时刻截图得到图2，在t_n时刻截图得到图n，将图1、图2……图n合并成一张图W；

步骤四、将微型动物运动方式分为6类：曲线型、蠕动型、摆动型、转圈型、伸缩型、综合型，每种微型动物计算3个视频的运动速度，然后求其平均速度V；其中对运动方式为综合型的微型动物，其运动速度的计算过程如下：这类微型动物以多种方式进行活动，其运动速度计算为各种运动速度的平均值，运动速度V＝(∑n_iV_i)/i，式中，i为运动方式的种数，i≤6；n_i为不同种运动方式的权重系数，∑n_i＝1，V_i为第i种运动方式的运动速度；所述权重系数n_i为该微型动物的运动方式时长占所有运动方式时长的比值；

步骤五、分析生物膜中各种微型动物运动平均速度V与主要水质污染指标去除效果相关性，建立两者间的相关性函数：

Y_i(％)＝f(V_ni)

式中，Y_i为i种污染指标去除率，V_ni为n种微型动物运动速度，V_ni单位为um/s；

步骤六、根据微型动物的运动速度V与污染指标去除率相关性大小排序，确定各水质指标的行为指示微型动物；

步骤七、采集待检测生物膜法污水处理生物膜，重复上述步骤一～六，确定行为指示微型动物，计算运动速度，根据Y_i(％)＝f(V_ni)监测污水处理效果。

2.根据权利要求1所述的一种基于微型动物速度分析的生物膜法水处理效果监测方法，其特征在于：步骤二中录制的视频长度必须能覆盖微型动物整个运动状态，每一种微型动物至少录制3段代表性视频。

3.根据权利要求2所述的一种基于微型动物速度分析的生物膜法水处理效果监测方法，其特征在于：步骤三中视频截图的时间间隔t_n-t_n-1、截图数量n，根据不同微型动物的运动方式、运动速度确定。

4.根据权利要求3所述的一种基于微型动物速度分析的生物膜法水处理效果监测方法，其特征在于：步骤四中对运动方式为曲线型、蠕动型的微型动物，其运动速度的计算过程如下：根据图W上微型动物在不同时刻图像，采用曲线工具绘出其运动轨迹，选择合适标尺，计算出该段轨迹的曲线长度S，平均运动速度V＝S/(t_n-t₁)。

5.根据权利要求3所述的一种基于微型动物速度分析的生物膜法水处理效果监测方法，其特征在于：步骤四中对运动方式为伸缩型的微型动物，其运动速度的计算过程如下：截图时将弹跳图、收缩图完全分开，然后将弹跳图合成图W₁，将收缩图合成图W₂，分别算出弹跳速度Vt、收缩速度Vs，运动速度V＝(Vt+Vs)，单位为μm/s。

6.根据权利要求3所述的一种基于微型动物速度分析的生物膜法水处理效果监测方法，其特征在于：步骤四中对运动方式为摆动型的微型动物，其运动速度的计算过程如下：在图W上测出微型动物身体长度L、摆动起始时t₁的角度α₁、摆动结束时t₂的角度α₂，以线速度表示运动速度，其运动速度V＝L(α₂－α₁)/(t₂－t₁)，单位为μm/s。

7.根据权利要求3所述的一种基于微型动物速度分析的生物膜法水处理效果监测方法，其特征在于：步骤四中对运动方式为转圈型的微型动物，其计算运动速度的过程如下：在图W上测出微型动物身体长度L、转圈一周时间t，其运动速度V＝2πL/t，单位为μm/s。

8.根据权利要求7所述的一种基于微型动物速度分析的生物膜法水处理效果监测方法，其特征在于：步骤六中将微型动物的运动速度V与污染指标去除率函数关系相关性系数进行排序，将相关性系数最大的微型动物作为污染指标去除率的行为指示微生物。