CN107515288B - 快速定量检测水体溶解性有机质生物活性的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于生物膜反应器快速定量检测水体溶解性有机质(DOM)生物活性的装置和方法。包括至少4个串联的生物膜反应器；所述的生物膜反应器包括进水口、出水口和曝气口；所述曝气口连接有曝气装置；所述的生物膜反应器按照样品流动方向依次为第一级反应器、第二级反应器、…第N级反应器，N为大于等于4的整数，其中相邻两级反应器中前一级反应器的出水口通过连接管道连通后一级反应器的进水口；所述生物膜反应器的出水口处设置有取样口。本发明所述方法包括培养挂膜、样品检测和数值拟合。本发明的装置和方法能够快速定量检测水体DOM的生物活性，还能获取生物活性程度不同的DOM样品，进行下一步分析。该装置和方法耗时短、效率高、适用范围广。

Description

快速定量检测水体溶解性有机质生物活性的装置和方法
技术领域
本发明属于环境分析领域，具体涉及一种基于生物膜反应器的快速定量检测水体溶解性有机质(DOM)生物活性的装置和方法。
背景技术
溶解性有机质(DOM)的生物活性是指水体中DOM能被异氧微生物代谢和利用特性，主要包括活性DOM、半活性DOM和难降解DOM三部分，是评估水体生物稳定性的主要指标之一，目前主要用来预测和衡量天然水体中的碳氮削减负荷和碳氮库循环，以及预测水体消毒副产物的潜在生成趋势。
现有的DOM生物活性检测方法主要为静态接种培养法，该方法包括以土著细菌浓缩液作为接种物的悬耗培养法和以附着生物膜材料作为接种物的生物膜培养法，两种方法均是将待检水样过滤得到含DOM的待检水样，接种后于20°C条件下恒温避光培养，测定培养前后待检水样的DOM浓度。一般情况下悬浮培养法培养时间为28天，生物膜培养法为10天。虽然静态接种培养法简单易行，并可进行批量同时测定，但测定时间较长，测定效率较低，难以准确定量反映水体DOM的真实生物活性特征。此外，静态接种培养法受DOM浓度、接种源、接种量和培养条件等参数影响，目前该方法有关参数尚未统一，限制了其在不同水体环境和不同浓度条件下的应用。
发明内容
本发明的目的在于基于生物膜反应器，提供一种快速、高效、定量、适用性广的测定水体DOM生物活性的装置和方法，解决现有水体DOM生物活性测定方法耗时长、效率低、操作不统一等问题，有利于真实评估DOM浓度范围广的水体的生物稳定性。
为实现上述目的，本发明所采取的技术方案为，一种快速定量检测水体溶解性有机质生物活性的装置，包括至少4个串联的生物膜反应器；
所述的生物膜反应器包括进水口、出水口和曝气口；所述曝气口连接有曝气装置；
所述的生物膜反应器按照样品流动方向依次为第一级反应器、第二级反应器、…第N级反应器，N为大于等于4的整数，其中相邻两级反应器中前一级反应器的出水口通过连接管道连通后一级反应器的进水口，第一级反应器的进水口连接有进样装置；
所述生物膜反应器的出水口处设置有取样口。
所述的快速检测水体溶解性有机质生物活性的装置还包括输水泵和曝气泵；
所述的进样装置包括样品瓶和进样管；
所述的样品瓶通过进样管连通所述第一级反应器的进水口；
所述输水泵有N个，分别串接于进样管中和各连接管道中；
所述曝气泵连通所述曝气装置。
所述生物膜反应器的进水口位于生物膜反应器底部，出水口位于生物膜反应器顶部，曝气口位于生物膜反应器底部。
所述生物膜反应器顶部设有排气口。
生物膜反应器底部进水为水泵输送，顶部出水为溢流出水，所述四个生物膜反应器的进水和出水速率相同。
进一步的，所述生物膜反应器内填充多孔玻璃微珠作为生物膜载体。
进一步的，所述的N优选为四，并且第一级生物膜反应器至第四级生物膜反应器容积依次增大。
作为本发明的进一步优选，所述第二级至第四级生物膜反应器的容积依次是第一级生物膜反应器容积的5倍、6倍和12倍。
进一步的，所述N个输水泵为同一个输水泵的N个通道。
进一步的，所述曝气泵设有无菌滤头，孔径为0.22μm。
进一步的，所述生物膜反应器为圆柱体，材质为无机玻璃，外部避光。
进一步的，所述样品瓶材质为无机玻璃，外部避光，经过无菌无碳处理。
进一步的，所述取样口处设有阀门。
作为本发明的进一步优选，所述多孔玻璃微珠粒径为1–3mm，孔径为60–100μm，比表面积为70–100m2/L，宜于微生物附生。
作为本发明的进一步优选，所述生物膜反应器内多孔玻璃微珠的填充比例为90％–95％。
进一步的，所述的进样管或连接管道为软管。
进一步的，所述样品瓶口设置有无菌橡胶塞，所述进样管穿过所述无菌橡胶塞与样品瓶内连通。
进一步的，所述曝气泵出口设置有无菌滤头。
一种基于生物膜反应器快速定量检测水体DOM生物活性的方法，包括以下步骤：
(一)培养挂膜：
采集天然河水、湖水、海水、或污水废水作为接种水体，将接种水体通过进样装置，由所述第一级生物膜反应器的进水口依次输入所述每个生物膜反应器；打开曝气装置，将无菌空气通过所述曝气口通入每个所述生物膜反应器，为生物膜形成提供氧气；每隔2天从所述第N级反应器的取样口收集最终出水水样，当相邻两次所取的最终出水水样的有机碳值的差值小于等于1mg/L时，优选小于等于0.5mg/L时，挂膜结束；此过程中接种水体中的微生物依附在所述生物膜反应器内的多孔玻璃微珠表面，接种水体中的DOM作为碳源促进微生物富集，形成生物膜；
(二)样品检测：
(1)将待检水样采用孔径为0.7μm的无碳滤膜进行过滤；
(2)将过滤后的待检水样通过进样装置，由所述第一级生物膜反应器的进水口依次输入所述每个生物膜反应器，打开曝气装置将无菌空气通过所述曝气口通入每个所述生物膜反应器，从所述取样口收集每个所述生物膜反应器的出水水样，并依次标记为1号水样、2号水样、…N号水样，分别对应第一级生物膜反应器的出水水样、第二级生物膜反应器的出水水样、…第N级生物膜反应器的出水水样；
(3)分别测定过滤后的待检水样及1号、2号、…N号水样的溶解性有机碳(DOC)浓度；
(4)计算待检水样DOM的生物活性：
将步骤(3)所测得的水样的有机碳值用下列数值模型拟合：
DOCN＝C1e-k 1 t+C2e-k 2 t+C3e0
其中，DOCN为第N号水样的溶解性有机碳值，t是第N号水样的总水力停留时间，k1和k2为非曲线拟合中的常数，e是自然常数，N号水样的总水力停留时间由以下公式确定：第N号水样的总水力停留时间t＝(第一级生物膜反应器容积+第二级生物膜反应器容积+…+第N级生物膜反应器容积)/流速，待检水样的水力停留时间为0；C1为待检水样中活性DOC的浓度，C2为待检水样中半活性DOC的浓度，C3为待检水样中难降解DOC的浓度。
进一步的，所述各个生物膜反应器的出水水样的总水力停留时间之和优选为大于等于96小时。
进一步的，所述生物膜反应器的数量为四个，其每个生物膜反应器的出水水样的水力停留时间依次为4小时、20小时、24小时和48小时。
所述步骤(一)中接种水体在通入进样装置前经过孔径小于等于30μm的无碳玻璃纤维滤膜过滤。
所述步骤(一)和步骤(二)中检测有机碳值的方法为用TOC分析仪测定。
本发明的原理与优点在于：
本发明提供了一种基于生物膜反应器快速定量检测水体DOM生物活性的装置和方法，利用该装置和方法可快速、高效、准确测定水体DOM的生物活性。通过将不同尺寸生物膜反应器串联连接，既实现了水体DOM生物活性的快速检测，也获得了不同DOM生物活性的水样，有利于下一步分析。此装置和方法耗时短、效率高、适用性广。
本发明中生物膜反应器经过培养挂膜后，微生物数量多，活性强，降解强度大，可在几天内实现静态接种培养法数月的DOM降解率。将多个生物膜反应器串联连接，有效缓冲了高浓度DOM水样对生物膜反应器内生物膜的冲击负荷，可实现高浓度DOM和低浓度DOM水体的高效、准确检测，适用于天然地表水体、人工地表水体以及城镇污水废水水体的生化特性检测。
本发明采用无机玻璃作为生物膜反应器材质，可有效避免生物膜反应器本身对DOM的吸附；采用无菌曝气方式，既为生物膜反应器提供了充足的氧气，又避免了空气中的微生物和有机物对生物膜反应器内环境的影响；采用大比表面积的多孔玻璃微珠作为微生物载体，为微生物富集和生物膜形成提供了充足的表面积；整个检测装置在避光条件下运行，避免了光降解对DOM的影响。
本发明中待检水样的预处理是用孔径为0.7μm的无碳玻璃纤维滤膜过滤待检水样；过滤去除了待检水样中的颗粒态物质，并且采用无碳玻璃纤维滤膜消除了滤膜上有机物和微生物的潜在干扰。
本发明通过将反应装置中多个生物膜反应器出水的DOC浓度用数值模型拟合，实现了水样中活性、半活性和难降解DOM的具体量化，与只能获得水样总体可生物降解DOM浓度的静态接种培养法相比，进一步深化了对水样DOM生物活性的认识。该装置和方法能够快速、高效、准确测定水体DOM的生物活性，同时能够得到生物活性不同的DOM样品。该装置和方法可广泛应用于河流、湖泊、海洋、污水等水体质量监测分析。
附图说明
图1是本发明所述的装置的示意图；
其中，箭头表示水流和曝气方向，1是样品瓶，2是无菌橡胶塞，3是进样管，4是输水泵，5是曝气泵，6是无菌滤头，7是第一级反应器，8是第二级反应器，9是第三级反应器，10是第四级反应器，11是进水口，12是出水口，13是取样口，14是曝气头，15是曝气口，16是软管，17是排气口，18是多孔玻璃微珠。
具体实施方式
如图1所示，一种快速定量检测水体溶解性有机质(DOM)生物活性的装置，包括4个串联的生物膜反应器；
所述的生物膜反应器包括进水口、出水口和曝气口；所述曝气口连接有曝气装置；
所述的生物膜反应器按照样品流动方向依次为第一级反应器、第二级反应器、…第N级反应器，N等于4，其中相邻两级反应器中前一级反应器的出水口通过连接管道连通后一级反应器的进水口，第一级反应器的进水口连接有进样装置；
所述生物膜反应器的出水口处设置有取样口。
所述的快速检测水体溶解性有机质生物活性的装置还包括输水泵和曝气泵；
所述的进样装置包括样品瓶和进样管；所述的样品瓶通过进样管连通所述第一级反应器的进水口；
所述输水泵有4个，分别串接于进样管中和各连接管道中；
所述曝气泵连通所述曝气装置。
所述生物膜反应器的进水口位于生物膜反应器底部，出水口位于生物膜反应器顶部，曝气口位于生物膜反应器底部。
所述生物膜反应器顶部设有排气口。
生物膜反应器底部进水为水泵输送，顶部出水为溢流出水，所述四个生物膜反应器的进水和出水速率相同。
所述生物膜反应器内填充多孔玻璃微珠作为生物膜载体。
所述第二级至第四级生物膜反应器的容积依次是第一级生物膜反应器容积的5倍、6倍和12倍。
所述4个输水泵为同一个输水泵的4个通道。
所述曝气泵设有无菌滤头，孔径为0.22μm。
所述生物膜反应器为圆柱体，材质为无机玻璃，外部避光。
所述样品瓶材质为无机玻璃，外部避光，经过无菌无碳处理。
进一步的，所述取样口处设有阀门。
所述多孔玻璃微珠粒径为1–3mm，孔径为60–100μm，比表面积为70–100m2/L，宜于微生物附生。
所述生物膜反应器内多孔玻璃微珠的填充比例为90％–95％。
所述的进样管或连接管道为软管。
所述样品瓶口设置有无菌橡胶塞，所述进样管穿过所述无菌橡胶塞与样品瓶内连通。
所述曝气装置为曝气头。
实施例1
本实施例说明本发明装置的具体实施方式。
采用如图1所示的基于生物膜反应器快速定量检测水体溶解性有机质(DOM)生物活性的装置，
使用时，包括如下步骤：
(1)培养挂膜
采集天然水体，使用孔径为3μm的无碳玻璃纤维滤膜过滤，得到含有微生物和DOM的接种水体；将接种水体置于进样装置的样品瓶中，利用输水泵将接种水体泵入反应装置的生物膜反应器，接种水体中的微生物依附在生物膜反应器内的多孔玻璃微珠表面，接种水体中的DOM作为碳源促进微生物富集，形成生物膜；曝气泵将无菌空气通过曝气口进入反应装置，为生物膜生长提供氧气；每隔2天从第四级反应器的取样口收集反应装置最终出水水样；用TOC分析仪测定最终出水水样的DOC值；当相邻两次所取的最终出水水样的有机碳值的差值小于等于1mg/L时，培养挂膜结束。
(2)样品检测
①将待检水样采用孔径为0.7μm的无碳玻璃纤维滤膜过滤，并将过滤后的待检水样置于进样瓶中。
②启动输水泵和曝气泵，将过滤后的待测水样依次输入每个生物膜反应器，打开曝气装置将无菌空气通过曝气口通入每个生物膜反应器。
③收集1号、2号、3号、4号生物膜反应器出水水样。
④用TOC测定仪测定玻璃纤维滤膜过滤后的待检水样和1号、2号、3号、4号生物膜反应器出水水样的DOC值。
(3)数值分析
①计算待检水样DOC的生物活性，将待检水样的DOC值和1号、2号、3号、4号生物膜反应器出水水样的DOC值用下列方程拟合：
DOCN＝C1e-k 1 t+C2e-k 2 t+C3e0
其中，DOCN为第N号水样的DOC值，t是第N号水样的总水力停留时间，k1和k2为非曲线拟合中的常数，e是自然常数，对于待检水样和1号、2号、3号、4号生物膜反应器出水水样，通过控制流速使得t值分别为0、4、24、48和96小时；C1为待检水样中活性DOC部分的浓度，C2为待检水样中半活性DOC部分的浓度，C3为待检水样中难降解DOC部分的浓度。
②综合C1、C2、C3值，即得到待检水样中活性、半活性和难降解DOC部分的浓度。
实施例2
本实施例2和实施例3说明本发明装置和方法的具体应用效果。
本实施例中，采集江苏某淡水湖泊水样测定其DOM生物活性，该湖泊富营养化期间水体DOC浓度高达40mg/L。
本实施例中样品瓶1体积为3升，无菌橡胶塞2中部孔径为6mm，柔性管3外径为6mm。输水泵4单通道流量为0.05L/h，曝气泵5单通道流量为0.10L/h。生物膜反应器7底部内径为4.0cm，高为42cm，外壁厚度为2mm，生物膜反应器8底部内径为4.0cm，高为42cm，外壁厚度为2mm，生物膜反应器9底部内径为10.0cm，高为42cm，外壁厚度为2mm，生物膜反应器10底部内径为12.4cm，高为52cm，外壁厚度为2mm。进水口11内径为6mm，出水口12内径为6mm。曝气头14选择小型圆柱形曝气头，尺寸为Φ2cm×3cm，曝气口15内径为6mm，排气口17内径为6mm。柔性管3和柔性管16管径为6mm。多孔玻璃微珠18粒径为2mm，孔径为60μm，比表面积为90m2/L，填充率为95％，填充后四个生物膜反应器的孔隙率为40％，有效水力停留时间分别为4、20、24、48小时。
采集江苏某湖泊水样，使用孔径为3μm的无碳玻璃纤维滤膜过滤，使用玻璃纤维滤膜过滤后水体作为接种水体，将接种水体连续泵入反应装置中，进行培养挂膜。经过八个月的运行后，反应装置出水的DOC值达到稳定，培养挂膜阶段结束。
采集江苏某淡水湖泊富营养化期间水样，用孔径为0.7μm的无碳玻璃纤维滤膜过滤，将滤后水样置入进样装置中，启动动力装置，收集1号、2号、3号、4号生物膜反应器出水水样，使用TOC测定待检水样和1号、2号、3号、4号生物膜反应器出水水样的DOC值，结果分别为35.77、21.60、10.68、8.62、7.44mg/L。将DOC值和t值代入用下列数值模型进行拟合：
DOC＝C1e-k 1 t+C2e-k 2 t+C3e0
得到C1，C2，C3分别为8.30，20.27和7.20mg/L，即说明水样中活性DOC浓度为8.30mg/L，半活性DOC浓度为20.27mg/L，难降解DOC浓度为7.20mg/L。
本实施方式说明发明的装置和方法对高DOC浓度的富营养化水体具有很强的适应性，具备快速、高效、准确等优点。
实施例3
本实施例中，采集江苏某天然湿地水体测定其DOM生物活性，该湿地水体DOC浓度约为5mg/L。本实施例与实施例3不同之处在于待检水样为江苏某天然湿地水体。其他步骤与实施例3相同。
将江苏某湿地水样用孔径为0.7μm的无碳玻璃纤维滤膜过滤，将滤后水样置入进样装置中，启动动力装置，收集1号、2号、3号、4号生物膜反应器出水水样，使用TOC测定待检水样和1号、2号、3号、4号生物膜反应器出水水样的DOC值，结果分别为结果分别为5.35，3.62，2.84，2.28和1.90mg/L。将DOC值和t值代入下列数值模型进行拟合：
DOC＝C1e-k 1 t+C2e-k 2 t+C3e0
得到C1，C2，C3分别为1.50，2.10和1.75mg/L，即说明水样中活性DOC浓度为1.50mg/L，半活性DOC浓度为2.10mg/L，难降解DOC浓度为1.75mg/L。
本实施方式说明发明的装置和方法对低DOC浓度的自然水体具有很强的适应性，具备快速、高效、准确等优点。
本发明给出的实例为有限的实施例，并非对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种快速定量检测水体溶解性有机质生物活性的方法，其特征在于，采用快速定量检测水体溶解性有机质生物活性的装置，所述装置包括至少4个串联的生物膜反应器；
所述的生物膜反应器包括进水口、出水口和曝气口；所述曝气口连接有曝气装置；
所述的生物膜反应器按照样品流动方向依次为第一级反应器、第二级反应器、…第N级反应器，N为大于等于4的整数，其中相邻两级反应器中前一级反应器的出水口通过连接管道连通后一级反应器的进水口；
所述生物膜反应器的出水口处设置有取样口；
所述方法包括如下步骤：
（一）培养挂膜：
采集天然河水、湖水、海水、或污水废水作为接种水体，将接种水体通过进样装置，由所述第一级生物膜反应器的进水口依次输入每个所述生物膜反应器；打开曝气装置，将无菌空气通过所述曝气口通入每个所述生物膜反应器；每隔2天从所述第N级反应器的取样口收集所述生物膜反应器的最终出水水样，当相邻两次所取的最终出水水样的有机碳值的差值小于等于1 mg/L时，挂膜结束；
（二）样品检测：
（1）将待检水样采用孔径为0.7μm的无碳滤膜进行过滤；
（2）将过滤后的待检水样通过进样装置，由所述第一级生物膜反应器的进水口依次输入每个所述生物膜反应器，打开曝气装置将无菌空气通过所述曝气口通入每个所述生物膜反应器，从所述取样口收集每个所述生物膜反应器的出水水样，并依次标记为1号水样、2号水样、…N号水样，分别对应第一级生物膜反应器的出水水样、第二级生物膜反应器的出水水样、…第N级生物膜反应器的出水水样；
（3）分别测定过滤后的待检水样及1号、2号、…N号水样的溶解性有机碳浓度；
（4）计算待检水样溶解性有机质的生物活性：
将步骤（3）所测得的水样的溶解性有机碳值用下列数值模型拟合：
，
其中，DOCN为第N号水样的溶解性有机碳值，t是第N号水样的总水力停留时间，k1和k2为非曲线拟合中的常数，e是自然常数，N号水样的总水力停留时间由以下公式确定：第N号水样的总水力停留时间t=（第一级生物膜反应器容积+第二级生物膜反应器容积+…+第N级生物膜反应器容积）/流速，待检水样的水力停留时间为0；C1为待检水样中活性DOC的浓度，C2为待检水样中半活性DOC的浓度，C3为待检水样中难降解DOC的浓度；
所述各个生物膜反应器的出水水样的水力停留时间之和为大于等于96小时。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（一）中当相邻两次所取的最终出水水样的有机碳值的差值小于等于0.5 mg/L时，挂膜结束。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的快速定量检测水体溶解性有机质生物活性的装置还包括输水泵和曝气泵；
所述进样装置包括样品瓶和进样管；所述的样品瓶通过进样管连通所述第一级反应器的进口；
所述输水泵有N个或为同一个输水泵的N个通道，分别串接于进样管中和各连接管道中；
所述曝气泵连通所述曝气装置；
所述生物膜反应器的进水口位于生物膜反应器底部，出水口位于生物膜反应器顶部，曝气口位于生物膜反应器底部；
所述生物膜反应器顶部设有排气口。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述生物膜反应器内填充多孔玻璃微珠作为生物膜载体。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的N为四，并且第二级至第四级生物膜反应器的容积依次是第一级生物膜反应器容积的5倍、6倍和12倍。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述生物膜反应器为圆柱体，材质为无机玻璃，外部避光。
7. 根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述多孔玻璃微珠粒径为1–3 mm，孔径为60–100 μm，比表面积为70–100 m2/L，填充比例为90%–95%。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述生物膜反应器的数量为四个，其每个生物膜反应器的出水水样的水力停留时间依次为4小时、20小时、24小时和48小时。
9. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤（一）中接种水体在通入进样装置前经过孔径小于等于30 μm的无碳玻璃纤维滤膜过滤。
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