CN109696427A - 一种判定河流微生物状态和选择净化措施的方法 - Google Patents

一种判定河流微生物状态和选择净化措施的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种判定河流微生物状态和选择净化措施的方法，包括：取河流代表性断面的悬浮液进行呼吸图谱分析，测定耗氧速率OUR值；测定各代表性断面中溶解性有机物的三维荧光光谱；依据峰位置将三维荧光光谱分为五个区，选取表征类蛋白的峰T和现场呼吸比例OURs/OURt及内源呼吸比例OURe/OURt；绘制气泡图，并将气泡图平面分为4个区域，不同区域对应不同微生物健康状况和受污染程度以及不同强化净化措施。本发明公开了一种判定河流微生物状态和选择净化措施的方法。本发明方法建立了河流微生物状态和污染状态及强化净化措施的综合评判方法。为强化河流生态管理提供理论依据与技术支持。

Description

一种判定河流微生物状态和选择净化措施的方法
技术领域
本发明属于水利、环境管理领域，涉及一种通过测定河流光谱与呼吸图谱，及使用呼吸图谱与光谱联用来判定河流微生物状态和选择净化措施的方法。
背景技术
河流净化是一个复杂的过程，涉及物理、化学和生物过程，是在一定时间一定距离范围内水体通过自身的物理扩散稀释，化学反应和生物代谢将水体中的复杂污染物降解成小分子或转化为其他无害物质的过程。净化过程包括稀释、吸附、沉淀、吸收，物理转化，化学转化及生物转化等多种方式，可以使用数学模型来描述和评价。斯特里特和菲尔普斯提出的模型是现代水质模型的前身，并将其应用于关于俄亥俄河的一项研究，以提高控制污染的行动效率，该方程由后来研究者导出并发展成许多计算机应用中使用的数值模型，这些模型不仅广泛用于评估水质，还被广泛用于预测水资源管理措施的实施所造成的损害。
Streeter-Phelps BOD-DO系统模型中DO浓度是衡量河流健康状况的主要指标，它对生物化学需氧量(BOD)负荷作出响应，这就是传统上使用需氧量来表示和评估水体的污染程度和净化能力的原因，其测量方式相对简单，但涉及到的机理相对复杂，必须通过数学模型来研究。然而DO-BOD模型获取的实验数据和计算过程较为复杂，需要耗费专业人员大量时间与精力，为此迫切需要探究一种简单易行且行之有效的河流净化能力评价方法。
光谱测量，包括紫外可见吸光度和荧光信号，是廉价和快速的分析，为BOD的替代监测提供了特别有希望的解决方案，荧光监测技术是一种快速、无试剂、分析前不需要样品准备的技术。荧光光谱技术作为一种监测手段已被广泛应用于包括检测河流水质，工业废水中的特定污染物检测在内的各种领域，除此之外，还应用于对污水处理厂处理污水的过程中进行监督和控制。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种判定河流微生物状态和选择净化措施的方法，该方法利用三维荧光光谱的类蛋白峰值与微生物的耗氧速率为指标，使用呼吸图谱与光谱联用判定河流污染状态，微生物状态和强化河流净化的人工措施，同时建立对河流的净化能力和河流生态影响的综合评判方法，为城乡分化状态下的河流生态治理和管理提供理论依据与技术支持。
本发明是通过下述技术方案来实现的。
根据本发明实施例提供的呼吸图谱与光谱联用判定河流微生物状态和选择净化措施的方法，包括下述步骤：
S101，沿水体流向取河流代表性断面的水样和污水处理厂相关处理单元的水样；
S102，分别对步骤1)水样进行呼吸图谱测试，分别得到3个耗氧速率，即现场耗氧速率OURs、内源耗氧速率OURe和总耗氧速率OURt；
S103，使用滤膜将水样过滤，得到仅含有溶解性有机物DOM的滤后水样；
S104，使用三维荧光光谱测定DOM，由激发波长Ex和发射波长Em将光谱划分为Ι-Ⅴ五个区，得到五个峰，取其类蛋白峰记作T峰，以T峰的最大荧光强度作为T峰值；
S105，以OURs/OURt为横坐标，以OURe/OURt为纵坐标，绘制T峰值关于Rs/t-RI的气泡图；以气泡大小表示T峰值，将Rs/t-RI-T气泡图分为四个区域S1-S4，不同区域对应不同水样受污染状态及其微生物健康状态；
S106，根据步骤S105划分的区域进行河流微生物状态和强化净化的判定：
Rs/t-RI-T气泡图划分的四个区域S1-S4中：
S1区中，OURs/OURt<0.3且OURe/OURt>0.16，为微生物代谢速率慢，且微生物健康状况差，可恢复性差区域；
S2区中，OURs/OURt>0.3且OURe/OURt>0.16，为微生物代谢速率快，但微生物健康状况差，可恢复性差区域；
S3区中，OURs/OURt<0.3且OURe/OURt<0.16，为微生物代谢速率慢，但微生物健康状况好，可恢复性好区域；
S4区中，OURs/OURt>0.3且OURe/OURt<0.16，为微生物代谢速率快，且微生物较健康状况好，可恢复性好区域。
对于上述技术方案，本发明还有进一步优选的方案：
进一步，步骤S101中，河流取样为沿河流流向，从源头至下游，取其代表性断面，取水面下0.5m处的水体；污水处理厂取样为取污水处理厂处理工艺中相关处理单元的代表性水样。
进一步，步骤S102中，呼吸图谱测试的具体过程为：取污水厂曝气池中污泥0.3L并用自来水稀释至1.2L，测定现场耗氧速率OURS、内源耗氧速率OURe和总耗氧速率OURt，通过对污泥样品曝气2h测定其内源OURe，再加入50g/L的氯化铵测定OURen＝OURe+OURn，最后加入200g/L的无水乙酸钠，保证基质充足，测定总耗氧速率OURt＝OURe+OURn+OURc。
进一步，步骤S104中，三维荧光光谱的激发波长Ex为200-400nm，发射波长Em为200-600nm，狭缝宽度与扫描间隔均为5nm，扫描速度为2000nm·min-1，响应时间为0.5s，光电倍增管电压为700V，超纯水为空白样品。
进一步，步骤S104中，三维荧光光谱的划分为：Ι区中Ex/Em＝200-250nm/250-340nm；Ц区中Ex/Em＝200-250nm/340-380nm；Ⅲ区中Ex/Em＝200-250nm/380-450nm；Ⅳ区中Ex/Em＝250-350nm/250-380nm；Ⅴ区中Ex/Em＝250-350nm/380-450nm；T峰包含在Ⅳ区内。
进一步，S1区中，该区域中水样的T峰值小，水体有机污染轻，此状态下微生物的代谢速率低，微生物健康状况差；该区域微生物生长以及河流净化受有机污染物的影响较小，受人类活动的影响可能性大，需要采取人工措施提高微生物活性和代谢速率强化水体的净化能力。
进一步，S2区中，该区域中水样的T峰值大，有机污染严重，此状态下微生物代谢速率高，有机负荷大；该区域微生物仍处于不健康的状态，可采用增加曝气，或者增加生物量的方式提高微生物代谢速率，强化水体的净化能力。
进一步，S3区中，该区域中水样的T峰值介于S1区与S2区T峰值之间，水体有机污染较S1区严重，但相对于S2区污染较轻，且此状态下微生物的代谢速率低，但其健康状况较好，可恢复性较高；无需采取人工强化措施。
进一步，S4区中，该区域中水样的T峰值介于S3区与S2区T峰值之间，水体有机污染较S2区轻，此区域内少有水样落在其中，该区域内断面的T峰值相对较大，有机污染较严重，但微生物仍能够保持相对较高的代谢速率；水体处于微生物活性强，净化能力强的状态，无需采取人工措施强化措施。
本发明针对河流净化能力描述的方法过于复杂且存在无法定量的难题，从河流的有机物含量与微生物的呼吸速率特征出发，将光谱与呼吸图谱联用，给出呼吸图谱与光谱联用判定微生物状态及选择净化措施的方法，建立河流微生物状态，污染状态以及人工措施来强化河流净化的综合评判方法，为我国城镇化进程中的河流生态治理和管理提供理论依据与技术支持。
相对于现有技术，本发明的特点在于：
1)快速有效，弥补现行方法的不足
基于光谱与呼吸图谱判定河流的净化能力，能够有效快速地判定河流的净化能力，微生物的代谢速率生长状态，弥补河流通过DO-BOD模型呼吸图谱与光谱联用判定河流状态与净化能力的不足。
2)检测方便
呼吸图谱测定步骤简单易行，三维荧光光谱操作简便，所需样品量小，精密度与可重现性偏高，寻峰法简单易行，实际操作更加方便快捷。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：
图1为Rs/t-RI-T气泡图的区域划分图。
具体实施方式
下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例和附图以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
本发明判定河流微生物状态和选择净化措施的方法，包括以下步骤：
S101，沿水体流向取河流代表性断面的水样，取水面下0.5m处的水体；和取污水处理厂相关处理单元有代表性的水样。
S102，对步骤1)水样进行呼吸图谱测试，呼吸图谱测试的具体过程为：取污水厂曝气池中污泥0.3L并用自来水稀释至1.2L，测定现场耗氧速率OURS，通过对污泥样品曝气2h测定其内源耗氧速率OURe，再加入50g/L的氯化铵测OURen＝OURe+OURn，最后加入200g/L的无水乙酸钠，保证基质充足，测定总耗氧速率OURt＝OURe+OURn+OURc；
分别得到3个耗氧速率：现场耗氧速率OURs、内源耗氧速率OURt、总耗氧速率OURt。
S103，将样品(50ml)通过适当尺寸的滤膜过滤，得到仅含有溶解性有机物DOM的滤后水样。
S104，采用三维荧光光谱测定DOM，用激发波长Ex和发射波长Em将光谱划分为Ι-Ⅴ五个区，得到五个峰，其中Ex/Em＝280nm/340nm为类蛋白峰，记作T峰，以T峰的最大荧光强度作为T峰值。
三维荧光光谱的参数为：激发波长为200-400nm，发射波长为200-600nm，狭缝宽度与扫描间隔均为5nm，扫描速度为2000nm·min-1，响应时间为0.5s，灵敏度为中等，光电倍增管电压为700V，超纯水(Millipore,18.3Ω)为空白样品；将三维荧光光谱划分为五个区，Ι区为Ex/Em＝200-250nm/250-340nm，Ц区为Ex/Em＝200-250nm/340-380nm，Ⅲ区为Ex/Em＝200-250nm/380-450nm，Ⅳ区Ex/Em＝250-350nm/250-380nm，Ⅴ区为Ex/Em＝250-350nm/380-450nm，类蛋白峰T峰Ex/Em＝280nm/340nm包含于Ⅳ区内。
S105，以Rs/t值(OURs/OURt:现场耗氧速率OURs与总耗氧速率OURt的比值)为横坐标，以RI值(OURe/OURt:内源耗氧速率OURe与总耗氧速率OURt的比值)为纵坐标,以气泡大小表示T峰值,绘制T峰值关于Rs/t和RI的气泡图，设定Rs/t＝X1＝0.3、RI＝X2＝0.16，将气泡图平面分成4个区域(a)-(d)，不同区域对应不同受污染状态和微生物健康状态。
确定污水处理厂二沉池出水Rs/t值，并将其确定为X1，此处理单元下的水质洁净，且水质稳定，确定此状态下的水质是经过人工强化措施干预的水质标准，确定此时的Rs/t值为基线X1，可根据此基线来判断水体是否需要人工强化措施的干预，采取何种措施来干预水体净化，强化其净化能力。
进而将Rs/t-RI-T气泡图划分为四个区域S1-S4，记S1＝(a)，S2＝(b),S3＝(c),S4＝(d)。
根据步骤S105划分的区域对进行河流微生物状态和强化净化的方法进行判定：
Rs/t-RI-T气泡图划分为四个区域S1-S4中：
S1区中，Rs/t<0.3且RI>0.16，为微生物代谢速率慢，且微生物健康状况差，可恢复性差区域，该区域中断面的T峰值较小，水体有机污染较小；
S2区中，Rs/t>0.3且RI>0.16，为微生物代谢速率快，但微生物健康状况差，可恢复性差区域，该区域中断面的T峰值较大，水体有机污染较严重；
S3区中，Rs/t<0.3且RI<0.16，为微生物代谢速率慢，但微生物健康状况好，可恢复性好区域，该区域中水样的T峰值介于S1区与S2区T峰值之间，水体有机污染较S1区严重，但相对于S2区污染较轻；
S4区中，Rs/t>0.3且RI<0.16，为微生物代谢速率快，且微生物较健康状况好，可恢复性好区域，该区域中水样的T峰值介于S3区与S2区T峰值之间，水体有机污染较S2区轻，此区域内少有水样落在其中，该区域内断面的T峰值相对较大，有机污染较严重。
下面通过具体实施例对本发明做进一步说明：
本实施例的呼吸图谱与光谱联用判定河流微生物状态和强化净化的方法，包括以下步骤：
1)分别取渭河，皂河，灞河等从源头至下游，渭河支流如沣河，黑河，太平河，涝河等以及污水厂各工艺处理段的水样，取河流的代表性断面的水下0.5m的水样和各处理单元代表性水样，采用有机玻璃采样器进行采样，将其倒入无菌聚乙烯瓶中，冰袋冷藏送回实验室；
2)对1)中水样进行呼吸图谱测试：取0.3L样品并用自来水稀释至1.2L，测定现场OURS；通过对样品曝气2h测定其内源耗氧速率OURe，再加入50g/L的氯化铵测OURen＝OURe+OURn，最后加入200g/L的无水乙酸钠，保证基质充足，测定总耗氧速率OURt＝OURe+OURn+OURc。可得到3个OUR耗氧速率：现状耗氧速率OURS、内源呼吸速率OURe，总耗氧速率OURt；
3)样品(50mL)通过GF/F过滤器的0.45微米滤膜，以除去大尺寸的悬浮固体，得到仅含有溶解性有机物DOM的滤后水；
4)将滤后水用三维荧光光谱测量，激发波长为200～400nm，发射波长为200～600nm，间隔为5nm，扫描波长为9600nm/min，光倍增管电压为700v，超纯水(Millipore,18.3Ω)为空白样品，UV254采用紫外分光光度计测量；
5)将三维荧光光谱划分为五个区，Ι区为Ex/Em＝200-250nm/250-340nm，Ц区为Ex/Em＝200-250nm/340-380nm，Ⅲ区为Ex/Em＝200-250nm/380-450nm，Ⅳ区为Ex/Em＝250-350nm/250-380nm，Ⅴ区为Ex/Em＝250-350nm/380-450nm，类蛋白峰T峰Ex/Em＝280nm/340nm包含于Ⅳ区内；
6)以Rs/t为横坐标，以RI为纵坐标绘图，以气泡大小为表示T峰值，详见图1。
实例分析：
通过RI、Rs/t，以及T峰值将图1划分为4个区域((a)-(d))，将Rs/t-RI-T气泡图分为四个区域S1-S4，记S1＝(a)，S2＝(b),S3＝(c),S4＝(d)。
Rs/t-RI-T气泡图分为四个区域S1-S4中：
S1区中，Rs/t<0.3且RI>0.16，为微生物代谢速率慢，且微生物健康状况差，可恢复性差的区域，该区域中断面的T峰值相对较小，水体有机污染较小，包含的水样有渭河干流部分断面，渭河支流涝河断面，沣河断面，黑河断面等；
S2区中，Rs/t>0.3且RI>0.16，为微生物代谢速率快，但是微生物健康状况差，可恢复性差的区域，该区域中断面的T峰值相对较大，水体有机污染较严重，包含的水样有纳污河皂河相关断面，太平河相关断面，污水厂相关处理单元等；
S3区中，Rs/t<0.3且RI<0.16，为微生物代谢速率慢，但微生物健康状况好，可恢复性好的区域，该区域中水样的T峰值介于S1区与S2区T峰值之间，水体有机污染较S1区严重，但相对于S2区污染较轻，包含的水样有北洛河相关断面，灞河相关断面，渭河相关断面等；
S4区中，Rs/t>0.3且RI<0.16，为微生物代谢速率快，且微生物较健康状况好，可恢复性好区域，该区域中水样的T峰值介于S3区与S2区T峰值之间，水体有机污染较S2区轻，此区域内少有水样落在其中，该区域内断面的T峰值相对较大，有机污染较严重，包含的水样有：污水厂曝气池，氧化沟等。
本发明上述方法提供了一种简单有效的河流微生物状态和净化能力评价方法，该方法能够建立河流污染程度和净化强化措施的综合评判方法，为城镇两极分化状态下的河流生态管理提供理论依据与技术支持。
本发明并不局限于上述实施例和说明附图类型，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种判定河流微生物状态和选择净化措施的方法，其特征在于，包括下述步骤：
S101，取沿水体流向取河流代表性断面的水样和污水处理厂相关处理单元的水样；
S102，分别对步骤1)水样进行呼吸图谱测试，分别得到3个耗氧速率，即现场耗氧速率OURs、内源耗氧速率OURe和总耗氧速率OURt；
S103，使用滤膜将水样过滤，得到仅含有溶解性有机物DOM的滤后水样；
S104，使用三维荧光光谱测定DOM，由激发波长Ex和发射波长Em将光谱划分为Ι-Ⅴ五个区，得到五个峰，取其类蛋白峰记作T峰，以T峰的最大荧光强度作为T峰值；
S105，以OURs/OURt为横坐标，以OURe/OURt为纵坐标，绘制T峰值关于Rs/t-RI的气泡图；以气泡大小表示T峰值，将Rs/t-RI-T气泡图分为四个区域S1-S4，不同区域对应不同水样受污染状态及其微生物健康状态；
S106，根据步骤S105划分的区域进行微生物状态和强化净化措施的判定：
Rs/t-RI-T气泡图划分的四个区域S1-S4中：
S1区中，OURs/OURt<0.3且OURe/OURt>0.16，为微生物代谢速率慢，且微生物健康状况差，可恢复性差区域；
S2区中，OURs/OURt>0.3且OURe/OURt>0.16，为微生物代谢速率快，但微生物健康状况差，可恢复性差区域；
S3区中，OURs/OURt<0.3且OURe/OURt<0.16，为微生物代谢速率慢，但微生物健康状况好，可恢复性好区域；
S4区中，OURs/OURt>0.3且OURe/OURt<0.16，为微生物代谢速率快，且微生物较健康状况好，可恢复性好区域。
2.按照权利要求1所述的一种判定河流微生物状态和选择净化措施的方法，其特征在于，步骤S101中，河流取样为沿河流流向，从源头至下游，取其代表性断面，取水面下0.5m处的水体；污水处理厂取样为取污水处理厂处理工艺中各处理单元的代表性水样。
3.按照权利要求1所述的一种判定河流微生物状态和选择净化措施的方法，其特征在于，步骤S102中，呼吸图谱测试的具体过程为：取污水厂曝气池中污泥0.3L并用自来水稀释至1.2L，测定现场耗氧速率OURS、内源耗氧速率OURe和总耗氧速率OURt，通过对污泥样品曝气2h测定其内源耗氧速率OURe，再加入50g/L的氯化铵测定OURen＝OURe+OURn，最后加入200g/L的无水乙酸钠，保证基质充足，测定总耗氧速率OURt＝OURe+OURn+OURc。
4.按照权利要求1所述的一种判定河流微生物状态和选择净化措施的方法，其特征在于，步骤S104中，三维荧光光谱的激发波长Ex为200-400nm，发射波长Em为200-600nm，狭缝宽度与扫描间隔均为5nm，扫描速度为2000nm·min-1，响应时间为0.5s，光电倍增管电压为700V，超纯水为空白样品。
5.按照权利要求1所述的一种判定河流微生物状态和选择净化措施的方法，其特征在于，步骤S104中，三维荧光光谱的划分为：Ι区中Ex/Em＝200-250nm/250-340nm；Ц区中Ex/Em＝200-250nm/340-380nm；Ⅲ区中Ex/Em＝200-250nm/380-450nm；Ⅳ区中Ex/Em＝250-350nm/250-380nm；Ⅴ区中Ex/Em＝250-350nm/380-450nm；T峰包含在Ⅳ区内。
6.按照权利要求1所述的一种判定河流微生物状态和选择净化措施的方法，其特征在于，步骤S106中：
S1区中，该区域中水样的T峰值小，水体有机污染轻，此状态下微生物的代谢速率低，微生物健康状况差；该区域微生物生长以及河流净化受有机污染物的影响较小，受人类活动的影响可能性较大，需要采取人工措施提高微生物活性和代谢速率强化水体的净化能力。
7.按照权利要求1所述的一种判定河流微生物状态和选择净化措施的方法，其特征在于，步骤S106中：
S2区中，该区域中水样的T峰值大，有机污染较严重，此状态下微生物代谢速率高，有机负荷大；该区域微生物处于不健康的状态，可采用增加曝气，或者增加生物量的方式提高微生物代谢速率，强化水体的净化能力。
8.按照权利要求1所述的一种判定河流微生物状态和选择净化措施的方法，其特征在于，步骤S106中：
S3区中，该区域中水样的T峰值介于S1区与S2区T峰值之间，水体有机污染较S1区严重，但相对于S2区污染较轻，且此状态下微生物的代谢速率低，但其健康状况好，可恢复性高；无需采取人工强化净化措施。
9.按照权利要求1所述的一种判定河流微生物状态和选择净化措施的方法，其特征在于，步骤S106中：
S4区中，该区域中水样的T峰值介于S3区与S2区T峰值之间，水体有机污染较S2区轻，此区域内少有水样落在其中，该区域内断面的T峰值相对较大，有机污染较严重，但微生物仍能够保持相对较高的代谢速率；水体处于微生物活性强，净化能力强的状态，无需采取人工强化净化措施。
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