CN109959643A

CN109959643A - 一种评估毒性物质对活性污泥传质性能影响的方法

Info

Publication number: CN109959643A
Application number: CN201910285534.6A
Authority: CN
Inventors: 于茵; 周岳溪; 张倬玮; 席宏波
Original assignee: Chinese Research Academy of Environmental Sciences
Current assignee: Chinese Research Academy of Environmental Sciences
Priority date: 2019-04-10
Filing date: 2019-04-10
Publication date: 2019-07-02
Anticipated expiration: 2039-04-10
Also published as: CN109959643B

Abstract

本发明公开了一种评估毒性物质对活性污泥传质性能的方法，包括以下步骤：(1)制备试验组活性污泥混合液；(2)向试验组好氧曝气，并移取适量作为待染色活性污泥混合液；(3)取适量标准染色混合液于待染色活性污泥混合液中，形成已染色活性污泥混合液；其中，标准染色混合液中的染料I能够进入微生物完整细胞显荧光色I，染料II能够进入微生物破损细胞显荧光色II；(4)获取染色活性污泥荧光强度和荧光面积，传质性能由单位面积下荧光色I的荧光强度OD表征。本发明高效、简便易操作，结果直观，技术要求低，通过该评估方法控制毒性物质或含毒性物质废水与活性污泥的比例，保证活性污泥工艺起到较好的效果。

Description

一种评估毒性物质对活性污泥传质性能影响的方法

技术领域

本发明涉及水处理领域，尤其涉及一种评估毒性物质对活性污泥传质性能及其抑制率影响的方法。

背景技术

石化行业是我国的支柱产业和经济命脉，石化废水具有水量大、污染物成分复杂、有毒种类繁多等特点，长期以来，石化废水的处理消耗了大量资源、能源，却依然是水环境污染物的重要来源。以生物处理为核心的综合处理是有机废水处理的主流工艺，但生物处理恰恰容易受到石化废水中各类有毒物质的干扰和冲击影响，成为长期制约工业废水处理效率的关键瓶颈。因此，构建完善的生物处理毒性评估指标以综合评估生物处理的影响是高效处理石化废水的基本前提和必要手段。

在生物处理毒性指标体系中，传质特性指标是表征活性污泥降解有机物过程中基质传递和氧传递的重要指标之一，而传质性能作为其表征参数，可直接定量基质和氧气在活性污泥表面和内部的传递情况，以明确废水及其组分包裹活性污泥，阻碍传质的作用。炼油废水、ABS树脂废水等含有一定剂量油类或难溶性大分子有机物等有毒物质的废水，在生物处理过程中，其有毒物质会吸附包裹在活性污泥表面，造成传质性能的降低，从而影响活性污泥对水中污染物的降解。

目前，传质性能及其抑制率的评估计算多采用Fick定律理论公式，结合微电极测量和显微镜观察，进行理论模型推导计算得出。这种方法不但对企业技术人员理论技术水平要求较高，而且测试造价昂贵，操作繁琐难以实际推广应用。因此，提供一种高效便捷的活性污泥传质性能及其抑制率的评估方法显得非常重要。

发明内容

为了解决现有传质性能计算过程对企业技术员理论水平要求较高，测试造价昂贵，操作繁琐难以实际推广应用等问题，本发明的目的是提供一种评估有毒物质对活性污泥传质性能及其抑制率影响的方法，以预估有毒物质对活性污泥传质性能的影响，对采用活性污泥法处理有毒物质或有毒废水起到指导作用，该方法高效、简便易操作，结果直观，技术要求低，通过该评估方法控制有毒物质或含有毒物质废水与活性污泥的比例，保证活性污泥工艺起到较好的效果。

第一方面，本发明提供一种评估毒性物质对活性污泥传质性能影响的方法，包括以下步骤：

(1)在容器中加入营养基质、活性污泥和毒性物质或含毒性物质的被测废水样品形成活性污泥混合液，定义为试验组；

(2)对试验组好氧曝气直至溶解氧浓度恒定，移取部分作为待染色活性污泥混合液；

(3)取标准染色混合液于待染色活性污泥混合液中，摇匀静置，在遮光条件下染色，形成已染色活性污泥混合液；其中，标准染色混合液由染料I、染料II在遮光条件下混合稀释而成，染料I能够进入微生物完整细胞显荧光色I，染料II能够进入微生物破损细胞显荧光色II；

(4)从已染色活性污泥混合液中移取部分已染色活性污泥，获取其荧光强度和荧光面积，传质性能由单位面积下荧光色I的荧光强度OD表征，其计算公式如下：

OD＝IntDen/Area (1-1)

其中，IntDen为荧光色I活性污泥范围内的荧光强度总和，Area为荧光色I荧光活性污泥和荧光色II荧光活性污泥的面积总和。

优选地，在步骤(4)中，获取荧光强度和荧光面积的方法是：移取适量已染色活性污泥于于显微镜下观察，使活性污泥成像清晰，并使显微镜镜头对准相应荧光通道，通过相机进行拍照，拍照区域不重叠，每组拍照数量不少于30张，直至活性污泥成像全部拍摄完成；IntDen为每张照片中荧光色I活性污泥的荧光强度总和，Area为每张照片中荧光活性污泥的面积总和，OD为每张照片中单位面积下荧光色I的荧光强度。

进一步优选地，通过相机进行拍照的方法是：将已染色活性污泥区域划分成至少30个区域，相机按照区域顺序依次拍照。

进一步优选地，传质性能由单位面积下荧光色I的荧光强度OD表征的条件是：OD的相对标准偏差小于5％且荧光色II荧光活性污泥面积小于荧光活性污泥总面积的5％，此时，数据重现性较好，活性污泥活性良好。

第二方面，本发明提供的评估毒性物质对活性污泥传质性能抑制率影响的方法，基于上述任一种评估毒性物质对活性污泥传质性能影响的方法，具体地：

在步骤(1)中，在另一容器中仅投加营养基质和活性污泥形成活性污泥混合液，定义为空白组；空白组和试验组总体系保持一致；

在步骤(2)中，对两体系中好氧曝气直至溶解氧浓度恒定，然后分别从两体系中移取部分活性污泥混合液作为待染色活性污泥混合液；

在步骤(3)中，分别取标准染色混合液于两待染色活性污泥混合液中，在遮光条件下摇匀静置，形成已染色活性污泥混合液；

在步骤(4)中，分别从已染色活性污泥混合液中移取部分已染色活性污泥，获取两体系已染色活性污泥的荧光强度和荧光面积，传质性能抑制率I的计算公式如下：

I＝[1–OD_S/OD_B]×100％ (1-2)

其中，ODs为试验组单位面积下荧光色I的荧光强度，OD_B为空白组单位面积下荧光色I的荧光强度。

进一步地，在步骤(4)中，试验组和空白组的活性污泥荧光强度不低于0.1，在整体检测过程中红色荧光面积均低于5％，以保证活性污泥的有效生物量。

本发明提供的活性污泥传质性能的评估方法，具有以下有益效果：(1)准确高效，可以直接计算荧光强度从而以荧光强度表征传质性能，代替常规的传质速率参数，无需复杂的计算过程，且计算准确，误差较小；(2)操作简便，仅采用荧光染色，获取荧光强度和荧光面积，再经过简单计算即可完成操作；(3)结果直观，即利用活性污泥荧光亮暗程度便可直观表征传质情况；(4)技术要求低，更利于工程化实际推广。

附图说明

图1为评估毒性物质对活性污泥传质性能影响时的操作流程图。

其中，1、活性污泥；2、营养基质；3、毒性物质或含毒性物质的被测废水样品；4、玻璃板；5、溶解氧测试仪；6、移液枪；7、空气压缩机；8、待染色活性污泥混合液；9、标准染色混合液；10、微量注射器；11、胶头滴管；12、载玻片；13、荧光显微镜；14、CCD相机；15、计算机。

具体实施方式

为了使本发明的技术方案更加清楚明白，以下结合具体附图和具体实施例，对本发明做进一步详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本发明提供的评估毒性物质对活性污泥传质性能影响的方法，如图1所示，包括以下步骤：

(1)在烧杯中加入营养基质、活性污泥和毒性物质或含毒性物质的被测废水样品，并用玻璃棒搅匀，形成活性污泥混合液，视为试验组；

(2)用空气压缩机向试验组体系中好氧曝气，并用溶解氧测试仪实时检测体系内的溶解氧浓度，直至溶解氧浓度恒定，用移液枪从试验组体系中移取适量活性污泥混合液置于离心管内，待染色，作为待染色活性污泥混合液；

(3)用微量注射器取适量标准染色混合液于待染色活性污泥混合液中，摇匀静置，在遮光布下染色10-20min，形成已染色活性污泥混合液；其中，标准染色混合液的配置方法为：用微量注射器取能够进入微生物完整细胞显荧光色I的染料I和能够进入微生物破损细胞显荧光色II的染料II，在遮光布内用纯水将其混合稀释至适量浓度，视为标准染色混合液；

(4)用胶头滴管从已染色活性污泥混合液中移取适量已染色活性污泥置于载玻片上，再轻轻放上盖玻片，接着通过调节显微镜的粗/细准焦螺旋使活性污泥成像清晰，然后将显微镜镜头调至对应的荧光通道，显微镜上安装CCD相机，CCD相机通过数据线与计算机连接，计算机上安装CCD相机客户端，使显微镜成像实时显示在计算机屏幕上，手动调节旋钮移动观测样品，完成拍照，每组拍照不少于10张，优选30张，直至活性污泥成像全部拍摄完成，且拍照区域不重叠以免造成荧光强度计算误差的增加，从而获取已染色活性污泥混合液的荧光强度和荧光面积，最后，对照片进行荧光强度和荧光面积分析，传质性能由单位面积下的荧光色I荧光强度OD表征，其计算公式如下：

OD＝IntDen/Area (1-1)

其中，IntDen为荧光色I活性污泥范围内的荧光强度总和(单位为A.U)，Area为荧光色I荧光活性污泥和荧光色II荧光活性污泥的面积总和(单位可采用mm²)。

在上述评估方法中，IntDen为每张照片中荧光色I活性污泥的荧光强度总和，Area为每张照片中荧光活性污泥的面积总和，OD为每张照片中单位面积下荧光色I的荧光强度，通过上述评估方法得出每组OD的相对标准偏差小于5％，即可认为数据重现性较好，荧光色II荧光活性污泥的面积小于荧光活性污泥总面积的5％，即可认为活性污泥活性良好，荧光强度OD即可作为表征传质性能的结果，根据此结果即可指导判断在用活性污泥法处理毒性物质或含毒性物质的废水时，选取毒性物质与活性污泥的合适比例等相关参数，从而满足实际的处理需求。

本发明还提供一种评估毒性物质对活性污泥传质性能抑制率的方法，其基于上述评估毒性物质对活性污泥传质性能的方法，按照图1的操作方法进行空白组的操作，具体包括以下步骤：

在步骤(1)中，在另一烧杯中仅投加营养基质和活性污泥形成活性污泥混合液，不投加任何有毒废水或毒性物质，并用玻璃棒搅匀，视为空白组；空白组和试验组总体系保持一致；

在步骤(2)中，用空气压缩机向两体系中好氧曝气，并用溶解氧测试仪实时检测两体系内的溶解氧浓度，直至溶解氧浓度恒定，然后分别从两体系中移取适量活性污泥混合液作为待染色活性污泥混合液；

在步骤(3)中，分别取适量标准染色混合液于两待染色活性污泥混合液中，摇匀静置，在遮光条件下染色，形成已染色活性污泥混合液；

在步骤(4)中，移取适量两体系内的已染色活性污泥，获取两体系已染色活性污泥的荧光强度和荧光面积，传质性能抑制率I的计算公式如下：

I＝[1–OD_S/OD_B]×100％ (1-2)

其中，ODs为试验组被测样品单位面积下荧光色I的荧光强度，OD_B为空白组单位面积下荧光色I的荧光强度。

通过本发明提供的对活性污泥传质性能及其抑制率的评估方法，并对体系内水质进行检测，可以确定传质性能抑制率达到多少时，会造成污水处理厂出水不达标，针对不同的废水、活性污泥等，其传质性能抑制率会有所不同，对实际生产过程会起到一定的指导作用，从而实现工业化。

在上述毒性物质对活性污泥传质性能及其抑制率影响的评估方法中，作为优选实施例，在步骤(1)中，营养基质与活性污泥的比例为1：1～1：5，以保证反应体系内充足的营养基质。营养基质中富含微生物生长所需的营养物质，例如，碳源、氮源、无机盐等。

作为优选实施例，在步骤(2)中，在好氧曝气过程中，曝气时间为15-25min，优选20min，溶解氧浓度为2.5～4.0mg/L，以给予好氧活性污泥充足的溶解氧，并使活性污泥与基质充分接触；活性污泥混合液内的悬浮固体(MLSS)浓度不低于1.0g/L，以保证反应体系内有效污泥量。

作为优选实施例，在步骤(3)中，染料I和染料II的体积比为(0.5～1.5)：1，进一步优选1:1，与水的稀释体积比为1：30～1：3000，以充分稀释混合染料。

在步骤(3)中，染料I用于标记完整细胞，从而检测细胞的完整性，染料II用于标记破损细胞，从而检测细胞的死亡量，具体地，染料I和染料II可选用Thermo FisherScientific公司生产的用于细胞分析的细胞成像类试剂，例如，染料I可选用ActinGreen^TM488Reagent，其能够进入微生物完整细胞显绿色荧光，染料II可选用NucRed^TMDead 647ReadyProbes^TMReagent，其能够进入微生物破损细胞显红色荧光，同时，显微镜的镜头调整至WB通道和WG通道。染料I和染料II需要保存在-30℃条件下，可以保存在冰箱内。

作为优选实施例，在步骤(3)中，标准染色混合液与待染色活性污泥混合液的体积比为1：100～1：1000；以使活性污泥染色更为均匀，在遮光布下染色10-20min，优选15min。

作为优选实施例，在步骤(4)中，通过CCD相机进行拍照的方法是：将已染色活性污泥区域划分成至少30个区域，具体操作时，可以事先在盖玻片上进行网格划分，或通过肉眼观察污泥特性凭经验进行拍照，拍照时按顺序进行，例如，从左到右、从上到下。

作为优选实施例，在步骤(4)中，可以利用Image软件对照片进行荧光强度和荧光面积分析，在计算荧光强度时，渲染标记操作应全部覆盖显荧光色I的活性污泥，以免造成荧光强度的计算误差。

作为优选实施例，试验组和空白组的活性污泥取自污水厂生物处理好氧段末端污泥，在整个检测过程中荧光色II的荧光面积(即细胞死亡量)低于总面积的5％，以保证活性污泥的有效生物量。

作为优选实施例，活性污泥的荧光强度(包括荧光色I和荧光色II)不低于0.1，以保证活性污泥的活性。

本发明方法的优点在于：第一，准确高效，即利用计算机Image分析技术，直接计算荧光强度表征传质，计算准确，误差较小；第二，操作简便，即仅采用荧光染色、显微镜拍照和图像处理计算三步便可完成操作；第三，结果直观，即利用活性污泥荧光亮暗程度便可直观表征传质情况；第四，技术要求低，更利于工程化实际推广。

下面通过具体的实施例进行实际有毒物质或含毒废水传质性能及其抑制率表征，其中，染料I能够进入微生物完整细胞显绿色荧光，染料II能够进入微生物破损细胞显红色荧光。

实施例1

测试样品为炼油废水特征毒性有机物环己烷，鉴于炼油废水中环己烷的实际浓度，环己烷在整个体系中投加浓度的选择为0g/L～10.0g/L，与300mL活性污泥和400mL营养基质混合接触(体积比为1：3)，并用纯水补充，使反应体系为900mL。试验组体系内悬浮固体浓度(MLSS)约为1.2g/L，用玻璃棒搅拌均匀。溶解氧在3.5mg/L条件下好氧曝气充分接触20min后，移液枪移取活性污泥混合液1.5mL置于5mL离心管中。从冰箱内取出染料I和染料II后，先在室温下放置5min解冻，然后避光条件下用微量注射器取染料I和染料II各10μL混合置于10mL离心管内，加入去离子水6.0mL稀释(体积比1：300)，为标准染色混合液，避光保存。用微量注射器向取样的1.5mL活性污泥混合液内加入上述标准染色混合液15μL(体积比1：100)，摇匀后静置，避光染色15min。然后，用胶头滴管吸取一定量荧光染色的活性污泥，然后滴入超纯水清洗干净的载玻片上，再在上面轻轻放上盖玻片。接着通过调节粗/细准焦螺旋使活性污泥成像清晰，然后镜头调至对应荧光通道，打开计算机CCD相机客户端，使显微镜成像实时显示在计算机屏幕上，手动旋钮移动观测样品，每组拍照40张。

分析每张照片中荧光活性污泥的荧光强度和荧光面积，得出的单位面积下的绿色荧光强度OD和传质性能抑制率I结果见表1。

表1不同环己烷浓度下的OD和I的数据表

经计算，5组样品平均的OD相对标准偏差分别为：0.705％，0.854％，0.987％，1.131％，0.615％，均低于5％，可认为数据重现性较好；另外，5组样品平均的红色荧光面积分别为2.0％，2.3％，2.9％，3.1％，3.6％，均低于5％，可认为活性污泥活性良好，因此该荧光强度结果可作为表征传质性能的结果。由表1结果可知，随着环己烷浓度的增加，荧光强度逐渐减弱，传质抑制率逐渐增加，传质性能降低，传质性能抑制效应增加。通过检测体系内水质是否达标的情况，即可方便地推断出该体系中毒性物质与活性污泥的合适比例。

实施例2

测试样品为含有特征毒性有机物的实际炼油废水，将营养基质按照体积比1：2加入实际废水，投加营养基质后的测试样品投加量为600mL，并与300mL活性污泥混合(体积比1：2)，总反应体系为900mL。体系内悬浮固体浓度(MLSS)约为1.2g/L，用玻璃棒搅拌均匀。溶解氧在2.5mg/L条件下好氧曝气充分接触20min后，移液枪移取活性污泥混合液1.5mL置于5mL离心管中。从冰箱内取出染料I和染料II后，先在室温下放置5min解冻，然后避光条件下用微量注射器取染料I和染料II各10μL混合置于10mL离心管内，加入去离子水60mL稀释(1：3000)，为标准染色混合液，避光保存。用微量注射器向取样的15mL活性污泥混合液内加入上述标准染色混合液15μL(体积比1：1000)，摇匀后静置，避光染色15min。然后，用胶头滴管吸取一定量荧光染色的活性污泥，然后滴入超纯水清洗干净的载玻片上，再在上面轻轻放上盖玻片。接着通过调节粗/细准焦螺旋使活性污泥成像清晰，然后镜头调至对应荧光通道，打开计算机CCD相机客户端，使显微镜成像实时显示在计算机屏幕上，手动旋钮移动观测样品，每组拍照40张。

经计算，空白组的OD值为0.10582±0.006，试验组的OD值和传质性能抑制率I分别为0.09713±0.02，20.10±4.4％。

炼油废水试验组OD的相对标准偏差为1.75％，低于5％，可认为数据重现性较好，空白组和试验组的平均红色荧光面积分别为1.7％和2.4％，均低于5％，可认为活性污泥活性良好，可作为表征传质性能的结果。

实施例3

测试样品为实际ABS树脂废水，将营养基质按照体积比1：2加入实际废水后，投加营养基质后的废水测试样品投加量为600mL，并与300mL活性污泥混合，总反应体系为900mL。体系内悬浮固体浓度(MLSS)约为1.2g/L，用玻璃棒搅拌均匀。溶解氧在4.0mg/L条件下好氧曝气充分接触20min后，移液枪移取活性污泥混合液1.5mL置于5mL离心管中。从冰箱内取出染料I和染料II后，先在室温下放置5min解冻，然后避光条件下用微量注射器取染料I和染料II各10μL混合置于10mL离心管内，加入去离子水6.0mL稀释，为标准染色混合液，避光保存。用微量注射器向取样的1.5mL活性污泥混合液内加入上述标准染色混合液15μL，摇匀后静置，避光染色15min。然后，用胶头滴管吸取一定量荧光染色的活性污泥，然后滴入超纯水清洗干净的载玻片上，再在上面轻轻放上盖玻片。接着通过调节粗/细准焦螺旋使活性污泥成像清晰，然后镜头调至对应荧光通道，打开计算机CCD相机客户端，使显微镜成像实时显示在计算机屏幕上，手动旋钮移动观测样品，每组拍照40张。

经计算，空白组中的OD为0.10782±0.004，试验组的OD和传质性能抑制率I分别为0.07912±0.02，29.08±2.5％。

ABS树脂废水试验组的OD相对标准偏差为2.79％，低于5％，可认为数据重现性较好，空白组和试验组的平均红色荧光面积分别为1.4％和2.8％，均低于5％，可认为活性污泥活性良好，可作为表征传质性能的结果。

以上所述实施方式仅表达了本发明的多种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种评估毒性物质对活性污泥传质性能影响的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(4)从已染色活性污泥混合液移取部分已染色活性污泥，获取其荧光强度和荧光面积，传质性能由单位面积下荧光色I的荧光强度OD表征，其计算公式如下：

OD＝IntDen/Area (1-1)

2.根据权利要求1所述的活性污泥传质性能的评估方法，其特征在于，在步骤(1)中，营养基质与活性污泥的比例为1：1～1：5；

和/或，在步骤(2)中，在好氧曝气过程中，溶解氧浓度为2.5～4.0mg/L；活性污泥混合液内的悬浮固体浓度不低于1.0g/L；

和/或，在步骤(3)中，染料I和染料II的体积比为1:1，与水的稀释比例为1：30～1：3000；标准染色混合液与待染色活性污泥混合液的体积比为1：100～1：1000；在遮光条件下染色10-20min。

3.根据权利要求1所述的活性污泥传质性能的评估方法，其特征在于，在步骤(4)中，获取荧光强度和荧光面积的方法是：移取适量已染色活性污泥于显微镜下观察，使活性污泥成像清晰，并使显微镜镜头对准相应荧光通道，通过相机进行拍照，拍照区域不重叠，每组拍照数量不少于30张，直至已染色活性污泥成像全部拍摄完成；IntDen为每张照片中荧光色I活性污泥的荧光强度总和，Area为每张照片中荧光活性污泥的面积总和，OD为每张照片中单位面积下荧光色I的荧光强度。

4.根据权利要求3所述的活性污泥传质性能的评估方法，其特征在于，通过相机进行拍照的方法是：将已染色活性污泥区域划分成至少30个区域，相机按照区域顺序依次拍照。

5.根据权利要求3所述的活性污泥传质性能的评估方法，其特征在于，传质性能由单位面积下荧光色I的荧光强度OD表征的条件是：OD的相对标准偏差小于5％且荧光色II荧光活性污泥面积小于荧光活性污泥总面积的5％。

6.一种评估毒性物质对活性污泥传质性能抑制率的方法，其特征在于，所述传质性能抑制率的评估方法基于权利要求1-5任一所述的活性污泥传质性能评估方法；

在步骤(2)中，对两体系好氧曝气直至溶解氧浓度恒定，然后分别从两体系中移取部分活性污泥混合液作为待染色活性污泥混合液；

在步骤(4)中，分别从已染色活性污泥混合液中移取部分已染色活性污泥，获取其荧光强度和荧光面积，传质性能抑制率I的计算公式如下：

I＝[1–OD_S/OD_B]×100％ (1-2)

7.一种根据权利要求6所述的活性污泥传质性能抑制率的评估方法，其特征在于，在步骤(1)中，试验组和空白组的活性污泥取自污水厂生物处理好氧段末端污泥。

8.一种根据权利要求6所述的活性污泥传质性能抑制率的评估方法，其特征在于，在步骤(5)中，试验组和空白组的活性污泥荧光强度不低于0.1，在整体检测过程中红色荧光面积均低于5％。