CN110255707A - 一种利用三维荧光图谱监测反应器运行状态的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用三维荧光图谱监测反应器运行状态的方法，包括步骤：(1)在反应器内接种厌氧氨氧化污泥，置于30～36℃恒温室中，泵入进水，进水中NH4 +‑N和NO2 ‑‑N浓度分别为280mg·L‑1，有机物负荷为COD浓度/NO2 ‑‑N浓度＝0.2～0.35，初始水力停留时间为3.5～4.5h，运行30～40天，监测出水溶解性产物的变化；(2)分阶段调整进水总氮负荷和有机物负荷，诱导并监测反应器出水溶解性产物变化；(3)测定步骤(1)、(2)的出水水样的三维荧光图谱，采用平行因子分析不同工况下的出水溶解性产物中的类蛋白组分、氨基酸组分和类腐殖酸组分的变化情况，进而监测反应器的运行状态。

Description

一种利用三维荧光图谱监测反应器运行状态的方法
技术领域
本发明涉及废水处理技术领域，具体涉及一种利用三维荧光图谱监测反应器运行状态的方法。
背景技术
厌氧氨氧化菌在厌氧条件下，以亚硝酸盐为电子受体，直接将氨氧化成氮气。相比于传统生物脱氮工艺，厌氧氨氧化工艺已经被认为是一种有前途、可持续和经济效益高的替代方法，因为它可以明显降低曝气能耗和外加碳源的成本以及温室气体的产生。
至2015年初，全球厌氧氨氧化工艺装置数量已超过100个。厌氧氨氧化工艺在实际应用中的快速发展，提供了大量宝贵的工程经验。例如，由于实际废水的流量和成分的波动，厌氧氨氧化生物反应器可能经常暴露在负载切换下，通过监测出水氮浓度可以很容易地确定过载情况。
然而，在低负荷条件下，生物反应器的功能冗余性不能仅由出水氮浓度直接揭示。此外，如机械故障等其他关键情况在工程中不可避免，也可能导致间歇性或持续几天甚至几周的饥饿情况。一般来说，长期饥饿会通过减少活性细胞的数量和活性来影响负载不足的生物反应器中的功能性细菌，从而决定生物反应器的效率和稳定性。然而，可对反应器性能和潜力进行实时评估的有效工具或指标是有限的。
三维荧光光谱是近年来广泛用于研究出水溶解性产物组成的一种分析技术。与普通的荧光光谱分析方法相比，三维荧光光谱法具有很多优点：普通的荧光光谱分为发射谱和激发谱，发射谱的荧光强度是发射波长的函数；而三维荧光光谱的强度则是激发波长和发射波长的二元函数，这种技术的优点在于它能够获得激发波长与发射波长同时变化时的荧光强度信息，可以提供在普通的发射谱中所得不到的信息。荧光组分的类型及其强度变化可同时定性及定量地揭示出水溶解性产物的性质及含量变化。与红外光谱、核磁共振、色谱-质谱联用等研究方法相比，三维荧光光谱具有高灵敏度、高选择性、高信息量、且不破坏样品结构的优点。
平行因子分析(Parallel factor analysis，PARAFAC)是基于三线性分解理论，采用交替最小二乘算法实现的一种数学模型，广泛应用于三维和高维数据的分析和应用。一方面，与一些二维数据分析方法(如主成分分析法)相比，平行因子分析的解是唯一的，因而较好的避免了由于研究者本身的随意性而造成的分析结果的差异。另一方面，平行因子分析法可以将荧光信号分解为相对独立的荧光现象而加以鉴别，从而提高了准确性。三维荧光平行因子分析方法已成为研究水环境中溶解有机物动力学特征的重要工具。通过此方法可实时监测反应器性能，有利于应对不利环境并及时调整，有利于厌氧氨氧化的实际应用。
发明内容
针对本领域存在的不足之处，本发明提供了一种利用三维荧光图谱监测反应器运行状态的方法，意外发现出水溶解性产物中的类蛋白组分、氨基酸组分和类腐殖酸组分的占比以及互相之间的比例与厌氧氨氧化污泥反应器的运行状态具有密切关联，从而提供了一种全新的监测手段，及时全面了解反应器的运行状态并进行调整。
一种利用三维荧光图谱监测反应器运行状态的方法，包括步骤：
(1)在反应器内接种厌氧氨氧化污泥，置于30～36℃恒温室中，泵入进水，进水中NH4 +-N和NO2 --N浓度分别为280mg·L-1，有机物负荷为COD浓度/NO2 --N浓度＝0.2～0.35，初始水力停留时间为3.5～4.5h，运行30～40天，监测出水溶解性产物的变化；
(2)分阶段调整进水总氮负荷和有机物负荷，诱导并监测反应器出水溶解性产物变化；
(3)测定步骤(1)、(2)的出水水样的三维荧光图谱，采用平行因子分析不同工况下的出水溶解性产物中的类蛋白组分、氨基酸组分和类腐殖酸组分的变化情况，进而监测反应器的运行状态。
本方法通过分阶段调整进水总氮负荷和有机物负荷诱导反应器出水中溶解性产物的变化，然后测定出水水样三维荧光图谱，采用平行因子分析不同工况下的出水溶解性产物类蛋白组分、氨基酸组分和类腐殖酸组分的变化程度，进而监测反应器的运行状态。
步骤(1)中，作为优选，所述的反应器为升流式厌氧污泥床反应器。
作为优选，所述反应器接种污泥浓度为15～20gVSS·L-1。
作为优选，所述步骤(2)的具体步骤为：
(a)反应器水力停留时间提高至初始的3.9～4.2倍，稳定运行30～40天，监测出水溶解性产物的变化；
(b)进水NH4 +-N和NO2 --N浓度均调整为0mg·L-1，运行14～21天，监测出水溶解性产物的变化；
(c)反应器进入停滞状态，在4℃下维持14～21天；
(d)反应器重新启动，进水NH4 +-N和NO2 --N浓度均调整为70mg·L-1，每当出水NO2 --N浓度低于10mg·L-1时，以70mg·L-1的步幅同步增加进水中NH4 +-N和NO2 --N浓度，直到进水NH4 +-N和NO2 --N浓度为280mg·L-1，再以前一阶段水力停留时间的0.75～0.85倍逐级降低水力停留时间，直至水力停留时间不大于10h。
步骤(3)中，所述出水水样采用0.45μm滤膜预过滤。
所述的平行因子分析利用软件MATLAB完成。平行因子分析是整个过程中存在的所有荧光图整合成几个组分。
作为优选，所述的类蛋白组分包括类酪氨酸组分和类色氨酸组分。
作为优选，所述的氨基酸组分包括类色氨酸氨基酸组分。
本发明与现有技术相比，主要优点包括：
本发明提供了一种新的互补且直接的方法，利用三维荧光平行因子分析方法监测厌氧氨氧化生物反应器的运行，可及时全面了解反应器的运行状态并进行调整，有利于厌氧氨氧化工艺的实际应用。
附图说明
图1为平行因子分析所得到的类酪氨酸组分(C1)、类色氨酸组分(C2)、类腐殖酸组分(C3)和类色氨酸氨基酸组分(C4)的组分图；图中：Em.表示发射光波长；Ex.表示激发光波长。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。
(1)采用有效体积1.0L的升流式厌氧污泥床反应器，接种厌氧氨氧化污泥。反应器置于35±1℃恒温室中，避光运行，初始污泥浓度17.0gVSS L-1，运行过程中每两天取一次出水水样，离心后水样过0.45μm的滤膜，保存扫三维荧光。
反应器进水组成成分为：
其中，微量元素I储备液的组成为：
EDTA 5.00g·L-1，
FeSO4 9.14g·L-1。
微量元素II储备液组成为：
(2)本实施例利用三维荧光平行因子分析方法监测厌氧氨氧化生物反应器的运行，在反应器整个运行过程中使用平行因子分析可得到类酪氨酸组分(C1)、类色氨酸组分(C2)、类腐殖酸组分(C3)和类色氨酸氨基酸组分(C4)四个组分的荧光强度，如图1所示。
反应器初始水力停留时间为4h，有机物负荷为COD/NO2 --N＝0.3，有机物是为了模拟实际情况下存在的COD。培养30天过程中检测到类酪氨酸组分(C1)和类腐殖酸组分(C3)，其中类酪氨酸组分(C1)的荧光强度占比85％～90％；类腐殖酸组分(C3)占比10％～15％；表明在反应器在正常高负荷下运行时，仅有C1和C3存在，且C1浓度/C3浓度>4。
(3)提高水力停留时间至16h，进水浓度为NH4 +-N 280mg L-1、NO2 --N 280mg L-1，培养30天过程中除类酪氨酸组分(C1)和类腐殖酸组分(C3)被检测到外，类色氨酸氨基酸组分(C4)出现，其中类酪氨酸组分(C1)的荧光强度占比70％～75％，相比上一阶段明显降低；类腐殖酸组分占比9％～10％，相比上一阶段微降低，色氨酸氨基酸组分(C4)占比10％～25％，呈现先增后减趋势，C4的出现表明生物量衰变增强，在实际情况中可能原因为毒物抑制或者基质不足，应及时调整。
(4)反应器水力停留时间保持在16h，降低进水NH4 +-N和NO2 --N浓度至0mg·L-1，培养20天过程中类酪氨酸组分(C1)急剧降低，荧光强度占比低于40％；类色氨酸组分(C2)出现，占比10％～15％；类腐殖酸组分(C3)逐渐降低至10％～20％；类色氨酸氨基酸组分(C4)持续增加，占比高于40％，此时C1浓度/C3浓度<4，且C4占据主导成分，表明厌氧氨氧化反应器已失稳，可能由于饥饿或者毒物严重抑制导致代谢紊乱，系统崩溃。
(5)反应器处于停滞状态，保存在4℃下，维持14天(d)，之后反应器重新启动，水力停留时间保持在16h，进水NH4 +-N和NO2 --N浓度为70mg·L-1，每当出水NO2 --N浓度低于10mg·L-1时，以70mg·L-1的步幅同步增加进水中NH4 +-N和NO2 --N浓度，直到进水NH4 +-N和NO2 --N浓度为280mg·L-1，再逐级降低水力停留时间，以前一阶段的0.75～0.85倍降低水力停留时间，最终水力停留时间稳定在9.6h，整个过程中类色氨酸组分(C2)和类腐殖酸组分(C3)占据主导，占比高于50％，当C2和C3同时出现且总和大于40％时，表明反应器内厌氧氨氧化菌处于增殖状态。
总体而言，本发明提供了一种新的互补且直接的方法，利用三维荧光平行因子分析方法监测厌氧氨氧化生物反应器的运行，当反应器中仅有C1和C3存在，且C1浓度/C3浓度>4时，表明反应器性能高；C4的出现表明生物量衰变增强，在实际情况中可能原因为毒物抑制或者基质不足，应及时调整；当C1浓度/C3浓度<4，且C4占据主导成分，表明厌氧氨氧化反应器已失稳，可能由于饥饿或者毒物严重抑制导致代谢紊乱，系统崩溃；当C2和C3同时出现且总和大于40％时，表明反应器内厌氧氨氧化菌处于增殖状态；此方法仅利用出水水样扫三维荧光光谱便可及时全面了解反应器的运行状态并进行调整，有利于厌氧氨氧化工艺的实际应用。
此外应理解，在阅读了本发明的上述描述内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (7)

1.一种利用三维荧光图谱监测反应器运行状态的方法，包括步骤：
(1)在反应器内接种厌氧氨氧化污泥，置于30～36℃恒温室中，泵入进水，进水中NH4 +-N和NO2 --N浓度分别为280mg·L-1，有机物负荷为COD浓度/NO2 --N浓度＝0.2～0.35，初始水力停留时间为3.5～4.5h，运行30～40天，监测出水溶解性产物的变化；
(2)分阶段调整进水总氮负荷和有机物负荷，诱导并监测反应器出水溶解性产物变化；
(3)测定步骤(1)、(2)的出水水样的三维荧光图谱，采用平行因子分析不同工况下的出水溶解性产物中的类蛋白组分、氨基酸组分和类腐殖酸组分的变化情况，进而监测反应器的运行状态。
2.根据权利要求1所述的利用三维荧光图谱监测反应器运行状态的方法，其特征在于，所述反应器为升流式厌氧污泥床反应器。
3.根据权利要求1所述的利用三维荧光图谱监测反应器运行状态的方法，其特征在于，所述反应器接种污泥浓度为15～20gVSS·L-1。
4.根据权利要求1所述的利用三维荧光图谱监测反应器运行状态的方法，其特征在于，所述步骤(2)的具体步骤为：
(a)反应器水力停留时间提高至初始的3.9～4.2倍，稳定运行30～40天，监测出水溶解性产物的变化；
(b)进水NH4 +-N和NO2 --N浓度均调整为0mg·L-1，运行14～21天，监测出水溶解性产物的变化；
(c)反应器进入停滞状态，在4℃下维持14～21天；
(d)反应器重新启动，进水NH4 +-N和NO2 --N浓度均调整为70mg·L-1，每当出水NO2 --N浓度低于10mg·L-1时，以70mg·L-1的步幅同步增加进水中NH4 +-N和NO2 --N浓度，直到进水NH4 +-N和NO2 --N浓度为280mg·L-1，再以前一阶段水力停留时间的0.75～0.85倍逐级降低水力停留时间，直至水力停留时间不大于10h。
5.根据权利要求1所述的利用三维荧光图谱监测反应器运行状态的方法，其特征在于，步骤(3)中，所述出水水样采用0.45μm滤膜预过滤。
6.根据权利要求1所述的利用三维荧光图谱监测反应器运行状态的方法，其特征在于，所述的类蛋白组分包括类酪氨酸组分和类色氨酸组分。
7.根据权利要求1或6所述的利用三维荧光图谱监测反应器运行状态的方法，其特征在于，所述的氨基酸组分包括类色氨酸氨基酸组分。
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