CN113588612A - 一种atp在线检测方法及设备 - Google Patents

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Abstract

本发明属于水质检测设备领域，具体涉及一种ATP在线检测方法及设备。具体的技术方案为：对活性污泥取样，向样品中加入ATP提取剂，获得ATP提取液，加入ATP检测剂获得待检测液，ATP在线检测设备对待检测液进行检测；所述ATP提取剂为DDAB溶液，所述ATP检测剂为包含保护剂的荧光素‑荧光素酶溶液，所述保护剂的组分包括DEAE‑Dx、BSA、GSH、PVP和蔗糖。减小了活性污泥样品检测过程中各种干扰物质的影响，强化活性污泥微生物细胞ATP的提取效果与ATP检测效率，实现活性污泥中ATP的实时、精准检测。

Description

一种ATP在线检测方法及设备
技术领域
本发明属于污泥检测设备领域，具体涉及一种ATP在线检测方法及设备的改进。
背景技术
活性污泥法是污水处理厂最常用的污水处理方法。活性污泥工艺运行过程中，微生物的活性与污水处理效率高度相关，实时、准确地检测微生物的活性，对提高污水处理性能、指导工艺优化调控、保障工艺稳定运行具有重要的指导意义。
ATP荧光检测法是根据萤火虫发光原理开发的快速检测技术，即在有氧条件下，荧光素酶催化荧光素和ATP之间发生氧化反应形成氧化荧光素并发出荧光，其荧光强度与微生物数量呈比例关系，其作用机理如下：荧光素+ATP+O2——氧化荧光素+AMP+PPi+CO2+hv。
ATP是所有活微生物的主要能量货币，常作为微生物量与生物活性的衡量指标，可表征生物降解过程中微生物量的多少和微生物代谢速度的快慢。由于ATP仅存在于活的微生物细胞中，且很容易失活，故ATP的快速、准确检测非常重要。
当前，国内外针对ATP的快速检测，开发了便携式的ATP检测仪，这使得ATP的检测更为便捷，但该方法仍不能满足活性污泥工艺中的微生物ATP含量的实时、动态检测的需求。最近，加拿大LuminUltra Technologies公司推出了
Figure BDA0003181606460000011
在线ATP检测仪，在工业循环水、冷却塔、膜法回用水、反渗透除盐等水处理过程中实现了微量/痕量微生物的在线检测。然而，活性污泥工艺中的样品十分复杂，如何排除活性污泥样品检测过程中各种干扰物质的影响，强化活性污泥微生物细胞ATP的提取效果与ATP检测效率，实现活性污泥中ATP的实时、精准检测，目前国内外尚未见报道。
发明内容
为解决背景技术中的问题，本发明的目的是提供一种ATP在线检测方法及设备。
为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案是：一种ATP在线检测方法，对活性污泥取样，向样品中加入ATP提取剂，获得ATP提取液，加入ATP检测剂获得待检测液，ATP在线检测设备对待检测液进行检测；
所述ATP提取剂为DDAB溶液，所述ATP检测剂为包含保护剂的荧光素-荧光素酶溶液，所述保护剂的组分包括DEAE-Dx、BSA、GSH、PVP和蔗糖。
优选的，所述DDAB溶液浓度为0.3-1.0g/L，pH为5.5-7.5。
优选的，所述荧光素-荧光素酶溶液pH为7.4-8.4，荧光素浓度为0.4-1.0mM，荧光素酶浓度为60-180mg/L。
优选的，所述DEAE-Dx的浓度为2.5-3.5g/L，所述BSA的浓度为1.8-2.2g/L，所述蔗糖的浓度为70-90g/L，所述GSH的浓度为0.5-1.5mM，所述PVP的浓度为0.4-0.6g/L。
相对应的，一种ATP在线检测设备，包括取样单元、加剂单元，所述取样单元和/或加剂单元设置有管路切换机构，所述管路切换机构包括固定盘，所述固定盘内同中心轴设置有可转动的转盘，所述转盘内同中心轴设置有中心盘；所述固定盘垂直于其中心轴设置有多个第一通孔，所述转盘设置有一个与所述第一通孔相对应的第二通孔，所述中心盘设置有多个与所述第一通孔对应的第三通孔，转动转盘，将所述第二通孔与多个所述第一通孔、第三通孔一一连通。
优选的，所述中心盘内沿其中轴线设置有与多个所述第三通孔连通的中心通孔，所述中心通孔另一端连接有注射泵；所述转盘一端伸出所述固定盘外固定设置有从动齿轮，所述从动齿轮啮合电机驱动的主动齿轮。
优选的，所述转盘内围设置有第一密封块，所述中心盘外围设置有与所述第一密封块相对应的第一密封槽；所述转盘外围设置有第二密封块，所述固定盘内围设置有与所述第二密封块相对应的第二密封槽；所述第一密封块、第二密封块远离所述转盘一侧设置有多个弧形凸起和/或弧形凹陷。
优选的，所述第一通孔内设置有单向机构，所述单向机构仅允许介质从第一通孔流入第三通孔；所述单向机构包括直径大于第一通孔的单向孔，所述单向孔内靠近所述第二通孔一端设置有弹簧，所述弹簧另一端固定设置有梯形圆柱块，所述梯形圆柱块的小端远离所述弹簧且其直径小于所述第一通孔的直径。
优选的，还包括反应单元，所述反应单元包括通过间隔机构隔断的反应室和过滤室，所述间隔机构包括过滤板和可上下移动的阻隔板，所述过滤板上贯穿设置有多个过滤孔，所述阻隔板上设置有多个与所述过滤孔相对应的圆形凸起。
优选的，所述过滤板上设置有电磁铁，所述阻隔板上设置有永久磁铁，所述电磁铁内通过可改变电流方向的直流电。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明的ATP提取剂为DDAB溶液，ATP检测剂为包含保护剂的荧光素-荧光素酶溶液，保护剂的组分包括DEAE-Dx、BSA、GSH、PVP和蔗糖。减小了活性污泥样品检测过程中各种干扰物质的影响，强化活性污泥微生物细胞ATP的提取效果与ATP检测效率，实现活性污泥中ATP的实时、精准检测。
(2)本发明在固定盘内同中心轴设置有可转动的转盘，转盘内同中心轴设置有中心盘，固定盘垂直于其中心轴设置有多个第一通孔，转盘设置有一个与第一通孔相对应的第二通孔，中心盘设置有多个与第一通孔对应的第三通孔，转动转盘，将第二通孔与多个第一通孔、第三通孔一一连通。相比现有的多通路结构，结构简单、体积小，操作方便，采用简单结构就实现了不同管路的切换。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的管路切换机构结构示意图；
图3为本发明图2中A-A截面结构示意图；
图4为本发明的取样单元和加剂单元内的管路连接示意图(图中的各个试剂瓶位置并不代表在箱体的放置位置)；
图5为本发明的反应单元和检测单元内部结构示意图；
图6为本发明图5中B局部结构示意图；
图7为本发明的过滤板俯视示意图。
附图中标记：箱体1、固定盘2、转盘3、中心盘4、第一通孔5、第二通孔6、第三通孔7、中心通孔8、注射泵9、第一密封块10、电机11、第二密封块12、底板13、单向孔14、梯形圆柱块15、弹簧16、反应箱体17、反应室18、过滤室19、过滤板20、阻隔板21、过滤孔22、圆形凸起23、滑槽24、支撑柱25、检测室26、暗盒27、反应箱进口管路28、反应箱出口管路29、主动齿轮30、从动齿轮31、显示屏32、蠕动泵33、电源34；加剂第一通路35、加剂第二通路36、加剂第三通路37、加剂第四通路38、加剂第五通路39、加剂第六通路40、第一蒸馏水瓶41、ATP提取剂试剂瓶42、ATP检测剂试剂瓶43、废液瓶44、取样第一通路46、取样第二通路47、取样第三通路48、取样第四通路49、取样第五通路50、取样第六通路51、样品瓶53、备用样品瓶54、第二蒸馏水瓶55。
具体实施方式
本发明中，DMSO指的是二甲基亚砜，SDS指的是十二烷基硫酸钠，BAB指的是苯扎溴铵，DDAB指的是双十二烷基二甲基溴化铵，TCA指的是三氯乙酸，CTAB指的是十六烷基三甲基溴化铵。
BSA指的是牛血清白蛋白，DEAE-Dx指的是二乙氨基葡聚糖，PVP指的是聚乙烯吡咯烷酮，GSH指的是谷胱甘肽。
RLU指的是相对光单位，是一个样品中光产生量的相对测试值。
需要说明的是，本申请实验的ATP检测样品均为活性污泥。
本发明公开了一种用于活性污泥/微生物菌株的ATP在线检测方法：先清洗ATP在线检测设备，对活性污泥进行取样，向样品中加入ATP提取剂，获得ATP提取液，再向ATP提取液中加入ATP检测剂，获得待检测液，ATP在线检测设备对待检测液进行检测。检测完成后排废，最后清洗设备。为了排除活性污泥样品检测过程中各种干扰物质的影响，强化活性污泥微生物细胞ATP的提取效果，ATP提取剂、ATP检测试剂的选择尤为重要。
实施例一：ATP提取剂的筛选与优化
(1)不同提取剂的ATP提取效果与破壁效果分析
发明人采用不同提取剂DMSO、SDS、BAB、双链阳离子表面活性剂(DDAB)、TCA、CTAB，分别考察ATP提取剂队活性污泥的ATP提取效果与破壁效果，最终确定最佳的ATP提取剂。
通过对添加ATP提取剂前后的活性污泥中细菌数进行检测，计算“活性污泥细菌数(ATP提取后)/活性污泥细菌数(ATP提取前)*100％”来确定。活性污泥细菌数的测定方法参照HJ 1000-2018《中华人民共和国国家环境保护标准水质细菌总数的测定平皿计数法》。活性污泥的提取效果：采用提取剂提取活性污泥，直接测定相对发光值来获得。
表1不同提取剂的提取效果与破壁效果对比
Figure BDA0003181606460000051
Figure BDA0003181606460000061
由表1可知，通过平板计数与生物发光测定比较了DMSO、SDS、BAB、DDAB、TCA、CTAB，这几种试剂作为活性污泥ATP提取剂时的裂解效果与提取效果。结果表明，作为活性污泥提取剂，裂解效果DMSO(99.18％)＜SDS(99.32％)＜BAB(99.87％)＜DDAB(99.92％)＜TCA(99.97％)＜CTAB(100％)。而生物发光强度SDS＜DMSO＜TCA＜CTAB＜BAB＜DDAB。综合裂解效果与生物发光强度，选择DDAB作为活性污泥ATP提取剂。
(2)ATP提取剂的优化
分别考察不同DDAB浓度、pH对活性污泥中ATP的提取效果，以构建一个活性污泥ATP提取的最佳工作环境。
表2不同DDAB浓度、pH提取剂的提取效果
pH RLU DDAB浓度/nM RLU
5.0 1842600 0 33880
5.5 1975310 0.003 2536445
6.0 2284985 0.007 3693565
6.5 3141440 0.01 5965865
7.0 3682795 0.015 3296180
7.5 4269135 0.02 1374880
8.0 4811335 0.025 817839
8.5 3964975
9.0 3841275
由表2可知，选取DDAB作为活性污泥提取剂时，通过对DDAB浓度、pH的优化，得出了提取剂的使用条件为：DDAB溶液浓度为0.3-1.0g/L，pH为5.5-7.5。优选的技术方案为：DDAB浓度1.0g/L，pH＝8.0。因此，采用DDAB作为活性污泥ATP的提取剂优势明显。
实施例二：ATP生物发光体系与酶活稳定优化
(1)荧光素-荧光素酶溶液优化
ATP生物发光体系包括荧光素与荧光素酶，采用缓冲溶液溶解配置。用不同pH值缓冲溶液配制荧光素浓度为0.6mM、荧光素酶浓度为1mg/50mL的荧光素-荧光素酶溶液。考察不同pH值(7.0-8.4)的检测液对ATP标准溶液的检测效果。在此基础之上，对荧光素、荧光素酶的浓度进行优化，具体为：1)固定荧光素酶的含量(1mg/50mL)，改变荧光素含量为：0-1.0mM；2)固定荧光素的含量，改变荧光素酶含量：0-180mg/L。
表3不同pH、荧光素浓度、荧光素酶浓度提取剂的提取效果
Figure BDA0003181606460000071
如表3所示，通过检测不同pH缓冲液配置荧光素-荧光素酶溶液对ATP标准液的发光值检测，优选pH为7.4-8.4，荧光素浓度为0.4-1.0mM，荧光素酶浓度为60-180mg/L。在此基础之上，进一步确定最佳的酶与底物浓度组合为：荧光素的浓度为0.4mM，荧光素酶的浓度为120mg/L，pH为8.0。
(2)荧光素酶稳定性优化
酶的活性在高温下易失活，低温保藏是目前常用的方法。荧光素酶是一种巯基酶，巯基活性较高，比较容易受到氧化，所以在保存时常常添加一些保护剂使酶活性保持较高。保护剂可以为甘油、蔗糖、海藻糖、谷胱甘肽(还原型)、DEAE-Dx、二硫苏糖醇(DTT)、BSA、PVP、氨基乙醇、辅酶A(CoA)等。共溶剂可以为甘油、蔗糖、海藻糖等，能减少外界不良环境对酶活的影响。添加可结合生物发光反应副产物L-AMP，减少其对酶促反应的抑制。
根据荧光素酶保护原理挑选出五种保护剂(BSA、DEAE-Dx、PVP、GSH、蔗糖)，设计五因素三水平正交实验，使用包含不同浓度保护剂的缓冲液配制荧光素-荧光素酶溶液，需要说明的是，保护剂缓冲液的溶剂可以为去离子水。分别在0h、12h、1d、2d、3d、4d、5d、6d、7d、15d测定4℃下ATP标准溶液，考察不同浓度保护剂组合对生物发光的影响，最终确定最佳的酶溶液保护体系。
表4不同浓度保护剂组合对生物发光的影响
组 DEAE-Dx(g/L) BSA/(g/L) GSH/mM PVP/(g/L) 蔗糖(g/L)
1 3.0 2.0 1.0 0.5 70
2 3.0 1.8 1.5 0.4 90
3 2.5 2.0 1.5 0.4 80
4 3.5 2.2 1.5 0.6 70
5 2.5 1.8 0.5 0.4 70
6 2.5 1.8 1.0 0.6 70
7 3.5 1.8 1.0 0.4 90
8 2.5 2.2 0.5 0.5 90
9 2.5 2.2 1.0 0.4 80
10 3.0 2.2 0.5 0.4 70
11 3.5 1.8 0.5 0.5 80
12 3.0 1.8 0.5 0.6 80
13 2.5 1.8 1.5 0.5 70
14 3.5 2.0 0.5 0.4 7
15 2.5 1.8 0.5 0.4 70
16 2.4 2.0 0.5 0.6 90
(3)4℃下ATP检测试剂中酶保护体系的优化
从表4可知，在4℃条件下，未添加保护剂的对照组的发光值随着时间的推移显著下降(y＝-11.145x+110.31，R2＝0.9884)。添加保护剂的组，0小时的生物发光有明显的增强，为对照组的201％-231％。4℃条件下保存12小时后，组11从231％下降到227％，保护效果明显。7天后发光值为对照组的141％，仍然能保持较高活性。
表5 4℃对ATP生物发光的影响
Figure BDA0003181606460000091
对0小时的相对发光值进行方差分析，五种试剂对生物发光的影响的主次关系为：DEAE-Dx(256.063)＞GSH(235.063)＞S(207.563)＞BSA(158.063)＞PVP(84.563)。说明DEAE-Dx对生物发光的影响最大，能增强生物发光。优选的技术方案为，DEAE-Dx的浓度为2.5-3.5g/L，BSA的浓度为1.8-2.2g/L，蔗糖的浓度为70-90g/L，GSH的浓度为0.5-1.5mM，PVP的浓度为0.4-0.6g/L。最终确定，该温度下的酶溶液最佳保护体系组合为：DEAE-Dx(3.0g/L)、BSA(1.8g/L、GSH(0.5mM)、PVP(0.4g/L)、蔗糖(80g/L)。
12小时的相对发光值的方差分析结果表明，五种试剂对生物发光的影响的主次关系为：蔗糖(1058.188)＞GSH(666.188)＞PVP(310.063)＞DEAE-Dx(42.188)＞BSA(12.063)。说明在4℃条件下，蔗糖对荧光素酶活性的保护作用明显。因此，4℃条件下酶溶液最佳保护体系组合为：DEAE-Dx(3.0g/L)、BSA(2.2g/L)、GSH(0.5mM)、PVP(0.6g/L)、蔗糖(80g/L)。
本发明中，蔗糖、PVP的添加能减少外界不良环境对酶活性的影响，减少其对酶促反应的抑制；GSH、BSA的添加主要是保护荧光素酶的巯基，减少其被氧化；DEAE-Dx的添加可以增加荧光素酶与荧光素的结合，从而增强生物发光。
因此，本发明中的ATP提取剂选用浓度1.0g/L、pH＝8.0的DDAB溶液。ATP检测剂选用pH＝8.0的酶与底物浓度组合——荧光素的浓度为0.4mM，荧光素酶的浓度为120mg/L。荧光素酶溶液的保存条件为4℃，最佳保护体系组合DEAE-Dx(3g/L)、BSA(2.2g/L)、GSH(0.5mM)、PVP(0.6g/L)、蔗糖(80g/L)。
实施例三：一种ATP在线检测设备及检测流程
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
现有的ATP在线检测设备通过在检测箱体内设置八通阀，多通阀包括一个中心通路及八个与中心通路连通的连接口，八个连接口分别与蒸馏水瓶、ATP提取剂试剂瓶、ATP检测剂试剂瓶、大气、废液瓶、反应池、检测池、样品瓶连接，中心管路上连接有注射泵。在这种技术方案中，量取样品/试剂体积很微量(200-400μL)，进入注射泵的液体会残留微量于管壁，八通阀公共通道也会有一定残留。通过反复清洗，会减少干扰，但是程序会更加复杂，需要更久的前序准备时间，而时间延长会导致ATP失活，从而影响检测结果。同时，多通阀基本为金属材质，重量大，体积大、对于偏远地区的使用受限。
针对上述设备的缺陷，发明人对ATP在线检测设备进行了改进，在保证高精度检测条件下，高度集成设备内的各个部件，以减小设备的重量和体积。如图1-7所示，一种ATP在线检测设备，包括设置在箱体1内的样品检测系统和PLC控制系统，样品检测系统包括取样单元、加剂单元、反应单元和检测单元，本发明在取样单元和加剂单元均设置了管路切换机构，将取样品和取试剂过程分开，有效避免样品和试剂之间的交叉污染，减少了样品与试剂通过八通阀不断切换所带来的操作不便，取样和取试剂同时进行，简化了操作流程与操作步骤，活性污泥样品提取与反应两个过程耗时明显缩短。可根据需要采用不同材质制成不同大小的管路切换机构。
管路切换机构的一种实施方式为：所述管路切换机构包括固定盘2，需要说明的是，固定盘2内部中空或者固定盘2上沿其中心轴设置有凹槽，所述固定盘2内同中心轴设置有可转动的转盘3，所述转盘3内同中心轴设置有中心盘4；转盘3转动时，固定盘2与中心盘4保持不动。当固定盘2内部中空时，固定盘2与中心盘4与箱体1固定；当固定盘2上沿其中心轴设置有凹槽时，中心盘4底部固定设置在所述凹槽内。所述固定盘2垂直于其中心轴设置有多个第一通孔5，所述转盘3设置有一个与所述第一通孔5相对应的第二通孔6，所述中心盘4设置有多个与所述第一通孔5对应的第三通孔7。可以理解的是，第一通孔5与第三通孔7之间一一对应，通过转动转盘3，将第二通孔6设置在对应的第一通孔5和第三通孔7之间，用于连通第一通孔5和第三通孔7，实现不同管路的切换。
进一步的，所述中心盘4内沿其中轴线设置有与多个所述第三通孔7连通的中心通孔8，所述中心通孔8另一端连接有注射泵9。需要说明的是，中心通孔8可以设置一个、两个、三个或者多个，即中心通孔8的数量小于且等于第三通孔7数量。注射泵9的通道数量与中心通孔8数量一致，当中心通孔8数量为一个时，如图2和3所示，选择单通道注射泵。此时，优选的方案，如图2所示，中心通孔8与第三通孔7的连接部设置为倒置的漏斗状。当中心通孔8数量为两个时，选择双通道注射泵。所述转盘3一端伸出所述固定盘2外固定设置有从动齿轮31，所述从动齿轮31啮合电机11驱动的主动齿轮30，从动齿轮31设置在固定盘2外围，电机11驱动转盘3转动，实现不同管路的切换。
具体地，如图3和4所示，取样单元和加剂单元管路切换机构均设置有六个第一通孔5，中心通孔8均为一个，六个第一通孔5提取的液体均需要经过同一个中心通孔8。取样单元和加剂单元可定量、分种类提取样品和试剂。
如图4所示，加剂单元的六个通路分别为：通过第一加剂通路35与大气连通，通过第二加剂通路36与第一蒸馏水瓶41连通，通过第三加剂通路37与ATP提取剂试剂瓶42连通，通过第四加剂通路38与ATP检测剂试剂瓶43连通，通过第五加剂通路39与废液瓶44连通，通过第六加剂通路40与反应箱体17连通。
如图4所示，取样单元的六个通路分别为：通过第一取样通路46与大气连通，通过第二取样通路47与第一蒸馏水瓶41连通，通过第三取样通路48与样品瓶53连通，通过第四取样通路49与备用样品瓶54连通，通过第五取样通路50与废液瓶44连通，通过第六取样通路51与反应箱体17连通。
当中心通孔8的数量为一个时，取样单元和加剂单元管路切换机构具体工作过程：当需要量取试剂或样品时，先旋转转盘3，将对应的样品瓶或试剂瓶与第一通孔5、第二通孔6和第三通孔7连通，启动注射泵9将对应试剂或样品抽取至中心通孔8内，再旋转转盘3，将中心通孔8与反应箱体17连通，启动注射泵9将中心通孔8内的试剂或样品注入反应箱体17内。注射完成后，旋转转盘3，将中心通孔8与第一蒸馏水瓶41连通，启动注射泵9将蒸馏水抽取至中心通孔8内，再旋转转盘3，将中心通孔8与废液瓶44连通，将清洗中心通孔8内的蒸馏水排至废液瓶44内。中心通孔8清洗完成后，量取下一个试剂或样品。
进一步的，为了保持酶的活性，ATP检测剂试剂瓶43设置有低温系统，现有ATP检测设备中的低温系统采用电子半导体制冷片，此制冷结构需要散热良好的环境，然而设备处于严格密闭，无法满足；且制冷温度无法控制，实时温度无法监测，导致制冷系统在设备中使用存在很大问题。因此本发明的制冷系统采用车载式数显温控系统，其型号可以为美库MX，可实现温度的实时控制，车载式数显温控系统将ATP检测剂试剂的保存温度控制在4℃左右。
为了防止介质从管路切换机构内溢出，所述转盘3内围设置有第一密封块10，所述中心盘4外围设置有与所述第一密封块10相对应的第一密封槽；所述转盘3外围设置有第二密封块12，所述固定盘2内围设置有与所述第二密封块12相对应的第二密封槽；所述第一密封块10、第二密封块12远离所述转盘3一侧设置有多个弧形凸起和/或弧形凹陷。设置多个弧形凸起和/或弧形凹陷的目的，一是为了增强管路切换机构的密封性能，二是限制转盘3在固定盘2和中心盘4之间的位置，三是弧形凸起相对于尖角凸起，能够防止转盘3在转动过程中卡死，减小转动过程中的摩擦力，进一步减小电机11的输出功率。进一步的，可以在密封块与密封槽的接触面处填充密封油。
注射泵9从试剂瓶内吸取试剂后，关闭注射泵9，中心通孔8和第三通孔7内会存在部分试剂液回流至试剂瓶内，从而污染试剂。为了解决这一技术问题，本发明在第一通孔5内设置有单向机构，所述单向机构仅允许介质从第一通孔5流入第三通孔7；所述单向机构包括直径大于第一通孔5的单向孔14，所述单向孔14内靠近所述第二通孔6一端固定设置有弹簧16，所述弹簧16另一端固定设置有梯形圆柱块15，所述梯形圆柱块15的小端远离所述弹簧16且其直径小于所述第一通孔5的直径，梯形圆柱块15大端的直径大于第一通孔5的直径且小于单向孔14的直径。弹簧16的外直径大于第一通孔5的直径且小于单向孔14的直径。
需要说明的是，单向孔14与第一通孔5的连接段渐缩变化，即不是直角变化。单向机构在第一通孔5内的最佳设置位置位于第一通孔5内远离转盘3的一端，正常状态时，弹簧16在单向孔14的状态为自然状态，且梯形圆柱块15的小端与第一通孔5接触。当有介质从第三通孔7经第二通孔6流入第一通孔5时，由于介质的流动作用，将梯形圆柱块15的小端推入第一通孔5，此时关闭第一通孔5，实现阻流的作用；当有介质从第一通孔5经第二通孔6流入第三通孔7时，由于介质的流动作用，推动梯形圆柱块15的小端远离第一通孔5，此时打开第一通孔5。通过设置弹簧16和梯形圆柱块15，相比现有的单向阀，结构简单、体积小，且能够集成在管路切换机构内，采用简单结构就实现了介质单向流动的功能。
进一步的，所述反应单元包括反应箱体17，反应箱体17内设置有间隔机构，通过间隔机构将反应箱体17隔成反应室18和过滤室19，反应室18用于活性污泥与检测试剂反应，过滤室19用于过滤反应物中的固体悬浮物，只允许检测液进入检测单元。所述间隔机构包括过滤板20和可在反应箱体17上滑动的阻隔板21，所述过滤板20上贯穿设置有多个过滤孔22，所述阻隔板21上设置有多个与所述过滤孔22相对应的圆形凸起23。
进一步的，所述过滤板20上设置有电磁铁，所述阻隔板21上设置有永久磁铁，所述电磁铁内通过可改变电流方向的直流电。通过给电磁铁通入不同电流方向的直流电，使过滤板20产生不同的磁极，从而吸附阻隔板21或排斥推开阻隔板21。如给电磁铁通入正向电流，过滤板20与阻隔板21吸附在一起，圆形凸起23插入过滤孔22内，反应室18内的液体不会进入过滤室19；反应完全后，给电磁铁通入反向电流，过滤板20与阻隔板21之间产生排斥力，由于过滤板20在反应箱体17上保持不动，从而推动阻隔板21在反应箱体17内滑动。
进一步的，反应箱体17下部为漏斗状箱体，其上部为倒置的漏斗状箱体，阻隔板21和过滤板20的形状与反应箱体17下部相对应的漏斗状，过滤板20底部为实体的底板13，所述底板13下表面设置有多个与反应箱体17固定连接的支撑柱25，阻隔板21一侧设置有与支撑柱25相对应的缺口，缺口能够容纳支撑柱25，使阻隔板21沿支撑柱25长度方向滑动。反应箱体17上部箱体的内侧设置有滑槽24，阻隔板21的另一侧滑动设置在滑槽24内。通过设置滑槽24、支撑柱25，能够很好地进行限位，从而将圆形凸起23插入过滤孔22。通过设置过滤板20和倾斜的过滤室19，过滤板20能够过滤反应液中一部分的固体悬浮物，过滤后的过滤液经倾斜的过滤室19，可以快速进入件检测单元。
反应箱体17上设置有反应箱进口管路28和反应箱出口管路29，反应箱进口管路28另一端连接有废液箱，反应箱出口管路29另一端连接有检测单元。
进一步的，检测单元包括检测室26、光子计数器、荧光检测仪，检测室26和光子计数器外设置有暗盒27，暗盒27与箱体1严格贴合，同时对箱体1正面门继续遮光处理，解决设备避光不足的问题。检测室26通过反应箱出口管路29设置在反应箱体17下方，所述反应箱出口管路29上设置有电动控制阀和蠕动泵33，检测室26上设置有检测箱出口管路，检测箱出口管路上设置有电动控制阀且其另一端连接有第二蒸馏水瓶55。需要清洗检测室和反应室时，将阻隔板21与过滤板20分离，打开所述两个电动控制阀以及蠕动泵33，蠕动泵33抽取第二蒸馏水瓶55依次清洗检测室、过滤室和反应室，最后经反应箱进口管路28排至废液箱。
本发明将反应室与检测室分开设计，有效避免了活性污泥样品提取液中的污泥沉淀进入检测室，从而影响ATP检测结果的干扰，同时检测室置于暗室可避免光线的影响，保证了检测结果准确性。
PLC控制系统与取样单元和加剂单元的注射泵9、电机11、蠕动泵33电性连接，同时与电动控制阀和荧光检测仪电性连接，PLC控制系统与这些电性设备之间通信传输并控制这些设备的工作过程。箱体1上设置有显示检测结果、各个单元工作状态的显示屏32。本发明的PLC控制系统的型号可以为SIMATIC S7-1200。
本发明的一种ATP在线检测方法使用过程如下：
(1)PLC控制系统监控各个单元的状态并在显示屏32上显示，若各个单元没有异常情况，开始进行漏光检测，若荧光检测仪检测到的发光值(RLU)以及ATP值；若发光值(RLU)和/或ATP值不为零，则PLC控制系统控制发出漏光警报；若发光值(RLU)和/或ATP值不为零，则检测单元的避光处于正常状态，显示屏32显示设备正常。
(2)PLC控制系统控制各个电性设备工作，注射泵9配合电机11工作，取样单元抽取检测液至反应单元，加剂单元抽取ATP提取剂和ATP检测剂至反应单元，反应完成后，打开电动控制阀和蠕动泵33，将反应单元的检测液抽取至检测单元的检测室，打开荧光检测仪，开始检测，显示屏32显示检测结果。
(3)检测完成后，PLC控制系统控制蠕动泵33抽取第二蒸馏水瓶55内蒸馏水清洗检测单元和反应单元的流体通路，方便下一次使用。
实施例四：在污水短程硝化工艺调控过程中的应用
将ATP在线检测体系用于监测两个短程硝化工艺在调试过程中的ATP、亚硝氮、亚硝氮积累率等指标，监测结果见表6和表7。各指标监测频率：1d/次。
表6污水硝化工艺的ATP、亚硝氮、亚硝氮积累率变化
R1 1d 2d 3d 4d 5d 6d 7d 8d 9d 10d
ATP 161.67 514.69 291.54 290.86 224.81 54.49 86.98 148.78 192.97 127.15
NO<sub>2</sub><sup>-</sup>-N 2.08 1.21 2.92 1.56 0.60 0.07 3.00 3.36 6.69 1.36
r(％) 85.98 44.06 42.62 22.03 11.69 1.31 32.14 24.58 72.53 100.00
R1 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
ATP 144.33 191.52 284.72 200.56 185.41 102.62 68.84 128.04 173.07 172.93
NO<sub>2</sub><sup>-</sup>-N 8.69 8.92 16.04 12.66 18.10 5.44 15.96 9.35 13.62 16.19
r(％) 68.85 74.00 76.48 84.43 91.24 100.00 72.26 54.75 89.86 95.64
R1 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30
ATP 191.49 140.33 118.34 125.74 112.49 84.75 206.38 234.52 164.73 154.21
NO<sub>2</sub><sup>-</sup>-N 18.51 9.33 8.52 8.95 8.10 9.58 5.15 7.82 7.78 7.73
r(％) 88.80 100.00 100.00 98.46 82.34 83.18 87.46 57.72 59.33 75.30
表7污水硝化工艺的ATP、亚硝氮、亚硝氮积累率变化
Figure BDA0003181606460000171
Figure BDA0003181606460000181
由表6和表7可知，短程硝化调试期间，ATP与亚硝氮浓度、亚硝累积率具有显著相关。其中反应器2(R2)中ATP与亚硝氮浓度、亚硝氮累积率的相关性分别为-0.466**(p＜0.01)、-0.495**(p＜0.01)，需要说明的是，本申请中“**”指的是极显著相关。说明ATP值的变化能很好的反映系统中短程硝化的性能，可作为短程硝化运行状态的一个表征指标。
实施例五：在污水全程硝化反应器周期运行状态监控中的应用
将ATP在线检测体系用于监测两个短程硝化工艺在调试过程中的ATP、氨氮去除率、COD去除率指标，监测结果见表8。各指标监测频率：0.5h/次。
表8全程硝化反应一周期内ATP与氨氮、COD去除率变化
时间/h ATP/mM 氨氮去除率 COD去除率
0 2.2234 0 0
0.5 3.3082 9.5498 31.64668
1 4.7315 23.19236 53.79498
1.5 4.36858 50.47749 82.28136
2 4.10303 69.57708 82.91167
2.5 3.51293 100 87.97164
3 3.3574 100 82.91167
3.5 3.40845 100 86.07196
4 3.50865 100 86.71102
由表8可知，对全程反应一个周期的ATP、氨氮、COD的监测结果证明，当ATP浓度达到稳定时(t＝2.5h)，氨氮与COD去除率都达到最大。在此时应该停止曝气，以减少能耗。

Claims (10)

1.一种ATP在线检测方法，其特征在于：对活性污泥取样，向样品中加入ATP提取剂，获得ATP提取液，加入ATP检测剂获得待检测液，ATP在线检测设备对待检测液进行检测；
所述ATP提取剂为DDAB溶液，所述ATP检测剂为包含保护剂的荧光素-荧光素酶溶液，所述保护剂的组分包括DEAE-Dx、BSA、GSH、PVP和蔗糖。
2.根据权利要求1所述的一种ATP在线检测方法，其特征在于：所述DDAB溶液浓度为0.3-1.0g/L，pH为5.5-7.5。
3.根据权利要求1所述的一种ATP在线检测方法，其特征在于：所述荧光素-荧光素酶溶液pH为7.4-8.4，荧光素浓度为0.4-1.0mM，荧光素酶浓度为60-180mg/L。
4.根据权利要求3所述的一种ATP在线检测方法，其特征在于：所述DEAE-Dx的浓度为2.5-3.5g/L，所述BSA的浓度为1.8-2.2g/L，所述蔗糖的浓度为70-90g/L，所述GSH的浓度为0.5-1.5mM，所述PVP的浓度为0.4-0.6g/L。
5.一种ATP在线检测设备，其特征在于：包括取样单元、加剂单元，所述取样单元和/或加剂单元设置有管路切换机构，所述管路切换机构包括固定盘(2)，所述固定盘(2)内同中心轴设置有可转动的转盘(3)，所述转盘(3)内同中心轴设置有中心盘(4)；所述固定盘(2)垂直于其中心轴设置有多个第一通孔(5)，所述转盘(3)设置有一个与所述第一通孔(5)相对应的第二通孔(6)，所述中心盘(4)设置有多个与所述第一通孔(5)对应的第三通孔(7)，转动转盘(3)，将所述第二通孔(6)与多个所述第一通孔(5)、第三通孔(7)一一连通。
6.根据权利要求5所述的一种ATP在线检测设备，其特征在于：所述中心盘(4)内沿其中轴线设置有与多个所述第三通孔(7)连通的中心通孔(8)，所述中心通孔(8)另一端连接有注射泵(9)；所述转盘(3)一端伸出所述固定盘(2)外固定设置有从动齿轮(31)，所述从动齿轮(31)啮合电机驱动的主动齿轮(30)。
7.根据权利要求6所述的一种ATP在线检测设备，其特征在于：所述转盘(3)内围设置有第一密封块(10)，所述中心盘(4)外围设置有与所述第一密封块(10)相对应的第一密封槽；所述转盘(3)外围设置有第二密封块(12)，所述固定盘(2)内围设置有与所述第二密封块(12)相对应的第二密封槽；所述第一密封块(10)、第二密封块(12)远离所述转盘(3)一侧设置有多个弧形凸起和/或弧形凹陷。
8.根据权利要求5所述的一种ATP在线检测设备，其特征在于：所述第一通孔(5)内设置有单向机构，所述单向机构仅允许介质从第一通孔(5)流入第三通孔(7)；所述单向机构包括直径大于第一通孔(5)的单向孔(14)，所述单向孔(14)内靠近所述第二通孔(6)一端设置有弹簧(16)，所述弹簧(16)另一端固定设置有梯形圆柱块(15)，所述梯形圆柱块(15)的小端远离所述弹簧(16)且其直径小于所述第一通孔(5)的直径。
9.根据权利要求5所述的一种ATP在线检测设备，其特征在于：还包括反应单元，所述反应单元包括通过间隔机构隔断的反应室(18)和过滤室(19)，所述间隔机构包括过滤板(20)和可上下移动的阻隔板(21)，所述过滤板(21)上贯穿设置有多个过滤孔(22)，所述阻隔板(21)上设置有多个与所述过滤孔(22)相对应的圆形凸起(23)。
10.根据权利要求9所述的一种ATP在线检测设备，其特征在于：所述过滤板(20)上设置有电磁铁，所述阻隔板(21)上设置有永久磁铁，所述电磁铁内通过可改变电流方向的直流电。
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