CN115639333A - 一种利用硝化生物反应检测氨氮含量的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种利用硝化生物反应检测氨氮含量的方法。本发明利用硝化微生物对氨氮具有高度特异性，其代谢和耗氧能力与氨氮浓度密切关联，不易受水体色度、悬浮物等干扰，其氨氮检测结果准确性高，灵敏度高，而且硝化微生物膜反应器活性可长期保持稳定，传感器长期使用的稳定性好。本发明中以碳酸氢铵溶液作为微生物培养液，能够得到对环境适应能力强、结构稳定、对氨氮具有高选择性和高效降解能力的微生物反应膜，且无需高污染磷酸盐缓冲溶液来维持微生物活性。
Description
技术领域
本发明涉及水体检测技术领域，尤其是一种利用硝化生物反应检测氨氮含量的方法。
背景技术
氨氮是水体富营养化主要污染物之一，水体中氨氮含量过高，会对鱼类和水中生物的生长造成危害，氨氮经食物链等途径进入人体后也会对身体造成不同程度的损害。因此，水中氨氮的检测对于水资源保护和生态系统的改善具有重要意义。
目前的氨氮检测方法主要有：1)纳氏试剂分光光度法(也称为纳氏试剂比色法)：在碱性条件下，氨与纳氏试剂反应生成淡红棕色化合物，在一定浓度范围内，生成的红棕色化合物浓度与吸光度呈线性关系，根据测得的吸光度即可定量算出水样中的氨氮含量。但是吸光度易受温度、色度、浊度、显色时间等因素的干扰，不适合污染严重的水源，操作起来需要较高的专业技能；同时该方法所用碘化汞试剂具有毒性，测量后废液处理不当，会对环境形成二次污染，在现场测量中具有一定的局限性。2)水杨酸-次氯酸盐分光光度法：在亚硝基铁氰化钠作用的情况下，水中的铵根离子与水杨酸和次氯酸盐形成一种蓝绿色的稳定化合物，该化合物在700nm左右具有很强的吸光度，该吸光度与氨氮浓度呈线性关系。但是吸光度易受到水体中易受到金属离子、浊度、色度的干扰，该方法对研究人员的专业操作技能较高。3)氨气敏电极法：其原理是在pH>11 的条件下，使铵根离子向氨转变，氨通过氨敏电极的疏水膜转移，造成氨敏电极的电动势的变化，这个电势差与水样中的氨氮的浓度的对数成一定的线性关系，最终根据电动势的变化测量出氨氮的浓度。但是氢氧化钠试剂具有强腐蚀性，给设备的防腐蚀工作带来诸多不便，检测后的废液不能直接排到自然水体中；电极的使用寿命短(3～6个月)、稳定性及可靠性较差、测量精度不高。
由于现有的测试方法受到的干扰因素较高，测量稳定性及精度较差，易造成环境污染，因此，需要提供一种快速准确、检测稳定性高且环保的测量水体中氨氮含量的方法。
发明内容
本发明的目的在于，克服现有的氨氮检测方法测量稳定性及精度较差，易造成环境污染的缺陷，提供一种新的利用硝化生物反应检测氨氮含量的方法。本发明的检测方法，利用微生物的硝化反应消耗氮的量与水体中溶解氧之间的间接关系，间接测定水体中氨氮的含量，该方法不使用有毒化学试剂，不产生废液，无二次污染，且干扰因素较少，检测结果准确、稳定，可靠性高。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种利用硝化生物反应检测氨氮含量的方法，包括如下步骤：
S1.微生物反应膜的培养驯化：
将微生物源置于循环培养液中，曝气后在25～37℃下循环培养，直至形成微生物反应膜；
其中，所述培养液为碳酸氢铵溶液；
S2.氨氮检测：
S21.绘制标准曲线
分别使用纯水样和含氮标准水样流经步骤S1.得到的微生物反应膜，测量稳定后的水样中的溶解氧浓度：纯水样中的溶解氧浓度记为DO1，含氮标准水样中的溶解氧浓度记为DO2；并计算两种水样中的溶解氧浓度的差值△DO，根据△DO与含氮标准水样中的氨氮浓度，得到拟合公式；
S22.计算浓度
分别使用纯水样和含氮待测水样流经步骤S1.得到的微生物反应膜，检测并计算得到两种水样中的溶解氧浓度的差值△DO，代入步骤S21.得到的拟合公式中，即可计算得到含氮待测水样中的氨氮浓度。
本发明中以碳酸氢铵溶液作为微生物培养液，能够得到对环境适应能力强、结构稳定、对氨氮具有高选择性和高效降解能力的微生物反应膜，且无需高污染磷酸盐缓冲溶液来维持微生物活性。本发明利用硝化微生物对氨氮具有高度特异性，其代谢和耗氧能力与氨氮浓度密切关联，不易受水体色度、悬浮物等干扰，其氨氮检测结果准确性高，灵敏度高，而且硝化微生物膜反应器活性可长期保持稳定，传感器长期使用的稳定性好。
优选地，步骤S1.中所述微生物源为来自河流、湖泊或污水处理厂中的至少一种水样组成的水样。
步骤S1.中，微生物源水样与培养液按照(80～120)：1的体积比混合后，在微生物反应膜培养器中进行循环流动，然后在25～37℃下进行曝气，为微生物的生命活动提供充足的氧气，在循环过程中，需要监测培养液中的溶解氧浓度，当培养液中的溶解氧浓度低于2mg/L时，需要更换新的培养液并曝气。
优选地，所述碳酸氢铵溶液中，碳酸氢铵的浓度为0.004～0.007g/mL。
优选地，步骤S1.中形成的微生物反应膜上的微生物为亚硝化单胞菌、硝化螺菌或氨氧化古菌中的至少一种。
优选地，步骤S1.中在28～32℃下进行曝气，进一步优选为30℃。在该条件下进行培养，培养得到的微生物对环境适应能力强、结构稳定、对氨氮具有高选择性和更高效降解能力。
优选地，步骤S1.中所述循环培养液的流速为2～5mL/min，进一步优选为 3mL/min。
步骤S1.中得到的微生物反应膜用自来水填充，使用前在室温下保存即可。
优选地，步骤S2.中所述含氮标准水样为氯化铵溶液，所述氯化铵溶液中氯化铵的浓度为0～2mg/L。在该浓度范围内，氨氮浓度与微生物的耗氧能力呈线性相关关系。
优选地，步骤S2.中所述生物反应膜上各水样的流速独立地为2～5mL/min，进一步优选为3mL/min。在该流速下测试得到的氨氮浓度的准确度更高。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明利用硝化微生物对氨氮具有高度特异性，其代谢和耗氧能力与氨氮浓度密切关联，不易受水体色度、悬浮物等干扰，其氨氮检测结果准确性高，灵敏度高，而且硝化微生物膜反应器活性可长期保持稳定，传感器长期使用的稳定性好。其中在本发明的特定的微生物培养条件以及测试条件下，测试得到的水中氨氮浓度的相对偏差均在5％以下，可低至3.17％。
附图说明
图1为实施例1的氨氮检测示意图，图中，1为河流湖泊或污水处理厂水样， 2为培养液，3为三通阀①，4为微生物培养体系，5为蠕动泵①，6为曝气泵，7为三通阀②，8为三通阀③，9为蠕动泵②，10为微生物膜挂膜器－螺旋聚氨酯管，11为恒温水浴锅，12为溶解氧测定仪，13为信号工作站。
图2为实施例1中步骤S21中绘制的标准曲线图，以氨氮标准溶液的浓度为横坐标，以纯水样和对应浓度的氨氮标准溶液的溶解氧浓度的差值为纵坐标作图，然后根据图中的数据规律，拟合得到关于氨氮浓度和微生物耗氧量△DO 的线性方程式。
具体实施方式
为更好的说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合具体实施例和附图来进一步说明本发明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。除非特别说明，本发明所用试剂和材料均为市购。
实施例1
本实施例提供一种利用硝化生物反应检测氨氮含量的方法，检测示意图如图1所示，包括如下步骤：
S1.微生物反应膜的培养驯化：
S11.先将污水处理厂水样1与培养液2(0.0056g/mL的碳酸氢铵溶液)按照体积比＝100:1混合均匀后得到微生物培养体系4，使用曝气泵6向微生物培养体系4中曝气30min，使微生物体系中的溶解氧浓度达到饱和，得到氧饱和微生物培养体系4；
S12.设置恒温水浴锅11的温度为30℃，然后将步骤S11.得到的氧饱和微生物培养体系4通过蠕动泵①(图1中编号为5)以3mL/min的流速通入微生物膜培养器10(螺旋聚氨酯管)中，当螺旋聚氨酯管内充满混合培养液时，关闭蠕动泵①，启动蠕动泵②(图1中编号为9)，调整三通阀②(图1中编号为 7)和三通阀③(图1中编号为8)，使微生物培养体系4在蠕动泵②泵送下循环流经螺旋聚氨酯管10，循环速度为3mL/min；
S13.每隔1min调整一次三通阀③，使少量微生物培养体系液流经溶解氧测定仪12，当溶解氧测定仪12检测到微生物培养体系中的溶解氧浓度低于2mg/L 时，将螺旋聚氨酯管10中的微生物培养体系液排出后，重新启动蠕动泵①，将新的氧饱和微生物培养体系4引入到螺旋聚氨酯管10中，重复步骤S12.中的循环步骤；
S14.重复步骤S13.中的操作，直至可明显观察到微生物膜在螺旋聚氨酯管 10的内壁附着，培养过程结束；然后将螺旋聚氨酯管10中的微生物培养体系液体排出后，填充纯水，在室温下保存备用；
S2.氨氮检测：
S21.绘制标准曲线
以氯化铵(配制前，在103℃下烘干2h)为基准物质，配制成氯化铵浓度 (c[NH4 +])分别为0.2mg/L、0.4mg/L、0.6mg/L、1.2mg/L、1.6mg/L的氨氮标准溶液(含氮标准水样)；
分别使用纯水样(氨氮浓度为0.0mg/L)和上述配制好的不同浓度的氨氮标准溶液按照步骤S12.的方法通入到挂膜后的螺旋聚氨酯管10中进行循环，循环速度为3mL/min，并每隔1min调整三通阀③，利用溶解氧测定仪12测定螺旋聚氨酯管10中的循环液的溶解氧浓度，直至溶解氧浓度达到稳定后，记录纯水样中的溶解氧浓度为DO1，不同浓度的氨氮标准溶液中的溶解氧浓度为DO2；
然后以氨氮标准溶液的浓度为横坐标，以纯水样和对应浓度的氨氮标准溶液的溶解氧浓度的差值(微生物耗氧量)△DO＝∣DO1－DO2∣为纵坐标作图(见图2)，然后根据图中的数据规律，拟合得到关于氨氮浓度和微生物耗氧量△ DO的线性方程式为：△DO＝1.1316×c[NH4 +]+0.0067；
S22.计算浓度
分别使用纯水样和含氮待测水样流经步骤S1.得到的微生物反应膜，检测并计算得到两种水样中的溶解氧浓度的差值△DO，代入步骤S21.得到的拟合公式中，即可计算得到含氮待测水样中的氨氮浓度，测试结果见表1。
实施例2
本实施例提供一种利用硝化生物反应检测氨氮含量的方法，按照实施例1 的步骤进行检测，与实施例1的不同之处在于：步骤S12.中恒温水浴锅11的温度为25℃。
实施例3
本实施例提供一种利用硝化生物反应检测氨氮含量的方法，按照实施例1 的步骤进行检测，与实施例1的不同之处在于：步骤S12.中恒温水浴锅11的温度为37℃。
实施例4
本实施例提供一种利用硝化生物反应检测氨氮含量的方法，按照实施例1 的步骤进行检测，与实施例1的不同之处在于：步骤S12.和步骤S21.中的循环速度为2mL/min。
对比例1
本对比例提供一种利用硝化生物反应检测氨氮含量的方法，按照实施例1 的步骤进行检测，与实施例1的不同之处在于：骤S12.中恒温水浴锅11的温度为20℃。
对比例2
本对比例提供一种利用硝化生物反应检测氨氮含量的方法，按照实施例1 的步骤进行检测，与实施例1的不同之处在于：骤S12.中恒温水浴锅11的温度为40℃。
对比例3
本对比例提供一种利用硝化生物反应检测氨氮含量的方法，按照实施例1 的步骤进行检测，与实施例1的不同之处在于：步骤S11.中的培养液2采用如下原料配制得到：硫酸铵0.5g、氯化钠0.3g、硫酸亚铁0.03g、磷酸二氢钠1g、硫酸镁0.03g和氯化钙7.5g加入到水中配制成1000mL的培养液。
测试结果
上述实施例和对比例的测试方法的测试结果详见表1；本发明中，每个实施例或对比例用到的含氮待测水样还同时按照标准《ISO 7150-1-1984》所述的方法进行测试，并对测试结果进行对比，来验证本发明的测试方法的准确度(用相对误差表示)，其中，相对误差(％)＝(∣本发明结果-标准结果∣)/标准结果*100％，结果详见表1。
表1测试结果
从上述结果可以看出，本发明的测试方法测试得到的结果准确度高。
对比例1-3的结果表明，培养液的成分、培养的温度对测试结果的准确度有很大的影响，选用本发明的微生物反应膜的培养方法，测试得到结果更为精确。
最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
Claims (9)
1.一种利用硝化生物反应检测氨氮含量的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.微生物反应膜的培养驯化：
将微生物源置于循环培养液中，曝气后在25～37℃下循环培养，直至形成微生物反应膜；
其中，所述培养液为碳酸氢铵溶液；
S2.氨氮检测：
S21.绘制标准曲线
分别使用纯水样和含氮标准水样流经步骤S1.得到的微生物反应膜，测量稳定后的水样中的溶解氧浓度：纯水样中的溶解氧浓度记为DO1，含氮标准水样中的溶解氧浓度记为DO2；并计算两种水样中的溶解氧浓度的差值△DO，根据△DO与含氮标准水样中的氨氮浓度，得到拟合公式；
S22.计算浓度
分别使用纯水样和含氮待测水样流经步骤S1.得到的微生物反应膜，检测并计算得到两种水样中的溶解氧浓度的差值△DO，代入步骤S21.得到的拟合公式中，即可计算得到含氮待测水样中的氨氮浓度。
2.如权利要求1所述的利用硝化生物反应检测氨氮含量的方法，其特征在于，所述微生物源为来自河流、湖泊或污水处理厂中的至少一种水样组成的水样。
3.如权利要求1所述的利用硝化生物反应检测氨氮含量的方法，其特征在于，所述微生物膜中，微生物为亚硝化单胞菌、硝化螺菌或氨氧化古菌中的至少一种。
4.如权利要求1所述的利用硝化生物反应检测氨氮含量的方法，其特征在于，步骤S1.中所述循环培养液中的溶解氧浓度不低于2mg/L。
5.如权利要求1所述的利用硝化生物反应检测氨氮含量的方法，其特征在于，步骤S1.中在28～32℃下进行曝气。
6.如权利要求1所述的利用硝化生物反应检测氨氮含量的方法，其特征在于，步骤S2.中所述含氮标准水样为氯化铵溶液。
7.如权利要求6所述的利用硝化生物反应检测氨氮含量的方法，其特征在于，所述氯化铵溶液中氯化铵的浓度为0～2mg/L。
8.如权利要求1所述的利用硝化生物反应检测氨氮含量的方法，其特征在于，步骤S1.中所述循环培养液的流速、步骤S2.中所述生物反应膜上各水样的流速独立地为2～5mL/min。
9.如权利要求8所述的利用硝化生物反应检测氨氮含量的方法，其特征在于，步骤S1.中所述循环培养液的流速、步骤S2.中所述生物反应膜上各水样的流速独立地为3mL/min。
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