测定生物膜好氧层厚度和厌氧层厚度的装置及测定方法

摘要

测定生物膜好氧层厚度和厌氧层厚度的装置及测定方法，使用装废水的广口瓶和生物膜测试槽，向广口瓶中通入氧气调节废水的溶氧浓度，当广口瓶中废水的溶氧浓度达到设定数值后，将废水引入生物膜测试槽，当广口瓶和生物膜测试槽中的废水浓度达到实验数值后，在生物膜测试槽中放入生物膜，通过溶解氧微电极测定生物膜内部微观溶解氧浓度分布，计算生物膜好氧层厚度与厌氧层厚度。

说明书

技术领域

本发明涉及电化学分析领域，尤其涉及测定生物膜好氧层厚度和厌氧层厚度的装置及测定方法。

背景技术

在生物膜法废水处理工艺中，生物膜废水处理层由好氧层和厌氧层组成。对废水进行生物脱氮处理，不管是传统硝化反硝化生物脱氮工艺还是新型生物脱氮工艺（如SHARON工艺、ANAMMOX工艺等），都会有一个好氧和厌氧过程。氨的氧化，主要在生物膜好氧层中发生，环境溶液溶解氧浓度和水力条件一定时，氧在生物膜内传质阻力越大，好氧层厚度就越小，对于氨氧化过程就越难以高效进行。厌氧反硝化过程主要在生物膜厌氧层中发生，环境溶液溶解氧浓度和水力条件一定时，氧在生物膜内传质阻力越小，厌氧层厚度就越小，对于厌氧反硝化过程也越难以高效进行。因此，生物膜法废水脱氮系统中，合适的生物膜好氧层厚度和厌氧层厚度，对于总氮的高效去除具有极为重要的影响。然而，现有技术中没有对如何有效、快速、简便地对生物膜好氧层厚度和厌氧层厚度的进行测量的技术。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种测定生物膜内部溶解氧浓度分布，从而有效、简便、快速、准确地测定生物膜好氧层厚度与厌氧层厚度的测定生物膜好氧层厚度和厌氧层厚度的装置和测定方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种测定生物膜好氧层厚度和厌氧层厚度的装置，其特征在于：包括氧气输送装置、装有废水的第一容器和装有废水的生物膜测试槽，所述第一容器设置有进气管、出水管和出气孔，该第一容器的进气管和出水管的下端都位于该第一容器内的废水液面下，所述氧气输送装置的出气端与所述第一容器的进气管连接，还包括蠕动泵，所述第一容器的出水管连接有蠕动泵的进水端，该蠕动泵的出水端通过水管与所述生物膜测试槽的内部相通，该生物膜测试槽还设置有回水管与所述第一容器相通；

还包括橡胶块，该橡胶块设置在所述生物膜测试槽底部，所述生物膜测试槽中的废水液面高于所述橡胶块的顶面，在该橡胶块的顶面上还设置有用于固定放置在橡胶块顶面的生物膜的尼龙网；

还包括溶解氧微电极系统和便携式溶氧仪，所述溶解氧微电极系统包括溶解氧微电极、三维微电极推进器和溶解氧测试主机，所述溶解氧微电极通过所述生物膜测试槽顶部的开孔与所述橡胶块的顶面上设置的生物膜接触，所述三维微电极推进器用于推动所述溶解氧微电极步进，所述溶解氧测试主机用于对所述溶解氧微电极接收到的数据进行计算、处理和显示，所述便携式溶氧仪安装在所述生物膜测试槽上，且该便携式溶氧仪的下部位于所述生物膜测试槽中的废水中。

所述氧气输送装置包括一个氧气钢瓶、一个氮气钢瓶、两个流量计和气体混合室，所述氧气钢瓶和氮气钢瓶的输出端分别连接一个流量计的输入端，该两个流量计的输出端依次与所述气体混合室的两个进气口连接，所述气体混合室的出气口与所述第一容器的进气管连接。

所述第一容器为带胶塞的广口瓶，该广口瓶的容积为5L，所述广口瓶上的胶塞设置三个通孔，其中第一个通孔穿有所述第一容器的进气管，第二个通孔穿有所述第一容器的出水管，第三个通孔用于将广口瓶内腔与外界大气连通。

所述便携式溶氧仪呈圆柱形，该便携式溶氧仪套有橡胶塞，所述生物膜测试槽的顶部设置有与所述橡胶塞配合，用于将所述便携式溶氧仪安装在所述生物膜测试槽上的安装孔中。

所述广口瓶中设置有位于废水中的曝气管盘，该曝气管盘的进气口与所述第一容器的进气管的末端连接，在所述曝气管盘的下方设置有第一磁力搅拌器。

所述生物膜测试槽的底部安装有第二磁力搅拌器和第三磁力搅拌器，该第二磁力搅拌器和第三磁力搅拌器位于所述橡胶块的两侧。

一种测定生物膜好氧层厚度和厌氧层厚度的方法，使用上述测定生物膜好氧层厚度和厌氧层厚度的装置，其特征在于，按照如下步骤进行：

S1：人工配水，使用碳酸氢铵、磷酸氢二钾和碳酸氢钠配置废水，调节废水的PH值为8.0，取配置的废水4L装入容积为5L的所述广口瓶中；

S2：将氧气钢瓶和氮气钢瓶中的气体引出并混合后通入广口瓶中的废水中，开启曝气管盘进行曝气，开启第一磁力搅拌器进行搅拌，调节广口瓶中的废水溶液的氧浓度至2.5mg/L；

S3：用塑料管把广口瓶中的废水通过蠕动泵引至生物膜测试槽，废水充满生物膜测试槽后，将生物膜测试槽中的废水引出并循环回广口瓶中；

开启生物膜测试槽底部的第二磁力搅拌器和第三磁力搅拌器，对生物膜测试槽中的废水进行搅拌，将带胶塞的便携式溶氧仪插入并固定在生物膜测试槽上，测试生物膜测试槽中溶氧浓度，直到生物膜测试槽中废水溶氧浓度与广口瓶中废水溶氧浓度一致，并稳定在2.5 mg/L；

S4：从单级自养脱氮系统中选取小块生物膜放入测试槽，并用大孔的尼龙网固定于橡胶块的上表面，将溶解氧微电极插入生物膜测试槽，以测试生物膜内部微区溶氧分布。

步骤S1中，所配置的废水的配水水质如下表：

氨氮（mg/L）TP（mg/L）微量元素营养液（ml/L）pH值DO（mg/L）200528.02.5

其中微量元素营养液组成如下表所示：

微量元素浓度(g/L)EDTA5.0CoCl₂·6H₂O1.6ZnSO₄·7H₂O2.2MnCl₂·4H₂O5.1CuSO₄·5H₂O1.6(NH₄)₆Mo₇O₂₄·4H₂O1.1CaCl₂·2H₂O5.5FeSO₄·7H₂O5.0

其中DO是指溶解氧，即每升水里氧气的毫克数。TP（total phosphorus，总磷），水中的含磷化合物主要分为三类：正磷酸盐、缩聚磷酸盐和有机磷；将水中各种形态的磷通过消解转化为正磷酸盐，测得的数据为总磷。

所述步骤S4中测试生物膜内部微区溶氧分布的步骤为：通过三维微电极推进器控制溶解氧微电极的尖端空间位置，使溶解氧微电极的尖端缓慢接近生物膜，当溶解氧微电极的尖端到达生物膜表面时，记录溶解氧测试主机显示的读数，此后，溶解氧微电极每次垂直于生物膜方向步进20 μm，溶解氧测试主机计算生物膜不同厚度处溶解氧浓度，以此类推，测试生物膜内部溶解氧浓度分布，计算生物膜好氧层厚度和厌氧层厚度。

所述生物膜不同厚度处溶解氧浓度的计算方法为：根据质量守恒定律，在稳态状态下：

溶解氧扩散进入的量 = 溶解氧扩散出的量 + 溶解氧反应消耗的量

扩散进入的量为：                                                

扩散出的量为：

反应消耗的量：

则有：

整理得：

其中C为溶氧浓度，单位为g/m³；D为溶解氧在生物膜内扩散系数,，单位为m²/s；OUR为溶解氧的消耗速率，单位为 g/(m³??s)；z为生物膜厚度，单位为m。

本发明的积极效果是：

本发明是通过溶解氧微电极测定生物膜内部微观溶解氧浓度分布，计算生物膜好氧层厚度与厌氧层厚度。

配置好废水后装入广口瓶中，开启氧气钢瓶和氮气钢瓶，氧气钢瓶和氮气钢瓶中的气体混合后通入广口瓶中对废水进行曝气，同时开启第一磁力搅拌器。当广口瓶中的废水达到一定溶氧浓度后，开启蠕动泵将广口瓶中的废水抽入生物膜测试槽，同时开启第二和第三磁力搅拌器，当该生物膜测试槽中的废水满后，将该生物膜测试槽中的废水通过回水管引回广口瓶中。

取单级自养脱氮系统的生物膜，将生物膜放置在生物膜测试槽中的橡胶块上表面，并用大孔尼龙网固定于橡胶块上。氮气钢瓶的作用是调节废水的溶氧浓度，保持广口瓶和生物膜测试槽中的废水中的溶氧浓度都稳定在2.5 mg/L。

将溶氧微电极小心插入生物膜测试槽，通过三维微电极推进器控制氧微电极尖端空间位置，使溶氧微电极尖端缓慢接近生物膜，当微电极尖端到达生物膜表面时，记录溶氧微电极主机显示的读数，此后每次垂直于生物膜方向步进20 μm，并记录生物膜不同厚度处溶解氧浓度，以此类推，测试生物膜表面不同点处生物膜内部溶解氧浓度空间分布，从而确定好氧层厚度和厌氧层厚度。              

附图说明  

图1为本发明测定生物膜好氧层厚度和厌氧层厚度的装置的工作原理来示意图；

图2为气体混合室的原理图；

图3为生物膜第一个位置处内部溶解氧浓度分布、拟合曲线和二阶导数图；

图4为生物膜第二个位置处内部溶解氧浓度分布、拟合曲线和二阶导数图；

图5为生物膜第三个位置处内部溶解氧浓度分布、拟合曲线和二阶导数图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，一种测定生物膜好氧层厚度和厌氧层厚度的装置，包括氧气输送装置、装有废水的第一容器1和装有废水的生物膜测试槽2，所述第一容器1设置有进气管、出水管和出气孔，该第一容器1的进气管和出水管的下端都位于该第一容器1内的废水液面下，所述氧气输送装置的出气端与所述第一容器1的进气管连接，还包括蠕动泵3，所述第一容器1的出水管连接有蠕动泵3的进水端，该蠕动泵3的出水端通过水管与所述生物膜测试槽2的内部相通，该生物膜测试槽2还设置有回水管与所述第一容器1相通；

还包括橡胶块4，该橡胶块4设置在所述生物膜测试槽2底部，所述生物膜测试槽2中的废水液面高于所述橡胶块4的顶面，在该橡胶块4的顶面上还设置有用于固定放置在橡胶块顶面的生物膜的尼龙网；

还包括溶解氧微电极系统和便携式溶氧仪6，所述溶解氧微电极系统包括溶解氧微电极5、三维微电极推进器和溶解氧测试主机，所述溶解氧微电极5通过所述生物膜测试槽2顶部的开孔与所述橡胶块4的顶面上设置的生物膜接触，所述三维微电极推进器用于推动所述溶解氧微电极5步进，所述溶解氧测试主机用于对所述溶解氧微电极5接收到的数据进行计算、处理和显示，所述便携式溶氧仪6安装在所述生物膜测试槽2上，且该便携式溶氧仪6的下部位于所述生物膜测试槽2中的废水中。

所述氧气输送装置包括一个氧气钢瓶、一个氮气钢瓶、两个流量计11和气体混合室12，所述氧气钢瓶和氮气钢瓶的输出端分别连接一个流量计11的输入端，该两个流量计11的输出端依次与所述气体混合室12的两个进气口连接，所述气体混合室12的出气口与所述第一容器1的进气管连接。

所述第一容器1为带胶塞的广口瓶，该广口瓶的容积为5L，所述广口瓶上的胶塞设置三个通孔，其中第一个通孔穿有所述第一容器1的进气管，第二个通孔穿有所述第一容器1的出水管；第三个通孔用于将广口瓶内腔与外界大气连通，目的是为了排出氮气与氧气混合气体。

所述便携式溶氧仪6呈圆柱形，该便携式溶氧仪6套有橡胶塞，所述生物膜测试槽2的顶部设置有与所述橡胶塞配合，用于将所述便携式溶氧仪6安装在所述生物膜测试槽2上的安装孔中。

所述广口瓶中设置有位于废水中的曝气管盘7，该曝气管盘7的进气口与所述第一容器1的进气管的末端连接，在所述曝气管盘7的下方设置有第一磁力搅拌器8。

所述生物膜测试槽2的底部安装有第二磁力搅拌器9和第三磁力搅拌器10，该第二磁力搅拌器9和第三磁力搅拌器10位于所述橡胶块4的两侧。

本发明是通过溶解氧微电极测定生物膜内部微观溶解氧浓度分布，计算生物膜好氧层厚度与厌氧层厚度。

配置好废水后装入广口瓶中，开启氧气钢瓶和氮气钢瓶，控制氧气流量的流量计量程为10-100 ml/min，控制氮气流量的流量计量程为5-45 L/min；氧气钢瓶和氮气钢瓶中的气体混合后通入广口瓶中对废水进行曝气，同时开启第一磁力搅拌器。当广口瓶中的废水达到一定溶氧浓度后，开启蠕动泵将广口瓶中的废水抽入生物膜测试槽2，同时开启第二和第三磁力搅拌器10，当该生物膜测试槽2中的废水满后，将该生物膜测试槽2中的废水通过回水管引回广口瓶中。

取单级自养脱氮系统的生物膜，将生物膜放置在生物膜测试槽2中的橡胶块4上表面，并用大孔尼龙网固定于橡胶块上。氮气钢瓶的作用是调节废水的溶氧浓度，通过便携式溶氧仪6读取废水中的溶氧浓度，通过调节混合气体中氧气和氮气的比例，能够控制废水溶氧浓度，并可使溶氧浓度稳定在某个浓度。本发明中保持广口瓶和生物膜测试槽2中的废水中的溶氧浓度都稳定在2.5 mg/L。

将溶氧微电极小心插入生物膜测试槽2，通过三维微电极推进器控制氧微电极尖端空间位置，使溶氧微电极尖端缓慢接近生物膜，当微电极尖端到达生物膜表面时，记录溶氧微电极主机显示的读数，此后每次垂直于生物膜方向步进20 μm，并记录生物膜不同厚度处溶解氧浓度，以此类推，测试生物膜表面不同点处生物膜内部溶解氧浓度空间分布，并对溶解氧浓度分布曲线进行4阶多项式拟合，然后对拟合曲线进行二阶微分，得到生物膜内部溶解氧浓度的二阶导数随生物膜厚度变化曲线，最后通过该曲线计算生物膜好氧层厚度和厌氧层厚度。

测定生物膜好氧层厚度和厌氧层厚度的方法，使用上述测定生物膜好氧层厚度和厌氧层厚度的装置，按照如下步骤进行：

S1：人工配水，使用碳酸氢铵、磷酸氢二钾和碳酸氢钠配置废水，调节废水的PH值为8.0，取配置的废水4L装入容积为5L的所述广口瓶中；

S2：将氧气钢瓶和氮气钢瓶中的气体引出并混合后通入广口瓶中的废水中，开启曝气管盘7进行曝气，开启第一磁力搅拌器8进行搅拌，调节广口瓶中的废水溶液的氧浓度至2.5mg/L；

S3：用塑料管把广口瓶中的废水通过蠕动泵3引至生物膜测试槽2，废水充满生物膜测试槽2后，将生物膜测试槽2中的废水引出并循环回广口瓶中；

开启生物膜测试槽2底部的第二磁力搅拌器和第三磁力搅拌器，对生物膜测试槽2中的废水进行搅拌，将带胶塞的便携式溶氧仪6插入并固定在生物膜测试槽2上，测试生物膜测试槽2中溶氧浓度，直到生物膜测试槽2中废水溶氧浓度与广口瓶中废水溶氧浓度一致，并稳定在2.5 mg/L；

S4：从单级自养脱氮系统中选取小块生物膜放入测试槽，并用大孔的尼龙网固定于橡胶块4的上表面，将溶解氧微电极5插入生物膜测试槽2，以测试生物膜内部微区溶氧分布。

步骤S1中，所配置的废水的配水水质如下表：

氨氮（mg/L）TP（mg/L）微量元素营养液（ml/L）pHDO（mg/L）200528.02.5

其中微量元素营养液组成如下表所示：

微量元素浓度(g/L)EDTA5.0CoCl₂·6H₂O1.6ZnSO₄·7H₂O2.2MnCl₂·4H₂O5.1CuSO₄·5H₂O1.6(NH₄)₆Mo₇O₂₄·4H₂O1.1CaCl₂·2H₂O5.5FeSO₄·7H₂O5.0

其中DO是指溶解氧，即每升水里氧气的毫克数。TP（total phosphorus，总磷），水中的含磷化合物主要分为三类：正磷酸盐、缩聚磷酸盐和有机磷；将水中各种形态的磷通过消解转化为正磷酸盐，测得的数据为总磷。

所述步骤S4中测试生物膜内部微区溶氧分布的步骤为：通过三维微电极推进器控制溶解氧微电极5的尖端空间位置，使溶解氧微电极5的尖端缓慢接近生物膜，当溶解氧微电极5的尖端到达生物膜表面时，记录溶解氧测试主机显示的读数，此后，溶解氧微电极5每次垂直于生物膜方向步进20 μm，溶解氧测试主机计算生物膜不同厚度处溶解氧浓度，以此类推，测试生物膜内部溶解氧浓度分布，计算生物膜好氧层厚度和厌氧层厚度。

所述生物膜不同厚度处溶解氧浓度的计算方法为：根据质量守恒定律，在稳态状态下：

溶解氧扩散进入的量 = 溶解氧扩散出的量 + 溶解氧反应消耗的量

扩散进入的量为：

扩散出的量为：

反应消耗的量：

则有：

    （1）

整理得：

   （2）

其中C为溶氧浓度，单位为g/m³；D为溶解氧在生物膜内扩散系数,，单位为m²/s；OUR为溶解氧的消耗速率，单位为 g/(m^3.s)；z为生物膜厚度，单位为m。

生物膜的外表层的微生物一般为好氧菌，因而称为好氧层。内层因氧的扩散受到影响而供氧不足，厌氧菌大量繁殖称为厌氧层。当溶解氧消耗速率大于0 g/(m^3.s)时，可以认为该处生物膜具有好氧微生物活性，当溶解氧消耗速率小于等于0 g/(m^3.s)时，可以认为该处生物膜无好氧微生物活性。因此，可以通过溶解氧消耗速率在生物膜内部分布来判断生物膜耗氧与厌氧情况，把生物膜外表层溶解氧消耗速率大于0 g/(m^3.s)生物膜厚度确定为好氧层，内层溶解氧消耗速率小于等于0 g/(m^3.s)的确定为厌氧层。

由方程（2）可知，溶解氧在生物膜内部的消耗速率与生物膜内部溶解氧浓度分布曲线的二阶导数有关，且当溶解氧浓度分布曲线的二阶导数大于0时，溶解氧消耗速率大于0 g/(m^3.s)，当溶解氧浓度分布曲线的二阶导数小于等于0时，溶解氧消耗速率小于等于0 g/(m^3.s)。因此，通过生物膜内部溶解氧浓度分布曲线的二阶导数确定生物膜好氧层厚度与厌氧层厚度。即生物膜外表层溶解氧浓度分布曲线的二阶导数大于0处为好氧层，内层溶解氧浓度分布曲线的二阶导数小于等于0 g/(m^3.s)为厌氧层。

图3、图4和图5分别为生物膜3个不同位置处内部溶解氧浓度分布（测量值）、拟合曲线和二阶导数图。从图中可以看出，三个不同位置生物膜外层二阶导数大于0的厚度分别为360、250和210 μm。因此该生物膜三个不同位置处好氧层厚度分别为360、250和210 μm。生物膜外层好氧层以下，二阶导数小于等于0处为厌氧层，厚度分别为150、400和470 μm。可以通过测量大量不同位置处好氧层厚度及厌氧层厚度，并取其平均值，即为该生物膜好氧层和厌氧层厚度。所测位置越多，所测生物膜好氧层和厌氧层厚度越准确。

本发明的上述实施例仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。