一种原位测定废水处理生物膜内部空间结构的装置及方法

摘要

本发明公开了一种原位测定废水处理生物膜内部空间结构的装置及方法，所述装置包括待测定的生物膜反应器、废水处理生物膜测试槽和溶解氧微电极系统，所述生物膜反应器和废水处理生物膜测试槽连接形成水循环系统，废水处理生物膜测试槽底部设置有用于固定废水处理生物膜的尼龙网；所述溶解氧微电极系统包括三维微电极推进器和溶解氧微电极，还包括一台电化学工作站和一台电脑。本方法采用上述装置先实现对生物膜水环境的模拟还原，再通过对生物膜内部不同位置氧浓度分布的检测，解析出生物膜内部空间结构。本发明能够有效、简便、快速地测定生物膜反应器中生物膜内部空间结构；具有实施方便，操作简单，成本低廉，检测结果准确无损等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及电化学分析和环境工程领域，尤其涉及一种原位测定废水处理生物膜内部空间结构的装置及方法。 

背景技术

在采用生物膜反应器实现的生物膜法废水处理工艺中，生物膜内部空间结构对于外部水溶液中溶解氧和营养底物等高效、快速进入生物膜内部具有重要影响。通常，许多参数如粗糙系数、比表面积、平均和最大厚度用以描述生物膜的结构。然而，这些参数都是一维的，仅仅提供垂直于生物膜表面的相关信息。为了更好的描述废水处理生物膜的内部空间的三维结构，激光共聚焦显微镜（CLSM）技术被越来越多的学者认可。然而，激光共聚焦显微镜的一些缺陷制约了这项技术的推广，如仪器昂贵、样品需要一系列预处理、操作复杂、扫描时间过长导致不能显示生物体的移动、预处理过程用到的染料对一些微生物有毒害作用。 

所以，寻找一种简单、有效、廉价甚至无损的能原位测定废水处理生物膜内部空间结构的技术成为本领域技术人员有待考虑解决的问题。 

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明要解决的技术问题是，怎样提供一种能够有效、简便、快速地测定废水处理生物膜反应器中生物膜内部空间结构的位测定废水处理生物膜内部空间结构的装置及方法。 

为了解决上述技术问题，本发明中采用了如下的技术方案： 

一种原位测定废水处理生物膜内部空间结构的装置，其特征在于，包括待测定的生物膜反应器、废水处理生物膜测试槽和溶解氧微电极系统，所述 生物膜反应器中部连通设置有一出水管道，出水管道上设置有蠕动泵，蠕动泵出水端通过水管和废水处理生物膜测试槽连通，所述废水处理生物膜测试槽为上端具有封盖的整体呈封闭状态的容置体，废水处理生物膜测试槽上设置有出水口并通过回流管道和所述生物膜反应器上部连通形成管路循环，所述废水处理生物膜测试槽出水口的回流管道上设置有控制阀，所述废水处理生物膜测试槽底部设置有用于固定废水处理生物膜的尼龙网；所述尼龙网位置正对的废水处理生物膜测试槽顶部封盖上设置有开孔，所述溶解氧微电极系统包括设置在废水处理生物膜测试槽顶部封盖开孔位置的三维微电极推进器，以及安装在三维微电极推进器上且位于开孔内部正对尼龙网设置的溶解氧微电极，所述三维微电极推进器依次连接有一台电化学工作站和一台电脑。 

本装置结构简单，实施方便，能够很好地确保生物膜检测环境和其生长环境水质条件的一致性，确保检测效果的准确可靠。 

本发明还公开了一种原位测定废水处理生物膜内部空间结构的方法，其特征在于，包括以下步骤： 

S1：采用待检测的生物膜反应器并得到上述结构的装置； 

S2：开启蠕动泵，使所述生物膜反应器中的废水流入所述废水处理生物膜测试槽，通过调整控制阀使得废水充满所述废水处理生物膜测试槽后再通过回流管道回流到生物膜反应器中，调节控制阀流量和蠕动泵转速，使所述废水处理生物膜测试槽中废水液面仅仅通过开孔与空气接触，并使该液面保持稳定； 

S3：使用溶氧仪测试所述生物膜反应器废水和所述废水处理生物膜测试槽中废水溶氧浓度，直到两者一致时，选取所述生物膜反应器中生物膜，将其放置于所述废水处理生物膜测试槽底部，并用尼龙网将生物膜固定住，使其不能移动； 

S4：连接好溶解氧微电极系统，靠所述三维微电极推进器固定和控制所述溶解氧微电极，使所述溶解氧微电极通过开孔进入废水处理生物膜测试槽内部，并使溶解氧微电极的尖端缓慢接近被固定的生物膜，当溶解氧微电极的尖端到达生物膜表面时，记录此处溶解氧浓度，此后，溶解氧微电极每次 垂直于生物膜方向步进20μm，并记录生物膜内部不同深度处溶解氧浓度，以此类推，测试出废水处理生物膜内部溶解氧浓度分布。 

S5：通过废水处理生物膜内部溶解氧浓度分布，再根据物质在生物膜内部的扩散-反应机制解析得出生物膜内部空间结构。 

这样，本方法通过先对生物膜水环境的模拟还原，再通过对生物膜内部不同位置氧浓度分布的检测，根据不同生物膜结构内部氧含量不同的原理，解析出生物膜内部空间结构。具有操作简单方便，测试快速有效，检测成本低廉等优点。 

作为优化，采用的装置中，所述废水处理生物膜测试槽顶部端盖的开孔直径为8mm。 

这样，在确保溶解氧微电极系统操作可行性的基础上，最大程度减少测试槽内废水和空气的接触，减少空气中氧气对测试槽里废水溶解氧浓度的影响，确保检测结果精确可靠。 

作为优化，采用的装置中，所述溶解氧微电极空间分辨率为10μm、响应时间小于0.5s和检测下限为0.3μmol/L，所述三维微电极推进器其精度为10μm。 

采用此规格的溶解氧微电极和三维微电极推进器，可以确保满足检测操作的需求，确保检测结果可靠性。 

故本发明是通过溶解氧微电极测定废水处理生物膜内部微观溶解氧浓度分布，原位解析废水处理生物膜内部空间结构。其优点效果为（1）描述废水处理生物膜的内部空间的三维结构;（2）操作简单、不用对样品进行预处理、测试成本低廉；（3）能够无损地原位测定废水处理生物膜内部空间结构。 

综上所述，本发明能够有效、简便、快速地测定生物膜反应器中生物膜内部空间结构；具有实施方便，操作简单，成本低廉，检测结果准确无损等优点。 

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图。 

图2为本发明方法一个实施实例中获得的生物膜6个不同位置处内部溶 解氧浓度分布及其相应生物膜内部结构模型示意图，图2包括图2a、2b、2c和2d四个小图。 

具体实施方式

下面结合一种采用了本发明隔噪垫结构的汽车换选档软轴机构及其附图对本发明作进一步的详细说明。 

如下图1和图2所示，一种原位测定废水处理生物膜内部空间结构的装置，包括待测定的生物膜反应器1、废水处理生物膜测试槽7和溶解氧微电极系统8，所述生物膜反应器中部连通设置有一出水管道4，出水管道4上设置有蠕动泵5，蠕动泵5出水端通过水管6和废水处理生物膜测试槽7连通，所述废水处理生物膜测试槽6为上端具有封盖的整体呈封闭状态的容置体，废水处理生物膜测试槽7上设置有出水口12并通过回流管道3和所述生物膜反应器1上部连通形成管路循环，所述废水处理生物膜测试槽出水口12的回流管道3上设置有控制阀10，所述废水处理生物膜测试槽7底部设置有用于固定废水处理生物膜的尼龙网9；所述尼龙网9位置正对的废水处理生物膜测试槽顶部封盖上设置有开孔11，所述溶解氧微电极系统8包括设置在废水处理生物膜测试槽顶部封盖开孔11位置的三维微电极推进器，以及安装在三维微电极推进器上且位于开孔内部正对尼龙网设置的溶解氧微电极，所述三维微电极推进器依次连接有一台电化学工作站13和一台电脑14。溶解氧微电极通过废水处理生物膜测试槽顶部的开孔11与废水处理生物膜接触，三维微电极推进器用于精密控制溶解氧微电极三维步进，溶解氧测试主机和电脑用于对溶解氧微电极接收到的信号进行计算、处理和显示。 

一种原位测定废水处理生物膜内部空间结构的方法，包括以下步骤： 

S1：采用待检测的生物膜反应器并得到如上述结构的装置； 

S2：开启蠕动泵，使所述生物膜反应器中的废水流入所述废水处理生物膜测试槽，通过调整控制阀使得废水充满所述废水处理生物膜测试槽后再通过回流管道回流到生物膜反应器中，调节控制阀流量和蠕动泵转速，使所述废水处理生物膜测试槽中废水液面仅仅通过开孔与空气接触，并使该液面保 持稳定； 

S3：使用溶氧仪测试所述生物膜反应器废水和所述废水处理生物膜测试槽中废水溶氧浓度，直到两者一致时，选取所述生物膜反应器中生物膜，将其放置于所述废水处理生物膜测试槽底部，并用尼龙网将生物膜固定住，使其不能移动； 

S4：连接好溶解氧微电极系统，靠所述三维微电极推进器固定和控制所述溶解氧微电极，使所述溶解氧微电极通过开孔进入废水处理生物膜测试槽内部，并使溶解氧微电极的尖端缓慢接近被固定的生物膜，当溶解氧微电极的尖端到达生物膜表面时，记录此处溶解氧浓度，此后，溶解氧微电极每次垂直于生物膜方向步进20μm，并记录生物膜内部不同深度处溶解氧浓度，以此类推，测试出废水处理生物膜内部溶解氧浓度分布； 

S5：通过废水处理生物膜内部溶解氧浓度分布，再根据物质在生物膜内部的扩散-反应机制解析得出生物膜内部空间结构。 

具体实施时，采用的装置中，所述废水处理生物膜测试槽顶部端盖的开孔直径为8mm。 

具体实施时，采用的装置中，所述溶解氧微电极空间分辨率为10μm、响应时间小于0.5s和检测下限为0.3μmol/L，所述三维微电极推进器其精度为10μm。 

具体实施时，所述废水处理生物膜测试槽顶部端盖可以为开合式设计，以方便打开实现待检测生物膜的安装固定。所述生物膜反应器一般选取序批式生物膜反应器（即SBBR）。 

具体实施时，所述废水处理生物膜测试槽出水口位置优选设置在槽体侧壁上部靠近上端端盖处位置，这样在出水形成循环后方便让整个废水处理生物膜测试槽均充满废水仅留开孔处和空气接触，减少废水和空气接触面积，利于保证生物膜检测环境和生长环境一致性，提高检测可靠性。具体实施时，废水处理生物膜测试槽可以位于高出生物膜反应器位置，靠重力实现回流循环。 

具体实施时，所述尼龙网优选采用大网眼的尼龙网，以尽量避免对检测 的干涉，尼龙网可以是四周采用挂接在废水处理生物膜测试槽底部的挂钩上的方式实现固定，这可以使得待检测生物膜的安装固定非常方便快捷。 

具体实施时解析废水处理生物膜内部空间分布方法如下所述： 

生物膜内部溶解氧浓度分布曲线受环境溶液溶解氧浓度、水力条件和生物膜内部空间结构等影响。当环境溶液溶解氧浓度和水力条件等保持不变情况下，可以先将生物膜内部结构分类，第一种是结构密实的生物膜；第二种是结构松散生物膜；第三种是孔洞、沟渠结构，孔洞沟渠结构又分为孤立的孔洞和连接到环境溶液的孔洞（即环境溶液可以自由出入该孔洞并完成物质的交换）。然后建立每一类结构和结构内部溶解氧浓度之间的对应关系，可以通过试验或者物质在生物膜内部的扩散-反应机制分析等方式获取对应关系，最后再通过检测到的生物膜内部溶解氧浓度分布曲线和对应关系即可分析出生物膜内部结构。 

图2为本发明方法一个实施实例中获得的生物膜6个不同位置处内部溶解氧浓度分布及其相应生物膜内部结构模型示意图。从测试所选取的生物膜表面6个不同位置内部生物膜溶解氧浓度分布曲线可以直观的呈现出生物膜内部不同的三维微观结构。通过本次实施案例可以在生物膜内部不同深度处发现以上几种分类的生物膜结构。 

图2中位置①和③处生物膜厚度和溶解氧分布曲线相近，但是位置③在生物膜深度为280到400微米处，溶解氧浓度升高，表明位置③在生物膜深度为280到400微米处有一孤立的孔洞结构，其他地方的生物膜较为密实。位置②处生物膜厚度为640微米，从溶解氧分布曲线看出150到500微米深度处溶氧降低比较缓慢，可以推断出此区间生物膜结构较位置①和②处松散。这样就得到了直观反映生物膜结构的模型图(图2b)。 

位置④和⑤生物膜厚度分别为480和640微米，它们的氧分布曲线有一个共同的特点，在100微米到300微米深度区间，溶解氧浓度升高，并且溶解氧浓度与生物膜表面的溶解氧浓度相近甚至更高，这表明此处出现了沟渠，并且此沟渠可以连通外部的环境溶液并完成物质的交换。位置⑥在深度为120到360微米位置处溶解氧浓度基本不变，表明此处存在着孔洞结构。相应的 结构模型如图2b所示。 

通过此种方法测试生物膜其他位置的生物膜内部溶解氧浓度曲线，通过对生物膜内部溶解氧浓度曲线的分析，这样就得到生物膜结构模型。 

本发明原位测试生物膜结构的方法可以应用于任何形式的反应器里的生物膜。