亚硝酸氧化细菌的两步衰亡模型的构建方法及应用与制作流程

图片简介:
本技术涉及一种亚硝酸氧化细菌的两步衰亡模型的构建方法及应用，本技术克服了传统的细菌衰亡模型仅适用于NOB衰亡阶段的初级阶段(活细胞→死细胞)，无法对死细胞转变为可溶性COD进行评价的问题。

本技术科学地模拟高浓度亚硝酸盐下NOB的衰亡过程，建立了一种两步衰亡模型(活细胞→死细胞→可溶性COD)，测定了亚硝酸盐抑制下的NOB衰亡的模型参数。

本技术首次建立了亚硝酸氧化细菌两步衰亡数学模型，利用该模型可以通过控制亚硝酸盐的浓度来保证短程硝化反硝化脱氮效果。

提高污泥处理效果。

也为进一步了解微生物抑制和活化恢复现象提供技术支持。

技术要求
1.一种亚硝酸氧化细菌的两步衰亡模型的构建方法，其特征是，所述方法包括如下步骤：
(1)计算模拟亚硝酸氧化细菌的净比增长速率，使用Eq.1获得：
r＝u-btot (Eq.1)
其中，r：NOB净比增长率(d-1)，u，NOB的比增长率(d-1)，btot：NOB总比衰亡率(d-1)；
(2)考虑到高浓度亚硝酸盐对NOB的抑制作用，使用Eq.2获得：
其中，NOB的最大比增长速率(d-1)，亚硝酸盐浓度(mg-
N/L)，NOB生长的半饱和系数(mg-N/L)，NOB生长抑制的半饱和系数(mg-N/L)；
(3)NOB总比衰亡率的模拟计算，引入亚硝酸盐的毒性影响，亚硝酸盐的毒性使用幂数n＞1的S型公式表示；使用Eq.3获得：
其中，b：NOB固有比衰亡率(d-1)，NOB亚硝酸盐毒性衰亡率(d-
1)，NOB亚硝酸盐毒性衰亡的半饱和系数(mg-N/L)，n：亚硝酸盐浓度的幂数；
(4)模拟死亡NOB转化为可溶解性COD，引入NOB的总比降解率，使用Eq.4获得：
其中：bl，tot：NOB总比降解率(d-1)，bl：NOB固有比降解率(d-1)，NOB亚硝酸盐抑制降
解率(d-1)，NOB亚硝酸盐抑制降解半饱和系数(mg-N/L)，m：亚硝酸盐浓度的幂数；
(5)建模
2.权利要求1所述的方法所构建的亚硝酸氧化细菌的两步衰亡模型。

3.如权利要求2所述的亚硝酸氧化细菌的两步衰亡模型，其特征是，所述模型是高亚硝酸盐浓度抑制下的亚硝酸氧化细菌的两步衰亡模型。

4.权利要求2所述的两步衰亡模型在污水处理中的应用，其特征在于：通过所述两步衰亡模型来计算抑制NOB的活性所需要的亚硝酸盐浓度；即，通过控制亚硝酸盐的浓度来保证短程硝化反硝化脱氮效果，提高污水处理效果。

技术说明书
一种亚硝酸氧化细菌的两步衰亡模型的构建方法及应用
技术领域
本技术属于污水处理领域，涉及一种亚硝酸氧化细菌的两步衰亡模型的构建方法及应用，具体涉及一种在高亚硝酸盐浓度抑制下的亚硝酸氧化细菌的两步衰亡模型。

背景技术
传统的生物脱氮工艺是氨氮在氨氧化细菌的作用下生成亚硝酸盐，然后亚硝酸盐被亚硝酸氧化细菌(Nitrite-oxidizing Bacteria,NOB)氧化为硝酸盐，最后硝酸盐在反硝化细菌的作用下生成氮气的过程。

短程硝化反硝化工艺是控制亚硝酸盐的生成，使反硝化细菌直接以亚硝酸盐为电子受体完成脱氮过程。

相比传统的生物脱氮工艺具有硝化阶段需氧量少、反硝化阶段消耗碳源少的显著优点。

如何抑制硝酸盐的生成是保证短程硝化反硝化效率的关键因素。

高浓度的亚硝酸盐浓度会对亚硝酸氧化细菌产生抑制，可以作为我们开发短程硝化反硝化的控制条件，因此评价高浓度亚硝酸盐下亚硝酸氧化细菌(NOB)的活性有助于短程硝化反硝化的控制。

而传统的细菌衰亡模型仅适用于亚硝酸盐氧化细菌衰亡阶段的初级阶段(活细胞→死细胞)，无法对死细胞转变为可溶性COD进行评价。

因此，为评价高浓度亚硝酸盐下NOB的活性，提高对于短程硝化反硝化的控制效果，亟需一种新的亚硝酸盐氧化细菌衰亡模型。

本技术就是基于当前本领域中尚无该种类型模型的前提下提出的。

技术内容
本技术的主要目的是为了科学地模拟高浓度亚硝酸盐下亚硝酸氧化细菌(NOB)的衰亡过程，建立了一种两步衰亡模型(活细胞→死细胞→可溶性COD)。

本技术通过测定亚硝酸盐抑制下的NOB衰亡的模型参数，建立了完善的两步衰亡数学模型，从而可以通过控制亚硝酸盐的浓度来保证短程硝化反硝化脱氮效果。

为了实现上述目的，本技术采取的技术方案是：一种亚硝酸氧化细菌的两步衰亡模型的构建方法，包括：
(1)计算模拟亚硝酸氧化细菌的净比增长速率，使用Eq.1获得：
r＝u-btot (Eq.1)
其中，r：NOB净比增长率(d-1)，u，NOB的比增长率(d-1)，btot：NOB总比衰亡率(d-1)。

(2)考虑到高浓度亚硝酸盐对NOB的抑制作用，使用Eq.2获得：
其中，NOB的最大比增长速率(d-1),亚硝酸盐浓度(mg-
N/L),NOB生长的半饱和系数(mg-N/L)，NOB生长抑制的半饱和系数(mg-N/L)。

(3)NOB总比衰亡率的模拟计算，引入亚硝酸盐的毒性影响，亚硝酸盐的毒性使用幂数n>1的S型公式表示；使用Eq.3获得：
其中，b:NOB固有比衰亡率(d-1)，NOB亚硝酸盐毒性衰亡率(d-
1)，NOB亚硝酸盐毒性衰亡的半饱和系数(mg-N/L)，n：亚硝酸盐浓度的幂数。

(4)模拟死亡NOB转化为可溶解性COD的过程，引入NOB的总比降解率，使用Eq.4获得：
其中：bl,tot：NOB总比降解率(d-1)，bl：NOB固有比降解率(d-1)，NOB亚硝酸盐抑制降
解率(d-1)，NOB亚硝酸盐抑制降解半饱和系数(mg-N/L)，m：亚硝酸盐浓度的幂数。

(5)建模
表1亚硝酸氧化细菌的两步衰亡模型
本技术的两步衰亡模型可用于污水处理，提高污水处理效果。

进一步地，使用GPS-X软件基于本技术两步衰亡模型对活性污泥的硝化细菌的好氧速率OUR和COD进行模拟，通过控制亚硝酸盐的浓度来保证短程硝化反硝化脱氮效果，提高污水处理效果。

本技术基于本领域常用的IWA活性污泥模型NO.1(ASM1)，首次提出了一种NOB强化衰亡
(XB，L→XB，D)和强化降解(XB,D→SB)的两步衰亡模型。

本技术科学地模拟高浓度亚硝酸盐下NOB的衰亡过程，建立了一种两步衰亡模型(活细胞→死细胞→可溶性COD)，并测定了亚硝酸盐抑制下的NOB 衰亡的模型参数，完善两步衰亡数学模型，从而实现了可以通过控制亚硝酸盐的浓度来保证短程硝化反硝化脱氮效果。

本技术在建立和完善二步衰亡数学模型的同时，也为进一步了解微生物抑制和活化恢复现象提供了重要支持。

与现有技术相比，本技术具有如下优点：
(1)本技术使用数学模型的方法测定亚硝酸盐对NOB的影响，首次建立了一种两步衰亡模型(活细胞→死细胞→可溶性COD)。

较之于传统方法无法评价死细胞转化为可溶解性COD的数学模型，本技术模型显然更加完善、严谨和精确。

(2)本技术在模型的建立过程，确定了NOB的亚硝酸盐浓度因素参数，首次在NOB总比衰亡率的模拟计算中，引入亚硝酸盐的毒性影响。

且在第二个阶段，本技术为了模拟死亡NOB转化为可溶解性COD的过程，引入NOB的总比降解率。

本技术统筹各方面的影响因素，实现了完善、丰富本领域NOB数学模型的目的。

(3)本技术建立的NOB两步衰亡模型，解决了本领域现有模型无法对死细胞转变为可溶性COD进行评价的问题。

利用本技术模型可以寻求一个最适化的环境条件，从而可以实现通过控制NOB的活性来促进短程硝化反硝化的形成，最终提高污水处理效果。

(4)本技术的测定方法简洁易操作，可重复率高，便于推广使用，可推进污水处理领域中数学模型方法的发展和创新。

也为进一步了解微生物抑制和活化恢复现象提供了重要支持。

附图说明
图1为本技术OUR实验装置示意图；图1中：1、水浴磁力搅拌器；2、磁力转子；3、BOD瓶；4、溶解氧(DO)测定探头；5、溶解氧(DO)测定仪。

图2为实施例2用本技术两步衰亡模型对亚硝酸浓度为50mg-N/L条件下亚硝酸氧化细菌NOB的OUR和COD 的模拟图。

图3为实施例3用本技术两步衰亡模型对亚硝酸浓度为2000mg-N/L条件下亚硝酸氧化细菌NOB的OUR和COD的模拟图。

具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本技术作进一步的说明。

本技术中如无特殊说明，所使用的试剂为本领域常规试剂，所用方法为本领域常规方法。

实施例1本技术亚硝酸氧化细菌的两步衰亡模型的构建
1、用含NaNO2(500mg-N/L)、NH4CI(1.0mg-N/L)、KH2PO4(0.13mg-P/L)和Na2PO4(1.67-P/L)的合成废水在5-L序批式反应器(SBR)中富集污泥(NOB富集的目的在于消除其他菌种的干扰)。

反应器的pH、温度和DO 分别控制在7.3、35±0.5℃和5mg/L以上。

SBR反应器的SRT维持在50天，培养240天后，采用浓缩的NOB 污泥进行实验。

2、浓缩的NOB污泥用NH4CI(1.0mg-N/L)、KH2PO4(0.13mg-P/L)和Na2PO4(1.67-P/L)的合成废水离心清洗三次(5000rpm)，每次三分钟。

在进行NOB污泥培养之前，使用不含亚硝酸盐的无机合成废水对污泥样本进行三次离心清洗，以确保样品中不含亚硝酸盐。

得到不含亚硝酸盐的NOB浓缩污泥备用。

3、将不含亚硝酸盐的NOB浓缩污泥用于呼吸试验，在亚硝酸盐浓度保持在0mg-N/L、50mg-N/L、500mg-N/L、2000mg-N/L的实验条件下进行NOB培养，在恒温培养箱中以35±0.2℃的温度培养7天，同时培养容器中的溶解氧要求保持在6mg-O2/L以上。

4、使用细菌染色辨别不同亚硝酸盐浓度培养箱内活/死细菌数量变化，根据测得数据，求出模型参数。

见下表2:
表2 NOB的动力学参数和化学计量参数
5、建立亚硝酸氧化细菌NOB的两步衰亡的模型方程：
(1)计算模拟亚硝酸氧化细菌的净比增长速率，使用Eq.1获得：
r＝u-btot (Eq.1)
其中，r：NOB净比增长率(d-1)，u，NOB的比增长率(d-1)，btot：NOB总比衰亡率(d-1)；
(2)考虑到高浓度亚硝酸盐对NOB的抑制作用，使用Eq.2获得：
其中，NOB的最大比增长速率(d-1),亚硝酸盐浓度(mg-
N/L),NOB生长的半饱和系数(mg-N/L)，NOB生长抑制的半饱和系数(mg-N/L)；
(3)在NOB总比衰亡率的模拟计算中，引入亚硝酸盐的毒性影响，亚硝酸盐的毒性使用幂数n>1的S型公式表示；使用Eq.3获得：
其中，b:NOB固有比衰亡率(d-1)，NOB亚硝酸盐毒性衰亡率(d-
1)，NOB亚硝酸盐毒性衰亡的半饱和系数(mg-N/L)，n：亚硝酸盐浓度的幂数。

(4)为了模拟死亡NOB转化为可溶解性COD的过程，引入NOB的总比降解率，使用Eq.4获得：
其中：bl,tot：NOB总比降解率(d-1)，bl：NOB固有比降解率(d-1)，NOB亚硝酸盐抑制降
解率(d-1)，NOB亚硝酸盐抑制降解半饱和系数(mg-N/L)，m：亚硝酸盐浓度的幂数。

(5)在下表1中建模
表1亚硝酸氧化细菌的两步衰亡模型
实施例2亚硝酸浓度为50mg-N/L条件下，用实施例1建立的模型方程，对NOB的OUR和COD进行检测和模拟。

(1)用含NaNO2(500mg-N/L)、NH4CI(1.0mg-N/L)、KH2PO4(0.13mg-P/L)和Na2PO4(1.67-P/L)的合成废水在5-L序批式反应器(SBR)中富集污泥(NOB富集的目的在于消除其他菌种的干扰)。

反应器的pH、温度和DO 分别控制在7.3、35±0.5℃和5mg/L以上。

SBR反应器的SRT维持在50天，培养240天后，采用浓缩的NOB 污泥进行实验。

(2)浓缩的NOB污泥用NH4CI(1.0mg-N/L)、KH2PO4(0.13mg-P/L)和Na2PO4(1.67-P/L)的合成废水离心清洗三次(5000rpm)，每次三分钟。

在进行NOB污泥培养之前，使用不含亚硝酸盐的无机合成废水对污泥样本进行三次离心清洗，以确保样品中不含亚硝酸盐。

(3)将不含亚硝酸盐的NOB浓缩污泥用于呼吸试验，在亚硝酸盐浓度保持在50mg-N/L的实验条件下进行NOB培养，在恒温培养箱中以35±0.2℃的温度培养7天，同时培养容器中的溶解氧要求保持在6mg-O2/L以上。

(4)为了在试验过程中保持亚硝酸盐的浓度，安装了一台计算机程序注射泵，将高浓度亚硝酸钠溶液(20000mg-N/L)连续送入培养容器，使亚硝酸盐浓度控制在目标±5％左右。

(5)培养槽中的活性污泥以6-8小时为间隔进行人工取样，在调整亚硝酸盐浓度至与每个培养槽的预定浓度相同后放置在100mL BOD瓶中。

使用O2气体将样品的初始溶解氧浓度设置为超过10mg-O2/L，并使用便携式溶解氧计，每隔1分钟记录一次BOD瓶中溶解氧的消耗量。

根据溶解氧浓度随时间的降低，得到了各培养槽的OUR。

以溶解氧浓度为纵轴，时间为横轴作图，保证所绘直线确定系数R2≥99，直线的斜率即为NOB的耗氧速率。

(6)从培养槽中取出5ml NOB污泥，用0.85％NaCl溶液离心(10000rpm，清洗三分钟)洗涤3次，去除杂质的干扰。

(7)使用COD分析试剂盒(TNT Plus 821(COD范围3–150ppm，美国哈希)测量培养槽中洗涤过的NOB污泥的COD。

(8)做出亚硝酸盐浓度与NOB耗氧速率(OUR)和污泥COD的散点图，使用GPS-X软件基于本技术两步衰亡模型方程对散点图进行拟合，测定数据和模拟数据分别见表3、4，实验结果及拟合效果如图2所示。

表3
t50mg-N/L t50mg-N/L
OUR COD
d测定值d测定值
0.034722222 4.230.010********.29447853 0.25 5.719560.9687578.52760736 0.415277778 5.46 1.94861111179.95008841
0.96875 5.54046 2.94305555682.68033429
1.208333333 6.4506 3.93263888985.27607362 1.44375 5.69322 4.9298611119
2.02453988
1.975 5.6592 5.93263888997.98347717
2.208333333 5.7528 6.936111111104.2944785 2.460416667 5.8117.93125117.8064389
2.919444444 5.50668
3.20625 6.5637
3.413888889 6.1425
3.943055556 6.75
4.2125 6.87
4.4145833337.68
4.9347222228.9
5.2020833338.52
5.4277777787.25724
5.9444444448.814
6.2076388899.4776
6.4138888899.3636
6.94166666710.8739726
7.21180555610.67664
7.47569444412.08064
8.0993*******.8734
表4
实施例3亚硝酸浓度为2000mg-N/L条件下，用实施例1建立的模型方程，对NOB的OUR和COD进行检测和模拟。

(1)用含NaNO2(500mg-N/L)、NH4CI(1.0mg-N/L)、KH2PO4(0.13mg-P/L)和Na2PO4(1.67-P/L)的合成废水在5-L序批式反应器(SBR)中富集污泥。

反应器的pH、温度和DO分别控制在7.3、35±0.5℃和5mg/L以上。

SBR反应器的SRT维持在50天，培养240天后，采用浓缩的NOB污泥进行实验。

(2)浓缩的NOB污泥用NH4CI(1.0mg-N/L)、KH2PO4(0.13mg-P/L)和Na2PO4(1.67-P/L)的合成废水离心清洗三次(5000rpm)，每次三分钟。

(3)将不含亚硝酸盐的NOB浓缩污泥用于呼吸试验，在亚硝酸盐浓度保持在2000mg-N/L的实验条件下进行NOB培养，在恒温培养箱中以35±0.2℃的温度培养7天，同时培养容器中的溶解氧要求保持在6mg-O2/L以上。

(4)为了在试验过程中保持亚硝酸盐的浓度，安装了一台计算机程序注射泵，将高浓度亚硝酸钠溶液(20000mg-N/L)连续送入培养容器，使亚硝酸盐浓度控制在目标±5％左右。

(5)培养槽中的活性污泥以6-8小时为间隔进行人工取样，在调整亚硝酸盐浓度至与每个培养槽的预定浓度相同后放置在100mL BOD瓶中。

使用O2气体将样品的初始溶解氧浓度设置为超过10mg-O2/L，并使用便携式溶解氧计，每隔1分钟记录一次BOD瓶中溶解氧的消耗量。

根据溶解氧浓度随时间的降低，得到了各培养槽的OUR。

(6)从培养槽中取出5ml NOB污泥，用0.85％NaCl溶液离心(10000rpm，清洗三分钟)洗涤3次，去除杂质的干扰。

(7)使用COD分析试剂盒(TNT Plus 821(COD范围3–150ppm，美国哈希)测量培养槽中洗涤过的NOB污泥的COD。

(8)做出亚硝酸盐浓度与NOB耗氧速率(OUR)和NOB污泥COD的散点图，使用GPS-X软件基于本技术两步衰亡模型方程对散点图进行拟合，实验数据见表5、6，实验结果及拟合效果如图3所示。

表5
表6
t50mg-N/L50mg-N/L
OUR COD
d模拟模拟
0 4.35144274
0.25 5.45560674.70636 0.5 5.60448175.47575
0.750001 5.72935776.29351
1.000001 5.84852477.14692 1.250001 5.96628278.02398 1.500001 6.08447178.91807 1.750001 6.20399779.82719
2.000002 6.325380.75166 2.250002 6.44860381.69247 2.500002 6.57403282.6506
2.750002 6.7016818
3.62686
3.000002 6.8316238
4.62195 3.250003 6.9639278
5.63643 3.5000037.0986538
6.67084
3.7500037.23586187.72568
4.0000037.37560588.80142 4.2500037.51794289.89853 4.5000047.66292491.01748
4.7500047.81060492.15872
5.0000047.96103693.32271 5.2500048.11427394.50991 5.5000048.27036795.72079
5.7500058.4293729
6.95581
6.0000058.59134298.21544 6.2500058.75633199.50016 6.5000058.924395100.8104 6.7500059.095589102.1468 6.9583399.240683103.2807
通过上述实施例2、3得到的数据和模拟图，充分证明了本技术的亚硝酸氧化细菌的两步衰亡模型的正确性。

因此，可以通过两步衰亡模型来计算抑制NOB的活性所需要的亚硝酸盐浓度，实现短程硝化反硝化过程控制。

即，本技术实现了通过控制亚硝酸盐的浓度来保证短程硝化反硝化脱氮效果。