一种采用数学模型测定头孢抗生素浓度对异养菌活力影响的方法与流程

1.本发明属于环境工程领域，具体涉及一种采用数学模型测定头孢抗生素浓度对异养菌活力影响的方法。


背景技术：

2.抗生素生产废水是一类高浓度、含多种难降解有机物和生物毒性物质的有机废水。与其他抗生素相比，头孢类抗生素具有抗菌谱广、抗菌活性强、疗效高、副作用小等特点，在抗感染类药品市场中占据重要地位。头孢会提高人类和动物的患病率和发病率；影响植物的叶绿素合成、酶分泌和根系生长；使部分微生物产生耐药性和抗性基因，进而破环生态平衡，头孢类抗生素制药废水的处理是降低其危害程度的重要手段。
3.头孢类抗生素废水的治理研究已有很大的发展，但其仍存在着很大的研究空白，如废水组成和微生物群落结构，毒性分析及毒性物质对生物过程的抑制等方面的研究。
4.目前本领域中没有关于有采用数学模型法对含头孢抗生素的废水处理中头孢抗生素浓度与细菌活性的研究报道。


技术实现要素：

5.针对本领域现有技术的不足，本发明提供一种采用数学模型测定头孢抗生素浓度对异养菌活力影响的方法，通过建立头孢抗生素浓度对异养菌影响的模型参数，可以完善异养菌的数学模型，基于这些参数可以确定毒性物质对生物过程的抑制情况，为异养菌提供更好的生长环境，同时实现高效的水处理效率。
6.为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是：一种采用数学模型测定头孢抗生素浓度对异养菌活力影响的方法，首先，建立模型方程：设定头孢抗生素浓度梯度进行批量实验；测定不同头孢抗生素浓度条件下异养菌的好氧速率our；根据活性污泥挥发性悬浮固体浓度vss和our计算出异养菌的比耗氧速率sour；建立头孢抗生素浓度对异养菌影响的模型方程；然后，利用所建立的模型方程，对实验数据进行模拟，确定其动力学参数。
7.本发明采用数学模型测定头孢抗生素浓度对异养菌的影响的方法，具体步骤如下：
8.(1)测定所取用的活性污泥的挥发性悬浮固体浓度vss0；
9.(2)设定头孢抗生素浓度梯度进行批量实验，控制实验温度为25
±
1℃，ph为7.5
±
0.1；
10.(3)测定不同头孢抗生素浓度条件下异养菌的好氧速率our；
11.(4)根据vss0计算出批量实验时bod瓶中活性污泥的vss，并计算出异养菌的比耗氧速率sour；
12.(5)建立头孢抗生素浓度对异养菌影响的模型方程；
13.(6)利用所建立的模型方程，对实验数据进行模拟，确定其动力学方程和参数。
14.所述步骤(3)中，所述的好氧速率our测定方法为：使用溶解氧测定仪测定bod瓶中的溶解氧do，每30s记录一次数据，至少测定12组数据，使用excel做出斜率方程，使得r2≥99％，其斜率即为该头孢抗生素浓度条件下异养菌的好氧速率our。
15.所述步骤(4)中，所述的sour计算方程为所述vss是指批量实验时bod瓶中活性污泥的vss，根据步骤(1)中所测数据vss0计算得出。
16.所述步骤(5)中，所述的模型方程是是基于eckenfelder方程和monod方程建立的头孢抗生素浓度对异养菌影响的模型方程：在忽略碱度限制的条件下异养菌的生长速率用下式表示：式中：μ：异养菌的比生长速率，d
‑1；μ
max
：异养菌的最大比生长速率，d
‑1；s
c
：头孢抗生素浓度，mg/l；k
s
：异养菌的半饱和速率，mg/l；k
i
：基质限制常数a，mg/l；k
ii
：基质限制常数b，mg/l；所述的模型方程中sour与μ存在正比关系，使用k
a
作为参数表示这种关系可得到如下表达式其中：sour：异养菌比耗氧速率，mg
‑
o/g/h；k
a
：异养菌的比耗氧速率参数。
17.所述步骤(6)中，使用模型方程对实验数据进行模拟，确定出头孢抗生素浓度对异养菌影响动力学方程及参数值k
s
、k
i
、k
ii
。
18.本发明的有益效果：本发明能够使用数学模型的方法对头孢抗生素浓度对异养菌的影响进行定量化的研究，通过确定头孢抗生素浓度对异养菌影响的模型参数，即可知头孢抗生素浓度对异养菌影响的程度，从而更好的优化异养菌的生长环境，提高异养菌的活力和污水处理效果。本发明在完善异养菌数学模型的同时，也为实现智慧水务提供基础数据。
19.因此，本发明还提供采用数学模型测定头孢抗生素浓度对异养菌活力影响的方法在含头孢抗生素废水处理中的应用。
20.与现有技术相比，本发明具有如下优点：
21.(1)本发明使用数学模型的方法测定头孢抗生素浓度对异养菌的影响，较之于其它传统方法，更加严谨和精确，模型方程的使用实现了定量化的研究。数学模型的优势在于可以统筹各方面的影响因素，寻求一个最适化的环境条件，从而提高污水处理效果。本发明可以确定异养菌的头孢抗生素浓度因素参数，从而完善异养菌数学模型，从而提高异养菌的活力和污水处理效果。
22.(2)本发明的测定方法简洁易操作，可重复率高，便于推广使用，从而
23.推进污水处理领域中数学模型方法的发展和创新。
附图说明
24.图1为本发明批量实验装置示意图；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。
25.图2为实施例1头孢抗生素浓度与异养菌比耗氧速率(sour)的模拟曲线。
具体实施方式
26.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。下述实例采用图1的批量实验装置，所述方法如无特殊说明均为本领域常规方法，所述试剂和装置如无特殊说明均可从商业途径获得。
27.实施例1、一种采用数学模型测定头孢抗生素浓度对异养菌活力影响的方法，具体方法步骤如下：
28.(1)从活性污泥连续培养反应器中取活性污泥1l进行离心预处理，浓缩至400ml后，测得挥发性悬浮固体(vss0)为15.16g/l。离心预处理，指用蒸馏水对活性污泥进行离心清洗三次以上；目的在于消除原始基质和盐分的干扰。测定挥发性悬浮固体浓度(vss)方法是将一定体积的活性污泥在105℃的烘箱里烘8小时去除水分称重为m1；再在600℃马弗炉中烘干3小时，称重m2；m1‑
m2即为挥发性固体重量，最后计算其体积浓度。
29.(2)设定批量实验中头孢抗生素浓度分别为0、0.1、0.75、1、5、10、50、100、200mg/l，即bod瓶内头孢噻呋钠浓溶液添加量分别为：0、0.1、0.75、1.0、5.0ml(100mg/l)、1.0、5.0、10.0、20.0ml(1000mg/l)。将15ml的活性污泥置于100ml的bod瓶中，加入2ml乙酸钠溶液(200mg
‑
cod/l)使用磷酸缓冲溶液控制ph为7.5
±
0.1，使用水浴加热的方法控制温度为25
±
1℃，加入头孢溶液，形成设定浓度梯度。控制ph所用磷酸缓冲溶液由磷酸二氢钾溶液(1/15mol)和磷酸氢二钠溶液(1/15mol)按照2:8的比例进行混合后，调节ph至7.5
±
0.1。
30.(3)测定bod瓶中的溶解氧(do)，每30s记录一次数据，每个浓度至少测定12组数据，取do变化较稳定的时段数据，使用excel做出斜率方程，使得r2≥99％，得到该头孢抗生素浓度条件下异养菌的好氧速率(our)(表1)。
31.表1
[0032][0033]
(4)根据步骤(1)中浓缩之后的挥发性悬浮固体浓度(vss0)15.16g/l，取15ml置于100mlbod瓶中，计算得出批量实验bod瓶中挥发性悬浮固体(vss)浓度为2.274g/l。根据计算每个头孢抗生素浓度条件下异养菌的比耗氧速率sour。计算sour所用vss是指批量实验时bod瓶中活性污泥的vss。
[0034]
(5)做出头孢抗生素浓度与异养菌比耗氧速率(sour)的散点图，并使用模型方程(5)做出头孢抗生素浓度与异养菌比耗氧速率(sour)的散点图，并使用模型方程进行模拟，模拟效果如图2所示。所述的模型方程是进行模拟，模拟效果如图2所示。所述的模型方程是是基于eckenfelder方程和monod方程建立的头孢抗生素浓度对异养菌影响的模型方程：在忽略碱度限制的条件下异养菌的生长速率用下式表示：的模型方程：在忽略碱度限制的条件下异养菌的生长速率用下式表示：式中：μ：异养菌的比生长速率，d
‑1；v
max
：异养菌的最大比生长速率，d
‑1；s
c
：头孢抗生素浓度，mg/l；k
s
：异养菌的半饱和速率，mg/l；k
i
：基质限制常数a，mg/l；k
ii
：基质限制常数b，mg/l；所述的模型方程中sour与μ存在正比关系，使用k
a
作为参数表示这种关系可得到如下表达
式其中：sour：异养菌比耗氧速率，mg
‑
o/g/h；k
a
：异养菌的比耗氧速率参数。
[0035]
(6)步骤(5)的模型方程的条件下，求得头孢浓度对异养菌影响的动力学参数值：k
s
＝0.1mg/l、k
i
＝400mg/l、k
ii
＝370mg/l。
[0036]
本发明中所测得的动力学参数，主要是带入活性污泥模型(asm)中，运用gps
‑
x软件对实际污水处理工艺进行模拟和预测，从而做出相应的工艺设计和调整，以期获得更高的污水处理效率和降低处理成本。