专利名称：人工湿地堵塞物分类及成份提取方法
技术领域：
本发明人工湿地堵塞物分类及成份提取方法属于污水处理技术领域，具体涉及人工湿地污水处理技术中基质间堵塞物分类及成份提取的方法。
背景技术：
人工湿地(Constructed wetlands，缩写为CWs)污水处理技术是20世纪70年代兴起的一种新型污水处理技术，其通过模拟自然湿地而人为设计和建造，且具有可控性和工程化特点，以基质、植物及微生物协同，通过物理、化学和生物作用进行污水处理的自然生态处理技术。具有维护管理方便、基建和运行费用低、工艺设备简单、环境效益高等优势， 对降低污水处理成本及改善地区水环境有着重要的作用，特别在广大农村地区有着巨大的发展空间。人工湿地污水处理技术在世界各地有着大量的应用实例，据美国环境保护署 (USEPA)调查，截止到2000年，在美国有600多处人工湿地工程用于处理市政、工业和农业废水；在法国，截止至2003年就已经有超过400座人工湿地在运行，并有100多座在建，其大部分都用于小型生活污水的二级处理；丹麦、德国、英国等欧盟成员国家至少有200处人工湿地系统在运行，新西兰也有80多处人工湿地系统被投入使用；在我国，随着新农村建设的开展，人工湿地技术亦被广泛的应用于农村生活污水处理中。但从目前已有的工程实践来看，人工湿地的长期运行尚缺少安全保障，如果设计或管理不善，容易造成湿地的堵塞。据美国环境保护署(USEPA)对100多个运行中的人工湿地调查发现，有将近50%的人工湿地系统在投入使用后的5年内出现了不同程度的堵塞； 在我国，早期设计并运行的部分人工湿地在处理生活污水过程中，也出现过堵塞现象。人工湿地系统的水流状态是维持系统正常运行、使系统充分发挥净化效果的重要因素，但在发生堵塞后，基质的渗透系数会急剧下降，过水能力也随之降低，大量引入湿地系统的污水直接雍积在湿地表面，长期积水引发恶臭、导致蚊蝇滋生，恶化运行环境；雍水还阻隔氧气向基质层内扩散，进而降低污染物(尤其是有机物和氨氮)的去除效果，使出水指标达不到设计标准，同时缩短了人工湿地的运行寿命。因此，研究人工湿地堵塞的机理并在此基础上寻找相应的对策就显的十分必要和迫切。然而，对人工湿地堵塞机理进行研究的前提是需探明湿地堵塞物组份构成并能对其进行定量测定。但由于目前对人工湿地堵塞物的研究深度不够，至今尚无人系统地提出人工湿地堵塞物的组分分类方法，更别说其各自成分的提取及定量测定方法。根据文献， Thomas R. E在对基质中堵塞物质进行初步分析研究的基础上假设认为，堵塞物质是由厌氧分解产生的多糖类物质和聚脲类物质以及一些未能降解的有机化合物组成；Chazarence F 和Kerry Rowe等人也得出了类似的结论推测多糖、腐殖质等可能是堵塞物的组成成分，以上研究都没有明确湿地堵塞物的组份构成及其定量测定方法。国内研究人员叶建锋提出湿地堵塞物由不可滤无机物和不可滤有机物组成，并提出堵塞物的成份的提取及定量测定方法，但其分类过于笼统，不能清晰构建堵塞物各组份、比例与其各自特性间的关系。因此，寻找一种科学可行的堵塞物组分分类及提取、定量测定方法尤显重要，这将对后续有关人工湿地堵塞问题的机理研究 提供一种定量描述的方法。
发明内容
本发明的目的在于，提出一种科学的、简单可行的、适于常规实验室的人工湿地堵塞物分类。本发明的再一目的在于提供一种人工湿地堵塞物成份提取方法。根据化学成份分析，人工湿地堵塞物按从，主要由蛋白质、多糖、腐殖酸、核酸和无机物等五种物质构成，故将人工湿地堵塞物成份按蛋白质、多糖、腐殖酸、核酸和无机物等五种物质进行分类。本发明提供一种中针对堵塞物有机物组份的提取方法，主要考虑最大限度的破坏微生物细胞，同时使蛋白质、多糖、腐殖酸、核酸等这四种物质尽量多的溶解到水中，先后采用加强碱、加热及离心的方法提取堵塞物的有机成份，具体步骤依次为①取IOOmL堵塞层的基质，用IOOmL蒸馏水清洗基质，收集洗出液至烧杯A ；②向清洗后的基质中加入50mL的 1. Omol/L NaOH溶液，将该混合液置于水浴锅中，60°C恒温下水浴30min后置于超声波震荡仪内，震荡5min后将洗出液倒入烧杯A ；③再次用200mL蒸馏水清洗基质，洗出液倒入烧杯 A ；④从混合均勻的烧杯A中取出40mL液体置于IOOmL烧杯B中，并向烧杯B中加入适量的 lmol/L的NaOH溶液，使溶液pH控制在12. 0-13. 0范围内；⑤将烧杯B内调好pH的混合液再次置于水浴锅中，80°C恒温下水浴120min ；⑥水浴结束后取出烧杯B，将其置于磁力搅拌器均勻搅拌，然后用蒸馏水定容至40mL后置于离心机内，在4000r/min下离心30min ；⑦取出用0. 45 μ m滤膜过滤；⑧取20mL过膜液体调pH至6. 5-7. 5范围内，形成待测液，用于检测蛋白质、多糖、核酸和腐殖酸这四种物质的含量。本发明中针对堵塞物无机物组份的提取方法，在上述有机组份提取的第③步骤结束后，从烧杯A中取40mL洗出液(体积根据实际情况可调，保证其中残渣含量大于25mg)，调 PH至6. 5-7. 5范围内，采用重量法测无机物的量。本发明中，人工湿地中堵塞物的有机物组份测定方法如下蛋白质采用考马斯亮蓝法，多糖采用硫酸_蒽酮法，核酸采用二苯胺法，腐殖酸采用改进的Iowry法，无机物组份采用重量法测定。人工湿地中堵塞物的无机物组份采用的重量法测定，具体步骤如下⑴将蒸发皿置于103-105°c烘箱中烘30min，冷却后称重为b ；⑵将调至中性的洗出液，置于蒸发皿内， 在水浴锅上蒸干(水浴面不可接触皿底);⑶蒸干后移入103-105°C烘箱内烘lh，冷却后称重为a;(4)称重后，放入马弗炉600°C下煅烧30min，放于干燥器内冷却至室温，称重为d。计算方法如下
无誦靈
式中a为烘干后总残渣+蒸发皿重(g)，b为蒸发皿重(g)，c为调PH产生的NaCl重 (mg), d为煅烧后的灰分+蒸发皿重(g)，V为从烧杯A中取出洗出液的体积(mL)。本发明中，堵塞物各组份提取时，清洗用的蒸馏水体积、剥膜用的lmol/L NaOH体积及待测的堵塞基质体积无需严格按照上述步骤所述的体积数，亦可按体积比为6:1:2的比例自由选择，这样既可保证洗净基质，又可满足洗出液的PH在12. 0-13. 0范围内，达到最佳提取效果。本发 明中，超声波震荡时间及磁力搅拌时间没有严格要求，一般在5min内。本发明中，有机物组份提取过程中两次水浴时间和离心时间应严格控制，第一次水浴时间为30min，第二次水浴时间为120min ；离心时间为30min，转速为4000r/min。本发明中，调整pH至中性(6. 5-7. 5)时，应注意只能用lmol/L HCl将混合液从强碱环境调至中性，而不能因为HCl过量，再用NaOH回调至中性，否则会导致后续测量结果的不准确。本发明，只针对以砾石、砂子等一系列硬质材料作为基质的人工湿地，而不适用于以土壤等易破碎、与堵塞物不易分离的材料作为基质的人工湿地。本发明提出的人工湿地堵塞物组分分类及提取方法，综合考虑了人工湿地堵塞的生物、化学以及物理机制，并参考借鉴了活性污泥中胞外聚合物(EPS)及生物膜堵塞的相关研究成果，以求最全面的包括湿地处理污水形成的堵塞物主要成分，并保证测定方法在常规实验室条件下简单可行。本发明优点如下⑴本方法提出的堵塞物组分分类比较全面，包括了堵塞物中的绝大部分物质，为后续研究构建堵塞物各组份与其对堵塞物整体特性间的关系提供分析手段；⑵本方法简单可行，在绝大数常规实验室即可完成操作，且操作成本低廉；⑶本方法推广性强，简单易学；⑷控制条件容易得到保证，抗干扰性强。本发明符合人工湿地堵塞机理研究的需求，为后续进一步阐明人工湿地堵塞机理提供可行的研究方法和手段，亦可为解决人工湿地堵塞问题提供新的思路。下面通过实施例进一步描述本发明。
具体实施例方式于上海市奉贤区青村实验基地，采用产自安徽省凤阳县曹店乡、粒径0. 6-0. 8mm 的石英砂作为人工湿地的基质，在水力负荷为0. 5 m3/m2. d、有机负荷为0. 15 kg/m2. d、SS进水浓度为150mg/L的进水条件下，模拟垂直流人工湿地在运行26天后，基质表面发生雍水现象，在距布水口 0-12cm内基质层内，取IOOmL基质，按蛋白质、多糖、腐殖酸、核酸和无机物五种物质对该人工湿地堵塞物进行分类。按人工湿地堵塞物分类提取堵塞物有机物组份，先使蛋白质、多糖、腐殖酸、核酸这四种物质溶解到水中，然后采用加强碱、加热及离心的方法提取堵塞物的有机成份，具体步骤依次为
①取IOOmL堵塞层的基质，用IOOmL蒸馏水清洗基质，收集洗出液至烧杯A；
②向清洗后的基质中加入50mL的1.Omol/L NaOH溶液剥膜，将该混合液置于水浴锅中，60°C恒温下水浴30min后置于超声波震荡仪内，震荡5min后将洗出液倒入烧杯A ；
③再次用200mL蒸馏水清洗基质，洗出液倒入烧杯A；
④从混合均勻的烧杯A中取出40mL液体置于IOOmL烧杯B中，并向烧杯B中加入适量的lmol/L的NaOH溶液，使溶液pH控制在12. 0-13. 0范围内；
⑤将烧杯B内调好pH的混合液再次置于水浴锅中，80°C恒温下水浴120min；⑥水浴结束后取出烧杯B，将其置于磁力搅拌器均勻搅拌，然后用蒸馏水定容至40mL 后置于离心机内，在4000r/min下离心30min ；
⑦取出离心液用0.45 μ m滤膜过滤；
⑧取20mL过滤液体调pH至6.5-7. 5范围内，形成待测液，用于检测蛋白质、多糖、核酸和腐殖酸这四种物质的含量。人工湿地中堵塞物的有机物组份测定方法如下蛋白质采用考马斯亮蓝法，多糖采用硫酸_蒽酮法，核酸采用二苯胺法，腐殖酸采用改进的Iowry法，无机物组份采用重量法测定。采用重量法测定无机物步骤为
⑴将蒸发皿置于103-105°C烘箱中烘30min，冷却后称重为b ；
⑵将调至中性的洗出液，置于蒸发皿内，在水浴锅上蒸干(水浴面不可接触皿底)；
⑶蒸干后移入103-105°C烘箱内烘lh，冷却后称重为a ；
⑷称重后，放入马弗炉600°C下煅烧30min，放于干燥器内冷却至室温，称重为d。计算方法如下
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式中a为烘干后总残渣+蒸发皿重(g)，b为蒸发皿重(g)，c为调PH产生的NaCl重 (mg), d为煅烧后的灰分+蒸发皿重(g)，V为从烧杯A中取出洗出液的体积(mL)。最后测得各组分的数据如下，40mL的堵塞物混合液中，堵塞物总量为139. 22mg， 无机物总量为69. 43mg，蛋白质为15. 33mg，多糖类物质为2. 83mg，腐殖酸为8. 49mg，核酸为 5. 84mg，五类物质总量占总堵塞物的百分比为73. 21%，达到了良好的堵塞物分类和定量描述效果。
权利要求
1.一种人工湿地堵塞物分类，至少按蛋白质、多糖、腐殖酸、核酸和无机物五种物质进行分类。
2.利用权利要求1人工湿地堵塞物分类提取堵塞物有机物组份的方法，先使蛋白质、 多糖、腐殖酸、核酸这四种物质溶解到水中，然后采用加强碱、加热及离心的方法提取堵塞物的有机成份，其征在于具体步骤依次为①取IOOmL堵塞层的基质，用IOOmL蒸馏水清洗基质，收集洗出液至烧杯A；②向清洗后的基质中加入50mL的1.Omol/L NaOH溶液剥膜，将该混合液置于水浴锅中，60°C恒温下水浴30min后置于超声波震荡仪内，震荡5min后将洗出液倒入烧杯A ；③再次用200mL蒸馏水清洗基质，洗出液倒入烧杯A；④从混合均勻的烧杯A中取出40mL液体置于IOOmL烧杯B中，并向烧杯B中加入适量的lmol/L的NaOH溶液，使溶液pH控制在12. 0-13. 0范围内；⑤将烧杯B内调好pH的混合液再次置于水浴锅中，80°C恒温下水浴120min；⑥水浴结束后取出烧杯B，将其置于磁力搅拌器均勻搅拌，然后用蒸馏水定容至40mL 后置于离心机内，在4000r/min下离心30min ；⑦取出离心液用0.45 μ m滤膜过滤；⑧取20mL过滤液体调pH至6.5-7. 5范围内，形成待测液，用于检测蛋白质、多糖、核酸和腐殖酸这四种物质的含量。
3.根据权利要求2所述提取堵塞物有机物组份的方法，其特征在于，上述第③步骤结束后，从烧杯A中取40mL洗出液或体积根据实际情况保证其中残渣含量大于25mg，调pH至 6. 5-7. 5范围内，备样以测无机物的量。
4.根据权利要求2所述提取堵塞物有机物组份的方法，其特征在于，测定人工湿地中堵塞物各组份，方法如下蛋白质采用考马斯亮蓝法，多糖采用硫酸_蒽酮法，核酸采用二苯胺法，腐殖酸采用改进的Iowry法测定，无机物采用重量法测定。
5.根据权利要求2所述提取堵塞物有机物组份的方法，其特征在于，堵塞物各组份提取时，清洗用的蒸馏水体积、剥膜用的lmol/L NaOH体积及待测的堵塞基质体积按体积比为 6:1:2的比例，保证洗净基质，且出液的pH在12. 0-13.0范围内。
6.根据权利要求2所述提取堵塞物有机物组份的方法，其特征在于，第②步超声波震荡时间及第⑥步磁力搅拌时间在5min内。
7.根据权利要求2所述提取堵塞物有机物组份的方法，其特征在于，调整pH至 6. 5-7. 5时，用lmol/L HCl将混合液从强碱环境调至中性，不能因为HCl过量，再用NaOH回调至中性。
8.根据权利要求4所述提取堵塞物有机物组份的方法，其特征在于，采用重量法测定无机物步骤为⑴将蒸发皿置于103-105°C烘箱中烘30min，冷却后称重为b ；⑵将调至中性的洗出液，置于蒸发皿内，在水浴锅上蒸干(水浴面不可接触皿底)；⑶蒸干后移入103-105°C烘箱内烘lh，冷却后称重为a ；⑷称重后，放入马弗炉600°C下煅烧30min，放于干燥器内冷却至室温，称重为d。
9.计算方法如下
10.根据权利要求2所述提取堵塞物有机物组份的方法，其特征在于，提取堵塞物各组分方法只针对以硬质材料作为基质的人工湿地，包括砾石、砂子。
全文摘要
本发明人工湿地堵塞物分类及成份提取方法属于污水处理技术领域，具体涉及人工湿地污水处理技术中基质间堵塞物分类及成份提取的方法。人工湿地堵塞物分类明确主要由蛋白质、多糖、腐殖酸、核酸和无机物等五种物质构成，并提出依次采用加强碱、加热及离心的方法提取湿地堵塞物的各种组份，结合考马斯亮蓝法、硫酸-蒽酮法、二苯胺法、改进的lowry法和重量法定量测定堵塞物各组份。本发明提出的堵塞物组分分类比较全面，达到了良好的堵塞物分类和定量描述效果，各组份提取方法简单可行，在绝大数常规实验室即可完成测量，且测量所需成本低廉；推广性强，简单易学；控制条件容易得到保证，抗干扰性强。
文档编号G01N5/04GK102435486SQ20111025675
公开日2012年5月2日 申请日期2011年9月1日 优先权日2011年9月1日
发明者叶建锋, 叶超, 韩玮 申请人:上海市环境科学研究院