高钙废水中厌氧颗粒污泥钙化和活性高低的检测判断方法与流程

本发明属于废水处理技术领域，具体涉及一种高钙废水中厌氧颗粒污泥钙化和活性高低的检测判断方法。

背景技术：

据2017年数据显示我国已经成为世界上最大的纸张生产国和消费国，生产量和消费量都突破了一亿吨，占世界生产和消费的三分之一。在造纸原料中，废纸浆的使用量占据全部造纸原料的一半以上，数量高达6180万吨。废纸浆的使用虽然节约大量的木材资源，但也带来了相应的环境问题。废纸再生产过程中因其本身含有的钙质添加剂和再生产助剂会产生大量含有高浓度钙离子的有机废水，这些废水占所有造纸废水的一半以上。由于高浓度钙离子的作用，高效厌氧反应器运行一段时间后会出现颗粒污泥钙化的工程问题。钙化的颗粒污泥会影响厌氧反应器的运行和废水的处理效果，严重时会造成处理系统的崩溃，给企业造成极大的经济损失。

这种钙化现象不仅发生在废纸造纸废水的处理中，而且也发生在其他高钙废水的处理中如柠檬酸、橄榄油、酒精、淀粉和垃圾填埋场渗滤液等。因此寻求一种可长期监测颗粒污泥钙化和活性高低程度的方法，将有助于解决颗粒污泥钙化的问题。

目前测定厌氧颗粒污泥钙化主要通过滴定和酶处理等方法。滴定法存在滴定终点不易确定等缺点；酶处理虽然测定时间短，但测定成本高；并且两者只能判断已经钙化后的颗粒污泥，不能及时有效的监测颗粒污泥钙化和活性的高低程度。除此之外，其他方法主要是通过除钙装置去除水中的钙离子或钙盐沉淀，都是被动的处理技术。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术的不足，提供一种高钙废水中厌氧颗粒污泥钙化和活性高低的检测判断方法，该方法操作简单、用时短、准确性高、测定成本低，可实现厌氧颗粒污泥钙化和活性的实时监测。

本发明所要解决的技术问题，通过以下技术方案予以实现：

一种高钙废水中厌氧颗粒污泥钙化和活性高低的检测判断方法，采用甲醛-naoh法从厌氧颗粒污泥中提取胞外聚合物(eps)，通过测定胞外聚合物中多糖、dna和蛋白质的含量得到厌氧颗粒污泥中胞外聚合物的含量，以测得的厌氧颗粒污泥中胞外聚合物的含量为指标，即可判断出高钙废水中厌氧颗粒污泥钙化和活性的高低程度。

上述方法，包括以下步骤：

s1.取样：从高钙废水中取一定体积的厌氧颗粒污泥；

s2.预处理：将厌氧颗粒污泥在3000～4000r/min条件下离心5～10min，去除上清液，再用蒸馏水离心洗涤1～2次，然后用蒸馏水将厌氧颗粒污泥的体积补充至取样时的体积；

s3.甲醛-naoh法提取：向预处理后的厌氧颗粒污泥中加入甲醛溶液，在150～200r/min条件下振荡0.5～1h，然后加入naoh溶液，在150～200r/min条件下振荡1.5～2h，将厌氧颗粒污泥混合液在4200～5000r/mim条件下离心10min，取上清液过0.2μm滤膜，得到的滤液在4℃条件下保存待测，滤渣于103～105℃条件下烘干至恒重；

s4.胞外聚合物各组分含量测定：取步骤s3所得的滤液分别进行多糖、dna和蛋白质含量测定，其含量总和为厌氧颗粒污泥中胞外聚合物的含量；

s5.以步骤s4测得的厌氧颗粒污泥中胞外聚合物的含量为指标，即可判断出高钙废水中厌氧颗粒污泥钙化和活性的高低程度。

所述步骤s3中甲醛溶液的质量分数为36.5％，每1ml厌氧颗粒污泥对应甲醛溶液的添加量为6～8μl；所述naoh溶液的浓度为1mol/l，每1ml厌氧颗粒污泥对应naoh溶液的添加量为23～24μl。

所述多糖含量的测定方法为蒽酮-硫酸法，dna含量的测定方法为紫外吸收法，蛋白质含量的测定方法为修正的folin-lowry法。

所述高钙废水中的钙离子浓度为1000～2000mg/l。

本发明上述方法的技术原理：一、厌氧颗粒污泥的cod降解率的高低可以一定程度上反映厌氧颗粒污泥活性的高低，即cod降解率越高，厌氧颗粒污泥活性也就越高，反之亦然；本发明得出胞外聚合物含量与cod降解率之间的变化关系，可以作为判断厌氧颗粒污泥活性高低的依据之一。二、胞外聚合物作为氧化还原介质，可以促进厌氧颗粒污泥产甲烷菌间的种间电子转移，即可以促进颗粒污泥的产甲烷能力，也就是说胞外聚合物越多，菌种的种间电子转移能力会加强，厌氧颗粒污泥产甲烷能力越强，其产甲烷能力可以很好地反映厌氧颗粒污泥的活性程度，其具体表现在废水处理效果好，cod降解率高，反之也是亦然；本发明得出胞外聚合物含量与厌氧颗粒污泥的产甲烷浓度之间的变化关系，可以作为判断厌氧颗粒污泥活性高低的依据之一。三、胞外聚合物是颗粒污泥的重要组成部分，它是厌氧颗粒污泥的有机成分，其含量的变化可以清晰的反映颗粒污泥钙化的程度(也就是无机组分的含量)，即颗粒污泥胞外聚合物含量越高，说明颗粒污泥有机质含量越高，胞外聚合物含量越少，说明颗粒污泥无机灰分增加，在高钙废水中也就是钙的沉积程度，所以胞外聚合物含量可以作为反映钙化程度的指标。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明通过测定厌氧颗粒污泥中胞外聚合物的含量即可快速判断高钙废水中厌氧颗粒污泥钙化和活性的高低程度，操作简单，准确性高，测定成本低，用时短，仅需3h即可完成胞外聚合物含量的测定，可实现厌氧颗粒污泥钙化和活性的实时监测。

附图说明

图1是ca²⁺浓度为1000mg/l下eps含量与cod降解率的关系图；

图2是ca²⁺浓度为1500mg/l下eps含量与cod降解率的关系图；

图3是ca²⁺浓度为2000mg/l下eps含量与cod降解率的关系图；

图4是ca²⁺浓度为1000～2000mg/l下eps含量与cod降解率的关系图；

图5是ca²⁺浓度为1000～2000mg/l下eps含量与产甲烷浓度关系图；

图6是ca²⁺浓度为1000～2000mg/l下eps含量与灰分含量关系图。

具体实施方式

实施例1

胞外聚合物含量测定方法优化：甲醛添加量

①取样：从钙离子浓度为1000～2000mg/l的高钙废水中取10ml厌氧颗粒污泥于离心管中；

②预处理：将厌氧颗粒污泥在3000～4000r/min条件下离心5～10min，去除上清液，再用蒸馏水离心洗涤1～2次，使颗粒污泥表面杂质和可溶性胞外聚合物完全去除，以免影响测定结果；然后用蒸馏水将厌氧颗粒污泥的体积补充至10ml；

③甲醛-naoh法提取：向预处理后的厌氧颗粒污泥中分别加入50μl、60μl、70μl、80μl和90μl的甲醛溶液(质量分数为36.5％)，在150～200r/min条件下振荡0.5～1h，然后加入240μl的naoh溶液(浓度为1mol/l)，在150～200r/min条件下振荡1.5～2h，将厌氧颗粒污泥混合液在4200～5000r/mim条件下离心10min，取上清液过0.2μm滤膜，滤液在4℃条件下保存待测，滤渣于103～105℃条件下烘干至恒重并测其质量；

④胞外聚合物各组分含量测定：取步骤s3所得的滤液分别进行多糖、dna和蛋白质含量测定，多糖含量的测定方法为蒽酮-硫酸法，dna含量的测定方法为紫外吸收法，蛋白质含量的测定方法为修正的folin-lowry法，多糖、dna和蛋白质三者含量的总和即为厌氧颗粒污泥胞中外聚合物的含量；测定厌氧颗粒污泥中胞外聚合物的含量用时仅为3h左右。

加入甲醛溶液是为了固定细胞，防止提取过程中细胞大量破碎，导致胞内物质外溢，污染胞外聚合物。从实施例可以看出，不同甲醛添加量会导致dna含量以及胞外聚合物含量产生较大的差别。当分别加入50μl、60μl、70μl、80μl和90μl甲醛溶液时，测得的胞外聚合物浓度分别为82.20mg/gmlss、47.91mg/gmlss、48.68mg/gmlss、49.62mg/gmlss和61.80mg/gmlss，其中dna浓度为10.23mg/gmlss、4.78mg/gmlss、4.86mg/g、4.93mg/gmlssmlss和7.54mg/gmlss。

因此，为了更加准确的反映厌氧颗粒污泥胞外聚合物的含量，利于厌氧颗粒污泥活性和钙化程度的准确判断，必须严格控制dna的提取含量，确保dna提取浓度低于6mg/gmlss，且每次提取偏差不大于1mg/gmlss。所以甲醛溶液的最适添加量应控制在每1ml厌氧颗粒污泥对应加入6～8μl的甲醛溶液(质量分数为36.5％)。

实施例2

胞外聚合物含量测定方法优化：naoh添加量

①取样：从钙离子浓度为1000～2000mg/l的高钙废水中取10ml厌氧颗粒污泥于离心管中；

②预处理：将厌氧颗粒污泥在3000～4000r/min条件下离心5～10min，去除上清液，再用蒸馏水离心洗涤1～2次，使颗粒污泥表面杂质和可溶性胞外聚合物完全去除，以免影响测定结果；然后用蒸馏水将厌氧颗粒污泥的体积补充至10ml；

③甲醛-naoh法提取：向预处理后的厌氧颗粒污泥中加入70μl的甲醛溶液(质量分数为36.5％)，在150～200r/min条件下振荡0.5～1h，然后加入180μl、230μl、240μl和300μl的naoh溶液(浓度为1mol/l)，在150～200r/min条件下振荡1.5～2h，将厌氧颗粒污泥混合液在4200～5000r/mim条件下离心10min，取上清液过0.2μm滤膜，滤液在4℃条件下保存待测，滤渣于103～105℃条件下烘干至恒重并测其质量；

④胞外聚合物各组分含量测定：取步骤s3所得的滤液分别进行多糖、dna和蛋白质含量测定，多糖含量的测定方法为蒽酮-硫酸法，dna含量的测定方法为紫外吸收法，蛋白质含量的测定方法为修正的folin-lowry法，多糖、dna和蛋白质三者含量的总和为厌氧颗粒污泥胞中外聚合物的含量；测定厌氧颗粒污泥中胞外聚合物的含量用时仅为3h左右；

加入naoh溶液是为了剥离颗粒污泥表面紧束型胞外聚合物，但naoh溶液极易造成细胞的破碎，污染胞外聚合物，因此必须严格控制naoh添加量。从实施例可以看出不同naoh溶液添加量会导致dna含量以及胞外聚合物含量产生较大的差别。当分别加入180μl、230μl、240μl和300μl的naoh溶液时，测得的胞外聚合物浓度分别为32.31mg/gmlss、41.84mg/g、42.65mg/gmlss和84.23mg/gmlss，其中dna浓度为6.41mg/gmlss、4.56mg/g、4.61mg/gmlss和12.14mg/gmlss。

因此，为了更加准确的反映厌氧颗粒污泥胞外聚合物的含量，利于厌氧颗粒污泥活性和钙化程度的准确判断，必须严格控制dna的提取含量，确保dna提取浓度低于6mg/gmlss，且每次提取偏差不大于1mg/gmlss。所以naoh溶液最适添加量应控制在每1ml厌氧颗粒污泥对应加入23～24μl的naoh溶液(浓度为1mol/l)。

实施例3

高钙废水中厌氧颗粒污泥钙化和活性高低的检测判断方法，具体步骤如下：

①取样：从钙离子浓度为1000～2000mg/l的高钙废水中取10ml厌氧颗粒污泥于离心管中；

②预处理：将厌氧颗粒污泥在3000～4000r/min条件下离心5～10min，去除上清液，再用蒸馏水离心洗涤1～2次，使颗粒污泥表面杂质和可溶性胞外聚合物完全去除，以免影响测定结果；然后用蒸馏水将厌氧颗粒污泥的体积补充至10ml；

③甲醛-naoh法提取：向预处理后的厌氧颗粒污泥中加入60～80μl的甲醛溶液(质量分数为36.5％)，在150～200r/min条件下振荡0.5～1h，然后加入230～240μl的naoh溶液(浓度为1mol/l)，在150～200r/min条件下振荡1.5～2h，将厌氧颗粒污泥混合液在4200～5000r/mim条件下离心10min，取上清液过0.2μm滤膜，滤液在4℃条件下保存待测，滤渣于103～105℃条件下烘干至恒重并测其质量；

④胞外聚合物各组分含量测定：取步骤s3所得的滤液分别进行多糖、dna和蛋白质含量测定，多糖含量的测定方法为蒽酮-硫酸法，dna含量的测定方法为紫外吸收法，蛋白质含量的测定方法为修正的folin-lowry法，多糖、dna和蛋白质三者含量的总和即为厌氧颗粒污泥胞中外聚合物的含量；测定厌氧颗粒污泥中胞外聚合物的含量用时仅为3h左右。

⑤以步骤④测得的厌氧颗粒污泥中胞外聚合物的含量为指标，即可判断出高钙废水中厌氧颗粒污泥钙化和活性的高低程度。

通过上述方法定期测定厌氧颗粒污泥中胞外聚合物的含量，按照它们之间存在的对应关系，根据胞外聚合物含量实测值并借鉴图表数据，得出厌氧颗粒污泥的cod降解率、产甲烷浓度的大小以及厌氧颗粒污泥灰分含量，最终确定厌氧颗粒污泥的活性高低和钙化程度。

厌氧颗粒污泥的cod降解率的高低可以一定程度反映厌氧颗粒污泥活性的高低，即cod降解率越高，厌氧颗粒污泥活性也就越高，反之亦然。本发明得出胞外聚合物含量与cod降解率之间的变化关系，可以作为判断厌氧颗粒污泥活性高低的依据之一。在高浓度钙离子作用下，胞外聚合物含量与厌氧颗粒污泥的cod降解率成正相关性是本发明得出的关系特点，其关系变化趋势图如图1～3所示，进一步证明了这一关系。本发明得出了钙离子浓度为1000～2000mg/l下胞外聚合物含量与cod降解率的关系图，如图4所示，根据胞外聚合物含量实测值并借鉴图表数据，得出厌氧颗粒污泥的cod降解率，进而确定厌氧颗粒污泥的活性高低。

胞外聚合物作为氧化还原介质，可以促进厌氧颗粒污泥产甲烷菌间的种间电子转移，即可以促进颗粒污泥的产甲烷能力，也就是说胞外聚合物越多，菌种的种间电子转移能力会加强，厌氧颗粒污泥产甲烷能力越强，其产甲烷能力可以很好地反映厌氧颗粒污泥的活性程度，其具体表现在废水处理效果好，cod降解率高，反之也是亦然。本发明得出胞外聚合物含量与厌氧颗粒污泥的产甲烷浓度之间的变化关系，可以作为判断厌氧颗粒污泥活性高低的依据之一。在高浓度钙离子作用下，胞外聚合物含量与厌氧颗粒污泥的产甲烷能力呈正相关性也是本发明得出的关系特点，本发明得出了钙离子浓度为1000～2000mg/l下胞外聚合物含量与产甲烷浓度关系图，如图5所示，根据胞外聚合物含量实测值并借鉴图表数据，得出厌氧颗粒污泥的产甲烷浓度，进而确定厌氧颗粒污泥的活性高低。

胞外聚合物是颗粒污泥的重要组成部分，它是厌氧颗粒污泥的有机成分，其含量的变化可以清晰的反映颗粒污泥钙化的程度(也就是无机组分的含量)，即颗粒污泥胞外聚合物含量越高，说明颗粒污泥有机质含量越高，胞外聚合物含量越少，说明颗粒污泥无机灰分增加，在高钙废水中也就是钙的沉积程度，所以其含量可以作为反映钙化程度的指标。如图6所示，根据胞外聚合物含量实测值并借鉴图表数据，得出厌氧颗粒污泥灰分含量，进而确定厌氧颗粒污泥的钙化程度。

本发明通过测定厌氧颗粒污泥中胞外聚合物的含量即可快速判断高钙废水中厌氧颗粒污泥钙化和活性的高低程度，操作简单，准确性高，测定成本低，用时短，仅需3h即可完成胞外聚合物含量的测定，可实现厌氧颗粒污泥钙化和活性的实时监测。