阅读说明：本技术 一种采用数学模型测定环境pH值对异养菌活力影响的方法 (Method for determining influence of environmental pH value on heterotrophic bacteria activity by adopting mathematical model ) 是由 张瑞娜 罗文涛 付乾 王声东 刘兵 陈飞勇 邵媛媛 王静 宋扬 于 2021-06-25 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种采用数学模型测定环境pH值对异养菌活力影响的方法,属于环境工程领域。本发明测定pH对异养菌影响的模型参数,完善异养菌数学模型,进一步可以提高异养菌的活力和污水处理效果。本发明能够使用数学模型的方法对pH对异养菌的影响进行定量化的研究,通过确定pH对异养菌影响的模型参数,即可知pH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。(The invention relates to a method for determining the influence of environmental pH value on heterotrophic bacteria activity by adopting a mathematical model, belonging to the field of environmental engineering. The method provided by the invention can be used for measuring the model parameters of the influence of pH on the heterotrophic bacteria, perfecting the heterotrophic bacteria mathematical model and further improving the activity of the heterotrophic bacteria and the sewage treatment effect. According to the invention, the influence of pH on heterotrophic bacteria can be quantitatively researched by using a mathematical model, and the degree of the influence of pH on heterotrophic bacteria can be known by determining the model parameters of the influence of pH on heterotrophic bacteria, so that the growth environment of heterotrophic bacteria is better optimized, and the activity of heterotrophic bacteria and the sewage treatment effect are improved. The invention not only improves the heterotrophic bacteria mathematical model, but also provides basic data for realizing intelligent water affairs.)

一种采用数学模型测定环境pH值对异养菌活力影响的方法

技术领域

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环境pH值对异养菌活力影响的方法。

背景技术

近年来，随着经济社会的发展和工业化程度的提高，污水的大量排放严重影响着生态环境。氮和磷含量超标是造成水体富营养化的主要原因，水体富营养化严重影响水域环境和水体功能，藻类和浮游生物迅速生长繁殖，使水体中的溶解氧降低，造成水中生物大量死亡后，进行厌氧分解，产生COD、H₂S、NH₃等，使水体发黑变臭。氮元素作为主要的污染因素之一，如何去除污染水体中的氮元素在污水处理领域是重要课题。

生物法污水处理是当今污水处理的主要方式，对生物法污水处理控制的核心技术是微生物的生长动力学。从上个世纪开始，在国外就出现了许多有关污水处理微生物动力学的研究，后来建立起了微生物数学模型并逐渐发展起来，到目前为止形成了以ASM系列模型为代表的污水处理活性污泥数学模型。

异养菌的活力会受到污泥停留时间(SRT)、温度、pH及游离氨(FA)浓度等条件的影响。利用数学模型可以综合各环境限制因素的影响，确定一个最优化的生长条件，从而可以提高活性污泥处理效率和污水处理效果。

异养菌的最适pH为6.5-8.5左右，pH的变化对异养菌的生长增殖影响很大，系统内pH过高或过低，均会抑制异养菌的活性。并且pH也会对系统中的游离氨(FA)浓度有影响，从而对异养菌的活力产生影响。探究pH变化对异养菌的影响至关重要。

虽然目前环境pH值对异养菌的影响是污水处理领域的研究热点，但鲜有对其使用数学模型的方法来进行研究。

发明内容

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环境pH值对异养菌活力影响的方法，测定pH对异养菌影响的模型参数，完善异养菌数学模型，进一步可以提高异养菌的活力和污水处理效果。

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环境pH值对异养菌活力影响的方法，首先，建立模型方程：设定pH梯度进行批量实验；测定不同pH条件下异养菌的耗氧速率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pH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。

本发明采用数学模型测定环境pH值对异养菌的影响的方法，具体步骤如下：

(1)测定所取用的活性污泥的挥发性悬浮固体浓度VSS₀；

(2)设定pH梯度进行批量实验，控制实验温度为25±1℃；

(3)测定不同pH条件下异养菌的耗氧速率OUR；

(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；

(5)建立pH对异养菌影响的模型方程；

(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。

所述步骤(3)中，所述的好氧速率OUR测定方法为：测定BOD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pH条件下异养菌的好氧速率OUR。

所述在步骤(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。

所述在步骤(5)中，所述的模型方程，在忽略碱度限制的条件下pH对异养菌生长速率的影响可以用下式表示：式中：I：pH抑制作用程度；pH：系统pH值；pH_UL：pH抑制开关值；pH_LL：5％最大生长速率对应的pH值，n：比率参数。所述的模型方程中SOUR与I存在正比关系，使用K_K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_P：异养菌的比耗氧速率参数；n₁：比率参数1；n₂：比率参数2

所述步骤(6)中，使用模型方程对实验数据进行模拟，确定出pH对异养菌影响动力学方程及参数值pH_UL、pH_LL、n₁、n₂。

本发明的有益效果：本发明能够使用数学模型的方法对环境pH值对异养菌的影响进行定量化的研究，通过确定pH对异养菌影响的模型参数，即可知pH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。本发明方法还可以用于智能污水处理等方面。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)本发明使用数学模型的方法测定环境pH值对异养菌的影响，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pH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。

(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，可以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

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。

图2为实施例1pH值与异养菌比耗氧速率(SOUR)的模拟曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。下述实施例采用图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。

实施例1、一种采用数学模型测定环境pH值对异养菌活力影响的方法，具体方法步骤如下：

(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200ml后，测得挥发性悬浮固体浓度(VSS₀)为9.187g/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。

设定批量实验中pH分别为3、4、5.5、6.5、7、7.5、8.5、9、9.5、10、10.5、11，将15ml的活性污泥置于100ml的BOD瓶中，使用磷酸缓冲溶液调节pH梯度，使用水浴加热的方法控制温度为25±1℃，加入3ml丙酸溶液(10000mg-COD/L)，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)按照一定比例进行混合后，再适当调整比例，从而配制成不同pH的缓冲溶液。

(2)测定BOD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pH条件下异养菌的好氧速率(OUR)(表1)。

表1

(5)根据步骤(1)中浓缩之后的挥发性悬浮固体浓度(VSS₀)9.187g/L，取15ml置于100ml BOD瓶中，计算得出批量实验BOD瓶中挥发性悬浮固体(VSS)浓度为1.378g/L。根据计算每个pH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。

(6)做出pH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，在忽略碱度限制的条件下pH对异养菌生长速率的影响可以用下式表示：式中：I：pH抑制作用程度；pH：系统pH值；pH_UL：pH抑制开关值；pH_LL：5％最大生长速率对应的pH值，n：比率参数。所述的模型方程中SOUR与I存在正比关系，使用K_K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_P：异养菌的比耗氧速率参数；pH_UL、pH_LL、n₁、n₂。

(7)步骤(6)的模型方程的条件下，求得pH对异养菌影响的动力学参数值：pH_UL＝8.0、pH_LL＝3.0，n₁＝-1，n₂＝3。

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。