一种基于ICP-MS快速测定厌氧氨氧化污泥活性的方法技术

本发明专利技术涉及一种基于ICP‑MS快速测定厌氧氨氧化污泥活性的方法，即提供了一种通过电感耦合等离子体质谱测定污泥血红素提取液中铁元素浓度来快速精确表征厌氧氨氧化污泥活性的手段。具体步骤包括污水处理厂厌氧氨氧化污泥样品采集和保藏、污泥样品泥水分离、污泥样品血红素提取、血红素提取液中铁浓度测定等步骤。通过醋酸盐缓冲液提取超声波破碎的细胞，高速离心后可获得血红素溶液，提取简单快捷，效果稳定，解决了目前微生物体内血红素含量低、提取困难等诸多问题。电感耦合等离子体质谱法具有极低的检出限和宽达七个数量级的线性动态范围，能够准确测定血红素提取液中痕量铁元素含量，自动化程度高，分析快速(2～3分钟/样品)，抗干扰能力强。

A method for rapid determination of anaerobic ammonia oxidation sludge activity based on ICP-MS

【技术实现步骤摘要】
一种基于ICP-MS快速测定厌氧氨氧化污泥活性的方法
本专利技术涉及一种基于电感耦合等离子体质谱法快速测定厌氧氨氧化污泥活性的方法，适用于市政污水、工业废水等厌氧氨氧化生物脱氮工程。
技术介绍
随着我国经济的快速发展，由氮磷引起的水体富营养化问题日益严重，导致城市河湖及水库水体环境质量日益恶化。污水处理厂作为氮磷削减的重要组成单元，是实现水体环境不被进一步破坏的重要保证。据统计，2010年我国各城市共有污水处理厂2630座，污水的日处理量可达到1.22亿m3，城市污水处理率已达到73％。但是城市污水处理是一种高能耗的产业之一，处理每吨污水电耗约为0.2～0.3kWh/m3，总能耗约占全社会用电量的0.3％。另外，当前我国城市污水处理厂普遍面临进水碳源不足的问题，常常需要投加大量的化学药剂(如甲醇、乙酸钠等碳源)强化反硝化脱氮。随着国家对排放标准的进一步提高，污水处理厂的能耗占比和化学药剂的投加也会不断提高。高能耗造成污水处理运营成本高，同时也加剧了我国现阶段的能源危机。因此，节能降耗是污水处理行业迫切需要解决的问题。近年来，新型生物脱氮工艺厌氧氨氧化法的出现，弥补了传统硝化-反硝化工艺的缺陷，提高了脱氮效率和经济性。厌氧氨氧化(ANAMMOX)作为一种以NH4+为电子供体，NO2-为电子受体，依靠无机碳源自养，最终产生N2的生化反应(式1)，相比传统的硝化反硝化工艺具有很大的优势，如无需碳源，节省62.5％曝气量和50％耗碱量，污泥产率低，氮素去除效率高等，是迄今为止最经济高效的污水脱氮工艺。因此厌氧氨氧化工艺是实现我国污水处理厂节能降耗的重要技术手段。NH4++1.32NO2-+0.066HCO3-+0.13H+→0.066CH2O0.5N0.15+1.02N2+0.26NO3-+2.03H2O(式1)然而，厌氧氨氧化菌属慢速生长型自养微生物，细胞产率低(0.08～0.11gVSS/gNH4+-N)，世代时间长达10～25天，对环境条件敏感，富集培养困难。由于接种物缺乏和富集培养难，导致厌氧氨氧化工艺启动十分缓慢，世界上第一个生产性装置的启动时间长达3.5年，使其工程应用面临巨大的挑战。接种厌氧产甲烷污泥后，厌氧氨氧化工艺整个启动过程一般分为菌体水解期、活性迟滞期、活性提高期和稳定运行期四个阶段。在每个阶段，工作人员都需要时刻关注反应器内厌氧氨氧化污泥的活性，以便对工艺流程进行及时调整。此外，厌氧氨氧化反应器顺利启动后，为了污水的有效处理和达标排放，污水处理厂管理和操作人员需要时刻监控和及时判断影响厌氧氨氧化过程异常的原因，以便对工厂设施进行必要的调整，保证厌氧氨氧化过程的正常运行，保证污水的达标排放。厌氧氨氧化污泥活性直接反应厌氧氨氧化反应器的运行状况，是厌氧氨氧化生物脱氮过程监控的良好指标。但是，目前用于表征厌氧氨氧化污泥活性的方法较少，主要采用基于生物指标的方法检测，如污泥脱氢酶活性DHA和比厌氧氨氧化活性(specificANAMMOXactivaty，SAA)等。但目前这两种检测方法操作复杂，操作人员需要一定的专业技能，检测时间过长，而且因不同时期所采污泥样品含水率差异导致测得的生化数据可比性较差。因此，针对厌氧氨氧化工艺脱氮效果和污水处理厂设备工作效率的常规检测，建立一种简单、快捷、高效、精确的厌氧氨氧化污泥活性检测方法显得尤为重要。在厌氧氨氧化活性污泥中，由于厌氧氨氧化菌含有丰富的血红素(Heme),当其成为优势菌群时，成熟的厌氧氨氧化污泥呈现深红色。血红素是厌氧氨氧化菌将NO2-和NH4+转化为N2的关键酶的重要辅基，其中羟胺氧化酶(HAO)含有14～26个血红素，联氨氧化酶(HZO)含有8～16个血红素，联氨水解酶(HZS)含有1个血红素的细胞色素c。目前，血红素的传统测定方法主要以吡啶血红素分光光度法为主。在碱性条件下，血色素结合的蛋白质的氮配位体被吡啶代替，由于吡啶血红素具有特征光谱，通过分光光度计扫描分别获取550nm(波峰)和535nm(波谷)处的吸光值，通过式2计算血红素浓度。然而吡啶血红素分光光度法在测定过程中容易受其它成分干扰，主要干扰因素是血红素颜色不稳定，容易被氧化发生褐变，导致测定值一般有偏离。此外，吡啶血红素分光光度法所用试剂具有很强的生物毒性，对实验原料的收集、保存条件具有明显的限制，不适用于常规生产测定。专利CN107356567A公开了一种从厌氧氨氧化污泥中提取和测定亚铁血红素的方法，采用荧光光度计测定提取液中亚铁血红素的荧光强度，并根据标准曲线计算得出样品溶液的血红素浓度。该方法的灵敏度比吡啶血红素分光光度法高，可用于微量甚至痕量血红素的定量分析，但由于荧光的光强不高导致呈线性情况不理想，并且荧光持续的时间较短，容易受干扰离子的影响。HemeC(mmol/L)＝(ABS550-ABS535)/23.97(式2)血红素由卟啉和一分子铁构成铁卟啉化合物，分子式C34H30FeN4O4，相对分子质量为614.48(图1)。铁原子位于卟啉环的中央，具有共轭结构，性质稳定。因此，本专利技术为了解决现有技术中的问题，通过电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)测出厌氧氨氧化污泥血红素提取液中铁的浓度，从而推算出相当的血红素量。普遍认为，血红素浓度与厌氧氨氧化污泥的脱氮性能呈正相关关系，能直接反应厌氧氨氧化污泥的活性，故可通过测得厌氧氨氧化污泥血红素的浓度来表征厌氧氨氧化污泥的活性。本方法建立了一种简单、高效、安全无污染的厌氧氨氧化污泥活性检测方法，适用于厌氧氨氧化工艺脱氮效果和污水处理厂设备工作效率的常规检测。
技术实现思路
本专利技术的目的在于解决现有技术中厌氧氨氧化污泥活性检测中存在的准确性不高、耗时过长等问题，并提供了一种厌氧氨氧化污泥活性的快速检测方法，开发了一种基于电感耦合等离子体质谱仪测定污泥血红素提取液中铁元素浓度来表征厌氧氨氧化污泥活性的手段。ICP-MS自动化程度高，样品分析速度快(2～3分钟/样品)，可快速准确定量厌氧氨氧化污泥的活性，厌氧氨氧化污泥活性可用于监控厌氧氨氧化生物脱氮工艺运行的状况、判断厌氧氨氧化反应器发生异常的原因，并能及时采取正确的工程控制措施，保证脱氮工艺的正常有效运行。为达到上述目的，本专利技术具体采用的技术方案如下：一种基于ICP-MS快速测定厌氧氨氧化污泥活性的方法，其包括以下步骤：P1.采集待测定的厌氧氨氧化污泥样品；P2.针对采集所得厌氧氨氧化污泥样品，定量取泥水混合液置于离心管中，加入EDTA溶液解析污泥外表面吸附的铁离子，离心去除上清液得到无杂质污泥；P3.定量称取所述的无杂质污泥，并加入醋酸盐缓冲液充分搅拌匀浆后，用醋酸盐缓冲液准确定容；所得悬浮溶液用超声波细胞破碎仪进行厌氧氨氧化细菌超声破碎，然后离心所得上清液即为血红素溶液；P4.采用电感耦合等离子体质谱法测定血红素提取液中元素铁的浓度，然后根据铁浓度与拟合曲线计算污泥样品中的比厌氧氨氧化活性SAA，以表征厌氧氨氧化污泥活性。作为优选，步骤P1中未及时测量的样品存放于离心管中本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于ICP-MS快速测定厌氧氨氧化污泥活性的方法，其特征在于，包括以下步骤：/nP1.采集待测定的厌氧氨氧化污泥样品；/nP2.针对采集所得厌氧氨氧化污泥样品，定量取泥水混合液置于离心管中，加入EDTA溶液解析污泥外表面吸附的铁离子，离心去除上清液得到无杂质污泥；/nP3.定量称取所述的无杂质污泥，并加入醋酸盐缓冲液充分搅拌匀浆后，用醋酸盐缓冲液准确定容；所得悬浮溶液用超声波细胞破碎仪进行厌氧氨氧化细菌超声破碎，然后离心所得上清液即为血红素溶液；/nP4.采用电感耦合等离子体质谱法测定血红素提取液中元素铁的浓度，然后根据铁浓度与拟合曲线计算污泥样品中的比厌氧氨氧化活性SAA，以表征厌氧氨氧化污泥活性。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于ICP-MS快速测定厌氧氨氧化污泥活性的方法，其特征在于，包括以下步骤：
P1.采集待测定的厌氧氨氧化污泥样品；
P2.针对采集所得厌氧氨氧化污泥样品，定量取泥水混合液置于离心管中，加入EDTA溶液解析污泥外表面吸附的铁离子，离心去除上清液得到无杂质污泥；
P3.定量称取所述的无杂质污泥，并加入醋酸盐缓冲液充分搅拌匀浆后，用醋酸盐缓冲液准确定容；所得悬浮溶液用超声波细胞破碎仪进行厌氧氨氧化细菌超声破碎，然后离心所得上清液即为血红素溶液；
P4.采用电感耦合等离子体质谱法测定血红素提取液中元素铁的浓度，然后根据铁浓度与拟合曲线计算污泥样品中的比厌氧氨氧化活性SAA，以表征厌氧氨氧化污泥活性。


2.根据权利要求1所述的一种基于ICP-MS快速测定厌氧氨氧化污泥活性的方法，其特征在于：步骤P1中未及时测量的样品存放于离心管中，置于4℃冰箱中保存。


3.根据权利要求1所述的一种基于ICP-MS快速测定厌氧氨氧化污泥活性的方法，其特征在于：步骤P2所述离心的离心力为6000～8000rpm，离心时间为10～15min。


4.根据权利要求1所述的一种基于ICP-MS快速测定厌氧氨氧化污泥活性的方法，其特征在于：步骤P2中每次取泥水混合液50mL，置于100mL离心管中，加入0.05mol/LEDTA溶液20mL解析污泥外表面吸附的铁离子。


5.根据权利要求1所述的一种基于ICP-MS快速测定厌氧氨氧化污...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴春勇，陆慧锋，
申请(专利权)人：浙江艾摩柯斯环境科技有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33