基于改进偏最小二乘法的近红外快速分析强化生物除磷污泥胞内PHA

聚β羟基烷酸酯(PHA)是强化生物除磷系统中颗粒污泥胞内重要碳源和能源,其快速测定对强化生物除磷机理研究有重要意义. 采用Savitzky-Golay平滑法(SG)-多元散射校正法(MSC)对污泥的近红外光谱进行预处理,通过改进的偏最小二乘法(iPLS、siPLS、biPLS)建立污泥样品近红外光谱与PHA含量的定量分析模型.结果表明,SG-MSC预处理减弱噪声和背景等表面因素对光谱的影响,采用联合区间偏最小二乘法(siPLS)将全光谱等分为30个子区间, 联合子区间[13 21 24 29]建立的模型预测效果最优,其交互验证均方根误差(RMSECV)和预测均方根误差(RMSEP)分别为0.2018和0.3120,校正集和预测集相关系数分别达到0.9925和0.9391,该光谱区段与PHA分子结构中C-H的伸缩变形、弯曲振动和C=O的伸缩振动密切相关. 改进偏最小二乘有效地优化光谱建模区域,提高模型预测能力,实现污泥胞内PHA含量的快速定量分析.     

聚糖菌颗粒污泥的有机物吸收及胞内储存特性

采用特殊运行方式的厌氧-好氧SBR系统(厌氧后排水),在乙酸钠、葡萄糖及葡萄糖-乙酸钠混合基质条件下均培养出了稳定的聚糖菌颗粒污泥.通过对典型周期有机物、磷酸盐、胞内糖原及聚β-羟基丁酸(PHB)变化的测定分析,证明有机基质的种类对于聚糖菌能量利用模式、有机物吸收速率及胞内储存物质种类具有显著的影响.污泥初始胞内糖原水平是有机物吸收数量及吸收速率的关键影响因素,当糖原水平低于0.05g/gSS时,厌氧有机物去除率与糖原水平直接相关:而糖原水平高于0.05g/gSS时,厌氧有机物去除率趋于稳定.不同糖原水平污泥厌氧吸收有机物的速率具有明显差异,在厌氧初期有机物快速吸收阶段,有机物厌氧吸收速率随胞内糖原水平升高而增加.     

基于近红外光谱法污泥中糖原含量的快速分析

采用蒽酮比色法测定厌氧发酵污泥中糖原的含量,运用不同的偏最小二乘法(PLS)算法建立近红外光谱与糖原含量的定量分析模型。根据校正集的相关系数(Rc)、校正均方根误差(RMSECV)以及预测集的相关系数(Rp)和预测均方根误差(RMSEP)评价各个模型。在建立的所有模型中,联合区间偏最小二乘(Si PLS)将全光谱等分为24个区间,联合子区间[17 19 20]建立的模型是最优的,其校正时的Rc=0.993 7,RMSECV=0.066 2;预测时的Rp=0.993 3,RMSEP=0.048 3。运用变异系数(CV)验证所建最佳模型的稳定性和可靠性,发现预测集样品中的CV值均≤2%。结果表明Si PLS可以优化模型,提高模型预测能力,从而可以实现污泥中糖原含量的快速测定。     

天山北麓土壤有机质高光谱特征分析

随着土壤遥感科学的快速发展,光谱技术及其相关理论分析在农业生产与生态规划领域得到了广泛的应用。通过对光谱反射率进行一阶微分与倒数对数形式的变换,选取相关系数较大的波段构建基于多元逐步回归与偏最小二乘法的反演模型,得到如下基本结论:土壤光谱的一阶微分的变化,显著提高了土壤有机质含量与光谱间的敏感性;在多元逐步回归分析中,反射率一阶微分的多元回归模型的稳定性及预测精度最好;在偏最小二乘法回归分析中,反射率倒数对数模型的决定系数达到了最高的0.962,而总均方根误差为最低的1.082,其模型的稳定性及预算精度优于其他模型;总体上,偏最小二乘法回归模型的稳定性及预测精度优于多元回归模型,能够进一步满足研究区土壤有机质含量估算的实际需求。     

基于间隔偏最小二乘法短程硝化反硝化中无机盐氮的近红外光谱

采用序批式活性污泥反应器(SBR)研究短程硝化反硝化系统中稳定条件下无机盐氮的变化规律,利用小波去噪法对无机盐氮的近红外光谱进行预处理,并用间隔偏最小二乘法(iPLS)建立无机盐氮含量的校正模型(iPLS模型).结果表明:小波去噪法对原始光谱中的部分噪声进行滤除,从而提高了模型的精度.采用最小二乘法对预处理后的光谱进行建模,优选出最佳波长区间并将光谱划分为20个子区间,优选出的氨氮特征波数为8243~8663cm-1,亚硝酸盐氮特征波数为4000~4420cm-1.所建模型对氨氮、亚硝酸盐氮校正时的相关系数(rc)分别达到0.9582、0.9544,校正均方根误差(RMSECV)分别为0.0321、0.0406;预测时的相关系数(rp)分别为0.9184、0.8816,预测均方根误差(RMSEP)分别为0.0790、0.0451.采用实际污水为原水时校正模型对氨氮、亚硝酸盐氮预测的相关系数(rp￠)分别为0.9190、0.8739,预测均方根误差(RMSEP′)分别为0.0578、0.0229.模型对氨氮和亚硝酸盐氮的预测总体效果较好.用小波去噪和最小二乘法建立模型不仅能有效减少建模所需变量数、缩短运算时间,而且模型预测精度较高,为无机盐氮的快速测定提供了一种可行的分析技术.     

基于微分变换的湿地植物高光谱全氮反演

叶片全氮含量是监测和诊断湿地植物生理状况及生长趋势的重要指标,利用高光谱技术监测湿地植物氮含量,对于理解湿地生态系统氮循环具有重要意义.为探究湿地植物叶片全氮含量遥感光谱的估算方法,以云南省大理西湖湿地公园优势植物芦苇（Phragmites australis）和茭草（Zizania caduciflora）全氮含量为研究对象,对叶片光谱数据进行预处理并建立二者的关系模型,包括单变量模型、多变量模型（偏最小二乘回归模型和BP神经网络模型）,并利用决定系数（r²）和均方根误差（RMSE）对模型精度进行检验.结果表明:（1）不同形式的光谱变换增强了植物全氮含量与光谱变量的细节特征,二者的短波红外波段相关性强于可见光近红外波段.芦苇二阶微分（R"）反射率与全氮含量在1682 nm处相关性最强,相关系数为0.70;茭草平方根二阶微分[(R^1/2)"]反射率与全氮含量在1 190 nm处相关性最强,相关系数高达-0.80.（2）不同植物类型相比,利用茭草的变换光谱反射率建立的单变量和偏最小二乘回归模型建模精度都高于芦苇.（3）不同回归模型相比,BP神经...     

基于OHS-D的四龙镇土壤重金属污染反演研究

文章以珠海一号(OHS-D)高光谱遥感卫星影像为主要数据源,利用偏最小二乘回归(PLSR)建模分析方法和地理信息系统的强大空间分析能力,结合实地采样送检化验的土壤重金属含量数据,分析了Pb、As和Cd等重金属离子在OHS-D数据中的光谱特征,建立了土壤重金属含量与OHS-D高光谱数据的偏最小二乘回归模型,对白银四龙镇农田土壤重金属含量反演并进行专题制图。结果表明,Pb和Cd的模型反演能力相当,判定系数R2分别为0.69和0.65,As的反演模型精度最高,R2为0.78。基于OHS-D数据并结合PLSR方法反演白银四龙镇土壤重金属含量,具有方法可行性与结果可靠性,可为珠海一号高光谱数据在土壤重金属反演方面的推广应用提供有益探索。     

海泡石与生物质炭强化厌氧处理养猪废水

探讨了海泡石与生物质炭投加对于厌氧技术处理养猪废水效能的影响,并通过三维荧光光谱(EEM)与傅里叶红外光谱(FTIR)分析了海泡石与生物质炭对于厌氧污泥溶解性微生物产物(SMP)及胞外聚合物(EPS)组分的影响.结果表明,投加海泡石与生物质炭后,提高了厌氧反应器对COD与氨氮的去除效果,对COD的平均去除率分别提高了10.1%与15.4%,对氨氮的去除率最高分别达到了50.9%和71.5%.对于厌氧污泥SMP而言,投加海泡石后,其FTIR光谱中2930cm~(-1)、1460cm~(-1)处的吸收峰减弱,表明其对养猪废水中大分子有机物的去除效果有一定程度增强;而投加生物质炭后,其EEM光谱中类富里酸(Ex/Em=340nm/420nm)的吸收峰强度降低,从而提高了厌氧反应器出水水质.对于厌氧污泥EPS而言,通过EEM分析可知,投加生物质炭后厌氧污泥中简单类蛋白(Ex/Em=225nm/340nm)吸收峰、色氨酸类蛋白(Ex/Em=280/340nm)吸收峰强度增大,蛋白含量的提高有利于厌氧污泥的絮凝;同时出现了辅酶F420(Ex/Em=420nm/470nm)的吸收峰,这表明加入生物质炭后,厌氧反应器内产甲烷菌活性更佳,为厌氧反应器对养猪废水的高效处理提供了保障.     

单一好氧环境下的强化生物除磷研究

将乙酸钠为单一碳源、厌氧/好氧交替、具有较好除磷效果的传统生物除磷SBR系统,改为单一的好氧SBR运行方式,发现改变后的SBR系统仍可取得较好的除磷效果,除磷率最高达73.9%,最低约40%,平均维持在50%左右.这种现象可以维持长达80个周期.污泥含磷率由最初的1.43%增加到6.56%.对污泥微生物胞内PHB和糖原进行测定,结果表明此系统中微生物PHB和糖原在VSS中含量分别约为27 mg/g和26 mg/g,二者含量在好氧过程中都基本保持不变.通过对反应过程中碳源消耗与磷吸收关系的分析,认为该单一好氧条件下的生物除磷机制是由于长期以乙酸钠为唯一碳源下,试验系统中活性污泥被驯化,在胞内聚磷颗粒含量容纳能力范围内还可以在好氧环境下以乙酸钠氧化产生的ATP为能量进行磷吸收所致.     

除磷颗粒污泥中磷的形态及其含量分析

以实验室培养的4种除磷颗粒污泥为研究对象,利用X衍射法和SMT法对除磷颗粒污泥中磷（P）的形态和含量进行了分析测定,同时利用加热法和超声法将除磷颗粒污泥中胞内物质和胞外物质分离,提取胞外聚合物（EPS）,分析其中总磷（TP）的含量,并进一步研究除磷颗粒污泥的除磷机理。结果表明：除磷颗粒污泥中的磷与Ca、Fe、Al、Na、K、Mg等结合形成磷酸盐化合物,其中无机磷（IP）含量达97%以上,且IP中钙结合磷（Ca-P）含量在53.50%-82.73%之间;EPS的TP含量在34.87%-56.91%之间,说明除磷颗粒污泥中EPS对磷的去除具有积极作用。     

硫酸盐还原菌活性污泥胞外聚合物对环丙沙星的吸附机制

胞外聚合物(extracellular polymeric substances,EPS)是微生物污泥的重要组成部分,在废水生物处理过程中起着至关重要的作用.通过上流式硫酸盐还原反应器(sulfate-reducing up-flow sludge bed,SRUSB)的连续运行和批次实验评价了硫酸盐还原菌(sulfate-reducing bacteria,SRB)活性污泥对环丙沙星(ciprofloxacin,CIP)的去除以及EPS在CIP去除过程中所起的重要作用.结果表明,SRB污泥可通过吸附和生物降解有效去除CIP,其中吸附是主要去除途径,EPS在吸附过程中起到重要作用.采用三维荧光光谱结合平行因子分析探究了SRB活性污泥的EPS与CIP结合的机制;采用傅里叶红外光谱分析鉴定了EPS中参与CIP结合的主要官能团.EPS主要通过静态猝灭与CIP结合形成EPS-CIP复合物,其中色氨酸和酪氨酸类蛋白质是EPS中主要参与CIP结合的物质,结合常数分别为1.43×104L·mol~(-1)和1.02×104L·mol~(-1);红外分析表明,羟基、氨基和羧基是EPS中主要参与CIP结合的基团.实验结果揭示了SRB污泥的EPS与CIP结合的机制,有助于更好地理解EPS在SRB污泥系统去除CIP,以及其他有机微污染物的过程中所起的重要作用.     

活化过硫酸盐对市政污泥调理效果的影响

常规污泥脱水技术只能将市政污泥含水率降到80%左右,难以满足日益严格的污泥处理处置要求.活化过硫酸盐产生硫酸根自由基SO4·-具有强氧化性,可用于破坏污泥的絮体结构.本研究利用Fe2+活化过硫酸钠(SPS)的方法进行污泥调理,以到达改善污泥的脱水性能的目的.结果表明,当Fe2+与S2O2-8投加量(以绝干污泥计)分别为25.88 mg·g-1、80 mg·g-1(Fe2+与S2O2-8摩尔比为1.1∶1)时,污泥毛细吸水时间CST和污泥比阻SRF降低率最大,滤液中蛋白质和多糖浓度达到最大.进一步的研究表明,污泥Zeta电位值由负向正变化,颗粒比表面积增大,絮体由密集的团状变成结构松散的层状结构,污泥脱水性能提高.     

处理BPA模拟废水的SBR工况参数对污泥有机毒性的影响研究

在处理双酚A(BPA)模拟废水的序批式活性污泥系统(SBR)反应器中,保持进水COD含量均为300 mg·L-1左右,通过改变水力停留时间HRT从12~8 h,污泥龄SRT从20~10 d,考察污泥有机毒性和其他水质指标的变化.试验分析了空白组和40 mg·L-1初始浓度BPA对照组在不同工况条件下周期末出水COD值、污泥有机毒性分布规律以及稳定期单周期内COD值和污泥有机毒性的变化趋势.结果表明,缩短水力停留时间和污泥龄有利于活性污泥降解BPA,并消减稳定期污泥的有机毒性;出水COD稳定在50 mg·L-1左右,且水相和泥相均无BPA残留.在应用PCR-DGGE技术分析SBR系统内微生物菌群多样性和不同样品间的相似性过程中,得出污泥总毒性抑制率与微生物多样性呈负相关性关系,进水成分的不同和运行参数改变是导致污泥总毒性差异的主要原因.     

间歇梯度曝气下缩短SRT强化短程SNEDPR系统脱氮除磷

为了探究间歇梯度曝气下污泥龄对氨氧化菌（AOB）和亚硝酸盐氧化菌（NOB）的影响,研究短程硝化内源反硝化除磷系统对于处理低C/N比生活污水的优势作用,本文采用SBR反应器培养好氧颗粒污泥,实验进水采用实际生活污水.结果表明,在SRT由50 d逐渐降低至30 d过程中,比氨氧化速率由3.16 mg·（g·h）^-1增加至4.38 mg·（g·h）^-1,比亚硝酸盐氧化速率由3.4 mg·（g·h）^-1降为1.8 mg·（g·h）^-1左右,可知NOB活性降低约44%,从而使系统实现了短程硝化.当SRT为30 d时,由典型周期实验可知亚硝酸盐最大积累量可达6.93mg·L^-1.由于系统中污泥浓度随SRT的减少而略有降低,因此在反应进行至40 d左右时根据DO曲线采取降低曝气量的策略,最终SRT为30 d时系统出水COD浓度为40.76 mg·L^-1,TN浓度为12.4 mg·L^-1,TP浓度为0.31 mg·L^-1,强化了系统中C、N和P的同步去除,最终得到了稳定运行的短程硝化内源反硝化除磷系统.同时好氧颗粒污泥EPS含量与SRT呈现负相关性,蛋白质含量由污泥龄为50 d的66.7 mg·g^-1升为30 d的95.1mg·g^-1,多糖保持在12.1~17.2 mg·g^-1的范围内,说明SRT的降低对蛋白质含量的影响较多糖大,当SRT为30 d时,PN/PS值保持在6.2左右,好氧颗粒污泥在该条件下仍能保持较好的结构稳定性.     

污泥预处理对微生物絮凝剂制备及性能的影响

试验研究了不同污泥预处理方法对微生物絮凝剂的制备及其絮凝性能的影响.结果表明,污泥经碱热预处理后释放的有机物质量最大,SCOD/TCOD可达到0.56.以碱热预处理污泥作为基质制备的微生物絮凝剂,其产量为2.3 g·L-1,高于热预处理的1.6 g·L-1,酸热预处理的0.6 g·L-1,以及未接种污泥絮凝剂的18 mg·L-1.采用响应面分析法对碱热预处理污泥制备的微生物絮凝剂与PAM复配改善污泥脱水的过程进行了优化,实验分别拟合了关于污泥比阻(SRF)和干污泥量(DS)的二次模型,决定系数(R2)分别为0.9057和0.9171,表明拟合情况良好.实验中最佳的污泥脱水条件为微生物絮凝剂投加量12.6 g·kg-1,PAM投加量1.0 g·kg-1,Ca Cl2投加量59.7 mg·L-1,p H值6.7,搅拌速度185r·min-1.在此条件下,DS和SRF分别为29.1%和2.2×1012m·kg-1,表明碱热预处理污泥制备的微生物絮凝剂与PAM的联合使用有助于改善污泥脱水性能.     

降解DMF引起污泥毒性及其毒性空间分布特性研究

以处理有毒难降解有机污染物N,N-二甲基甲酰胺(DMF)的序批式好氧活性污泥系统(SBR)为对象,在进水化学需氧量(COD)为300 mg.L-1左右,各初始DMF浓度(40、80、120 mg.L-1)驯化阶段皆为30 d,运行周期为12 h,溶解氧(DO)为2.0～3.0 mg.L-1的条件下,研究了DMF在水、泥相的分布及污泥有机毒性变化趋势;探讨了单个运行周期内,出水COD、水相和泥相DMF浓度及毒性随时间的变化趋势.研究表明,各DMF浓度运行阶段的污泥毒性都体现为先升高后降低的趋势,污泥毒性随初始DMF浓度的升高而升高,污泥有机毒性主要由DMF降解过程引起,且主要集中在内层胞外聚合物(EPS)以及胞内区域.     

厌氧氨氧化污泥恢复过程中的颗粒特性

目前运行容易失稳已成为制约厌氧氨氧化(ANAMMOX)工艺应用的因素之一.在保证底物不抑制的条件下,通过对实验室前期运行失稳的连续流全混反应器(CSTR)中的厌氧氨氧化污泥进行活性恢复,研究了滞留的基质浓度对ANAMMOX污泥恢复过程中颗粒化及活性的影响.结果表明,经过126d运行,ANAMMOX污泥活性获得恢复且脱氮能力明显提升.控制高、低基质浓度水平的2个反应器均能实现污泥的颗粒化及氮素的高效去除,NRR最大分别达到16. 97 kg·(m~3·d)~(-1)和14. 43 kg·(m~3·d)~(-1).随着反应器脱氮能力的提高(污泥颗粒粒径增大),R1、R2两个反应器内污泥的胞外聚合物EPS含量(以VSS计)均增大,分别由接种时的34. 45 mg·g~(-1)增大至77. 52 mg·g~(-1)和94. 18 mg·g~(-1),PN/PS由1. 89分别增大到6. 25和6. 84.在一定范围内,PN/PS比值增大有利于ANAMMOX污泥颗粒化,但PN/PS过大会导致颗粒污泥结构失稳上浮,加剧污泥流失现象.     

亚硝酸盐对乳酸发酵缺氧-好氧SBR脱氮系统除磷的影响

在以可溶性淀粉为唯一碳源、进水含有硝态氮的缺氧-好氧SBR脱氮除磷系统中,研究了投配亚硝态氮对该乳酸发酵系统除磷的影响.试验结果显示,初始投加亚硝酸盐的浓度分别为2、5、10 mg·L~(-1)时对系统的缺氧吸磷及好氧吸磷都产生了抑制作用,缺氧阶段的释磷量和释磷速率随进水亚硝酸盐浓度的增大而升高.亚硝酸盐对缺氧期液相中乳酸和污泥中糖原的积累都有明显的影响,当亚硝酸盐浓度由0 mg·L~(-1)升至10 mg·L~(-1)时,乳酸浓度由14.06 mg·L~(-1)下降至1.56 mg·L~(-1),相反污泥中糖原的含量从235.69 mg·g~(-1)上升至272.97 mg·g~(-1)(以VSS计,下同),并且在好氧阶段糖原的消耗量增加,污泥的吸磷量也随之增加.研究表明,亚硝酸盐对淀粉直接发酵成乳酸的过程及糖原转化为乳酸的过程均有抑制作用.     

厌氧条件下序批式间歇反应系统与完全混合反应系统对氢分压的影响

研究了在厌氧条件下以葡萄糖为基质的序批式间歇反应系统(ASBR)与完全混合反应系统(CSTR)中氢分压的变化.结果表明,在完全混合反应系统中,微生物中糖原含量保持在142.52mg.g-1(以VSS计),氢分压稳定在291.3Pa,最大氢利用速率为0.703g.g-.1d-1.在序批间歇反应系统中,当进水结束时,50.17%的葡萄糖转化为糖原储存在细胞体内,氢分压达到最大为14.3Pa;当反应结束时,微生物细胞中储存的糖原被完全代谢,氢分压降至最低,为3.5Pa,反应器中污泥最大氢利用速率为1.719g.g-.1d-1.序批式反应器氢利用速率较大及糖原储存的存在,降低了系统的氢分压,保证了厌氧系统的高效、稳定的运行.     

盐度变化对厌氧污泥胞外聚合物的影响

为探讨盐度变化对厌氧污泥胞外聚合物的影响,采用三维荧光(3D-EEM)和傅里叶变换红外(FTIR)技术,研究了不同盐度下升流式厌氧污泥流化床(UASB)中污泥的松散结合型胞外聚合物(LB-EPS)与紧密结合型胞外聚合物(TB-EPS)的变化规律,并分析了LB-EPS和TB-EPS与污泥沉降性间的关系.结果表明,进水盐度由0逐渐增加至8%,厌氧污泥LB-EPS和TB-EPS含量分别由4.94和12.25 mg·g~(-1)(以VSS计)增加至41.47和43.04 mg·g~(-1)(以VSS计);LB-EPS和TB-EPS中蛋白(PN)和多糖(PS)含量的比值分别由3.2和3.8降低至1.8和2.3;污泥容积指数(SVI)与LB-EPS、TB-EPS均正相关;3D-EEM光谱显示,色氨酸蛋白和芳环蛋白荧光峰存在于不同盐度下LB-EPS和TB-EPS中,类胡敏酸荧光峰仅存在于盐度高于4%的TB-EPS中;FTIR分析表明,进水盐度的增加导致LB-EPS和TB-EPS中PS的C—O组分相对含量增加.