研究水体中溶解性有机氮的生物有效性的方法和装置

摘要

一种研究水体中溶解性有机氮的生物有效性的装置：过滤装置的主体为容器，容器内部装有中空纤维微滤膜组件，膜组件下方装有微孔曝气盘，反应器底部为圆锥形并设有排泥口；中空纤维微滤膜组件另一端连接第二集水池；溶解性有机氮提取装置的主体为错流过滤装置，其进水口连接第二集水池，错流过滤装置的浓缩液出口连接至第二集水池，渗透液出口连接至第三集水池；藻类生长系统主体为一反应池，该反应池的进水口与第二集水池相连接，该反应池内设温度传感器和加热棒，反应池的顶部安装有的可调节亮度的光源和光照传感器；反应池外部安装有循环泵，将反应池底部水抽至水面。本发明还公开了利用上述装置研究水体中溶解性有机氮生物有效性的方法。

说明书

技术领域

本发明属于水生态研究领域，具体地涉及一种研究水体中溶解性有机 氮的生物有效性的装置。

本发明还涉及利用上述装置研究水体中溶解性有机氮的生物有效性 的方法。

背景技术

溶解性有机氮(DON)是河流、湖泊、湿地等淡水水体中溶解性总氮 的主要组成部分，平均可达60％以上，其中有12-72％能被生物直接利用。 绝大部分DON来自陆地渗透、地表径流，尤其是人为输向河口、湖泊中 的DON是淡水水体中重要来源。为了控制湖泊富营养化进程，许多污水 处理厂增加了脱氮工艺，无机氮被成功去除，但无论如何改进工艺提高硝 化反硝化速率，最终出水DON浓度在0.5-3mg/L之间。许多研究表明： 藻类具有利用DON化合物作为氮源的能力，而某些特殊的DON组分会改 变浮游植物的群落构成，从而加剧富营养化进程并导致水体中有毒藻类的 大量增殖。因此，有必要对不同种类DON对藻类生长的影响进行定性和 定量研究。

目前，已知能被藻类利用的DON有自由氨基酸、尿素等低分子量 DON，而由于检测方法的限制，人们对结合态氨基酸、酶、腐殖质等大分 子DON的认识还很少，从而很难评估DON库中所有化合物的生物有效性。 近些年来，有学者采用相对分子质量分布来探讨藻类对DON的生物可利 用性，如：透析、树脂分离、超滤等技术。透析法一般适用于DIN/TDN＞0.6 的地表水样分析，且成本和操作时间较长；树脂分离仅限于某类物质的分 离，所产生的疏水性物质、过渡性物质和亲水性物质的分子量跨度较大， 且操作繁琐、成本较高；而超滤技术通过利用不同截留分子量超滤膜对 DON的截留和浓缩，截留率在90％以上，能更方便、快捷的分离不同分 子量的DON。

在许多情形下，关于藻类对DON生物有效性的研究大多采用间歇纯 培养的方式，即通过变化初始有机氮基质浓度的方法来实现，而关于藻类 在原位利用有机氮化合物的能力还不清楚。

因此，本发明通过将DON的提取过程、连续输入过程与不同环境条 件下藻类生长过程结合起来，用于研究藻类在原位利用DON的能力，为 探讨DON的生物有效性提供支持。

发明内容

本发明的目的在于提供一种研究水体中溶解性有机氮的生物有效性 的装置。

本发明的又一目的在于提供一种利用上述装置研究水体中溶解性有 机氮的生物有效性的方法。

为实现上述目的，本发明提供的研究水体中溶解性有机氮的生物有效 性的装置，主要包括过滤装置、溶解性有机氮提取装置和藻类生长系统； 其中：

过滤装置的主体为容器，容器内部装有中空纤维微滤膜组件，膜组件 下方装有微孔曝气盘，反应器底部为圆锥形并设有排泥口，用于反应器停 止运行时沉淀排出密度较大的颗粒物；中空纤维微滤膜组件另一端连接第 二集水池；

溶解性有机氮提取装置的主体为错流过滤装置，用于浓缩不同截留分 子量的溶解性有机氮；错流过滤装置的进水口连接第二集水池，错流过滤 装置的浓缩液出口连接至第二集水池，渗透液出口连接至第三集水池；

藻类生长系统主体为一反应池，该反应池内装有经过灭菌后加有藻类 的原水；该反应池的进水口与第二集水池相连接，该反应池内设温度传感 器和加热棒，反应池的顶部安装有的可调节亮度的光源和光照传感器；反 应池外部安装有循环泵，将反应池底部水抽至水面。

所述的装置，其中，中空纤维微滤膜组件由膜丝和圆筒构成，膜丝两 端镶嵌在圆筒内，圆筒顶的出水口与离心泵连接，由流量计控制出水流速。

所述的装置，其中，微孔曝气盘由膜片、支撑板和气道管构成，膜片 材质为三元乙丙橡胶(EPDM)，气道管的一端与空气压缩机相连，由流量 计控制曝气量，微气泡形成的剪切力能有效去除附着在膜表面的污染物， 防止膜孔堵塞。

所述的装置，其中，错流过滤装置是由平板膜置于纯钢夹具盒内部， 四角用螺丝固定而构成，膜片和夹具盒的形状为圆形，减少水流在夹具内 流通路径，提高浓缩效率；夹具盒外部设有进水口、浓缩液出口和渗透液 出口，在进水口装有压力表，用于控制操作压力。

所述的装置，其中，平板膜为超滤膜或纳滤膜。

所述的装置，其中，藻类生长系统中的反应池外部安装的循环泵，控 制溶解性有机氮输入量，以研究不同浓度溶解性有机氮输入下藻类生长变 化。

所述的装置，其中，循环泵将藻类生长系统中反应池底部水抽至水面 时，是由流量计控制流速，循环泵的出水口装有喷射器，使排出的水流能 向反应池内的各方向发散，以模拟真实的水动力环境。

所述的装置，其中，藻类生长系统中反应池内安装有采用微电脑控制 的在线pH计和在线DO仪，实现藻类生长过程中pH和DO变化的实时监 测。

本发明提供的利用上述装置研究水体中溶解性有机氮的生物有效性 的方法，主要流程为：

1)水样进入过滤装置，经中空纤维微滤膜作用去除颗粒物和浮游生 物，微孔曝气盘产生的微气泡形成的剪切力去除附着在膜表面的污染物， 防止膜孔堵塞；

2)过滤后的水样进入溶解性有机氮提取装置，经过内设的错流过滤 装置采用截留分子量在1k-100kDa的任一种超滤膜，或截留分子量为 170-300Da的纳滤膜进行错流过滤，以提取不同分子量的溶解性有机氮， 使溶解性有机氮被浓缩；

3)浓缩后的水样以连续流的方式进入装有经过灭菌后加有藻类的原 水的藻类生长系统，控制藻类生长系统的不同温度、光照、水动力及藻类 的种类，通过测量水样中氮含量的变化研究藻类在原位利用不同分子量溶 解性有机氮的能力。

所述的方法，其中，步骤1中的水样和原水是指河流、湖泊、水库的 淡水水体，并经过搅拌使水体混合均匀。

本发明能同时实现DON提取和藻类对其生物可利用性的原位研究， 具有分离效率高、易于连续运行的特点，有助于深入理解DON对藻类生 长的重要营养作用和相关环境效应。

附图说明

图1是本发明的装置示意图。

附图中主要组件符号说明：

1第一集水池；2第二集水池；3第三集水池；4过滤装置；5溶解性 有机氮提取装置；6藻类生长系统；7空气压缩机；8机械搅拌器；9、10、 11蠕动泵；12增压泵；13循环泵；14离心泵；15、16、17流量计；18 微孔曝气盘；19中空纤维微滤膜组件；20超滤膜组件；21纯钢夹具；22 压力表；23温度传感器；24光照传感器；25在线pH计；26在线DO仪； 27加热棒；28白炽灯组；29微电脑显示板；30喷射器。

具体实施方式

本发明提供的研究水体中溶解性有机氮的生物有效性的装置，由过滤 装置、溶解性有机氮提取装置和藻类生长系统构成。主要过程包括：

1)在过滤装置内装有中空纤维微滤膜组件和微孔曝气盘，用于去除 孔径大于0.45μm的颗粒物、浮游生物等；

2)过滤后的水样进入溶解性有机氮提取装置，内设有错流过滤装置， 采用截留分子量在1k-100kDa的任一种超滤膜或截留分子量为170-300Da 的纳滤膜进行错流过滤，使得不同分子量的DON被浓缩；

3)浓缩后的水样进入藻类生长系统，该系统包括DON连续输入装置、 温度和光照控制设备、水动力模拟装置、在线pH和DO监测设备，用以 研究不同环境条件下DON连续输入对藻类生长的影响。

所述的过滤装置的主体为一个圆柱形反应器，内部装有中空纤维微滤 膜组件和微孔曝气盘，反应器底部为圆锥形并设有排泥口，用于反应器停 止运行时沉淀排出密度较大的颗粒物等。膜组件由膜丝和方形圆筒构成， 膜丝两端镶嵌在筒内，筒顶设有出水口，通过UPVC管与离心泵连接，由 流量计控制出水流速。微孔曝气盘由膜片、支撑板和气道管构成，气道管 的一端与空气压缩机相连，由流量计控制曝气量。第一集水池1中水样经 蠕动泵作用进入过滤装置，膜组件的另一端通过排水管与离心泵相连接， 出水进入第二集水池2。

所述的溶解性有机氮提取装置由错流过滤装置、蠕动泵、增压泵等构 成，集水池2内的水样经蠕动泵、增压泵后进入错流过滤装置，利用蠕动 泵的流量来调节进水压力，浓缩液回流至第二集水池2，渗透液由第三集 水池3收集。蠕动泵与增压泵之间、增压泵与进水口之间、浓缩液出口与 第二集水池2之间、渗透液出口与第三集水池3之间由硅胶管连接。

所述的错流过滤装置由平板膜、纯钢夹具盒、压力表、阀门、硅胶管 等构成，平板膜为超滤膜或纳滤膜，平板膜安装在纯钢夹具盒内部，夹具 外部两端和底部分别有进水口、浓缩液出口和渗透液出口，分别连接至各 自的容器内。进水口前端通过硅胶管连接压力表，用于控制操作压力。

所述的藻类生长系统主体是容积为80L的有机玻璃长方体，内装有 60L经过灭菌的原水，主要包括：DON连续输入装置、温度和光照控制设 备、水动力模拟装置、在线pH和DO监控设备。

所述的DON连续输入装置由可精确控制流速的精密蠕动泵和硅胶管 构成，控速范围为0.02-0.2ml/min。

所述的温度和光照控制设备，由温度传感器和加热棒来控制温度和固 定在系统顶部的可调节亮度的白炽灯和光照传感器控制光照。

所述的水动力模拟装置由循环泵、流量计、喷射器、UPVC管件构成。 循环泵的一端与系统底部，另一端与流量计、流量计与喷射器之间通过 UPVC管相连接。

所述的在线pH和DO监控设备由微电脑控制。

所述的温度传感器、光照传感器、在线pH和DO监控设备通过线路 与微电脑显示板相连接。

本发明利用上述装置研究水体中溶解性有机氮的生物有效性的方法， 主要流程为：

1)水样进入精密过滤装置，经0.45μm中空纤维微滤膜作用去除颗粒 物、浮游生物等，微孔曝气盘能产生大量微气泡，所形成的剪切力能有效 去除附着在膜表面的污染物，防止膜孔堵塞。

2)过滤后的水样进入DON提取装置，内设有错流过滤装置，采用截 留分子量在1k-100kDa的任一种超滤膜或截留分子量为170-300Da的纳滤 膜进行错流过滤，以提取不同分子量的DON，如氨基酸、酶、多肽和腐 殖质等，使得DON被浓缩。

3)浓缩后的水样以连续流的方式进入藻类生长系统，通过控制温度、 光照、水动力的变化来研究藻类在原位利用不同分子量DON的能力。

所述的方法，其中，中空纤维微滤膜材质为聚偏氟乙烯(PVDF)、孔 径为0.45μm、内径为1.4mm、长80cm。

所述的方法，其中，微孔曝气盘，由膜片、支撑板和气道管构成，膜 片材质为三元乙丙橡胶(EPDM)，气泡尺寸为1.0-1.3mm，供气量为 1.8m³/h，服务面积为0.6-0.9m²。

所述的方法，其中，错流过滤装置所用平板膜为超滤膜或纳滤膜，其 表面积为0.15m²，操作压力为0.2-0.7MPa，富集水量为10-15L，水样浓缩 倍数为6-10倍。

所述的方法，其中，水动力的变化由置于系统外部的循环泵，将底部 的水抽至水面，由流量计控制流速，出水口装有喷射器，保证排出水流能 向系统内各方向发散，以模拟真实的水动力环境。

以下结合附图对本发明作进一步的描述。

本发明所指的水体是河流、湖泊、水库等淡水水体。

如图1所示，本发明提供的研究水体中溶解性有机氮的生物有效性的 装置，包括过滤装置、溶解性有机氮提取装置和藻类生长系统：

过滤装置：由中空纤维微滤膜组件和微孔曝气盘构成，膜组件的出水 口通过UPVC管经流量计与离心泵连接，出水进入第二集水池2，装置底 部设有微孔曝气盘，气道口的另一端通过硅胶管经流量计与空气压缩机相 连。

溶解性有机氮提取装置：为以平板膜组件为主体的错流过滤装置，第 二集水池2中的水样经蠕动泵、增压泵作用进入错流过滤装置，由压力表 控制操作压力，浓缩液通过硅胶管回流至第二集水池2，渗透液经硅胶管 由第三集水池3收集，浓缩倍数为6-10倍。

藻类生长系统：被浓缩后的第二集水池2中水样经精密蠕动泵连续泵 入藻类生长系统，其中，加热棒和微电脑显示板之间、光照传感器和微电 脑显示板之间、在线pH计与微电脑显示板之间、在线DO仪与微电脑显 示板之间由线路连接。

本发明提供的研究水体中溶解性有机氮的生物有效性的装置，涉及到 一个串联运行的过滤装置、溶解性有机氮提取装置和藻类生长系统。分别 说明如下：

(1)采集后的水样进入第一集水池1，池内设机械搅拌器8保证水体 混合均匀，由蠕动泵9将水样泵入过滤装置4，过滤装置4中设有中空纤 维微滤膜组件19和微孔曝气盘18。中空纤维微滤膜组件19由一定数量孔 径为0.45μm、内径为1.4mm、长80cm膜丝和材质为UPVC的方形圆筒构 成，膜丝两端镶嵌在筒内，筒顶设有出水口通过UPVC管与离心泵14连 接。水样经微滤膜的过滤作用去除颗粒物、浮游生物等，进入方形圆筒内， 由离心泵14抽入到第二集水池2中(由流量计16控制水量)。装置底部 的微孔曝气盘18能产生尺寸为1.0-1.3mm的气泡，所形成的剪切力能有 效去除膜表面的污染物，防止膜堵塞，微孔曝气盘的另一端通过气道管经 流量计15与空气压缩机7相连。

(2)经过预处理后的水样进入第二集水池2，经蠕动泵10和增压泵 12的作用进入溶解性有机氮提取装置5，溶解性有机氮提取装置5中包括 平板超滤膜20、纯钢夹具盒21和压力表22，平板超滤膜20用螺丝固定 在纯钢夹具盒21内，由压力表22控制操作压力。所用平板超滤膜为截留 分子量为1k-100kDa的任一种超滤膜或截留分子量为170-300Da的纳滤 膜，膜表面积为0.15m²，操作压力为0.2-0.7Mpa。渗透液进入第三集水池 3进行收集，浓缩液回流至第二集水池2，经过2-4个小时的错流过滤后， DON体积被浓缩6-10倍。

(3)被浓缩后的第二集水池2中DON浓缩液经蠕动泵11的作用进 入藻类生长系统6，控制流速在0.02-0.2ml/min，藻类生长系统6主体是容 积为80L的有机玻璃长方体，内装有60L经过灭菌的湖泊水。藻类生长系 统6内设有温度控制装置，由加热板27和温度传感器23构成，使得藻类 生长系统内温度保持在一定范围。藻类生长系统的顶部设有光照控制系 统，由4组并联的可调节亮度的白炽灯28和光照传感器24构成，用于模 拟自然条件下的光照变化。藻类生长系统外部设有水动力模拟装置，由循 环泵13、流量计17和喷射器30构成，可将藻类生长系统底部的水抽至水 面，由喷射器30实现散射式喷出，保证混合均匀。在藻类生长系统内设 有在线pH计25和在线DO仪26，以监控藻类生长过程中外界环境条件 的变化。这些在线装置与微电脑显示板29相连，可以实时观察到温度、 光照、pH和DO的变化。