废水生物处理过程的紫外与荧光光谱解析

论文摘要

废水生物处理反应器中污染物和污泥的成份复杂,而传统的化学分析方法已不能满足其实时在线监测的需要。光谱法具有非接触监测、不消耗试剂、能在线原位测定等优点,是具有应用前景的生物反应器监控方法。本论文研究引入化学计量学解析所获得的紫外与荧光光谱,提取好氧反应器、厌氧反应器、微生物燃料电池和细菌菌液样品的光谱信息,并建立它们与反应器过程参数之间的联系,旨在构建基于紫外和荧光光谱表征生物反应器参数和运行状态的方法。主要研究内容和结果如下:1、利用偏最小二乘法建立了硝化反应器出水的紫外光谱与硝酸盐和亚硝酸盐浓度的关系模型,探讨了偏最小二乘法解析反应器出水重叠严重光谱的可行性;以微生物产生的四种荧光物质（色氨酸、酪氨酸、维生素B6和辅酶NADH）为研究对象,证实了平行因子法解析重叠严重的荧光光谱的可行性,该方法还可以获得样品中各荧光组分的激发发射光谱和相对浓度。2、利用三维荧光光谱分别表征了好氧反应器中的溶解性微生物产物、污泥胞内物质以及胞外聚合物,并利用平行因子分析法对荧光光谱进行了解析,获取了其反应历程中的浓度变化。胞内物质中的荧光成分主要是蛋白和辅酶NADH,其浓度与反应器状态有密切联系,胞内蛋白与VSS成线性相关,而胞内NADH与底物比增长速率相关;溶解性微生物产物中的荧光成分主要是蛋白、类富里酸和类胡敏酸物质,反应器的状态参数与溶解性微生物产物的生成可以用Leudeking-Piret方程来描述;蛋白和类胡敏酸的产生主要与底物利用相关,而类富里酸的产生则是与非生长相关的;胞外聚合物中的荧光成分主要是蛋白和类富里酸物质;好氧反应器中泥水混合液的荧光在线测定可以反映污泥浓度的高低,但是无法反映底物加入的影响,倍增管高压、光纤耦合效率和外界光源的影响都是在线测定需要考虑的因素。3、研究了间歇厌氧产氢反应器过程的三维荧光光谱,发现蛋白和NADH是该过程产生的主要荧光物质,其强度得分之比与氢气分压之间存在着量化关系;高温厌氧产氢反应器出水的三维荧光光谱的分析结果表明,蛋白、NADH和核黄素是该反应器主要的荧光物质,并获得了光谱分析结果对反应器工艺参数（水力停留时间、底物浓度和温度）的响应关系,发现NADH的相对浓度与氢气分压具有很好的一致性;建立了定量测定了高温厌氧反应器出水中的三种荧光物质的标准加入法。4、研究了微生物燃料电池反应过程的紫外与荧光光谱变化。伴随着微生物燃料电池的产电过程,产电微生物释放出的产物导致UV254吸收值总体增加;这些产物中蛋白和类富里酸是主要荧光物质,蛋白峰主要源于蛋白内色氨酸残基的贡献,而类富里酸可能源于一些辅酶或富里酸物质的贡献;Fe2+的投加有助于燃料电池的产电,并出现荧光物质的浓度变化。5、利用米散射理论计算了不同折射率条件下米散射系数与无因次粒径的关系,并且分别对细菌结构所引起的消光光谱进行了计算;以模拟细菌的聚苯乙烯小球为例,用米散射结合Levenberg-Marquart最小二乘法对其紫外消光光谱进行了解析,并估计出其粒径和浓度;初步探索了巨大芽孢杆菌的多波长消光光谱。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 引言
• 1.1 紫外光谱
• 1.1.1 紫外光谱原理
• 1.1.2 紫外可见光谱在废水监测中的研究进展
• 1.1.3 多波长消光光谱原理
• 1.1.4 多波长消光光谱研究的进展
• 1.2 荧光光谱
• 1.2.1 荧光光谱原理
• 1.2.2 荧光光谱在废水监测中的研究进展
• 1.3 研究目的、内容和意义
• 参考文献
• 第二章 生物反应过程光谱解析的化学计量学方法
• 引言
• 2.1 多元线性回归法
• 2.1.1 多元线性回归的理论基础
• 2.1.2 多元线性回归法的应用
• 2.1 偏最小二乘法
• 2.1.1 偏最小二乘法的理论基础
• 2.2.2 偏最小二乘法的应用
• 2.3 平行因子分析法
• 2.3.1 平行因子分析法的理论基础
• 2.3.2 平行因子分析法的应用
• 2.4 本章小结
• 参考文献
• 第三章 好氧生物反应过程的光谱解析
• 引言
• 3.1 材料与方法
• 3.1.1 好氧序批式反应器（SBR）的工况
• 3.1.2 样品的准备与分析
• 3.1.3 三维荧光光谱的获取与分析
• 3.2 分析与讨论
• 3.2.1 反应器状态的描述
• 3.2.2 样品的三维荧光图
• 3.2.3 溶解性微生物产物的解析
• 3.2.4 胞内物质的三维荧光图的解析
• 3.2.5 胞外EPS的三维荧光图的解析
• 3.3 在线监测结果
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 第四章 厌氧产氢反应过程的光谱解析
• 引言
• 4.1 间歇厌氧产氢过程的荧光光谱解析
• 4.1.1 材料与方法
• 4.1.2 测定结果与讨论
• 4.2 高温厌氧产氢反应器出水的荧光光谱解析
• 4.2.1 材料与方法
• 4.2.2 结果与讨论
• 4.3 荧光物质的定量测定
• 4.3.1 材料与方法
• 4.3.2 线性范围的确定
• 4.3.3 标准加入法对出水中荧光物质的定量
• 4.4 在线测定
• 4.5 本章小结
• 参考文献
• 第五章 微生物燃料电池的光谱分析
• 引言
• 5.1 材料与方法
• 5.2 结果与讨论
• 5.3 小结
• 参考文献
• 第六章 细菌的紫外光谱解析
• 引言
• 6.1 米散射理论
• 6.1.1 光的弹性散射的分类
• 6.1.2 米散射公式
• 6.1.3 Mie散射算法与数值计算
• 6.2 细菌粒子的光散射计算
• 6.2.1 细菌粒子的光散射计算理论
• 6.2.2 非线性最小二乘曲线拟合方法
• 6.3 实验结果与讨论
• 6.3.1 米散射系数的计算
• 6.3.2 聚苯乙烯小球和巨大芽孢杆菌的紫外吸收光谱的模拟
• 6.4 小结
• 参考文献
• 第七章 结论
• 致谢
• 博士期间发表的论文和取得研究成果