[发明专利]污水处理厂活性污泥异常鉴别方法

说明书

一种污水处理厂活性污泥异常预警和鉴别方法，属于污水生物处理技术领域。本发明可用于对污水生物处理系统运行过程中出现异常状态和异常状态原因进行预警与鉴别。本发明采用液相色谱串联质谱的代谢组学技术监测微生物代谢中间产物，并由概率线性判别分析，从而预测并鉴别活性污泥系统中异常状态及其原因。本发明提供了一种经济、简便、可靠的污水处理系统活性污泥鉴别方法。

技术领域

本发明涉及一种污水处理厂活性污泥异常状态和鉴别的方法，属于污水生物处理技术领域，用于对污水生物处理系统运行过程中出现异常状态进行鉴别。

背景技术

污水生物处理技术有着经济、高效的特点，并被广泛应用于污水处理领域。传统的污水生物处理过程是通过微生物的生理代谢能力降解有机物，氨氮，磷等污染物。生物处理系统在好氧条件下，自养的氨氧化菌可以将氨氮氧化成亚硝酸盐，生成的亚硝酸盐再由亚硝酸盐氧化菌氧化成硝酸盐。氨氧化菌和亚硝酸盐氧化菌使用此过程中产生的能量，通过还原性三羧酸循环，还原性单羧酸循环，厌氧乙酰辅酶途径和羟基丙酸途径固定水中的HCO₃^-或者CO₃^-合成核酸，糖类，氨基酸和蛋白质等维持生理活性的物质。在反硝化和除磷过程，反硝化菌和聚磷菌通过氧化乙酸钠，丙酸钠等有机物产生能量，并通过三羧酸循环同化有机碳源并形成丙酮酸，进而合成各种生命活动所需的必要物质。这些物质的各种合成，转化，分解维持着污水生物处理系统中微生物的代谢活性，让生物系统有着稳定的机物，氮，磷等污染物去除能力。当污水处理过程中的温度，PH，污染物成分等条件发生变化，系统的硝化，反硝化，除磷等功能因此会受到严重的破坏。因为这些抑制过程在初始时难以有有效的手段提前预警和鉴别，所以会导致污水处理生物系统的破坏。随着生物技术的进步，人们逐渐意识到微生物中各种代谢通路的抑制和变化会导致污水处理系统宏观上的活性降低。因为当一种或多种路径被破坏，微生物体内的生物酶合成，生化反应电子传递，RNA转录等过程立即被抑制，进而在宏观上表现为系统的硝化，反硝化，除磷功能的削弱。虽然这些抑制在宏观上表现为处理能力的下降，但是在微观上每一种抑制过程，都有其特殊的破坏路径。因此，可以通过检测这些路径，来鉴定污水生物处理系统中的微生物是否受到了抑制。

代谢组学通过液相色谱串联质谱测量出每种中间代谢产物的含量和相对变化，然后通过这些物质的变化归纳出其受到影响的代谢通路。相比于其他的检测方法，代谢组学有着灵敏度高，准确性高的特点，并且可以从宏观和微观两方面角度评价污水生物处理系统的状态。微生物代谢产物经由液相色谱串联质谱测定后，可以生成一个代谢组分与相对丰度的多维向量矩阵。对这个矩阵进行线性判别分析，概率线性判别分析，神经网络分，支持向量回归分析，可以将排除冗余数据造成的干扰，准确的判别出污水生物系统是否正常。目前对污水处理系统监测主要依靠实时监测进出水中各种污染物是否有明显变化或者污泥沉降性是否正常。但是这种方法有着明显的缺陷,首先，仅仅从表观上的数据并不能提前预判污水生物处理系统是否受到破坏，因此即使发现污水处理系统崩溃也不能找到原因和解决办法。

本发明采用液相色谱串联质谱的代谢组学技术监测微生物代谢中间产物，并由概率线性判别分析，从而预测并鉴别活性污泥系统中异常状态及其原因。本发明在技术上不同于现有技术，主要体现在以下三方面：

(1)活性污泥代谢产物提取的方法。目前，代谢组学主要用于人体疾病检测，肠道菌群监测，农作物灾害防治，发酵过程优化等方面，主要通过特定的标志代谢产物，代谢通路变化来鉴别某些疾病或者优化某种工艺。在水污染治理领域中，一方面用于水中污染物对人或者生物的毒害效果和原理。另一方面，代谢组学常常用于评价藻类的经济产物的积累情况。但是污水处理系统的活性污泥不仅种类复杂，并夹杂着大量污染物和杂质，还以菌胶团的形式裹挟在一起。所以其他领域的成熟技术并不适用污水生物处理系统。目前还没有较为有效的针对活性污泥的代谢组分提取方法，本发明综合优化了活性污泥中代谢产物提取效率，代谢物质保存，干扰物质去除等方面并对以往的研究进行优化。结合物理和化学方法有效的提取代谢产物。