專利名稱：研究水體中溶解性有機氮的生物有效性的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于水生態研究領域，具體地涉及一種研究水體中溶解性有機氮的生物有效性的裝置。本發明還涉及利用上述裝置研究水體中溶解性有機氮的生物有效性的方法。
背景技術：
溶解性有機氮(DON)是河流、湖泊、濕地等淡水水體中溶解性總氮的主要組成部分，平均可達60%以上，其中有12-72%能被生物直接利用。絕大部分DON來自陸地滲透、地表徑流，尤其是人為輸向河口、湖泊中的DON是淡水水體中重要來源。為了控制湖泊富營養化進程，許多污水處理廠增加了脫氮工藝，無機氮被成功去除，但無論如何改進工藝提高 硝化反硝化速率，最終出水DON濃度在O. 5-3mg/L之間。許多研究表明藻類具有利用DON化合物作為氮源的能力，而某些特殊的DON組分會改變浮游植物的群落構成，從而加劇富營養化進程并導致水體中有毒藻類的大量增殖。因此，有必要對不同種類DON對藻類生長的影響進行定性和定量研究。目前，已知能被藻類利用的DON有自由氨基酸、尿素等低分子量D0N，而由于檢測方法的限制，人們對結合態氨基酸、酶、腐殖質等大分子DON的認識還很少，從而很難評估DON庫中所有化合物的生物有效性。近些年來，有學者采用相對分子質量分布來探討藻類對DON的生物可利用性，如透析、樹脂分離、超濾等技術。透析法一般適用于DIN/TDN > O. 6的地表水樣分析，且成本和操作時間較長；樹脂分離僅限于某類物質的分離，所產生的疏水性物質、過渡性物質和親水性物質的分子量跨度較大,且操作繁瑣、成本較高；而超濾技術通過利用不同截留分子量超濾膜對DON的截留和濃縮，截留率在90%以上，能更方便、快捷的分尚不同分子量的DON。在許多情形下，關于藻類對DON生物有效性的研究大多采用間歇純培養的方式，即通過變化初始有機氮基質濃度的方法來實現，而關于藻類在原位利用有機氮化合物的能力還不清楚。因此，本發明通過將DON的提取過程、連續輸入過程與不同環境條件下藻類生長過程結合起來，用于研究藻類在原位利用DON的能力，為探討DON的生物有效性提供支持。
發明內容
本發明的目的在于提供一種研究水體中溶解性有機氮的生物有效性的裝置。本發明的又一目的在于提供一種利用上述裝置研究水體中溶解性有機氮的生物有效性的方法。為實現上述目的，本發明提供的研究水體中溶解性有機氮的生物有效性的裝置，主要包括過濾裝置、溶解性有機氮提取裝置和藻類生長系統；其中過濾裝置的主體為容器，容器內部裝有中空纖維微濾膜組件，膜組件下方裝有微孔曝氣盤，反應器底部為圓錐形并設有排泥口，用于反應器停止運行時沉淀排出密度較大的顆粒物；中空纖維微濾膜組件另一端連接第二集水池；溶解性有機氮提取裝置的主體為錯流過濾裝置，用于濃縮不同截留分子量的溶解性有機氮；錯流過濾裝置的進水口連接第二集水池，錯流過濾裝置的濃縮液出口連接至第二集水池，滲透液出口連接至第三集水池；藻類生長系統主體為一反應池，該反應池內裝有經過滅菌后加有藻類的原水；該反應池的進水口與第二集水池相連接，該反應池內設溫度傳感器和加熱棒，反應池的頂部安裝有的可調節亮度的光源和光照傳感器；反應池外部安裝有循環泵，將反應池底部水抽至水面。所述的裝置，其中，中空纖維微濾膜組件由膜絲和圓筒構成，膜絲兩端鑲嵌在圓筒內，圓筒頂的出水口與離心泵連接，由流量計控制出水流速。
所述的裝置，其中，微孔曝氣盤由膜片、支撐板和氣道管構成，膜片材質為三元乙丙橡膠(EPDM)，氣道管的一端與空氣壓縮機相連，由流量計控制曝氣量，微氣泡形成的剪切力能有效去除附著在膜表面的污染物，防止膜孔堵塞。所述的裝置，其中，錯流過濾裝置是由平板膜置于純鋼夾具盒內部，四角用螺絲固定而構成，I吳片和夾具盒的形狀為圓形，減少水流在夾具內流通路徑，提聞濃縮效率；夾具盒外部設有進水口、濃縮液出口和滲透液出口，在進水口裝有壓力表，用于控制操作壓力。所述的裝置，其中，平板膜為超濾膜或納濾膜。所述的裝置，其中，藻類生長系統中的反應池外部安裝的循環泵，控制溶解性有機氮輸入量，以研究不同濃度溶解性有機氮輸入下藻類生長變化。所述的裝置，其中，循環泵將藻類生長系統中反應池底部水抽至水面時，是由流量計控制流速，循環泵的出水口裝有噴射器，使排出的水流能向反應池內的各方向發散，以模擬真實的水動力環境。所述的裝置，其中，藻類生長系統中反應池內安裝有采用微電腦控制的在線pH計和在線DO儀，實現藻類生長過程中pH和DO變化的實時監測。本發明提供的利用上述裝置研究水體中溶解性有機氮的生物有效性的方法，主要流程為I)水樣進入過濾裝置，經中空纖維微濾膜作用去除顆粒物和浮游生物，微孔曝氣盤產生的微氣泡形成的剪切力去除附著在膜表面的污染物，防止膜孔堵塞；2)過濾后的水樣進入溶解性有機氮提取裝置，經過內設的錯流過濾裝置采用截留分子量在Ik-IOOkDa的任一種超濾膜，或截留分子量為170-300Da的納濾膜進行錯流過濾，以提取不同分子量的溶解性有機氮，使溶解性有機氮被濃縮；3)濃縮后的水樣以連續流的方式進入裝有經過滅菌后加有藻類的原水的藻類生長系統，控制藻類生長系統的不同溫度、光照、水動力及藻類的種類，通過測量水樣中氮含量的變化研究藻類在原位利用不同分子量溶解性有機氮的能力。所述的方法，其中，步驟I中的水樣和原水是指河流、湖泊、水庫的淡水水體，并經過攪拌使水體混合均勻。本發明能同時實現DON提取和藻類對其生物可利用性的原位研究，具有分離效率高、易于連續運行的特點，有助于深入理解DON對藻類生長的重要營養作用和相關環境效應。
圖I是本發明的裝置示意圖。附圖中主要組件符號說明I第 一集水池；2第二集水池；3第三集水池；4過濾裝置；5溶解性有機氮提取裝置；6藻類生長系統；7空氣壓縮機；8機械攪拌器；9、10、11蠕動泵；12增壓泵；13循環泵；14離心泵；15、16、17流量計；18微孔曝氣盤；19中空纖維微濾膜組件；20超濾膜組件；21純鋼夾具；22壓力表；23溫度傳感器；24光照傳感器；25在線pH計；26在線DO儀；27加熱棒；28白熾燈組；29微電腦顯示板；30噴射器。
具體實施例方式本發明提供的研究水體中溶解性有機氮的生物有效性的裝置，由過濾裝置、溶解性有機氮提取裝置和藻類生長系統構成。主要過程包括I)在過濾裝置內裝有中空纖維微濾膜組件和微孔曝氣盤，用于去除孔徑大于
O.45 μ m的顆粒物、浮游生物等；2)過濾后的水樣進入溶解性有機氮提取裝置，內設有錯流過濾裝置，采用截留分子量在Ik-IOOkDa的任一種超濾膜或截留分子量為170-300Da的納濾膜進行錯流過濾，使得不同分子量的DON被濃縮；3)濃縮后的水樣進入藻類生長系統，該系統包括DON連續輸入裝置、溫度和光照控制設備、水動力模擬裝置、在線PH和DO監測設備，用以研究不同環境條件下DON連續輸入對藻類生長的影響。所述的過濾裝置的主體為一個圓柱形反應器，內部裝有中空纖維微濾膜組件和微孔曝氣盤，反應器底部為圓錐形并設有排泥口，用于反應器停止運行時沉淀排出密度較大的顆粒物等。膜組件由膜絲和方形圓筒構成，膜絲兩端鑲嵌在筒內，筒頂設有出水口，通過UPVC管與離心泵連接，由流量計控制出水流速。微孔曝氣盤由膜片、支撐板和氣道管構成，氣道管的一端與空氣壓縮機相連，由流量計控制曝氣量。第一集水池I中水樣經蠕動泵作用進入過濾裝置，膜組件的另一端通過排水管與離心泵相連接，出水進入第二集水池2。所述的溶解性有機氮提取裝置由錯流過濾裝置、蠕動泵、增壓泵等構成，集水池2內的水樣經蠕動泵、增壓泵后進入錯流過濾裝置，利用蠕動泵的流量來調節進水壓力，濃縮液回流至第二集水池2，滲透液由第三集水池3收集。蠕動泵與增壓泵之間、增壓泵與進水口之間、濃縮液出口與第二集水池2之間、滲透液出口與第三集水池3之間由硅膠管連接。所述的錯流過濾裝置由平板膜、純鋼夾具盒、壓力表、閥門、硅膠管等構成，平板膜為超濾膜或納濾膜，平板膜安裝在純鋼夾具盒內部，夾具外部兩端和底部分別有進水口、濃縮液出口和滲透液出口，分別連接至各自的容器內。進水口前端通過硅膠管連接壓力表，用于控制操作壓力。所述的藻類生長系統主體是容積為80L的有機玻璃長方體，內裝有60L經過滅菌的原水，主要包括DON連續輸入裝置、溫度和光照控制設備、水動力模擬裝置、在線pH和DO監控設備。所述的DON連續輸入裝置由可精確控制流速的精密蠕動泵和硅膠管構成，控速范圍為 O. 02-0. 2ml/min。所述的溫度和光照控制設備，由溫度傳感器和加熱棒來控制溫度和固定在系統頂部的可調節亮度的白熾燈和光照傳感器控制光照。所述的水動力模擬裝置由循環泵、流量計、噴射器、UPVC管件構成。循環泵的一端與系統底部，另一端與流量計、流量計與噴射器之間通過UPVC管相連接。所述的在線pH和DO監控設備由微電腦控制。所述的溫度傳感器、光照傳感器、在線pH和DO監控設備通過線路與微電腦顯示板相連接。本發明利用上述裝置研究水體中溶解性有機氮的生物有效性的方法，主要流程為 I)水樣進入精密過濾裝置，經O. 45 μ m中空纖維微濾膜作用去除顆粒物、浮游生物等，微孔曝氣盤能產生大量微氣泡，所形成的剪切力能有效去除附著在膜表面的污染物，防止膜孔堵塞。2)過濾后的水樣進入DON提取裝置，內設有錯流過濾裝置，采用截留分子量在Ik-IOOkDa的任一種超濾膜或截留分子量為170-300Da的納濾膜進行錯流過濾，以提取不同分子量的D0N，如氨基酸、酶、多肽和腐殖質等，使得DON被濃縮。3)濃縮后的水樣以連續流的方式進入藻類生長系統，通過控制溫度、光照、水動力的變化來研究藻類在原位利用不同分子量DON的能力。所述的方法，其中，中空纖維微濾膜材質為聚偏氟乙烯(PVDF)、孔徑為0.45 μ m、內徑為I. 4mm、長80cm。所述的方法，其中，微孔曝氣盤，由膜片、支撐板和氣道管構成，膜片材質為三元乙丙橡膠(EPDM)，氣泡尺寸為I. 0-1. 3mm，供氣量為I. 8m3/h，服務面積為O. 6-0. 9m2。所述的方法，其中，錯流過濾裝置所用平板膜為超濾膜或納濾膜，其表面積為 O.15m2，操作壓力為O. 2-0. 7MPa，富集水量為10-15L，水樣濃縮倍數為6_10倍。所述的方法，其中，水動力的變化由置于系統外部的循環泵，將底部的水抽至水面，由流量計控制流速，出水口裝有噴射器，保證排出水流能向系統內各方向發散，以模擬真實的水動力環境。以下結合附圖對本發明作進一步的描述。 本發明所指的水體是河流、湖泊、水庫等淡水水體。如圖I所示，本發明提供的研究水體中溶解性有機氮的生物有效性的裝置，包括過濾裝置、溶解性有機氮提取裝置和藻類生長系統過濾裝置由中空纖維微濾膜組件和微孔曝氣盤構成，膜組件的出水口通過UPVC管經流量計與離心泵連接，出水進入第二集水池2，裝置底部設有微孔曝氣盤，氣道口的另一端通過硅膠管經流量計與空氣壓縮機相連。溶解性有機氮提取裝置為以平板膜組件為主體的錯流過濾裝置，第二集水池2中的水樣經蠕動泵、增壓泵作用進入錯流過濾裝置，由壓力表控制操作壓力，濃縮液通過硅膠管回流至第二集水池2，滲透液經硅膠管由第三集水池3收集，濃縮倍數為6-10倍。藻類生長系統被濃縮后的第二集水池2中水樣經精密蠕動泵連續泵入藻類生長系統，其中，加熱棒和微電腦顯示板之間、光照傳感器和微電腦顯示板之間、在線PH計與微電腦顯示板之間、在線DO儀與微電腦顯示板之間由線路連接。本發明提供的研究水體中溶解性有機氮的生物有效性的裝置，涉及到一個串聯運行的過濾裝置、溶解性有機氮提取裝置和藻類生長系統。分別說明如下(I)采集后的水樣進入第一集水池1，池內設機械攪拌器8保證水體混合均勻，由蠕動泵9將水樣泵入過濾裝置4，過濾裝置4中設有中空纖維微濾膜組件19和微孔曝氣盤18。中空纖維微濾膜組件19由一定數量孔徑為O. 45 μ m、內徑為I. 4mm、長80cm膜絲和材質為UPVC的方形圓筒構成，膜絲兩端鑲嵌在筒內，筒頂設有出水口通過UPVC管與離心泵14連接。水樣經微濾膜的過濾作用去除顆粒物、浮游生物等，進入方形圓筒內，由離心泵14抽入到第二集水池2中(由流量計16控制水量)。裝置底部的微孔曝氣盤18能產生尺寸為
I.0-1. 3mm的氣泡，所形成的剪切力能有效去除膜表面的污染物，防止膜堵塞，微孔曝氣盤的另一端通過氣道管經流量計15與空氣壓縮機7相連。(2)經過預處理后的水樣進入第二集水池2，經蠕動泵10和增壓泵12的作用進入 溶解性有機氮提取裝置5，溶解性有機氮提取裝置5中包括平板超濾膜20、純鋼夾具盒21和壓力表22，平板超濾膜20用螺絲固定在純鋼夾具盒21內，由壓力表22控制操作壓力。所用平板超濾膜為截留分子量為Ik-IOOkDa的任一種超濾膜或截留分子量為170-300Da的納濾膜，膜表面積為O. 15m2，操作壓力為O. 2-0. 7Mpa。滲透液進入第三集水池3進行收集，濃縮液回流至第二集水池2，經過2-4個小時的錯流過濾后，DON體積被濃縮6-10倍。(3)被濃縮后的第二集水池2中DON濃縮液經蠕動泵11的作用進入藻類生長系統6，控制流速在O. 02-0. 2ml/min,藻類生長系統6主體是容積為80L的有機玻璃長方體，內裝有60L經過滅菌的湖泊水。藻類生長系統6內設有溫度控制裝置，由加熱板27和溫度傳感器23構成，使得藻類生長系統內溫度保持在一定范圍。藻類生長系統的頂部設有光照控制系統，由4組并聯的可調節亮度的白熾燈28和光照傳感器24構成，用于模擬自然條件下的光照變化。藻類生長系統外部設有水動力模擬裝置，由循環泵13、流量計17和噴射器30構成，可將藻類生長系統底部的水抽至水面，由噴射器30實現散射式噴出，保證混合均勻。在藻類生長系統內設有在線PH計25和在線DO儀26，以監控藻類生長過程中外界環境條件的變化。這些在線裝置與微電腦顯示板29相連，可以實時觀察到溫度、光照、pH和DO的變化。
權利要求
1.一種研究水體中溶解性有機氮的生物有效性的裝置，主要包括過濾裝置、溶解性有機氮提取裝置和藻類生長系統；其中 過濾裝置的主體為容器，容器內部裝有中空纖維微濾膜組件，膜組件下方裝有微孔曝氣盤，反應器底部為圓錐形并設有排泥口，用于反應器停止運行時沉淀排出密度較大的顆粒物；中空纖維微濾膜組件另一端連接第二集水池； 溶解性有機氮提取裝置的主體為錯流過濾裝置，用于濃縮不同截留分子量的溶解性有機氮；錯流過濾裝置的進水口連接第二集水池，錯流過濾裝置的濃縮液出口連接至第二集水池，滲透液出口連接至第三集水池； 藻類生長系統主體為一反應池，該反應池內裝有經過滅菌后加有藻類的原水；該反應池的進水口與第二集水池相連接，該反應池內設溫度傳感器和加熱棒，反應池的頂部安裝有的可調節亮度的光源和光照傳感器；反應池外部安裝有循環泵，將反應池底部水抽至水面。
2.根據權利要求I所述的裝置，其中，中空纖維微濾膜組件由膜絲和圓筒構成，膜絲兩端鑲嵌在圓筒內，圓筒頂的出水口與離心泵連接，由流量計控制出水流速。
3.根據權利要求I所述的裝置，其中，微孔曝氣盤由膜片、支撐板和氣道管構成，膜片材質為三元乙丙橡膠，氣道管的一端與空氣壓縮機相連，由流量計控制曝氣量，微氣泡形成的剪切力能有效去除附著在膜表面的污染物，防止膜孔堵塞。
4.根據權利要求I所述的裝置，其中，錯流過濾裝置是由平板膜置于純鋼夾具盒內部，四角用螺絲固定而構成，膜片和夾具盒的形狀為圓形，減少水流在夾具內流通路徑，提高濃縮效率；夾具盒外部設有進水口、濃縮液出口和滲透液出口，在進水口裝有壓力表，用于控制操作壓力。
5.根據權利要求4所述的裝置，其中，平板膜為超濾膜或納濾膜。
6.根據權利要求I所述的裝置，其中，藻類生長系統中的反應池外部安裝的循環泵控制溶解性有機氮輸入量，以研究不同濃度溶解性有機氮輸入下藻類生長變化。
7.根據權利要求I或6所述的裝置，其中，循環泵將藻類生長系統中反應池底部水抽至水面時，是由流量計控制流速，循環泵的出水口裝有噴射器，使排出的水流能向反應池內的各方向發散，以模擬真實的水動力環境。
8.根據權利要求7所述的裝置，其中，藻類生長系統中反應池內安裝有采用微電腦控制的在線PH計和在線DO儀，實現藻類生長過程中pH和DO變化的實時監測。
9.一種利用權利要求I所述裝置研究水體中溶解性有機氮的生物有效性的方法，主要流程為 1)水樣進入過濾裝置，經中空纖維微濾膜作用去除顆粒物和浮游生物，微孔曝氣盤產生的微氣泡形成的剪切力去除附著在膜表面的污染物，防止膜孔堵塞； 2)過濾后的水樣進入溶解性有機氮提取裝置，經過內設的錯流過濾裝置采用截留分子量在Ik-IOOkDa的任一種超濾膜，或截留分子量為170-300Da的納濾膜進行錯流過濾，以提取不同分子量的溶解性有機氮，使溶解性有機氮被濃縮； 3)濃縮后的水樣以連續流的方式進入裝有經過滅菌后加有藻類的原水的藻類生長系 統，控制藻類生長系統的不同溫度、光照、水動力及藻類的種類，通過測量水樣中氮含量的變化研究藻類在原位利用不同分子量溶解性有機氮的能力。
10.根據權利要求9所述的方法，其中，步驟I中的水樣和原水是指河流、湖泊、水庫的淡水水體，并經過攪拌使水體混合均勻。
全文摘要
一種研究水體中溶解性有機氮的生物有效性的裝置過濾裝置的主體為容器，容器內部裝有中空纖維微濾膜組件，膜組件下方裝有微孔曝氣盤，反應器底部為圓錐形并設有排泥口；中空纖維微濾膜組件另一端連接第二集水池；溶解性有機氮提取裝置的主體為錯流過濾裝置，其進水口連接第二集水池，錯流過濾裝置的濃縮液出口連接至第二集水池，滲透液出口連接至第三集水池；藻類生長系統主體為一反應池，該反應池的進水口與第二集水池相連接，該反應池內設溫度傳感器和加熱棒，反應池的頂部安裝有的可調節亮度的光源和光照傳感器；反應池外部安裝有循環泵，將反應池底部水抽至水面。本發明還公開了利用上述裝置研究水體中溶解性有機氮生物有效性的方法。
文檔編號C02F9/14GK102826712SQ20121032575
公開日2012年12月19日 申請日期2012年9月5日 優先權日2012年9月5日
發明者霍守亮, 席北斗, 張靖天, 蘇婧, 何卓識 申請人:中國環境科學研究院