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        為了有效地控制水體富營養(yǎng)化，強(qiáng)化生物除磷（簡稱EBPR）在廢水生物處理磷過程中起到了關(guān)鍵性作用. BPR即在厭氧-好氧交替運(yùn)行條件下，活性污泥中的聚磷微生物選擇性地富集成優(yōu)勢菌群，厭氧階段，聚磷菌(PAOs)通過分解胞內(nèi)聚磷產(chǎn)生的能量，吸收胞外的揮發(fā)性脂肪酸，同時(shí)降解糖原提供還原力以合成聚β羥基烷酸酯(PHA);好氧階段，聚磷菌利用分解胞內(nèi)的PHA產(chǎn)生的能量，用于細(xì)胞生長、聚磷合成和糖原恢復(fù)，通過好氧末端排泥實(shí)現(xiàn)生物除磷的目的.

        武漢格林環(huán)保有完善的服務(wù)體系和配套的專業(yè)環(huán)境工程團(tuán)隊(duì)，秉著崇高的環(huán)保責(zé)任和義務(wù)長期維護(hù)提供免費(fèi)的污水處理解決方案，是湖北省工業(yè)廢水運(yùn)營管理行業(yè)中的品牌。18年來公司設(shè)計(jì)并施工了上百個(gè)交鑰匙式的污水處理工程。

        糖原是強(qiáng)化生物除磷過程中產(chǎn)生的一種胞內(nèi)聚合物.PAOs在厭氧條件下吸收基質(zhì)不僅需要利用分解多聚磷酸鹽產(chǎn)生的能量，還需要糖原為其提供部分能量和還原力.因此，提供一種快速的分析污泥胞內(nèi)糖原含量變化的方法將有助于對強(qiáng)化生物除磷原理的進(jìn)一步認(rèn)識.目前，污泥胞內(nèi)糖原的化學(xué)測定主要利用蒽酮比色法.

        因此，通過糖原特征峰強(qiáng)度的變化可以定性或者半定量表征糖原含量的變化.進(jìn)一步而言，還可以采用偏最小二乘法(PLS)或者BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對各類樣品的紅外光譜進(jìn)行定量分析.

        測定原理主要是將冷凍干燥污泥進(jìn)行不同方式的預(yù)處理，利用強(qiáng)酸可使糖類脫水生成糖醛，生成的糖醛或羥甲基糖醛與蒽酮脫水縮合，形成藍(lán)綠色的糖醛衍生物，該物質(zhì)在600~650nm波長處有最大吸收，可以得到吸光度值與糖原含量的線性關(guān)系(Chenetal.,2005).

        利用蒽酮法測定污泥胞內(nèi)糖原含量比較繁瑣，且容易造成污泥樣品的不可逆性破壞.污泥的紅外光譜分析亦是一種測定污泥胞內(nèi)糖原含量的重要分析方法，近年來，伴隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，傅里葉紅外光譜技術(shù)在科研領(lǐng)域逐漸得到了廣泛使用.紅外光譜技術(shù)可以對微克級甚至是納克級樣品進(jìn)行定性和定量分析，具有過程簡便、噪聲低、光通量高、分辨率高、波數(shù)準(zhǔn)確度高、測定的光譜范圍寬和掃描速度快等優(yōu)點(diǎn)(翁詩甫，2005).

        糖原是由葡萄糖通過化學(xué)鍵而聚合在一起的多聚物，具有特征的紅外光譜吸收峰。研究Micrococcus種屬的細(xì)菌的紅外光譜發(fā)現(xiàn)，糖原的紅外吸收峰分別位于1074cm-1和550cm-1處。通過研究人體組織中正常細(xì)胞與癌癥細(xì)胞的紅外光譜，考察了蛋白、核酸和糖原的特征峰的峰位和峰強(qiáng)，比較了糖原與蛋白的峰強(qiáng)之比，定性和半定量地評價(jià)了從正常細(xì)胞向癌細(xì)胞轉(zhuǎn)變的過程.

        例如采用改進(jìn)偏最小二乘回歸法將選出的波長區(qū)與巴氏殺菌純牛乳中脂肪、蛋白質(zhì)及乳糖成分建立模型，然而，僅僅通過峰位比對來確定目標(biāo)物質(zhì)的特征吸收峰相對粗糙，若能采用標(biāo)準(zhǔn)加入法對污泥中的糖原峰進(jìn)行定性表征，則可以得到糖原物質(zhì)在污泥樣品中的一系列特征吸收貢獻(xiàn)區(qū)域.在此基礎(chǔ)上，選定特征光譜區(qū)間并采用偏最小二乘法或人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法建立樣品紅外光譜與糖原含量的關(guān)系模型，則可以用于未知樣品的快速表征和定量分析.

        待反應(yīng)器進(jìn)水完成后，分別在0、30、60、90、120(厭氧末端)、150、180、240、300min(好氧末端)時(shí)進(jìn)行取樣，共進(jìn)行了3次平行試驗(yàn).對取得的所有樣品進(jìn)行泥水分離，得到上清液和濕污泥樣品.對濕污泥進(jìn)行抽濾，然后放入FD-1A-180冷凍干燥機(jī)進(jìn)行冷凍干燥24h，得到冷凍干燥污泥.取樣品上清液，根據(jù)《水和廢水監(jiān)測分析方法》對COD和正磷酸鹽進(jìn)行檢測分析.

        基于此，本文采用中紅外光譜對強(qiáng)化生物除磷過程中污泥胞內(nèi)糖原物質(zhì)進(jìn)行表征，并將污泥樣品與糖原標(biāo)樣的紅外光譜進(jìn)行對比.同時(shí)，采用紅外光譜945~1150cm-1區(qū)域內(nèi)的吸收光譜數(shù)據(jù)，結(jié)合測得胞內(nèi)糖原的含量，應(yīng)用偏最小二乘法和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法分別建立污泥紅外光譜與糖原含量的定量分析模型.

        在EBPR反應(yīng)器處理廢水過程中，糖原不僅可以為厭氧階段提供一部分能量，還可以為PHA的合成提供還原力.在厭氧階段所消耗的糖原伴隨著好氧階段PHA的分解利用和底物的進(jìn)一步消耗而得到了補(bǔ)充.從圖1可以看出，在厭氧末端(120min)，污泥胞內(nèi)糖原含量達(dá)到最低，占污泥總質(zhì)量的6.45%，經(jīng)過曝氣3h后，污泥胞內(nèi)糖原的含量上升至8.78%.說明在生物除磷過程中，污泥胞內(nèi)的糖原物質(zhì)參與了微生物的活動(dòng).

        第一次實(shí)驗(yàn)的化學(xué)分析結(jié)果.從測得的化學(xué)指標(biāo)可以看出，反應(yīng)器進(jìn)水COD為166.5mg·L-1，正磷酸鹽濃度為22.5mg·L-1，經(jīng)過30min的厭氧攪拌后，廢水中的COD基本完全降解，這可能是活性污泥的初期吸附所造成的底物濃度迅速下降;2h后的厭氧末端COD降解到81.0mg·L-1，正磷酸鹽濃度上升至160.5mg·L-1，聚磷菌胞內(nèi)的釋磷量為進(jìn)水的6倍，說明伴隨著底物(乙酸鈉)的不斷降解，微生物胞內(nèi)的聚磷被利用降解成正磷酸鹽釋放到細(xì)胞外的水體中，導(dǎo)致水體中的正磷酸鹽含量增加，厭氧末端水體中的正磷酸鹽濃度達(dá)到最大.經(jīng)過后期3h的曝氣處理后，伴隨著水體中COD的進(jìn)一步降解利用，水體中的正磷酸鹽被微生物過量吸收并以聚磷的形式儲存于細(xì)胞內(nèi)，好氧末端COD為48.0mg·L-1，正磷酸鹽濃度為15.44mg·L-1.通過每周期排150mL污泥的形式達(dá)到了生物除磷的目的.

        污泥樣品的紅外光譜圖中位于1020cm-1與1082cm-1處的峰來自于糖原分子中C—OH的貢獻(xiàn)，該特征峰的強(qiáng)弱可以直觀地反映出在生物除磷過程中污泥胞內(nèi)糖原的變化過程.

        為了進(jìn)一步說明污泥胞內(nèi)糖原分子C—OH基團(tuán)在1020、1082和1158cm-1處有很強(qiáng)的吸收峰，本文在污泥樣品中加入不同含量的標(biāo)準(zhǔn)糖原樣品，得到的光譜圖見圖3.從圖3可以看出，加入糖原后，紅外光譜在1020、1082和1158cm-1處有顯著增加，并且隨著糖原投加比例的增加，其吸收峰強(qiáng)度明顯加強(qiáng)，其中，在1020cm-1的吸光度分別從0.185增加為0.237和0.379.因此，應(yīng)該優(yōu)先選用該處的紅外峰作為糖原的特征峰.

        結(jié)果表明，模型的擬合程度較高，得到了很好的預(yù)測效果.應(yīng)用偏最小二乘法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的方法對白砂糖、木糖醇、雙歧糖和葡萄糖進(jìn)行了定性分辨和定量分析.

        第一次實(shí)驗(yàn)各取樣時(shí)間節(jié)點(diǎn)的污泥樣品紅外光譜圖，由于污泥樣品在1158cm-1處的吸收峰強(qiáng)度不是很明顯，故采用1020cm-1與1082cm-1處糖原分子的吸收峰強(qiáng)度來反映污泥胞內(nèi)糖原含量的變化.就1020cm-1處的紅外吸收而言，進(jìn)水開始階段污泥胞內(nèi)的糖原分子的C—OH特征峰強(qiáng)度相對較高，吸收值為0.611.進(jìn)入?yún)捬蹼A段后，強(qiáng)度逐漸減弱，厭氧1h后，降至0.585，到厭氧末期達(dá)到最低，降至0.549.經(jīng)過好氧階段處理后，胞內(nèi)糖原的特征峰強(qiáng)度明顯升高，好氧1、2、3h的1020cm-1處紅外峰吸光度分別為0.584、0.619和0.648，這顯然與蒽酮比色法測得的糖原含量變化趨勢是一致的.

        活性污泥樣品是十分復(fù)雜的混合物，課題組以前的研究中也曾比較了污泥樣品與標(biāo)準(zhǔn)樣品的紅外光譜峰，初步確定了糖原的特征吸收峰，并采用特征峰強(qiáng)度比值對活性污泥中的糖原含量進(jìn)行了初步定量表征.