活性污泥法除磷过程中胞内储存物质的红外光谱解析与应用

生物除磷具有环境友好和经济有效的特点，成为城市污水除磷的主要技术手段。胞内储存物质在生物除磷过程中扮演重要角色，对于建立与生物除磷相关的生化模型和动力学模型起着不可替代的作用。胞内储存物质的种类和浓度与反应器的除磷效率亦有着密切关系。然而，迄今为止相关的分析方法和表征手段难以及时准确反映胞内储存物质的变化。该课题基于红外光谱学和化学计量学分析方法，通过分析生物除磷污泥样品的近红外和中红外光谱特征，利用化学计量学方法从复杂背景中挖掘和提取待测组分相关信息，并结合胞内储存物质的化学分析，构建污泥样品的红外光谱与储存物质质量浓度的计量学模型，建立反应器的红外光谱分析方法，为实现生物除磷的系统优化提供理论依据和数据支撑。主要研究内容包括：(1)中红外谱峰分离与信息提取；(2)近红外光谱反演胞内储存物质的模型建立与评价；(3)反应器运行状态的红外光谱监测技术建立。

聚β羟基烷酸酯(PHA)、聚磷和糖原三种胞内储存物质在活性污泥除磷过程中扮演重要角色。根据储存物质的红外光谱特征，结合序批式过程中不同运行阶段活性污泥的红外光谱，对污泥的一些特征峰进行了峰位归属，PHA的特征峰位于1740cm-1左右，聚磷的特征峰位于890cm-1附近，蛋白质Ⅰ峰位于1650cm-1附近。采用高斯分峰法将分别将PHA羰基峰和蛋白质峰以及聚磷相关重叠红外峰进行分离，获得了PHA峰、蛋白质Ⅰ峰和聚磷峰的特征峰面积。PHA与蛋白质Ⅰ峰的峰面积之比与PHA的含量具有显著的相关性，聚磷与蛋白质Ⅰ峰的峰面积之比与聚磷的含量亦具有较好的线性关系，可以用于活性污泥中PHA和聚磷的快速分析。采用偏最小二乘法，选择糖原、聚磷和PHA的特征红外光谱区域数据，结合化学分析结果，可以建立它们之间的化学计量学分析模型，模型预测结果与样品分析结果具有较好的一致性。该课题研究提供了一种基于红外光谱快速表征和识别胞内储存物质的新方法，为生物除磷过程的快速监控提供的新的分析方法和理论基础。