一种人工湿地系统堵塞风险评估方法与流程

1.本发明属于土壤化学技术领域，涉及一种人工湿地系统堵塞风险评估方法。


背景技术：

2.人工湿地污水处理系统是模仿自然湿地系统，将土壤、砂石等基质材料按照一定的比例进行人工堆积，同时栽种优选的耐污植物进行污水净化处理。通过基质、植物、微生物三部分产生的物理、化学、生物作用进行协同处理，以达到净化水质、调节气候的作用。作为一种“绿色清洁”的污水处理技术，人工湿地具有高效低耗、维护管理简单和美化环境等诸多优点。
3.人工湿地系统经过长时间运行后，系统内的有机物逐渐积累在基质表面同时伴随微生物分泌产生的胞外聚合物(eps)导致形成凝胶状生物膜，致使过多的无机及有机颗粒被截留聚集，最终导致湿地系统发生堵塞问题。人工湿地系统堵塞后处理效率降低，系统环境恶化严重影响湿地去污功能的高效稳定发挥。eps是微生物在一定环境条件下代谢并分泌于细胞外的一种复杂高分子聚合物，包含腐殖酸类(ha-like)、富里酸类(fa-like)、蛋白质类(protein-like)和多糖类物质，主要成分本质上是属于溶解性有机物(dom)。
4.三维荧光光谱结合平行因子分析方法(eem-parafac)因具有较高的灵敏度、对样品较低的破坏性和选择性等优点被广泛用于dom的研究工作中。但是，发明人发现，现有的用于评估方法无法及时、准确的发现人工湿地系统面临的风险，无法进行定量评价，这对于及时预防、修复湿地系统是极为不利的。


技术实现要素：

5.为了解决现有技术的不足，本发明提供一种人工湿地系统堵塞风险评估方法，该方法通过计算湿地系统完全未堵塞和完全堵塞时的基质胞外聚合物的最大荧光强度综合，通过公式c＝∑
待
fmax/(∑
后
fmax-∑
前
fmax)
×
100％计算待测湿地系统各个采样点基质的堵塞风险，从而及时发现人工湿地系统面临的问题，并及时采取维护措施。
6.具体地，本发明是通过如下技术方案实现的：
7.在本发明的第一方面，一种人工湿地系统堵塞风险评估方法，提取基质中的胞外聚合物；使用三维荧光光谱技术测定胞外聚合物，将胞外聚合物中腐殖酸、富里酸和蛋白质的最大荧光强度总和与多糖的最大荧光强度相加得到待测荧光强度；接着，分别计算人工湿地系统完全未堵塞和完全堵塞时的基质胞外聚合物的最大荧光强度总和；基于待测荧光强度与完全堵塞时和完全未堵塞时荧光强度总和之差的比值，判断人工湿地系统发生堵塞的风险。
8.在本发明的第二方面，一种人工湿地系统堵塞预防方法，采用人工湿地系统堵塞风险评估方法；当堵塞风险超过50％时，对人工湿地系统进行清洗或者更换基质填料，以保证人工湿地系统的正常运行。
9.在本发明的第三方面，所述的人工湿地系统堵塞风险评估方法和/或所述的人工
湿地系统堵塞预防方法在土壤系统堵塞探测领域中的应用。
10.本发明一个或多个实施例具有以下有益效果：
11.利用三维荧光光谱技术对人工湿地堵塞情况进行测定及评估，实现堵塞情况的定量评价，基质采样和维护方法简单有效。胞外聚合物(eps)测定方法快捷高效，简单易学，适合推广，且人工湿地系统设计科学，以农林废弃物和废弃铁矿石为基质填充材料，具有节省资源、废物利用、绿色清洁等优点。
附图说明
12.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。以下，结合附图来详细说明本发明的实施方案，其中：
13.图1为实施例1所提供的人工湿地系统正视图；
14.图2为实施例1所提供的人工湿地系统俯视图；
15.图3为实施例1所提供的基质堵塞物采样管的正视图，包括采样管(图3-a)和填满基质采样包的采样管(图3-b)；
16.图4为实施例1所提供的布水管的俯视图；
17.图5为实施例1所提供的布水支管的结构示意图；
18.图6为评估人工湿地系统堵塞风险的基本流程图；
19.其中，1、湿地植物；2、表面基质；3、布水管；3-1、布水支管3-2、布水管渗水孔；4、上层基质；5、中层基质；6、下层基质；7、承托层；8、防渗墙；9、基质取样包外挂绳头；10、基质堵塞物采样管；10-1、采样管表面基质取样包；10-2、采样管渗水孔；10-3、采样管上层基质取样包；10-4、采样管中层基质取样包；10-5、采样管下层基质取样包；10-6、采样管承托层取样包。
具体实施方式
20.下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件或按照制造厂商所建议的条件。
21.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
22.目前，现有的关于人工湿地系统的评估方法无法及时、准确的发现人工湿地系统面临的风险，无法进行定量评价，为此，本发明提供了一种人工湿地系统堵塞风险评估方法。
23.在本发明的一种或多种实施例中，一种人工湿地系统堵塞风险评估方法，提取基质中的胞外聚合物；使用三维荧光光谱技术测定胞外聚合物，将胞外聚合物中腐殖酸、富里酸和蛋白质的最大荧光强度总和与多糖的最大荧光强度相加得到待测荧光强度；接着，分别计算人工湿地系统完全未堵塞和完全堵塞时的基质胞外聚合物的最大荧光强度总和；基
于待测荧光强度与完全堵塞时和完全未堵塞时荧光强度总和之差的比值，判断人工湿地系统发生堵塞的风险。
24.通过从预设的采样管中分层采集基质样品，利用三维荧光光谱技术分别测定完全堵塞基质和完全未堵塞基质eps主要成分(腐殖酸、富里酸、蛋白质和多糖)的总最大荧光强度∑
前
fmax和∑
后
fmax，同理测定待评估系统堵塞基质eps的∑
待
fmax。通过公式计算堵塞风险c＝∑
待
fmax/(∑
后
fmax-∑
前
fmax)
×
100％评估堵塞风险。具体地，当比值》50％时，说明人工湿地系统容易发生堵塞，需要及时采取维护措施。当c值越大说明堵塞风险越高，而后根据实际情况及时进行清洗或者更换基质填料以保证系统的正常运行。
25.本发明提供的评估方法能够实现对风险的量化评估，具有较高的准确性，具体地的评估方法包括：
26.s1采集基质样品；
27.s2提取胞外聚合物；
28.s3使用三维荧光光谱技术测定胞外聚合物，利用三维荧光-平行因子分析方法计算胞外聚合物中腐殖酸，富里酸和蛋白质的最大荧光强度总和∑f1max；
29.s4使用三维荧光光谱技术测定胞外聚合物中多糖的最大荧光强度f2max；
30.s5将胞外聚合物所有成分的最大荧光强度相加作为待测荧光强度∑
待
fmax＝∑f1max f2max；
31.s6计算湿地系统完全未堵塞和完全堵塞时的基质eps的最大荧光强度总和：∑
前
fmax和∑
后
fmax；
32.s7计算待测湿地系统各个采样点基质的堵塞风险，公式如下：c＝∑
待
fmax/(∑
后
fmax-∑
前
fmax)
×
100％，当c》50％时说明该系统可能发生堵塞，需要及时采取维护措施。
33.进一步地，s1中，采集基质样品包括：
34.设计可采集基质人工湿地系统：在人工湿地系统四角及中心位置设置5个采样点并放置采样竖管用于采集基质样品。这种采集方式，有利于降低误差，提高评估准确性。
35.其中，所述人工湿地系统自上而下具体包括湿地植物(1)、表面基质(2)、布水管(3)、上层基质(4)、中层基质(5)、下层基质(6)、承托层(7)、防渗墙(8)、基质取样包外挂绳头(9)、基质堵塞物采样管(10)。这种人工湿地系统，容易堵塞，而且，由于结构复杂，堵塞发生后很难及时观察到，且无法定量评估。对于针对该种类型的人工湿地系统的评估方法具有更高的要求。
36.上述人工湿地系统中，对于湿地植物没有具体的限定，一般常用的湿地植物都属于本发明的保护范围。优选的，所述湿地植物选用鸢尾、菖蒲、芦苇、美人蕉、水芹中的一种或多种。
37.上述人工湿地系统中，所述表面基质，由厚度为10～15cm的细沙构成。
38.或，所述上层基质，由粒径为2～4cm农作物秸秆颗粒、玉米芯颗粒、木屑等农林废物中的一种或多种构成，厚度为20～40cm。
39.或，所述中层基质，由粒径为5～6cm的砾石构成，厚度为15～20cm。
40.或，所述下层基质，由粒径为4～5cm废弃铁矿石如黄铁矿、锰铁矿、磁铁矿中的一种或多种构成，厚度为30～40cm。
41.或，所述承托层，由粒径为10～12cm的砾石构成，厚度为20～30cm。
42.或，所述防渗墙，由c20混凝土构成，厚度为5～10cm。
43.或，所述布水管(3)，由若干直径为5cm的pvc布水支管(3-1)组装而成，其周围均匀分布若干渗水孔(3-2)。
44.为了实现对人工湿地系统进行均匀取样，降低误差，所述采样管(10)为直径为5～10cm的pvc管，其周围均匀分布渗水孔(10-2)以便采样管和湿地系统共处于同一污水环境；采样管内部和湿地系统填充基质一致，共包含表面基质取样包(10-1)、采样管上层基质取样包(10-3)、采样管中层基质取样包(10-4)、采样管下层基质取样包(10-5)、采样管承托层取样包(10-6)5个采样包；各取样包由医用无纺纱布缝制而成并带有拖拽绳，所有取样包拖拽绳延伸至采样管出口组成基质取样包外挂绳头(9)方便取样。
45.进一步地，s2中，取样方法具体为移除基质堵塞物采样管(10)的湿地植物(1)后，从5根采样管(10)中通过拖拽基质取样包外挂绳头(9)依次取出采样管表面基质取样包(10-1)、采样管上层基质取样包(10-3)、采样管中层基质取样包(10-4)、采样管下层基质取样包(10-5)、采样管承托层取样包(10-6)5个采样包中的基质各0.5-3kg用于后续基质堵塞物的提取；取样完成后将采样管中的采样包进行补充并回填，不影响湿地系统的正常运行；
46.进一步地，s2中，基质堵塞物胞外聚合物的提取主要通过超声-高速离心法进行；进一步地，取采集到的各个采样包基质200-400g于400-600ml烧杯中，加入灭菌纯水200-500ml，温度为100-150℃，时间为20-50min；使用功率为15-30w的超声波仪器进行超声处理4-30min，然后进行离心7-20min，最后将上清液通过0.30-0.50μm的醋酸纤维滤膜进行过滤后待测。
47.在上述评估方法中，s4中，多糖的测定：由于苯酚和浓硫酸可以与多糖反应生成一种橙红色有机化合物，该物质具有荧光特性，可以使用三维荧光技术进行测定。取1-4ml待测溶液加入1-3ml 4-8％苯酚后迅速加入5-20ml浓硫酸，充分混匀，静置10-40分钟再次通过0.30-0.50μm的醋酸纤维滤膜进行过滤后测定其三维荧光，多糖的荧光特征峰的波长为激发：480nm，发射：510nm。
48.s3和s4中测定三维荧光光谱之前可以用milli-q水将溶解性有机物(dom)浓度超过8mg c/l的样品进行稀释以便去除荧光内滤的影响。在低灵敏度和扫描速度为2000nm/min下进行测定，激发光谱的扫描范围为200～500nm，数据间隔和带宽为5nm；发射光谱的扫描范围为250～550nm，数据间隔和带宽分别为2nm和10nm。同时测定milli-q水以样品光谱数据减去milli-q水的光谱数据来消除拉曼散射峰的影响以此突出有用的荧光信息。另外使用硫酸奎宁单位(qsu)对荧光强度进行归一化校准，其中1qsu等于0.01mg/l奎宁溶解在1mol/l的h2so4中测得三维荧光光谱中激发波长/发射波长＝350/450nm处的最大荧光强度。
49.其中，s3中的平行因子分析是通过将经过预处理后的三维荧光光谱数据利用dom fluor v.1.7工具箱在matlab软件上进行分析。平行因子分析方法可以有效消除荧光峰彼此之间的重叠影响，删除拉曼散射和瑞利散射以及离群值，并利用delaunay三角插值法将这部分数据替换为插值数据。此模型是采用非负性约束，通过残差分析和负载分析以识别正确数量的dom组分并将荧光光谱分解成独立的组分。所得dom组分的荧光强度由最大荧光强度(fmax)进行表示，它被指定为该区域的最高荧光值，并用于表示dom组分的大小。
50.s6中完全未堵塞基质以与待测湿地系统相同的干净填埋基质eps数据作为参考。完全堵塞物以与待测湿地系统同等方式运行的系统堵塞后的基质堵塞物eps数据作为参
考，或者以按照待测湿地系统设计进行单独的快速室内模拟实验得到系统完全堵塞后的基质数据作为参考。
51.步骤s6中完全未堵塞和完全堵塞eps荧光强度总和∑
前
fmax和∑
后
fmax的测定及计算同s3～s5。
52.上述方法快捷高效，简单易学，适合推广，且人工湿地系统设计科学，以农林废弃物和废弃铁矿石为基质填充材料，具有节省资源、废物利用、绿色清洁等优点。
53.在本发明的一种或多种实施例中，一种人工湿地系统堵塞预防方法，采用所述的人工湿地系统堵塞风险评估方法；当堵塞风险超过50％时，对人工湿地系统进行清洗或者更换基质填料，以保证人工湿地系统的正常运行。
54.在本发明的一种或多种实施例中，所述的人工湿地系统堵塞风险评估方法和/或所述的人工湿地系统堵塞预防方法在土壤系统堵塞探测领域中的应用。
55.下面结合具体的实施例，对本发明做进一步的详细说明，应该指出，所述具体实施例是对本发明的解释而不是限定。
56.实施例1
57.如图1和图2所示，提供一种基于三维荧光光谱技术的人工湿地系统堵塞风险评估方法，其中可采集基质人工湿地系统自上而下具体包括湿地植物(1)、表面基质(2)、布水管(3)、上层基质(4)、中层基质(5)、下层基质(6)、承托层(7)、防渗墙(8)、基质取样包外挂绳头(9)、基质堵塞物采样管(10)。湿地植物(1)选用鸢尾与菖蒲交错种植，表面基质(2)由厚度为15cm的细沙构成，上层基质(4)由厚度为20cm粒径为2～4cm的玉米秸秆颗粒和玉米芯颗粒按比例1:1构成，中层基质(5)由厚度为20cm粒径为5～6cm的砾石构成，下层基质(6)由厚度为30cm粒径为4～5cm的废弃黄铁矿构成，承托层(7)由厚度为20cm粒径为10～12cm的砾石构成，防渗墙(8)由厚度为5cm的c20混凝土构成。
58.如图2和图3所示，共设置5根pvc采样管(10)，其直径为5cm且周围均匀分布渗水孔(10-2)以便采样管和湿地系统共处于同一污水环境。采样管内部和上述湿地系统填充基质一致，共包含表面基质取样包(10-1)、采样管上层基质取样包(10-3)、采样管中层基质取样包(10-4)、采样管下层基质取样包(10-5)、采样管承托层取样包(10-6)5个采样包。各取样包由医用无纺纱布缝制而成并带有拖拽绳，所有取样包拖拽绳延伸至采样管出口组成基质取样包外挂绳头(9)方便取样。
59.如图4和图5所示，布水管(3)，由6根直径为5cm的pvc布水支管(3-1)组装而成，其周围均匀分布若干渗水孔(3-2)。
60.将某城市污水处理厂尾水按照连续投配方式注入人工湿地系统进水口，污水通过布水管(3)进入系统后部分污水往上渗透至表面基质(2)和湿地植物(1)，大部分污水自上而下依次流经上层基质(4)、中层基质(5)、下层基质(6)、承托层(7)，污水经过净化后从出水口排出。
61.如图6所示，评估人工湿地系统堵塞风险的基本流程包括采集基质堵塞物样品(s1)、利用三维荧光光谱技术测定基质堵塞物eps主要成分(腐殖酸、富里酸、蛋白质和多糖)的总最大荧光强度∑待fmax以及完全未堵塞和完全堵塞时的基质eps的总最大荧光强度∑
前
fmax和∑
后
fmax(s2)、通过公式计算堵塞风险c＝∑
待
fmax/(∑
后
fmax-∑
前
fmax)
×
100％评估堵塞风险(s3)、对堵塞风险的判别：当c》50％时说明该系统可能发生堵塞，c值越
大说明堵塞风险越高，而后根据实际情况及时进行清洗或者更换基质填料以保证系统的正常运行(s4)。人工湿地运行期间从5根pvc采样管(10)中通过拖拽基质取样包外挂绳头(9)依次取出采样管表面基质取样包(10-1)、采样管上层基质取样包(10-3)、采样管中层基质取样包(10-4)、采样管下层基质取样包(10-5)、采样管承托层取样包(10-6)5个采样包中的基质各1kg用于后续基质堵塞物eps的提取。取样完成后将采样管中的采样包进行补充并回填，不影响湿地系统的正常运行。
62.基质堵塞物eps的提取主要通过超声-高速离心法进行。取采集到的各个采样包基质300g于500ml烧杯中，加入灭菌纯水300ml(121℃-30min)后使用功率为18w的超声波仪器进行超声处理10min，然后以2000g的离心力进行高速离心15min，最后将上清液通过0.45μm的醋酸纤维滤膜进行过滤后待测。
63.将待测溶液一分为二，一份测定eps中腐殖酸，富里酸和蛋白质的最大荧光强度总和∑f1max，一份测定eps中多糖的最大荧光强度f2max。将eps所有成分的最大荧光强度相加作为∑待fmax＝∑f1max f2max。
64.具体地，使用三维荧光-平行因子分析方法计算∑f1max。
65.具体地，测定三维荧光光谱之前用milli-q水将doc浓度超过8mg c/l的样品进行稀释以便去除荧光内滤的影响。在低灵敏度和扫描速度为2000nm/min下进行测定，激发光谱的扫描范围为200～500nm，数据间隔和带宽为5nm；发射光谱的扫描范围为250～550nm，数据间隔和带宽分别为2nm和10nm。同时测定milli-q水以样品光谱数据减去milli-q水的光谱数据来消除拉曼散射峰的影响以此突出有用的荧光信息。另外使用硫酸奎宁单位(qsu)对荧光强度进行归一化校准，其中1qsu等于0.01mg/l奎宁溶解在1mol/l的h2so4中测得三维荧光光谱中激发波长/发射波长＝350/450nm处的最大荧光强度。
66.具体地，平行因子分析是通过将经过预处理后的三维荧光光谱数据利用dom fluor v.1.7工具箱在matlab软件上进行分析。平行因子分析方法可以有效消除荧光峰彼此之间的重叠影响，删除拉曼散射和瑞利散射以及离群值，并利用delaunay三角插值法将这部分数据替换为插值数据。此模型是采用非负性约束，通过残差分析和负载分析以识别正确数量的dom组分并将荧光光谱分解成独立的组分。所得dom组分的荧光强度由最大荧光强度(fmax)进行表示，它被指定为该区域的最高荧光值，并用于表示dom组分的大小。
67.具体地，使用三维荧光-平行因子分析方法得到eps中各荧光组分的最大荧光强度后，将结果进行相加并按照其稀释比例对结果进行还原即得到5根采样管中5个采样包的平均∑f1max自上而下依次为135.37qsu(10-1)、487.93qsu(10-3)、318.68qsu(10-4)、353.16qsu(10-5)、215.68qsu(10-6)。
68.具体地，使用苯酚和浓硫酸处理eps溶液后使用三维荧光-平行因子分析方法计算∑f2max。
69.具体地，由于苯酚和浓硫酸可以与多糖反应生成一种橙红色有机化合物，该物质具有荧光特性，可以使用三维荧光技术进行测定。具体为取2ml待测溶液加入2ml 6％苯酚后迅速加入10ml浓硫酸，在涡旋仪上震荡，充分混匀，静置30分钟再次通过0.45μm的醋酸纤维滤膜进行过滤后测定其三维荧光，多糖的荧光特征峰的波长为激发：480nm，发射：510nm。
70.具体地，同∑f1max测定计算方法一致，使用三维荧光-平行因子分析方法得到处理后eps中多糖的最大荧光强度后，按照其稀释比例对结果进行还原即得到5根采样管中5
个采样包的平均∑f2max自上而下依次为6.59qsu(10-1)、21.59qsu(10-3)、11.59qsu(10-4)、15.59qsu(10-5)、8.59qsu(10-6)。将基质eps所有成分的最大荧光强度相加得到5根采样管中5个采样包的平均∑待fmax自上而下依次为135.37qsu(10-1)、487.93qsu(10-3)、318.68qsu(10-4)、353.16qsu(10-5)、215.68qsu(10-6)。
71.计算湿地系统完全未堵塞和完全堵塞时的基质eps的最大荧光强度总和：∑前fmax和∑后fmax，测定及计算方法同∑待fmax。
72.具体地，完全未堵塞基质以与待测湿地系统相同的干净填埋基质eps数据作为参考。完全堵塞物基质以按照待测湿地系统设计进行单独的快速室内模拟实验得到系统完全堵塞后的基质数据作为参考。
73.具体地，采样管中5个采样包的∑
前
fmax自上而下依次为6.50qsu(10-1)、129.88qsu(10-3)、51.07qsu(10-4)、63.90qsu(10-5)、44.20qsu(10-6)。采样管中5个采样包的∑
后
fmax自上而下依次为342.08qsu(10-1)、710.88qsu(10-3)、532.84qsu(10-4)、572.30qsu(10-5)、425.73qsu(10-6)。
74.通过公式计算待测湿地系统5根采样管中5个采样包的平均堵塞风险c自上而下依次为40.34％(10-1)、83.98％(10-3)、66.15％(10-4)、69.46％(10-5)、56.53％(10-6)。
75.该系统除表面基质(2)外，其他上层基质(4)、中层基质(5)、下层基质(6)、承托层(7)堵塞风险均大于50％，尤其是上层基质(4)堵塞风险c高达83.98％，而上层基质(4)位于布水管下部，此部分属于易堵塞部位，同时下层基质(6)堵塞风险c为69.46％，也属于较易堵塞部位。因此，本实施例1各基质层均已达到较高堵塞风险应及时采取维护以保证湿地系统的正常运行。
76.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。