本發(fā)明屬于污水處理技術(shù)中生物濾池接種菌粉制備領(lǐng)域，特別涉及一種基于正交實驗全數(shù)據(jù)模型的反硝化菌粉制備優(yōu)化方法。

背景技術(shù)：

1、傳統(tǒng)的生物濾池接種方式多采用生活污水或相應(yīng)的工業(yè)廢水進行掛膜馴化，往往耗時耗量，掛膜后濾池降解cod和氮磷等的效果也不理想。微生物菌粉具有使用方便，掛膜馴化周期短，成熟生物膜運行高效穩(wěn)定等優(yōu)點逐漸受到業(yè)界關(guān)注。但是如何找到最佳微生物菌粉制備的優(yōu)化條件，目前尚缺少研究。常規(guī)的正交優(yōu)化設(shè)計能夠找出微生物菌粉較為理想的制備條件，但是不一定是最佳條件。在目前追求低成本和高效率的技術(shù)背景下，尋找一種簡單高效的方法獲得微生物菌粉的最佳制備條件成為當(dāng)務(wù)之急。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是：提供一種基于正交實驗全數(shù)據(jù)模型的反硝化菌粉制備優(yōu)化方法，可在原有正交實驗設(shè)計的基礎(chǔ)上，不增加任何實驗點衍生計算出全面實驗的完整數(shù)據(jù)，且算法簡便、算值精準(zhǔn)，制備出的反硝化微生物菌粉脫氮性能表現(xiàn)最佳。

2、本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種基于正交實驗全數(shù)據(jù)模型的反硝化菌粉制備優(yōu)化方法，包括以下步驟：

3、步驟1：菌種選取和干燥；

4、步驟2：基于正交實驗全數(shù)據(jù)模型的反硝化菌種的活化富集；

5、步驟3：基于正交實驗全數(shù)據(jù)模型的反硝化菌種的發(fā)酵和固定化；

6、步驟4：傳統(tǒng)正交實驗與全數(shù)據(jù)模型正交實驗獲取的菌粉比較。

7、更進一步的，所述步驟1菌種選取和干燥的方法包括：

8、步驟1.1：選取實驗室反硝化池污泥或厭氧生物濾池污泥或活性污泥為活化富集的菌種；

9、步驟1.2：若選取的污泥含水率較高，則對其烘干或冷凍干燥，使得含水率<10％；

10、更進一步的，所述步驟2基于正交實驗全數(shù)據(jù)模型的反硝化菌種的活化富集的方法包括：

11、步驟2.1：稱取0.2g步驟1中獲取的菌種，加入相應(yīng)的活化培養(yǎng)基，在初始硝氮濃度為350mg/l和32℃條件下活化富集培養(yǎng)36h；

12、測定0h和36h時點的硝氮濃度，根據(jù)公式1計算硝氮去除率nre，nre越高，說明反硝化菌種活化富集的狀態(tài)越好；

13、

14、c0代表0h時的硝氮濃度，c36代表36h時的硝氮濃度

15、步驟2.2：上述步驟2.1中的活化培養(yǎng)基按照4因素3水平正交設(shè)計進行配置，共進行9個獨立實驗；

16、設(shè)：4因素為a、b、c、d，a因素為牛肉膏-蛋白胨添加量，即bp量；b因素為ph值；c因素為nacl濃度；d因素作為誤差分析因子；

17、設(shè)：a因素的3個水平添加的bp量：a1為0ml，a2為20ml，a3為40ml；

18、b因素的3個水平ph值：b1為4，b2為5.5，b3為7；

19、c因素的3個水平nacl濃度：c1為0g/l、c2為5g/l、c3為9g/l；

20、活化培養(yǎng)基最終定容到45ml；

21、步驟2.3：根據(jù)步驟2.1和2.2進行實驗共獲得9個實驗結(jié)果；

22、第1-9號實驗組正交實測值通過4因素3水平正交實驗全數(shù)據(jù)模型計算，獲得活化富集階段最優(yōu)條件組合a2b3c3，即bp量＝20ml，ph值＝7，nacl＝9mg/l，正交實驗全數(shù)據(jù)模型計算得到的nre＝99.6％；

23、4因素3水平正交實驗全數(shù)據(jù)模型計算方法：4因素分別設(shè)定為a因素，b因素，c因素和d因素，因此對應(yīng)組合的數(shù)值aibjckdl＝aijkl，可以表示為a因素i水平、b因素j水平、c因素k水平,d因素l水平時刻的測試結(jié)果；理論上，無偏基準(zhǔn)量v是4因素3水平全面實驗數(shù)據(jù)點的平均值，xn代表n因素x水平下所有實驗點的平均值；

24、在l(9)34正交設(shè)計中，無偏基準(zhǔn)量v定義為：

25、

26、在l(9)34正交設(shè)計中，對于任意xn，如ia代表a因素1水平所有測試結(jié)果的平均值，可以表示為：

27、

28、同理可得：

29、

30、在l(9)34正交設(shè)計中，δia代表ia到v的偏離度，可以表示為：

31、δia＝v-ia???(公式4)

32、同理可得:

33、δiia＝v-iia，δiiia＝v-iiia

34、δib＝v-ib,δiib＝v-iib,δiiib＝v-iiib

35、δic＝v-ic,δiic＝v-iic,δiiic＝v-iiic

36、δid＝v-id,δiid＝v-iid,δiiid＝v-iiid

37、在l(9)34正交設(shè)計中，任意一個實驗點的數(shù)據(jù)值均可以表示為：

38、aibjckdl＝aijkl＝v-(δia+δjb+δkc+δld)??(公式5)

39、理論上，無偏基準(zhǔn)量v是4因素3水平全面實驗數(shù)據(jù)點的平均值，ia代表a因素i水平下所有實驗點的平均值，但是由于公式2和公式3中存在未知數(shù)據(jù)，因此不能根據(jù)公式2和公式3進行全數(shù)據(jù)模型計算；

40、在實際模型計算時，全部正交實測點均值v可以用ave(al)代表；在軟件計算時，將正交實測點簡單求均值即可；n因素x水平條件下的全部正交實測點均值可以用ave(xn)代表；在軟件計算時，將n因素x水平下的正交實測點一起求均值即可；

41、則：

42、v?＝?ave(al)???(公式6)

43、同理：

44、xn?＝?ave(xn)??(公式7)

45、在l(9)34正交設(shè)計中，根據(jù)公式5，其對應(yīng)全面實驗中任意未測數(shù)據(jù)值均按如下方式計算：

46、res(a1b1c1d1)＝v-(δia+δib+δic+δid)

47、res(a1b2c3d3)＝v-(δia+δiib+δiiic+δiiid)

48、······

49、res(a3b3c3d3)＝v-(δiiia+δiiib+δiiic+δiiid)

50、步驟2.4：選擇步驟2.3中獲得的最優(yōu)條件對菌種進行富集培養(yǎng)36h；富集培養(yǎng)時，在活化培養(yǎng)基礎(chǔ)上擴大10倍，即稱取2g菌種加入到450ml培養(yǎng)基中；

51、步驟2.5：將步驟2.4富集得到的菌種進行冷凍離心，冷凍離心轉(zhuǎn)速設(shè)置為5000rpm，時間設(shè)置為10min，使用60ml?0.01m的磷酸鹽緩沖液重懸一次獲得菌懸液s1；

52、更進一步地，所述步驟基于正交實驗全數(shù)據(jù)模型的反硝化菌種的發(fā)酵和固定化的方法包括：

53、步驟3.1：將步驟2.5富集得到的菌懸液s1進行發(fā)酵和固定化：量取2ml菌懸液，加入相應(yīng)的發(fā)酵培養(yǎng)基，在初始硝氮濃度為350mg/l，溫度為32℃條件下進行發(fā)酵固定化振蕩培養(yǎng)，以反應(yīng)36h后的硝氮去除率nre為指標(biāo)進行優(yōu)選；

54、步驟3.2：上述步驟3.1中使用的發(fā)酵培養(yǎng)基按照6因素5水平正交設(shè)計進行配置；

55、設(shè)：6因素為a、b、c、d、e、f，a因素為麥麩和玉米粉比，即w/c比；b因素為bp量；c因素為ph值；d因素為nacl濃度；e因素為葡糖和硝氮比，即g/n比；f因素作為誤差分析因子；

56、設(shè)：a因素的5個水平分別為w/c比，a1等于0:100，a2等于25:75，a3等于50:50，a4等于75:25，a5等于100:0；

57、b因素的5個水平分別為bp量，b1等于0ml，b2等于5ml，b3等于10ml，b4等于15ml，b5等于20ml；

58、c因素的5個水平分別為ph值，c1等于4.5，c2等于5.5，c3等于6.5，c4等于7.5，c5等于8.5；

59、d因素的5個水平分別為nacl濃度，d1等于0g/l，d2等于1g/l，d3等于2.5g/l，d4等于5g/l，d5等于9g/l；

60、e因素的5個水平分別為g/n比，e1等于0，e2等于1，e3等于2.5，e4等于5，e5等于10；

61、麥麩和玉米粉作為菌種載體，總加入量恒定為5.6g，發(fā)酵培養(yǎng)基定容到45ml；

62、步驟3.3：根據(jù)步驟3.1和3.2設(shè)置的條件進行實驗獲得共計25個實驗結(jié)果，將25個正交實測值通過6因素5水平正交實驗全數(shù)據(jù)模型計算，獲得發(fā)酵階段最優(yōu)條件組合a4b2c4d5e3，即w/c＝75:25，bp＝5ml，ph值＝7.5，nacl＝9mg/l，g/n＝2.5，正交實驗全數(shù)據(jù)模型計算得到的nre＝94.8％；

63、6因素5水平正交實驗全數(shù)據(jù)模型計算方法：6因素分別設(shè)定為a因素，b因素，c因素，d因素，e因素和f因素，因此對應(yīng)組合的數(shù)值(aibjckdlepfq＝aijklpq)可以表示為a因素i水平、b因素j水平、c因素k水平、d因素l水平、e因素p水平、f因素q水平時刻的測試結(jié)果；理論上，無偏基準(zhǔn)量v是6因素5水平全面實驗數(shù)據(jù)點的平均值，xn代表n因素x水平下所有實驗點的平均值；

64、在l(25)56正交設(shè)計中，無偏基準(zhǔn)量v定義為：

65、

66、在l(25)56正交設(shè)計中，對于任意xn，如ia代表a因素1水平所有測試結(jié)果的平均值，可以表示為：

67、

68、同理可得：

69、

70、

71、在l(25)56正交設(shè)計中，δia代表ia到v的偏離度，可以表示為：

72、δia＝v-ia???(公式10)

73、同理可得:

74、δiia＝v-iia，δiiia＝v-iiia，δiva＝v-iva，δva＝v-va，

75、δib＝v-ib,δiib＝v-iib,δiiib＝v-iiib，δivb＝v-ivb，δvb＝v-vb，

76、δic＝v-ic,δiic＝v-iic,δiiic＝v-iiic，δivc＝v-ivc，δvc＝v-vc，

77、δid＝v-id,δiid＝v-iid,δiiid＝v-iiid,δivd＝v-ivd，δvd＝v-vd，

78、δie＝v-ie,δiie＝v-iie,δiiie＝v-iiie,δive＝v-ive，δve＝v-ve，

79、δif＝v-if,δiif＝v-iif,δiiif＝v-iiif,δivf＝v-ivf，δvf＝v-vf，

80、在l(25)56正交設(shè)計中，任意一個實驗點的數(shù)據(jù)值均可以表示為：

81、aibjckdlepfq＝aijklpq＝v-(δia+δjb+δkc++δld+δpe+δqf)???(公式11)

82、理論上，無偏基準(zhǔn)量v是6因素5水平全面實驗數(shù)據(jù)點的平均值，ia代表a因素i水平下所有實驗點的平均值，但是由于公式8和公式9中存在未知數(shù)據(jù)，因此不能根據(jù)公式8和公式9進行模型計算；

83、在實際模型計算時，全部正交實測點均值v可以用ave(al)代表；在軟件計算時，將正交實測點簡單求均值即可；n因素x水平條件下的全部正交實測點均值可以用ave(xn)代表；在軟件計算時，將n因素x水平下的正交實測點一起求均值即可；

84、則：

85、v＝ave(al)???(公式12)

86、同理：

87、xn＝ave(xn)???(公式13)

88、在l(25)56正交設(shè)計中，根據(jù)公式11，其對應(yīng)全面實驗中任意未測數(shù)據(jù)值均可按如下方式計算：

89、res(a1b1c1d1e1f1)＝v-(δia+δib+δic+δid+δie+δif)

90、res(a1b2c3d4e5f5)＝v-(δia+δiib+δiiic+δivd+δve+δvf)

91、······

92、res(a5b5c5d5e5f5)＝v-(δva+δvb+δvc+δvd+δve+δvf)

93、步驟3.4：選擇步驟3.3中獲得的最優(yōu)條件對菌懸液s1進行發(fā)酵培養(yǎng)36h；此時，活化富集得到的反硝化菌能夠較好的固定化到菌粉載體上；將發(fā)酵混合物冷凍干燥至含水率＜10％，即得到反硝化菌粉denitr_1；

94、更進一步地，所述步驟4傳統(tǒng)正交實驗與全數(shù)據(jù)模型正交實驗獲取的菌粉比較的方法包括：

95、步驟4.1：根據(jù)傳統(tǒng)正交設(shè)計中l(wèi)(9)34和l(25)56部分的實驗結(jié)果，可以直接看出：

96、活化富集階段正交最優(yōu)組合為a2b3c1，即bp量＝20ml，ph值＝7，nacl＝0mg/l，nre＝94.5％；

97、發(fā)酵階段正交最優(yōu)組合為a4b1c4d2e5，即w/c＝75:25，bp＝0ml，ph值＝7.5，nacl＝1mg/l，g/n＝10，nre＝85.4％；

98、步驟4.2：其他條件和denitr_1的完全相同下，使用步驟4.1中2個階段的正交優(yōu)化條件對應(yīng)的培養(yǎng)基制備出反硝化菌粉denitr_2；

99、步驟4.3：配置兩組450ml的人工硝氮廢水，初始硝氮濃度分別為25mg/l和400mg/l；其中cod:n:p＝100:5:1，初始ph值為7.5，溫度恒定為32℃；分別稱取2g所制備的菌粉denitr_1和denitri_2，加入硝氮廢水中進行脫氮運行，不定時取樣測定硝氮濃度，硝氮去除越快，說明菌粉活性越好；

100、結(jié)果顯示denitr_1的反硝化性能顯著優(yōu)于denitr_2，可見基于正交實驗全數(shù)據(jù)模型獲取的優(yōu)選條件比傳統(tǒng)正交設(shè)計獲得的優(yōu)選條件更佳。

101、本發(fā)明面向獲取微生物菌粉的最佳制備條件，在傳統(tǒng)正交設(shè)計基礎(chǔ)上，通過數(shù)學(xué)模型算法論證和擬合計算，衍生出全面實驗的完整數(shù)據(jù)，并可從擬合結(jié)果中提取出隱藏的最優(yōu)實驗條件，且算法簡便、算值精準(zhǔn)，制備出的反硝化微生物菌粉脫氮性能表現(xiàn)比傳統(tǒng)正交優(yōu)化實驗獲得的菌粉更佳。