废水好氧生物降解性测试方法研究

许　妍，周　珉，王　乔

(上海化学工业区中法水务发展有限公司，上海　201507)

· 综述 ·

废水好氧生物降解性测试方法研究

许妍，周珉，王乔

(上海化学工业区中法水务发展有限公司，上海201507)

好氧生物降解性测定是废水处理的一个核心问题，它不仅可以为废水处理工艺流程的选择提供科学依据，还可以通过它找出影响现有废水生物处理设施正常运行的主要污染源；将其用于废水生物处理设施的日常管理中，以保证正常运行。从废水生物降解性研究的意义、研究方法等方面，介绍了国内外在这方面研究工作的进展情况。同时，分析了这些方法的适用性，指出了各种测试方法的优缺点。为开展废水生物降解性的评价和研究提供了指导和参考。

废水生物降解性；有机物；好氧；测试方法

1　引　言

随着化学工业的发展，合成并生产了许多过去自然界未曾出现过的有机污染物。在生产过程中排出了组分复杂的废水。生物法[1～3]在工业废水处理中具有举足轻重的地位，生物法处理废水的可行性和有效性是以其生物降解性进行判断。

废水与微生物接触以后可出现以下几种情况：(1)废水中的有机物能很快被微生物降解，成为微生物能量和营养的来源；(2)有机物开始时对微生物有一定抑制作用，但经过一段时间后，有机物能逐步被微生物所降解利用；(3)有机物难以被微生物所降解，而且对微生物有毒害作用；(4)有机物虽难以被微生物降解，但对微生物有毒害作用[4～6]。准确判断废水的生物降解性对于处理工艺的选择以及工艺过程的控制起着决定性的作用。

在微生物降解有机物的过程中，有机物的降解分为好氧生物降解和厌氧生物降解两种方式。其中，好氧生物降解的速度明显高于厌氧生物降解的速度，而且有机物降解得较彻底。因此，本文只讨论工业废水的好氧生物降解性测试方法。

2　好氧生物降解原理

好氧生物降解的实质是微生物将废水中的有机物作为基质完成其代谢活动的过程。在生物降解过程中常伴随着有机物的损失，水和CO2的生成，O2的消耗和能量的释放(包括热量或微生物量的增加)等[7,8]。按降解程度的不同，好氧生物降解分为使物质丧失其特性的初级生物降解；使物质对环境的不良影响性质消失的环境可接受的生物降解；物质被降解成CO2、水及无机盐，或分解成为参与微生物代谢过程的物质的极限生物降解[9]。

3　好氧生物降解性测试方法

有机物的好氧生物降解过程如下图所示，有机物的去除率，O2的消耗量，CO2产量和微生物及其活性，都可反应有机物好氧生物降解的难易程度[10]。目前，对于有机物的生物降解的测试方法大致可分为呼吸方法、基质去除法、CO2生成量测定法、微生物生理指标法和模型拟合法。

图　有机物的好氧生物降解过程Fig.　Aerobic biodegradation process of organic maters

3.1呼吸方法

有机物分解时，一部分被生物分解，另一部分被同化。同化过程中伴随着O2的消耗，消耗的O2与有机物的浓度成正比，呼吸方法测定有机物的生物降解性就是基于这一原理。BOD法是最常用的方法之一，但呼吸方法一般不能反映有机物的无机化情况。

3.1.1水质指标比较法

BOD5/CODCr比值法是最经典的一种评价废水生物降解性的方法。通过BOD5/CODCr比值的测定，可以大致了解废水中的可生物降解的那部分有机物占全部有机物的比例。但该方法的缺点是BOD测定周期较长(一般需要5天)，另外影响BOD测定结果的因素很多。特别是BOD测试过程中接种的微生物的种类和数量会直接对测定结果产生影响[11]。此外，在BOD5测定中水样的稀释比一般较高，对于有毒有机物可能反应不出对微生物的抑制作用，并且在5天内也可能发生硝化作用。因此，这种方法精度不高，仅可粗略地反映有机物的降解性能。在测试技术日益进步的情况下，也有采用BOD自动测定仪测定BOD，采用理论需氧量(ThOD)代替COD的。改进的日本通产省MITI试验法则是采用BOD自动测定仪测定有机物28天的生化需氧量(BOD28)，并以BOD28/ThOD的百分率评价有机物的生物降解性。

3.1.2瓦勃氏呼吸仪试验

用瓦勃氏呼吸仪测定有机物的生物降解性，利用压差技术测定活性污泥中微生物利用有机物及其自身内源呼吸耗氧的变化，比较内源呼吸耗氧曲线和有机物耗氧曲线(生化呼吸线)，以此来判断有机物的生物降解性能[12]。如果某有机物的生化呼吸线在内源呼吸线之上，表明该种有机物可被生物降解；而若生化呼吸线低于内源呼吸线，说明该有机物不能被生物降解，且对微生物有抑制作用；如果两线重合，表明有机物不能被降解，但对微生物无抑制作用。罗朝阳等[13]用生化呼吸曲线法和BOD5/CODCr比值法定性分析了纳米复合鞣剂在活性污泥作用下的好氧生物降解特性，实验结果表明，纳米复合鞣剂溶液生化呼吸曲线在内源呼吸线之上、BOD5/CODCr值大于0.45，生物降解性能良好。

3.1.3相对耗氧速率法(SOUR)

耗氧速率(OUR)反映出微生物与废水(或污染物)接触后消耗水中溶解氧的快慢程度。该指标能快速反映出废水(或污染物)对微生物代谢过程的影响。将微生物对废水的耗氧速率除以微生物的内源呼吸耗氧速率就得到SOUR。该值越高，说明废水的生物降解性能越好。SOUR反映了活性污泥对废水的及时适应状况，但该法虽然简单，但测定一经开始就应至反应结束为止，不得中断。陈福霞等[14]针对生物系统经常遭受异常进水或毒性物质的冲击，采用OUR和SOUR快速评价污水生物降解性，以提高活性污泥系统的处理效率和运行管理水平。实验结果表明：OUR和SOUR对异常pH值水质条件以及苯酚、甲醛和甲醇等毒性物质的存在都非常敏感。

近年来，随着电极式溶解氧测定仪的商品化，欧美国家以将这种方法广泛用于污水处理厂的运行管理中，预计该技术在不远的将来在我国也将得到推广应用。

3.2基质去除法

直接测定微生物去除受试物的效果，最能直观地给出受试物的降解情况，根据指标不同，可以分为特异性分析和综合指标。

3.2.1特异性分析

用特殊仪器或方法测定反应前后受试物浓度的变化，用于分析受试物的降解性，该法可在受试物与其它化合物混合时测定，但只与受试物的化学结构变化有关，不能判断是否完全降解。张超杰等[15]利用色质联机和高效液相色谱技术，探讨了氟苯酚好氧生物降解历程；结果表明，氟苯酚好氧生物降解主要产生邻位羟基化中间产物。

特异性分析在研究有机物生物降解性方面应用很广，但它对检测仪器及设备的要求相对苛刻，有时针对检测物质方法的摸索也十分困难，特别是一些复杂有机高聚物的检测，这对于研究者提出了很大的挑战。

3.2.2综合指标

分析反应前后基质的TOC、COD等有机物综合指标。这一类方法较直观，可以反映有机物的无机化程度，但条件必须是受试物应该是唯一的碳源。Moos等[16]通过测定COD值研究了五氯酚降解的动力学和降解程度。Pitter[17]早在1976年就用COD值对14种脂肪族化合物、15种环状脂肪族化合物，94种芳香族化合物进行了生物降解性评价。

综合指标适用于大多数有机物生物降解性的检测，具有简单、易测定的优点，试验操作更方便。但也存在不足之处，如实验操作者自身的不可避免的操作偏差或稀释过程中的误差，都会使试验结果发生改变，而且同一实验室不同操作者或不同实验室同一条件下的重复性操作都有可能发生变化[18]。此外，综合指标虽然可以用来表征有机物降解率及降解过程，但并不能定量地表征有机物实际浓度的大小[19]。

(1)静置烧瓶筛选试验

以10mL沉淀后的生活污水作接种物，90mL含有5mg酵母膏和适量被试物的BOD稀释水为反应液，两者混和并充氧后，在室温下静置培养。培养1周后进行测定，并以该培养液作为下一周培养的接种物，如此连续培养4周，共28天，同时进行已知可降解化合物的对照试验。静置烧瓶筛选试验操作简单，但此法在静态条件下进行，不能使有机物和接种物处于完全混合的状态，而且不能充分充氧，它只能表明某一受试物在给定条件下的生物降解性能[20]。

(2)振荡培养试验

振荡培养试验是一种应用较为广泛的方法。该法是在烧瓶中加入接种物、营养液和受试物等，在一定温度下振荡培养，在不同的反应时间内测定反应液中受试物的含量，以评价受试物的生物降解性。本试验遵循表面活性剂生物降解度试验方法(GB/T15818-2006)。

(3)模型试验

模型试验是指采用生化处理的模型装置考察废水的生物降解性，通常可分为赞恩-惠伦斯(Zahn-Wallens)法、半连续活性污泥法和活性污泥单元法。

赞恩-惠伦斯法：含有受试物的试验培养基加入一定量的接种物，于20℃～25℃在散射光或黑暗中对试验溶液搅拌、曝气培养28天。间隔一定时间采样，测定样品中有机物含量，生物降解率用有机物的去除率表示。将受试物的生物降解率对相对应的时间点绘图，即微生物降解曲线。张利华等[21]采用赞恩-惠伦斯法考察了含氰废水的好氧生物降解性，氰化物初始浓度1.87mg/L，28天后废水水样中氰化物去除率为51.6%，微生物仍有能力进行生物降解。

半连续活性污泥法：取污水处理厂的活性污泥置于曝气装置中，加入受试物及经过沉淀的生活污水，曝气23 h，停止曝气，沉淀污泥并弃去上清液。留在曝气装置中的污泥和再次加入的受试物及污水混和，重复上述步骤，并通过测定上清液中有机物浓度的变化来判定生物降解情况。本试验遵循固有生物降解性：改进的半连续活性污泥试验(GB/T21817-2008)。李遵峰等[22]用半连续活性污泥法测定了4种表面活性剂的生物降解情况，研究了活性污泥浓度对降解性能的影响，结果表明4种表面活性剂均属于易降解表面活性剂。

活性污泥单元法：活性污泥单元法是在模型生化反应器(如曝气池模型)中进行的，通过在生化模型中模拟实际污水处理设施(如曝气池)的反应条件，如：MLSS浓度、温度、DO、F/M比等，来预测各种废水在污水处理设施中的去除效果，及其各种因素对生物处理的影响。这种试验是对污水处理厂的模拟，试验时可阶段性地逐渐增加待测物质的浓度，这对于确定待测物质的生物处理极限浓度很有意义。当对某种废水缺乏应有的处理经验时，这种试验完全可以为设计研究人员合理选择工艺参数提供有效的帮助。本试验遵循污水好氧处理模拟试验：活性污泥单元法(GB/T 21829-2008)。

采用模型试验确定废水或有机物的生物降解性的优点是成熟和可靠，同时可进行生化处理条件的探索，求出废水的合理稀释度、废水处理时间及其他设计与运行参数，缺点是耗费的人力物力较大，需时较长。

(4)彼特测试(Pitter test)法

彼特测试法是1976 Pitter在测定有机物的降解速率和降解程度的基础上提出的一种生物降解性的测试方法。此法的活性污泥驯化程度较为完整，同时采用了受试物的COD去除率和去除速率来表示生物降解的深度和速度，对生物降解性的评价较为全面。但此法测试过程较繁琐，受微生物细胞对有机物吸附作用的影响。

(5)土柱渗滤法

测定有机污染物在经过土柱渗滤的前、后浓度的变化(去除率)，可获悉有机物对土壤微生物的毒性和降解程度。

(6)河流衰耗法

此法简便易行，比较接近天然河水降解有机物的实际情况，不必另加接种物和营养物。虽然此法测得的结果会随所用河水水质的不同而有差异，但在预测自然环境中各种有机污染物的生物降解性方面还是有一定参考价值的。

3.3CO2生成量测定法

微生物分解有机物，最终会生成CO2，生成CO2的量与有机物降解的量相对应，用特殊仪器、方法吸收，分析反应生产的CO2，可以判定有机物的生物降解性[23]。斯托姆(Sturm)试验和格兰德赫(Gladhill)试验为此类。该方法反映有机物的无机化程度，但试验系统较复杂。因此，该方法只限于实验室内研究使用，在实际生产中的应用还未见报告。

3.4微生物生理指标法

微生物与废水接触后，利用废水中的有机物作为碳源和能源进行新陈代谢，微生物生理指标法就是通过观察微生物新陈代谢过程中重要的生理生化指标的变化来判定该种废水的生物降解性。目前可以作为判定依据的生理指标主要有：脱氢酶活性(DHA)、三磷酸腺苷(ATP)[24]。

3.4.1脱氢酶活性指标法

微生物对有机物的分解作用的本质在于脱氢，因此，可以利用脱氢酶活性作为评价微生物分解有机物能力的指标。如果在以某种污染物为基质的培养液中微生物的脱氢酶活性增加，则表明微生物能够降解该污染物。此外，脱氢酶对毒物非常敏感，当有毒物存在时，它的活性就会下降，因此也可以把脱氢酶活性作为判断工业废水毒性的一个指标。

3.4.2三磷酸腺苷指标法

微生物对污染物的氧化降解过程，实际上是能量代谢过程，微生物产能能力的大小直接反映其活性的高低。ATP是微生物细胞中贮存能量的物质，因而可通过测定细胞中ATP的水平来反映微生物的活性程度，并作为评价微生物降解有机污染物能力的指标。

此外，微生物生理指标法还有细菌标准平板计数法、DNA测定法、INT测定法、发光细菌光强测定法等。

虽然目前DHA、ATP等测定都已有较成熟的方法，但由于这些参数的测定对仪器和药品的要求较高，操作也较复杂，因此目前微生物生理指标法主要还是用于单一有机污染物的生物可降解性和生态毒性的判定[25]。

3.5模型拟合法

主要是针对某种有机污染物的生物降解性的判定，通过对大量的已知污染物的生物降解性和分子结构的相关性利用计算机模拟预测新的有机化合物的生物降解性，主要的模型有：BIODEG模型、PLS模型等。

模型拟合法需要依靠庞大的已知污染物的生物降解性数据库，而且模拟过程复杂，耗资大，主要用于预测新化合物的生物降解性和进入环境后的降解途径。

4　各种方法比较

对于废水处理而言，生物降解性测定可用于以下几方面：(1)在废水处理工艺的开发过程中，可用于确定各种预处理或生物处理工艺的实际效果，从而为废水处理流程选择提供科学依据；(2)找出影响现有废水生物处理设施正常运行的主要污染源，为开展重点污染源的治理工作提供依据；(3)可用于废水生物处理设施的日常管理中，以保证其正常运行。生物降解性测试方法能否得到广泛应用，取决于以下两个方面：首先是该方法测定的结果是否具有较高的准确性和精确性；其次是分析仪器、药品是否易得，操作步骤是否简单可行。本文比较了几种好氧生物降性测试方法，如下表所示。

表　好氧生物降解性测试方法比较

不同的生物降解性测定方法各有其优缺点，在实际操作中应根据废水中有机物的性质和实验条件来选择合适的测试方法。静置烧瓶筛选试验和振荡培养试验在科研中应用较多，常为化学品的登记提供依据[9]；在废水处理工艺开发过程中，模型试验是最可靠的一种方法。其可以准确地确定影响废水生物处理的各种因素，为工艺设计提供准确可靠的参数。因此，工业废水的生物处理设施在设计之前，一般都通过模型试验来选择工艺路线，确定工艺参数。在污水生物处理设施的日常管理中，可以测定SOUR、DHA和ATP含量来判断废水的生物毒性[25]。

5　结　语

工业废水中有机物的种类繁多、性质各异，如何选择合理的处理工艺是一个难题，另外，工业废水水质波动较大，给废水处理设施的日常运行管理带来很大困难。因此，我们建议广泛开展废水的生物降解性研究，进一步探索生物降解测试技术应用的途径和方法，将废水生物处理的科研和管理水平提高到新的高度。

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Study of Wastewater Aerobic Biodegradability Test Methods

XU Yan, ZHOU Min, WANG Qiao

(ShanghaiChemicalIndustryParkSinoFrenchWaterDevelopmentCo.Ltd.,Shanghai201507,China)

Determination of the aerobic biodegradability is the key issue during the wastewater treatment process. It can not only provide solid foundation to the selection of treatment process, but also be used to trace the major pollution sources that had adverse impacts on biological wastewater treatment facilities. Determination of the biodegradability can be used in the daily management to protect wastewater treatment facilities against malfunctioning. In this paper, a brief introduction was given on the significance and approaches of studying aerobic biodegradability of wastewater at home and abroad. Furthermore, the applicability of these test methods was analyzed and the advantages and disadvantages of these test methods were indicated. This article had provided the guidance and reference for the evaluation and study of wastewater biodegradability.

Wastewater biodegradability; organic matters; aerobic; test methods

2015-01-09

许妍(1985-)，女，江苏如皋人，2010年毕业于南京工业大学化学工程专业，硕士研究生，主要从事工业废水处理的研究与应用。

X703

A

1001-3644(2015)04-0136-06