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污水生物處理系統中呼吸測量技術

發布時間:2020-2-26 8:04:22  中國污水處理工程網

  污水生物處理技術是指利用微生物的呼吸代謝作用去除污水中有機污染物的一種方法。微生物呼吸過程常伴隨著基質減少、O2 消耗、CO2 生成和能量釋放等現象,呼吸測量技術就是通過測定微生物呼吸過程中這些物理量的變化來評價污水生物處理系統中微生物的代謝活性、污水中有機物的生物降解性、短期生化需氧量( BODst ) 和有毒物質的影響等過程。

  呼吸測量技術在污水生物處理中的應用始于20 世紀 50 ~ 60 年代,目前已廣泛應用于活性污泥中微生物活性的分析測定、生物異源物質的毒性評價、城市污水廠毒性進水的檢測與評價等方面[1- 4]。根據微生物呼吸原理,污水生物處理系統中的呼吸測量技術主要分為 3 類: 基于產物 CO2、CH4 的呼吸測量技術、基于消耗物 O2 的呼吸測量技術和基于電化學的呼吸測量技術。筆者主要從以上 3 個方面闡述呼吸測量技術在污水生物處理系統中的應用現狀及研究進展,旨在推動呼吸測量技術在污水生物處理系統中的進一步發展和應用。

  1 基于產物 CO2、CH4 的呼吸測量技術

  對于污水生物處理系統而言,污水的生物降解性通常采用綜合水質指標 BOD5 / CODCr 表示,雖然該值可以反映生物處理工藝對廢水中有機物的降解程度,但不能反映構成廢水 COD 的單項有機物的降解效果。尤其當污水中含有較多難降解有機物( 如多環芳烴、多氯聯苯、鹵代有機化合物、雜環化合物等) 時,對其生物降解性進行分析測定,評價有機物在污水中的遷移轉化規律及其生態與健康風險,以及預測其在污水生物處理系統中的去除效果等都具有重要的意義。

  有機物的生物降解性評價方法通常有 2 種: 一種是通過測定某種物質生物降解前后的濃度變化來評估其分解難易或降解快慢程度; 另一種是通過測定生物分解過程中氣態產物的生成量間接評價有機物的生物降解性。其中,基于產物 CO2 、CH4 的呼吸測量技術是指通過測定微生物在好氧呼吸時CO2 生成量或在無氧呼吸時 CO2 、CH4 等氣態產物的生成量來間接反映和評價有機物的生物降解性的方法。該技術根據生成氣態產物的監測方法,主要分為CO2 堿溶液吸收法和氣相CO2 、CH4 直接檢測法。CO2 堿溶液吸收法的典型代表是世界經濟合作與發展組織( OECD) 提出的OECD 301B CO2 評價試驗[5],該方法采用微生物降解基質過程中 CO 生成量來評價有機物的生物降解性,測試裝置如圖 1 所示。He 等[6]采用 OECD 301B 標準研究了 24 種合成芳香族化合物的生物降解性,通過單一受試物 28 d 實際生物降解生成的 CO2 量與理論生成的CO2 量之比可知,24 種化合物的生物降解性在2. 2% ~ 80. 7%之間。

  宋佳秀等[7]通過厭氧消化實驗馴化污水廠剩余污泥的醌呼吸微生物,采用氣相色譜法檢測厭氧呼吸過程中產生的氣相 CO2、CH4,結果表明: 醌呼吸微生物具有還原腐殖質能力,富集醌呼吸微生物過程的 CO2 / CH4 比正常厭氧消化實驗高出 1. 7 倍,即醌呼吸微生物與產甲烷微生物在厭氧消化過程中共同爭奪氫供體。基于產物 CO2、CH4 的呼吸測量技術主要用于評價有機物的生物降解性,然而,完成一次生物降解性測試的時間較長,一般需要 20 ~ 30 d,且好氧呼吸過程必須通入不含 CO2 的空氣或通入純氧來保持有氧環境; 此外,實驗過程中產生的一部分 CO2 產物會溶于液體樣品中,導致測試結果產生一定的誤差。該方法的優點是測試結果不受硝化作用、微生物細胞吸附作用和無機還原性物質的影響,且在恒定運行條件下微生物產氣的濃度與有機物污染的程度密切相關。

  1 基于消耗物 O2 的呼吸測量技術

  微生物在進行好氧呼吸時需要消耗水中的溶解氧。基于消耗物 O2 的呼吸測量技術是通過測定 O2消耗量來間接反映污水中微生物對有機質的代謝狀況。耗氧速率( OUR) 是指微生物進行好氧呼吸時消耗氧氣的速度,是表征活性污泥中微生物活性的指標之一,同時將微生物的生長、底物的消耗直接聯系起來,可用于測定生物降解反應的動力學參數、污水中基質降解或消耗的總量( 如 BOD5 ) ,此外還可以評估污水中特定化學物質的毒性。基于 OUR 的呼吸測量技術主要體現在活性污泥呼吸儀和生物膜傳感器的發展和應用。

  2. 1 活性污泥呼吸儀

  活性污泥呼吸儀經過幾十年的發展,已經從傳統的實驗室自建等簡易裝置或技術發展形成一系列相對較成熟的技術標準或商業化產品。其中,瓦勃式呼吸儀作為一種常見的測定耗氧速率儀因其樣品測定體積小、取樣要求精細、操作誤差大等缺點而逐漸被更先進的呼吸測量技術取代[8- 9]。目前,根據O2 測量方法不同,活性污泥呼吸儀分為氣相測氧法和液相測氧法。基于氣相測氧法的呼吸儀,如 PF系列活性污泥呼吸儀、BI2000 型電解質呼吸儀,其微生物好氧呼吸消耗的 O2 由純氧瓶提供或由電解產生的 O2 及時補充,產生的 CO2 被吸收池中的堿溶液吸收,結果導致密閉系統內壓力的降低,通過壓力降的檢測即可計算出微生物消耗 O2 的量。由于溶解氧電極的普遍使用,基于液相測氧的呼吸儀得到了更加廣泛的應用,如英國 strathkelvin 公司的Strathtox 活性污泥呼吸儀和西班牙 的 BM - TAdvance 多用途呼吸儀等。這些呼吸儀均可以進行微生物的好氧呼吸測定,能提供關于活性污泥健康狀況、耗氧速率、硝化及呼吸抑制和優化曝氣的分析數據,也可用于污廢水毒性測試。

  Cai 等[10]采用 BI2000 型電解質呼吸儀評價了24 種芳香族化合物對活性污泥的毒性抑制,測得30 min 內 24 種芳香族化合物對微生物的半抑制濃度 IC50 值在 0. 002 ~ 4. 996 g / L 之間,其中乙苯對活性污泥的毒性最強,2,4 - 二氨基甲苯的毒性最弱。

  Cristovao 等[11]采用 BM-T Advance 多用途呼吸測試儀評估 NaCl 質量濃度對罐頭廢水生物降解的影響,結果表明,廢水中油脂含量不是抑制微生物“呼吸”作用的主要因素; 低質量濃度的 NaCl 不影響微生物的“呼吸”作用,當 NaCl 質量濃度大于 17. 5 g / L 時,微生物的“呼吸”作用受到抑制。

  綜上可知,微生物呼吸測試過程能有效地評估活性污泥中微生物的行為,了解污染物對廢水處理系統中微生物活性的潛在抑制作用,以便進行更好的污水處理工藝設計或優化。但是,活性污泥呼吸儀也存在穩定性不高、便攜性能不佳和價格昂貴等缺點,從而限制了其廣泛應用。

  2. 2 生物膜傳感器

  Karube 等[12]于 1977 年首次提出了微生物傳感器,并將其用于 BOD 的測定。測定 BOD 的微生物傳感器是由氧電極和微生物菌膜組成。根據微生物菌膜引入方式的不同,生物膜傳感器可分為固定微生物的生物膜傳感器和連續流式微生物傳感器,其在污水處理中主要用于 BOD 的測定。

  2. 2. 1 固定微生物的生物膜傳感器

  固定微生物的生物膜傳感器主要由信號轉換裝置和微生物膜組成,當水樣經過微生物膜時,其上固定的微生物開始分解有機物,同時膜內的溶解氧發生變化,其改變量被信號轉換裝置識別并最終轉換為電信號,該信號強度通常與有機物濃度成線性關系,由此實現對水樣 BOD 值的檢測[13]。

  陳長茵[14]依次采用質量濃度為( 73. 7 ± 5. 9) 、( 56. 6 ± 4. 6) 、( 16. 3 ± 1. 3) mg / L 的 BOD 標準樣品B1、B2 和 B3 對 220B 型生物膜傳感器進行準確度和精密度測試,其 BOD 測定均值依次為 73. 2、56. 7mg / L 和 16. 4 mg / L,相對標準偏差小于 5. 0 mg / L,準確性和重現性均較好。趙磊等[15]以金屬離子鋯 ( Zr) 改性膠原纖維( ZICF) 固定化釀酒酵母為響應元件制備了一種生物膜傳感器,其 BOD 線性響應范圍為 2 ~ 200 mg / L,響應時間為 2 ~ 9 min。

  2. 2. 2 連續流式生物膜傳感器

  固定微生物的 BOD 生物膜傳感器具有操作簡便、分析周期短和靈敏度高等優點,能滿足常規水樣的在線監測需求,但是對于成分復雜的水樣( 如強酸、強堿和有毒廢水) 而言,其菌膜中微生物的活性和使用壽命受到嚴重影響。因此,連續流式微生物傳感器便應運而生。連續流式生物膜傳感器以先期富集培養的待測樣品中微生物為生物識別物,利用溶解氧監測設備檢測微生物呼吸速率的變化,進而測定樣品中 BOD 值。目前,已開發研究的一些相對較成熟的在線微生物呼吸檢測設備如表 1 所示[16- 17]。

  Liu 等[18]提出一種微生物在線傳感器,該傳感器由一種特殊設計的壁面射流式反應裝置和內置式溶解氧探頭組成,檢測 BOD 標準稀釋溶液( 質量濃度為 26 mg / L ) 時測量精度較好 ( 標準偏差為1. 0 mg / L) ,響應時間約為 60 s,可以監測連續流樣品的 BOD 值。張虎軍等[19]報道了一種基于樣品微生物的傳感器,該儀器以螺旋管路內壁為微生物富集載體,多次檢測某地表水的 BOD 與標準 BOD5 方法測量值之間的最大相對誤差為 11. 7%,平均相對誤差僅為 5. 6%,檢測結果較為理想。由于有機物質的連續喂養,連續流式微生物傳感器中微生物密度高于真實環境,微生物群落完全適應了有機底物,大大減少了分析時間,響應時間一般小于 45 min,并且能實時動態監測。

  生物膜傳感器具有響應快、選擇性好、體積小等優勢,能快速測定污水中可降解物質而使污水在線監測和過程控制成為可能。然而,受水環境變化影響,微生物細胞易引起自身復雜的生理狀態,由于生物膜傳感器對組分變化較大的水樣測定可靠性差、污水毒物的非抵抗性等缺點并未在水質檢測領域得到普遍應用。

  3 基于電化學的呼吸測量技術

  基于電化學的呼吸測量技術將微生物生化反應、電化學技術和現代信息處理技術相結合,以微生物為敏感元件對相應環境的變化( 如 pH、電導率、離子濃度等) 作出響應,以電勢或電流的特征信號反映微生物的生化反應信息。該技術主要包括電導型微生物傳感器和微生物燃料電池生物傳感器。

  3. 1 電導型微生物傳感器

  有酶參與的生化反應都消耗或產生帶電物質,這使得測試樣品的離子成分發生了根本變化[20]。很多微生物催化反應過程都涉及到離子種類的變化,從而產生溶液電導率的變化,而且電導率的變化非常敏感。據此,人們開發了電導型微生物傳感器,其中硫氧化細菌傳感器( SOB) 具有靈敏度好、精度高、維護簡單、適溫范圍廣等特點,成為目前電導型微生物傳感器的研究熱點[21]。

  在有氧條件下,化能自養型的硫氧化細菌能將無機硫( S) 氧化為硫酸( H2SO4) ,化學方程式如下:

  SOB 中,O2 作為微生物好氧呼吸的電子受體,反應產生的 H+ 使溶液的 pH 降低,SO2- 使溶液的電導率( EC ) 增大; 在有毒化學物質存在的情況下,SOB 中的硫氧化菌的活性將受到抑制,導致 pH 增大、EC 變小。

  Ginkel 等[22]采用 SOB 生物傳感器檢測水體中5 種內分泌干擾物( EDCs) ( 雙酚 A、壬基酚、雌二醇、二乙基芪和三丁基烯) ,由于 EDCs 對硫氧化菌的抑制作用,導致出水 EC 降低、pH 增加,該傳感器檢測出 EDCs 范圍為 50 ~ 200 μg / L。Gurung 等[23]采用 SOB 生物傳感器評估某紡織工業廢水的毒性,檢測結果發現: 廢水中 1,4 - 二 烷、NO- - N 和3 NO- -N 的毒物半數有效濃度 EC50分別為 105 μg / L、 0. 4 mg / L 和 10 mg / L。

  電導型微生物傳感器靈敏度高、價格適中且能耗較低,然而其受引入的微生物種類影響較大,特定的電導型微生物傳感器一般僅能較好地檢測毒物的毒性,普遍適用性能不佳。

  3. 2 微生物燃料電池生物傳感器

  研究發現,微生物燃料電池( microbial fuel cell,MFC) 的產電量與底物中可降解有機物濃度或毒物濃度呈現良好的線性關系,為了避免生物傳感器中O2 檢測效率低、誤差大的限制,開發了微生物燃料電池生物傳感器。MFC 是一種利用微生物的呼吸代謝作用降解有機物,把呼吸作用產生的電子傳遞到外電路輸出電能的裝置。典型的 MFC 由陽極室和陰極室組成,2 個極室被質子交換膜隔開,工作原理如圖 2 所示。陽極室為無氧環境,陰極室為有氧環境,附著在陽極表面的產電菌降解有機物產生電子和質子,H+ 質子通過離子交換膜從陽極室遷移到陰極室,電子通過外部電路從陽極到達陰極,陰極室+ [24- 25]O2 得電子并與 H 結合生成 H2O 。MFC 中微生物呼吸作用產生的電流量與微生物生物降解活動成正相關關系,產電量與底物中可降解有機物或有毒物的濃度呈現一定的線性關系,從而可以估算出水樣的 BOD、COD 值或毒性物質的影響,進而反映微生物活性。

  根據產電菌向陽極傳遞電子方式的差異,MFC可分為引入電子中介體和無介體 2 類。無介體的MFC 中,有機物降解產生的電子通過細胞膜接觸或納米導線形式傳遞到陽極; 在引入電子中介體的MFC 中,則通過電子傳遞的媒介物—氧化還原介體傳遞電子。

  3. 2. 1 引入電子中介體的 MFC 生物傳感器

  微生物細胞膜上的不導電物質會阻礙電子向電極轉移,導致微生物胞內電子向外傳遞速率較低。為解決該問題,研究人員向 MFC 中引入電子中介體以促進電子傳遞。在陽極室內加入氧化還原介質( 如三價鐵氰化物、二茂洛鐵等) 作為電子中介體,陽極附近有機物質在呼吸代謝過程中被氧化,電子通過電子中介體的還原—氧化態的轉化轉移到陽極上,如圖 3 所示。陽極和陰極之間的電勢差反映了與微生物代謝活性成正相關的信息。

 

  Yoshida 等[26]研制了以三價鐵氰化物為氧化還原介質的 MFC 生物傳感器,用于測定某污水處理廠的 BOD 值,并與標準 BOD5 方法比較,兩者的相關性較好( R2 = 0. 93) 。徐筑君等[27]以含有鐵氰化鉀氧化還原介質的 MFC 生物傳感器研究了聚乙二醇辛基苯基醚( TritonX- 100) 預處理表面的大腸桿菌( E. coli) 活性及其對毒物毒性靈敏度的變化,結果表明: 經 2% TritonX- 100 預處理 1 h 的 E. coli 活性及其對毒物毒性靈敏度效果較好,適用于水質毒性檢測。然而,電子中介體的引入也存在一些問題,如pH 變化將影響氧化還原介體的電化學靈敏性,氧化還原介質可能與待測物發生直接反應影響電子傳遞,多數氧化還原介體有毒不利于微生物正常代謝等[28]。

  引入電子中介體的 MFC 生物傳感器的主要優點是利用外加的氧化還原介質加快了陽極電子傳遞速率和生物降解反應速率,縮短基質降解周期,且多數不需要通過稀釋高負荷樣品來降低有機負荷。然而,由于氧化還原介質易受 pH 變化影響且具有毒副作用,影響了該技術的進一步發展。

  3. 2. 2 無介體的 MFC 生物傳感器

  20 世紀 90 年代后期,MFC 生物傳感器在測定水樣 BOD 方面取得了較大進展。研究發現,一些具有電化學活性的微生物細菌,如腐敗希瓦氏菌、鐵還原紅育菌、梭狀芽胞桿菌等,降解有機物產生的電子可以通過細胞膜與電極直接接觸,或是通過微生物自身的導電附屬物—納米導線將胞內電子快速傳遞至陽極[29],從而實現了微生物燃料電池在無氧化還原介體條件下運行。因此,無介體的 MFC 生物傳感器日益受到關注。

  Kim 等[30]基于無介體 MFC 檢測了某淀粉加工廢水的 BOD 值,測定結果與標準 BOD5 方法具有良好的相關性( R2 = 0. 999) ,然而,該實驗僅對樣品進行了 BOD 評估,對其他廢水水質測定還有待進一步驗證。Tront 等[31] 將金屬還原桿菌引入 MFC,用MFC 檢測含有醋酸鹽的廢水,結果表明: 當醋酸鹽濃度在 0 ~ 2. 3 mmol / L,對應產生的電流為 0 ~ 0. 30mA,MFC 產生的電流與進水醋酸鹽濃度具有較好的相關性( 相關性系數 R2 = 0. 92) 。賈輝等[32]利用無介體MFC 探究了UASB 進水COD 濃度對MFC 反饋性能的影響,結果表明: 當進水 COD 質量濃度分別為 1 000 ~ 3 000 mg / L 和 4 000 ~ 6 000 mg / L 時,MFC 檢測進水 COD 的結果與實驗室標準 COD 檢測值有良好的相關性( R2 分別為 0. 995 和 0. 997) 。

  MFC 中,產電微生物主要通過細胞膜接觸、納米導線和電子中介體轉移等 3 種方式向電極傳遞電子,將化學能轉化為電能,電信號的變化預示著水質的變化[33]。MFC 利用微生物消耗目標化合物或有毒化合物對呼吸代謝途徑的抑制,產生的電流變化可間接檢測 BOD、COD 或毒性物質濃度,并可以實時監測污水處理系統的水質。然而,MFC 生物傳感器也存在一些問題,如響應時間較長、穩定性差、對樣品中復雜毒物成分缺乏抵抗性等[34]。

  4 結語與展望

  呼吸測量技術在污水生物處理系統中的應用已經有幾十年的歷史,是污水生物處理系統理論研究和工藝運行管理的重要手段。目前,雖然呼吸測量技術在污水生物處理系統中已有較多應用,但仍存在一些問題和不足。

  ( 1) 基于產物CO2、CH4 的呼吸測量技術和基于消耗物 O2的活性污泥呼吸儀主要應用于實驗室微生物呼吸速率的研究、水樣 BOD 檢測及微生物毒性抑制等方面,但是其分析周期較長、測試頻率低、便攜性不佳,大多不適用于微生物代謝活動的動態過程研究。

  ( 2) 基于消耗物 O2 的生物膜傳感器主要用于污水 BOD 的檢測,其響應時間相對較短,其中,連續流式生物膜傳感器可以進行實時在線檢測,但仍存在對組分變化較大的水樣測定可靠性差、污水毒物的非抵抗性、O2 監測誤差大等問題缺陷。

  ( 3) 基于電化學的呼吸測量技術中,MFC 生物傳感器產生的電流可以直接反映產電微生物的代謝活性,可以用來研究微生物呼吸代謝的動態過程和監測污廢水水質與毒性影響。然而,該技術目前仍處于實驗室研究階段。隨著 MFC 技術的進一步完善和發展,如電極材料的改進、產電微生物活性的提高、質子交換膜的改善等,MFC 生物傳感器將成為污水生物處理系統中一種發展前景較好的呼吸測量技術。(來源:江西理工大學建筑與測繪工程學院)

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