生化需氧量在线测定技术及其应用

陈 威，刘元哲，王敏锋

(1.华中科技大学生命科学与技术学院，湖北 武汉 430074； 2.武汉外国语学校，湖北 武汉 430022； 3.杭州凯日环保科技有限公司，浙江 杭州 310022)

0 引 言

生化需氧量(Biochemical Oxygen Demand,以下简称： BOD)是环保领域中唯一能有效反映水体被可生化降解有机物污染程度的指标.具体来说，BOD测量的是水中微生物的有机底物氧化过程所消耗的氧气量，并且根据定义测量时间的长短可分为3日生化需氧量、5日生化需氧量、20日生化需氧量等.BOD最早于1908年由英国皇家污水处理委员会作为评估河流有机物污染的指标引入，美国也于1936年将BOD列入《水和废水标准检验法》中作为衡量水污染程度的标准测定方法之一[1].我国环境保护部在2009年10月20日颁布了最新的中华人民共和国国家环境保护标准HJ505-2009即《水质五日生化需氧量(BOD5)的测定稀释与接种法》以替代GB/T 7488-1987.

对于生化污水处理厂而言，BOD是衡量污水负荷的最重要指标，但标准实验室测试的不足制约了BOD在污水处理过程中的应用：①从采样到得到结果需要5天时间，不能及时反映水质情况并及时对污水处理过程进行有效控制；②五日方法操作复杂，需要耗费实验室人员的大量时间；③由于测量周期长，需要占用大量的实验室资源；④标准方法的测试条件与污水处理中的实际生化过程差别较大；⑤无法实现对污水BOD值的连续监测.

而近年来日益提高的环境保护标准也对污水处理过程提出了更高的要求，及时而迅速的监控进水口污水的BOD变化，特别是在污水进水口有机负荷的突然升高的情况下(冲击性负荷)能够及时正确的应对，例如将这些冲击性负荷先存入污水存储池或均化池，以防止高负荷污水对二次处理过程的破坏或者导致超标排放.由于传统的BOD测试方法需要较长时间(20 ℃下培养5天)，因此无法用作污水处理设施的在线监测方法，而仅仅作为一个长期性能的评估指标.为了及时反映污水中有机物水平，目前常用一些基于物理化学检测手段的替代方法如化学需氧量(Chemical Oxygen Demand, 以下简称： COD)和总有机碳(Total Organic Carbon, 以下简称： TOC)来检测有机废水.但是，通过这两种替代方法所能获取的数据是有局限性的，因为这两个指标并不具有任何反映水中有机物可生化性的能力，并且测量过程常会引入对环境的二次污染，例如COD测试中所用的重铬酸钾[2].因此，可在线测量BOD的设备对于指导污水处理过程具有不可替代的意义.

1 BOD在线监测技术及相关设备概况

生产实践的需要对BOD测定技术提出了更高的要求，各种可以提高BOD测定效率的新技术不断涌现，典型的如Karube等在1977年发明的生物膜BOD快速检测法[3]，该方法所用微生物探头包含细胞(微生物)、固定细胞的膜、溶氧电极.探头所测量信号为细胞活性，而该活性可对应于废水中的底物浓度.根据这种方法，微生物固定在溶氧电极表面的多孔膜上.在不含有有机物的样品中，溶解氧电极的读数保持稳定；而当样品中包含有有机物时，固定于膜中的微生物会消耗溶解氧以分解有机物，因此透过生物膜到达溶氧电极表面的溶解氧浓度会随有机物的浓度的增大而减小，有机物的浓度是正比于溶解氧的减少值.在此原理基础上，Strand等[4]、An等[5]、Liu等[6]和Lei等[7]利用活性污泥制备了微生物BOD传感器，但是相比于使用单种微生物构建的BOD传感器，这些使用活性污泥的传感器的响应稳定性和重现性都比较差[8-9].而Qian等发展了一种基于死细胞的BOD传感器，他们通过加热杀死细胞用于制备放置于溶氧电极上的生物膜[10].由于死细胞可以较长时间保存于干燥的室温条件下，因而该特性对于产品化是十分有利的[11].微生物膜BOD传感器尽管结构简单，但存在一些缺陷使其很难应用于BOD的在线监测.由于其利用固定于生物膜上的细胞，因而生物膜需要谨慎的保存和储藏以保持其活性.大多数生物膜只有较短的寿命，而且需要保存于4～10 ℃[4,8-9]的环境中.由于在BOD检测中涉及到生化反应，而固定于膜上的微生物种类有限，因而该种方法会受到pH、温度、底物类型、毒性物质等限制.近年来，也出现了其他的BOD电极检测方法.例如利用铁氰化钾或十六烷高铁酸钾作为电子受体取代氧气与微生物代谢过程中细胞膜表面的电子传递链反应，再通过电化学表征铁氰化钾或十六烷高铁酸钾浓度变化来快速测定BOD[12-14].Kim等构建了基于微生物燃料电池的BOD检测系统，利用微生物有氧代谢有机物所获取的电子直接传递给电极，通过测量电池上产生电流大小来检测水样中BOD含量的高低[15-17].但这些方法目前还停留于实验室阶段，离实际应用还有较大的距离.

而另一方面，呼吸计量法作为一种检测微生物耗氧速率的方法可以提供微生物生化反应过程的多种动态参数和计量系数[18-20].早在20世纪之初发现活性污泥过程时，活性污泥消耗氧气的速率就被看做是过程状态的一个重要参数.因为氧气的消耗与生物质生长和有机底物的消耗是直接相关的，因此呼吸计量法在活性污泥过程监测、建模和控制中成为一种强有力的工具.而BOD作为耗氧生化降解过程也可用呼吸计量法进行检测，在用呼吸计量法考察BOD时，活性污泥的状态可采用国际水质协会(International Association on Water Quality,以下简称： IAWQ)的活性污泥一号模型(Activated Sludge Model No.1,以下简称： ASM No.1)[21]，如图1所示.在该模型中，呼吸只代表异养和硝化生物质的耗氧生长过程.

图1 活性污泥过程的一号模型示意图Fig.1 Modeling approach for activated sludge model No.1注： XH代表生物质，XP代表生物质氧化过程中产生的惰性物质，XS代表缓慢生物降解物质，SS代表易于生物降解物质.

如图1所示，根据死亡-再生方法，生物质的生长过程是一个耗氧的底物降解过程，生物质腐烂后产生两部分物质：惰性物质XP和缓慢降解物质XS，XS再水解成生物质可以利用的易降解物质SS，而这一过程不消耗任何氧分子或其他的电子受体.通过这一模型可以推断出，即使所有污水中的底物都被氧化，依然会存在以生物质本身腐烂而产生的底物供给的生物质耗氧生长过程.因此，当缺乏外界易降解物质SS时，生物质的耗氧过程就只和生物质的腐烂过程相关.同时，由这一模型也可以推断出，生物质在无外界底物输入而只依赖于自身腐烂降解的物质时，呼吸速率会逐渐下降直到所有的生物质被分解掉.这一过程中的呼吸速率就被称作内生呼吸速率.活性污泥的内生呼吸速率可以定义为在缺乏外源底物的情况下的氧气消耗速率.根据这一定义，内生呼吸过程同时包括细菌和原生动物的氧气消耗.在底物的供给远小于生物质需求的情况下，底物氧化后仅用于生物质的能量供给，即生物质的状态保持，而不会用于生物质的生长与繁殖.因此内生呼吸实际上不受底物浓度影响，可以作为活性生物质的浓度的指数.在污水处理厂的污水处理过程中，通常会有生物可降解物质的输入，此时的呼吸速率会高于内生呼吸速率，被称为实际呼吸速率.该速率与生物可降解物质存在着函数关系，主要受污水的流入、污水的流出、生物降解3个过程的影响.如果可生物降解物质浓度非常高，生物质将以最大速率生长，氧气消耗速率也接近最大值，此时的呼吸速率称作最大呼吸速率.实际上，由于呼吸是多种底物被多种微生物氧化的过程，真正的最大呼吸速率仅仅在所有种类底物都过量的情况下才会出现，而这种情况在污水处理厂是不太可能发生的.但是，在实验室通过精心设计的实验依然有可能测量最大呼吸速率并可用作建立模型.如同内生呼吸一样，最大呼吸速率也不受底物浓度的影响，因此也可以用作表征活性生物质浓度的一个指标.在细胞水平，呼吸来自于底物的耗氧降解和生物质的生长的代谢过程，但是直接测量细胞的呼吸速率是不太现实的，因此可通过测量生物质整体的氧摄取速率(Oxygen Uptake Rate,以下简称： OUR)来表征这个代谢过程[22].而速率的测量需要用时间表征，因此需要知道溶解氧在水体中随时间变化的过程以及氧气输入和输出的过程.如果氧气还可以从气态扩散到水体中，那么在考察氧摄取速率时还需要考察气-液界面的物质传递过程.呼吸、底物利用和生长三者的关系如图2所示.

图2 呼吸、底物利用和生长三者关系的示意图Fig.2 Relationship of respiration, substrate utilization and growth

呼吸计量法所用的容器通常也是小型的活性污泥反应器，它的操作过程对于用户是开放的，因此用户在根据自己测量需求的基础上可能会添加一些对操作特征的描述到仪器的名称中，例如嵌入式的、在线的、原位的、连续的、半连续的等等.呼吸计是一种可以测量呼吸速率即单位时间和单位体积内的耗氧量的设备.专门设计用作测量BOD的设备有时也称为呼吸计，但是如果其不具有测定呼吸速率的功能，那就只能叫做BOD计.例如污水处理厂常用的HACH的BOD测量设备BODTRAKTM即为一种BOD计，因为它根据生化反应前后气态氧气的减少造成压力的变化而测量BOD值,但不能测量呼吸速率.而不管呼吸计设备结构如何，它们共有的特点是所有的呼吸计都具有一个反应器.目前基于呼吸计量法已经发展出数种测试原理，但根据测试对象所处状态，主要可以分为两种：①所测量氧气的状态——氧气或溶解氧；②气体或液体的状态——静止或流动[23].而在线BOD监测设备大部分是基于呼吸计量法.Vanrolleghem等[24]和Kong等[25]发展了一种可在线的基于呼吸计量法的BOD测量装置RODTOX(流动气体-静止液体呼吸计)，该设备并可用于监测污水的潜在的生物毒性.RODTOX包含了一个连续曝气的完全混合的包含10 L活性污泥的间歇反应器.在注射标定底物和污水后，RODTOX可以从测量的呼吸曲线中计算BOD值.并且该设备具有大的动态BOD测量范围(10～500 000 mg/L)和30 min测定时间，可以实现对污水处理厂的连续监测.其他基于呼吸计量法的设备还包括德国STIP Iso GmbH的BIOX-1010、德国LAR process Analysers AG的BioMonitor等[26].

2 BOD在线监测技术的实际应用

由于呼吸计量法中的反应器最大程度的接近于污水处理厂的生化反应环境，并且可以连续测量，因此可以应用于污水处理厂的生产流程控制.美国已利用BOD在线监测设备对污水处理厂的处理过程进行调控，并取得了一些初步的成果，例如2000年8月底至2001年1月底，BIOX-1010被用于洛杉矶Glendale污水处理厂进行24 h污水负荷连续监控，成功捕获冲击性负荷的发生，用于冲击性负荷发生的报警以及触发进水的流路的调整和污水进水的存贮，从而保证污水处理厂的处理后出水的正常[27].而加州Oakland东湾多功能区污水处理厂根据BIOX-1010的测试数据并结合其他参数，来调整曝气压缩机运行时间，在保证污水处理质量的前提下控制氧气消耗量与污水负荷相对应，从而消耗较少的能量来达到同样的处理效率，在2001年6月平均节省功率195 kW,节省成本125 600美元[28].这些应用实例说明在线BOD设备对于提升污水处理工业的自动化控制过程以及降低处理能耗具有极大的应用潜力.

此外，基于呼吸计量法的BOD在线监测系统也可用来进行生化池的在线生物毒性预警和保持活性污泥的最大活性.例如硫、氨、酚、重金属等在一定浓度下都会对微生物活性产生强烈的抑制，若此类物质直接流入污水处理厂，会破坏活性污泥分解有机营养的能力，导致污泥失活.因此在线监测生物毒性物质，防止其对生化污水处理过程产生不利影响也尤为重要.例如RODTOX2000和LAR的生物毒性在线监测系统也是基于各自的BOD在线监测平台，可以在含生物毒性物质的污水进入处理厂之前进行预警[29].同样，在污水BOD相对不足的情况下，为了防止过度曝气导致微生物活性下降，可以根据在线BOD测量结果往污水中投放适量的有机碳源，从而有效的维持活性污泥的活性在一个相对稳定的水平.

3 结语和展望

目前国外的基于呼吸计量法的BOD在线监测设备均采用活性污泥作为反应器中的微生物存在方式，但以活性污泥作为测量介质会造成一些问题：①活性污泥状态受到环境影响较大，稳定性不易保持；②活性污泥中微生物所分泌的粘性物质容易附着于溶氧传感器或管道内表面，引起故障，因此管路、传感器需要频繁清理；③对于使用活性污泥的在线反应器而言，活性污泥产生的污泥膨胀问题无法避免.但若采用微生物载体的固定床生物反应器能够将微生物固定在高比表面积的载体表面并形成一层生物膜，可以避免在设备中直接使用活性污泥而产生的问题，并具有以下优点：①可以大大增加反应器中微生物浓度并延长固体停留时间(SRT)[30]；②减少了活性污泥的产生量[31]；③反应器中的微生物浓度容易调节和保持稳定；④设备易于微型化.因而基于呼吸计量法的BOD在线监测仪可采用微生物载体，通过范德华力、静电引力、共价键等作用方式将微生物固定于载体表面.与悬浮在水体中的微生物体系相比，微生物载体可有效避免使用活性污泥作为测量介质造成的各种问题，同时大大增加微生物浓度和活性的稳定性，最终提高BOD在线监测的精确性和稳定性.

在线BOD监测技术不仅与当前环保监测网络化、实时化的要求相一致，也可以用于指导污水处理厂的处理工艺，特别是在当前政府提出的节能减排的政策指导下，由于该类技术可以使污水处理厂根据污水负荷调整处理设备的功率，从而提高处理效率，降低处理能耗，因而具有特别重要的实际意义.应用在线BOD监测技术对于提高环境监测的水平和污水处理节能减排都具有非常巨大的潜力.

致谢

武汉工程大学化工与制药学院的蔡宁副教授为本文提供修改意见，在此致谢！

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