判斷廢水處理工藝可生化性四種方法

劉經(jīng)理15653632199

目前來說生化處理是廢水處理中的主流工藝，廢水的可生化性(Biodegradability)，也稱廢水的生物可降解性，即廢水中有機(jī)污染物被生物降解的難易程度，是廢水的重要特性之一。

廢水存在可生化性差異的主要原因在于廢水所含的有機(jī)物中，除一些易被微生物分解、利用外，還含有一些不易被微生物降解、甚至對微生物的生長產(chǎn)生抑制作用，這些有機(jī)物質(zhì)的生物降解性質(zhì)以及在廢水中的相對含量決定了該種廢水采用生物法處理(通常指好氧生物處理)的可行性及難易程度。在特定情況下，廢水的可生化性除了體現(xiàn)廢水中有機(jī)污染物能否可以被利用以及被利用的程度外，還反映了處理過程中微生物對有機(jī)污染物的利用速度：一旦微生物的分解利用速度過慢，導(dǎo)致處理過程所需時(shí)間過長，在實(shí)際的廢水工程中很難實(shí)現(xiàn)，因此，一般也認(rèn)為該種廢水的可生化性不高。

確定處理對象廢水的可生化性，對于廢水處理方法的選擇、確定生化處理工段進(jìn)水量、有機(jī)負(fù)荷等重要工藝參數(shù)具有重要的意義。國內(nèi)外對于可生化性的判定方法根據(jù)采用的判定參數(shù)大致可以分為好氧呼吸參量法、微生物生理指標(biāo)法、模擬實(shí)驗(yàn)法以及綜合模型法等。

一、好氧呼吸參量法

微生物對有機(jī)污染物的好氧降解過程中，除COD(ChemicalOxygenDemand化學(xué)需氧量)、BOD(BiologicalOxygenDemand生化需氧量)等水質(zhì)指標(biāo)的變化外，同時(shí)伴隨著O2的消耗和CO2的生成。

好氧呼吸參量法是就是利用上述事實(shí)，通過測定COD、BOD等水質(zhì)指標(biāo)的變化以及呼吸代謝過程中的O2或CO2含量(或消耗、生成速率)的變化來確定某種有機(jī)污染物(或廢水)可生化性的判定方法。根據(jù)所采用的水質(zhì)指標(biāo)，主要可以分為：水質(zhì)指標(biāo)評價(jià)法、微生物呼吸曲線法、CO2生成量測定法。

1、水質(zhì)指標(biāo)評價(jià)法

BOD5/CODCr比值法是最經(jīng)典、也是目前最為常用的一種評價(jià)廢水可生化性的水質(zhì)指標(biāo)評價(jià)法。

BOD是指有氧條件下好氧微生物分解利用廢水中有機(jī)污染物進(jìn)行新陳代謝過程中所消耗的氧量，我們通常是將BOD5(五天生化需氧量)直接代表廢水中可生物降解的那部分有機(jī)物。CODCr是指利用化學(xué)氧化劑(K2Cr2O7)徹底氧化廢水中有機(jī)污染物過程中所消耗氧的量，通常將CODCr代表廢水中有機(jī)污染物的總量。

傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為BOD5/CODCr，即B/C比值體現(xiàn)了廢水中可生物降解的有機(jī)污染物占有機(jī)污染物總量的比例，從而可以用該值來評價(jià)廢水在好氧條件下的微生物可降解性。在一般情況下，BOD5／COD值愈大，說明廢水可生物處理性愈好。綜合國內(nèi)外的研究結(jié)果，可參照表--【廢水可生化性評價(jià)參考數(shù)據(jù)】所列數(shù)據(jù)評價(jià)廢水的可生化性。

在各種有機(jī)污染指標(biāo)中，總有機(jī)碳(TOC)、總需氧量(TOD)等指標(biāo)與COD相比，能夠更為快速地通過儀器測定，且測定過程更加可靠，可以更加準(zhǔn)確地反映出廢水中有機(jī)污染物的含量。隨著近幾年來上述指標(biāo)測定方法的發(fā)展、改進(jìn)，國外多采用BOD/TOD及BOD/TOC的比值作為廢水可生化性判定指標(biāo)，并給出了一系列的標(biāo)準(zhǔn)。但無論BOD/COD、BOD/TOD或者BOD/TOC，方法的主要原理都是通過測定可生物降解的有機(jī)物(BOD)占總有機(jī)物(COD、TOD或TOC)的比例來判定廢水可生化性的。

該種判定方法的主要優(yōu)點(diǎn)在于：BOD、COD等水質(zhì)指標(biāo)的意義已被廣泛了解和接受，且測定方法成熟，所需儀器簡單。

但該判定方法也存在明顯不足，導(dǎo)致該種方法在應(yīng)用過程中有較大的局限性。首先，BOD本身是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，必須在嚴(yán)格一致的測試條件下才能比較它們的重現(xiàn)性和可比性。測試條件的任何偏差都將導(dǎo)致極不穩(wěn)定的測試結(jié)果，稀釋過程、分析者的經(jīng)驗(yàn)以及接種材料的變化都可以導(dǎo)致BOD測試的較大誤差，同時(shí)，我們又很難找到一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)接種材料來檢驗(yàn)所接種的微生物究竟帶來多大的誤差，也不知道究竟哪一個(gè)測量值更接近于真值。實(shí)際上，不同實(shí)驗(yàn)室對同一水樣的BOD測試的結(jié)果重現(xiàn)性很差，其原因可能在于稀釋水的制備過程或不同實(shí)驗(yàn)室具體操作差異所帶來的誤差；其次，國內(nèi)外學(xué)者對各類工業(yè)廢水和城市污水的BOD與COD數(shù)值做了大量的測定工作，并確定了能表征兩者相關(guān)性的關(guān)系式：

COD＝a+bBOD——(1)

式(1)中

a=CODnB，b=CODB/BOD

CODnB—不能被生物降解的那部分有機(jī)物的COD值；

CODB—能被生物降解的那部分有機(jī)物的COD值。

根據(jù)公式1可以看出，BOD/COD值不能表示可生物降解的有機(jī)物占全部有機(jī)物的比值，只有當(dāng)a值為零時(shí)廢水的BOD/COD比值才是常數(shù)；最后，廢水的某些性質(zhì)也會使采用該種方法判定廢水可生化性產(chǎn)生誤差甚至得到相反的結(jié)論，如：BOD無法反映廢水中有害有毒物質(zhì)對于微生物的抑制作用，當(dāng)廢水中含有降解緩慢的有機(jī)污染物懸浮、膠體污染物時(shí)，BOD與COD之間不存在良好的相關(guān)性。

在使用此法時(shí)，應(yīng)注意以下幾個(gè)問題。

①某些廢水中含有的懸浮性有機(jī)固體容易在COD的測定中被重鉻酸鉀氧化，并以COD的形式表現(xiàn)出來。但在BOD反應(yīng)瓶中受物理形態(tài)限制，BOD數(shù)值較低，致使BOD5/COD值減小，而實(shí)際上懸浮有機(jī)固體可通過生物絮凝作用去除，繼之可經(jīng)胞外酶水解后進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)被氧化，其BOD5/COD值雖小，可生物處理性卻不差。

②COD測定值中包含了廢水中某些無機(jī)還原性物質(zhì)(如硫化物、亞硫酸鹽、亞硝酸鹽、亞鐵離子等)所消耗的氧量，BOD5測定值中也包括硫化物、亞硫酸鹽、亞鐵離子所消耗的氧量。但由于COD與BOD5測定方法不同，這些無機(jī)還原性物質(zhì)在測定時(shí)的終態(tài)濃度及狀態(tài)都不盡相同，亦即在兩種測定方法中所消耗的氧量不同，從而直接影響B(tài)OD5和COD的測定值及其比值。

③重鉻酸鉀在酸性條件下的氧化能力很強(qiáng)，在大多數(shù)情況下，COD值可近似代表廢水中全部有機(jī)物的含量。但有些化合物如吡啶不被重鉻酸鉀氧化，不能以COD的形式表現(xiàn)出需氧量，但卻可能在微生物作用下被氧化，以BOD5的形式表現(xiàn)出需氧量，因此對BOD5/COD值產(chǎn)生很大影響。

綜上所述，廢水的BOD5/COD值不可能直接等于可生物降解的有機(jī)物占全部有機(jī)物的百分?jǐn)?shù)，所以，用BOD5/COD值來評價(jià)廢水的生物處理可行件盡管方便，但比較粗糙，欲做出準(zhǔn)確的結(jié)論，還應(yīng)輔以生物處理的模型實(shí)驗(yàn)。

2、微生物呼吸曲線法

微生物呼吸曲線是以時(shí)間為橫坐標(biāo)，以生化反應(yīng)過程中的耗氧量為縱坐標(biāo)作圖得到的一條曲線，曲線特征主要取決于廢水中有機(jī)物的性質(zhì)。測定耗氧速度的儀器有瓦勃氏呼吸儀和電極式溶解氧測定儀。

微生物內(nèi)源呼吸曲線：當(dāng)微生物進(jìn)入內(nèi)源呼吸期時(shí)，耗氧速率恒定，耗氧量與時(shí)間呈正比，在微生物呼吸曲線圖上表現(xiàn)為一條過坐標(biāo)原點(diǎn)的直線，其斜率即表示內(nèi)源呼吸時(shí)耗氧速率。如圖1所示，比較微生物呼吸曲線與微生物內(nèi)源呼吸曲線，曲線a位于微生物內(nèi)源呼吸曲線上部，表明廢水中的有機(jī)污染物能被微生物降解，耗氧速率大于內(nèi)源呼吸時(shí)的耗氧速率，經(jīng)一段時(shí)間曲線a與內(nèi)源呼吸線幾乎平行，表明基質(zhì)的生物降解已基本完成，微生物進(jìn)入內(nèi)源呼吸階段；曲線b與微生物內(nèi)源呼吸曲線重合，表明廢水中的有機(jī)污染物不能被微生物降解，但也未對微生物產(chǎn)生抑制作用，微生物維持內(nèi)源呼吸，曲線c位于微生物內(nèi)源呼吸曲線下端，耗氧速率小于內(nèi)源呼吸時(shí)的耗氧速率，表明廢水中的有機(jī)污染物不能被微生物降解，而且對微生物具有抑制或毒害作用，微生物呼吸曲線一旦與橫坐標(biāo)重合，則說明微生物的呼吸已停止，死亡。將微生物呼吸曲線圖的橫坐標(biāo)改為基質(zhì)濃度，則變?yōu)榱硪环N可生化性判定方法—耗氧曲線法，雖然圖的含義不同，但是與微生物呼吸曲線法的原理和實(shí)驗(yàn)方法是一致的。

該種判定方法與其他方法相比，操作簡單、實(shí)驗(yàn)周期短，可以滿足大批量數(shù)據(jù)的測定。但必須指出，用此種方法來評價(jià)廢水的可生化性、必須對微生物的來源、濃度、馴化和有機(jī)污染物的濃度及反應(yīng)時(shí)間等條件作嚴(yán)格的規(guī)定，加之測定所需的儀器在國內(nèi)的普及率不高，因此在國內(nèi)的應(yīng)用并不廣泛。

3、CO2生成量測定法

微生物在降解污染物的過程中，在消耗廢水中O2的同時(shí)會生成相應(yīng)數(shù)量的CO2。因此，通過測定生化反應(yīng)過程CO2的生成量，就可以判斷污染物的可生物降解性。

目前最常用的方法為斯特姆測定法，反應(yīng)時(shí)間為28d，可以比較CO2的實(shí)際產(chǎn)量和理論產(chǎn)量來判定廢水的可生化性，也可以利用CO2/DOC值來判定廢水的可生化性。由于該種判定實(shí)驗(yàn)需采用特殊的儀器和方法，操作復(fù)雜，僅限于實(shí)驗(yàn)室研究使用，在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用還未見報(bào)道。

二、微生物生理指標(biāo)法

微生物與廢水接觸后，利用廢水中的有機(jī)物作為碳源和能源進(jìn)行新陳代謝，微生物生理指標(biāo)法就是通過觀察微生物新陳代謝過程中重要的生理生化指標(biāo)的變化來判定該種廢水的可生化性。目前可以作為判定依據(jù)的生理生化指標(biāo)主要有：脫氫酶活性、三磷酸腺苷(ATP)。

1、脫氫酶活性指標(biāo)法

微生物對有機(jī)物的氧化分解是在各種酶的參與下完成的，其中脫氫酶起著重要的作用：催化氫從被氧化的物質(zhì)轉(zhuǎn)移到另一物質(zhì)。由于脫氫酶對毒物的作用非常敏感，當(dāng)有毒物存在時(shí)，它的活性(單位時(shí)間內(nèi)活化氫的能力)下降。因此，可以利用脫氫酶活性作為評價(jià)微生物分解污染物能力的指標(biāo)：如果在以某種廢水(有機(jī)污染物)為基質(zhì)的培養(yǎng)液中生長的微生物脫氫酶的活性增加，則表明微生物能夠降解該種廢水(有機(jī)污染物)。

2、三磷酸腺苷(ATP)指標(biāo)法

微生物對污染物的氧化降解過程，實(shí)際上是能量代謝過程，微生物產(chǎn)能能力的大小直接反映其活性的高低。三磷酸腺苷(ATP)是微生物細(xì)胞中貯存能量的物質(zhì)，因而可通過測定細(xì)胞中ATP的水平來反映微生物的活性程度，并作為評價(jià)微生物降解有機(jī)污染物能力的指標(biāo)，如果在以某種廢水(有機(jī)污染物)為基質(zhì)的培養(yǎng)液中生長的微生物ATP的活性增加，則表明微生物能夠降解該種廢水(有機(jī)污染物)。

此外，微生物生理指標(biāo)法還有細(xì)菌標(biāo)準(zhǔn)平板計(jì)數(shù)、DNA測定法、INT測定法、發(fā)光細(xì)菌光強(qiáng)測定法等。

雖然目前脫氫酶活性、ATP等測定都已有較成熟的方法，但由于這些參數(shù)的測定對儀器和藥品的要求較高，操作也較復(fù)雜，因此目前微生物生理指標(biāo)法主要還是用于單一有機(jī)污染物的生物可降解性和生態(tài)毒性的判定。

三、模擬實(shí)驗(yàn)法

模擬實(shí)驗(yàn)法是指直接通過模擬實(shí)際廢水處理過程來判斷廢水生物處理可行性的方法。根據(jù)模擬過程與實(shí)際過程的近似程度，可以大致分為培養(yǎng)液測定法和模擬生化反應(yīng)器法。

1、培養(yǎng)液測定法

培養(yǎng)液測定法又稱搖床試驗(yàn)法，具體操作方法是：在一系列三角瓶內(nèi)裝入某種污染物(或廢水)為碳源的培養(yǎng)液，加入適當(dāng)N、P等營養(yǎng)物質(zhì)，調(diào)節(jié)pH值，然后向瓶內(nèi)接種一種或多種微生物(或經(jīng)馴化的活性污泥)，將三角瓶置于搖床上進(jìn)行振蕩，模擬實(shí)際好氧處理過程，在一定階段內(nèi)連續(xù)監(jiān)測三角瓶內(nèi)培養(yǎng)液物理外觀(濃度、顏色、嗅味等)上的變化，微生物(菌種、生物量及生物相等)的變化以及培養(yǎng)液各項(xiàng)指標(biāo)：pH、COD或某污染物濃度的變化。

2、模擬生化反應(yīng)器法

模擬生化反應(yīng)器法是在模型生化反應(yīng)器(如曝氣池模型)中進(jìn)行的，通過在生化模型中模擬實(shí)際污水處理設(shè)施(如曝氣池)的反應(yīng)條件，如：MLSS濃度、溫度、DO、F/M比等，來預(yù)測各種廢水在污水處理設(shè)施中的去除效果，及其各種因素對生物處理的影響。

由于模擬實(shí)驗(yàn)法采用的微生物、廢水與實(shí)際過程相同，而且生化反應(yīng)條件也接近實(shí)際值，從水處理研究的角度來講，相當(dāng)于實(shí)際處理工藝的小試研究，各種實(shí)際出現(xiàn)的影響因素都可以在實(shí)驗(yàn)過程中體現(xiàn)，避免了其他判定方法在實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的誤差，且由于實(shí)驗(yàn)條件和反應(yīng)空間更接近于實(shí)際情況，因此模擬實(shí)驗(yàn)法與培養(yǎng)液測定法相比，能夠更準(zhǔn)確地說明廢水生物處理的可行性。 

但正是由于該種判定方法針對性過強(qiáng)，各種廢水間的測定結(jié)果沒有可比性，因此不容易形成一套系統(tǒng)的理論，而且小試過程的判定結(jié)果在實(shí)際放大過程中也可能造成一定的誤差。

四、綜合模型法

綜合模型法主要是針對某種有機(jī)污染物的可生化的判定，通過對大量的已知污染物的生物降解性和分子結(jié)構(gòu)的相關(guān)性利用計(jì)算機(jī)模擬預(yù)測新的有機(jī)化合物的生物可降解性，主要的模型有：BIODEG模型、PLS模型等。

綜合模型法需要依靠龐大的已知污染物的生物降解性數(shù)據(jù)庫(如EU的EINECS數(shù)據(jù)庫)，而且模擬過程復(fù)雜，耗資大，主要用于預(yù)測新化合物的可生化性和進(jìn)入環(huán)境后的降解途徑。

除以上的可生化性判定方法之外，近年來還發(fā)展了許多其他方法，如利用多級過濾和超濾的方法得到廢水的粒徑分布PSD(particlesizedistribution)和COD分布來作為預(yù)測廢水可生化性的指標(biāo)；利用耗氧量、生化反應(yīng)某端產(chǎn)物、生物活性值聯(lián)合評價(jià)廢水的可生化性；利用經(jīng)驗(yàn)流程圖來預(yù)測某種有機(jī)污染物的可生化性。

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