有機化合物厭氧生物降解性的測定
摘要：有機化合物的厭氧生物降解性的測定 方法 可以從反應前后的基質的濃度變化、最終的產氣量、微生物的活性這3個方面來考察, 分析 了各種有機物厭氧生物降解性的測定方法,并比較了各自的優缺點。
關鍵詞：有機化合物 厭氧生物降解性 測定方法
近30年來,有機物和有機廢水的厭氧生物處理技術以其運行費用低、處理過程中產生的剩余污泥少從而減少了污泥處置的設備與費用、以及還可回收燃氣資源等優點而受到了人們的重視。但在工程實踐中,并不是所有的有機物和有機廢水都適宜于采用厭氧生物處理,因為有些有機物在厭氧條件下的降解程度很差。因此,在確定是否采用厭氧處理之前,了解該有機物和有機廢水的厭氧生物降解性是十分必要的。
有機物的厭氧生物降解性是指在厭氧微生物的作用下使某一種有機物改變其原來的物理、化學性質,在結構上引起變化所能達到的程度。圖1是有機化合物厭氧生物降解的示意圖。
圖1 有機物厭氧分解示意圖
分析圖1中厭氧生物降解的過程,有機化合物的厭氧生物降解性可以從以下3個方面來考察：
(1) 根據反應前后基質的濃度變化。
(2) 根據微生物的活性。
(3) 根據最終的產氣量。
許多 科學 工作者對有機物的厭氧生物降解性進行了一些 研究 ,并取得了一定的成績。但與好氧生物降解性相比, 目前 所建立的有機物厭氧生物降解性的測定方法還不多。主要有以下幾種。
1 利用有機物的去除率來判斷有機物的厭氧生物降解性
有兩類指標可以用于測定有機物的去除率。一類是特性指標,如被測有機物的濃度。另一類是綜合性指標,如化學需氧量(COD)、總有機碳(TOC)等。
1.1 用特性指標來確定有機物的厭氧生物降解性
這種方法是測定基質(被測有機物)在厭氧反應前后的濃度,以它作為特性指標,然后用濃度的變化(去除率η)來表示有機物的厭氧生物降解性：
η=1-Ce/Co (1)
式中Ce——反應后基質濃度,mg/L;
Co——反應前基質濃度,mg/L。
這種方法需要用一系列分離、定性、定量分析技術來測定被測有機物的濃度,因此對分析樣品的預處理要求比較高,操作很繁瑣。其次若該有機物在降解過程中產生了有毒害或抑制作用的中間產物,而無法再進一步被厭氧微生物所分解。此時即使從表觀上看該有機物的去除率很高,但實際上它也是一種難厭氧生物降解的有機化合物。因此用這種特性指標來描述有機物的厭氧生物降解性是不太實用和不太妥當的。當然有時在研究有機物的厭氧降解過程和降解機理時,這種指標還是必要的。
1.2 用綜合性指標來確定有機物的厭氧降解性常用的綜合性指標有COD、TOC和溶解性有機碳(DOC)等。通過測定這些指標在厭氧反應前后的變化可表示有機物的厭氧生物降解性。在這幾個指標中COD是用來表征水中有機物濃度的常規監測方法,但測定時間較長,當待測溶液的COD值較低時,測定的相對誤差較大,而且一些不能與重鉻酸鉀反應的有機物無法用COD來表示,如苯、甲苯等苯的同系物。TOC和DOC需要用較精密的儀器,測定的速度較快,數據也較準確,但是需要對水樣進行適當的預處理。
美國試驗與材料協會提出的ASTM測試法建議[1～2]：在每升反應液中加入污水處理廠厭氧污泥的上清液100mL,受試有機物的初始濃度相當于50 mg/L(以有機碳計)。試驗在125mL的血清瓶中進行,同時做一不加受試物的對照試驗。反應溫度35℃,反應時間為28d。 計算 生物降解百分率來評價受試物的厭氧生物降解性。
1.3 用放射性同位素14C跟蹤被測有機物的厭氧降解過程[3]
這是測定有機物厭氧降解性最直接的方法。被測有機物用<14C來合成。通過測定剩余基質、中間產物、氣體產物、微生物細胞內的<14C,來了解有機物厭氧降解的全過程和厭氧降解性。這種方法的優點是真實、準確,但檢測<14C需要用到特殊的儀器設備,這種儀器比較復雜,價格很昂貴,操作技術要求比較高,一般實驗室中不配備這種儀器,而且當有機物很復雜或者組成不明確時,就很難用14C來合成。因此這種方法目前在常規的工作中尚不便采用。
2 用產氣量來確定有機物的厭氧降解性在厭氧反應過程中產生的氣體量可以用氣體的體積,也可以用氣體中的碳的質量來描述,因此可用兩種方法來測定。
2.1 利用實際產氣量與 理論 產氣量的比值來判斷理論產氣量可通過巴斯韋爾方程計算得到[4]：
CnHaOb+(n-a/4-b/2)H2O=(n/2-a/8+b/4)CO2+(n/2+a/8-b/4)CH4 (2)
當基質(被測有機物)組成、基質濃度與反應液體積已知時,可以通過這個方程來計算得到理論產氣量,用QT表示。試驗中測出CH4與CO2的總體積,用QF表示。則可用QF/QT的比值來表示有機物的厭氧生物降解性。實踐表明,當QF/QT>75%時,可以認為該有機物易被厭氧生物降解;當30%
美國環保局(EPA)標準測試法[1,5]就是這種測定方法。
將一定量的市政污水處理廠厭氧污泥加到一個有蓋的反應器中(容積為500mL),加入受試有機物和營養鹽溶液。受試有機物的初始濃度范圍最高可到200mg/L,相當于采用50mg DOC/L。同時做一不加受試物的對照試驗。反應溫度35℃～37℃,試驗周期為56d或直至生物降解完全。計算實際氣體產量(扣除對照試驗的氣體產量)占理論氣體產量的百分率,以評價受試物的厭氧生物降解性。
2.2ECETOC標準測定方法[1,6]
有一個叫ECETOC的工作小組提出的測試步驟為：取來污水處理廠厭氧污泥,先洗滌以減少無機碳的含量。將此污泥預消化2d～5d后可進一步降低背景氣體產量。最后將污泥放入有蓋的玻璃瓶中(容積0.1L～1.0L),瓶中污泥干固體濃度為100g/L,受試有機物的初始濃度相當于20mg/L～50mg/L(以有機碳計)。同時做一不加受試物的對照試驗。反應溫度35℃。試驗周期為數星期。試驗結束時,量測容器頂部氣體的壓力和總產量,并打開瓶蓋立即測定溶液中溶解性無機碳的含量。按式(3)計算生物降解百分率D：
D=[(CT-CC)/C]×100% (3)
式中CT——總礦化碳(容器頂部的CH4和CO2中的碳,以及溶液中的溶解性無機碳);
CC——對照試驗中的總礦化碳;
C——受試有機物的總有機碳。
總礦化碳CT可分為兩部分：一部分為容器頂部氣體中的碳量CH(mg)。可用式(4)表示：
CH=12×<103×PV/RT (4)
式中P——收集到的氣體分壓,atm;
V——收集到的氣體體積,L;
R——氣體常數,0.082 05L·atm/(mol·K);
T——開氏溫度,K。
另一部分為溶液中的溶解性無機碳CL(mg),可用式(5)表示：
CL=DIC×VL (5)
式中 DIC——溶解性無機碳濃度,mg/L;
VL——反應液體積,L。
則總礦化碳CT(mg)可表示為：
CT=CH+CL (6)
受試有機物的總有機碳量C(mg)可根據下式計算得到：
C=CSUB>S×VL (7)
式中CS——受試有機物的初始濃度,以DOC來表示,mg/L;
VL——反應液體積,L。
這種方法比較準確,而且對所有的有機物都適用,能夠較真實地反映出有機物的厭氧分解程度。
3 利用微生物的生理生化指標來判定有機物的厭氧降解性
在厭氧條件下,反應液中加入基質后,反應液內的厭氧微生物經歷了延遲期、對數生長期、穩定期和衰亡期4個階段。圖2表示了厭氧微生物生長的這4個不同的階段。不同的基質對微生物生長曲線的 影響 是不同的,因此對微生物活性的影響也不同。而微生物的生理生化指標是隨著微生物的活性而變化的,所以通過測定厭氧微生物的生理生化指標便可以反映出厭氧微生物的活性,從而可以反映出相應有機物的厭氧生物降解性。
圖2 厭氧微生物的生長曲線
基于這一認識,筆者認為可以通過測定下列參數來表征微生物的生理生化指標。
3.1 直接測定微生物的數量[7]
3.1.1 顯微鏡計數法
雖然這種測定 方法 操作很簡單也很直接,但不能區分死菌和活菌,而且重現性亦較差,故不能真實反映厭氧微生物的活性。
3.1.2 活菌計數法
這種測定方法的優點是能測出活菌數目,但是操作時間太長,對厭氧微生物來說其培養也很不容易,測定的重現性也很不理想。
3.2 測量揮發性懸浮固體(VSS)
揮發性懸浮固體,即VSS包含了揮發性的有機物和細胞體,因此通過測定這個參數大致可反映出反應液中的厭氧微生物的量,盡管這個參數的測定原理和方法都很簡單,但是這種方法不能區分死菌和活菌,也不能區分有機物和細胞體,故不能真正反映厭氧微生物的活性,尤其是在厭氧條件下,微生物的數量增加得很有限,有時在整個厭氧過程中基本上沒有什么變化,這就難以根據這個參數來判斷微生物的活性。
3.3 用微生物體內的特殊物質來判定[7～10]
微生物體內特定酶的活性是最能反應微生物的活性的,例如脫氫酶(DHA)、三磷酸腺苷(ATP)等。在厭氧微生物體內也同樣具有這些酶,其中ATP是基質在降解過程中所產生的能量載體,基質被分解得越多,ATP產生得就越多,厭氧微生物的活性越高,說明該有機物容易被厭氧微生物所降解。ATP所反映的是反應器中所有活的厭氧微生物的活性,同時ATP還和產氣量等參數有很好的相關性,所以用ATP的含量來判定有機物的厭氧生物降解性在 理論 上是可行的。DHA表示的是脫氫酶的活性,它與ATP不同的是,它只能反映特殊微生物種群的活性,而不是所有微生物的活性。
應該說利用這些厭氧微生物體內的活性酶的含量來判斷厭氧微生物的活性的方法,提出的時間并不短。盡管在藥用ATP生產中對于ATP的測定方法已經比較成熟,但是由于微生物體內的ATP的含量很低,尤其是厭氧微生物,據報道在厭氧微生物體內其ATP的含量一般在0.24mgATP/gVSS～2.4mgATP/gVSS之間。如此低的含量,如果沒有靈敏度很高的儀器和提取方法是很難得到理想的結果的,因此在厭氧微生物活性的判斷上一直沒有采用ATP法。進入80年代后期,出現了一種測定ATP的新方法。這種方法主要是利用ATP能在反應基質與特定的酶的作用下,與熒光素LH2、熒光素酶E、氧氣和鎂離子發生反應,生成單磷酸腺苷(AMP),放出兩個磷酸根(PP),并發出光子。這個反應的過程可簡寫如下：
LH2+ATP+E→E—LH2—AMP+PP
E—LH2—AMP+OSUB2→E+CO2++AMP+產物+光子。
可采用熒光計數器來記錄光子的數量,因此這種測定方法是比較靈敏的。已經有人用這種方法測出了厭氧微生物體內的ATP含量。用ATP含量來判斷厭氧微生物的活性,由此來推斷出相應化合物的厭氧生物降解性是可行的,而且與其它方法相比,ATP含量是最能反應出微生物的活性的指標,因此是一種最有效、最直接的判斷厭氧微生物活性的方法。從總體來說,有機化合物厭氧生物降解性的測定方法 目前 研究 得還遠遠不夠,一些傳統的測定方法并不能有效地反映有機化合物的厭氧生物降解性,一些新興的測定方法還很不完善,仍在研究之中,因此尋求一種有效的、準確的、易推廣并標準化的測定有機物厭氧生物降解性的方法是今后研究工作的重點。
參考 文獻
1 Pitter P et al.Biodegradability of Organic Substances in the Aquatic Environment. CRC Press, 1990
2 Owen W F et al. Bioassay for Monitoring Biochemical Methane Potential and Anaerobic Toxicity.Water Res,1979,13:485
3 韓朔睽,等.有機化合物厭氧生物降解性的測定和預測.環境化學,1995,14(3)
4 Buswell A M et al.Mechanism of Methane Fermentation.Ind Eng Chem,1952,44:550
5 EPA. Toxic Substance Control Act Test Guidelines.Final Rules.Federal Register,1985,50:39278
6 ECETOC.Anaerobic Biodegradation Task Group.Anaerobic Biodegradation:Screening Test for Assessment.2nd Draft Organization for Economic Cooperation and Development.Paris,1987
7 俞毓馨,等.環境工程微生物檢驗手冊.北京： 中國 環境 科學 出版社,1990
8Chung Y C et al. ATP as a Measurement of Anaerobic Sludge Digester Activity. J WPCF, 1988, 60 (1)
9 連莉文,等.厭氧消化微生物氫代謝活性的研究.微生物學報, 1988,28(1):1～5
10 唐一,等.輔酶F420作為厭氧污泥活性指標的研究.中國沼氣,1989,6(5)
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