有機化合物厭氧生物降解性的測定

1、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響前后的基質(zhì)的濃度變化、最終的產(chǎn)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(yōu)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(chǎn)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(yōu)點而受到了人們的重視。但在工程理論中,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,理解該有機物和有機廢水的厭氧生物降解

2、性是非常必要的。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(zhì),在構造上引起變化所能到達的程度。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(jù)反響前后基質(zhì)的濃度變化。(2)根據(jù)微生物的活性。(3)根據(jù)最終的產(chǎn)氣量。許多科學工作者對有機物的厭氧生物降解性進展了一些研究,并獲得了一定的成績。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

3、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(D)、總有機碳(T)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(zhì)(被測有機物)在厭氧反響前后的濃度,以它作為特性指標,然后用濃度的變化(去除率)來表示有機物的厭氧生物降解性：=1-e/(1)式中e反響后基質(zhì)濃度,g/L；反響前基質(zhì)濃度,g/L。這種方法需要用一系列別離、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。其次假設該有機物在降解過程中產(chǎn)生了有毒害或抑制作用的中間產(chǎn)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

4、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繪有機物的厭氧生物降解性是不太實用和不太妥當?shù)?。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D、T和溶解性有機碳(D)等。通過測定這些指標在厭氧反響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D是用來表征水中有機物濃度的常規(guī)監(jiān)測方法,但測定時間較長,當待測溶液的D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響的有機物無法用D來表示,如苯、甲苯等苯的同系物。T和D需要用較精細的儀器,測定的速度較快,數(shù)據(jù)也較準確,但是需要對水樣進

5、展適當?shù)念A處理。美國試驗與材料協(xié)會提出的AST測試法建議12：在每升反響液中參加污水處理廠厭氧污泥的上清液100L,受試有機物的初始濃度相當于50g/L(以有機碳計)。試驗在125L的血清瓶中進展,同時做一不加受試物的對照試驗。反響溫度35,反響時間為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14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14來合成。通過測定剩余基質(zhì)、中間產(chǎn)物、氣體產(chǎn)物、微生物細胞內(nèi)的14,來理解有機物厭氧降解的全過程和厭氧降解性。這種方法的優(yōu)點是真實、準確,但檢測14需要用到特殊的儀器設備,這種儀器比較復

6、雜,價格很昂貴,操作技術要求比較高,一般實驗室中不裝備這種儀器,而且當有機物很復雜或者組成不明確時,就很難用14來合成。因此這種方法目前在常規(guī)的工作中尚不便采用。2用產(chǎn)氣量來確定有機物的厭氧降解性在厭氧反響過程中產(chǎn)生的氣體量可以用氣體的體積,也可以用氣體中的碳的質(zhì)量來描繪,因此可用兩種方法來測定。2.1利用實際產(chǎn)氣量與理論產(chǎn)氣量的比值來判斷理論產(chǎn)氣量可通過巴斯韋爾方程計算得到4：nHab+(n-a/4-b/2)H2=(n/2-a/8+b/4)2+(n/2+a/8-b/4)H4(2)當基質(zhì)(被測有機物)組成、基質(zhì)濃度與反響液體積時,可以通過這個方程來計算得到理論產(chǎn)氣量,用QT表示。試驗中測出H4

7、與2的總體積,用QF表示。那么可用QF/QT的比值來表示有機物的厭氧生物降解性。理論說明,當QF/QT75%時,可以認為該有機物易被厭氧生物降解；當30%QF/QT75%時,可以認為該有機物可被厭氧生物降解；當QF/QT30%時,可以認為該有機物難以被厭氧生物降解。這種方法能較方便地反映有機物的厭氧生物降解性,但也存在著一定的問題,因為氣體體積的測定不是太可靠：2較易溶于水,即使在pH值很低的情況下2的溶解也不容無視；而且反響器的密閉性也會影響氣體的搜集；再者溫度和壓力對氣體體積的影響比較大,假設不進展校正,那么會使評價結果的可信度降低。因此在采用這種測定方法來評價有機物的厭氧生物降解性時要盡

8、可能減少氣體體積測量的誤差。美國環(huán)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響器中(容積為500L),參加受試有機物和營養(yǎng)鹽溶液。受試有機物的初始濃度范圍最高可到200g/L,相當于采用50gD/L。同時做一不加受試物的對照試驗。反響溫度3537,試驗周期為56d或直至生物降解完全。計算實際氣體產(chǎn)量(扣除對照試驗的氣體產(chǎn)量)占理論氣體產(chǎn)量的百分率,以評價受試物的厭氧生物降解性。2.2EET標準測定方法1,6有一個叫EET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2d5d后可進一步降低背景氣體

9、產(chǎn)量。最后將污泥放入有蓋的玻璃瓶中(容積0.1L1.0L),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20g/L50g/L(以有機碳計)。同時做一不加受試物的對照試驗。反響溫度35。試驗周期為數(shù)星期。試驗完畢時,量測容器頂部氣體的壓力和總產(chǎn)量,并翻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=(T-)/100%(3)式中T總礦化碳(容器頂部的H4和2中的碳,以及溶液中的溶解性無機碳)；對照試驗中的總礦化碳；受試有機物的總有機碳?？偟V化碳T可分為兩部分：一部分為容器頂部氣體中的碳量H(g)?？捎檬?4)表示：H=12103PV/RT(4)式中P搜集

10、到的氣體分壓,at；V搜集到的氣體體積,L；R氣體常數(shù),0.08205Lat/(lK)；T開氏溫度,K。另一部分為溶液中的溶解性無機碳L(g),可用式(5)表示：L=DIVL(5)式中DI溶解性無機碳濃度,g/L；VL反響液體積,L。那么總礦化碳T(g)可表示為：T=H+L(6)受試有機物的總有機碳量(g)可根據(jù)下式計算得到：=SUBSVL(7)式中S受試有機物的初始濃度,以D來表示,g/L；VL反響液體積,L。這種方法比較準確,而且對所有的有機物都適用,可以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斷定有機物的厭氧降解性在厭氧條件下,反響液中參加基質(zhì)后,反響液內(nèi)的厭氧微

11、生物經(jīng)歷了延遲期、對數(shù)生長期、穩(wěn)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(zhì)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以下參數(shù)來表征微生物的生理生化指標。3.1直接測定微生物的數(shù)量73.1.1顯微鏡計數(shù)法雖然這種測定方法操作很簡單也很直接,但不能區(qū)分死菌和活菌,而且重現(xiàn)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(shù)法

12、這種測定方法的優(yōu)點是能測出活菌數(shù)目,但是操作時間太長,對厭氧微生物來說其培養(yǎng)也很不容易,測定的重現(xiàn)性也很不理想。3.2測量揮發(fā)性懸浮固體(VSS)揮發(fā)性懸浮固體,即VSS包含了揮發(fā)性的有機物和細胞體,因此通過測定這個參數(shù)大致可反映出反響液中的厭氧微生物的量,盡管這個參數(shù)的測定原理和方法都很簡單,但是這種方法不能區(qū)分死菌和活菌,也不能區(qū)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(shù)量增加得很有限,有時在整個厭氧過程中根本上沒有什么變化,這就難以根據(jù)這個參數(shù)來判斷微生物的活性。3.3用微生物體內(nèi)的特殊物質(zhì)來斷定710微生物體內(nèi)特定酶的活性是最能反響微生物的活性的,

13、例如脫氫酶(DHA)、三磷酸腺苷(ATP)等。在厭氧微生物體內(nèi)也同樣具有這些酶,其中ATP是基質(zhì)在降解過程中所產(chǎn)生的能量載體,基質(zhì)被分解得越多,ATP產(chǎn)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所反映的是反響器中所有活的厭氧微生物的活性,同時ATP還和產(chǎn)氣量等參數(shù)有很好的相關性,所以用ATP的含量來斷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(nèi)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消費中對于A

14、TP的測定方法已經(jīng)比較成熟,但是由于微生物體內(nèi)的ATP的含量很低,尤其是厭氧微生物,據(jù)報道在厭氧微生物體內(nèi)其ATP的含量一般在0.24gATP/gVSS2.4gATP/gVSS之間。如此低的含量,假設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(xiàn)了一種測定ATP的新方法。這種方法主要是利用ATP能在反響基質(zhì)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(fā)生反響,生成單磷酸腺苷(AP),放出兩個磷酸根(PP),并發(fā)出光子。這個反響的過程可簡寫如下：LH2+ATP+EELH2AP+PPELH2AP+SUB

15、2E+2+AP+產(chǎn)物+光子。可采用熒光計數(shù)器來記錄光子的數(shù)量,因此這種測定方法是比較靈敏的。已經(jīng)有人用這種方法測出了厭氧微生物體內(nèi)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含量是最能反響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(tǒng)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

16、工作的重點。參考文獻1PitterPetal.BidegradabilityfrganiSubstanesintheAquatiEnvirnent.RPress,19902enFetal.BiassayfrnitringBiheialethanePtentialandAnaerbiTxiity.aterRes,1979,13:4853韓朔睽,等.有機化合物厭氧生物降解性的測定和預測.環(huán)境化學,1995,14(3)4BusellAetal.ehanisfethaneFerentatin.IndEnghe,1952,44:5505EPA.TxiSubstanentrlAtTestGuidelines.FinalRules.FederalRegister,1985,50:392786EET.AnaerbiBidegradatinTaskGrup.AnaerbiBidegradatin:Sreening