什么是廢水的可生化性？
廢水的可生化性(Biodegradability)，也稱(chēng)廢水的生物可降解性，即廢水中有機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(cháng)產(chǎn)生抑制作用，這些有機物質(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廢水中有機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(guò)程中微生物對有機污染物的利用速度：一旦微生物的分解利用速度過(guò)慢，導致處理過(guò)程所需時(shí)間過(guò)長(cháng)，在實(shí)際的廢水工程中很難實(shí)現，因此，一般也認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、有機負荷等重要工藝參數具有重要的意義。國內外對于可生化性的判定方法根據采用的判定參數大致可以分為好氧呼吸參量法、微生物生理指標法、模擬實(shí)驗法以及綜合模型法等。
01 好氧呼吸參量法
微生物對有機污染物的好氧降解過(guò)程中，除COD、BOD等水質(zhì)指標的變化外，同時(shí)伴隨著(zhù)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(guò)測定COD、BOD等水質(zhì)指標的變化以及呼吸代謝過(guò)程中的O2或CO2含量(或消耗、生成速率)的變化來(lái)確定某種有機污染物(或廢水)可生化性的判定方法。根據所采用的水質(zhì)指標，主要可以分為：水質(zhì)指標評價(jià)法、微生物呼吸曲線(xiàn)法、CO2生成量測定法。
1、水質(zhì)指標評價(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污染物進(jìn)行新陳代謝過(guò)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物。CODCr是指利用化學(xué)氧化劑(K2Cr2O7)徹底氧化廢水中有機污染物過(guò)程中所消耗氧的量，通常將CODCr代表廢水中有機污染物的總量。
傳統觀(guān)點(diǎn)認為BOD5/CODCr，即B/C比值體現了廢水中可生物降解的有機污染物占有機污染物總量的比例，從而可以用該值來(lái)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(shuō)明廢水可生物處理性愈好。綜合國內外的研究結果，可參照表--【廢水可生化性評價(jià)參考數據】所列數據評價(jià)廢水的可生化性。
在各種有機污染指標中，總有機碳(TOC)、總需氧量(TOD)等指標與COD相比，能夠更為快速地通過(guò)儀器測定，且測定過(guò)程更加可靠，可以更加準確地反映出廢水中有機污染物的含量。隨著(zhù)近幾年來(lái)上述指標測定方法的發(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，并給出了一系列的標準。但無(wú)論BOD/COD、BOD/TOD或者BOD/TOC，方法的主要原理都是通過(guò)測定可生物降解的有機物(BOD)占總有機物(COD、TOD或TOC)的比例來(lái)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)指標的意義已被廣泛了解和接受，且測定方法成熟，所需儀器簡(jiǎn)單。
但該判定方法也存在明顯不足，導致該種方法在應用過(guò)程中有較大的局限性。首先，BOD本身是一個(gè)經(jīng)驗參數，必須在嚴格一致的測試條件下才能比較它們的重現性和可比性。測試條件的任何偏差都將導致極不穩定的測試結果，稀釋過(guò)程、分析者的經(jīng)驗以及接種材料的變化都可以導致BOD測試的較大誤差，同時(shí)，我們又很難找到一個(gè)標準接種材料來(lái)檢驗所接種的微生物究竟帶來(lái)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)驗室對同一水樣的BOD測試的結果重現性很差，其原因可能在于稀釋水的制備過(guò)程或不同實(shí)驗室具體操作差異所帶來(lái)的誤差；其次，國內外學(xué)者對各類(lèi)工業(yè)廢水和城市污水的BOD與COD數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物的COD值；
CODB—能被生物降解的那部分有機物的COD值。
根據公式1可以看出，BOD/COD值不能表示可生物降解的有機物占全部有機物的比值，只有當a值為零時(shí)廢水的BOD/COD比值才是常數；最后，廢水的某些性質(zhì)也會(huì )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論，如：BOD無(wú)法反映廢水中有害有毒物質(zhì)對于微生物的抑制作用，當廢水中含有降解緩慢的有機污染物懸浮、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)，應注意以下幾個(gè)問(wèn)題。
①某些廢水中含有的懸浮性有機固體容易在COD的測定中被重鉻酸鉀氧化，并以COD的形式表現出來(lái)。但在BOD反應瓶中受物理形態(tài)限制，BOD數值較低，致使BOD5/COD值減小，而實(shí)際上懸浮有機固體可通過(guò)生物絮凝作用去除，繼之可經(jīng)胞外酶水解后進(jìn)入細胞內被氧化，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(wú)機還原性物質(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(wú)機還原性物質(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，在大多數情況下，COD值可近似代表廢水中全部有機物的含量。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物占全部有機物的百分數，所以，用BOD5/COD值來(lái)評價(jià)廢水的生物處理可行性，盡管方便，但比較粗糙，欲做出準確的結論，還應輔以生物處理的模型實(shí)驗。
2、微生物呼吸曲線(xiàn)法
微生物呼吸曲線(xiàn)是以時(shí)間為橫坐標，以生化反應過(guò)程中的耗氧量為縱坐標作圖得到的一條曲線(xiàn)，曲線(xiàn)特征主要取決于廢水中有機物的性質(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。
微生物內源呼吸曲線(xiàn)：當微生物進(jìn)入內源呼吸期時(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(xiàn)圖上表現為一條過(guò)坐標原點(diǎn)的直線(xiàn)，其斜率即表示內源呼吸時(shí)耗氧速率。如圖1所示，比較微生物呼吸曲線(xiàn)與微生物內源呼吸曲線(xiàn)，曲線(xiàn)a位于微生物內源呼吸曲線(xiàn)上部，表明廢水中的有機污染物能被微生物降解，耗氧速率大于內源呼吸時(shí)的耗氧速率，經(jīng)一段時(shí)間曲線(xiàn)a與內源呼吸線(xiàn)幾乎平行，表明基質(zhì)的生物降解已基本完成，微生物進(jìn)入內源呼吸階段；曲線(xiàn)b與微生物內源呼吸曲線(xiàn)重合，表明廢水中的有機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，微生物維持內源呼吸，曲線(xiàn)c位于微生物內源呼吸曲線(xiàn)下端，耗氧速率小于內源呼吸時(shí)的耗氧速率，表明廢水中的有機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(xiàn)一旦與橫坐標重合，則說(shuō)明微生物的呼吸已停止，死亡。將微生物呼吸曲線(xiàn)圖的橫坐標改為基質(zhì)濃度，則變?yōu)榱硪环N可生化性判定方法—耗氧曲線(xiàn)法，雖然圖的含義不同，但是與微生物呼吸曲線(xiàn)法的原理和實(shí)驗方法是一致的。
該種判定方法與其他方法相比，操作簡(jiǎn)單、實(shí)驗周期短，可以滿(mǎn)足大批量數據的測定。但必須指出，用此種方法來(lái)評價(jià)廢水的可生化性、必須對微生物的來(lái)源、濃度、馴化和有機污染物的濃度及反應時(shí)間等條件作嚴格的規定，加之測定所需的儀器在國內的普及率不高，因此在國內的應用并不廣泛。
3、CO2生成量測定法
微生物在降解污染物的過(guò)程中，在消耗廢水中O2的同時(shí)會(huì )生成相應數量的CO2。因此，通過(guò)測定生化反應過(guò)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，反應時(shí)間為28d，可以比較CO2的實(shí)際產(chǎn)量和理論產(chǎn)量來(lái)判定廢水的可生化性，也可以利用CO2/DOC值來(lái)判定廢水的可生化性。由于該種判定實(shí)驗需采用特殊的儀器和方法，操作復雜，僅限于實(shí)驗室研究使用，在實(shí)際生產(chǎn)中的應用還未見(jiàn)報道。
02 微生物生理法
微生物與廢水接觸后，利用廢水中的有機物作為碳源和能源進(jìn)行新陳代謝，微生物生理指標法就是通過(guò)觀(guān)察微生物新陳代謝過(guò)程中重要的生理生化指標的變化來(lái)判定該種廢水的可生化性。目前可以作為判定依據的生理生化指標主要有：脫氫酶活性、三磷酸腺苷(ATP)。
1、脫氫酶活性指標法
微生物對有機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(zhù)重要的作用：催化氫從被氧化的物質(zhì)轉移到另一物質(zhì)。由于脫氫酶對毒物的作用非常敏感，當有毒物存在時(shí)，它的活性(單位時(shí)間內活化氫的能力)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：如果在以某種廢水(有機污染物)為基質(zhì)的培養液中生長(cháng)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(有機污染物)。
2、三磷酸腺苷(ATP)指標法
微生物對污染物的氧化降解過(guò)程，實(shí)際上是能量代謝過(guò)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)是微生物細胞中貯存能量的物質(zhì)，因而可通過(guò)測定細胞中ATP的水平來(lái)反映微生物的活性程度，并作為評價(jià)微生物降解有機污染物能力的指標，如果在以某種廢水(有機污染物)為基質(zhì)的培養液中生長(cháng)的微生物ATP的活性增加，則表明微生物能夠降解該種廢水(有機污染物)。
此外，微生物生理指標法還有細菌標準平板計數、DNA測定法、INT測定法、發(fā)光細菌光強測定法等。
雖然目前脫氫酶活性、ATP等測定都已有較成熟的方法，但由于這些參數的測定對儀器和藥品的要求較高，操作也較復雜，因此目前微生物生理指標法主要還是用于單一有機污染物的生物可降解性和生態(tài)毒性的判定。
03 模擬實(shí)驗法
模擬實(shí)驗法是指直接通過(guò)模擬實(shí)際廢水處理過(guò)程來(lái)判斷廢水生物處理可行性的方法。根據模擬過(guò)程與實(shí)際過(guò)程的近似程度，可以大致分為培養液測定法和模擬生化反應器法。
1、培養液測定法
培養液測定法又稱(chēng)搖床試驗法，具體操作方法是：在一系列三角瓶?jì)妊b入某種污染物(或廢水)為碳源的培養液，加入適當N、P等營(yíng)養物質(zhì)，調節pH值，然后向瓶?jì)冉臃N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(guò)程，在一定階段內連續監測三角瓶?jì)扰囵B液物理外觀(guān)(濃度、顏色、嗅味等)上的變化，微生物(菌種、生物量及生物相等)的變化以及培養液各項指標：pH、COD或某污染物濃度的變化。
2、模擬生化反應器法
模擬生化反應器法是在模型生化反應器(如曝氣池模型)中進(jìn)行的，通過(guò)在生化模型中模擬實(shí)際污水處理設施(如曝氣池)的反應條件，如：MLSS濃度、溫度、DO、F/M比等，來(lái)預測各種廢水在污水處理設施中的去除效果，及其各種因素對生物處理的影響。
由于模擬實(shí)驗法采用的微生物、廢水與實(shí)際過(guò)程相同，而且生化反應條件也接近實(shí)際值，從水處理研究的角度來(lái)講，相當于實(shí)際處理工藝的小試研究，各種實(shí)際出現的影響因素都可以在實(shí)驗過(guò)程中體現，避免了其他判定方法在實(shí)驗過(guò)程中出現的誤差，且由于實(shí)驗條件和反應空間更接近于實(shí)際情況，因此模擬實(shí)驗法與培養液測定法相比，能夠更準確地說(shuō)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(guò)強，各種廢水間的測定結果沒(méi)有可比性，因此不容易形成一套系統的理論，而且小試過(guò)程的判定結果在實(shí)際放大過(guò)程中也可能造成一定的誤差。
04 綜合模型法
綜合模型法主要是針對某種有機污染物的可生化的判定，通過(guò)對大量的已知污染物的生物降解性和分子結構的相關(guān)性利用計算機模擬預測新的有機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據庫(如EU的EINECS數據庫)，而且模擬過(guò)程復雜，耗資大，主要用于預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(lái)還發(fā)展了許多其他方法，如利用多級過(guò)濾和超濾的方法得到廢水的粒徑分布PSD(particlesizedistribution)和COD分布來(lái)作為預測廢水可生化性的指標；利用耗氧量、生化反應某端產(chǎn)物、生物活性值聯(lián)合評價(jià)廢水的可生化性；利用經(jīng)驗流程圖來(lái)預測某種有機污染物的可生化性。
綜上所述，目前國內外對于廢水的可生化性判定方法各有千秋，在實(shí)際操作中應根據廢水的性質(zhì)和實(shí)驗條件來(lái)選擇合適的判定方法。
