污水生物處理系統(tǒng)中呼吸測(cè)量技術(shù)

　　污水生物處理技術(shù)是指利用微生物的呼吸代謝作用去除污水中有機(jī)污染物的一種方法。微生物呼吸過程常伴隨著基質(zhì)減少、O2 消耗、CO2 生成和能量釋放等現(xiàn)象，呼吸測(cè)量技術(shù)就是通過測(cè)定微生物呼吸過程中這些物理量的變化來評(píng)價(jià)污水生物處理系統(tǒng)中微生物的代謝活性、污水中有機(jī)物的生物降解性、短期生化需氧量( BODst ) 和有毒物質(zhì)的影響等過程。

　　呼吸測(cè)量技術(shù)在污水生物處理中的應(yīng)用始于20 世紀(jì) 50 ～ 60 年代，目前已廣泛應(yīng)用于活性污泥中微生物活性的分析測(cè)定、生物異源物質(zhì)的毒性評(píng)價(jià)、城市污水廠毒性進(jìn)水的檢測(cè)與評(píng)價(jià)等方面[1- 4]。根據(jù)微生物呼吸原理，污水生物處理系統(tǒng)中的呼吸測(cè)量技術(shù)主要分為 3 類: 基于產(chǎn)物 CO2、CH4 的呼吸測(cè)量技術(shù)、基于消耗物 O2 的呼吸測(cè)量技術(shù)和基于電化學(xué)的呼吸測(cè)量技術(shù)。筆者主要從以上 3 個(gè)方面闡述呼吸測(cè)量技術(shù)在污水生物處理系統(tǒng)中的應(yīng)用現(xiàn)狀及研究進(jìn)展，旨在推動(dòng)呼吸測(cè)量技術(shù)在污水生物處理系統(tǒng)中的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用。

　　1 基于產(chǎn)物 CO2、CH4 的呼吸測(cè)量技術(shù)

　　對(duì)于污水生物處理系統(tǒng)而言，污水的生物降解性通常采用綜合水質(zhì)指標(biāo) BOD5 / CODCr 表示，雖然該值可以反映生物處理工藝對(duì)廢水中有機(jī)物的降解程度，但不能反映構(gòu)成廢水 COD 的單項(xiàng)有機(jī)物的降解效果。尤其當(dāng)污水中含有較多難降解有機(jī)物( 如多環(huán)芳烴、多氯聯(lián)苯、鹵代有機(jī)化合物、雜環(huán)化合物等) 時(shí)，對(duì)其生物降解性進(jìn)行分析測(cè)定，評(píng)價(jià)有機(jī)物在污水中的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律及其生態(tài)與健康風(fēng)險(xiǎn)，以及預(yù)測(cè)其在污水生物處理系統(tǒng)中的去除效果等都具有重要的意義。

　　有機(jī)物的生物降解性評(píng)價(jià)方法通常有 2 種: 一種是通過測(cè)定某種物質(zhì)生物降解前后的濃度變化來評(píng)估其分解難易或降解快慢程度; 另一種是通過測(cè)定生物分解過程中氣態(tài)產(chǎn)物的生成量間接評(píng)價(jià)有機(jī)物的生物降解性。其中，基于產(chǎn)物 CO2 、CH4 的呼吸測(cè)量技術(shù)是指通過測(cè)定微生物在好氧呼吸時(shí)CO2 生成量或在無氧呼吸時(shí) CO2 、CH4 等氣態(tài)產(chǎn)物的生成量來間接反映和評(píng)價(jià)有機(jī)物的生物降解性的方法。該技術(shù)根據(jù)生成氣態(tài)產(chǎn)物的監(jiān)測(cè)方法，主要分為CO2 堿溶液吸收法和氣相CO2 、CH4 直接檢測(cè)法。CO2 堿溶液吸收法的典型代表是世界經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織( OECD) 提出的OECD 301B CO2 評(píng)價(jià)試驗(yàn)[5]，該方法采用微生物降解基質(zhì)過程中 CO 生成量來評(píng)價(jià)有機(jī)物的生物降解性，測(cè)試裝置如圖 1 所示。He 等[6]采用 OECD 301B 標(biāo)準(zhǔn)研究了 24 種合成芳香族化合物的生物降解性，通過單一受試物 28 d 實(shí)際生物降解生成的 CO2 量與理論生成的CO2 量之比可知，24 種化合物的生物降解性在2. 2% ～ 80. 7%之間。

　　宋佳秀等[7]通過厭氧消化實(shí)驗(yàn)馴化污水廠剩余污泥的醌呼吸微生物，采用氣相色譜法檢測(cè)厭氧呼吸過程中產(chǎn)生的氣相 CO2、CH4，結(jié)果表明: 醌呼吸微生物具有還原腐殖質(zhì)能力，富集醌呼吸微生物過程的 CO2 / CH4 比正常厭氧消化實(shí)驗(yàn)高出 1. 7 倍，即醌呼吸微生物與產(chǎn)甲烷微生物在厭氧消化過程中共同爭(zhēng)奪氫供體�；�于產(chǎn)物 CO2、CH4 的呼吸測(cè)量技術(shù)主要用于評(píng)價(jià)有機(jī)物的生物降解性，然而，完成一次生物降解性測(cè)試的時(shí)間較長(zhǎng)，一般需要 20 ～ 30 d，且好氧呼吸過程必須通入不含 CO2 的空氣或通入純氧來保持有氧環(huán)境; 此外，實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)生的一部分 CO2 產(chǎn)物會(huì)溶于液體樣品中，導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生一定的誤差。該方法的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)試結(jié)果不受硝化作用、微生物細(xì)胞吸附作用和無機(jī)還原性物質(zhì)的影響，且在恒定運(yùn)行條件下微生物產(chǎn)氣的濃度與有機(jī)物污染的程度密切相關(guān)。

　　1 基于消耗物 O2 的呼吸測(cè)量技術(shù)

　　微生物在進(jìn)行好氧呼吸時(shí)需要消耗水中的溶解氧�；�于消耗物 O2 的呼吸測(cè)量技術(shù)是通過測(cè)定 O2消耗量來間接反映污水中微生物對(duì)有機(jī)質(zhì)的代謝狀況。耗氧速率( OUR) 是指微生物進(jìn)行好氧呼吸時(shí)消耗氧氣的速度，是表征活性污泥中微生物活性的指標(biāo)之一，同時(shí)將微生物的生長(zhǎng)、底物的消耗直接聯(lián)系起來，可用于測(cè)定生物降解反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)、污水中基質(zhì)降解或消耗的總量( 如 BOD5 ) ，此外還可以評(píng)估污水中特定化學(xué)物質(zhì)的毒性�；�于 OUR 的呼吸測(cè)量技術(shù)主要體現(xiàn)在活性污泥呼吸儀和生物膜傳感器的發(fā)展和應(yīng)用。

　　2. 1 活性污泥呼吸儀

　　活性污泥呼吸儀經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已經(jīng)從傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室自建等簡(jiǎn)易裝置或技術(shù)發(fā)展形成一系列相對(duì)較成熟的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)或商業(yè)化產(chǎn)品。其中，瓦勃式呼吸儀作為一種常見的測(cè)定耗氧速率儀因其樣品測(cè)定體積小、取樣要求精細(xì)、操作誤差大等缺點(diǎn)而逐漸被更先進(jìn)的呼吸測(cè)量技術(shù)取代[8- 9]。目前，根據(jù)O2 測(cè)量方法不同，活性污泥呼吸儀分為氣相測(cè)氧法和液相測(cè)氧法�；�于氣相測(cè)氧法的呼吸儀，如 PF系列活性污泥呼吸儀、BI2000 型電解質(zhì)呼吸儀，其微生物好氧呼吸消耗的 O2 由純氧瓶提供或由電解產(chǎn)生的 O2 及時(shí)補(bǔ)充，產(chǎn)生的 CO2 被吸收池中的堿溶液吸收，結(jié)果導(dǎo)致密閉系統(tǒng)內(nèi)壓力的降低，通過壓力降的檢測(cè)即可計(jì)算出微生物消耗 O2 的量。由于溶解氧電極的普遍使用，基于液相測(cè)氧的呼吸儀得到了更加廣泛的應(yīng)用，如英國 strathkelvin 公司的Strathtox 活性污泥呼吸儀和西班牙 的 BM - TAdvance 多用途呼吸儀等。這些呼吸儀均可以進(jìn)行微生物的好氧呼吸測(cè)定，能提供關(guān)于活性污泥健康狀況、耗氧速率、硝化及呼吸抑制和優(yōu)化曝氣的分析數(shù)據(jù)，也可用于污廢水毒性測(cè)試。

　　Cai 等[10]采用 BI2000 型電解質(zhì)呼吸儀評(píng)價(jià)了24 種芳香族化合物對(duì)活性污泥的毒性抑制，測(cè)得30 min 內(nèi) 24 種芳香族化合物對(duì)微生物的半抑制濃度 IC50 值在 0. 002 ～ 4. 996 g / L 之間，其中乙苯對(duì)活性污泥的毒性最強(qiáng)，2，4 - 二氨基甲苯的毒性最弱。

　　Cristovao 等[11]采用 BM-T Advance 多用途呼吸測(cè)試儀評(píng)估 NaCl 質(zhì)量濃度對(duì)罐頭廢水生物降解的影響，結(jié)果表明，廢水中油脂含量不是抑制微生物“呼吸”作用的主要因素; 低質(zhì)量濃度的 NaCl 不影響微生物的“呼吸”作用，當(dāng) NaCl 質(zhì)量濃度大于 17. 5 g / L 時(shí)，微生物的“呼吸”作用受到抑制。

　　綜上可知，微生物呼吸測(cè)試過程能有效地評(píng)估活性污泥中微生物的行為，了解污染物對(duì)廢水處理系統(tǒng)中微生物活性的潛在抑制作用，以便進(jìn)行更好的污水處理工藝設(shè)計(jì)或優(yōu)化。但是，活性污泥呼吸儀也存在穩(wěn)定性不高、便攜性能不佳和價(jià)格昂貴等缺點(diǎn)，從而限制了其廣泛應(yīng)用。

　　2. 2 生物膜傳感器

　　Karube 等[12]于 1977 年首次提出了微生物傳感器，并將其用于 BOD 的測(cè)定。測(cè)定 BOD 的微生物傳感器是由氧電極和微生物菌膜組成。根據(jù)微生物菌膜引入方式的不同，生物膜傳感器可分為固定微生物的生物膜傳感器和連續(xù)流式微生物傳感器，其在污水處理中主要用于 BOD 的測(cè)定。

　　2. 2. 1 固定微生物的生物膜傳感器

　　固定微生物的生物膜傳感器主要由信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置和微生物膜組成，當(dāng)水樣經(jīng)過微生物膜時(shí)，其上固定的微生物開始分解有機(jī)物，同時(shí)膜內(nèi)的溶解氧發(fā)生變化，其改變量被信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置識(shí)別并最終轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，該信號(hào)強(qiáng)度通常與有機(jī)物濃度成線性關(guān)系，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)水樣 BOD 值的檢測(cè)[13]。

　　陳長(zhǎng)茵[14]依次采用質(zhì)量濃度為( 73. 7 ± 5. 9) 、( 56. 6 ± 4. 6) 、( 16. 3 ± 1. 3) mg / L 的 BOD 標(biāo)準(zhǔn)樣品B1、B2 和 B3 對(duì) 220B 型生物膜傳感器進(jìn)行準(zhǔn)確度和精密度測(cè)試，其 BOD 測(cè)定均值依次為 73. 2、56. 7mg / L 和 16. 4 mg / L，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差小于 5. 0 mg / L，準(zhǔn)確性和重現(xiàn)性均較好。趙磊等[15]以金屬離子鋯 ( Zr) 改性膠原纖維( ZICF) 固定化釀酒酵母為響應(yīng)元件制備了一種生物膜傳感器，其 BOD 線性響應(yīng)范圍為 2 ～ 200 mg / L，響應(yīng)時(shí)間為 2 ～ 9 min。

　　2. 2. 2 連續(xù)流式生物膜傳感器

　　固定微生物的 BOD 生物膜傳感器具有操作簡(jiǎn)便、分析周期短和靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，能滿足常規(guī)水樣的在線監(jiān)測(cè)需求，但是對(duì)于成分復(fù)雜的水樣( 如強(qiáng)酸、強(qiáng)堿和有毒廢水) 而言，其菌膜中微生物的活性和使用壽命受到嚴(yán)重影響。因此，連續(xù)流式微生物傳感器便應(yīng)運(yùn)而生。連續(xù)流式生物膜傳感器以先期富集培養(yǎng)的待測(cè)樣品中微生物為生物識(shí)別物，利用溶解氧監(jiān)測(cè)設(shè)備檢測(cè)微生物呼吸速率的變化，進(jìn)而測(cè)定樣品中 BOD 值。目前，已開發(fā)研究的一些相對(duì)較成熟的在線微生物呼吸檢測(cè)設(shè)備如表 1 所示[16- 17]。

　　Liu 等[18]提出一種微生物在線傳感器，該傳感器由一種特殊設(shè)計(jì)的壁面射流式反應(yīng)裝置和內(nèi)置式溶解氧探頭組成，檢測(cè) BOD 標(biāo)準(zhǔn)稀釋溶液( 質(zhì)量濃度為 26 mg / L ) 時(shí)測(cè)量精度較好 ( 標(biāo)準(zhǔn)偏差為1. 0 mg / L) ，響應(yīng)時(shí)間約為 60 s，可以監(jiān)測(cè)連續(xù)流樣品的 BOD 值。張虎軍等[19]報(bào)道了一種基于樣品微生物的傳感器，該儀器以螺旋管路內(nèi)壁為微生物富集載體，多次檢測(cè)某地表水的 BOD 與標(biāo)準(zhǔn) BOD5 方法測(cè)量值之間的最大相對(duì)誤差為 11. 7%，平均相對(duì)誤差僅為 5. 6%，檢測(cè)結(jié)果較為理想。由于有機(jī)物質(zhì)的連續(xù)喂養(yǎng)，連續(xù)流式微生物傳感器中微生物密度高于真實(shí)環(huán)境，微生物群落完全適應(yīng)了有機(jī)底物，大大減少了分析時(shí)間，響應(yīng)時(shí)間一般小于 45 min，并且能實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

　　生物膜傳感器具有響應(yīng)快、選擇性好、體積小等優(yōu)勢(shì)，能快速測(cè)定污水中可降解物質(zhì)而使污水在線監(jiān)測(cè)和過程控制成為可能。然而，受水環(huán)境變化影響，微生物細(xì)胞易引起自身復(fù)雜的生理狀態(tài)，由于生物膜傳感器對(duì)組分變化較大的水樣測(cè)定可靠性差、污水毒物的非抵抗性等缺點(diǎn)并未在水質(zhì)檢測(cè)領(lǐng)域得到普遍應(yīng)用。

　　3 基于電化學(xué)的呼吸測(cè)量技術(shù)

　　基于電化學(xué)的呼吸測(cè)量技術(shù)將微生物生化反應(yīng)、電化學(xué)技術(shù)和現(xiàn)代信息處理技術(shù)相結(jié)合，以微生物為敏感元件對(duì)相應(yīng)環(huán)境的變化( 如 pH、電導(dǎo)率、離子濃度等) 作出響應(yīng)，以電勢(shì)或電流的特征信號(hào)反映微生物的生化反應(yīng)信息。該技術(shù)主要包括電導(dǎo)型微生物傳感器和微生物燃料電池生物傳感器。

　　3. 1 電導(dǎo)型微生物傳感器

　　有酶參與的生化反應(yīng)都消耗或產(chǎn)生帶電物質(zhì)，這使得測(cè)試樣品的離子成分發(fā)生了根本變化[20]。很多微生物催化反應(yīng)過程都涉及到離子種類的變化，從而產(chǎn)生溶液電導(dǎo)率的變化，而且電導(dǎo)率的變化非常敏感。據(jù)此，人們開發(fā)了電導(dǎo)型微生物傳感器，其中硫氧化細(xì)菌傳感器( SOB) 具有靈敏度好、精度高、維護(hù)簡(jiǎn)單、適溫范圍廣等特點(diǎn)，成為目前電導(dǎo)型微生物傳感器的研究熱點(diǎn)[21]。

　　在有氧條件下，化能自養(yǎng)型的硫氧化細(xì)菌能將無機(jī)硫( S) 氧化為硫酸( H2SO4) ，化學(xué)方程式如下:

　　SOB 中，O2 作為微生物好氧呼吸的電子受體，反應(yīng)產(chǎn)生的 H+ 使溶液的 pH 降低，SO2- 使溶液的電導(dǎo)率( EC ) 增大; 在有毒化學(xué)物質(zhì)存在的情況下，SOB 中的硫氧化菌的活性將受到抑制，導(dǎo)致 pH 增大、EC 變小。

　　Ginkel 等[22]采用 SOB 生物傳感器檢測(cè)水體中5 種內(nèi)分泌干擾物( EDCs) ( 雙酚 A、壬基酚、雌二醇、二乙基芪和三丁基烯) ，由于 EDCs 對(duì)硫氧化菌的抑制作用，導(dǎo)致出水 EC 降低、pH 增加，該傳感器檢測(cè)出 EDCs 范圍為 50 ～ 200 μg / L。Gurung 等[23]采用 SOB 生物傳感器評(píng)估某紡織工業(yè)廢水的毒性，檢測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn): 廢水中 1，4 - 二�� 烷、NO- - N 和3　NO- -N 的毒物半數(shù)有效濃度 EC50分別為 105 μg / L、 0. 4 mg / L 和 10 mg / L。

　　電導(dǎo)型微生物傳感器靈敏度高、價(jià)格適中且能耗較低，然而其受引入的微生物種類影響較大，特定的電導(dǎo)型微生物傳感器一般僅能較好地檢測(cè)毒物的毒性，普遍適用性能不佳。

　　3. 2 微生物燃料電池生物傳感器

　　研究發(fā)現(xiàn)，微生物燃料電池( microbial fuel cell，MFC) 的產(chǎn)電量與底物中可降解有機(jī)物濃度或毒物濃度呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，為了避免生物傳感器中O2 檢測(cè)效率低、誤差大的限制，開發(fā)了微生物燃料電池生物傳感器。MFC 是一種利用微生物的呼吸代謝作用降解有機(jī)物，把呼吸作用產(chǎn)生的電子傳遞到外電路輸出電能的裝置。典型的 MFC 由陽極室和陰極室組成，2 個(gè)極室被質(zhì)子交換膜隔開，工作原理如圖 2 所示。陽極室為無氧環(huán)境，陰極室為有氧環(huán)境，附著在陽極表面的產(chǎn)電菌降解有機(jī)物產(chǎn)生電子和質(zhì)子，H+ 質(zhì)子通過離子交換膜從陽極室遷移到陰極室，電子通過外部電路從陽極到達(dá)陰極，陰極室+ [24- 25]O2 得電子并與 H 結(jié)合生成 H2O 。MFC 中微生物呼吸作用產(chǎn)生的電流量與微生物生物降解活動(dòng)成正相關(guān)關(guān)系，產(chǎn)電量與底物中可降解有機(jī)物或有毒物的濃度呈現(xiàn)一定的線性關(guān)系，從而可以估算出水樣的 BOD、COD 值或毒性物質(zhì)的影響，進(jìn)而反映微生物活性。

　　根據(jù)產(chǎn)電菌向陽極傳遞電子方式的差異，MFC可分為引入電子中介體和無介體 2 類。無介體的MFC 中，有機(jī)物降解產(chǎn)生的電子通過細(xì)胞膜接觸或納米導(dǎo)線形式傳遞到陽極; 在引入電子中介體的MFC 中，則通過電子傳遞的媒介物—氧化還原介體傳遞電子。

　　3. 2. 1 引入電子中介體的 MFC 生物傳感器

　　微生物細(xì)胞膜上的不導(dǎo)電物質(zhì)會(huì)阻礙電子向電極轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致微生物胞內(nèi)電子向外傳遞速率較低。為解決該問題，研究人員向 MFC 中引入電子中介體以促進(jìn)電子傳遞。在陽極室內(nèi)加入氧化還原介質(zhì)( 如三價(jià)鐵氰化物、二茂洛鐵等) 作為電子中介體，陽極附近有機(jī)物質(zhì)在呼吸代謝過程中被氧化，電子通過電子中介體的還原—氧化態(tài)的轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)移到陽極上，如圖 3 所示。陽極和陰極之間的電勢(shì)差反映了與微生物代謝活性成正相關(guān)的信息。

　　Yoshida 等[26]研制了以三價(jià)鐵氰化物為氧化還原介質(zhì)的 MFC 生物傳感器，用于測(cè)定某污水處理廠的 BOD 值，并與標(biāo)準(zhǔn) BOD5 方法比較，兩者的相關(guān)性較好( R2 = 0. 93) 。徐筑君等[27]以含有鐵氰化鉀氧化還原介質(zhì)的 MFC 生物傳感器研究了聚乙二醇辛基苯基醚( TritonX- 100) 預(yù)處理表面的大腸桿菌( E. coli) 活性及其對(duì)毒物毒性靈敏度的變化，結(jié)果表明: 經(jīng) 2% TritonX- 100 預(yù)處理 1 h 的 E. coli 活性及其對(duì)毒物毒性靈敏度效果較好，適用于水質(zhì)毒性檢測(cè)。然而，電子中介體的引入也存在一些問題，如pH 變化將影響氧化還原介體的電化學(xué)靈敏性，氧化還原介質(zhì)可能與待測(cè)物發(fā)生直接反應(yīng)影響電子傳遞，多數(shù)氧化還原介體有毒不利于微生物正常代謝等[28]。

　　引入電子中介體的 MFC 生物傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)是利用外加的氧化還原介質(zhì)加快了陽極電子傳遞速率和生物降解反應(yīng)速率，縮短基質(zhì)降解周期，且多數(shù)不需要通過稀釋高負(fù)荷樣品來降低有機(jī)負(fù)荷。然而，由于氧化還原介質(zhì)易受 pH 變化影響且具有毒副作用，影響了該技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

　　3. 2. 2 無介體的 MFC 生物傳感器

　　20 世紀(jì) 90 年代后期，MFC 生物傳感器在測(cè)定水樣 BOD 方面取得了較大進(jìn)展。研究發(fā)現(xiàn)，一些具有電化學(xué)活性的微生物細(xì)菌，如腐敗希瓦氏菌、鐵還原紅育菌、梭狀芽胞桿菌等，降解有機(jī)物產(chǎn)生的電子可以通過細(xì)胞膜與電極直接接觸，或是通過微生物自身的導(dǎo)電附屬物—納米導(dǎo)線將胞內(nèi)電子快速傳遞至陽極[29]，從而實(shí)現(xiàn)了微生物燃料電池在無氧化還原介體條件下運(yùn)行。因此，無介體的 MFC 生物傳感器日益受到關(guān)注。

　　Kim 等[30]基于無介體 MFC 檢測(cè)了某淀粉加工廢水的 BOD 值，測(cè)定結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn) BOD5 方法具有良好的相關(guān)性( R2 = 0. 999) ，然而，該實(shí)驗(yàn)僅對(duì)樣品進(jìn)行了 BOD 評(píng)估，對(duì)其他廢水水質(zhì)測(cè)定還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。Tront 等[31] 將金屬還原桿菌引入 MFC，用MFC 檢測(cè)含有醋酸鹽的廢水，結(jié)果表明: 當(dāng)醋酸鹽濃度在 0 ～ 2. 3 mmol / L，對(duì)應(yīng)產(chǎn)生的電流為 0 ～ 0. 30mA，MFC 產(chǎn)生的電流與進(jìn)水醋酸鹽濃度具有較好的相關(guān)性( 相關(guān)性系數(shù) R2 = 0. 92) 。賈輝等[32]利用無介體MFC 探究了UASB 進(jìn)水COD 濃度對(duì)MFC 反饋性能的影響，結(jié)果表明: 當(dāng)進(jìn)水 COD 質(zhì)量濃度分別為 1 000 ～ 3 000 mg / L 和 4 000 ～ 6 000 mg / L 時(shí)，MFC 檢測(cè)進(jìn)水 COD 的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn) COD 檢測(cè)值有良好的相關(guān)性( R2 分別為 0. 995 和 0. 997) 。

　　MFC 中，產(chǎn)電微生物主要通過細(xì)胞膜接觸、納米導(dǎo)線和電子中介體轉(zhuǎn)移等 3 種方式向電極傳遞電子，將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，電信號(hào)的變化預(yù)示著水質(zhì)的變化[33]。MFC 利用微生物消耗目標(biāo)化合物或有毒化合物對(duì)呼吸代謝途徑的抑制，產(chǎn)生的電流變化可間接檢測(cè) BOD、COD 或毒性物質(zhì)濃度，并可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)污水處理系統(tǒng)的水質(zhì)。然而，MFC 生物傳感器也存在一些問題，如響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)、穩(wěn)定性差、對(duì)樣品中復(fù)雜毒物成分缺乏抵抗性等[34]。

　　4 結(jié)語與展望

　　呼吸測(cè)量技術(shù)在污水生物處理系統(tǒng)中的應(yīng)用已經(jīng)有幾十年的歷史，是污水生物處理系統(tǒng)理論研究和工藝運(yùn)行管理的重要手段。目前，雖然呼吸測(cè)量技術(shù)在污水生物處理系統(tǒng)中已有較多應(yīng)用，但仍存在一些問題和不足。

　　( 1) 基于產(chǎn)物CO2、CH4 的呼吸測(cè)量技術(shù)和基于消耗物 O2的活性污泥呼吸儀主要應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室微生物呼吸速率的研究、水樣 BOD 檢測(cè)及微生物毒性抑制等方面，但是其分析周期較長(zhǎng)、測(cè)試頻率低、便攜性不佳，大多不適用于微生物代謝活動(dòng)的動(dòng)態(tài)過程研究。

　　( 2) 基于消耗物 O2 的生物膜傳感器主要用于污水 BOD 的檢測(cè)，其響應(yīng)時(shí)間相對(duì)較短，其中，連續(xù)流式生物膜傳感器可以進(jìn)行實(shí)時(shí)在線檢測(cè)，但仍存在對(duì)組分變化較大的水樣測(cè)定可靠性差、污水毒物的非抵抗性、O2 監(jiān)測(cè)誤差大等問題缺陷。

　　( 3) 基于電化學(xué)的呼吸測(cè)量技術(shù)中，MFC 生物傳感器產(chǎn)生的電流可以直接反映產(chǎn)電微生物的代謝活性，可以用來研究微生物呼吸代謝的動(dòng)態(tài)過程和監(jiān)測(cè)污廢水水質(zhì)與毒性影響。然而，該技術(shù)目前仍處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。隨著 MFC 技術(shù)的進(jìn)一步完善和發(fā)展，如電極材料的改進(jìn)、產(chǎn)電微生物活性的提高、質(zhì)子交換膜的改善等，MFC 生物傳感器將成為污水生物處理系統(tǒng)中一種發(fā)展前景較好的呼吸測(cè)量技術(shù)。（來源：江西理工大學(xué)建筑與測(cè)繪工程學(xué)院）