南非废水处理优化：经济压力下利用A-TEEM荧光光谱法进行BOD分析

南非作为一个发展中国家，其水处理技术面临挑战。这给水处理设施带来了技术、运营和经济方面的挑战。

南非目前面临严峻的经济形势。预计2024年南非国内生产总值增长率约为1.2%，较上年不足1%的增长率略有改善。

尽管面临这些挑战，南非仍然是南部非洲地区的重要参与者，该地区预计将实现温和增长。预计到2024年，南非人口将保持快速的年增长率。

对于一个既面临经济压力又面临人口增长压力的国家来说，废水处理是一个重大挑战。

那么，在这种艰难的环境下，污水处理如何集中资源进行处理呢？

测量水中微生物的传统技术称为生化需氧量（BOD），也称为_五日生化需氧量（BOD5）测定。该测试通过测定水样在20℃下培养5天期间微生物分解有机物所消耗的氧气量来进行。由于BOD5测定能够反映水体中可生物降解有机物的含量，因此被广泛用作水体有机污染的指标_。BOD5值通常以毫克/升（mg/L）表示。

传统的_五日生化需氧量（BOD₅）测定方法包括采集具有代表性的水样，必要时进行稀释以确保足够的溶解氧。如果样品中微生物数量不足，则需添加接种物。此外，还需添加缓冲剂和营养物质以促进微生物生长_。测定初始溶解氧（DO）浓度后，将样品置于20℃黑暗条件下培养5天。之后再次测定最终溶解氧浓度。BOD₅值通过初始溶解氧浓度减去最终溶解氧浓度计算得出，该值反映了有机物消耗氧气的程度。

这个过程大约需要五天时间，通常外包，而且运营成本很高。然而，新技术或许能够解决这些问题，并缓解流程中的一些痛点。

Thomas Ingwani 是南非大学的博士生。他最近与人合著了一篇论文，题为《一种优化和验证的替代分析物 A‑TEEM–PARAFAC–PLS 技术用于检测和量化地表水中的生物需氧量》，该论文证实了一种更便宜、更快速、更准确的光学技术，该技术正在彻底改变美国的废水处理方式。

研究员托马斯·英格瓦尼表示：“5 天的测试时长使得_BOD5测量结果不尽如人意，并阻碍了快速检测技术的开发。”

他决定评估一种相对较新的方法，以解决传统 BOD ₅测量测试的一些局限性。

该方法基于一种专有的荧光光谱技术。通过同时采集吸光度、透射率和荧光激发-发射矩阵（A-TEEM），可以生成样品的分子指纹图谱，并实时校正内滤效应。这使得该方法不受样品浓度的影响。

样品采集后装入比色皿，15秒至5分钟内即可获得结果，而传统的_五日生化需氧量（BOD5）测定则需要数天时间。A A-TEEM运行于 HORIBA Aqualog 小型台式仪器上，该仪器可在线接入水处理检测流程。

这样一来，工程师们就能快速准确地了解如何在工厂层面处理废水，而无需使用外部第三方服务或等待数天才能得到结果。

Ingwani 得出结论，蛋白质样荧光峰与 BOD 特性和A-TEEM荧光强度之间存在很强的相关性。

“为了识别和测量地表水中的生化需氧量（BOD），我们开发了一种同时吸光度-透射率和荧光激发-发射矩阵（A-TEEM）方法，并结合平行因子分析（PARAFAC）和偏最小二乘法（PLS）分析，使用酪氨酸和色氨酸（tyr-trpt）混合物作为BOD的替代分析物。之所以选择使用替代分析物，是因为缺乏荧光BOD标准品，”论文作者写道。

摘要探讨了一种测量水样中生物需氧量（BOD）的新方法，该方法无需耗时5天的繁琐测试。研究人员发现，某些与蛋白质相关的荧光峰与BOD水平具有良好的相关性。由于缺乏荧光BOD标准品，研究人员使用酪氨酸和色氨酸的混合物作为BOD标准的替代品。这种A-TEEM方法结合PARAFAC和PLS技术，表现出良好的性能，表明它们能够有效地检测和定量地表水中作为BOD标准品的酪氨酸-色氨酸混合物。

该技术具有极高的准确性和可靠性，有望取代传统的生化需氧量（BOD）检测方法，为水处理厂提供更快捷的解决方案。未来计划开展研究，利用来自不同水处理厂的实际废水样本对该方法进行测试。

本文重点介绍了一种利用替代分析物（酪氨酸和色氨酸的混合物）检测和测量地表水中生化需氧量（BOD）的新方法。该方法已显示出良好的应用前景，仪器对酪氨酸-色氨酸混合物作为BOD测量的替代物具有灵敏的响应。该方法已根据既定指南进行验证，并被证明具有准确性和可靠性。

标准添加法的一大优势在于能够校正样品基质的影响。虽然该方法不能完全取代更详细的化学分析，但它可以帮助识别需要进一步检测的样品。总而言之，还需要开展更多研究，以探索该方法在不同污水处理厂的各种废水样品中的应用。

这项研究有望改变科学家们测定水中生化需氧量（BOD）的方法。该方法高效、样品前处理步骤极少且操作简便。此外，与_五日生化需氧量（BOD₅）测定相比，该方法更经济，这也是该技术的另一项显著优势。

Ingwani 等人提出酪氨酸-色氨酸混合标准作为水分析中 BOD 标准的合适替代品。

通过应用SIMPLS算法解决了PLS回归的难题，该算法被誉为目前最有效、最快速的PLS回归方法。

生化需氧量（BOD）表示水生生态系统中存在的有机污染水平。它评估的是各种环境中（包括污水、土壤、沉积物、废物和污泥）可被需氧细菌分解的有机物的数量。高BOD值反映出水中存在大量的有机污染，这使得污水处理厂的操作人员能够制定策略来去除和处理这些大量的有机物。相反，低BOD值表明有机物含量较少，操作人员需要调整处理方法来应对较少的有机物。处理化学品的用量也可以相应地进行调整（Ingwani等人）。

Ingwani 等人指出，该方法有潜力扩大规模，用于大规模废水处理作业。

据HORIBA公司的Adam Gilmore（他也是A-TEEM光谱仪的共同发明人）介绍，使用_BOD5方法分析样品大约需要50美元。相比之下，使用A-TEEM光谱法分析样品的费用约为5美元，这得益于其更简单的样品制备过程。

同时获得吸收光谱和 3D EMM 的一个显著优点是能够独特地校正内滤效应，从而更准确地解释光谱数据。

吉尔摩已被南非大学聘为客座教授。

Thabo Nkambule 是 Ingwani 的学术顾问和导师，也是ASTM水质有机委员会的成员。

“人们经常讨论_BOD5技术，而且有计划逐步淘汰它，主要是因为它在初始阶段依赖于细菌接种物。”恩坎布勒说。“你知道，他们监测氧气的消耗量，但接种物的活性会因来源、储存时间等因素而有很大差异。所以这是一种相当粗略的测量方法。而我们提出的方法是对导致这一过程的成分进行更精确的光学可视化。这更像是一种所见即所得的观察，因为_BOD5除了氧气浓度读数之外什么也看不到。而在这里（通过A-TEEM荧光光谱法），我们可以看到负责消化有机物和氧气的成分。”

与 HORIBA 和南非大学的合作关系持续发展。

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