第二代三磷酸腺苷测量方法作为小型污水处理系统生化需氧量监测替代指标的评估

《Science of The Total Environment》：Evaluation of second-generation adenosine triphosphate measurements as a surrogate for biological oxygen demand monitoring in small-scale wastewater treatment systems

　　

• BOD 和 COD 监测负担重，且常在分散系统中缺席。
• 在高负荷系统中，ATP 去除与有机物降解高度相关。
• ATP 分析在低负荷系统中的预测价值有限。
• 基于 ATP 的参数反映了活性污泥生物量的状况和健康程度。
• 基于 ATP 的分析可提供快速的现场生物性能评估。

引言

清洁水的获取已成为日益严峻的全球性挑战，在各地区以不同程度显现。水资源面临的压力增大和淡水的广泛短缺，使得环境保护、水资源保护以及生活和工业废水中处理后水的再利用变得更加重要。城市化是21世纪定义性的趋势之一，但全球近半数人口仍居住在农村地区。西欧约20%的人口居住在人口少于2000人的定居点，而在中东欧这一比例约为30%。2014年，仅9%的小型定居点连接到集中式污水处理厂（Isteni? 等，2015），到2023年这一比例仅上升至19%（Isteni? 等，2023）。因此，大量人口依赖可能不充分的污水处理解决方案，带来相当大的环境和公共卫生风险（Molognoni 等，2017）。由于地理和经济因素可能限制集中式处理厂和污水管网建设的可行性（Molognoni 等，2017），分散式现场污水处理系统（OWTS）越来越受到关注，通过在源头就地处理废水，提供了一种可行的替代方案。欧洲市场上有数百种采用各种技术的设备（Dubois 和 Boutin，2018），如果操作得当，这些设备能够达到当地法规要求的处理程度（Gy?rki 等，2023）。这些系统还支持当地水的再利用，这对于干旱多发地区尤为宝贵（Libralato 等，2012）。

尽管分散式系统日益普及，但关于其长期运行的研究资料仍然有限，许多设施未能达到预期的处理效率（Moelants 等，2008）。其效果可能受多种因素影响，特别是维护不足或不当，导致出水不符合法规标准（Gy?rki 等，2023）。缺乏常规监测的情况进一步加剧了这一问题，使得效率下降无法被及时发现。

除了操作不当和维护不足外，另一个反复出现的挑战是缺乏全面支持和监督及长期监测的法律和制度框架（Boguniewicz-Zab?ocka 和 Capodaglio，2017；Gunady 等，2015；Vanderzalm 等，2010）。虽然许多国家对现场系统或小型系统有某种形式的法规，但这些规定往往不完善、过时或执行不一致，使得确保已安装系统长期可靠运行变得困难（Gy?rki，2024）。

在匈牙利，服务于少于2000人口当量（PE）的分散式系统仅要求满足化学需氧量（COD）、五日生化需氧量（BOD?）和总悬浮固体（TSS）去除限值（Hungary, 28/2004, 2004）。然而，这些受监管参数的实际测量存在一些局限性（Khan 等，2015）。根据2024/3019号欧盟指令（EU, 2024），超过1000 PE 的城市聚集区，在技术和经济可行的情况下，必须连接到污水系统并由污水处理厂提供服务。因此，当这些城市聚集区的排放导致富营养化或受纳水体恶化时，它们也必须满足总氮（TN）和总磷（TP）去除要求。

虽然 COD 和 BOD? 是评估有机负荷和有机物去除的关键参数，但 BOD? 测量存在多种实际挑战。除了固有的五日培养期外，整个分析流程需要一系列资源密集的步骤：必须现场采集样品，然后运输并由受训人员在场外进行分析。所得数据需要评估、解释并反馈给所有者或运营者，以便必要时进行现场的运行调整。这一多阶段流程不仅耗时，而且成本高昂，特别是当需要同时监测大量 OWTS 时。对于更大规模的市政项目，考虑到需要协调多个地点的样品采集、确保及时运至实验室以及管理行政负荷，物流负担变得更加明显。在集中式处理厂中，污泥特性和生物活性的评估通常通过污泥絮体图像分析来辅助（Khan 等，2015），但在家庭系统中这种实践并未广泛采用，导致活性污泥的质量和活性在很大程度上处于未知状态。上述分析往往根本不进行（Moelants 等，2008），主要是因为安装项目缺乏与制造商的维护协议或未涵盖相关费用，作者在实践经验中也 consistently 观察到这一模式。因此，可能形成一个自我强化的循环：当未发现明显故障时，不进行监测；而在没有监测的情况下，运行问题可能未被察觉。

这些局限性凸显了对监测方法的迫切需求，这些方法能够绕过常规参数的物流和分析限制，并实现快速的、现场的、最好还是低成本的生物性能评估。能够提供即时、具有运行相关性的反馈的方法将缩短采样与运行评估之间的间隔，使得潜在的处理问题能够在初次现场访问期间就被识别，从而能够更早采取纠正措施。

三磷酸腺苷（ATP）分子由腺苷与三个磷酸基团结合而成，在这些磷酸基团之间的键中储存约30 kJ的能量。在合成代谢细胞过程中，磷酸键以ATP的形式合成，当需要能量时，这些磷酸键被水解。这也意味着所有活细胞都含有大量的细胞内ATP（cATP），生物量越高，cATP浓度越高（Johnston 等，2012）。然而，当细胞暴露于不利条件、受到胁迫或发生死亡时，膜通透性增加，ATP被释放到细胞外空间，表现为细胞外（或溶解）ATP（dATP）。

样品中ATP在各组分间的分布允许计算生物量胁迫指数（BSI），该指数反映了影响微生物群落的胁迫程度。dATP与总ATP（tATP）之比表明生物量的生理状态（LuminUltra, 2017）。当运行条件恶化时，dATP水平上升，标志着细胞损伤，并作为毒性冲击或曝气故障等不良事件的早期指标。因此，不同ATP组分的量和比例提供了对细胞状态和生物活性方面的见解（Maier 等，2009）。

活性挥发性悬浮固体（AVSS）代表生物反应器中活生物量的浓度，直接由cATP测量得出。与混合液悬浮固体（MLSS）含量不同，后者包括死细胞和惰性物质，AVSS通过将cATP转换为等效的干生物量值来指代生物活性部分，利用cATP与生物量碳之间的相关性。这提供了对参与生物降解的微生物种群的更准确指示。利用AVSS和TSS，可以计算反应器的活性生物量比（ABR），表示悬浮固体含量中活性生物量的比例。由于MLSS无法区分活性固体和非活性固体，ABR是生物反应器健康的敏感指标（LuminUltra, 2017）。

多年来，开发快速检测微生物危害的方法一直是重点，ATP检测已成为一种日益常见的工具。如今，它被广泛应用于评估卫生要求较高的多个行业的卫生状况，如食品和制药生产（Mildenhall 和 Rankin, 2020）。ATP检测的主要优势在于通过简单且高精度的程序实时揭示微生物风险，并且可以直接在采样点进行。新型ATP技术也被推广用于评估生物污水处理系统的性能（Pistelok 等, 2016）。

早在1975年，生物发光ATP测定法就被用于活性污泥评估（Levin 等, 1975），然而冗长而复杂的提取程序可能阻碍了当时这些方法的广泛采用。在过去二十年中，测量技术有了显著进步，第二代ATP方法现在即使在复杂基质中也能实现准确而简单的检测，包括污水处理厂（WWTP）出水和生活污泥（Pistelok 等, 2016；Whalen 等, 2006）。

测定基于ATP依赖性、荧光素酶催化的反应，在此过程中ATP被转化；除形成副产品外，释放的能量中有一部分以光的形式发射。由于每消耗一个ATP分子产生一个光子，定量分析只需要测量发射的光。这通常通过发光计实现，以相对光单位（RLU）检测信号。发射光的强度与样品的可用ATP含量成正比（LuminUltra, 2017）。

ATP测量已被越来越多地应用于大型集中式污水处理厂以及工业装置，其中已连续或高频监测已有记录。Whalen 等人发现，cATP可靠地反映了生物处理性能，在多个方面都有体现，如cATP值随营养物耗竭而下降、与COD去除相关，以及AVSS在活性生物量指示方面优于MLSS（Whalen 等, 2006）。在乳品厂废水出水的情况下，ATP生物量测定的绝对RLU值被发现与BOD、COD和TS的绝对值相关，相关系数分别为0.95、0.93和0.94（Samkutty 等, 1996）。虽然该文献探讨了出水参数之间的联系，但仍不清楚进水特征之间是否存在类似关系，或者进水参数或去除效率之间能否建立一致联系。同样，尚不清楚ATP如何与来自OWTS的进水和出水样品中的BOD?值相对应，因为这些系统的运行条件、生物量特征和负荷模式与市政或工业设施存在显著差异。

尚不清楚ATP是否能作为BOD?真正可靠的替代指标，或是否可作为评估此类系统中有机负荷和生物性能的快速筛查指标。由于缺乏实际运行条件下的主要数据，这一知识空白进一步被放大。

本研究旨在加深人们对分散式污水处理系统中基于ATP的监测方法的理解，在这些系统中，运行条件、进水特征和生物量动态往往与集中式设施观察到的存在显著差异。在这样的环境中，可靠的、快速的生物性能指标尤为宝贵，因为处理单元通常缺乏技术监督且运行有限，并且可能经历显著的负荷和微生物活性波动。为此，研究了进水和出水样品中BOD?、COD与ATP之间的关系，以确定ATP是否以与常规参数相当的方式反映有机负荷和生物降解潜力。特别关注ATP作为快速运行指标的潜力，在传统的测量提供延迟反馈的情况下，提供近乎实时的微生物活性洞察。同时，评估了ATP分析的实际限制，包括基质效应、固体含量和生物量组成的变异性，目的是确定在分散式处理环境中可靠应用ATP监测的条件。据作者所知，目前没有已发表的研究专门考察ATP监测在小型、家庭污水处理系统中的作用。本研究聚焦于标准的垂直流和水平流生物处理单元，因为除简单的化粪池外，这是欧盟多个国家最常见的、商业上可用的技术（Gy?rki, 2024）。

章节片段

研究设计

本研究共选择了36个现场活性污泥单元，具体包括5个?kotech-Home有限公司的A.B. Clear系统（图S2a-b）和31个Senex有限公司的Aquatec VFL AT-6系统（图S2c-d）。部分系统在为期2年的采样计划中被多次采样，总计50次采样。由于同一系统的采样间隔至少4个月，因此所有采样均被视为独立的、独立的数据集。

所有装置均安装于独栋住宅。结果与讨论：为评估ATP组分本身或基于ATP的参数能否作为生物处理性能的运营指标，我们对比分析了ATP组分的绝对值与百分比下降量、以及有机质含量相关参数（COD、BOD?）之间的线性回归拟合关系，以及基于ATP的参数与BOD?值之间的关系。在适用情况下，我们拟合了线性回归以评估相关数值之间的关联。对基于ATP的结论：本研究证明，第二代基于ATP的生物量测量方法可以作为现场污水处理系统中快速且具有运营相关性的生物性能指标。在所有高负荷处理装置中，cATP去除率与BOD?去除率之间均发现了具有统计学显著性的关系，表明基于ATP的指标可以为有机质降解提供及时信息。此外，具有相似拟合优度的线性关系是CRediT作者贡献声明：Gábor Gy?rki：撰写——初稿、可视化、方法论、调查研究、形式化分析、数据管理、概念化。János Kiss：调查研究、数据管理、概念化。Judit Knisz：撰写——审阅与编辑、监督指导、方法论、资金获取、概念化。生成式人工智能及AI辅助技术在写作过程中的声明：在本工作的准备过程中，作者使用了ChatGPT（OpenAI）、NotebookLM（Google）和Elicit（Ought）来辅助检索，并检查语法、清晰度和逻辑一致性。在使用这些工具后，作者按需审阅和编辑了内容，并对已发表论文的内容承担全部责任。资金来源：本文所呈现的研究是在塞切尼计划加项目中开展，并获得了RRF 2.3.1 21 2022 00008项目的支持。利益冲突声明：作者声明不存在已知的可能影响其论文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。Gábor Gy?rki|János Kiss|Judit Knisz