廢水生化處理中有機物的分析和轉化

柳 莎 周慧芳 毛玉鳳

(1. 成都理工大學， 成都 610059； 2. 廣東石油化工學院， 廣東 茂名 525000)

廢水生化處理中有機物的分析和轉化

柳 莎1，2周慧芳1，2毛玉鳳2

(1. 成都理工大學， 成都 610059； 2. 廣東石油化工學院， 廣東 茂名 525000)

有機物的種類、含量、物化特性、分子量等性質直接影響廢水處理工藝的處理效果。本文綜述了近年來廢水生化處理中有機物的分析方法及廢水生化處理過程中有機物的轉化規律。

廢水；生化處理；有機物；分析；轉化

水污染是工業發展面臨的普遍問題[1]。工業廢水是指工業生產中排放的廢水和廢液，包括工業生產的原料、中間產物、副產品及生產過程中所產生的污染物，是造成水污染的重要因素。工業廢水的來源廣，成份復雜且性質多變，對它的處理方法主要有化學法、物理法、生化法[2]。其中，生化法是利用微生物的新陳代謝功能對污水中呈溶解或膠體狀態的有機物進行降解，將其轉化為微生物細胞成分和簡單的無機物[3-4]。生化法因其處理成本低、運行可靠等優點，受到廣泛的關注，但是該方法對有機物的去除效率較低，這成為制約其發展的關鍵因素，主要原因是廢水中的有機物并非都能被生物降解，還包含一定量的難生物降解有機物。因此，分析測定廢水中有機物的種類、含量和轉化規律對改善生化法處理工業廢水效果具有極其重要的意義。

1 有機物的分析方法

為了更好的研究有機物在水中的行為及其對水質、水處理工藝的影響，往往需要對有機物進行全面、深入的分析，而單一的分析方法往往不能滿足要求。因此需要根據不同的研究重點，采用不同的分析方法對廢水中的有機物進行分析，如分析有機物種類，常采用氣相色譜-質譜聯用技術(Gas Chromatography- Mass Spectrometry，GC-MS)和三維熒光光譜技術(3-dimentional excitation emission matrix fluorescence，3DEEM)，分析有機物親/疏水性、酸/堿性，常采用離子交換樹脂分離分析，而采用不同孔徑的超濾膜過濾可分析出有機物各種分子量的分布情況。

1.1 基于GC-MS聯用的分析

GC可對易揮發而不發生分解的有機化合物進行分析。MS通過測定離子的荷質比進行結構分析。GC分離效果高，定量分析簡單，但是其鑒別能力差。MS靈敏度高，定性鑒別能力高，但對樣品要求較高。GC-MS聯用技術綜合了色譜的高分離能力與質譜的強鑒定能力，GC首先對揮發性的物質進行分離、定量，再通過MS測定荷質比和強度來進行結構分析。GC-MS聯用技術已成為分析復雜多組分微量有機化合物的高效分析手段之一。陳慧等[5]用GC-MS聯用技術分析了焦化廢水生化處理前后有機物的種類和含量的變化規律及特征有機污染物的去除率，發現焦化廢水生化處理前共檢出75個峰，而生化處理后只檢出18個峰，生化出水中苯酚類及其衍生物、萘類化合物、噻吩類化合物未檢出，而含氮雜環化合物如吡啶、咔唑、喹啉、吲哚類化合物在出水中的相對含量較高。曹臣等[6]對生化出水中貢獻化學需氧量(COD)的溶解性組分進行GC-MS分析，比較生化處理前后有機物種類的變化，發現長鏈碳氫化合物的種類增加了12種，芳香烴、長鏈碳氫化合物、苯系物、多環芳烴及雜環類化合物是生化出水中主要溶解性有機物。

1.2 基于三維熒光光譜的分析

3DEEM能給出激發波長(λex)和發射波長(λem)同時變化的熒光強度信息，某些有機物在紫外或可見光的激發下會產生熒光發射，通過測定水樣的熒光范圍和熒光強度，可定性和半定量的表征廢水中共軛體系有機物的組成[7]。吳靜等[8]以三維熒光光譜技術分析某石化廢水，譜圖中出現近10個熒光峰，分別為石油類、苯類等有機物。有機物在生化處理過程中會產生蛋白、輔酶、色素以及腐殖酸等多種化合物，它們在紫外或可見光的激發下，會產生特征的熒光發射，在三維熒光光譜圖上有特征位置[9]，并且其種類和濃度與微生物處理進程、反應器運行狀態有著密切聯系[10]。李衛華等[11]建立了熒光物質濃度變化與水力停留時間、底物濃度和溫度之間的變化關系，明確了其中的生物反應進程，從而實現了對生化處理反應器的實時調控。

1.3 基于離子交換柱的分析

廢水生化處理常常會產生可生物降解性低，且呈穩定狀態的溶解性有機物(Dissolved organic carbon, DOM)，它的親/疏水性和酸/堿性會影響其廢水的處理效果，因此用樹脂可將不同特性的有機物分離[12]。龔劍麗等[13]采用含有丙烯酸酯的非極性離子交換樹脂XAD-8和強堿性陰離子交換樹脂HZ-201將某城市污水二級生化出水的DOM分成疏水酸、疏水中性物、疏水堿、親水酸、親水中性物和親水堿，并得到各類有機物的含量。李欣玨等[14-15]采用XAD-8樹脂與非極性大孔聚苯乙烯吸附樹脂XAD-4將印染廢水生化出水中的DOM分四類：疏水酸、非酸疏水物質、非酸親水物質和親水酸。由于生化出水中親水性有機物在可生物降解溶解性有機物(BDOC)、可生物同化有機碳(AOC)等中占據絕大部分, 因此研究廢水中有機物的物化特性對生化處理的工藝具有指導意義。

1.4 基于超濾膜的分析

水中有機物分子量的分布對工藝優化和進一步闡明有機物的去除機理具有十分重要的作用，因此它受到了廣泛的重視[16]。污水中分子量分布的測定多采用濾膜過濾法[17]，根據分子量的不同對有機物進行分類，既可以避免綜合性表征不夠清晰，其測試過程也不會過于繁瑣[17]。龔劍麗等[18]采用超濾膜分級方法將某城市生活污水廠二級生化出水中有機物的分子量分為<1 000D，1 000 ～3 000 D，3 000 ～10 000 D，>10 000 D，發現分子量大于10 000 D的有機物最多，并得到有機物的分子量分布情況。

2 不同生化處理過程有機物的轉化

廢水中的有機物能作為微生物的營養物質而被代謝、利用和轉化。根據微生物生長環境對氧含量的需求，將其分為厭氧微生物和好氧微生物，利用這兩種微生物來處理廢水的工藝就是厭氧生物處理和好氧生物處理。

2.1 厭氧生物處理

廢水的厭氧生物處理是指在沒有游離氧存在的條件下，兼性細菌與厭氧細菌降解有機物的生物處理方法。整個厭氧過程主要由水解產酸菌完成[19]。厭氧水解就是改變有機物的結構，使某些難生物降解的有機物轉化成可生物降解的有機物，從而改善廢水的可生化性，為后續生物處理創造條件[20]。如將不溶性有機物轉化為溶解性有機物，大分子物質轉化為小分子物質，復雜有機物降解為以醋酸、丙酸和丁酸為主的脂肪酸。劉志[21]等采用厭氧水解對難降解的富馬酸廢水進行處理，發現通過厭氧生物處理后其可生化性顯著提高。李詠梅等[22]發現焦化廢水通過厭氧處理，一些復雜的有機化合物如2,3-二氫苯并呋喃、5-苯基-鄰-甲氧基苯胺等轉化成一些中間產物如丙烯酸、甲基苯胺、硝基苯酚、羧酸酯等。

2.2 好氧生物處理

廢水的好氧處理是指在提供游離氧的前提下，好氧菌和兼性好氧菌降解有機物的生物處理方法。何苗等[23-24]研究了廢水中有機物的好氧生物降解速率常數，發現有機物的轉化與其化學結構緊密相關，如芳香族化合物在好氧處理中先發生芳環羥基化，轉化成鄰苯二酚，再進一步開環轉化為琥珀酸和丙酮酸，最后分解成二氧化碳和水。而苯及苯屬芳香烴化合物則轉化為鄰苯二酚、β-酮已二酸、丙酮酸，最后分解成二氧化碳和水。多環芳烴轉換為鄰苯二甲酸酯，喹啉類轉化為吡啶二羧酸和硝基苯二羧酸。Zhang[25]等發現酚類物質主要在好氧處理中去除，這是因為酚類化合物在好氧條件下能轉化為鄰苯二酚，最終得到去除。

3 結束語

生化法處理廢水的工藝已經比較成熟，但對生化處理過程中有機物的種類、含量、物化特性、分子量分布和轉化與廢水處理效果之間的關系還有待進一步研究。采用多種分析手段對廢水生化處理中有機物進行分析，研究其轉化規律，了解有機物在生化處理過程中的降解和轉化情況，有利于生化處理工藝的選擇、優化，對廢水深度處理以提高出水水質，降低有機物危害具有極其重要的意義。

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Review on analysis and transformation of organic matter in wastewater biochemical treatment

Liu Sha1, 2, Zhou Huifang1,2, Mao Yufeng2

(1. Chengdu university of technology, Chengdu 610059; 2. Guangdong University of Petrochemical Technology, Maoming 525000, China)

The type, content, physical and chemical properties, molecular weight of organic matter in wastewater directly impacted the treatment effect. This paper reviewed the determination and transformation of organic matter during biochemical treatments.

waste water; biochemical treatment; organic matter; analysis; transformation

2014-07-22；2014-08-27修回

柳莎，女，1990年生，碩士研究生,研究方向:環境分析化學。E-mail:liu90sha@126.com

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