有機廢物發(fā)酵強化氧化態(tài)污染物去除研究進展

王燕婷，黃進剛，鄭家亮，王 歡，趙鑫宇，余夢超

(杭州電子科技大學 材料與環(huán)境工程學院，浙江 杭州 310018)

有機廢物發(fā)酵強化氧化態(tài)污染物去除研究進展

王燕婷，黃進剛*，鄭家亮，王 歡，趙鑫宇，余夢超

(杭州電子科技大學 材料與環(huán)境工程學院，浙江 杭州 310018)

氧化態(tài)污染物是工業(yè)廢水的主要污染物之一，具有一定的生態(tài)毒性，對水環(huán)境危害嚴重。氧化態(tài)污染物的還原是實現(xiàn)其高效去除的關鍵步驟之一，還原過程通常需消耗易生物利用碳源作為電子供體。本文總結了各種有機廢物的發(fā)酵過程，分析了發(fā)酵產物對氧化態(tài)有機物還原去除的影響，闡明了有機廢物與氧化態(tài)有機污染物同步高效去除的可行性。

有機廢物；發(fā)酵；氧化態(tài)污染物；電子供體

1 有機廢物發(fā)酵過程解析

1.1 剩余污泥

污泥厭氧發(fā)酵是一個很復雜的有機物轉化過程，在無氧條件下污泥中的有機物能夠轉化為CH4以及CO2。污泥厭氧消化產甲烷的過程分為三個步驟：水解酸化、產氫產乙酸、以及產甲烷階段，并且由四類微生物協(xié)同完成污泥厭氧消化的整個過程。其水解酸化過程能夠產生乙酸、丙酸、丁酸等揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)，在城鎮(zhèn)污水處理過程中，它們是調節(jié)污水中碳氮比，進行低碳高氮污水脫氮除磷和工業(yè)廢水中氧化態(tài)污染物高效去除的重要碳源[1]。前人研究表明，剩余污泥發(fā)酵既能實現(xiàn)污泥減量化，又能獲得含高效電子供體VFAs的發(fā)酵液[3]，促進生物脫氮除磷，效果明顯優(yōu)于以乙酸作為碳源的去除效果[2]。

1.2 植物生物質

植物生物質作為固態(tài)碳源，在自然界廣泛存在，并且存在處理難度大等問題。在厭氧條件下，植物生物質可水解為糖類，同時釋放少量蛋白質和脂肪，水解產物繼續(xù)被發(fā)酵產酸菌轉化為VFAs后排至水溶液中。前人[3]研究木質纖維素的乙醇發(fā)酵技術，乙醇產率相當于理論值的45%。此外，Wu等[4]以及Brennan等[5-6]的研究均發(fā)現(xiàn)，玉米芯、木屑和廢紙都可作為固態(tài)碳源進行生物質發(fā)酵，實現(xiàn)資源化利用，避免了燃燒處理所造成的二次污染。李倬[7]以牛糞堆肥、海帶為產氫底物，進行厭氧發(fā)酵制氫，同時伴隨著VFAs(乙酸、丙酸和丁酸)和醇(乙醇和丁醇)等副產物的產生。

1.3 有機污水

有機污水主要來源于食品、化工等行業(yè)產生的生產廢水，具有碳水化合物、蛋白質等有機物含量高的特點。有機污水水解發(fā)酵可產生VFAs，可作為氧化態(tài)污染物還原去除的高效電子供體。何設光的研究表明[8]，有機污水中的復雜有機物經過厭氧發(fā)酵后可產生三類揮發(fā)性有機酸：乙酸、丙酸、丁酸。張瑛華[9]等人在有機污水中接種厭氧污泥進行發(fā)酵產酸研究，研究結果表明，乙酸為主要末端發(fā)酵產物，pH值=4.3時的產乙酸效果最佳。

2 氧化態(tài)污染物還原

2.1 偶氮化合物(Azo)

偶氮化合物含有一個或多個偶氮基團(-N=N-)，是合成染料中品種最多的一類，部分偶氮化合物具有"三致"作用(致癌、致畸、致突變)，會危害人畜健康。Azo的生物處理主要是通過厭氧脫色-好氧氧化組合工藝實現(xiàn)其最終去除[10]。Azo生物還原過程是在微生物偶氮還原酶的作用下分兩步進行，每個步驟得到2個電子，使-N=N-斷裂，最后還原為相應的胺基基團(-NH2)，隨后胺基基團可在好氧條件下進行氧化降解。

研究表明，大量有機物發(fā)酵產物均可作為Azo還原過程所需的電子供體。虞磊[11]利用序批式厭氧污泥反應器(ASBR)對甲基橙染料進行了厭氧脫色還原研究，研究表明葡萄糖糖酵解過程中產生的NADH2可作為電子供體通過電子傳遞鏈轉移到偶氮還原酶上，從而促進偶氮鍵的斷裂。此外，丙酮酸等糖酵解中間底物作為電子供體時，Azo的脫色速率比糖酵解的末端產物(乙醇、乙酸、甲酸和氫氣)作為電子供體時更高。

2.2 硝基類化合物(NACs)

NACs是醫(yī)藥、染料、香料、炸藥等工業(yè)的化工原料，含有的硝基基團(-NO2)處于氧化態(tài)，通常采用厭氧-好氧組合處理工藝[12-13]實現(xiàn)其去除。在厭氧條件下，NACs 較易利用有機或無機電子供體為共基質，還原轉化為毒性較低、且易于氧化降解的芳香胺類物質。NACs在厭氧段的還原是其在組合工藝中高效去除的限速步驟[14]。

針對難降解的五氯硝基苯(PCNB)，Okutman Tas 等利用葡萄糖和蛋白質(酵母抽提物)、有機酸、甲醇、H2等為電子供體和碳源，均取得了較好的還原效果[15-17]。乙酸作為最簡單的VFA，占據了厭氧發(fā)酵終產物中的大部分含量，對NACs 的生物還原具有重要影響。研究[18-19]表明，在厭氧濾池和受NACs 污染的蓄水層中投加乙酸均能在一定程度上促進NACs 的還原，乙酸的電子利用率可達90%以上，并能夠誘導出硝基還原酶。

2.3 Cr(VI)

鉻(Cr)被認為是毒性最強的十六種重金屬之一。Cr(VI)在處理過程中一般需要先通過生物還原(以有機碳源為電子供體)或化學還原(以Fe2+或硫化物等還原劑為電子供體)等方法轉化為毒性較小的Cr(III)，然后再通過化學沉淀等方法進行去除。其中，Cr(VI)的還原是上述生物/化學過程的限速步驟。周本軍[20]等人采用富集培養(yǎng)法，從河流污泥中分離篩選得到能同時降解苯酚和還原Cr(VI)的菌株JF122。研究發(fā)現(xiàn)，苯酚的降解和Cr(VI)的還原具有一致性，即菌株JF122能以苯酚作為唯一碳源和能源，將Cr(VI)還原為Cr(III)。夏四清等人[21]采用氫能(發(fā)酵產物)基質生物膜反應器去除地下水中的Cr(VI)，研究結果表明，氫自養(yǎng)還原菌利用氫氣作為電子供體，進行自養(yǎng)還原反應，能使水中Cr(VI)高效還原為Cr(Ⅲ)，形成沉淀而去除。徐衛(wèi)華[22]等人研究了蘋果酸和葡萄糖對銅綠假單胞菌還原Cr(Ⅵ)效果的影響，結果表明，葡萄糖和蘋果酸均能促進菌株對Cr(Ⅵ)的還原，蘋果酸的促進作用比葡萄糖更加顯著。

2.4 硫酸鹽

2.5 有機廢物發(fā)酵促進氧化態(tài)污染物去除過程解析

綜上所述，氧化態(tài)污染物還原去除過程受電子供體影響顯著。有機廢物發(fā)酵過程會產生大量高效的電子供體，進而促進氧化態(tài)污染物還原去除。過程機理如圖1所示。

圖1 有機廢物發(fā)酵促進氧化態(tài)污染物還原過程機理

3 結語與展望

氧化態(tài)污染物是工業(yè)廢水的主要污染物之一，目前研究表明剩余污泥、植物生物質以及有機污水發(fā)酵產生的糖類、VFAs和H2等物質，可以作為電子供體促進氧化態(tài)污染物的還原去除，實現(xiàn)“以廢治廢”，是氧化態(tài)污染物高效去除的有效方式。

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(本文文獻格式：王燕婷，黃進剛，鄭家亮，等.有機廢物發(fā)酵強化氧化態(tài)污染物去除研究進展[J].山東化工，2017，46(08)：72-74.)

Review on Organic Waste Fermentation Enhanced Oxidative State Pollutant Removal

WangYanting,HuangJingang*,ZhengJialiang,WangHuan,ZhaoXinyu,YuMengchao

(College of Materials and Environmental Engineering, Hangzhou Dianzi University, Hangzhou 310018，China)

Oxidized pollutants is one of the main pollutants in industrial wastewater, with a certain degree of ecological toxicity, and oxidized pollutants is one of the most reasons of water pollution. The reduction of oxidizing pollutants is one of the key steps to achieve efficient removal. It is usually necessary to consume bioavailable carbon source as an electron donor. This paper reviews the fermentation process of various organic wastes, analyzes the effect of fermentation products on the removal of organic in oxidized state, and expounds the feasibility of efficient removal of organic waste and organic pollutants.

organic waste; Fermentation; oxidized pollutant; electron donor

2017-03-03

浙江省大學生新苗人才計劃項目(2016R407039)，杭州電子科技大學大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃立項(XJ201507)，浙江省科技計劃項目(2016C33013)

王燕婷(1996—)，女，杭州電子科技大學2014級環(huán)境工程專業(yè)本科生；通信作者：黃進剛，博士，杭州電子科技大學副教授，研究方向為污水處理理論與技術。

X703

A

1008-021X(2017)08-0072-03