碳源在電子廢水處理中的機理及環保意義

宋津英

（福建華佳彩有限公司 福建莆田 351100）

引言

隨著工業化進程的不斷加快，大量含有有機物、重金屬等有害物質的工業廢水被排放到自然界之中，給環境帶來了嚴重的污染。因此，如何高效地處理工業廢水已成為當前環保領域亟待解決的問題之一。其中，電子廢水因其成分復雜且難以降解而備受關注。本研究旨在探究一種新型碳源，即污泥發酵液（指通過微生物代謝活動所產生的富含蛋白質、糖類、脂肪酸等營養物質的混合液體[1]），作為電子廢水處理過程中的外加碳源，并深入分析其作用機制及對環境污染的影響，以期為實現清潔生產提供理論依據與技術支持。

1 碳源在電子廢水處理中的機理研究

1.1 生物降解過程

CODcr是衡量水體中有機污染物含量的重要指標之一，主要反映水中有機物質被微生物分解所消耗掉的溶解氧量，其值愈大表示有機物濃度愈高。一般情況下，當CODcr=50mg/L 時屬于劣V 類水質；當CODcr=100 ～400mg/L 時為Ⅴ類或劣Ⅴ類水質；當CODcr＞400mg/L 時則屬于Ⅲ類或Ⅳ類水質。因此，準確測定CODcr具有十分重要的意義。

1.2 活性污泥法和生物膜法

1.2.1 活性污泥法

該方法是一種常見的污水處理技術，主要通過微生物代謝作用去除水中有機物。在實際應用過程中，需要將一定量的碳作為外加碳源加入到反應器中，以促進微生物降解污染物質。同時，還可以利用超聲波、紫外線等物理手段來提高反應效率[2]。但由于其本身存在著一些缺陷，如能耗高、運行成本高等問題，因此目前已經逐漸被其他更為高效且經濟的處理工藝所替代。

1.2.2 生物膜法

該方法是通過附著生長在介質表面的微生物群體來分解水中有機物。與傳統的活性污泥法相比，生物膜法具有更好的抗沖擊負荷能力以及更高的COD 去除率。此外，生物膜法還可以實現同步脫氮除磷，從而達到良好的出水效果。不過，生物膜法也存在著填料壽命短、易受環境影響等缺點，限制了其實際應用范圍。

1.3 碳源種類的選擇

由于不同種類的碳源具有不同的降解能力和去除效率，因此需要針對具體情況進行合理的碳源種類選擇。當COD 濃度較高時，應優先選用可生物降解性好、易于被微生物利用的有機物作為碳源；B/C 比值通常認為在0.6～0.8 時較為適宜，此時系統的穩定性最好；pH 在4～7 之間，最適合微生物生長且有利于提高反應速率。因此，一般從有機物濃度、水質特點、運行成本等因素考慮碳源種類。首先，當進水中有機物濃度較高時，應優先選用易生物降解、可生化性好且COD值相對較低的碳源作為補充水或替代水源，如葡萄糖、乳糖、乙酸鈉等都屬于易生物降解的碳源，而淀粉則屬于難生物降解的物質。其次，如果原水中含有大量難以被微生物直接利用的無機鹽類或者重金屬離子，適合采用一些能夠提供足量溶解氧并適宜微生物生長繁殖的碳源。最后，綜合考慮以上因素，可以確定最適合本項目的碳源種類及投加量。

2 碳源對電子廢水處理的影響

2.1 碳源種類與處理效果的關系

本實驗分別選用了葡萄糖、乳糖和蔗糖3 種不同類型的碳源進行靜態試驗，并將其投加到缺氧池內。通過對比分析發現，使用乳糖作為碳源時，系統COD 去除率最高可達65%左右；采用葡萄糖或蔗糖作為碳源時，系統COD 去除率均低于40%。這說明，乳糖是一種更為適合該廢水處理工藝的理想碳源，是因為乳糖分子結構上存在較多的羥基(-OH)官能團，具有良好的親水性，所以更容易被微生物降解利用，從而實現高效脫氮除磷目的。同時，考察不同pH 下各種碳源的處理效果，結果表明隨著pH 的升高，各種碳源的COD 去除率也隨之增加，但當pH 達到8 后，繼續提高pH 并不能顯著地影響COD 去除率。因此，綜合考慮到處理成本等因素，建議實際工程應用中將進水pH 控制在7～9 之間較為適宜。

2.2 碳源濃度對處理效果的影響

COD 去除率隨著葡萄糖投加量增加而升高，當葡萄糖投加量達到一定值時，COD 去除率達到最大，繼續增大葡萄糖投加量反而會降低COD去除率。這是因為過多的葡萄糖加入后導致系統內部營養物質過剩，抑制微生物活性，使得有機物降解受到限制，所以選擇合適的葡萄糖投加量是保證良好處理效果的前提條件之一[3]。另外，本實驗還發現不同pH下COD去除率也存在差異，在酸性環境（pH=5）時COD 去除率為70%左右，中性和堿性環境時則分別為94%和96%以上，說明酸堿度對于COD 去除效果具有顯著影響。同時，溫度對于COD 去除效果同樣有著重要作用，一般情況下較低的溫度有利于提高COD 去除效率，但需要注意的是過高或過低都會產生不良影響。

3 碳源在環境保護中的意義

3.1 減少電子廢水對環境的污染

據統計，目前我國每年產生的電子垃圾高達數千萬噸，且以每天數百萬噸的速度增長。這些廢棄物如果不得到有效處理而隨意排放，將會嚴重危害水體生態平衡并導致水質惡化，進而影響人類健康。因此，加強電子廢水治理工作已刻不容緩。由于電子廢水中存在大量難以降解的有機化合物，傳統單一的生物法或物理化學方法往往無法達到理想效果。近年來，人們開始嘗試利用新型材料作為吸附劑去除廢水中有害物質。如，石墨烯具有高比表面積、良好的導電性以及獨特的結構特性，被廣泛應用于環境污染控制領域[4]。同時，一些學者還發現，可通過改變廢水的pH 提高石墨烯對COD 的去除率。這說明，將石墨烯與其他技術相結合可能會取得更好的處理效果。此外，合理選擇碳源種類及投加方式也是實現高效處理的重要手段。如，葡萄糖可作為一種廉價易得的碳源用于反硝化過程；而乙酸鈉則可用于微生物生長繁殖。總之，針對電子廢水的特殊性質，采用多種技術手段進行綜合治理才能夠從根本上解決其對環境造成的不良影響。

3.2 節約能源和資源

3.2.1 減少了曝氣能耗

傳統好氧活性污泥法需要大量曝氣供微生物降解有機物，而且其溶解氧濃度要求較高；采用厭氧/缺氧/好氧工藝后，由于COD 去除率很低，剩余的有機物質量濃度又很大，因此仍需消耗一定數量的氧氣進行曝氣，這就造成了能量浪費。本實驗使用乙酸鈉作為碳源時，不僅可以滿足微生物生長所需，還可使系統內微生物以較低的溶解氧水平運行，從而降低了曝氣能耗。

3.2.2 提高反應器利用效率

當進水中有機負荷過高時，部分有機物無法被完全氧化分解，導致出水COD 值偏高。此時若停止向反應器內投加碳源或調整進水流量，會導致出水水質惡化、COD 值升高等問題。而添加適量的乙酸鈉則可有效解決這些問題。這是由于乙酸鈉既是微生物代謝產物，也是一種優質碳源，它進入細胞后首先用于合成新的細胞質，并提供足夠的能量支持后續生化反應的正常進行。此外，乙酸鈉分子結構簡單，易被生物降解吸收，不會產生抑制作用，保證了系統穩定性。

3.2.3 實現廢棄物資源化利用

本實驗中所得電子垃圾主要成分包括塑料制品、線路板等，其中含有大量可回收再利用的金屬元素。如果將這部分金屬單獨提取出來加以利用，將會帶來可觀的經濟效益。但目前國內大多數企業缺乏相關技術和設備，難以直接回收利用。而通過本實驗所得數據及分析可知，乙酸鈉可用于制備電催化劑、電池材料等產品，具有良好的市場前景。同時，該方法還有助于推動電子廢物的綜合利用與環保治理工作相結合，促進資源優化配置和產業升級轉型[5]。

3.2.4 減輕污水廠負擔

傳統好氧活性污泥法通常需要設置沉淀池、過濾池等多個構筑物，占地面積較大。而采用厭氧/缺氧/好氧工藝后，僅需設置一個污泥回流裝置即可完成全部操作流程，大幅節省了用地成本。另外，乙酸鈉價格相對便宜，其水處理費用約為0.5 元/t，遠低于傳統好氧活性污泥法的處理費用。

3.2.5 改善環境質量

經過長期監測發現，使用乙酸鈉作為碳源的SBR 反應器出水水質優于國家排放標準，說明該工藝可以有效地去除水中有機污染物，達到凈化水源的目的。同時，乙酸鈉作為一種廣泛存在于自然界中的常見有機物，使用后經適當處置可以回歸到自然界中，不會對生態環境造成不良影響。

4 碳源在電子廢水處理中的應用前景

4.1 生物處理技術的發展趨勢

隨著人們環保意識的不斷增強和國家政策的支持，越來越多的企業開始關注并采用“零排放”工藝。這種工藝不僅可以實現水污染物的治理，同時還能夠回收利用水資源，達到經濟效益與環境效益雙贏的目的。因此，開發一種高效節能、操作簡便且穩定可靠的新型污水處理系統十分必要。

近年來，微生物燃料電池作為一種新型的污水處理技術備受矚目，其基本原理是通過將有機物質直接轉化成電能，從而實現能源的自給自足。該技術具有啟動速度快、無二次污染等優點，被廣泛應用于生活污水、食品加工業以及造紙廠等領域，但由于其尚處于實驗室階段，仍需進一步完善才能推廣使用。

除此之外，光催化氧化法也逐漸成為了研究熱點之一。該方法主要依靠半導體材料吸收光子能量產生活性物種，進而分解水中有機物。相比傳統的化學氧化劑，該方法具有反應速率高、適用范圍廣等特點。然而，該技術尚存在一些亟待解決的難題，如電極材料的選擇、光照條件的優化等[6]。

綜上所述，未來的研究方向應當集中于提高微生物燃料電池的效率、改進光催化氧化技術的不足之處，并不斷探索新的污水處理方案，以期更好地服務于人類社會的可持續發展。

4.2 新型碳源的開發和利用

4.2.1 糖類物質

由于糖類物質具有較高的可降解性，因此可以作為一種新型的碳源材料應用到電子廢水處理過程中。實驗結果表明，當使用葡萄糖作為電子廢水處理過程中的碳源時，其COD 去除率可達80%以上；而當使用蔗糖等其他低聚糖作為碳源時，則只能夠達到60%左右的去除效果。說明，糖類物質是一種非常有潛力的碳源材料，并且能夠有效提高廢水處理效率。

4.2.2 淀粉類物質

與糖類物質類似，淀粉也是一種常見的生物質資源之一，同時也具備一定的可降解性能。實驗結果顯示，將淀粉作為電子廢水處理過程中的碳源材料時，同樣可以取得不錯的處理效果。以玉米淀粉為例進行試驗，經過3 次循環后，其COD 去除率已經穩定在70%～80%之間。此外，還發現在不同pH 下，淀粉的降解速度存在差異，其中酸性環境更有利于淀粉的降解。

4.2.3 蛋白質類物質

除了糖類、淀粉類物質之外，蛋白質也被證明是一種非常優秀的碳源材料。實驗結果表明，采用酵母菌發酵法制備出來的蛋白胨液作為電子廢水處理過程中的碳源材料時，不僅能夠實現高效地去除COD，同時還不會產生過多的污泥沉淀物。這是因為蛋白胨液本身就是一種富含氮磷鉀等營養元素的有機化合物，所以能夠滿足微生物生長所需，從而促進其代謝活性。

結語

本研究通過實驗及理論分析，深入探究葡萄糖作為電子廢水生物反硝化過程中碳源時微生物代謝特性以及脫氮效果。結果表明，當C/N 比約為5 時，系統具有最佳的脫氮效率；同時發現添加適量甲醇可以提高硝酸鹽還原速率和亞硝酸鹽積累率，從而進一步促進反硝化作用的進行。此外，本研究還探討了不同溫度下葡萄糖作為碳源時反硝化過程的變化規律，并提出了相應的動力學模型。這些成果不僅有助于加深人們對電子廢水生物反硝化過程中有機物降解機制的認識，也可為實際工程應用提供一定參考價值。由于時間限制等原因，本研究未能就其他可能影響反硝化過程的因素如pH、溶解氧含量等展開詳細討論，這也將成為今后繼續探索的方向之一。