王燕婷，黃進(jìn)剛，鄭家亮，王 歡，趙鑫宇，余夢(mèng)超

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

有機(jī)廢物發(fā)酵強(qiáng)化氧化態(tài)污染物去除研究進(jìn)展

王燕婷，黃進(jìn)剛*，鄭家亮，王 歡，趙鑫宇，余夢(mèng)超

(杭州電子科技大學(xué) 材料與環(huán)境工程學(xué)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(duì)水環(huán)境危害嚴(yán)重。氧化態(tài)污染物的還原是實(shí)現(xiàn)其高效去除的關(guān)鍵步驟之一，還原過(guò)程通常需消耗易生物利用碳源作為電子供體。本文總結(jié)了各種有機(jī)廢物的發(fā)酵過(guò)程，分析了發(fā)酵產(chǎn)物對(duì)氧化態(tài)有機(jī)物還原去除的影響，闡明了有機(jī)廢物與氧化態(tài)有機(jī)污染物同步高效去除的可行性。

有機(jī)廢物；發(fā)酵；氧化態(tài)污染物；電子供體

1 有機(jī)廢物發(fā)酵過(guò)程解析

1.1 剩余污泥

污泥厭氧發(fā)酵是一個(gè)很復(fù)雜的有機(jī)物轉(zhuǎn)化過(guò)程，在無(wú)氧條件下污泥中的有機(jī)物能夠轉(zhuǎn)化為CH4以及CO2。污泥厭氧消化產(chǎn)甲烷的過(guò)程分為三個(gè)步驟：水解酸化、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸、以及產(chǎn)甲烷階段，并且由四類(lèi)微生物協(xié)同完成污泥厭氧消化的整個(gè)過(guò)程。其水解酸化過(guò)程能夠產(chǎn)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(guò)程中，它們是調(diào)節(jié)污水中碳氮比，進(jìn)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(shí)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(jìn)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(zhì)

植物生物質(zhì)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(wèn)題。在厭氧條件下，植物生物質(zhì)可水解為糖類(lèi)，同時(shí)釋放少量蛋白質(zhì)和脂肪，水解產(chǎn)物繼續(xù)被發(fā)酵產(chǎn)酸菌轉(zhuǎn)化為VFAs后排至水溶液中。前人[3]研究木質(zhì)纖維素的乙醇發(fā)酵技術(shù)，乙醇產(chǎn)率相當(dāng)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(jìn)行生物質(zhì)發(fā)酵，實(shí)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(chǎn)氫底物，進(jìn)行厭氧發(fā)酵制氫，同時(shí)伴隨著VFAs(乙酸、丙酸和丁酸)和醇(乙醇和丁醇)等副產(chǎn)物的產(chǎn)生。

1.3 有機(jī)污水

有機(jī)污水主要來(lái)源于食品、化工等行業(yè)產(chǎn)生的生產(chǎn)廢水，具有碳水化合物、蛋白質(zhì)等有機(jī)物含量高的特點(diǎn)。有機(jī)污水水解發(fā)酵可產(chǎn)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(shè)光的研究表明[8]，有機(jī)污水中的復(fù)雜有機(jī)物經(jīng)過(guò)厭氧發(fā)酵后可產(chǎn)生三類(lèi)揮發(fā)性有機(jī)酸：乙酸、丙酸、丁酸。張瑛華[9]等人在有機(jī)污水中接種厭氧污泥進(jìn)行發(fā)酵產(chǎn)酸研究，研究結(jié)果表明，乙酸為主要末端發(fā)酵產(chǎn)物，pH值=4.3時(shí)的產(chǎn)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(gè)或多個(gè)偶氮基團(tuán)(-N=N-)，是合成染料中品種最多的一類(lèi)，部分偶氮化合物具有"三致"作用(致癌、致畸、致突變)，會(huì)危害人畜健康。Azo的生物處理主要是通過(guò)厭氧脫色-好氧氧化組合工藝實(shí)現(xiàn)其最終去除[10]。Azo生物還原過(guò)程是在微生物偶氮還原酶的作用下分兩步進(jìn)行，每個(gè)步驟得到2個(gè)電子，使-N=N-斷裂，最后還原為相應(yīng)的胺基基團(tuán)(-NH2)，隨后胺基基團(tuán)可在好氧條件下進(jìn)行氧化降解。

研究表明，大量有機(jī)物發(fā)酵產(chǎn)物均可作為Azo還原過(guò)程所需的電子供體。虞磊[11]利用序批式厭氧污泥反應(yīng)器(ASBR)對(duì)甲基橙染料進(jìn)行了厭氧脫色還原研究，研究表明葡萄糖糖酵解過(guò)程中產(chǎn)生的NADH2可作為電子供體通過(guò)電子傳遞鏈轉(zhuǎn)移到偶氮還原酶上，從而促進(jìn)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(shí)，Azo的脫色速率比糖酵解的末端產(chǎn)物(乙醇、乙酸、甲酸和氫氣)作為電子供體時(shí)更高。

2.2 硝基類(lèi)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(tuán)(-NO2)處于氧化態(tài)，通常采用厭氧-好氧組合處理工藝[12-13]實(shí)現(xiàn)其去除。在厭氧條件下，NACs 較易利用有機(jī)或無(wú)機(jī)電子供體為共基質(zhì)，還原轉(zhuǎn)化為毒性較低、且易于氧化降解的芳香胺類(lèi)物質(zhì)。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(duì)難降解的五氯硝基苯(PCNB)，Okutman Tas 等利用葡萄糖和蛋白質(zhì)(酵母抽提物)、有機(jī)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(jiǎn)單的VFA，占據(jù)了厭氧發(fā)酵終產(chǎn)物中的大部分含量，對(duì)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(jìn)NACs 的還原，乙酸的電子利用率可達(dá)90%以上，并能夠誘導(dǎo)出硝基還原酶。

2.3 Cr(VI)

鉻(Cr)被認(rèn)為是毒性最強(qiáng)的十六種重金屬之一。Cr(VI)在處理過(guò)程中一般需要先通過(guò)生物還原(以有機(jī)碳源為電子供體)或化學(xué)還原(以Fe2+或硫化物等還原劑為電子供體)等方法轉(zhuǎn)化為毒性較小的Cr(III)，然后再通過(guò)化學(xué)沉淀等方法進(jìn)行去除。其中，Cr(VI)的還原是上述生物/化學(xué)過(guò)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(shí)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(chǎn)物)基質(zhì)生物膜反應(yīng)器去除地下水中的Cr(VI)，研究結(jié)果表明，氫自養(yǎng)還原菌利用氫氣作為電子供體，進(jìn)行自養(yǎng)還原反應(yīng)，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(píng)果酸和葡萄糖對(duì)銅綠假單胞菌還原Cr(Ⅵ)效果的影響，結(jié)果表明，葡萄糖和蘋(píng)果酸均能促進(jìn)菌株對(duì)Cr(Ⅵ)的還原，蘋(píng)果酸的促進(jìn)作用比葡萄糖更加顯著。

2.4 硫酸鹽

2.5 有機(jī)廢物發(fā)酵促進(jìn)氧化態(tài)污染物去除過(guò)程解析

綜上所述，氧化態(tài)污染物還原去除過(guò)程受電子供體影響顯著。有機(jī)廢物發(fā)酵過(guò)程會(huì)產(chǎn)生大量高效的電子供體，進(jìn)而促進(jìn)氧化態(tài)污染物還原去除。過(guò)程機(jī)理如圖1所示。

圖1 有機(jī)廢物發(fā)酵促進(jìn)氧化態(tài)污染物還原過(guò)程機(jī)理

3 結(jié)語(yǔ)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(zhì)以及有機(jī)污水發(fā)酵產(chǎn)生的糖類(lèi)、VFAs和H2等物質(zhì)，可以作為電子供體促進(jìn)氧化態(tài)污染物的還原去除，實(shí)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(xiàn)格式：王燕婷，黃進(jìn)剛，鄭家亮，等.有機(jī)廢物發(fā)酵強(qiáng)化氧化態(tài)污染物去除研究進(jìn)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(xué)生新苗人才計(jì)劃項(xiàng)目(2016R407039)，杭州電子科技大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃立項(xiàng)(XJ201507)，浙江省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2016C33013)

王燕婷(1996—)，女，杭州電子科技大學(xué)2014級(jí)環(huán)境工程專(zhuān)業(yè)本科生；通信作者：黃進(jìn)剛，博士，杭州電子科技大學(xué)副教授，研究方向?yàn)槲鬯幚砝碚撆c技術(shù)。

X703

A

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