呂宣惠

(江蘇大眾水務集團有限公司，江蘇 徐州 221111)

碳源是一切生物增殖和進化的物質基礎和能量庫，是組織細胞中非常重要的物質組成部分，生物從自然界獲取碳源的同時，促進了碳素的循環(huán)，推動了碳素的利用[1]。自然過程和人類活動過程都會消耗碳源，同時由于工藝方法、設備故障、生化反應等過程使碳源進入環(huán)境介質中，碳源超過自然環(huán)境自我凈化能力，成為傳統(tǒng)意義上的“污染物”，則會引起自然環(huán)境污染和生態(tài)系統(tǒng)退化[2]。特別是近500年來，“工業(yè)革命”、“科技革命”等對人類文明發(fā)展具有十分重要的價值，人類排入環(huán)境的碳源量數量驚人，其中包括自然碳源物質和人造碳源物質，造成了碳源的極大污染，并引起了一系列的惡劣連鎖反應，如：物種多樣性減少、自然資源枯竭、人類疾病發(fā)病率逐年提高[3]。隨著思維意識上的進步，人類逐漸回歸理性，開始全面的、系統(tǒng)的、有效的進行污染物控制和修復?！吧仙迫羲f物而不爭”寓意著所有的污染物終將通過沉降、淋洗、徑流等途徑進入水體中，污水處理技術是人類永恒的污染治理開發(fā)的領域。

世界上第一座好氧活性污泥法城市污水處理廠在美國誕生，利用微生物的新陳代謝作用使有機物轉化為二氧化碳等低分子有機物從水體中逸出，后來生物膜法工藝同樣利用微生物的新陳代謝作用實現有機物的去除，使有機物從水體中溢出而得到削減，該工藝仍然是全世界最常見、最成熟的污水處理方法之一[4-5]。為了實現污水中溶解氧的輸入，污水處理廠建立能耗巨大的風機房及其配套的曝氣系統(tǒng)，同時還會產生巨大的噪聲。污水中有機物濃度越高、污水量越大，需要消耗的空氣量越大，能耗、占地和噪聲就越大。雖然消除了污水中的有機污染物，但是增加了能量消耗、占用大量耕地，并產生大量的溫室氣體，以能耗能，治污能源消耗和有機能源浪費雙重困境困擾著污水生物處理過程[6]。

隨著微生物特性研究不斷深入和人類對能源爭奪越來越激烈，人類開始意識到可以通過厭氧方式實現污水中有機物的去除和轉化，并進行了大量的試驗研究和實踐，證明了在厭氧條件下，厭氧微生物群體能實現有機物的去除，在節(jié)省大量的鼓風曝氣的基礎上，并獲得人類潔凈能源-沼氣，開創(chuàng)了人類對污水中有機物節(jié)能降耗和資源化利用的新時代。

1 污水中有機物能源化研究現狀

隨著人類思維意識的轉變，有機物從以前的“污染物”轉變?yōu)椤澳茉础薄ⅰ百Y源”，人類從厭氧生物處理降低曝氣能耗的同時，并從中獲得沼氣開始。人類對污水中有機物能源化進行大量的探索和研究[7]。

1.1 污水中有機物轉化為細胞蛋白

第二次世界大戰(zhàn)后期，德國因缺乏糧食供給而嘗試性將有機物、氮、磷等合成綠藻中的小球藻，因為小球藻富有十分豐富的營養(yǎng)元素被作為糧食的補充。

因為水體的富營養(yǎng)化問題較為嚴重，20世紀70-80年代業(yè)內人士又重新提及利用污水作為營養(yǎng)基質，培養(yǎng)細菌、酵母菌、霉菌、微藻、光合細菌等合成細胞蛋白，將合成后的細胞蛋白通過沉淀作用和過濾作用等從污水中分離出來，并通過純化分離作用得到目標細胞蛋白，其中包括熱帶假絲酵母、小球藻等[6,8]。在合成細胞蛋白的同時，污水中的污染物得到資源化利用，污水也到凈化。利用微生物的新陳代謝作用獲得細胞蛋白，方法簡單、成本低廉、資源化特點顯著，是一種良好的污染物資源化途徑。但是目前對細胞蛋白的毒理性和安全性等研究開展尚不充分，該方面的工作進展相對較為緩慢[9]。

利用植物生長過程中對營養(yǎng)物的吸收和轉化，且該過程容易實現，是目前開展較為廣泛的領域，如：利用有機污水對農作物(水稻、蔬菜等)進行灌溉或養(yǎng)魚，植物根系或魚類對污水中的污染物進行吸收和降解，同時，農作物或果實得到生長。常見工藝包括：用于污水處理的土壤快濾系統(tǒng)、土壤慢濾系統(tǒng)、稻魚共生系統(tǒng)等等[10-13]。

1.2 污水中有機物轉化為微生物生長碳源

微生物細胞質中含有的多種內含物(PHA、PHB、淀粉粒等)和胞外物中的莢膜等都由污水中有機物轉化而成，是微生物自然行為，待污水生化系統(tǒng)中有機物缺乏時(如：微生物內源呼吸期)，它們又重新分解作為微生物生長碳源[14-15]。

隨著人們對污水除磷脫氮機理的掌握，均發(fā)現好氧吸磷和缺氧脫氮過程中均需要碳源，污水處理廠往往向其中補充投放大量的液體碳源，既浪費資源，又存在過量風險。目前利用污水中有的污染物作為脫氮除磷碳源，既去除了氮磷，又去除了有機物。如：倒置A2/O除磷脫氮工藝[16-17]。為了提高微生物對有機碳源的利用效果，人類根據微生物合成PHA、PHB等過程，人工合成了可生物降解高聚物(PLA、PCL、PBS等)，在污水的固相反硝化過程中得到充分利用[18-20]。

近些年來，生物制氫和微生物燃料電池等技術成為研究的熱點，均是利用污水中的有機物轉化過程中的生化反應實現的，將污水中的有機物轉化為目標產物(氫氣和電能)，實現污水中有機碳源的資源化利用[21-22]。

1.3 天然高分子有機物在污染物凈化中的資源化利用

1.3.1 污水除磷脫氮過程中的資源化利用

由于飲食和營養(yǎng)結構的變化以及污水處理技術的發(fā)展，污水處理廠從以COD和BOD去除為主要目標，轉變?yōu)橐钥偟偭兹コ秊橹饕蝿?，污水中除磷脫氮所需要的碳源嚴重不足且難以利用[23-24]。污水每去除1 g NO3--N需要2.86 g當量的BOD，目前我國污水水質無法滿足以上碳源的需要[25]。為了達到良好的除磷脫氮目的，往往需要在污水處理系統(tǒng)缺氧脫氮單元中增加一定量的低分子有機物(如：醋酸鈉、醋酸、葡萄糖、甲醇等)作為電子供體和碳源，以強化除磷脫氮過程中順利進行，但是其存在控制過程復雜、有超量或計量不足問題，而且也大大提高了污水脫氮除磷的成本。根據固相反硝化原理，業(yè)內人士開始采用天然纖維素物質(如：農業(yè)廢棄物)作為生物反硝化碳源，既實現了污水的除磷脫氮過程，也使固體廢棄物或污水中有機物得到資源化利用[26-27]，值得注意的是：異養(yǎng)反硝化過程所需要的有機物是易生物降解有機物，天然纖維素物質可生化性特點和如何提高其可生化性效果是值得研究的課題之一。

1.3.2 低分子有機物在污水凈化中的作用特點

污水的人工濕地技術、污水的土地處理技術和組合式生態(tài)浮床修復技術均是利用基質內植物根系周圍的厭氧、缺氧和好氧條件實現微生物群落的自然優(yōu)化布局，實現污水的自然生態(tài)凈化，是目前應用很廣泛的技術之一[6]。周所周知，水生植物的作用不僅僅是吸收同化作用，其潛在作用是：水生植物根系在生長過程中向基質中釋放出氧氣和大量的種類不一的有機酸，從而激發(fā)根系周邊微生物的增殖和生態(tài)優(yōu)化配置，達到凈化污水中各類污染物的目的。而且隨著時間的增長，植物根系釋放出來的有機物種類和濃度越多，污水凈化效果也越好[28]。

當然水生植物在生長過程中需要各種微量元素以滿足其生長需要，在污水處理過程中往往會缺乏各類營養(yǎng)元素，污水生態(tài)處理過程中的水生植物往往容易出現“缺素”現象，反過來又影響污水處理效果。如何提高水生植物生長效果是污水生態(tài)處理過程中急需解決的難題[29-30]。

2 存在問題

2.1 物化技術潛伏著新型污染物

為了實現有機物的高效去除，業(yè)內人士開發(fā)了多種化學法、物理法和物化法，如：化學催化氧化法、吸附法、混凝法、射線誘變法等，這些物化技術具有速度快、凈化效果好和無選擇性等特點，被業(yè)內人士廣泛采用[31-34]。

化學催化劑具有加快化學反應，強化有機物去除和礦化作用，人工合成高分子物質大量進入環(huán)境介質，因不容易降解而在環(huán)境介質中長期存在，往往需要采用催化氧化技術進行分解[31]。但是當催化反應結束后，化學催化劑則成為廢棄物，催化劑本身具有化學毒性和難生物降解性，進入環(huán)境后會不會引起環(huán)境介質的污染是值得考慮的。

另外，化學吸附法技術具有吸附效果好、污染物去除快等優(yōu)點，然后吸附后形成的最終廢棄物又該如何處理處置呢？因為吸附飽和后的吸附劑成為一般廢物或危險廢物[32]?；炷齽┰诿撋徒档蜐岫确矫婢哂胁豢商娲男Ч?，在給水處理和工業(yè)污水處理過程中得到了較多的應用，然而混凝反應形成的化學污泥又該如何處理呢[33]？其中含有大量的污染物且本身就是高分子有機物，簡單的填埋是不是能達到相應的處理要求或不存在相應的風險呢？

2.2 新型污染物特性有待于深入研究

微塑料是塑料制品生產、使用和廢棄以及分解過程中形成的微粒。在水體、大氣、土壤和人類體內均發(fā)現有微塑料的存在。塑料制品自然降解過程十分緩慢，微塑料的降解和遷移途徑是目前急需降解的難題，成為近些年來研究的熱點課題之一[35]。

藥物和個人護理品在自然界中廣泛存在，很多成分被確認為致癌物、疑似致癌物或是內分泌干擾物，廣泛存在于各類環(huán)境介質中，給自然環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)以及人類健康造成了較大的影響，近些年來得到了廣泛研究。但是由于藥物和個人護理品種類繁多，而且進入環(huán)境介質后發(fā)生遷移、轉化，使其控制和去除變得十分困難[36]。

3 結論

由于近代我國科技發(fā)展主要向西方發(fā)達國家學習開始的，很多科技研究的思路、方法和措施都是從國外人的思維，都是局部控制思維，類似于西醫(yī)理論中的“頭痛醫(yī)頭腳痛醫(yī)腳”的做法，污染物治理研究沒有跳出思維的框架。我國是四大文明古國，我們業(yè)內人士應該從“中醫(yī)理論”中的治本調理方法和“道家思想”中的天人合一的方法。碳源是寶貴的自然資源，對于容易利用的有機污染物控制和處理應該從資源化角度進行利用，充分利用生態(tài)環(huán)境條件實現污染物治理。如：減少土地硬化面積、恢復生態(tài)系統(tǒng)自凈能力、強化植物和微生物的凈化能力，在可能的情況下將污染物轉化為生物質能。對于難生物降解有機物控制則要求在盡量減少的基礎上，充分利用自然生態(tài)條件實現去除，防止二次污染物的介入。如：可見光光催化氧化、高溫介質催化等技術。