宋津英

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引言

隨著工業(yè)化進(jìn)程的不斷加快，大量含有有機(jī)物、重金屬等有害物質(zhì)的工業(yè)廢水被排放到自然界之中，給環(huán)境帶來了嚴(yán)重的污染。因此，如何高效地處理工業(yè)廢水已成為當(dāng)前環(huán)保領(lǐng)域亟待解決的問題之一。其中，電子廢水因其成分復(fù)雜且難以降解而備受關(guān)注。本研究旨在探究一種新型碳源，即污泥發(fā)酵液（指通過微生物代謝活動所產(chǎn)生的富含蛋白質(zhì)、糖類、脂肪酸等營養(yǎng)物質(zhì)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(jī)制及對環(huán)境污染的影響，以期為實現(xiàn)清潔生產(chǎn)提供理論依據(jù)與技術(shù)支持。

1 碳源在電子廢水處理中的機(jī)理研究

1.1 生物降解過程

CODcr是衡量水體中有機(jī)污染物含量的重要指標(biāo)之一，主要反映水中有機(jī)物質(zhì)被微生物分解所消耗掉的溶解氧量，其值愈大表示有機(jī)物濃度愈高。一般情況下，當(dāng)CODcr=50mg/L 時屬于劣V 類水質(zhì)；當(dāng)CODcr=100 ～400mg/L 時為Ⅴ類或劣Ⅴ類水質(zhì)；當(dāng)CODcr＞400mg/L 時則屬于Ⅲ類或Ⅳ類水質(zhì)。因此，準(zhǔn)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(shù)，主要通過微生物代謝作用去除水中有機(jī)物。在實際應(yīng)用過程中，需要將一定量的碳作為外加碳源加入到反應(yīng)器中，以促進(jìn)微生物降解污染物質(zhì)。同時，還可以利用超聲波、紫外線等物理手段來提高反應(yīng)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(jīng)逐漸被其他更為高效且經(jīng)濟(jì)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(zhì)表面的微生物群體來分解水中有機(jī)物。與傳統(tǒng)的活性污泥法相比，生物膜法具有更好的抗沖擊負(fù)荷能力以及更高的COD 去除率。此外，生物膜法還可以實現(xiàn)同步脫氮除磷，從而達(dá)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(huán)境影響等缺點，限制了其實際應(yīng)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(jìn)行合理的碳源種類選擇。當(dāng)COD 濃度較高時，應(yīng)優(yōu)先選用可生物降解性好、易于被微生物利用的有機(jī)物作為碳源；B/C 比值通常認(rèn)為在0.6～0.8 時較為適宜，此時系統(tǒng)的穩(wěn)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(yīng)速率。因此，一般從有機(jī)物濃度、水質(zhì)特點、運行成本等因素考慮碳源種類。首先，當(dāng)進(jìn)水中有機(jī)物濃度較高時，應(yīng)優(yōu)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(zhì)。其次，如果原水中含有大量難以被微生物直接利用的無機(jī)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(guān)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(jìn)行靜態(tài)試驗，并將其投加到缺氧池內(nèi)。通過對比分析發(fā)現(xiàn)，使用乳糖作為碳源時，系統(tǒng)COD 去除率最高可達(dá)65%左右；采用葡萄糖或蔗糖作為碳源時，系統(tǒng)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(jié)構(gòu)上存在較多的羥基(-OH)官能團(tuán)，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(xiàn)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(jié)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(dāng)pH 達(dá)到8 后，繼續(xù)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(yīng)用中將進(jìn)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(dāng)葡萄糖投加量達(dá)到一定值時，COD 去除率達(dá)到最大，繼續(xù)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(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)部營養(yǎng)物質(zhì)過剩，抑制微生物活性，使得有機(jī)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(fā)現(xiàn)不同pH下COD去除率也存在差異，在酸性環(huán)境（pH=5）時COD 去除率為70%左右，中性和堿性環(huán)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(chǎn)生不良影響。

3 碳源在環(huán)境保護(hù)中的意義

3.1 減少電子廢水對環(huán)境的污染

據(jù)統(tǒng)計，目前我國每年產(chǎn)生的電子垃圾高達(dá)數(shù)千萬噸，且以每天數(shù)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(yán)重危害水體生態(tài)平衡并導(dǎo)致水質(zhì)惡化，進(jìn)而影響人類健康。因此，加強(qiáng)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(jī)化合物，傳統(tǒng)單一的生物法或物理化學(xué)方法往往無法達(dá)到理想效果。近年來，人們開始嘗試?yán)眯滦筒牧献鳛槲絼┤コ龔U水中有害物質(zhì)。如，石墨烯具有高比表面積、良好的導(dǎo)電性以及獨特的結(jié)構(gòu)特性，被廣泛應(yīng)用于環(huán)境污染控制領(lǐng)域[4]。同時，一些學(xué)者還發(fā)現(xiàn)，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(shù)相結(jié)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(xiàn)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?？傊?，針對電子廢水的特殊性質(zhì)，采用多種技術(shù)手段進(jìn)行綜合治理才能夠從根本上解決其對環(huán)境造成的不良影響。

3.2 節(jié)約能源和資源

3.2.1 減少了曝氣能耗

傳統(tǒng)好氧活性污泥法需要大量曝氣供微生物降解有機(jī)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(jī)物質(zhì)量濃度又很大，因此仍需消耗一定數(shù)量的氧氣進(jìn)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(tǒng)內(nèi)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(yīng)器利用效率

當(dāng)進(jìn)水中有機(jī)負(fù)荷過高時，部分有機(jī)物無法被完全氧化分解，導(dǎo)致出水COD 值偏高。此時若停止向反應(yīng)器內(nèi)投加碳源或調(diào)整進(jìn)水流量，會導(dǎo)致出水水質(zhì)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(chǎn)物，也是一種優(yōu)質(zhì)碳源，它進(jìn)入細(xì)胞后首先用于合成新的細(xì)胞質(zhì)，并提供足夠的能量支持后續(xù)生化反應(yīng)的正常進(jìn)行。此外，乙酸鈉分子結(jié)構(gòu)簡單，易被生物降解吸收，不會產(chǎn)生抑制作用，保證了系統(tǒng)穩(wěn)定性。

3.2.3 實現(xiàn)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(jīng)濟(jì)效益。但目前國內(nèi)大多數(shù)企業(yè)缺乏相關(guān)技術(shù)和設(shè)備，難以直接回收利用。而通過本實驗所得數(shù)據(jù)及分析可知，乙酸鈉可用于制備電催化劑、電池材料等產(chǎn)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(huán)保治理工作相結(jié)合，促進(jìn)資源優(yōu)化配置和產(chǎn)業(yè)升級轉(zhuǎn)型[5]。

3.2.4 減輕污水廠負(fù)擔(dān)

傳統(tǒng)好氧活性污泥法通常需要設(shè)置沉淀池、過濾池等多個構(gòu)筑物，占地面積較大。而采用厭氧/缺氧/好氧工藝后，僅需設(shè)置一個污泥回流裝置即可完成全部操作流程，大幅節(jié)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(yuǎn)低于傳統(tǒng)好氧活性污泥法的處理費用。

3.2.5 改善環(huán)境質(zhì)量

經(jīng)過長期監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，使用乙酸鈉作為碳源的SBR 反應(yīng)器出水水質(zhì)優(yōu)于國家排放標(biāo)準(zhǔn)，說明該工藝可以有效地去除水中有機(jī)污染物，達(dá)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(jī)物，使用后經(jīng)適當(dāng)處置可以回歸到自然界中，不會對生態(tài)環(huán)境造成不良影響。

4 碳源在電子廢水處理中的應(yīng)用前景

4.1 生物處理技術(shù)的發(fā)展趨勢

隨著人們環(huán)保意識的不斷增強(qiáng)和國家政策的支持，越來越多的企業(yè)開始關(guān)注并采用“零排放”工藝。這種工藝不僅可以實現(xiàn)水污染物的治理，同時還能夠回收利用水資源，達(dá)到經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境效益雙贏的目的。因此，開發(fā)一種高效節(jié)能、操作簡便且穩(wěn)定可靠的新型污水處理系統(tǒng)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(shù)備受矚目，其基本原理是通過將有機(jī)物質(zhì)直接轉(zhuǎn)化成電能，從而實現(xiàn)能源的自給自足。該技術(shù)具有啟動速度快、無二次污染等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于生活污水、食品加工業(yè)以及造紙廠等領(lǐng)域，但由于其尚處于實驗室階段，仍需進(jìn)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(dǎo)體材料吸收光子能量產(chǎn)生活性物種，進(jìn)而分解水中有機(jī)物。相比傳統(tǒng)的化學(xué)氧化劑，該方法具有反應(yīng)速率高、適用范圍廣等特點。然而，該技術(shù)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(yōu)化等[6]。

綜上所述，未來的研究方向應(yīng)當(dāng)集中于提高微生物燃料電池的效率、改進(jìn)光催化氧化技術(shù)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(wù)于人類社會的可持續(xù)發(fā)展。

4.2 新型碳源的開發(fā)和利用

4.2.1 糖類物質(zhì)

由于糖類物質(zhì)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(yīng)用到電子廢水處理過程中。實驗結(jié)果表明，當(dāng)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(dá)80%以上；而當(dāng)使用蔗糖等其他低聚糖作為碳源時，則只能夠達(dá)到60%左右的去除效果。說明，糖類物質(zhì)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(zhì)

與糖類物質(zhì)類似，淀粉也是一種常見的生物質(zhì)資源之一，同時也具備一定的可降解性能。實驗結(jié)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(jìn)行試驗，經(jīng)過3 次循環(huán)后，其COD 去除率已經(jīng)穩(wěn)定在70%～80%之間。此外，還發(fā)現(xiàn)在不同pH 下，淀粉的降解速度存在差異，其中酸性環(huán)境更有利于淀粉的降解。

4.2.3 蛋白質(zhì)類物質(zhì)

除了糖類、淀粉類物質(zhì)之外，蛋白質(zhì)也被證明是一種非常優(yōu)秀的碳源材料。實驗結(jié)果表明，采用酵母菌發(fā)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?qū)崿F(xiàn)高效地去除COD，同時還不會產(chǎn)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(yǎng)元素的有機(jī)化合物，所以能夠滿足微生物生長所需，從而促進(jìn)其代謝活性。

結(jié)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(jié)果表明，當(dāng)C/N 比約為5 時，系統(tǒng)具有最佳的脫氮效率；同時發(fā)現(xiàn)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(jìn)一步促進(jìn)反硝化作用的進(jìn)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(guī)律，并提出了相應(yīng)的動力學(xué)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(jī)物降解機(jī)制的認(rèn)識，也可為實際工程應(yīng)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(xì)討論，這也將成為今后繼續(xù)探索的方向之一。