废水生化处理中有机物的分析和转化

柳 莎 周慧芳 毛玉凤

(1. 成都理工大学， 成都 610059； 2. 广东石油化工学院， 广东 茂名 525000)

废水生化处理中有机物的分析和转化

柳 莎1，2周慧芳1，2毛玉凤2

(1. 成都理工大学， 成都 610059； 2. 广东石油化工学院， 广东 茂名 525000)

有机物的种类、含量、物化特性、分子量等性质直接影响废水处理工艺的处理效果。本文综述了近年来废水生化处理中有机物的分析方法及废水生化处理过程中有机物的转化规律。

废水；生化处理；有机物；分析；转化

水污染是工业发展面临的普遍问题[1]。工业废水是指工业生产中排放的废水和废液，包括工业生产的原料、中间产物、副产品及生产过程中所产生的污染物，是造成水污染的重要因素。工业废水的来源广，成份复杂且性质多变，对它的处理方法主要有化学法、物理法、生化法[2]。其中，生化法是利用微生物的新陈代谢功能对污水中呈溶解或胶体状态的有机物进行降解，将其转化为微生物细胞成分和简单的无机物[3-4]。生化法因其处理成本低、运行可靠等优点，受到广泛的关注，但是该方法对有机物的去除效率较低，这成为制约其发展的关键因素，主要原因是废水中的有机物并非都能被生物降解，还包含一定量的难生物降解有机物。因此，分析测定废水中有机物的种类、含量和转化规律对改善生化法处理工业废水效果具有极其重要的意义。

1 有机物的分析方法

为了更好的研究有机物在水中的行为及其对水质、水处理工艺的影响，往往需要对有机物进行全面、深入的分析，而单一的分析方法往往不能满足要求。因此需要根据不同的研究重点，采用不同的分析方法对废水中的有机物进行分析，如分析有机物种类，常采用气相色谱-质谱联用技术(Gas Chromatography- Mass Spectrometry，GC-MS)和三维荧光光谱技术(3-dimentional excitation emission matrix fluorescence，3DEEM)，分析有机物亲/疏水性、酸/碱性，常采用离子交换树脂分离分析，而采用不同孔径的超滤膜过滤可分析出有机物各种分子量的分布情况。

1.1 基于GC-MS联用的分析

GC可对易挥发而不发生分解的有机化合物进行分析。MS通过测定离子的荷质比进行结构分析。GC分离效果高，定量分析简单，但是其鉴别能力差。MS灵敏度高，定性鉴别能力高，但对样品要求较高。GC-MS联用技术综合了色谱的高分离能力与质谱的强鉴定能力，GC首先对挥发性的物质进行分离、定量，再通过MS测定荷质比和强度来进行结构分析。GC-MS联用技术已成为分析复杂多组分微量有机化合物的高效分析手段之一。陈慧等[5]用GC-MS联用技术分析了焦化废水生化处理前后有机物的种类和含量的变化规律及特征有机污染物的去除率，发现焦化废水生化处理前共检出75个峰，而生化处理后只检出18个峰，生化出水中苯酚类及其衍生物、萘类化合物、噻吩类化合物未检出，而含氮杂环化合物如吡啶、咔唑、喹啉、吲哚类化合物在出水中的相对含量较高。曹臣等[6]对生化出水中贡献化学需氧量(COD)的溶解性组分进行GC-MS分析，比较生化处理前后有机物种类的变化，发现长链碳氢化合物的种类增加了12种，芳香烃、长链碳氢化合物、苯系物、多环芳烃及杂环类化合物是生化出水中主要溶解性有机物。

1.2 基于三维荧光光谱的分析

3DEEM能给出激发波长(λex)和发射波长(λem)同时变化的荧光强度信息，某些有机物在紫外或可见光的激发下会产生荧光发射，通过测定水样的荧光范围和荧光强度，可定性和半定量的表征废水中共轭体系有机物的组成[7]。吴静等[8]以三维荧光光谱技术分析某石化废水，谱图中出现近10个荧光峰，分别为石油类、苯类等有机物。有机物在生化处理过程中会产生蛋白、辅酶、色素以及腐殖酸等多种化合物，它们在紫外或可见光的激发下，会产生特征的荧光发射，在三维荧光光谱图上有特征位置[9]，并且其种类和浓度与微生物处理进程、反应器运行状态有着密切联系[10]。李卫华等[11]建立了荧光物质浓度变化与水力停留时间、底物浓度和温度之间的变化关系，明确了其中的生物反应进程，从而实现了对生化处理反应器的实时调控。

1.3 基于离子交换柱的分析

废水生化处理常常会产生可生物降解性低，且呈稳定状态的溶解性有机物(Dissolved organic carbon, DOM)，它的亲/疏水性和酸/碱性会影响其废水的处理效果，因此用树脂可将不同特性的有机物分离[12]。龚剑丽等[13]采用含有丙烯酸酯的非极性离子交换树脂XAD-8和强碱性阴离子交换树脂HZ-201将某城市污水二级生化出水的DOM分成疏水酸、疏水中性物、疏水碱、亲水酸、亲水中性物和亲水碱，并得到各类有机物的含量。李欣珏等[14-15]采用XAD-8树脂与非极性大孔聚苯乙烯吸附树脂XAD-4将印染废水生化出水中的DOM分四类：疏水酸、非酸疏水物质、非酸亲水物质和亲水酸。由于生化出水中亲水性有机物在可生物降解溶解性有机物(BDOC)、可生物同化有机碳(AOC)等中占据绝大部分, 因此研究废水中有机物的物化特性对生化处理的工艺具有指导意义。

1.4 基于超滤膜的分析

水中有机物分子量的分布对工艺优化和进一步阐明有机物的去除机理具有十分重要的作用，因此它受到了广泛的重视[16]。污水中分子量分布的测定多采用滤膜过滤法[17]，根据分子量的不同对有机物进行分类，既可以避免综合性表征不够清晰，其测试过程也不会过于繁琐[17]。龚剑丽等[18]采用超滤膜分级方法将某城市生活污水厂二级生化出水中有机物的分子量分为<1 000D，1 000 ～3 000 D，3 000 ～10 000 D，>10 000 D，发现分子量大于10 000 D的有机物最多，并得到有机物的分子量分布情况。

2 不同生化处理过程有机物的转化

废水中的有机物能作为微生物的营养物质而被代谢、利用和转化。根据微生物生长环境对氧含量的需求，将其分为厌氧微生物和好氧微生物，利用这两种微生物来处理废水的工艺就是厌氧生物处理和好氧生物处理。

2.1 厌氧生物处理

废水的厌氧生物处理是指在没有游离氧存在的条件下，兼性细菌与厌氧细菌降解有机物的生物处理方法。整个厌氧过程主要由水解产酸菌完成[19]。厌氧水解就是改变有机物的结构，使某些难生物降解的有机物转化成可生物降解的有机物，从而改善废水的可生化性，为后续生物处理创造条件[20]。如将不溶性有机物转化为溶解性有机物，大分子物质转化为小分子物质，复杂有机物降解为以醋酸、丙酸和丁酸为主的脂肪酸。刘志[21]等采用厌氧水解对难降解的富马酸废水进行处理，发现通过厌氧生物处理后其可生化性显著提高。李咏梅等[22]发现焦化废水通过厌氧处理，一些复杂的有机化合物如2,3-二氢苯并呋喃、5-苯基-邻-甲氧基苯胺等转化成一些中间产物如丙烯酸、甲基苯胺、硝基苯酚、羧酸酯等。

2.2 好氧生物处理

废水的好氧处理是指在提供游离氧的前提下，好氧菌和兼性好氧菌降解有机物的生物处理方法。何苗等[23-24]研究了废水中有机物的好氧生物降解速率常数，发现有机物的转化与其化学结构紧密相关，如芳香族化合物在好氧处理中先发生芳环羟基化，转化成邻苯二酚，再进一步开环转化为琥珀酸和丙酮酸，最后分解成二氧化碳和水。而苯及苯属芳香烃化合物则转化为邻苯二酚、β-酮已二酸、丙酮酸，最后分解成二氧化碳和水。多环芳烃转换为邻苯二甲酸酯，喹啉类转化为吡啶二羧酸和硝基苯二羧酸。Zhang[25]等发现酚类物质主要在好氧处理中去除，这是因为酚类化合物在好氧条件下能转化为邻苯二酚，最终得到去除。

3 结束语

生化法处理废水的工艺已经比较成熟，但对生化处理过程中有机物的种类、含量、物化特性、分子量分布和转化与废水处理效果之间的关系还有待进一步研究。采用多种分析手段对废水生化处理中有机物进行分析，研究其转化规律，了解有机物在生化处理过程中的降解和转化情况，有利于生化处理工艺的选择、优化，对废水深度处理以提高出水水质，降低有机物危害具有极其重要的意义。

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Review on analysis and transformation of organic matter in wastewater biochemical treatment

Liu Sha1, 2, Zhou Huifang1,2, Mao Yufeng2

(1. Chengdu university of technology, Chengdu 610059; 2. Guangdong University of Petrochemical Technology, Maoming 525000, China)

The type, content, physical and chemical properties, molecular weight of organic matter in wastewater directly impacted the treatment effect. This paper reviewed the determination and transformation of organic matter during biochemical treatments.

waste water; biochemical treatment; organic matter; analysis; transformation

2014-07-22；2014-08-27修回

柳莎，女，1990年生，硕士研究生,研究方向:环境分析化学。E-mail:liu90sha@126.com

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