有机废物发酵强化氧化态污染物去除研究进展

王燕婷，黄进刚，郑家亮，王 欢，赵鑫宇，余梦超

(杭州电子科技大学 材料与环境工程学院，浙江 杭州 310018)

有机废物发酵强化氧化态污染物去除研究进展

王燕婷，黄进刚*，郑家亮，王 欢，赵鑫宇，余梦超

(杭州电子科技大学 材料与环境工程学院，浙江 杭州 310018)

氧化态污染物是工业废水的主要污染物之一，具有一定的生态毒性，对水环境危害严重。氧化态污染物的还原是实现其高效去除的关键步骤之一，还原过程通常需消耗易生物利用碳源作为电子供体。本文总结了各种有机废物的发酵过程，分析了发酵产物对氧化态有机物还原去除的影响，阐明了有机废物与氧化态有机污染物同步高效去除的可行性。

有机废物；发酵；氧化态污染物；电子供体

1 有机废物发酵过程解析

1.1 剩余污泥

污泥厌氧发酵是一个很复杂的有机物转化过程，在无氧条件下污泥中的有机物能够转化为CH4以及CO2。污泥厌氧消化产甲烷的过程分为三个步骤：水解酸化、产氢产乙酸、以及产甲烷阶段，并且由四类微生物协同完成污泥厌氧消化的整个过程。其水解酸化过程能够产生乙酸、丙酸、丁酸等挥发性脂肪酸(VFAs)，在城镇污水处理过程中，它们是调节污水中碳氮比，进行低碳高氮污水脱氮除磷和工业废水中氧化态污染物高效去除的重要碳源[1]。前人研究表明，剩余污泥发酵既能实现污泥减量化，又能获得含高效电子供体VFAs的发酵液[3]，促进生物脱氮除磷，效果明显优于以乙酸作为碳源的去除效果[2]。

1.2 植物生物质

植物生物质作为固态碳源，在自然界广泛存在，并且存在处理难度大等问题。在厌氧条件下，植物生物质可水解为糖类，同时释放少量蛋白质和脂肪，水解产物继续被发酵产酸菌转化为VFAs后排至水溶液中。前人[3]研究木质纤维素的乙醇发酵技术，乙醇产率相当于理论值的45%。此外，Wu等[4]以及Brennan等[5-6]的研究均发现，玉米芯、木屑和废纸都可作为固态碳源进行生物质发酵，实现资源化利用，避免了燃烧处理所造成的二次污染。李倬[7]以牛粪堆肥、海带为产氢底物，进行厌氧发酵制氢，同时伴随着VFAs(乙酸、丙酸和丁酸)和醇(乙醇和丁醇)等副产物的产生。

1.3 有机污水

有机污水主要来源于食品、化工等行业产生的生产废水，具有碳水化合物、蛋白质等有机物含量高的特点。有机污水水解发酵可产生VFAs，可作为氧化态污染物还原去除的高效电子供体。何设光的研究表明[8]，有机污水中的复杂有机物经过厌氧发酵后可产生三类挥发性有机酸：乙酸、丙酸、丁酸。张瑛华[9]等人在有机污水中接种厌氧污泥进行发酵产酸研究，研究结果表明，乙酸为主要末端发酵产物，pH值=4.3时的产乙酸效果最佳。

2 氧化态污染物还原

2.1 偶氮化合物(Azo)

偶氮化合物含有一个或多个偶氮基团(-N=N-)，是合成染料中品种最多的一类，部分偶氮化合物具有"三致"作用(致癌、致畸、致突变)，会危害人畜健康。Azo的生物处理主要是通过厌氧脱色-好氧氧化组合工艺实现其最终去除[10]。Azo生物还原过程是在微生物偶氮还原酶的作用下分两步进行，每个步骤得到2个电子，使-N=N-断裂，最后还原为相应的胺基基团(-NH2)，随后胺基基团可在好氧条件下进行氧化降解。

研究表明，大量有机物发酵产物均可作为Azo还原过程所需的电子供体。虞磊[11]利用序批式厌氧污泥反应器(ASBR)对甲基橙染料进行了厌氧脱色还原研究，研究表明葡萄糖糖酵解过程中产生的NADH2可作为电子供体通过电子传递链转移到偶氮还原酶上，从而促进偶氮键的断裂。此外，丙酮酸等糖酵解中间底物作为电子供体时，Azo的脱色速率比糖酵解的末端产物(乙醇、乙酸、甲酸和氢气)作为电子供体时更高。

2.2 硝基类化合物(NACs)

NACs是医药、染料、香料、炸药等工业的化工原料，含有的硝基基团(-NO2)处于氧化态，通常采用厌氧-好氧组合处理工艺[12-13]实现其去除。在厌氧条件下，NACs 较易利用有机或无机电子供体为共基质，还原转化为毒性较低、且易于氧化降解的芳香胺类物质。NACs在厌氧段的还原是其在组合工艺中高效去除的限速步骤[14]。

针对难降解的五氯硝基苯(PCNB)，Okutman Tas 等利用葡萄糖和蛋白质(酵母抽提物)、有机酸、甲醇、H2等为电子供体和碳源，均取得了较好的还原效果[15-17]。乙酸作为最简单的VFA，占据了厌氧发酵终产物中的大部分含量，对NACs 的生物还原具有重要影响。研究[18-19]表明，在厌氧滤池和受NACs 污染的蓄水层中投加乙酸均能在一定程度上促进NACs 的还原，乙酸的电子利用率可达90%以上，并能够诱导出硝基还原酶。

2.3 Cr(VI)

铬(Cr)被认为是毒性最强的十六种重金属之一。Cr(VI)在处理过程中一般需要先通过生物还原(以有机碳源为电子供体)或化学还原(以Fe2+或硫化物等还原剂为电子供体)等方法转化为毒性较小的Cr(III)，然后再通过化学沉淀等方法进行去除。其中，Cr(VI)的还原是上述生物/化学过程的限速步骤。周本军[20]等人采用富集培养法，从河流污泥中分离筛选得到能同时降解苯酚和还原Cr(VI)的菌株JF122。研究发现，苯酚的降解和Cr(VI)的还原具有一致性，即菌株JF122能以苯酚作为唯一碳源和能源，将Cr(VI)还原为Cr(III)。夏四清等人[21]采用氢能(发酵产物)基质生物膜反应器去除地下水中的Cr(VI)，研究结果表明，氢自养还原菌利用氢气作为电子供体，进行自养还原反应，能使水中Cr(VI)高效还原为Cr(Ⅲ)，形成沉淀而去除。徐卫华[22]等人研究了苹果酸和葡萄糖对铜绿假单胞菌还原Cr(Ⅵ)效果的影响，结果表明，葡萄糖和苹果酸均能促进菌株对Cr(Ⅵ)的还原，苹果酸的促进作用比葡萄糖更加显著。

2.4 硫酸盐

2.5 有机废物发酵促进氧化态污染物去除过程解析

综上所述，氧化态污染物还原去除过程受电子供体影响显著。有机废物发酵过程会产生大量高效的电子供体，进而促进氧化态污染物还原去除。过程机理如图1所示。

图1 有机废物发酵促进氧化态污染物还原过程机理

3 结语与展望

氧化态污染物是工业废水的主要污染物之一，目前研究表明剩余污泥、植物生物质以及有机污水发酵产生的糖类、VFAs和H2等物质，可以作为电子供体促进氧化态污染物的还原去除，实现“以废治废”，是氧化态污染物高效去除的有效方式。

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(本文文献格式：王燕婷，黄进刚，郑家亮，等.有机废物发酵强化氧化态污染物去除研究进展[J].山东化工，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

浙江省大学生新苗人才计划项目(2016R407039)，杭州电子科技大学大学生创新创业训练计划立项(XJ201507)，浙江省科技计划项目(2016C33013)

王燕婷(1996—)，女，杭州电子科技大学2014级环境工程专业本科生；通信作者：黄进刚，博士，杭州电子科技大学副教授，研究方向为污水处理理论与技术。

X703

A

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