納米材料對廢水產(chǎn)氫的影響研究進展

曹娟娟，趙沛，張琴，張永貴，許思遠

(安徽工程大學 生物與食品工程學院，安徽 蕪湖 241000)

隨著工業(yè)化的迅速發(fā)展，自然資源被不斷挖掘利用，地球上的水資源污染日益加重，給環(huán)境帶來了很大的負面影響。面對日益嚴峻的水資源問題，我國水資源污染防治迫在眉睫。據(jù)文獻報道，物理法、化學法和生物法等多種技術(shù)均可用在水環(huán)境處理領(lǐng)域。生物法利用微生物的新陳代謝功能，將廢水中呈溶解或膠體狀態(tài)的有機物分解氧化為穩(wěn)定的無機物質(zhì)，使廢水得到凈化，已成為主流的廢水處理方式。暗發(fā)酵產(chǎn)氫微生物可以廢水作為養(yǎng)料，通過生物轉(zhuǎn)化過程降低廢水有機負荷并耦合氫氣的產(chǎn)生，這一過程不需要太陽光就可以達到處理廢水和產(chǎn)氫的雙重目的。

納米材料具有高比表面積、良好吸附性能和良好的生物相容性，廣泛應(yīng)用于廢水處理，不僅能夠有效吸附廢水中的污染物，還可促進氫化酶的電子轉(zhuǎn)移速率，在廢水產(chǎn)氫過程中提高產(chǎn)氫菌的活性，促進底物的生物轉(zhuǎn)化。本文基于國內(nèi)外學者在廢水生物制氫及其納米材料添加促產(chǎn)氫的應(yīng)用成果，對廢水生物制氫的必要性、影響因素及納米材料添加促進廢水產(chǎn)氫的應(yīng)用現(xiàn)狀、作用機理等進行了分析和總結(jié)，為納米材料添加強化廢水生物制氫的研究提供了可行性理論基礎(chǔ)。

1 廢水產(chǎn)氫研究進展

1.1 廢水的來源和成分

廢水主要包括工業(yè)廢水和生活廢水兩大類，其中工業(yè)廢水占60%以上，特別是高濃度有機廢水是我國目前水體的重要污染源[1]。廢水組成成分復雜，工業(yè)廢水常含重金屬[2]，如有機汞[3]、Pb2+和Cu2+等[4]，這些污染物可以通過食物鏈進入人體，在食物鏈中積累，導致慢性中毒。生活廢水含大量有機物，如纖維素、淀粉、糖類、脂肪和蛋白質(zhì)等，也常含無機鹽類的氯化物、硫酸鹽、磷酸鹽、碳酸氫鹽和鈉、鉀、鈣、鎂等，特別是含氮、硫和磷高，在厭氧細菌作用下易產(chǎn)惡臭物質(zhì)。

特定種類的廢水能否通過暗發(fā)酵有效產(chǎn)氫與廢水所含成分有關(guān)。在工業(yè)廢水中，乳品廢水含大量有機成分，其中碳水化合物、蛋白質(zhì)等可作為碳源，有利于微生物發(fā)酵產(chǎn)氫；餐廚廢水富含糖類物質(zhì)，具有較高的C/N；棕櫚油廠廢水(POME)由于其有機物含量高，被認為是產(chǎn)氫的可再生生物質(zhì)之一。廚余垃圾[5]、糖蜜廢水[6]、玉米淀粉廢水[7]、豆制品加工廢水等[8]均可提供有機碳源進行厭氧生物發(fā)酵，廢水富含碳和氮，是生物制氫的理想底物。

1.2 廢水的處理方式及其應(yīng)用于產(chǎn)氫的必要性

根據(jù)廢水的性質(zhì)，采用不同策略去除廢水中的污染物，如對于高鹽氨氮廢水，生物法在其運行投資費用和環(huán)保方面都優(yōu)于物理化學法[9]。在幾種生物法中，暗發(fā)酵制氫比其他生物制氫方法更實用，它可以處理各種各樣的廢水，更接近物盡其用的可持續(xù)發(fā)展目標。如在石化廢水的處理工藝中，生物處理技術(shù)能夠有效處理石化廢水中難以降解的成分，石化廢水COD濃度高、可生化性差，而厭氧處理的優(yōu)勢就在于它能夠處理較高濃度的有機廢水而不必稀釋濃度、降低廢水中的化學需氧量濃度、提高后續(xù)處理的可生化性[10]。由于化石燃料利用對環(huán)境帶來的影響和經(jīng)濟問題，人們對廢水處理的能源安全、環(huán)境影響和能源成本日益關(guān)注，使暗發(fā)酵制氫過程作為一種主要的可再生能源生產(chǎn)技術(shù)成為科學關(guān)注的重點，促使世界各地的研究者廣泛分析含碳水化合物的廢水發(fā)酵產(chǎn)氫的潛力。

1.3 廢水產(chǎn)氫的影響因素

在廢水暗發(fā)酵產(chǎn)氫過程中，產(chǎn)氫量可能受到多種因素的影響，包括微生物菌群、溫度、pH、底物復雜性、微量元素的有效性和納米材料添加等。廢水的成分不同，微生物分解有機物時，會引起代謝途徑的變化，因此必須考慮底物的復雜性。pH值會改變代謝途徑和功能，包括氫化酶的激活，以及酸性或醇類化合物穿透細胞壁引起微生物之間的動態(tài)變化[11]。堿度在制氫中也起著重要作用，添加一定濃度(1 325～2 232 mg/L)的CaCO3有利于提高暗發(fā)酵產(chǎn)氫量[12]。近年來，不少研究者制備了不同類型的納米材料，通過添加量和粒徑大小等參數(shù)的優(yōu)化有效調(diào)控廢水產(chǎn)氫過程，如在酒廠廢水中，F(xiàn)e2O3納米顆粒濃度為50 mg/L時，累積產(chǎn)氫量達到最大值(380 mL)[13]。同樣是在酒廠廢水中，最佳粒徑為33 nm的Fe2O3納米顆粒濃度為200 mg/L時，最高產(chǎn)氫量為7.85 mmol H2/g COD[14]。有研究表明，納米粒子的添加量和粒徑大小是影響氫氣產(chǎn)量的重要因素，且其在實驗中沒有被微生物消耗，可作為系統(tǒng)的增強劑來促進發(fā)酵系統(tǒng)產(chǎn)氫[15]。因此，納米材料的添加是影響廢水產(chǎn)氫的重要因素之一。

2 納米材料應(yīng)用于廢水產(chǎn)氫的研究進展

納米材料具有獨特的物理性質(zhì)和化學活性，如高比表面積和高催化活性等，其按化學性質(zhì)可分為：金屬納米材料如Au、Ag、Co等，具有激活氫代謝過程中的關(guān)鍵酶、有效降低氧化還原電位和創(chuàng)造有利于產(chǎn)氫微生物生長環(huán)境等特性，將其應(yīng)用于廢水產(chǎn)氫可實現(xiàn)氫產(chǎn)量的提升，目前常見的金屬納米材料Fe0和Ni0，可用作激活兩類氫化酶——[Fe-Fe]和[Fe-Ni]氫酶，在最佳添加濃度下Fe0和Ni0NPs可使產(chǎn)氫量提高20%以上[16]。金屬氧化物納米顆粒如ZnO、Fe3O4、NiO等亦有較多應(yīng)用，Mishra等[17 ]在棕櫚油廠廢水中添加NiO和CoO NPs，不僅可以提高產(chǎn)氫效率，還能提高COD的去除效率。此外，一些復合納米材料如NiCo2O4、NiFe2O4等在廢水產(chǎn)氫方面也有一定應(yīng)用，馬曉龍[18]制備了 CuFe2O4/Zn2Cr-LDH磁性納米復合材料，以電鍍廢水和酸洗廢液為原料，實現(xiàn)了廢水凈化和催化產(chǎn)氫的雙重目標，有利于廢水的高附加值利用。此外，碳納米材料亦可作為產(chǎn)氫促進劑，如王凱等[19]以碳納米管為前驅(qū)體材料，通過負載NiFe制備了NiFe/碳納米管，其在反應(yīng)溫度為150 ℃、反應(yīng)時間8 h時制備的納米材料析氫效果最好。

2.1 納米材料在廢水產(chǎn)氫中的應(yīng)用概況

近年來，針對不同類型的廢水，納米材料應(yīng)用于廢水產(chǎn)氫的研究多集中在工藝參數(shù)的優(yōu)化上，具體應(yīng)用實例見表1。

從納米材料的應(yīng)用類型來看，以金屬及其氧化物納米材料的應(yīng)用最多。Gadhe等[14,20]采用不同廢水為底物，研究了Fe2O3和NiO納米材料單獨或共添加對廢水產(chǎn)氫的影響，結(jié)果表明，共添加的促產(chǎn)氫效果最優(yōu)，其次是單獨添加Fe2O3NPs的，僅添加NiO NPs的促進效果最弱；在乳品廢水中，F(xiàn)e2O3NPs單獨添加或共添加時最佳濃度均為50 mg/L，NiO NPs添加的最佳濃度為10 mg/L；而在釀酒廢水中，F(xiàn)e2O3NPs單獨添加或共添加時最佳濃度為200 mg/L， NiO NPs的最佳添加濃度為5 mg/L，由此可見，廢水底物不同，納米顆粒的最佳添加濃度亦不同。

Mishra等[17]考察了棕櫚油廠廢水中添加NiO和CoO NPs的促產(chǎn)氫效果，發(fā)現(xiàn)當NiO NPs添加濃度為1.5 mg/L、CoO NPs的添加濃度為1.0 mg/L時，氫氣產(chǎn)率較之未添加處理分別提高了1.51倍和1.67倍，而COD去除率則提高了15%和10%。這些結(jié)果表明，廢水作底物時，提高了產(chǎn)氫效率和COD的去除效率。由于發(fā)酵細菌依賴鎳和鈷離子來激活酶，因此，確定厭氧消化過程中Ni/Co NPs的最佳濃度有助于提高廢水的產(chǎn)氫率。

除Fe2O3、NiO和CoO等金屬納米顆粒外，還有其它類型納米材料以不同形式應(yīng)用于廢水產(chǎn)氫中，見表1。Tawfik等[21]發(fā)現(xiàn)使用納米復合材料能夠較好地促進造紙工業(yè)黑液的凈化及其生物制氫過程，研究表明，石墨烯(GN)、羥基磷灰石(HN)和石墨烯/羥基磷灰石納米顆粒(GHN)固定化厭氧菌后，氫氣產(chǎn)量顯著提高至1.654,1.908，2.187 mol/molglucose。 近年來，綠色合成的納米顆粒應(yīng)用于生物制氫過程亦起到了較好的促產(chǎn)氫效果[22-23]，如do Nascimento Junior等[22]在工業(yè)廢水發(fā)酵產(chǎn)氫系統(tǒng)中添加綠色合成的木質(zhì)素基磁性納米顆粒能夠有效促進生物氫的合成，其在最佳添加濃度(200 mg/L)下的產(chǎn)氫量提高了2.8倍。

表1 納米材料在廢水產(chǎn)氫中的應(yīng)用Table 1 Application of nanomaterials in hydrogen production from wastewater

2.2 納米材料影響廢水產(chǎn)氫的作用機理

納米材料主要通過影響微生物酶活從而影響廢水產(chǎn)氫過程，納米材料一方面可作為酶的激活劑；另一方面還可作為酶的輔助因子，在酶促反應(yīng)中起到運載酰基團、參與氧化還原的功能基或轉(zhuǎn)移原子、電子的作用[29]。如Fe3O4納米材料的促產(chǎn)氫機理主要表現(xiàn)在：胞內(nèi)及胞外的Fe3O4納米材料可以提高氫化酶和鐵氧還蛋白的活性，胞外的菌體納米線會促進葡萄糖穿過細胞壁的運輸，同時Fe3O4納米材料可以增加菌體間電子轉(zhuǎn)移速率，進而提高產(chǎn)氫效率[30]。廢水產(chǎn)氫過程實質(zhì)上是微生物進行的一系列酶催化反應(yīng)，脫氫酶和氫化酶是其中的兩個關(guān)鍵酶。脫氫酶可以直觀反映微生物的活性，氫化酶活性的高低將直接影響系統(tǒng)的產(chǎn)氫速度。

納米材料參與廢水產(chǎn)氫體系中細胞結(jié)構(gòu)的組成、能量轉(zhuǎn)移、原生質(zhì)膠狀態(tài)的維持以及控制細胞滲透作用等，不同納米材料對微生物產(chǎn)氫的代謝途徑產(chǎn)生不同的影響，作用機理也有所不同[31]。圖1描述了納米顆粒在微生物產(chǎn)氫過程中的主要相互作用。

圖1 納米粒子促進產(chǎn)氫作用機理示意圖[31]Fig.1 Schematic diagram of nanoparticle promoting hydrogen production

首先是葡萄糖降解成丙酮酸，通過細胞質(zhì)中的鐵氧還蛋白氧化還原酶(Fdox)降解形成乙酰輔酶A，進一步通過鐵氧還蛋白氧化還原酶形成鐵硫蛋白(Fdre)，從而引起納米顆粒向氫化酶的電子交換，其中鐵氧還蛋白在周質(zhì)中被進一步氧化形成H2。實質(zhì)上納米顆粒提高了鐵氧還蛋白和氫化酶之間的電子交換，從而提高了生物氫產(chǎn)率[32]。

2.3 納米材料對厭氧產(chǎn)氫微生物群落的影響

有研究表明，納米粒子在較低濃度時也能與微生物相互作用，一方面，一些納米粒子通過與微生物密切接觸而表現(xiàn)出抗菌活性，導致膜被破壞；另一方面，一些微生物具有利用納米粒子的優(yōu)勢，更有效地將電子轉(zhuǎn)移到受體。如Tawfik等[21]進行了微生物群落分析，證明了納米顆粒的添加促進了廢水產(chǎn)氫過程中微生物群落的生物多樣性，適量Fe元素的存在會提高微生物的酶活性，相比對照組，添加納米顆粒的反應(yīng)器中細菌的氫化酶和脫氫酶活性分別提高了40.7%和 46.26%。在共培養(yǎng)產(chǎn)氫體系中，F(xiàn)e3O4磁性納米顆粒改變了EthanoligenensharbinenseYUAN-3和PseudomonasaeruginosaPAO1的代謝途徑，使得氫氣產(chǎn)量提升，但是Fe3O4磁性納米顆粒作為一種磁性材料有一定的毒性，會對微生物的增殖有一定的抑制作用，所以在添加Fe3O4磁性納米顆粒時需要選擇合適的劑量[33]。Zhao等[34]利用透射電子顯微鏡掃描納米零價鐵對微生物形態(tài)的影響，發(fā)現(xiàn)納米零價鐵對微生物的影響分為兩種類型：一、低納米零價鐵濃度下的吸附階段；二、高納米零價鐵濃度下的細胞壁破裂與沉積階段。納米零價鐵穿透細胞膜破壞微生物細胞后，細胞內(nèi)大量有機物和水解酶被釋放出來，有助于廢水中難降解物質(zhì)的進一步水解，氫氣產(chǎn)量增加。

3 結(jié)論與展望

納米材料用于廢水產(chǎn)氫是利用生物技術(shù)同時解決環(huán)境與能源問題，但還存在許多的問題需要科研工作者繼續(xù)深入地探索，對比納米材料在廢水產(chǎn)氫中的作用效果發(fā)現(xiàn)，納米材料的投加量、價態(tài)、粒徑大小和添加濃度等均會引起產(chǎn)氫效果的差異。納米材料在適當?shù)奶砑訚舛认驴梢杂行嵘a(chǎn)氫效率，而添加量過高則對產(chǎn)氫速率沒有強化效果，甚至出現(xiàn)了抑制。雙金屬或多金屬納米材料組合產(chǎn)生交互作用對廢水產(chǎn)氫具有意想不到的效果，其機理和效果值得深入探討研究。

目前廢水制氫大都還停留在實驗室研究階段，受諸多條件的限制，難以大規(guī)模的工業(yè)化應(yīng)用，如何解除各因素限制、提高制氫效率有待進行后續(xù)的研究，在前人研究的基礎(chǔ)上，下一步的可行性工作可以從探究利用更多底物進行暗發(fā)酵產(chǎn)氫，如秸稈類木質(zhì)纖維素水解液、固體廢棄物等。納米材料也不僅限于已開發(fā)的，可以制備更多不同的納米材料來探究對廢水產(chǎn)氫的影響作用。