碳源在電子廢水處理中的機(jī)理及環(huán)保意義

宋津英

（福建華佳彩有限公司 福建莆田 351100）

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(dòng)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(shí)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(shí)屬于劣V 類水質(zhì)；當(dāng)CODcr=100 ～400mg/L 時(shí)為Ⅴ類或劣Ⅴ類水質(zhì)；當(dāng)CODcr＞400mg/L 時(shí)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(shí)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(shí)，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(yùn)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(shí)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(diǎn)，限制了其實(shí)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(shí)，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(shí)較為適宜，此時(shí)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(diǎn)、運(yùn)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(shí)，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(bǔ)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(xiàng)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(shí)驗(yàn)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(yàn)，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(shí)，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(shí)，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?yàn)槿樘欠肿咏Y(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(shí)現(xiàn)高效脫氮除磷目的。同時(shí)，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(shí)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(shí)，COD 去除率達(dá)到最大，繼續(xù)增大葡萄糖投加量反而會(huì)降低COD去除率。這是因?yàn)檫^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(shí)驗(yàn)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(shí)COD 去除率為70%左右，中性和堿性環(huán)境時(shí)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(shí)，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(huì)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(jì)，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(huì)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(dú)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(shí)，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(huì)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(shí)現(xiàn)高效處理的重要手段。如，葡萄糖可作為一種廉價(jià)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。總之，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(fèi)。本實(shí)驗(yàn)使用乙酸鈉作為碳源時(shí)，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(yùn)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(shí)，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(shí)若停止向反應(yīng)器內(nèi)投加碳源或調(diào)整進(jìn)水流量，會(huì)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(huì)產(chǎn)生抑制作用，保證了系統(tǒng)穩(wěn)定性。

3.2.3 實(shí)現(xiàn)廢棄物資源化利用

本實(shí)驗(yàn)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(dú)提取出來加以利用，將會(huì)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(shí)驗(yàn)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(shí)，該方法還有助于推動(dòng)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(gè)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(gè)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(jià)格相對便宜，其水處理費(fèi)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(fèi)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(shí)，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(huì)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(shí)現(xiàn)水污染物的治理，同時(shí)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(shí)現(xiàn)能源的自給自足。該技術(shù)具有啟動(dòng)速度快、無二次污染等優(yōu)點(diǎn)，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(shí)驗(yàn)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(diǎn)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(diǎn)。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(huì)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(shí)驗(yàn)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(shí)，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(shí)，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(shí)也具備一定的可降解性能。實(shí)驗(yàn)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(shí)，同樣可以取得不錯(cuò)的處理效果。以玉米淀粉為例進(jìn)行試驗(yàn)，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(shí)驗(yàn)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(shí)，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)高效地去除COD，同時(shí)還不會(huì)產(chǎn)生過多的污泥沉淀物。這是因?yàn)榈鞍纂艘罕旧砭褪且环N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(shí)驗(yàn)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(shí)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(shí)，系統(tǒng)具有最佳的脫氮效率；同時(shí)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(shí)反硝化過程的變化規(guī)律，并提出了相應(yīng)的動(dòng)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(shí)際工程應(yīng)用提供一定參考價(jià)值。由于時(shí)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。