廢水生化處理中有機(jī)物的分析和轉(zhuǎn)化

柳 莎 周慧芳 毛玉鳳

(1. 成都理工大學(xué)， 成都 610059； 2. 廣東石油化工學(xué)院， 廣東 茂名 525000)

廢水生化處理中有機(jī)物的分析和轉(zhuǎn)化

柳 莎1，2周慧芳1，2毛玉鳳2

(1. 成都理工大學(xué)， 成都 610059； 2. 廣東石油化工學(xué)院， 廣東 茂名 525000)

有機(jī)物的種類、含量、物化特性、分子量等性質(zhì)直接影響廢水處理工藝的處理效果。本文綜述了近年來廢水生化處理中有機(jī)物的分析方法及廢水生化處理過程中有機(jī)物的轉(zhuǎn)化規(guī)律。

廢水；生化處理；有機(jī)物；分析；轉(zhuǎn)化

水污染是工業(yè)發(fā)展面臨的普遍問題[1]。工業(yè)廢水是指工業(yè)生產(chǎn)中排放的廢水和廢液，包括工業(yè)生產(chǎn)的原料、中間產(chǎn)物、副產(chǎn)品及生產(chǎn)過程中所產(chǎn)生的污染物，是造成水污染的重要因素。工業(yè)廢水的來源廣，成份復(fù)雜且性質(zhì)多變，對(duì)它的處理方法主要有化學(xué)法、物理法、生化法[2]。其中，生化法是利用微生物的新陳代謝功能對(duì)污水中呈溶解或膠體狀態(tài)的有機(jī)物進(jìn)行降解，將其轉(zhuǎn)化為微生物細(xì)胞成分和簡(jiǎn)單的無(wú)機(jī)物[3-4]。生化法因其處理成本低、運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)，受到廣泛的關(guān)注，但是該方法對(duì)有機(jī)物的去除效率較低，這成為制約其發(fā)展的關(guān)鍵因素，主要原因是廢水中的有機(jī)物并非都能被生物降解，還包含一定量的難生物降解有機(jī)物。因此，分析測(cè)定廢水中有機(jī)物的種類、含量和轉(zhuǎn)化規(guī)律對(duì)改善生化法處理工業(yè)廢水效果具有極其重要的意義。

1 有機(jī)物的分析方法

為了更好的研究有機(jī)物在水中的行為及其對(duì)水質(zhì)、水處理工藝的影響，往往需要對(duì)有機(jī)物進(jìn)行全面、深入的分析，而單一的分析方法往往不能滿足要求。因此需要根據(jù)不同的研究重點(diǎn)，采用不同的分析方法對(duì)廢水中的有機(jī)物進(jìn)行分析，如分析有機(jī)物種類，常采用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)(Gas Chromatography- Mass Spectrometry，GC-MS)和三維熒光光譜技術(shù)(3-dimentional excitation emission matrix fluorescence，3DEEM)，分析有機(jī)物親/疏水性、酸/堿性，常采用離子交換樹脂分離分析，而采用不同孔徑的超濾膜過濾可分析出有機(jī)物各種分子量的分布情況。

1.1 基于GC-MS聯(lián)用的分析

GC可對(duì)易揮發(fā)而不發(fā)生分解的有機(jī)化合物進(jìn)行分析。MS通過測(cè)定離子的荷質(zhì)比進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。GC分離效果高，定量分析簡(jiǎn)單，但是其鑒別能力差。MS靈敏度高，定性鑒別能力高，但對(duì)樣品要求較高。GC-MS聯(lián)用技術(shù)綜合了色譜的高分離能力與質(zhì)譜的強(qiáng)鑒定能力，GC首先對(duì)揮發(fā)性的物質(zhì)進(jìn)行分離、定量，再通過MS測(cè)定荷質(zhì)比和強(qiáng)度來進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。GC-MS聯(lián)用技術(shù)已成為分析復(fù)雜多組分微量有機(jī)化合物的高效分析手段之一。陳慧等[5]用GC-MS聯(lián)用技術(shù)分析了焦化廢水生化處理前后有機(jī)物的種類和含量的變化規(guī)律及特征有機(jī)污染物的去除率，發(fā)現(xiàn)焦化廢水生化處理前共檢出75個(gè)峰，而生化處理后只檢出18個(gè)峰，生化出水中苯酚類及其衍生物、萘類化合物、噻吩類化合物未檢出，而含氮雜環(huán)化合物如吡啶、咔唑、喹啉、吲哚類化合物在出水中的相對(duì)含量較高。曹臣等[6]對(duì)生化出水中貢獻(xiàn)化學(xué)需氧量(COD)的溶解性組分進(jìn)行GC-MS分析，比較生化處理前后有機(jī)物種類的變化，發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)鏈碳?xì)浠衔锏姆N類增加了12種，芳香烴、長(zhǎng)鏈碳?xì)浠衔铩⒈较滴?、多環(huán)芳烴及雜環(huán)類化合物是生化出水中主要溶解性有機(jī)物。

1.2 基于三維熒光光譜的分析

3DEEM能給出激發(fā)波長(zhǎng)(λex)和發(fā)射波長(zhǎng)(λem)同時(shí)變化的熒光強(qiáng)度信息，某些有機(jī)物在紫外或可見光的激發(fā)下會(huì)產(chǎn)生熒光發(fā)射，通過測(cè)定水樣的熒光范圍和熒光強(qiáng)度，可定性和半定量的表征廢水中共軛體系有機(jī)物的組成[7]。吳靜等[8]以三維熒光光譜技術(shù)分析某石化廢水，譜圖中出現(xiàn)近10個(gè)熒光峰，分別為石油類、苯類等有機(jī)物。有機(jī)物在生化處理過程中會(huì)產(chǎn)生蛋白、輔酶、色素以及腐殖酸等多種化合物，它們?cè)谧贤饣蚩梢姽獾募ぐl(fā)下，會(huì)產(chǎn)生特征的熒光發(fā)射，在三維熒光光譜圖上有特征位置[9]，并且其種類和濃度與微生物處理進(jìn)程、反應(yīng)器運(yùn)行狀態(tài)有著密切聯(lián)系[10]。李衛(wèi)華等[11]建立了熒光物質(zhì)濃度變化與水力停留時(shí)間、底物濃度和溫度之間的變化關(guān)系，明確了其中的生物反應(yīng)進(jìn)程，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)生化處理反應(yīng)器的實(shí)時(shí)調(diào)控。

1.3 基于離子交換柱的分析

廢水生化處理常常會(huì)產(chǎn)生可生物降解性低，且呈穩(wěn)定狀態(tài)的溶解性有機(jī)物(Dissolved organic carbon, DOM)，它的親/疏水性和酸/堿性會(huì)影響其廢水的處理效果，因此用樹脂可將不同特性的有機(jī)物分離[12]。龔劍麗等[13]采用含有丙烯酸酯的非極性離子交換樹脂XAD-8和強(qiáng)堿性陰離子交換樹脂HZ-201將某城市污水二級(jí)生化出水的DOM分成疏水酸、疏水中性物、疏水堿、親水酸、親水中性物和親水堿，并得到各類有機(jī)物的含量。李欣玨等[14-15]采用XAD-8樹脂與非極性大孔聚苯乙烯吸附樹脂XAD-4將印染廢水生化出水中的DOM分四類：疏水酸、非酸疏水物質(zhì)、非酸親水物質(zhì)和親水酸。由于生化出水中親水性有機(jī)物在可生物降解溶解性有機(jī)物(BDOC)、可生物同化有機(jī)碳(AOC)等中占據(jù)絕大部分, 因此研究廢水中有機(jī)物的物化特性對(duì)生化處理的工藝具有指導(dǎo)意義。

1.4 基于超濾膜的分析

水中有機(jī)物分子量的分布對(duì)工藝優(yōu)化和進(jìn)一步闡明有機(jī)物的去除機(jī)理具有十分重要的作用，因此它受到了廣泛的重視[16]。污水中分子量分布的測(cè)定多采用濾膜過濾法[17]，根據(jù)分子量的不同對(duì)有機(jī)物進(jìn)行分類，既可以避免綜合性表征不夠清晰，其測(cè)試過程也不會(huì)過于繁瑣[17]。龔劍麗等[18]采用超濾膜分級(jí)方法將某城市生活污水廠二級(jí)生化出水中有機(jī)物的分子量分為<1 000D，1 000 ～3 000 D，3 000 ～10 000 D，>10 000 D，發(fā)現(xiàn)分子量大于10 000 D的有機(jī)物最多，并得到有機(jī)物的分子量分布情況。

2 不同生化處理過程有機(jī)物的轉(zhuǎn)化

廢水中的有機(jī)物能作為微生物的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)而被代謝、利用和轉(zhuǎn)化。根據(jù)微生物生長(zhǎng)環(huán)境對(duì)氧含量的需求，將其分為厭氧微生物和好氧微生物，利用這兩種微生物來處理廢水的工藝就是厭氧生物處理和好氧生物處理。

2.1 厭氧生物處理

廢水的厭氧生物處理是指在沒有游離氧存在的條件下，兼性細(xì)菌與厭氧細(xì)菌降解有機(jī)物的生物處理方法。整個(gè)厭氧過程主要由水解產(chǎn)酸菌完成[19]。厭氧水解就是改變有機(jī)物的結(jié)構(gòu)，使某些難生物降解的有機(jī)物轉(zhuǎn)化成可生物降解的有機(jī)物，從而改善廢水的可生化性，為后續(xù)生物處理創(chuàng)造條件[20]。如將不溶性有機(jī)物轉(zhuǎn)化為溶解性有機(jī)物，大分子物質(zhì)轉(zhuǎn)化為小分子物質(zhì)，復(fù)雜有機(jī)物降解為以醋酸、丙酸和丁酸為主的脂肪酸。劉志[21]等采用厭氧水解對(duì)難降解的富馬酸廢水進(jìn)行處理，發(fā)現(xiàn)通過厭氧生物處理后其可生化性顯著提高。李詠梅等[22]發(fā)現(xiàn)焦化廢水通過厭氧處理，一些復(fù)雜的有機(jī)化合物如2,3-二氫苯并呋喃、5-苯基-鄰-甲氧基苯胺等轉(zhuǎn)化成一些中間產(chǎn)物如丙烯酸、甲基苯胺、硝基苯酚、羧酸酯等。

2.2 好氧生物處理

廢水的好氧處理是指在提供游離氧的前提下，好氧菌和兼性好氧菌降解有機(jī)物的生物處理方法。何苗等[23-24]研究了廢水中有機(jī)物的好氧生物降解速率常數(shù)，發(fā)現(xiàn)有機(jī)物的轉(zhuǎn)化與其化學(xué)結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)，如芳香族化合物在好氧處理中先發(fā)生芳環(huán)羥基化，轉(zhuǎn)化成鄰苯二酚，再進(jìn)一步開環(huán)轉(zhuǎn)化為琥珀酸和丙酮酸，最后分解成二氧化碳和水。而苯及苯屬芳香烴化合物則轉(zhuǎn)化為鄰苯二酚、β-酮已二酸、丙酮酸，最后分解成二氧化碳和水。多環(huán)芳烴轉(zhuǎn)換為鄰苯二甲酸酯，喹啉類轉(zhuǎn)化為吡啶二羧酸和硝基苯二羧酸。Zhang[25]等發(fā)現(xiàn)酚類物質(zhì)主要在好氧處理中去除，這是因?yàn)榉宇惢衔镌诤醚鯒l件下能轉(zhuǎn)化為鄰苯二酚，最終得到去除。

3 結(jié)束語(yǔ)

生化法處理廢水的工藝已經(jīng)比較成熟，但對(duì)生化處理過程中有機(jī)物的種類、含量、物化特性、分子量分布和轉(zhuǎn)化與廢水處理效果之間的關(guān)系還有待進(jìn)一步研究。采用多種分析手段對(duì)廢水生化處理中有機(jī)物進(jìn)行分析，研究其轉(zhuǎn)化規(guī)律，了解有機(jī)物在生化處理過程中的降解和轉(zhuǎn)化情況，有利于生化處理工藝的選擇、優(yōu)化，對(duì)廢水深度處理以提高出水水質(zhì)，降低有機(jī)物危害具有極其重要的意義。

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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，碩士研究生,研究方向:環(huán)境分析化學(xué)。E-mail:liu90sha@126.com

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