污水生化處理過程中碳源利用與處理綜述

呂宣惠

(江蘇大眾水務(wù)集團(tuán)有限公司，江蘇 徐州 221111)

碳源是一切生物增殖和進(jìn)化的物質(zhì)基礎(chǔ)和能量庫，是組織細(xì)胞中非常重要的物質(zhì)組成部分，生物從自然界獲取碳源的同時(shí)，促進(jìn)了碳素的循環(huán)，推動(dòng)了碳素的利用[1]。自然過程和人類活動(dòng)過程都會(huì)消耗碳源，同時(shí)由于工藝方法、設(shè)備故障、生化反應(yīng)等過程使碳源進(jìn)入環(huán)境介質(zhì)中，碳源超過自然環(huán)境自我凈化能力，成為傳統(tǒng)意義上的“污染物”，則會(huì)引起自然環(huán)境污染和生態(tài)系統(tǒng)退化[2]。特別是近500年來，“工業(yè)革命”、“科技革命”等對(duì)人類文明發(fā)展具有十分重要的價(jià)值，人類排入環(huán)境的碳源量數(shù)量驚人，其中包括自然碳源物質(zhì)和人造碳源物質(zhì)，造成了碳源的極大污染，并引起了一系列的惡劣連鎖反應(yīng)，如：物種多樣性減少、自然資源枯竭、人類疾病發(fā)病率逐年提高[3]。隨著思維意識(shí)上的進(jìn)步，人類逐漸回歸理性，開始全面的、系統(tǒng)的、有效的進(jìn)行污染物控制和修復(fù)?！吧仙迫羲?，水利萬物而不爭”寓意著所有的污染物終將通過沉降、淋洗、徑流等途徑進(jìn)入水體中，污水處理技術(shù)是人類永恒的污染治理開發(fā)的領(lǐng)域。

世界上第一座好氧活性污泥法城市污水處理廠在美國誕生，利用微生物的新陳代謝作用使有機(jī)物轉(zhuǎn)化為二氧化碳等低分子有機(jī)物從水體中逸出，后來生物膜法工藝同樣利用微生物的新陳代謝作用實(shí)現(xiàn)有機(jī)物的去除，使有機(jī)物從水體中溢出而得到削減，該工藝仍然是全世界最常見、最成熟的污水處理方法之一[4-5]。為了實(shí)現(xiàn)污水中溶解氧的輸入，污水處理廠建立能耗巨大的風(fēng)機(jī)房及其配套的曝氣系統(tǒng)，同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生巨大的噪聲。污水中有機(jī)物濃度越高、污水量越大，需要消耗的空氣量越大，能耗、占地和噪聲就越大。雖然消除了污水中的有機(jī)污染物，但是增加了能量消耗、占用大量耕地，并產(chǎn)生大量的溫室氣體，以能耗能，治污能源消耗和有機(jī)能源浪費(fèi)雙重困境困擾著污水生物處理過程[6]。

隨著微生物特性研究不斷深入和人類對(duì)能源爭奪越來越激烈，人類開始意識(shí)到可以通過厭氧方式實(shí)現(xiàn)污水中有機(jī)物的去除和轉(zhuǎn)化，并進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究和實(shí)踐，證明了在厭氧條件下，厭氧微生物群體能實(shí)現(xiàn)有機(jī)物的去除，在節(jié)省大量的鼓風(fēng)曝氣的基礎(chǔ)上，并獲得人類潔凈能源-沼氣，開創(chuàng)了人類對(duì)污水中有機(jī)物節(jié)能降耗和資源化利用的新時(shí)代。

1 污水中有機(jī)物能源化研究現(xiàn)狀

隨著人類思維意識(shí)的轉(zhuǎn)變，有機(jī)物從以前的“污染物”轉(zhuǎn)變?yōu)椤澳茉础?、“資源”，人類從厭氧生物處理降低曝氣能耗的同時(shí)，并從中獲得沼氣開始。人類對(duì)污水中有機(jī)物能源化進(jìn)行大量的探索和研究[7]。

1.1 污水中有機(jī)物轉(zhuǎn)化為細(xì)胞蛋白

第二次世界大戰(zhàn)后期，德國因缺乏糧食供給而嘗試性將有機(jī)物、氮、磷等合成綠藻中的小球藻，因?yàn)樾∏蛟甯挥惺重S富的營養(yǎng)元素被作為糧食的補(bǔ)充。

因?yàn)樗w的富營養(yǎng)化問題較為嚴(yán)重，20世紀(jì)70-80年代業(yè)內(nèi)人士又重新提及利用污水作為營養(yǎng)基質(zhì)，培養(yǎng)細(xì)菌、酵母菌、霉菌、微藻、光合細(xì)菌等合成細(xì)胞蛋白，將合成后的細(xì)胞蛋白通過沉淀作用和過濾作用等從污水中分離出來，并通過純化分離作用得到目標(biāo)細(xì)胞蛋白，其中包括熱帶假絲酵母、小球藻等[6,8]。在合成細(xì)胞蛋白的同時(shí)，污水中的污染物得到資源化利用，污水也到凈化。利用微生物的新陳代謝作用獲得細(xì)胞蛋白，方法簡單、成本低廉、資源化特點(diǎn)顯著，是一種良好的污染物資源化途徑。但是目前對(duì)細(xì)胞蛋白的毒理性和安全性等研究開展尚不充分，該方面的工作進(jìn)展相對(duì)較為緩慢[9]。

利用植物生長過程中對(duì)營養(yǎng)物的吸收和轉(zhuǎn)化，且該過程容易實(shí)現(xiàn)，是目前開展較為廣泛的領(lǐng)域，如：利用有機(jī)污水對(duì)農(nóng)作物(水稻、蔬菜等)進(jìn)行灌溉或養(yǎng)魚，植物根系或魚類對(duì)污水中的污染物進(jìn)行吸收和降解，同時(shí)，農(nóng)作物或果實(shí)得到生長。常見工藝包括：用于污水處理的土壤快濾系統(tǒng)、土壤慢濾系統(tǒng)、稻魚共生系統(tǒng)等等[10-13]。

1.2 污水中有機(jī)物轉(zhuǎn)化為微生物生長碳源

微生物細(xì)胞質(zhì)中含有的多種內(nèi)含物(PHA、PHB、淀粉粒等)和胞外物中的莢膜等都由污水中有機(jī)物轉(zhuǎn)化而成，是微生物自然行為，待污水生化系統(tǒng)中有機(jī)物缺乏時(shí)(如：微生物內(nèi)源呼吸期)，它們又重新分解作為微生物生長碳源[14-15]。

隨著人們對(duì)污水除磷脫氮機(jī)理的掌握，均發(fā)現(xiàn)好氧吸磷和缺氧脫氮過程中均需要碳源，污水處理廠往往向其中補(bǔ)充投放大量的液體碳源，既浪費(fèi)資源，又存在過量風(fēng)險(xiǎn)。目前利用污水中有的污染物作為脫氮除磷碳源，既去除了氮磷，又去除了有機(jī)物。如：倒置A2/O除磷脫氮工藝[16-17]。為了提高微生物對(duì)有機(jī)碳源的利用效果，人類根據(jù)微生物合成PHA、PHB等過程，人工合成了可生物降解高聚物(PLA、PCL、PBS等)，在污水的固相反硝化過程中得到充分利用[18-20]。

近些年來，生物制氫和微生物燃料電池等技術(shù)成為研究的熱點(diǎn)，均是利用污水中的有機(jī)物轉(zhuǎn)化過程中的生化反應(yīng)實(shí)現(xiàn)的，將污水中的有機(jī)物轉(zhuǎn)化為目標(biāo)產(chǎn)物(氫氣和電能)，實(shí)現(xiàn)污水中有機(jī)碳源的資源化利用[21-22]。

1.3 天然高分子有機(jī)物在污染物凈化中的資源化利用

1.3.1 污水除磷脫氮過程中的資源化利用

由于飲食和營養(yǎng)結(jié)構(gòu)的變化以及污水處理技術(shù)的發(fā)展，污水處理廠從以COD和BOD去除為主要目標(biāo)，轉(zhuǎn)變?yōu)橐钥偟偭兹コ秊橹饕蝿?wù)，污水中除磷脫氮所需要的碳源嚴(yán)重不足且難以利用[23-24]。污水每去除1 g NO3--N需要2.86 g當(dāng)量的BOD，目前我國污水水質(zhì)無法滿足以上碳源的需要[25]。為了達(dá)到良好的除磷脫氮目的，往往需要在污水處理系統(tǒng)缺氧脫氮單元中增加一定量的低分子有機(jī)物(如：醋酸鈉、醋酸、葡萄糖、甲醇等)作為電子供體和碳源，以強(qiáng)化除磷脫氮過程中順利進(jìn)行，但是其存在控制過程復(fù)雜、有超量或計(jì)量不足問題，而且也大大提高了污水脫氮除磷的成本。根據(jù)固相反硝化原理，業(yè)內(nèi)人士開始采用天然纖維素物質(zhì)(如：農(nóng)業(yè)廢棄物)作為生物反硝化碳源，既實(shí)現(xiàn)了污水的除磷脫氮過程，也使固體廢棄物或污水中有機(jī)物得到資源化利用[26-27]，值得注意的是：異養(yǎng)反硝化過程所需要的有機(jī)物是易生物降解有機(jī)物，天然纖維素物質(zhì)可生化性特點(diǎn)和如何提高其可生化性效果是值得研究的課題之一。

1.3.2 低分子有機(jī)物在污水凈化中的作用特點(diǎn)

污水的人工濕地技術(shù)、污水的土地處理技術(shù)和組合式生態(tài)浮床修復(fù)技術(shù)均是利用基質(zhì)內(nèi)植物根系周圍的厭氧、缺氧和好氧條件實(shí)現(xiàn)微生物群落的自然優(yōu)化布局，實(shí)現(xiàn)污水的自然生態(tài)凈化，是目前應(yīng)用很廣泛的技術(shù)之一[6]。周所周知，水生植物的作用不僅僅是吸收同化作用，其潛在作用是：水生植物根系在生長過程中向基質(zhì)中釋放出氧氣和大量的種類不一的有機(jī)酸，從而激發(fā)根系周邊微生物的增殖和生態(tài)優(yōu)化配置，達(dá)到凈化污水中各類污染物的目的。而且隨著時(shí)間的增長，植物根系釋放出來的有機(jī)物種類和濃度越多，污水凈化效果也越好[28]。

當(dāng)然水生植物在生長過程中需要各種微量元素以滿足其生長需要，在污水處理過程中往往會(huì)缺乏各類營養(yǎng)元素，污水生態(tài)處理過程中的水生植物往往容易出現(xiàn)“缺素”現(xiàn)象，反過來又影響污水處理效果。如何提高水生植物生長效果是污水生態(tài)處理過程中急需解決的難題[29-30]。

2 存在問題

2.1 物化技術(shù)潛伏著新型污染物

為了實(shí)現(xiàn)有機(jī)物的高效去除，業(yè)內(nèi)人士開發(fā)了多種化學(xué)法、物理法和物化法，如：化學(xué)催化氧化法、吸附法、混凝法、射線誘變法等，這些物化技術(shù)具有速度快、凈化效果好和無選擇性等特點(diǎn)，被業(yè)內(nèi)人士廣泛采用[31-34]。

化學(xué)催化劑具有加快化學(xué)反應(yīng)，強(qiáng)化有機(jī)物去除和礦化作用，人工合成高分子物質(zhì)大量進(jìn)入環(huán)境介質(zhì)，因不容易降解而在環(huán)境介質(zhì)中長期存在，往往需要采用催化氧化技術(shù)進(jìn)行分解[31]。但是當(dāng)催化反應(yīng)結(jié)束后，化學(xué)催化劑則成為廢棄物，催化劑本身具有化學(xué)毒性和難生物降解性，進(jìn)入環(huán)境后會(huì)不會(huì)引起環(huán)境介質(zhì)的污染是值得考慮的。

另外，化學(xué)吸附法技術(shù)具有吸附效果好、污染物去除快等優(yōu)點(diǎn)，然后吸附后形成的最終廢棄物又該如何處理處置呢？因?yàn)槲斤柡秃蟮奈絼┏蔀橐话銖U物或危險(xiǎn)廢物[32]?；炷齽┰诿撋徒档蜐岫确矫婢哂胁豢商娲男Ч诮o水處理和工業(yè)污水處理過程中得到了較多的應(yīng)用，然而混凝反應(yīng)形成的化學(xué)污泥又該如何處理呢[33]？其中含有大量的污染物且本身就是高分子有機(jī)物，簡單的填埋是不是能達(dá)到相應(yīng)的處理要求或不存在相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)呢？

2.2 新型污染物特性有待于深入研究

微塑料是塑料制品生產(chǎn)、使用和廢棄以及分解過程中形成的微粒。在水體、大氣、土壤和人類體內(nèi)均發(fā)現(xiàn)有微塑料的存在。塑料制品自然降解過程十分緩慢，微塑料的降解和遷移途徑是目前急需降解的難題，成為近些年來研究的熱點(diǎn)課題之一[35]。

藥物和個(gè)人護(hù)理品在自然界中廣泛存在，很多成分被確認(rèn)為致癌物、疑似致癌物或是內(nèi)分泌干擾物，廣泛存在于各類環(huán)境介質(zhì)中，給自然環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)以及人類健康造成了較大的影響，近些年來得到了廣泛研究。但是由于藥物和個(gè)人護(hù)理品種類繁多，而且進(jìn)入環(huán)境介質(zhì)后發(fā)生遷移、轉(zhuǎn)化，使其控制和去除變得十分困難[36]。

3 結(jié)論

由于近代我國科技發(fā)展主要向西方發(fā)達(dá)國家學(xué)習(xí)開始的，很多科技研究的思路、方法和措施都是從國外人的思維，都是局部控制思維，類似于西醫(yī)理論中的“頭痛醫(yī)頭腳痛醫(yī)腳”的做法，污染物治理研究沒有跳出思維的框架。我國是四大文明古國，我們業(yè)內(nèi)人士應(yīng)該從“中醫(yī)理論”中的治本調(diào)理方法和“道家思想”中的天人合一的方法。碳源是寶貴的自然資源，對(duì)于容易利用的有機(jī)污染物控制和處理應(yīng)該從資源化角度進(jìn)行利用，充分利用生態(tài)環(huán)境條件實(shí)現(xiàn)污染物治理。如：減少土地硬化面積、恢復(fù)生態(tài)系統(tǒng)自凈能力、強(qiáng)化植物和微生物的凈化能力，在可能的情況下將污染物轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)能。對(duì)于難生物降解有機(jī)物控制則要求在盡量減少的基礎(chǔ)上，充分利用自然生態(tài)條件實(shí)現(xiàn)去除，防止二次污染物的介入。如：可見光光催化氧化、高溫介質(zhì)催化等技術(shù)。