以N-甲基吡咯烷酮為電子供體的反硝化

陳松筠， 諸曉慧， 梁斌， 曲征野， 項彩鑫， 張永明*

以N-甲基吡咯烷酮為電子供體的反硝化

陳松筠1， 諸曉慧1， 梁斌2， 曲征野1， 項彩鑫1， 張永明1*

（1.上海師范大學 環(huán)境與地理科學學院，上海 200234； 2.邁奇化學股份有限公司，河南 濮陽 457000）

含氮雜環(huán)化合物N-甲基吡咯烷酮（NMP）是新能源生產(chǎn)領域中常用的一種良好的工業(yè)溶劑.由于NMP在生產(chǎn)過程中所產(chǎn)生的廢水具有較好的可生化性，因此NMP作為電子供體可用于反硝化反應.NMP是含氮雜環(huán)化合物，理論分析表明：當其用作電子供體進行反硝化反應時，有79%的電子可供外源硝酸鹽的還原.實驗結果也表明：NMP作為電子供體進行反硝化時，與葡萄糖具有同樣的效果.該項研究成果對于NMP生產(chǎn)廢水的綜合利用具有重要的理論和現(xiàn)實意義.

N-甲基吡咯烷酮（NMP）； 電子供體； 反硝化； 生物降解

0 前 言

我國每年工業(yè)生產(chǎn)過程中所排放的廢水量達到近260億噸［1］，其中大部分工業(yè)廢水難以用普通的生物方法進行降解.但也有不少工業(yè)廢水具有良好的可生化性，而對于可生化性較好的高濃度工業(yè)廢水，以往人們常常采用厭氧加好氧的方法進行處理［2-6］，但這些處理方法都是需要消耗較大的動力.近年來，人們改變了傳統(tǒng)的思維，將一些高濃度且可生化性較好的廢水作為資源.例如，將食品加工過程中的廢水或廢棄物作為外源電子供體，促進城鎮(zhèn)污水處理廠的反硝化反應，以提高城鎮(zhèn)生活污水總氮的去除率［7］.如用當?shù)仄【粕a(chǎn)過程中的廢水作為碳源（電子供體）用于反硝化反應，以提高城鎮(zhèn)污水總氮的去除率，這既降低了城鎮(zhèn)生活污水處理時外購碳源的成本，又使啤酒廢水得到了有效處理［8］.工業(yè)廢棄物或廢水能否用作反硝化電子供體的先決條件就是其中是否含氮元素［9］.比如啤酒廢水的特點就是幾乎不含氮元素［10］，將它們作為反硝化電子供體是合適的.然而現(xiàn)實中有些工業(yè)廢水，其可生化性雖然相對比較好，但卻含氮雜環(huán)化合物.這一類廢水是否可以像食品或啤酒廢水一樣用作反硝化的電子供體，至今幾乎沒有人做過嘗試.N-甲基吡咯烷酮（分子式為C5H9NO，簡稱NMP）就是這類廢水的一個典型代表，該含氮有機化合物的可生化性能良好［11-12］.NMP在實際生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的精餾殘液，長期以來都是當作高濃度的有機廢水進行生物處理［13］.該精餾殘液中NMP占80%以上.由于NMP是許多工業(yè)生產(chǎn)過程中，尤其是新能源——鋰電池生產(chǎn)過程中需要的一種很好的化學溶劑［14-15］，隨著國家大力發(fā)展新能源汽車等產(chǎn)業(yè)，NMP的市場需求量在不斷擴大［16］，該精餾殘液的產(chǎn)生量也不斷增加.

此外，我國不少城鎮(zhèn)污水處理廠排放的尾水中，總氮濃度不容易達到國家的排放標準［17-18］.其中大多數(shù)情況是總氮中的硝酸鹽濃度偏高［19］.要使硝酸鹽濃度降低，在水處理過程中需要提供足夠的碳源作為電子供體以驅(qū)動反硝化的進行，使硝酸鹽的濃度降低.通常硝酸鹽的去除主要是通過反硝化反應實現(xiàn)，其反應式為：NO3-+5H→0.5N2+H2O+OH-，其中H（H=H++e-）表示為電子.在很多污水處理廠，都采用可生化性良好的有機化合物，諸如葡萄糖、乙酸鈉或甲醇等作為電子供體［20-21］.但無論使用哪種化合物都提高了水處理的成本.

以往對含氮雜環(huán)化合物作為電子供體進行反硝化的研究或應用在國內(nèi)外幾乎都是一個空白.這是因為人們擔心在生物降解過程中，含氮雜環(huán)化合物釋放出的內(nèi)源氮素會導致水中的總氮不降反升.長此以往，若按照傳統(tǒng)方法進行處理，不僅成為企業(yè)的一個負擔，還白白浪費了大量的資源.因此，將NMP精餾殘液作為電子供體用于反硝化，具有非常重要的理論和現(xiàn)實意義.在本項研究中，將以NMP作為電子供體進行反硝化的實驗，并與葡萄糖作為電子供體時的反硝化進行對比.通過該研究既解決了NMP精餾殘液的處理問題，同時還為提高城鎮(zhèn)污水處理廠中總氮的去除效率開辟了一條新的解決途徑.

1 材料與方法

1.1　儲備溶液的配制

實驗所用的化學試劑均購自上海泰坦科技公司，溶液的配制使用去離子水，其電阻率為18.2 MΩ·cm.

NMP儲備液（1 mol·L-1）：移取4.73 mL NMP至50 mL容量瓶，用去離子水定容后混勻備用，避光保存.

NO3--N儲備液（20 gN·L-1）：稱取30.354 g硝酸鈉，用去離子水溶解，倒入250 mL容量瓶中，定容后混勻備用，避光保存.

磷酸鹽緩沖溶液：稱取4.260 g磷酸二氫鉀和21.750 g磷酸氫二鉀，用去離子水溶解，倒入1 000 mL容量瓶中，定容后混勻備用，避光保存.

N，P儲備液（N和P的質(zhì)量分數(shù)分別為5 g·L-1和1 g·L-1）：稱取19.107 g氯化銨和4.390 g磷酸二氫鉀，用去離子水溶解，倒入1 000 mL容量瓶中，定容后混勻備用，避光保存.

1.2　活性污泥的馴化

本研究所用的活性污泥取自上海長橋水質(zhì)凈化廠的二沉池，將該活性污泥用自來水清洗3次，沉降30 min后，分別取400 mL活性污泥加入2瓶1 000 mL的錐形瓶中，其中以NMP作電子供體的反硝化污泥的馴化如下：生物反應器以24 h為周期，其中23 h為生物反應時間，1 h為靜置、換水時間，換水時需將靜置后的錐形瓶中的上清液倒去，并加入新配制的硝酸鹽溶液，定容后充氮氣10 min，最后塞好橡膠瓶塞.為滿足微生物生長需要，配置的營養(yǎng)液內(nèi)需包含合適的碳源、氮源以及磷等微量元素，其中碳源的投加量以化學需氧量（COD）計.馴化開始階段加入468 mg的葡萄糖（≈500 mg COD·L-1）以及5 mL的N，P儲備液.當厭氧污泥初步具有生物活性后，逐步將碳源替換為NMP.具體操作為：每2天將93.7 mg的葡萄糖替換為0.76 mL NMP儲備液，直至葡萄糖被全部替換為NMP.由于添加的NMP中已擁有充分的氮源，將5 mL的N，P儲備液換為5 mL的磷酸鹽緩沖液.隨后，逐步加入硝酸鹽溶液，以硝酸鹽氮為0，20，40，60，80和100 mg·L-1的質(zhì)量濃度梯度加入硝酸鹽儲備液，每2天提升一個濃度梯度等級.持續(xù)馴化60 d后，厭氧污泥具備以NMP為電子供體還原硝酸鹽的能力.污泥的負荷為NMP：380 mg·L-1（≈500 mg COD·L-1）；NO3--N：100 mg·L-1，厭氧體系中COD與NO3--N的質(zhì)量濃度之比，即碳氮比（C/N）為5.

另外一瓶活性污泥是以葡萄糖為電子供體反硝化污泥，當厭氧污泥加入葡萄糖，初步具有生物活性后，以同樣的濃度梯度加入硝酸鹽儲備液，并加入5 mL N，P儲備液，最終，污泥的負荷為葡萄糖：468 mg·L-1（≈500 mg COD·L-1）；NO3--N：100 mg·L-1.

另取400 mL活性污泥加入1瓶1 000 mL的量筒中，好氧降解NMP污泥的馴化流程如下：以24 h為周期，其中23 h為生物反應時間，1 h為靜置、換水時間，換水時需將靜置后的量筒中的上清液倒去，并加入NMP儲備液，定容后放入曝氣裝置，持續(xù)將空氣泵入生物反應體系中.馴化開始階段加入468 mg的葡萄糖以及5 mL的N，P儲備液，隨后逐步將葡萄糖替換為NMP，替換流程同以NMP作電子供體的反硝化污泥.污泥的負荷為NMP：380 mg·L-1（≈500 mg COD·L-1）.

1.3　NMP的生物降解

分別采用3種方法對NMP進行生物降解：（1） 將馴化好的反硝化污泥加入到1 000 mL的錐形瓶中，并加入NMP儲備液3.8 mL至錐形瓶內(nèi)，使初始NMP質(zhì)量濃度約為380 mg·L-1，充氮氣10 min后塞好橡膠瓶塞，置于磁力攪拌器上，在轉速350 r·min-1和溫度30 ℃條件下進行生物反應；（2） NMP濃度和實驗步驟與方法（2）相同，但是加入初始濃度約100 mg·L-1的NO3--N；（3） 將馴化好的好氧污泥300 mL加入到1 000 mL量筒內(nèi)，再加入等量的NMP儲備液，使初始濃度為380 mg·L-1，在溫度為30 ℃條件下連續(xù)曝氣.上述實驗每間隔一段時間取樣分析水中NMP質(zhì)量濃度和總有機碳質(zhì)量濃度（TOC）.

1.4　以NMP為電子供體的反硝化

取200 mL NMP為電子供體的反硝化污泥于1 000 mL錐形瓶，混合液懸浮固體濃度（MLSS）為2 280 mg·L-1，加入3.8 mL NMP儲備液，5 mL NO3--N儲備液，6 mL磷酸鹽緩沖溶液，最后用自來水定容至刻度.

另取200 mL葡萄糖為電子供體的反硝化污泥于1 000 mL錐形瓶，MLSS為2 420 mg·L-1，加入468 mg葡萄糖，5 mL NO3--N儲備液，3～5 mL N，P儲備液，最后用自來水定容至刻度.

2瓶反硝化污泥加入的NO3--N質(zhì)量濃度均為100 mg·L-1，COD質(zhì)量濃度均為500 mg·L-1，保持其C/N比為5，最后用高純氮氣充氣10 min，密封瓶口后置于磁力攪拌器上，在轉速為350 r·min-1和溫度為30 ℃條件下進行反硝化反應.定期取樣并檢測溶液NH4+-N，NO2--N和NO3--N的質(zhì)量濃度.

1.5　分析方法

TOC測定方法：使用總有機碳分析儀（島津TOC-L CPN）測定水體中的TOC值.

三氮測試方法：使用離子色譜測定水體中的NO3--N和NO2--N含量，離子色譜的組成包括Dionex IonPac AS19 IC分析柱、陰離子抑制器和KOH淋洗液發(fā)生器，其中抑制器類型設定為ASRS_4 mm，電流設定為124 mA. NH4+-N的測試方法參考國家環(huán)境保護標準中的水楊酸分光光度法（HJ 536—2009），采用手動顯色結合酶標儀測定其660 nm處吸光度的方法測定水體中的NH4+-N含量.

NMP測試方法：使用高效液相色譜（HPLC）測定水體中的NMP含量，反向色譜柱的型號為Agilent HC-C18（2） （5 μm，4.6 mm×150 mm），流動相設定參數(shù)為體積比（甲醇）∶（去離子水）=60∶40，檢測波長為230 nm，柱溫為40 ℃，流速為1 mL·min-1，保留時間約為2.16 min.

2 結果與討論

2.1　NMP的生物降解特性

分別采用好氧、厭氧的方式對NMP進行生物降解，其結果如圖1所示.從圖1中可以看出，當采用單獨厭氧的方法對NMP進行生物降解時，NMP幾乎不降解，同時對應的TOC也基本不降.當對NMP進行好氧處理時，NMP很快得到降解，如圖1上部所示，其降解速率可以用零級反應速率表示，其速率常數(shù)為170 mg·L-1?h-1，對應的TOC也很快得到降解，如圖1下部所示，其降解速率同樣也可以用零級反應動力學描述，其速率常數(shù)為97 mg·L-1?h-1.而同樣在厭氧條件下，如果加入硝酸鹽時，NMP和對應的TOC的降解速率迅速提高.它們的降解速率分為兩段，在第一個階段，NMP和對應的TOC的降解速率均與好氧解速率相近.這是因為硝酸鹽加入后，作為電子供體的NMP有了電子受體，從而使該生物反應得以迅速提高.從圖1中可以看出，NMP和對應的TOC的降解分為兩個階段，第一個階段，它們的降解速率較快.但從1.5 h后，其降解速率明顯降低，這是因為在厭氧條件下，NMP的降解需要有電子受體［6，23］.當作為電子受體的NO3-降至很低時，NMP的生物降解的驅(qū)動力逐漸消失，所以其降解速率明顯降低.

圖1　NMP分別在好氧、厭氧條件下的生物降解情況

上述實驗結果表明：當加入硝酸鹽后，NMP的生物降解可以明顯加速，則該實驗結果意味著NMP可以作為電子供體用于硝酸鹽的還原.

2.2　以NMP和葡萄糖為電子供體進行反硝化的比較

圖2　分別以葡萄糖和NMP為電子供體進行反硝化時，硝酸鹽和亞硝酸鹽的變化情況

此外，對比圖1和圖2（下部）可以發(fā)現(xiàn)，當以NMP為電子供體進行反硝化時，在1.5～2 h內(nèi)，硝酸鹽的濃度接近于零.該實驗結果進一步證明：圖1中NMP的降解速率趨緩是因為硝酸鹽濃度趨于零，使電子受體缺乏而導致其降解速率減緩.

2.3　反硝化過程中NMP內(nèi)源氮素的歸趨

由于NMP是一種含氮雜環(huán)化合物，作為電子供體分別在C/N比為3，4和5的情況下進行反硝化反應時，內(nèi)源氮素以氨氮的形式釋放出來.其變化規(guī)律如圖3所示.從圖3中可以看出，隨著NMP初始質(zhì)量濃度的提高，所測得的NH4+-N質(zhì)量濃度反而減少.根據(jù)NMP分子式（C5H9NO），其理論上的COD與NH4+-N質(zhì)量濃度之比為13.7.這就說明，較高的COD質(zhì)量濃度有助于其中的碳源與NH4+-N一起合成微生物，即除了一部分用于還原硝酸以外，還有一部分用于微生物的合成.其中C/N為5時的結果是對應于圖2的實驗.從總的NH4+-N釋放量來看，對于初始質(zhì)量濃度為100 mg·L-1的NO3--N，按照C/N為5計算，加入的NMP質(zhì)量濃度約為260 mg·L-1，若NMP完全降解的話，應釋放出約37 mg·L-1的NH4+-N.但根據(jù)圖3所示，此時僅僅釋放出不足3 mg·L-1的NH4+-N.這就說明當NMP作為反硝化電子供體時，釋放的NH4+-N對總氮濃度的影響不大.

圖3　反硝化過程中從NMP釋放的NH4+-N

圖4　從NMP釋放出電子供體（H）的流向

2.4　從NMP釋放電子的分布

圖4是NMP在厭氧條件下其內(nèi)源電子和氮素的釋放以及分布.從圖4中可以清楚地看出，在生物降解過程中，每摩爾NMP可以釋放出的電子（H）當量為24 eq·mol-1，其中只需5 eq·mol-1用于自身氮元素的還原，另19 eq·mol-1可以用于外源硝酸鹽的還原，即79%的電子可供外源硝酸鹽的還原.

作為對比，當采用葡萄糖作為電子供體時，其通過水解釋放出電子的反應式為：C6H12O6+6H2O→6CO2+24H，從反應式可以看出，每摩爾葡萄糖釋放出的電子當量與NMP一樣，都是24 eq·mol-1，由于葡萄糖不含N元素，可以100%用于外源硝酸鹽的還原.此外，葡萄糖和NMP的分子質(zhì)量分別是180和99，因此單位質(zhì)量的葡萄糖能夠提供的電子當量為0.13 eq·mg-1，而NMP則可以提供0.24 eq·mg-1，扣除用于其內(nèi)源氮素的還原，單位質(zhì)量的NMP可以提供電子當量為0.19 eq·mg-1，即單位質(zhì)量的NMP釋放的電子當量多于葡萄糖.

該實驗和理論分析結果表明：雖然NMP是一種含氮雜環(huán)化合物，但可以作為電子供體用于反硝化反應.前述的實驗結果也證明了NMP可作為電子供體驅(qū)動反硝化反應.

3 結 論

通過利用NMP作為電子供體進行反硝化實驗，結果表明：利用其可生化性較好的特點，可以將其用作反硝化的電子供體促進硝酸鹽的還原.通過理論計算得出：NMP內(nèi)79%的電子供體可供外源硝酸鹽的還原.用NMP作為電子供體還原硝酸鹽時，其效果與葡萄糖一樣.因此，NMP生產(chǎn)過程中的精餾廢水是可以用于城鎮(zhèn)污水深度脫氮的.

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N-methyl pyrrolidone used as electron donor for denitrification

CHENSongyun1， ZHUXiaohui1， LIANGBin2， QUZhengye1， XIANGCaixin1， ZHANGYongming1*

（1.School of Environmental and Geographical Sciences， Shanghai Normal University， Shanghai 200234， China； 2.MYJ Chemical Co.， Ltd.， Puyang 457000， Henan， China）

N-methyl pyrrolidone（NMP），a nitrogen-containing heterocyclic compound，is widely used as a solvent in new energy technologies. In this work，NMP was used as an electron donor for denitrification because of its good biodegradability. Theoretical analysis showed that 79% of the electron equivalent generated from NMP can be used for reduction of exogenous nitrate. Experimental results documented that NMP functions similarly to glucose as an electron donor for denitrification. The results are of theoretical and practical significant for the utilization of wastewater containing NMP.

N-methyl pyrrolidone（NMP）； electron donor； denitrification； biodegradation

10.3969/J.ISSN.1000-5137.2022.04.014

2022-04-21

陳松筠（1996—）， 男， 博士研究生， 主要從事難降解有機物生物的降解及城市生活污水脫氮處理方面的研究. E-mail： soing_chen@qq.com

張永明（1958—）， 男， 教授， 主要從事污水深度脫氮及新型生物反應器開發(fā)等方面的研究. E-mail：zhym@shnu.edu.cn

陳松筠， 諸曉慧， 梁斌， 等. 以N?甲基吡咯烷酮為電子供體的反硝化 ［J］. 上海師范大學學報（自然科學版）， 2022，51（4）：492?498.

CHEN S Y， ZHU X H， LIANG B， et al. N?methyl pyrrolidone used as electron donor for denitrification ［J］.Journal of Shanghai Normal University（Natural Sciences）， 2022，51（4）：492?498.

X 522

1000-5137（2022）04-0492-07

（責任編輯：郁慧，馮珍珍）