以N-甲基吡咯烷酮为电子供体的反硝化

陈松筠， 诸晓慧， 梁斌， 曲征野， 项彩鑫， 张永明*

以N-甲基吡咯烷酮为电子供体的反硝化

陈松筠1， 诸晓慧1， 梁斌2， 曲征野1， 项彩鑫1， 张永明1*

（1.上海师范大学 环境与地理科学学院，上海 200234； 2.迈奇化学股份有限公司，河南 濮阳 457000）

含氮杂环化合物N-甲基吡咯烷酮（NMP）是新能源生产领域中常用的一种良好的工业溶剂.由于NMP在生产过程中所产生的废水具有较好的可生化性，因此NMP作为电子供体可用于反硝化反应.NMP是含氮杂环化合物，理论分析表明：当其用作电子供体进行反硝化反应时，有79%的电子可供外源硝酸盐的还原.实验结果也表明：NMP作为电子供体进行反硝化时，与葡萄糖具有同样的效果.该项研究成果对于NMP生产废水的综合利用具有重要的理论和现实意义.

N-甲基吡咯烷酮（NMP）； 电子供体； 反硝化； 生物降解

0 前 言

我国每年工业生产过程中所排放的废水量达到近260亿吨［1］，其中大部分工业废水难以用普通的生物方法进行降解.但也有不少工业废水具有良好的可生化性，而对于可生化性较好的高浓度工业废水，以往人们常常采用厌氧加好氧的方法进行处理［2-6］，但这些处理方法都是需要消耗较大的动力.近年来，人们改变了传统的思维，将一些高浓度且可生化性较好的废水作为资源.例如，将食品加工过程中的废水或废弃物作为外源电子供体，促进城镇污水处理厂的反硝化反应，以提高城镇生活污水总氮的去除率［7］.如用当地啤酒生产过程中的废水作为碳源（电子供体）用于反硝化反应，以提高城镇污水总氮的去除率，这既降低了城镇生活污水处理时外购碳源的成本，又使啤酒废水得到了有效处理［8］.工业废弃物或废水能否用作反硝化电子供体的先决条件就是其中是否含氮元素［9］.比如啤酒废水的特点就是几乎不含氮元素［10］，将它们作为反硝化电子供体是合适的.然而现实中有些工业废水，其可生化性虽然相对比较好，但却含氮杂环化合物.这一类废水是否可以像食品或啤酒废水一样用作反硝化的电子供体，至今几乎没有人做过尝试.N-甲基吡咯烷酮（分子式为C5H9NO，简称NMP）就是这类废水的一个典型代表，该含氮有机化合物的可生化性能良好［11-12］.NMP在实际生产过程中产生的精馏残液，长期以来都是当作高浓度的有机废水进行生物处理［13］.该精馏残液中NMP占80%以上.由于NMP是许多工业生产过程中，尤其是新能源——锂电池生产过程中需要的一种很好的化学溶剂［14-15］，随着国家大力发展新能源汽车等产业，NMP的市场需求量在不断扩大［16］，该精馏残液的产生量也不断增加.

此外，我国不少城镇污水处理厂排放的尾水中，总氮浓度不容易达到国家的排放标准［17-18］.其中大多数情况是总氮中的硝酸盐浓度偏高［19］.要使硝酸盐浓度降低，在水处理过程中需要提供足够的碳源作为电子供体以驱动反硝化的进行，使硝酸盐的浓度降低.通常硝酸盐的去除主要是通过反硝化反应实现，其反应式为：NO3-+5H→0.5N2+H2O+OH-，其中H（H=H++e-）表示为电子.在很多污水处理厂，都采用可生化性良好的有机化合物，诸如葡萄糖、乙酸钠或甲醇等作为电子供体［20-21］.但无论使用哪种化合物都提高了水处理的成本.

以往对含氮杂环化合物作为电子供体进行反硝化的研究或应用在国内外几乎都是一个空白.这是因为人们担心在生物降解过程中，含氮杂环化合物释放出的内源氮素会导致水中的总氮不降反升.长此以往，若按照传统方法进行处理，不仅成为企业的一个负担，还白白浪费了大量的资源.因此，将NMP精馏残液作为电子供体用于反硝化，具有非常重要的理论和现实意义.在本项研究中，将以NMP作为电子供体进行反硝化的实验，并与葡萄糖作为电子供体时的反硝化进行对比.通过该研究既解决了NMP精馏残液的处理问题，同时还为提高城镇污水处理厂中总氮的去除效率开辟了一条新的解决途径.

1 材料与方法

1.1　储备溶液的配制

实验所用的化学试剂均购自上海泰坦科技公司，溶液的配制使用去离子水，其电阻率为18.2 MΩ·cm.

NMP储备液（1 mol·L-1）：移取4.73 mL NMP至50 mL容量瓶，用去离子水定容后混匀备用，避光保存.

NO3--N储备液（20 gN·L-1）：称取30.354 g硝酸钠，用去离子水溶解，倒入250 mL容量瓶中，定容后混匀备用，避光保存.

磷酸盐缓冲溶液：称取4.260 g磷酸二氢钾和21.750 g磷酸氢二钾，用去离子水溶解，倒入1 000 mL容量瓶中，定容后混匀备用，避光保存.

N，P储备液（N和P的质量分数分别为5 g·L-1和1 g·L-1）：称取19.107 g氯化铵和4.390 g磷酸二氢钾，用去离子水溶解，倒入1 000 mL容量瓶中，定容后混匀备用，避光保存.

1.2　活性污泥的驯化

本研究所用的活性污泥取自上海长桥水质净化厂的二沉池，将该活性污泥用自来水清洗3次，沉降30 min后，分别取400 mL活性污泥加入2瓶1 000 mL的锥形瓶中，其中以NMP作电子供体的反硝化污泥的驯化如下：生物反应器以24 h为周期，其中23 h为生物反应时间，1 h为静置、换水时间，换水时需将静置后的锥形瓶中的上清液倒去，并加入新配制的硝酸盐溶液，定容后充氮气10 min，最后塞好橡胶瓶塞.为满足微生物生长需要，配置的营养液内需包含合适的碳源、氮源以及磷等微量元素，其中碳源的投加量以化学需氧量（COD）计.驯化开始阶段加入468 mg的葡萄糖（≈500 mg COD·L-1）以及5 mL的N，P储备液.当厌氧污泥初步具有生物活性后，逐步将碳源替换为NMP.具体操作为：每2天将93.7 mg的葡萄糖替换为0.76 mL NMP储备液，直至葡萄糖被全部替换为NMP.由于添加的NMP中已拥有充分的氮源，将5 mL的N，P储备液换为5 mL的磷酸盐缓冲液.随后，逐步加入硝酸盐溶液，以硝酸盐氮为0，20，40，60，80和100 mg·L-1的质量浓度梯度加入硝酸盐储备液，每2天提升一个浓度梯度等级.持续驯化60 d后，厌氧污泥具备以NMP为电子供体还原硝酸盐的能力.污泥的负荷为NMP：380 mg·L-1（≈500 mg COD·L-1）；NO3--N：100 mg·L-1，厌氧体系中COD与NO3--N的质量浓度之比，即碳氮比（C/N）为5.

另外一瓶活性污泥是以葡萄糖为电子供体反硝化污泥，当厌氧污泥加入葡萄糖，初步具有生物活性后，以同样的浓度梯度加入硝酸盐储备液，并加入5 mL N，P储备液，最终，污泥的负荷为葡萄糖：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污泥的驯化流程如下：以24 h为周期，其中23 h为生物反应时间，1 h为静置、换水时间，换水时需将静置后的量筒中的上清液倒去，并加入NMP储备液，定容后放入曝气装置，持续将空气泵入生物反应体系中.驯化开始阶段加入468 mg的葡萄糖以及5 mL的N，P储备液，随后逐步将葡萄糖替换为NMP，替换流程同以NMP作电子供体的反硝化污泥.污泥的负荷为NMP：380 mg·L-1（≈500 mg COD·L-1）.

1.3　NMP的生物降解

分别采用3种方法对NMP进行生物降解：（1） 将驯化好的反硝化污泥加入到1 000 mL的锥形瓶中，并加入NMP储备液3.8 mL至锥形瓶内，使初始NMP质量浓度约为380 mg·L-1，充氮气10 min后塞好橡胶瓶塞，置于磁力搅拌器上，在转速350 r·min-1和温度30 ℃条件下进行生物反应；（2） NMP浓度和实验步骤与方法（2）相同，但是加入初始浓度约100 mg·L-1的NO3--N；（3） 将驯化好的好氧污泥300 mL加入到1 000 mL量筒内，再加入等量的NMP储备液，使初始浓度为380 mg·L-1，在温度为30 ℃条件下连续曝气.上述实验每间隔一段时间取样分析水中NMP质量浓度和总有机碳质量浓度（TOC）.

1.4　以NMP为电子供体的反硝化

取200 mL NMP为电子供体的反硝化污泥于1 000 mL锥形瓶，混合液悬浮固体浓度（MLSS）为2 280 mg·L-1，加入3.8 mL NMP储备液，5 mL NO3--N储备液，6 mL磷酸盐缓冲溶液，最后用自来水定容至刻度.

另取200 mL葡萄糖为电子供体的反硝化污泥于1 000 mL锥形瓶，MLSS为2 420 mg·L-1，加入468 mg葡萄糖，5 mL NO3--N储备液，3～5 mL N，P储备液，最后用自来水定容至刻度.

2瓶反硝化污泥加入的NO3--N质量浓度均为100 mg·L-1，COD质量浓度均为500 mg·L-1，保持其C/N比为5，最后用高纯氮气充气10 min，密封瓶口后置于磁力搅拌器上，在转速为350 r·min-1和温度为30 ℃条件下进行反硝化反应.定期取样并检测溶液NH4+-N，NO2--N和NO3--N的质量浓度.

1.5　分析方法

TOC测定方法：使用总有机碳分析仪（岛津TOC-L CPN）测定水体中的TOC值.

三氮测试方法：使用离子色谱测定水体中的NO3--N和NO2--N含量，离子色谱的组成包括Dionex IonPac AS19 IC分析柱、阴离子抑制器和KOH淋洗液发生器，其中抑制器类型设定为ASRS_4 mm，电流设定为124 mA. NH4+-N的测试方法参考国家环境保护标准中的水杨酸分光光度法（HJ 536—2009），采用手动显色结合酶标仪测定其660 nm处吸光度的方法测定水体中的NH4+-N含量.

NMP测试方法：使用高效液相色谱（HPLC）测定水体中的NMP含量，反向色谱柱的型号为Agilent HC-C18（2） （5 μm，4.6 mm×150 mm），流动相设定参数为体积比（甲醇）∶（去离子水）=60∶40，检测波长为230 nm，柱温为40 ℃，流速为1 mL·min-1，保留时间约为2.16 min.

2 结果与讨论

2.1　NMP的生物降解特性

分别采用好氧、厌氧的方式对NMP进行生物降解，其结果如图1所示.从图1中可以看出，当采用单独厌氧的方法对NMP进行生物降解时，NMP几乎不降解，同时对应的TOC也基本不降.当对NMP进行好氧处理时，NMP很快得到降解，如图1上部所示，其降解速率可以用零级反应速率表示，其速率常数为170 mg·L-1∙h-1，对应的TOC也很快得到降解，如图1下部所示，其降解速率同样也可以用零级反应动力学描述，其速率常数为97 mg·L-1∙h-1.而同样在厌氧条件下，如果加入硝酸盐时，NMP和对应的TOC的降解速率迅速提高.它们的降解速率分为两段，在第一个阶段，NMP和对应的TOC的降解速率均与好氧解速率相近.这是因为硝酸盐加入后，作为电子供体的NMP有了电子受体，从而使该生物反应得以迅速提高.从图1中可以看出，NMP和对应的TOC的降解分为两个阶段，第一个阶段，它们的降解速率较快.但从1.5 h后，其降解速率明显降低，这是因为在厌氧条件下，NMP的降解需要有电子受体［6，23］.当作为电子受体的NO3-降至很低时，NMP的生物降解的驱动力逐渐消失，所以其降解速率明显降低.

图1　NMP分别在好氧、厌氧条件下的生物降解情况

上述实验结果表明：当加入硝酸盐后，NMP的生物降解可以明显加速，则该实验结果意味着NMP可以作为电子供体用于硝酸盐的还原.

2.2　以NMP和葡萄糖为电子供体进行反硝化的比较

图2　分别以葡萄糖和NMP为电子供体进行反硝化时，硝酸盐和亚硝酸盐的变化情况

此外，对比图1和图2（下部）可以发现，当以NMP为电子供体进行反硝化时，在1.5～2 h内，硝酸盐的浓度接近于零.该实验结果进一步证明：图1中NMP的降解速率趋缓是因为硝酸盐浓度趋于零，使电子受体缺乏而导致其降解速率减缓.

2.3　反硝化过程中NMP内源氮素的归趋

由于NMP是一种含氮杂环化合物，作为电子供体分别在C/N比为3，4和5的情况下进行反硝化反应时，内源氮素以氨氮的形式释放出来.其变化规律如图3所示.从图3中可以看出，随着NMP初始质量浓度的提高，所测得的NH4+-N质量浓度反而减少.根据NMP分子式（C5H9NO），其理论上的COD与NH4+-N质量浓度之比为13.7.这就说明，较高的COD质量浓度有助于其中的碳源与NH4+-N一起合成微生物，即除了一部分用于还原硝酸以外，还有一部分用于微生物的合成.其中C/N为5时的结果是对应于图2的实验.从总的NH4+-N释放量来看，对于初始质量浓度为100 mg·L-1的NO3--N，按照C/N为5计算，加入的NMP质量浓度约为260 mg·L-1，若NMP完全降解的话，应释放出约37 mg·L-1的NH4+-N.但根据图3所示，此时仅仅释放出不足3 mg·L-1的NH4+-N.这就说明当NMP作为反硝化电子供体时，释放的NH4+-N对总氮浓度的影响不大.

图3　反硝化过程中从NMP释放的NH4+-N

图4　从NMP释放出电子供体（H）的流向

2.4　从NMP释放电子的分布

图4是NMP在厌氧条件下其内源电子和氮素的释放以及分布.从图4中可以清楚地看出，在生物降解过程中，每摩尔NMP可以释放出的电子（H）当量为24 eq·mol-1，其中只需5 eq·mol-1用于自身氮元素的还原，另19 eq·mol-1可以用于外源硝酸盐的还原，即79%的电子可供外源硝酸盐的还原.

作为对比，当采用葡萄糖作为电子供体时，其通过水解释放出电子的反应式为：C6H12O6+6H2O→6CO2+24H，从反应式可以看出，每摩尔葡萄糖释放出的电子当量与NMP一样，都是24 eq·mol-1，由于葡萄糖不含N元素，可以100%用于外源硝酸盐的还原.此外，葡萄糖和NMP的分子质量分别是180和99，因此单位质量的葡萄糖能够提供的电子当量为0.13 eq·mg-1，而NMP则可以提供0.24 eq·mg-1，扣除用于其内源氮素的还原，单位质量的NMP可以提供电子当量为0.19 eq·mg-1，即单位质量的NMP释放的电子当量多于葡萄糖.

该实验和理论分析结果表明：虽然NMP是一种含氮杂环化合物，但可以作为电子供体用于反硝化反应.前述的实验结果也证明了NMP可作为电子供体驱动反硝化反应.

3 结 论

通过利用NMP作为电子供体进行反硝化实验，结果表明：利用其可生化性较好的特点，可以将其用作反硝化的电子供体促进硝酸盐的还原.通过理论计算得出：NMP内79%的电子供体可供外源硝酸盐的还原.用NMP作为电子供体还原硝酸盐时，其效果与葡萄糖一样.因此，NMP生产过程中的精馏废水是可以用于城镇污水深度脱氮的.

［1］ National Bureau of Statistics， Ministry of Ecology and Environment. China Environmental Statistics Yearbook 2020 ［M］. Beijing： China Statistics Press， 2021：39-39.

［2］ ZHANG Z J. Drainage Projects （Vol. 2） ［M］. 5th ed. Beijing： China Building Industry Press， 2014：741-771.

［3］ PENG D C. Water Pollution Control Engineering ［M］. 3rd ed. Beijing： Metallurgical Industry Press， 2009：93-102.

［4］ KŘÍŽEK K， RŮŽIČKA J， JULINOVÁ M， et al. N-methyl-2-pyrrolidone-degrading bacteria from activated sludge ［J］. Water Science and Technology， 2015，71（5）：776-782.

［5］ LOH C H， WU B， GE L， et al. High-strength N-methyl-2-pyrrolidone-containing process wastewater treatment using sequencing batch reactor and membrane bioreactor： a feasibility study ［J］. Chemosphere， 2018，194：534-542.

［6］ WANG J， LIU X， JIANG X， et al. Nitrate stimulation of N-methylpyrrolidone biodegradation by： metabolite mechanism and Genomic characterization ［J］. Bioresource Technology， 2019，294：122185.

［7］ MAHMOUD A， HAMZA R A， ELBESHBISHY E. Enhancement of denitrification efficiency using municipal and industrial waste fermentation liquids as external carbon sources ［J］. Science of the Total Environment，2022，816： 151578.

［8］ DUAN Y T， LIU F J， CHEN H， et al. Research on the feasibility of beer wastewater as an external carbon source to enhance nitrogen and phosphorus removal in the A2/O process ［J］. Journal of Anhui Agricultural Sciences， 2014，42（10）：3009-3013.

［9］ HE J， ZHOU S， HUANG S， et al. Pretreated corn husk hydrolysate as the carbon source for aerobic denitrification with low levels of N2O emission by thermophilicTAD1 ［J］. Water Air Soil Pollution， 2016，227：314-319.

［10］ WANG Y J， WU D， CHEN J C， et al. Research progress in the reuse of wastewater from brewery ［J］. Industrial Water Treatment， 2014，34（4）：5-9.

［11］ CHOW S T， NG T L. The biodegradation of N-methyl-2-pyrrolidone in water by sewage bacteria ［J］. Water Research， 1983，17（1）：117-118.

［12］ OCEGUERA-CERVANTES A， CARRILLO-GARCIA A， LOPEZ N， et al. Characterization of the polyurethanolytic activity of twosp. strains able to degrade polyurethane and N-methylpyrrolidone ［J］. Applied and Environmental Microbiology， 2007，73（19）：6214-6223.

［13］ WU Z L. Study on the wastewater treatment in the cogeneration device with the N-methyl pyrrolidone and gamma-butyrolacton ［J］. Fine and Specialty Chemicals， 2015，24（6）：44-47.

［14］ LI Z X， DONG W J， FENG J G. Latest production technology and market research of N-methyl pyrrolidone （NMP） ［J］. Gansu Science and Technology， 2007，23（1）：140-142.

［15］ ZHANG J， TANG J X. Analysis of production technology for N-methyl pyrrolidone ［J］. Synthetic Technology Application， 2011，26（4）：19-23.

［16］ PAN H， XIAO Q. Accelerate the development of high purity NMP to expand the electronic chemical market ［J］. Guangdong Science and Technology， 2018，27（11）：51-52.

［17］ GE S J， ZHU Y P， LU C C， et al. Full-scale demonstration of step feed concept for improving an anaerobic/anoxic/aerobic nutrient removal process ［J］. Bioresource Technology， 2012，120：305-313.

［18］ JIANG Z W， ZHANG Z H， CHEN L H， et al. Analysis of influencing factors of nitrogen removal in a denitrification biological filter ［J］. China Water and Wastewater， 2019，35（7）：101-106.

［19］ GUO Y M， WU Y H， GUO F， et al. Analysis of nitrogen and phosphorus removal in A2O and inverted A2O processes in a wastewater treatment plant ［J］. Chinese Journal of Environmental Engineering， 2015，9（5）：2185-2190.

［20］ ZHU Q R， CAO J S， ZHANG T， et al. Research progress of traditional and alternative carbon sources for denitrification in wastewater treatment plants ［J］. Applied Chemical Industry， 2021，50（6）：1600-1606.

［21］ ZHENG X Y， QIAO L L， WANG W， et al. Effects of carbon sources on operation and microbial population of denitrification biological filter ［J］. Chinese Journal of Environmental Engineering， 2018，12（5）：1434-1442.

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

陈松筠（1996—）， 男， 博士研究生， 主要从事难降解有机物生物的降解及城市生活污水脱氮处理方面的研究. E-mail： soing_chen@qq.com

张永明（1958—）， 男， 教授， 主要从事污水深度脱氮及新型生物反应器开发等方面的研究. E-mail：zhym@shnu.edu.cn

陈松筠， 诸晓慧， 梁斌， 等. 以N‒甲基吡咯烷酮为电子供体的反硝化 ［J］. 上海师范大学学报（自然科学版）， 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

（责任编辑：郁慧，冯珍珍）