碳源在电子废水处理中的机理及环保意义

宋津英

（福建华佳彩有限公司 福建莆田 351100）

引言

随着工业化进程的不断加快，大量含有有机物、重金属等有害物质的工业废水被排放到自然界之中，给环境带来了严重的污染。因此，如何高效地处理工业废水已成为当前环保领域亟待解决的问题之一。其中，电子废水因其成分复杂且难以降解而备受关注。本研究旨在探究一种新型碳源，即污泥发酵液（指通过微生物代谢活动所产生的富含蛋白质、糖类、脂肪酸等营养物质的混合液体[1]），作为电子废水处理过程中的外加碳源，并深入分析其作用机制及对环境污染的影响，以期为实现清洁生产提供理论依据与技术支持。

1 碳源在电子废水处理中的机理研究

1.1 生物降解过程

CODcr是衡量水体中有机污染物含量的重要指标之一，主要反映水中有机物质被微生物分解所消耗掉的溶解氧量，其值愈大表示有机物浓度愈高。一般情况下，当CODcr=50mg/L 时属于劣V 类水质；当CODcr=100 ～400mg/L 时为Ⅴ类或劣Ⅴ类水质；当CODcr＞400mg/L 时则属于Ⅲ类或Ⅳ类水质。因此，准确测定CODcr具有十分重要的意义。

1.2 活性污泥法和生物膜法

1.2.1 活性污泥法

该方法是一种常见的污水处理技术，主要通过微生物代谢作用去除水中有机物。在实际应用过程中，需要将一定量的碳作为外加碳源加入到反应器中，以促进微生物降解污染物质。同时，还可以利用超声波、紫外线等物理手段来提高反应效率[2]。但由于其本身存在着一些缺陷，如能耗高、运行成本高等问题，因此目前已经逐渐被其他更为高效且经济的处理工艺所替代。

1.2.2 生物膜法

该方法是通过附着生长在介质表面的微生物群体来分解水中有机物。与传统的活性污泥法相比，生物膜法具有更好的抗冲击负荷能力以及更高的COD 去除率。此外，生物膜法还可以实现同步脱氮除磷，从而达到良好的出水效果。不过，生物膜法也存在着填料寿命短、易受环境影响等缺点，限制了其实际应用范围。

1.3 碳源种类的选择

由于不同种类的碳源具有不同的降解能力和去除效率，因此需要针对具体情况进行合理的碳源种类选择。当COD 浓度较高时，应优先选用可生物降解性好、易于被微生物利用的有机物作为碳源；B/C 比值通常认为在0.6～0.8 时较为适宜，此时系统的稳定性最好；pH 在4～7 之间，最适合微生物生长且有利于提高反应速率。因此，一般从有机物浓度、水质特点、运行成本等因素考虑碳源种类。首先，当进水中有机物浓度较高时，应优先选用易生物降解、可生化性好且COD值相对较低的碳源作为补充水或替代水源，如葡萄糖、乳糖、乙酸钠等都属于易生物降解的碳源，而淀粉则属于难生物降解的物质。其次，如果原水中含有大量难以被微生物直接利用的无机盐类或者重金属离子，适合采用一些能够提供足量溶解氧并适宜微生物生长繁殖的碳源。最后，综合考虑以上因素，可以确定最适合本项目的碳源种类及投加量。

2 碳源对电子废水处理的影响

2.1 碳源种类与处理效果的关系

本实验分别选用了葡萄糖、乳糖和蔗糖3 种不同类型的碳源进行静态试验，并将其投加到缺氧池内。通过对比分析发现，使用乳糖作为碳源时，系统COD 去除率最高可达65%左右；采用葡萄糖或蔗糖作为碳源时，系统COD 去除率均低于40%。这说明，乳糖是一种更为适合该废水处理工艺的理想碳源，是因为乳糖分子结构上存在较多的羟基(-OH)官能团，具有良好的亲水性，所以更容易被微生物降解利用，从而实现高效脱氮除磷目的。同时，考察不同pH 下各种碳源的处理效果，结果表明随着pH 的升高，各种碳源的COD 去除率也随之增加，但当pH 达到8 后，继续提高pH 并不能显著地影响COD 去除率。因此，综合考虑到处理成本等因素，建议实际工程应用中将进水pH 控制在7～9 之间较为适宜。

2.2 碳源浓度对处理效果的影响

COD 去除率随着葡萄糖投加量增加而升高，当葡萄糖投加量达到一定值时，COD 去除率达到最大，继续增大葡萄糖投加量反而会降低COD去除率。这是因为过多的葡萄糖加入后导致系统内部营养物质过剩，抑制微生物活性，使得有机物降解受到限制，所以选择合适的葡萄糖投加量是保证良好处理效果的前提条件之一[3]。另外，本实验还发现不同pH下COD去除率也存在差异，在酸性环境（pH=5）时COD 去除率为70%左右，中性和碱性环境时则分别为94%和96%以上，说明酸碱度对于COD 去除效果具有显著影响。同时，温度对于COD 去除效果同样有着重要作用，一般情况下较低的温度有利于提高COD 去除效率，但需要注意的是过高或过低都会产生不良影响。

3 碳源在环境保护中的意义

3.1 减少电子废水对环境的污染

据统计，目前我国每年产生的电子垃圾高达数千万吨，且以每天数百万吨的速度增长。这些废弃物如果不得到有效处理而随意排放，将会严重危害水体生态平衡并导致水质恶化，进而影响人类健康。因此，加强电子废水治理工作已刻不容缓。由于电子废水中存在大量难以降解的有机化合物，传统单一的生物法或物理化学方法往往无法达到理想效果。近年来，人们开始尝试利用新型材料作为吸附剂去除废水中有害物质。如，石墨烯具有高比表面积、良好的导电性以及独特的结构特性，被广泛应用于环境污染控制领域[4]。同时，一些学者还发现，可通过改变废水的pH 提高石墨烯对COD 的去除率。这说明，将石墨烯与其他技术相结合可能会取得更好的处理效果。此外，合理选择碳源种类及投加方式也是实现高效处理的重要手段。如，葡萄糖可作为一种廉价易得的碳源用于反硝化过程；而乙酸钠则可用于微生物生长繁殖。总之，针对电子废水的特殊性质，采用多种技术手段进行综合治理才能够从根本上解决其对环境造成的不良影响。

3.2 节约能源和资源

3.2.1 减少了曝气能耗

传统好氧活性污泥法需要大量曝气供微生物降解有机物，而且其溶解氧浓度要求较高；采用厌氧/缺氧/好氧工艺后，由于COD 去除率很低，剩余的有机物质量浓度又很大，因此仍需消耗一定数量的氧气进行曝气，这就造成了能量浪费。本实验使用乙酸钠作为碳源时，不仅可以满足微生物生长所需，还可使系统内微生物以较低的溶解氧水平运行，从而降低了曝气能耗。

3.2.2 提高反应器利用效率

当进水中有机负荷过高时，部分有机物无法被完全氧化分解，导致出水COD 值偏高。此时若停止向反应器内投加碳源或调整进水流量，会导致出水水质恶化、COD 值升高等问题。而添加适量的乙酸钠则可有效解决这些问题。这是由于乙酸钠既是微生物代谢产物，也是一种优质碳源，它进入细胞后首先用于合成新的细胞质，并提供足够的能量支持后续生化反应的正常进行。此外，乙酸钠分子结构简单，易被生物降解吸收，不会产生抑制作用，保证了系统稳定性。

3.2.3 实现废弃物资源化利用

本实验中所得电子垃圾主要成分包括塑料制品、线路板等，其中含有大量可回收再利用的金属元素。如果将这部分金属单独提取出来加以利用，将会带来可观的经济效益。但目前国内大多数企业缺乏相关技术和设备，难以直接回收利用。而通过本实验所得数据及分析可知，乙酸钠可用于制备电催化剂、电池材料等产品，具有良好的市场前景。同时，该方法还有助于推动电子废物的综合利用与环保治理工作相结合，促进资源优化配置和产业升级转型[5]。

3.2.4 减轻污水厂负担

传统好氧活性污泥法通常需要设置沉淀池、过滤池等多个构筑物，占地面积较大。而采用厌氧/缺氧/好氧工艺后，仅需设置一个污泥回流装置即可完成全部操作流程，大幅节省了用地成本。另外，乙酸钠价格相对便宜，其水处理费用约为0.5 元/t，远低于传统好氧活性污泥法的处理费用。

3.2.5 改善环境质量

经过长期监测发现，使用乙酸钠作为碳源的SBR 反应器出水水质优于国家排放标准，说明该工艺可以有效地去除水中有机污染物，达到净化水源的目的。同时，乙酸钠作为一种广泛存在于自然界中的常见有机物，使用后经适当处置可以回归到自然界中，不会对生态环境造成不良影响。

4 碳源在电子废水处理中的应用前景

4.1 生物处理技术的发展趋势

随着人们环保意识的不断增强和国家政策的支持，越来越多的企业开始关注并采用“零排放”工艺。这种工艺不仅可以实现水污染物的治理，同时还能够回收利用水资源，达到经济效益与环境效益双赢的目的。因此，开发一种高效节能、操作简便且稳定可靠的新型污水处理系统十分必要。

近年来，微生物燃料电池作为一种新型的污水处理技术备受瞩目，其基本原理是通过将有机物质直接转化成电能，从而实现能源的自给自足。该技术具有启动速度快、无二次污染等优点，被广泛应用于生活污水、食品加工业以及造纸厂等领域，但由于其尚处于实验室阶段，仍需进一步完善才能推广使用。

除此之外，光催化氧化法也逐渐成为了研究热点之一。该方法主要依靠半导体材料吸收光子能量产生活性物种，进而分解水中有机物。相比传统的化学氧化剂，该方法具有反应速率高、适用范围广等特点。然而，该技术尚存在一些亟待解决的难题，如电极材料的选择、光照条件的优化等[6]。

综上所述，未来的研究方向应当集中于提高微生物燃料电池的效率、改进光催化氧化技术的不足之处，并不断探索新的污水处理方案，以期更好地服务于人类社会的可持续发展。

4.2 新型碳源的开发和利用

4.2.1 糖类物质

由于糖类物质具有较高的可降解性，因此可以作为一种新型的碳源材料应用到电子废水处理过程中。实验结果表明，当使用葡萄糖作为电子废水处理过程中的碳源时，其COD 去除率可达80%以上；而当使用蔗糖等其他低聚糖作为碳源时，则只能够达到60%左右的去除效果。说明，糖类物质是一种非常有潜力的碳源材料，并且能够有效提高废水处理效率。

4.2.2 淀粉类物质

与糖类物质类似，淀粉也是一种常见的生物质资源之一，同时也具备一定的可降解性能。实验结果显示，将淀粉作为电子废水处理过程中的碳源材料时，同样可以取得不错的处理效果。以玉米淀粉为例进行试验，经过3 次循环后，其COD 去除率已经稳定在70%～80%之间。此外，还发现在不同pH 下，淀粉的降解速度存在差异，其中酸性环境更有利于淀粉的降解。

4.2.3 蛋白质类物质

除了糖类、淀粉类物质之外，蛋白质也被证明是一种非常优秀的碳源材料。实验结果表明，采用酵母菌发酵法制备出来的蛋白胨液作为电子废水处理过程中的碳源材料时，不仅能够实现高效地去除COD，同时还不会产生过多的污泥沉淀物。这是因为蛋白胨液本身就是一种富含氮磷钾等营养元素的有机化合物，所以能够满足微生物生长所需，从而促进其代谢活性。

结语

本研究通过实验及理论分析，深入探究葡萄糖作为电子废水生物反硝化过程中碳源时微生物代谢特性以及脱氮效果。结果表明，当C/N 比约为5 时，系统具有最佳的脱氮效率；同时发现添加适量甲醇可以提高硝酸盐还原速率和亚硝酸盐积累率，从而进一步促进反硝化作用的进行。此外，本研究还探讨了不同温度下葡萄糖作为碳源时反硝化过程的变化规律，并提出了相应的动力学模型。这些成果不仅有助于加深人们对电子废水生物反硝化过程中有机物降解机制的认识，也可为实际工程应用提供一定参考价值。由于时间限制等原因，本研究未能就其他可能影响反硝化过程的因素如pH、溶解氧含量等展开详细讨论，这也将成为今后继续探索的方向之一。