劉娜，謝學(xué)輝，柳建設(shè)

（1東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201620；2國家環(huán)境保護紡織污染防治工程技術(shù)中心，上海 201620）

進展與述評

印染廢水水解酸化作用及其調(diào)控研究進展

劉娜1，2，謝學(xué)輝1，2，柳建設(shè)1，2

（1東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201620；2國家環(huán)境保護紡織污染防治工程技術(shù)中心，上海 201620）

闡述了水解酸化工藝的機理，介紹了其以獨立的工藝或與其他工藝相結(jié)合在印染廢水處理中的應(yīng)用，并分析了水解酸化過程中微生物及其產(chǎn)生的胞外酶的作用。另外，本文還總結(jié)了水解酸化階段的優(yōu)化調(diào)控方法，包括直接投加菌劑或共代謝基質(zhì)類物質(zhì)和投加激活劑，并概括了水解酸化調(diào)控效果的評價指標(biāo)，包括pH值、色度、揮發(fā)性脂肪酸VFA、BOD5/COD、有機物組成的變化、酶活、微生物種群結(jié)構(gòu)變化。目前，雖然水解酸化工藝在印染廢水處理中應(yīng)用廣泛且有所成效，但是對其中微生物的作用機制尚不十分了解，無法有針對性地對功能菌群進行優(yōu)化調(diào)控。本文提出在深入探討微生物作用機理的基礎(chǔ)上，針對功能菌群進行優(yōu)化調(diào)控，是提高水解酸化速率的一個有效途徑，從而最大限度地發(fā)揮水解酸化工藝在印染廢水處理中的作用。

印染廢水；水解酸化；微生物；調(diào)控

隨著經(jīng)濟和印染行業(yè)的快速發(fā)展，印染廢水的排放量也不斷增加。據(jù)統(tǒng)計約有10%～15%的染料在生產(chǎn)和使用過程中隨廢水排入環(huán)境，使得印染廢水占綜合排水量的 60%～80%[1-2]。染整行業(yè)所用的染料多數(shù)是合成染料，再加上一些新型助劑、PVA漿料等的加入，使印染廢水具有色度大、COD 變化大、有機物成分復(fù)雜且濃度高、堿性大、可生化性較差、有毒性、水質(zhì)水量變化較大等特點[3-4]，因此成為公認(rèn)最難處理的廢水之一。水解酸化工藝作為厭氧和好氧處理工藝的前處理工藝廣泛應(yīng)用在各種污水處理工程中，如印染、化工、造紙、制藥等行業(yè)的廢水處理過程[5-7]。水解酸化工藝由于對難降解有機物、COD、色度等都有一定的去除率，并且可以將大分子物質(zhì)降解為小分子物質(zhì)，從而提高廢水的可生化性，因此，將水解酸化作為獨立的生物處理工藝以及一種有效的預(yù)處理手段，加以強化和改善，廣泛用于印染廢水處理中，并取得了一定的成效。Wang等[8]利用混凝、水解酸化和芬頓氧化法對牛仔衣服廢水進行處理，結(jié)果表明，經(jīng)過預(yù)處理，廢水的BOD得到顯著提高，COD、 BOD、 SS、色度和芳香族化合物的去除率分別為95%、94%、97%、95% 和90%，為后續(xù)的芬頓氧化處理奠定良好的基礎(chǔ)，使得最終出水符合印染廢水排放標(biāo)準(zhǔn)。

水解酸化階段是通過水解菌、發(fā)酵細(xì)菌以及產(chǎn)酸菌等分泌出的胞外酶來實現(xiàn)的，微生物在水解酸化階段起著非常重要的作用。因此，為了提高水解酸化效率，通過了解水解酸化過程中微生物的作用機制，從而優(yōu)化調(diào)控水解酸化中的作用微生物，挖掘微生物的潛力成為一個具有發(fā)展前景的方向。

1 水解酸化工藝

1.1 水解酸化工藝機理

水解酸化工藝，一般來說，是在大量水解細(xì)菌和產(chǎn)酸菌作用下將不溶性有機物水解轉(zhuǎn)化為溶解性有機物，并且將難降解的大分子物質(zhì)降解轉(zhuǎn)化為易生物降解的小分子物質(zhì)的過程[9]。該工藝是在厭氧生物處理技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。厭氧發(fā)酵過程一般可以分為水解、酸化、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸和產(chǎn)甲烷四個階段[10]，而水解酸化過程是將反應(yīng)控制在第二階段，從而使其不進入第三階段，因此水解酸化工藝具有以下幾個優(yōu)點：可生化性較好；在常溫下進行，從而降低能耗；便于管理；不會產(chǎn)生不良?xì)馕?；?jié)省基建費用。所以，相比之下具有更廣闊的應(yīng)用前景。

1.2 水解酸化工藝在印染廢水處理中的應(yīng)用

印染廢水含有多種難降解有機物，排入環(huán)境后具有極大危害，特別是水環(huán)境。近年來，運用水解酸化工藝或與其他工藝相結(jié)合的方法被廣泛用于印染廢水的處理之中。

Wang等[11-12]采用水解好氧循環(huán)過程處理含蒽醌染料活性藍19（RB19）的廢水，染料濃度高達600mg/L。研究結(jié)果表明，色度主要由水解酸化階段去除，而COD 主要由好氧段去除，當(dāng)循環(huán)率為10mL/min時，COD和RB19在24h內(nèi)去除率分別達到91%和90%。類似地，金一中等[13]以水解酸化作為前處理工藝處理印染廢水也得到了很好的色度去除率，平均為70%，且其COD去除率平均也達到89.9%；在實際工程中應(yīng)用水解酸化（A）-好氧（O）-SBR工藝處理印染廢水，COD去除率平均為81.5%，色度去除率平均為66.7%，出水達到排放標(biāo)準(zhǔn)。Kong等[14]運用缺氧折流板反應(yīng)器（ABR）在5～31℃條件下預(yù)處理印染廢水，結(jié)果表明，當(dāng)水力停留時間為6h和8h時，BOD5/COD比從進水的0.3分別上升為出水的0.46和0.40，這說明，在常溫下，缺氧折流板反應(yīng)器對脫色和預(yù)處理印染廢水是非常有效的。同樣地，Wu等[15]利用缺氧折流板反應(yīng)器作為預(yù)處理工藝，與好氧接觸法相結(jié)合處理印染廢水，經(jīng)過ABR處理，色度去除率為92%，出水色度能夠達到國家紡織印染行業(yè)排放一級標(biāo)準(zhǔn)，而總的COD去除率為86.6%，出水COD可以達國家紡織印染行業(yè)排放二級標(biāo)準(zhǔn)。因此，以水解酸化作為預(yù)處理手段可有效提高印染廢水的色度去除率和可生化性，為后續(xù)深度處理奠定基礎(chǔ)。

2 微生物及其酶在水解酸化過程中的作用

水解酸化過程與其中的微生物作用密切相關(guān)。而其中的細(xì)菌種類和數(shù)量隨有機物的種類而不同，包括細(xì)菌、真菌以及原生動物。水解酸化是通過水解酸化菌分泌出的胞外酶來實現(xiàn)的，胞外酶在印染廢水脫色降解中扮演重要角色[16-18]。印染廢水處理過程中，微生物同樣起到不可小覷的作用。

Shah等[19]在缺氧條件下分離出一株糞產(chǎn)堿桿菌PMS-1，它對活性橙13的脫色率能達到24.75mg/(L·h)，另外，在脫色過程中，監(jiān)測了24h內(nèi)的木質(zhì)素過氧化物酶、漆酶、藜蘆醇氧化酶、酪氨酸酶偶氮還原酶、和NADH-DCIP還原酶的活性，結(jié)果表明，藜蘆醇氧化酶、酪氨酸酶和NADH-DCIP還原酶活性比對照組分別增強了33%、95%和99%，從而印證了菌株P(guān)MS-1是通過胞外酶作用來降解活性橙13。類似地，Lade等[20]在微氧環(huán)境下檢測混合菌群AP（由赭曲霉NCIM-1146和假單胞菌SUK1組成）對偶氮染料寶石紅GFL以及紡織廢水的脫色和解毒能力。通過對漆酶、偶氮還原酶、NADH-DCIP還原酶、藜蘆醇氧化酶活性的測定反映了混合菌群的協(xié)同作用，從而體現(xiàn)了酶作用在脫色過程中的重要性。

在印染廢水水解酸化過程中，起作用的微生物及其產(chǎn)生的酶種類繁多，微生物群體中的各類群之間相互協(xié)同、相互制約，從而達到脫色和提高廢水可生化性的雙重效果。水解酸化雖然在印染廢水的處理中應(yīng)用較為廣泛，但對其中微生物的作用機理研究尚少，如果能夠了解水解酸化過程中的相互作用機理，相信會對后續(xù)的優(yōu)化調(diào)控提供堅實的理論基礎(chǔ)。

3 水解酸化階段的優(yōu)化調(diào)控方法

水解酸化階段主要是通過水解酸化菌發(fā)揮作用的，因此，pH值、底物種類和形態(tài)、水力停留時間、污泥生物固體停留時間等對其效果具有一定影響，水解酸化過程作為一個獨立的處理單元，其處理效率還有很大的提升空間。通過了解水解酸化的作用機理，對水解酸化過程進行優(yōu)化調(diào)控成為一個具有良好發(fā)展前景的方向。其調(diào)控方法主要有投加菌劑、共代謝基質(zhì)類物質(zhì)和激活劑。

3.1 直接投加菌劑或共代謝基質(zhì)類物質(zhì)

投加菌劑的這種作用機制，首先需要通過生物技術(shù)手段得到一株或多株以目標(biāo)降解物質(zhì)為主要碳源或能源的高效微生物菌種，再經(jīng)培養(yǎng)繁殖后得到菌劑，接著投入到具有目標(biāo)降解物質(zhì)的廢水處理系統(tǒng)中。菌劑可以附著在載體上，也可以以游離的狀態(tài)存在。因此，投入一定量的菌劑，可有針對性地降解廢水中的目標(biāo)污染物，并可大大減少微生物馴化的時間[21]。1986年，我國第一次制成染料脫色優(yōu)良菌劑，其脫色能力強，攜帶方便，使用簡單，可為印染廢水生化處理提供優(yōu)良的菌劑[22]。近年來，國內(nèi)外學(xué)者也開發(fā)了各種菌劑，并將其投入處理系統(tǒng)使用，取得了不錯的成效。Khandare等[23]通過向廢水處理系統(tǒng)中投入細(xì)菌菌群，使得印染廢水得到更好的去除效果，在僅僅38h內(nèi)，COD、TOC、BOD、濁度、TSS和 TDS分別降低73%、52%、54%、57%、71% 和83%。

菌劑添加在水解酸化工藝的應(yīng)用也逐漸發(fā)展起來。徐灝龍等[24-25]將專性脫色菌投入到水解酸化階段對印染廢水進行處理，結(jié)果顯示，對色度的總?cè)コ蔬_到 80% 以上，提高了10%～20%。Lin等[26]將篩選出的對偶氮染料活性藍13具有降解能力的菌株L1投加到處理活性藍13的系統(tǒng)里后，總色度和COD去除率分別為83.2%和90.7%。因此可以看出，投加菌劑可以提高處理效果。

在通過投加菌劑對印染廢水進行處理時，投加適宜的共代謝底物對加強處理效果同樣十分重要。周集體等[27-29]通過加入一些外源物如蒽醌中間體對染料廢水脫色效果進行優(yōu)化調(diào)控。研究表明，在高鹽條件下，通過加入氧化還原中間體蒽醌對染料亮紅GR進行生物強化脫色，其最大脫色率可以高達700～800mg/(L·d)，增加了這個系統(tǒng)的處理效果[30]。Ong[31]和Forss[32]等也通過向處理系統(tǒng)中添加類似制劑增強菌群的處理效果。

3.2 投加激活劑

激活劑通常包括營養(yǎng)物質(zhì)、金屬離子、無機鹽和生長素等。通過向處理系統(tǒng)中加入激活劑提高作用微生物的活性，從而提高水解酸化效率。

Kurade等[33]研究了氮源和金屬鹽離子對不同結(jié)構(gòu)染料生物脫色效果的影響，，結(jié)果表明，當(dāng)以蛋白胨和酵母提取物為氮源時，脫色效果由原來的26%分別升高到50%和46%。Amar等[34]也指出在酵母提取物存在的情況下，脫色效率會有顯著提高。這可能歸因于酵母提取物的代謝，使得NADH得到再生，從而提高脫色率。另外，Ca2+可以誘導(dǎo)藜蘆醇氧化酶的活性。而Cu2+、Zn2+的存在卻減弱了脫色效果。同樣地，在對磺化偶氮染料C.I.活性橙16進行脫色研究時，Ca2+可以提高脫色率，而Mg2+、Cu2+、Fe3+和Zn2+則減弱了脫色效果[35-36]。

Feng等[37]將零價鐵加入?yún)捬跸勰噙^程，從而提高其水解酸化效率。結(jié)果表明，零價鐵顯著提高了蛋白質(zhì)和纖維素的分解，加入零價鐵后，蛋白質(zhì)降解率增加了21.9%，揮發(fā)性脂肪酸產(chǎn)生率增加了37.3%。在水解酸化過程中產(chǎn)生了更多的乙酸和更少的丙酸。近年來，零價鐵被廣泛應(yīng)用于廢水處理、凈化和土壤修復(fù)[38]。當(dāng)零價鐵被加入?yún)捬跸到y(tǒng)時，它可能會降低其氧化還原電位，從而為厭氧生物過程提供更有利的環(huán)境，把復(fù)雜有機物轉(zhuǎn)化成揮發(fā)性脂肪酸，提高水解酸化效率[39]。

通過向處理系統(tǒng)中添加激活劑增加處理效果的方法正在廣泛應(yīng)用于廢水處理中。在印染廢水處理中，除了上述激活劑外，一些農(nóng)業(yè)垃圾等也被用作底物來提高脫色率，可以起到以廢制廢的效果。目前，在印染廢水水解酸化過程中，通過激活劑對水解酸化階段的優(yōu)化調(diào)控尚且不多，還需要深入了解調(diào)控機制，從而進一步提高水解酸化效率。

4 印染廢水水解酸化調(diào)控效果的評價指標(biāo)

4.1 pH值

印染廢水成分復(fù)雜，其中的糖類、蛋白質(zhì)和脂肪等大分子物質(zhì)降解為各種脂肪酸后，將引起水解液的 pH 值下降。因此，通過測定反應(yīng)器進出水 pH值的變化可間接指示水解酸化的進程，這是最簡單可行的方法之一。 因此，pH值常被用來作為水解酸化進程最常用的指標(biāo)之一[40]。

4.2 色度

印染廢水因含有多種染料，所以顏色較深。在印染廢水處理工藝中，脫色過程主要發(fā)生在水解酸化階段[41]。所以，色度的變化可以作為其處理效果的指標(biāo)。例如，許多菌株如淺黃假單胞菌、假單胞菌、嗜水氣單胞菌等都可以在缺氧條件下對偶氮染料進行脫色[42-43]。

4.3 揮發(fā)性脂肪酸VFA

廢水中的有機物被水解酸化的產(chǎn)物一般為揮發(fā)性有機酸（VFA）。因此，測定反應(yīng)器進、出水VFA的變化，可直接反應(yīng)水解酸化反應(yīng)器的處理狀況。進出水的差異越大，說明水解酸化程度越好。這種方法是最方便、最常用、最準(zhǔn)確的一種方法[44]。 VFA常作為水解酸化的一個指標(biāo)來判斷有機物水解酸化的能力[45-47]。另外，VFA/堿度也常被用來表征水解酸化能力，比如，Li等[48]利用一個水解-好氧循環(huán)系統(tǒng)處理2,4-二氯苯酚，其中，通過檢測到VFA/堿度始終低于0.8，從而說明水解微生物的活性不但沒被抑制，而且維持在一個穩(wěn)定的水平。

4.4 BOD5/COD

BOD5/COD可用來表征印染廢水廢水的可生化性。印染廢水水解酸化池可以將不溶性有機物水解轉(zhuǎn)化為溶解性有機物，將難生物降解的大分子物質(zhì)降解為易生物降解的小分子物質(zhì)，進而提高廢水的可生化性，因此，進出水的 BOD5/COD值差值越大，表明水解酸化效果越好。

4.5 有機物組成的變化

通過水解酸化過程，一些大分子環(huán)狀結(jié)構(gòu)及長鏈結(jié)構(gòu)的有機物降解轉(zhuǎn)化為小分子、支鏈及短鏈結(jié)構(gòu)的有機物。因此，通過測定有機物種類可反映水解酸化的效果。檢測方法通常有紅外光譜、HPLC、GC-MS、LC-MS等。Forss等[49]利用厭氧-厭氧-好氧系統(tǒng)處理偶氮和蒽醌染料（活性紅2、活性黑5和活性藍4）時，采用LC-MS檢測生成的代謝物，結(jié)果顯示，兩種代謝物在厭氧處理后產(chǎn)生，但之后被好氧過程所降解。通過LC-MS結(jié)果可以跟蹤代謝物的來源和消除，從而進一步對降解機理進行剖析。

4.6 酶活

水解酸化是水解酸化菌分泌出的胞外酶對有機物進行降解的過程，因此檢測優(yōu)化調(diào)控前后酶的活性可以反映出微生物的活性，從而指示水解酸化進程[50]。這些酶包括水解酶（脲酶、蛋白酶、脂肪酶等）、氧化還原酶（脫氫酶、過氧化氫酶）等。Kurade等[51]在對印染廢水（含分散染料紅RR）進行脫色研究時，通過檢測混合菌群BL-GG藜蘆醇氧化酶、漆酶、酪氨酸酶和NADH-DCIP 還原酶的活性，從而反映脫色反應(yīng)的進行程度。

4.7 微生物種群結(jié)構(gòu)變化

隨著分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展，通過對微生物的檢測和監(jiān)測以及轉(zhuǎn)化基因的標(biāo)記可以反映水解酸化優(yōu)化調(diào)控的進程，基于聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)PCR、實時PCR的16srRNA和反轉(zhuǎn)錄PCR （RT-PCR） 技術(shù)以及PCR-DGGE（變形梯度凝膠電泳）技術(shù)已經(jīng)逐步成為微生物的監(jiān)測和定量的標(biāo)準(zhǔn)方法[52]。

Qu等[53]利用核糖體間隔基因分析技術(shù)檢測溴氨酸處理反應(yīng)器優(yōu)化前后的微生物多樣性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，投加菌后，土著菌與投加菌可以協(xié)同作用，且處理效果更加穩(wěn)定，COD去除率和脫色率分別高于50%和90%。王哲等[54]經(jīng)過PCR-DGGE 圖譜及相似性矩陣圖分析發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)優(yōu)化前后微生物群落種類、數(shù)量產(chǎn)生了明顯的變化，系統(tǒng)內(nèi)微生物優(yōu)勢種群得到了強化。Chi等[55]利用實時定量PCR和16SRNA實時定量PCR技術(shù)，通過追蹤硝基酚降解功能基因，對優(yōu)化調(diào)控過程中投加菌和土著菌進行監(jiān)測。通過變形梯度凝膠電泳（DGGE）檢測，結(jié)果顯示在優(yōu)化調(diào)控過程中，物種豐富度增加，另外種群參數(shù)顯示新加入的微生物對土著微生物的生長造成的影響較小。

隨著分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展，其在印染廢水處理系統(tǒng)中的應(yīng)用也越來越廣泛，加上其他檢測方法和手段，對探索印染廢水水解酸化機制具有重大意義。

5 結(jié)語與展望

水解酸化工藝作為獨立的處理單元，或與其他水處理工藝有機結(jié)合后，不僅能夠有效地提高了印染廢水的處理效率和可生化性，并且在一定程度上降低了有機物濃度和廢水處理的能耗，在實踐過程中也充分驗證了水解酸化工藝在印染廢水處理中具有廣闊的應(yīng)用前景。

雖然水解酸化工藝應(yīng)用在印染廢水處理領(lǐng)域的成功案例已有很多，但是對于水解酸化階段的研究尚不深入，其中微生物的作用機制還不明確，因此很難對其進行有效的調(diào)控。如果在現(xiàn)有理論的基礎(chǔ)上對其作用機理進行深入探討，再在掌握機理的基礎(chǔ)上，尋找合適的調(diào)控手段，則會起到事半功倍的效果，也能最大限度地發(fā)揮水解酸化工藝的功效。

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Functions and regulations of hydrolytic acidification in dyeing wastewater treatment：A review

LIU Na1，2，XIE Xuehui1，2，LIU Jianshe1，2
（1College of Environmental Science and Engineering，Donghua University，Shanghai 201620，China；2State Environmental Protection Engineering Ceter for Pollution Treatment and Control in Textile Industry，Shanghai 201620，China）

The paper sketched the mechanisms of hydrolytic acidification process，introduced the applications of the independent process or combined with other technologies in dyeing wastewater treatment，and analyzed the roles of microbes and extracellular enzymes in hydrolytic acidification process. This paper also summarized the optimization regulation methods of hydrolytic acidification stages，including adding microbial agents or co-metabolism matrixes and activators. The evaluation indexes of hydrolytic acidification regulation effect were generalized，including pH value，chromaticity，volatile fatty acids （VFA），BOD5/COD，variation of organic matters，enzyme activity and changes of microbial population. Currently，although hydrolytic acidification process is widely used and made some achievements in dyeing wastewater treatment，the mechanisms of microbes in it are still not clear making the specifically regulations of functional microbes difficult. This paper proposed an effective way to improve the rate of hydrolytic acidification by regulating the functional microbes based on studying microbial mechanism. The effects of hydrolytic acidification process in dyeing wastewater treatment may be maximized.

dyeing wastewater；hydrolytic acidification；microbes；regulation

X 522

A

1000-6613（2014）10-2758-06

10.3969/j.issn.1000-6613.2014.10.040

2014-03-04；修改稿日期：2014-05-13。

國家自然科學(xué)基金（21377023）、教育部博士點基金新教師類項目（20120075120014）、上海市自然科學(xué)基金青年基金（12ZR1440400）及上海市重點學(xué)科建設(shè)（B604）項目。

劉娜（1991—），女，博士研究生，主要研究方向為環(huán)境微生物。E-mail liuna900301@163.com。聯(lián)系人：謝學(xué)輝，博士，講師，主要從事環(huán)境微生物技術(shù)方向研究。E-mail xiexuehui@dhu.edu.cn。