内置零价铁对偶氮染料废水厌氧处理的强化机理研究

偶氮染料是应用最广的染料类型。在生产和使用中，大量偶氮染料与有机助剂一起随水排放，其结构稳定，具有生物毒性，对环境构成破坏。当前，偶氮染料废水处理存在以下问题：(1)偶氮染料厌氧代谢慢，造成脱色效率低；(2)偶氮染料及其代谢产物芳胺对厌氧发酵产生毒性，造成有机物处理率低。零价铁作为价廉的还原剂，在环境修复中显示出较好的还原及生物促进作用。如将其内置于厌氧系统中处理偶氮染料废水，不仅可能提高偶氮还原代谢的速率，而且可促进厌氧产甲烷，增强厌氧系统对毒性污染的适应乃至降解能力，从而提高处理效率。本课题在前期工作基础上，拟开展以下研究：(1)内置零价铁对废水中偶氮染料降解的强化机理；(2)零价铁对偶氮染料废水中有机碳降解的强化机理；(3)内置零价铁减轻偶氮染料对有机物厌氧发酵抑制的作用机理。通过以上研究，为染料废水的厌氧零价铁处理技术奠定理论基础，并为其它难降解废水的厌氧处理提供借鉴。

厌氧是偶氮染料废水生化处理的第一步。由于染料废水具有较大毒性、生物降解性差，偶氮染料废水的厌氧处理效果较差，处理后出水的色度和有机物去除率均较低。针对这一问题，基于零价铁可以强化厌氧的还原氛围，促进厌氧发酵微生物的代谢，从而可能促进厌氧处理偶氮废水这一思路，我们将零价铁投加到厌氧装置内，处理偶氮废水，发现了内置零价铁强化厌氧处理偶氮染料废水原理，揭示了零价铁在厌氧种间电子传递中的作用。研究结果表明：零价铁可以促进种间氢电子传递，从而加快有机物的分解。零价铁的投加，可以降低厌氧反应器的氧化还原电位40-80 mV，使系统的pH更接近中性（提高0.5-1个pH单位），更有利于厌氧发酵和偶氮还原的微生物过程。零价铁可以强化嗜氢产甲烷和同型产乙酸菌的代谢，使其丰度提高10%以上，降低氢气含量和乙酸化的吉布斯自由能，推动厌氧发酵反应向右进行。零价铁还可以促进偶氮废水的还原脱色。零价铁使厌氧处理偶氮废水的色度和有机物去除率均上升20%以上，产气量和产甲烷量提高20-60%。由于零价铁使偶氮废水厌氧处理具有较高的抗冲击能力，除了厌氧发酵微生物活性得以改善之外，零价铁可以提高系统的生物多样性，大幅促进厌氧发酵酶和偶氮还原酶的活性。很重要的是，我们从厌氧系统中富集出具有高效脱色的新型电活性菌Sphingomonas DJ，这是因为零价铁在厌氧反应器内也可能被其它微生物过程氧化为三价水合物，诱发具有电活性的微生物的产生。在电场作用下，偶氮染料的厌氧还原脱色和有机物处理进一步得以改善，尤其是在高盐等冲击下效果表现的更加突出。. 以第一作者或通讯作者在Environ. Sci. Technol., Water Res.等SCI期刊上发表论文12篇（在IF>4.0以上发表11篇），其中2篇评为ESI高引论文（引用次数归入其学术领域中最优秀的 1%之列）。成果得到了比利时皇家科学院院士Verstraete W.等国际著名专家的重点引用和积极评价。本研究授权发明专利3项，其中1项为美国发明专利。所研发成果成功应用于制药、精细化工等行业高浓度毒性有机废水处理工程中，取得良好处理效果，获得用户的积极评价，取得良好的社会、经济和环境效益。获得中国石油和化工联合会青年科技突出贡献奖(2014)。