DMF廢水生物處理的研究進展
【上海純水設(shè)備行業(yè)新聞】
NN–二甲基甲酰胺（DMF一種性能優(yōu)良的有機溶劑，廣泛應(yīng)用于農(nóng)藥、醫(yī)藥、工業(yè)領(lǐng)域中。由于其具有毒性高、穩(wěn)定性高、難降解等特點，近年來關(guān)于DMF廢水的處置已成為國內(nèi)外研究的重點和難點。綜述了DMF廢水的生物處置研究進展，包括國內(nèi)外DMF高效降解菌、降解代謝研究進展以及DMF生物處置工藝研究進展，并對其未來發(fā)展前景進行了展望。NN-二甲基甲酰胺，簡稱DMF一種透明、接近無色的液體，極性較強，可與水、醚、醇、酯、酮、不飽和烴和芳烴等混溶，有“萬能溶劑”之稱。DMF醫(yī)藥、農(nóng)藥、工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用非常廣泛。醫(yī)藥上，其用于合成強力霉素、磺胺嘧啶等藥物；農(nóng)藥上，用于合成殺蟲脒；石油化工中，用作氣體吸收劑，用于分離和精制氣體。上海純水設(shè)備但在DMF生產(chǎn)和應(yīng)用過程中會產(chǎn)生DMF廢水，該廢水毒性高、難降解，對環(huán)境危害極大。因此，如何降低DMF廢水對環(huán)境的影響至關(guān)重要。
目前，對DMF廢水的處置主要有物理法、化學(xué)法、生物法。相較于物理法（萃取、吸附）化學(xué)法（Fenton氧化、光催化氧化）生物處置法具有環(huán)境友好、條件溫和、節(jié)約資源、分解產(chǎn)物無毒無害、物質(zhì)可以良性循環(huán)等優(yōu)點。對此，筆者對國內(nèi)外DMF廢水的生物處置研究進展進行了綜述，包括國內(nèi)外DMF高效降解菌、降解代謝研究進展以及DMF生物處置工藝研究進展，并對其未來發(fā)展前景進行了展望。
1DMF廢水生物降解菌研究現(xiàn)狀
高效降解菌是生物處置DMF重要組成局部，對此，國內(nèi)外開展了一系列關(guān)于DMF降解菌的研究。
01DMF降解菌基本特征
可以降解DMF降解菌主要有副球菌屬、產(chǎn)堿桿菌屬、假單胞菌屬、芽孢桿菌屬、慘白桿菌屬等幾大菌屬，常州純水設(shè)備其中副球菌屬為短桿狀，革蘭氏陰性菌，進行有氧呼吸代謝，對于DMF嘧啶一類物質(zhì)有很好的處置效果。產(chǎn)堿桿菌屬多為革蘭氏陰性菌，專性好氧且嚴(yán)格好氧代謝呼吸，有氧氣存在時，其以氧作為電子最終受體；當(dāng)氧氣缺乏時，以硝酸鹽或亞硝酸鹽作為電子受體。芽孢桿菌屬為革蘭氏陽性菌，一種有莢膜且嚴(yán)格需氧或兼性厭氧的桿菌，對有利條件具有特殊抵抗力。慘白桿菌屬為革蘭氏陰性菌，專性好氧，嚴(yán)格好氧呼吸代謝，能降解100mg/L間苯氧基苯甲醛。通過對比細(xì)胞脂肪酸成分、水解脂肪酸成分以及DNA 序列，可區(qū)分不同的DMF降解菌。表1以時間順序匯總了不同的DMF降解菌的最適pH溫度以及對DMF耐受性和對DMF去除效果。
雖然能夠降解DMF菌屬有很多，但是副球菌屬是降解DMF效果最好的菌屬之一。S.Swaroop等研究發(fā)現(xiàn)，Paracoccusp.strainDMF菌在利用DMF進行生長的過程中會短暫積累二甲基胺和甲基胺，最終轉(zhuǎn)化成氨氣和二氧化碳，將DMF降解。S.Sanjeevkumar等研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過生物強化，可以改變土著微生物對DMF處置效果。將SD1菌與土著菌按體積比3∶1混合，可使DMF降解率提高20%這可以降低實際工程應(yīng)用的經(jīng)濟本錢，并可提高DMF降解菌的利用效率。大多數(shù)DMF降解菌適宜的生長條件為溫度30℃，pH=7.0
目前，DMF降解菌對于＜1000mg/LDMF處置效果較好。由于DMF毒性較高，當(dāng)DMF濃度達到降解菌的最大接受濃度時，降解效果會出現(xiàn)大幅下降。因此，未來實際應(yīng)用中，應(yīng)嚴(yán)格控制DMF廢水所處的外部條件，提高DMF降解菌的活性，充分發(fā)揮其降解能力。
02提高DMF降解效率研究
DMF一種有毒有機溶劑，未經(jīng)處置的DMF降解菌很難接受高濃度的DMF但將降解菌包埋在合適的介質(zhì)中可提高其對DMF耐受性。S.Sanjeevkumar等采用PVA -海藻酸鈉基質(zhì)對DMF降解菌進行包埋處理，提高了降解菌對DMF降解效率。YahuiCai等采用聚合粒子對DMF降解菌進行固定化處理，同樣可以提高降解菌對DMF等溶解性有機物的生物降解能力。YuanZheng等采用甲基丙烯酸（MA A 和甲基丙烯酸丁酯（BMA 制備了一種新型微生物組分材料（PGO并將其用于對DMF降解吸附，結(jié)果標(biāo)明，其可完全去除2000mg/LDMF因此采用包埋、吸附等技術(shù)可以強化DMF降解菌的降解性能，提高DMF降解菌對DMF去除效率。
降解DMF過程中，廢水中的DMF可以作為降解菌的惟一碳源、氮源，但實際污水處置中經(jīng)常含有其他碳源、氮源，需要考慮其他碳源、氮源對DMF降解效率的影響。K.N.Nisha等考察了第二碳源（例如乙酸、葡萄糖等）存在時DMF降解效率，結(jié)果標(biāo)明，DMF降解率得到大幅度提高。外加乙酸，MKU1降解DMF效率提高到86.59%向MKU1中投加葡萄糖、MKU2中投加乙酸后，上海水處理設(shè)備2DMF降解代謝研究進展
01降解途徑
對于DMF降解菌的降解過程，目前已知的有2種降解途徑。第1種途徑是DMF酶的催化作用下，將DMF降解為二甲基胺（DMA 和甲酸鹽，DMA 再進一步轉(zhuǎn)化為甲基胺（MMA 最終氧化為NH3和CO2DMF得到降解。第2種途徑是甲酰胺酶催化作用下，經(jīng)過多次氧化生成甲酰胺，再將甲酰胺轉(zhuǎn)化成NH3和甲酸鹽，DMF得到降解。根據(jù)現(xiàn)有文獻報道，第1種途徑更合理。研究標(biāo)明，高濃度的DMF降解過程中會產(chǎn)生大量DMA 通過檢測其pH可知中間產(chǎn)物的pH為7.08.6進一步研究標(biāo)明，DMA 與MMA 均為降解DMF過程中的重要中間產(chǎn)物，由此可以判斷，DMF主要通過第1種途徑進行降解。
02酶與質(zhì)粒研究進展
酶作為細(xì)菌新陳代謝十分重要的物質(zhì)，對于細(xì)胞的生長繁殖至關(guān)重要。研究DMF降解酶對于提高DMF降解率以及了解DMF降解代謝機制具有重要意義。據(jù)報道，NN-二甲基甲酰胺水解酶（DMFase可以從PseudomonaDMF3/3中分離得到DMFase穩(wěn)定化最適溫度為20℃，最適pH為7.5DMFase活性最適溫度為40℃，最適pH為56DMF降解酶也可以從Alcaligensp.KUFA -1中分離純化，其分子質(zhì)量為180ku包括1個輕鏈和重鏈，其最適pH和溫度分別為6.6和55℃。
質(zhì)粒是細(xì)菌染色體外的遺傳物質(zhì)，可以攜帶宿主菌的某些遺傳性狀，因此研究質(zhì)粒對于未來DMF高效降解菌的批量生產(chǎn)具有重要意義。質(zhì)粒pA MI2攜帶有3種蛋白質(zhì)DmfR解碼基因，其中2種為DMFase副族（DmfA 1和DmfA 2另1種是催化高底物DMF反應(yīng)的酶。這些基因的選擇性表達對于處置高濃度DMF廢水具有重要意義。副球菌 JCM7686含有2種質(zhì)粒，一種是初級質(zhì)粒，對主體的生存至關(guān)重要；另一種是第2質(zhì)粒，對主體的生存也很重要，但在特定條件下可能發(fā)生進化。JCM7686可用于研究基因的多樣性以及這類細(xì)菌的進化過程。
3DMF生物處置工藝研究進展
生物處置法作為一種綠色、節(jié)能、環(huán)保的廢水處置方式，經(jīng)常被作為廢水處置中的二級處置。表2以時間順序匯總了國內(nèi)外關(guān)于DMFDMF類似物）生物處置工藝的研究效果。
01DMF生物處置機理分析
保守的處置工藝如EGSB由于具有抗沖擊能力強、占地面積小、負(fù)荷高、傳質(zhì)推動力高和混流效果好等特征，可用于處置高濃度工業(yè)廢水，但其對廢水中DMF處置機理尚不明確。新型工藝中，單獨使用混合式床生物膜反應(yīng)器和活性污泥反應(yīng)器，由于在處置DMF過程中，會生成NH3并提高pH對于DMF處置效果不是很理想。當(dāng)混合式床生物膜反應(yīng)器和活性污泥反應(yīng)器聯(lián)用時，可使pH堅持中性并可提高DMF處置濃度，DMF降解率明顯提升，達到94.17%生態(tài)水箱中，首先通過微生物對DMF進行降解，然后由浮游植物吸收或由微生物進行硝化，最終將DMF處置到地面水中最高容許質(zhì)量濃度推薦值25mg/L
02未來發(fā)展方向
由表2可以看出，處置對象與處置效果方面，國內(nèi)對于DMF處置采用的處置工藝通常對廢水中的COD去除效果較好，對DMF處置效果不理想；國外對于DMF處置采用的處置工藝對DMF處置效果明顯要好的多，DMF去除率≥80%從處置工藝上來說，保證出水水質(zhì)穩(wěn)定前提下，處置工藝逐漸從激進工藝向綠色、低碳環(huán)保方向轉(zhuǎn)變。未來的發(fā)展中，要借鑒國外的DMF處置技術(shù)，將其與國內(nèi)的DMF處置工藝相結(jié)合，設(shè)計出更加環(huán)保、處置效果更好的DMF處置工藝，以提高DMF去除效率，改善出水水質(zhì)。
4前景與展望
對于廢水中DMF處置，國外研究者傾向于采用金屬催化劑濕式氧化、TiO2光催化氧化和TiO2濕式氧化，其缺點是催化劑很難臨時發(fā)揮作用，且處置利息過高。國內(nèi)目前比較提倡的采用生物法，生物法具有利息低、環(huán)境友好、耗能低等優(yōu)點。由于DMF具有穩(wěn)定性高、降解性能差、可生化性差等特點，采用生物法去除DMF首先要提高其可生化性，再進行進一步處置。
DMF廢水生物處置的未來研究方向，首先要加強DMF廢水中的毒性研究， 常州水處理設(shè)備未來可以通過控制反應(yīng)器的初始參數(shù)（例如SBR啟動模式）達到降低DMF毒性目的另外通過比較廢水中的生物群落，判斷廢水毒性，以便進行進一步的生物處置。其次，關(guān)于DMF降解菌降解DMF機制還不十分明確，未來可以通過分離純化培養(yǎng)高效降解DMF菌株，尋找關(guān)鍵酶（DMFase表達的方式，尋找影響降解DMF效率的因素以及論證關(guān)鍵酶（DMFase菌株中高效表達的條件，得到DMF降解菌降解DMF細(xì)胞學(xué)解釋，為DMF降解回收以及甲酰胺、二甲基胺等難降解有機物的處置提供理論依據(jù)。最后，DMF處置利用上，未來的發(fā)展方向要以高濃度提純回收、低濃度生物降解為目標(biāo)，降低處置DMF廢水的本錢，提高生物處置DMF降解菌的效率，實現(xiàn)資源充分利用，減小能源消耗。同時，處置工藝方面，應(yīng)采用組合式處置方法，充分發(fā)揮生物法的優(yōu)勢，改善處置效果，提高處置效率。
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