近年來，研究者發現某些含有醌基結構的氧化還原介體，能夠作為電子傳遞載體，起到類似輔酶的作用，可逆地進行氧化和還原，加速電子傳遞進程，從而使生物氧化還原過程速率提高一個到幾個數量級。因此，可將含醌基的氧化還原介體應用于污水生物脫氮工藝以提高微生物降解有機物的速率，從而提高污水脫氮效率。隨著新的脫氮理論和脫氮工藝的不斷提出，醌介體在污水生物脫氮領域中的應用也在不斷發展和革新，從最初水溶性醌介體的直接應用到通過物理、化學等手段對其進行固定化制造出的非水溶性醌介體并將其應用于污水生物脫氮領域。
1、水溶性醌介體
水溶性醌介體的應用方法較為簡單，即將一種或者若干種醌介體直接投加于污水生物處理體系，以強化生物脫氮性能。但在其作用過程中，會受到環境、操作方式等因素的影響。
1.1 常/中溫（20～30℃）環境
一般認為，反硝化細菌的適宜溫度為30℃左右，為此，研究者們通過分析醌介體對硝酸鹽氮轉化速率和相關酶活性的影響及其作用位點，探究了常/中溫環境下醌介體對硝化、反硝化的促進作用。
①硝酸鹽氮轉化速率
在硝化和反硝化反應中，硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮的轉化速率是其限制因素，Aranda Tamaura等研究了蒽醌-2，6-二磺酸鈉（AQDS）、2-羥基-1，4-萘醌（LAW）和1，2-萘醌-4-磺酸鈉（NQS）對硝酸鹽氮轉化的影響，發現反硝化過程中醌介體對硝酸鹽氮的轉化具有促進作用，其中NQS對硝酸鹽的去除效果最好，為87μmol/L。李海波等采用間歇試驗法研究了4種結構相似的醌介體（蒽醌-2-磺酸鈉AQS、α-AQS、AQDS和1，5-AQDS）催化強化微生物反硝化過程，結果表明以上四種醌介體可使硝酸鹽氮降解速率提高1.14～1.63倍、總氮去除速率提高1.12～2.02倍，其順序為AQDS>1，5-AQDS>AQS>α-AQS。有學者則對醌介體加速亞硝酸鹽反硝化作用位點展開研究，如趙麗君等通過投加醌介體AQS探究其對亞硝酸鹽反硝化過程中間代謝產物的影響，發現AQS的加入有利于亞硝酸鹽降解位點處的輔酶Q接收電子并將電子傳遞給細胞色素以及細胞色素傳遞電子這兩段過程，在實驗結果中表現為AQS在亞硝酸鹽反硝化過程中促進了NO2-到N2O的轉化，但對細胞色素未參與的氧化亞氮還原酶（N2OR）電子轉移過程沒有加速作用。
②酶活性
在硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮的轉化過程中，酶活性的高低決定著其轉化速率的快慢，Yin等研究了蒽醌（AQ）、2-甲基-1，4-萘醌（ME）、LAW和AQDS4種醌介體對反硝化性能、硝酸鹽和亞硝酸鹽還原酶活性的影響。實驗結果表明，投加AQ、ME和LAW后總氮去除率分別是空白組的1.60、1.25和2.08倍。在4種氧化還原介體中，投加ME后氧化還原酶活性比對照組提高了約1.97倍，投加AQDS后亞硝酸鹽還原酶活性比對照組提高了約2.08倍。可見，投加某些醌介體可以在一定程度上提高某些酶的活性，從而提高硝化反應中間代謝產物的轉化速率。而趙麗君等在針對反硝化中間代謝產物的研究中推測AQS在亞硝酸鹽反硝化過程中起到了輔酶CoQ的作用，從而加速了細胞色素傳遞電子的全過程，這也從另一個研究角度印證了某些醌介體加速生物脫氮的機理。
綜上，在常/中溫環境中投加某些醌介體對生物脫氮效率的提高效果顯著。在生物脫氮過程中，某些醌介體可起到類似輔酶加速電子之間傳遞過程的作用，或是通過提高酶活性來提高中間代謝產物之間的轉化速率，從而加速硝化和反硝化速率。
1.2 低溫環境
鑒于常/低溫下投加醌介體強化污水生物脫氮的顯著效果，有研究者將醌介體應用于低溫污水生物脫氮領域，發現投加醌介體也同樣有利于反硝化過程的進行，提高了脫氮效果。苑宏英等研究了不同種類醌介體對脫氮效果的強化作用，在15、10和5℃的低溫條件下，投加NQS、AQDS和LAW3種介體，強化效果為NQS>LAW>AQDS，投加NQS介體能使脫氮效率和脫氮速率分別提高1.9倍和2.5倍。在此基礎上，根據污水廠冬季水溫特征和低溫脫氮影響規律，重點分析了不同操作條件對生物脫氮效率的影響。
①介體濃度及投加方式
苑宏英等在低溫（10±1）℃條件下研究了不同濃度的NQS對生物反硝化脫氮的影響，發現隨著介體投加濃度的增加，介體對脫氮效果的強化作用先升高后下降，介體投加濃度為200μmol/L時對生物脫氮的強化效果最佳，脫氮效率與速率均達到最大，相比空白試驗分別提高了1.7和2.7倍。苑宏英等以介體最佳濃度為基礎，研究了不同投加方式強化低溫污水生物反硝化脫氮的影響，實驗發現在序批式活性污泥系統（SBR）中（每天一個反應周期，每周期12h），NQS一次投加（在第一個閑置期投加，運行8d）和多次均勻投加（在閑置期連續投加7d）方式均可有效改善生物反硝化脫氮性能，介體濃度為200μmol/L時，采用一次投加方式，24h后對硝態氮、TN的去除率達到最大值（分別為93.93%和91.98%），分別是空白組的1.5倍和1.78倍。并且其4d后仍保持了較高的去除率，分別為82.32%和73.97%。而采用多次均勻投加方式，硝態氮、TN的去除率分別穩定在96.07%和96.70%，均是空白組的1.7倍，其略高于一次投加方式的原因可能是反應時間過長，介體被降解所致。
可見，改變介體濃度和介體的投加方式對NQS加速生物脫氮的影響非常顯著。在實際的污水處理系統運行過程中，可以根據實際的需要來選擇或調整不同的投加方式，以達到脫氮效率最大化。
②碳源及碳氮比
碳源是微生物進行生命活動必不可少的物質之一，不同碳氮比條件下微生物對有機物的去除效果存在差異，從而影響生物脫氮效果。苑宏英等研究了低溫下投加NQS時不同碳源（丙酸鈉、甲醇、乙醇及乙酸鈉）對污水生物反硝化脫氮的影響，發現丙酸鈉為碳源時的反硝化速率最高，其硝態氮、TN的最大去除率分別為61.50％和47.4%，效果均是其他碳源的4倍以上。在研究碳氮比對低溫投加NQS生物反硝化脫氮的影響過程中，發現碳氮比為1.8～4.7時，脫氮效率隨碳氮比的升高而升高；當碳氮比為4.7～6.5時，脫氮效率隨著碳氮比的升高而降低；當碳氮比為4.7左右時效果最好，總氮去除率最高為64.7%。對于脫氮速率，介體強化脫氮速率隨著碳氮比的升高而升高。
在實際生產中，肖海燕等考察了低溫條件下投加醌介體對豆制品廢水反硝化的影響。該研究對豆制品加工車間生產廢水進行了小試，研究了不同介體投加類型、投加量、pH、C/N和DO對反硝化脫氮的影響。結果表明，當溫度為15℃時，在pH=7、C/N=4、NQS投加量為0.15mmol/L的最優條件下，總氮去除率為20.6%，高于空白對照組（11.2%），并且該系統運行穩定，工藝可行。可見，在實驗研究和實際生產應用中，低溫下投加某些醌介體能夠提高生物脫氮速率，雖然處理效果最佳的介體不同，但是其工藝參數基本一致。因此，針對不同污水，可以通過改變介體種類、濃度、投加方式以及碳氮比等影響因素使其在實際應用中的處理效率達到最大化。
綜上可以看出，無論是在常/中溫環境還是在低溫環境中，水溶性醌介體對污水生物脫氮效率的提升都較明顯，在較低的投加量下，就可以達到兩倍以上的脫氮效果。隨著處理工藝的不斷革新以及對出水水質要求的提高，使用水溶性醌介體的弊端也逐漸顯現。水溶性的特點使其隨出水不斷流出，需不斷補充流失的醌介體，不僅造成了二次污染，而且增加了處理成本。于是有學者針對水溶性醌介體的弊端對其進行“改造”，非水溶性醌介體就應運而生，成為研究焦點。
2、非水溶性醌介體
非水溶性醌介體通過固定化技術，即利用物理、化學等手段將腐殖質/醌型化合物等氧化還原介體限制或定位于特定的空間區域，使其成為非水溶性且能保持生物催化功能并可反復利用。按照氧化還原介體與載體的結合方式可分為物理法、電化學法和合成化學法。經固定后的醌介體與載體之間具有共價鍵或范德華力等作用力，使主鍵結構得到加強，不易流失，因此氧化還原介體更加穩定。
①物理包埋法制備的醌介體
物理包埋法是將介體用載體“包裹”，將其限制在一定的空間，以增加單位體積介體的濃度，而微生物可以自由進出。Guo等采用包埋固定法探究了其對微生物反硝化過程的影響，結果表明經包埋固定后的蒽醌可使反硝化速率提高約2倍，且醌介體具有良好的重復利用性，并首次提出了新型非水溶性氧化還原介體催化生物反硝化技術（RMBDN）的概念。Liu等采用海藻酸鈣包埋法固定1，5-二氯蒽醌，探究其對微生物強化催化反硝化過程的影響，結果表明，當1，5-二氯蒽醌濃度為25mmol/L時，反硝化速率提高了2.1倍，且1，5-二氯蒽醌濃度在0～25mmol/L范圍內反硝化速率與其濃度正相關。Martinez等采用醋酸纖維素對六種醌介體（蒽醌、1-氯蒽醌、2-氯蒽醌、1，5-二氯蒽醌、1，8-二氯蒽醌和1，4，5，8-四氯蒽醌）進行包埋固定，研究表明1，5-二氯蒽醌加速生物降解硝酸鹽的效果最好，硝酸鹽去除率比空白組提高了1.84倍。
可見，經過物理包埋固定后的醌介體對反硝化速率的提高與水溶性醌介體相比略有下降，但依然保持了較好的催化效果，并具有很好的循環利用性。通過對醌介體投加濃度的比較，物理包埋醌介體若使反硝化速率提高2倍，其投加濃度為水溶性醌介體的100倍以上。采用物理法固定醌介體操作相對簡單且產物很容易得到，然而這種方法只是通過物理束縛作用將醌介體“捆綁”到相應載體上，在一定條件下醌介體很容易從載體上脫落下來。這就導致其傳遞電子的能力隨著反應的不斷進行而逐漸減弱，相應的脫氮效率也逐漸降低。
②電化學法制備的醌介體
電化學法是運用電化學的方法將醌介體固定在相應的載體上，使其變為水不溶性。Liu等采用電化學聚合摻雜技術制備了固定化氧化還原介體ACF/PPy/AQS，以探究其對反硝化過程的強化催化影響，該項研究表明其可以使反硝化速率提高約1.5倍；并且循環使用4次后，催化加速作用仍保持在90%以上。廉靜等利用循環伏安法制備了氧化還原介體（AQS/PPy/ACF），其應用的最佳條件為：介體投加濃度為1.57mmol/L，溫度為35℃，pH為8，C/N為6。該介體對亞硝酸鹽生物反硝化速率的改善效果明顯，并且循環使用4次后催化加速作用仍保持在80%以上，具有較好的催化穩定性。
可見，采用電化學法將醌介體固定化后，其對反硝化的加速效果仍可以達到水溶性醌介體的75%左右，并且催化穩定性較好。但是，該法首先要制備聚吡咯膜，制作過程復雜，對試驗精密度要求很高，其電化學控制參數、溶液特性、電極材料等因素影響較大，其中任何一個參數的略微變化都會導致制備的聚吡咯膜在性能上出現巨大的差異。因此，聚吡咯膜制備工藝的精密度要求限制了電化學法固定化技術在實際中的應用。
③合成化學法制備的醌介體
合成化學法是指利用化學合成的手段將水溶性醌介體進行固定化，從而得到新型非水溶性醌介體或者高分子非水溶性醌介體。Li等以1，8-二氯蒽醌、1，5-二氯蒽醌和1，4，5，8-四氯蒽醌為原料，運用新型醋酸纖維素固定化氧化還原介質技術（CE-RM）研究其對亞硝酸鹽反硝化過程的生物催化作用。結果表明，固定化1，4，5，8-四氯蒽醌的生物催化效果最好，亞硝酸鹽反硝化速率提高了2.3倍，且蒽醌結構中—Cl取代基的數量和位置決定了生物催化效果的差異。陳延明通過有機金屬催化劑催化及Friedel-Crafts反應分別制備出二氯蒽醌聚合物和醌基聚苯乙烯功能化合物這兩類含醌基的高分子功能材料，并研究了這兩類醌基高分子功能材料對微生物降解硝酸鹽、亞硝酸鹽的影響。結果表明，聚1，5-二氯蒽醌能大幅度推進微生物的反硝化進程，其體系對硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮的去除率均是空白體系的1.9倍；重復4次實驗，硝酸鹽氮去除率仍穩定在2倍左右，且1，5-二氯蒽醌具有較高的微生物催化活性和穩定性。司偉磊等通過Friedel-Crafts反應將5種醌基化合物接枝在氯甲基化聚苯乙烯大分子載體上，制備出5種醌基氯甲基化聚苯乙烯PBQ、PNQ、PAQ、PDMBQ、PMAQ，并研究了其脫氮速率。結果表明，這5種醌基材料作為非水溶性醌介體均能催化提高生物反硝化速率并表現出良好的循環使用性，其中效果最好的為PDMBQ體系，其硝酸鹽氮去除率比空白提高了1.48倍。侯正浩將聚氨酯（PU）與蒽醌類化合物反應，制備出蒽醌類聚氨酯材料，12h內對硝酸鹽的去除率達到62.5%，是空白實驗的1.3倍；且4種不同蒽醌聚氨酯材料在10h內對硝酸鹽的去除率均能達到85%以上。許晴等通過化學合成，將AQS固定在聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）上形成醌基功能型高分子生物載體（PET-AQS）并研究其在生物反硝化上的應用。研究表明，其加速生物反硝化效果明顯，且速率常數與載體投加濃度呈零級反應動力學；循環使用10次后，其反硝化速率均是空白體系的1.2倍以上，表明PET-AQS具有良好的重復利用穩定性，有利于實際應用。
與電化學法相比，合成化學法不需要提前制備聚吡咯膜，工藝精密度要求和生產成本相對低，生產制造要求沒有過高的局限性。與物理法相比，經此方法固定后的醌介體，不易從載體上脫落，穩定性好，并且所需介體的投加量少，更加節省原料。
3、結論與展望
①在水溶性醌介體的應用中，無論在常/中溫還是低溫環境下，雖然其投加量少，但可使生物脫氮速率及效率提高2倍以上。由于其水溶性導致其隨出水不斷流出，需不斷補充流失的醌介體，不僅造成了二次污染，而且增加了處理成本。
②對于非水溶性醌介體，經過物理、電化學及化學合成反應后，醌介體被限定于特定區域使其成為了水不溶性，并且保持了其催化加速作用，避免了因流出而導致的二次污染問題。其中，物理法由于將介體加以修飾，導致與污廢水的有效接觸面積減小，其脫氮效率和效果也隨之下降，為達到與水溶性醌介體相同的脫氮效率，其投加量甚至需要提高若干倍；化學法則由于載體吡咯膜生產成本及工藝要求精度較高，在實際廢水處理中并不經濟；合成化學法固定得到的高分子非水溶性醌介體在污水脫氮中的表現更為出色，脫氮效率可提高2倍左右，并且有著較好的重復利用穩定性，但其工藝還處于研究階段，還需進行深入研究以不斷完善。
③水溶性醌介體和非水溶性醌介體對生物脫氮速率和效率的提升是通過醌介體對硝酸鹽氮降解速率以及對相關酶活性產生影響而實現的。而溫度和操作條件的變化都是影響生物脫氮效率和速率的外界因素，在醌介體的應用中，應根據實際需要，調整介體濃度、介體投加方式、碳源、碳氮比等以保證生物脫氮的高效進行。
④醌介體在生物脫氮領域的應用解決了生物轉化速率和生物脫氮效率低的問題，并為建立高效污水生物脫氮系統提供了新的思路。目前，醌介體在應用中仍存在一些缺陷，還需更深入的實驗研究，以找到更加高效且經濟的介體合成方法，為新型醌介體應用于實際污水處理提供更可靠的依據。（來源：天津城建大學環境與市政工程學院，天津市水質科學與技術重點實驗室，基礎設施防護和環境綠色生物技術國際聯合研究中心）
