含吡啶降解废水的降解方法及应用领域进展

一、引言

吡啶 (Py) 及其衍生物作为重要的含氮杂环化合物，在制药、农药、染料及化工合成等领域广泛应用，但由于其环境残留等问题日益突出。Py 这类化合物具有较高的化学稳定性和生物累积性，导致其在土壤和水体中的持久性残留。有研究表明，Py 类污染物在工业废水中的检出浓度可达 10-500mg/L ，且其代谢中间产物（如 Py-N- 氧化物）可能具有更高的生态毒性。传统的物理化学处理方法（如高级氧化、吸附）存在成本高、易产生二次污染等局限性，而生物降解因其环境友好性和经济性成为最具潜力的治理策略。近年来，随着组学技术和合成生物学的发展，Py降解菌的代谢网络及酶催化机制得到深入解析，为定向改造高效降解菌株提供了分子基础。本文综述了 Py 近年来生物降解在物理，化学，微生物等领域的最新进展，并探讨其在废水处理中的应用价值。

二、吡啶废水处理方法

以下是针对吡啶废水降解技术的全面分类与细分方法，涵盖物理法、化学法、微生物法及新兴跨界技术。

（一）物理法

1. 吸附法

活性炭吸附：对吡啶的吸附容量约 50--150mg/g(pH=7) 。在 0.05mol/L 氢氧化钠溶液中， 150^qC 下水热处理 ^3h 。改性后活性炭纤维对吡啶的最大吸附容量为： 103.58mg/g ，较未改性前提高了 14.47% 。改性黏土：有机膨润土对甲基吡啶的去除率 >80% 。经改良后将传统的膨润土中的 Na+ 离子改为 Ca2+ ，从而更易取代有机土中的有机分子。

2. 膜分离

渗透蒸发：硅橡胶膜对吡啶 / 水分离因子可达 15。等离子体聚合有机膜与多孔金属基片组成复合膜是一种有工业应用前景的有机分离膜制备技术，制膜工艺简单，效率高，有能力与蒸馏法共同组合成实用的乙醇分离工艺。

3. 蒸馏浓缩

减压蒸馏：最新的研究表面采用氯仿萃取游离出的吡啶，然后进行蒸馏，分离出吡啶。这种方法蒸馏温度比蒸馏法的蒸馏温度低30% ，降低了能耗；这种方法吡啶的回收率比蒸馏法高，平均回收率达 95% 以上。

4. 冷冻结晶

以自制催化剂通过醛氨法合成吡啶碱，回收提纯吡啶碱中具有高附加值的 3，5- 二甲基吡啶。低温结晶熔融法过程无需溶剂，无废液产生，是一种环保的分离方法。

（二）化学法

1. 湿式催化氧化（CWAO）

含 3- 甲基吡啶的高浓度农药废水 , 采用一般的方法很难实现有效治理 , 而湿式氧化法需要较高的温度及压力 , 增加了实现工业化的难度。催化湿式氧化法 (CWO) 能实现有机污染物的高效降解 , 同时可大大降低反应的温度和压力 , 使其工业应用成为可能 , 为高浓度难生物降解有机废水的处理提供了 - 种高效的途径，催化剂是催化湿式氧化的核心, 有不少研究者致力于研究开发新型高效的催化剂。

2. 超临界水氧化（SCWO）

超临界水氧化渊SCWO 冤法是一种新型的高级氧化处理技术。能够在短时间内有效降解高浓度难降解有机废水。反应中有机碳转化成二氧化碳，有机氮转化成氮气。氢，氧转化成水。卤素原子转化成卤化物的 离子。硫和磷分别转化为硫酸盐和磷酸盐，无二次污染。不论在去除效果还是处理时间上均优于常规方法。并且水具有催化剂和反应介质的双重作用。

（三）微生物法

1. 好氧生物降解

用聚集 - 交联法固定化不动杆菌，并在不同环境条件下对其降解吡啶的动力学进行研究。实验结果表明：在适宜条件下可高效降解吡啶，并适用于焦化废水的处理。

2. 厌氧生物还原

用聚集 - 交联法固定化胶质红环菌 , 并在微氧、厌氧条件下 , 对其降解吡啶的动力学进行研究。实验结果表明 : 在微氧、厌氧条件下将吡啶中的氮大部分转化为氨氮。

3. 共代谢降解

焦化废水中的吡啶具有较强的毒性、致畸性和致癌性且难以被有效降解，例如采用菌株 Achromobacter sp. 与葡萄糖共代谢作用以探究高效降解废水中的吡啶具有重要意义。可用于含有吡啶废水的高效处理，为其生物修复提供1 种新途径。

（四）新兴跨界技术（多机制融合）

1. 物理- 化学耦合

电吸附 - 氧化：以吡啶模拟废水为目标污染物，研究了 ATO-Nd-DSA 电极降解吡啶的最佳工艺条件和氧化行为。

光热催化：该研究通过将单原子 Ag 分散在铁电材料 BiOIO₃ 纳米片上，实现了光热 - 铁电协同催化效应。在太阳光驱动下，该催化剂可在 6 分钟内完全降解罗丹明 B（RhB），并高效处理四环素（TC）和环丙沙星（CIP）该策略为吡啶类污染物的高效降解提供了新思路

2. 化学 - 生物耦合

（1）化学预氧化 - 生物后处理

通 过 单 独 紫 外 辐 射 降 解 (Photolysis, P)、 单 独 生 物 降解 (Biodegradation, B) 以 及 紫 外 辐 射 与 生 物 同 步 耦 合 降 解(Photobiodegradation, P&B)3 种方法对吡啶进行降解，并对其降解规律、降解动力学以及降解过程中氨氮的释放规律进行研究，以证明紫外光解与生物膜同步耦合降解方法的高效性。

（2）生物电芬顿

提出了一种 MFC-PEC（微生物燃料电池 - 光电催化）耦合系统，用于高效降解含吡啶废水。MFC 阴极产生的 H₂O₂ 与 Fe²⁺ （来自阳极或外加）形成 Fenton 反应，同时光电催化系统进一步强化降解。该系统在生物电化学反应与光催化双重作用下，吡啶降解效率显著提高，且产电能力提升 20% .

3. 物理 - 生物耦合

（1）磁分离 - 生物强化

开发了一种核壳结构磁性微球（ Fe₃0₄@TiO₂@PMO ），用于固定吡啶降解菌（如假单胞菌）。微球外层具有纳米级孔道，可高效吸附并固定微生物，在外加磁场下回收率 >95%_< 。该材料同时具有光催化性能，可协同生物降解吡啶，提高矿化率。

（2）超声强化生物降解

采用 28kHz 、 （功率密度 0.05W/mL ）超声波处理活性污泥10 分钟，污泥的氧利用速率（OUR）提升 12.9% ，蛋白酶活力提高23.7% 。研究指出，超声通过增强细胞膜透性和底物传质，促进微生物对吡啶等难降解有机物的代谢效率。

（3）人工菌群分工

构建了由工程化大肠杆菌 HY1（强化羟基化双加氧酶）和铜绿假单胞菌 PH2（强化邻苯二酚 1,2- 双加氧酶）组成的人工混菌体系。分工机制：E. coli HY1 主导菲（PAHs 模型化合物）的初始氧化，生成 9,10- 二羟基菲或 1,2- 二羟基菲。P. aeruginosa PH2 负责苯环裂解，将中间产物通过儿茶酚途径进一步矿化。降解效率：在 100mg/L 菲的降解实验中，混菌体系的降解率（ 71-88% ）显著高于野生菌株（44-81%）。

（五）前沿探索方向

1. 单原子催化剂：（如 Fe-N₄/C ）替代生物酶，兼具高活性与稳定性。

2. 微生物- 半导体杂交系统：（如CdS-Shewanella）利用光生电子驱动代谢。

3. AI 预测降解路径：机器学习训练分子描述符与降解效率的关系模型。

3. 结论与展望

因含吡啶废水具有成分复杂、浓度波动大、生物抑制性强等特点，当前处理实践需根据废水特性（如初始浓度、共存污染物、处理规模等）选择 " 物理 - 化学 - 生物 " 多方法耦合的差异化技术路线。通过物理法的预处理降低负荷，化学法破解难降解结构，生物法实现深度矿化，形成技术互补优势，解决了单一方法适应性不足的核心瓶颈。多级联用体系的优化组合仍需系统研究，以平衡处理效率与经济性之间的矛盾。

作者简介：高纵策，男，汉族，在读研究生生物环境。