（市政工程专业论文）微量水平下生物共代谢4氯酚特性研究.pdf

摘要 4 一氯酚被广泛应用于化工、石油、医药、农药等产业，加氯消毒时也可能产 生低浓度的4 - 氯酚。4 一氯酚具有毒性，会致畸致癌，属于难生物降解有机物，会 在环境中累积。采用生物共代谢技术降解这些难生物降解的物质，对于环境保护 具有重要意义。 本论文主要考察了微量基质水平下4 一氯酚共代谢的影响因素，初步探讨了4 ， 氯酚共代谢降解途径。同时还对采用固相萃取技术萃取样品中的4 氯酚的条件进 行了探讨。结果表明采用固相萃取技术能提高仪器的最低检出浓度；分离出的假 单胞菌能在有生长基质存在的情况下，共代谢4 氯酚，其效果和采用的生长基质、 接种菌液量、生长基质和非生长基质的比例都有关系。当4 - 氯酚浓度为0 5 m g l 时，投加2 5 m g l 的葡萄糖作为生长基质时在2 4 h 内能取得更好的共代谢效果。 同时投加1 2 5 m g l 的葡萄糖和1 2 5 m g l 苯酚作为生长基质与单独采用苯酚作为 生长基质相比，降解4 一氯酚的效果更好，能达到1 0 0 的去除率。葡萄糖的投加 能减轻基质抑制和竞争作用，使苯酚和4 氯酚都得到完全降解。此外对于葡萄糖 作为生长基质的情况而言，生长基质相对非生长基质的投加比例越高，共代谢效 果就越好。4 氯酚的初始投加量也会影响共代谢的效果，当生长基质和非生长基 质的投加比例相同时，初始4 氯酚浓度低时的一组，在整个过程中4 氯酚的降解 百分率较高。说明在微量基质水平下，可利用碳源并不是微生物共代谢4 一氯酚的 主要限制因素，4 氯酚代谢中间产物的基质竞争和抑制作用才是影响共代谢的主 要原因。通过g c m s 测定4 氯酚降解的中间产物为苯酚，说明采用本次实验p h i 菌种降解4 氯酚时是先脱氯形成苯酚后开环。同时还证实了当采用苯酚作为生长 基质时4 氯酚降解很慢的原因，正是由于降解4 一氯酚时产生的中间产物苯酚与4 - 氯酚之间产生的基质竞争作用，从而抑制了4 氯酚的降解。 关键词：共代谢；影响因素；固相萃取；降解途径；生物降解；4 - 氯酚 硕士学位论文 a b s t r a c t 4 - c h l o r o p h e n o l ( 4 - c p ) i sw i d e l yu s e di nc h e m i c a l ，p e t r o l e u m ，m e d i c a li n d u s t r y c h l o r i z a t i o ni sa l s ol i k e l yt op r o d u c e4 - c h l o r o p h e n o lw h i c hb e l o n g st on o n d e g r a d - a b l es u b s t a n c e i t st o x i t yc a nl e a dt oc a n c e ra n da b n o r m a l i t y c o m e t a b o l i s mi su s e d t od e a lw i t hs u c hs u b s t a n c ew h i c hi so fg r e a ti m p o r t a n c ef o re n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n s t u d yw a sm a d eo nt h ei n f l u e n c ef a c t o r so nc o m e t a b o l i s mo f4 - c h l o r o p h e n o l w h c hi so nm i n i ml e v e l t h ec o m e t a b o l i ed e g r a d a t i o np a t h w a yo f4 - c h l o r o p h e n o la n d t h ec o n d i t i o n sa r ea l s od i s c u s s e d t h ee x p e r i m e n ts h o w st h a ts p ec a nh e i g h t e nt h e l i m i tc o n c e n t r a t i o no fm a c h i n ed e t e c t i o n t h ee x p e r i m e n t sr e s u l t si n d i c a t et h a tt h e p h e n o l - i n d u c e d b a c t e r i a b e l o n g i n g t op s e u d o m o n a sc a nc o m e t a b o l i c d e g r a d e 4 - c t l l o r o p h e n o lw h e ng r o w t hs u b s t r a t ei ss u p p l i e d t h ed e g r a d a t i o ni n f l u e n c ef a c t o r s i n c l u d et h ek i n do fg r o w t hs u b s t r a t e ，a m o u n to fi n o c u l a t i o nc u l t u r e ，c o n c e n t r a t i o n r a t i oo fg r o w t hs u b s t r a t et on o n g r o w t hs u b s t r a t e w h e ng l u c o s e ，w h i c hc o n c e n t r a t i o n i s 2 5 m g l i sc h o s e na sg r o w t hs u b s t r a t et h eb e t t e rd e g r a d a t i o ne f f e c ti s o b t a i n e d d u r i n gd e t e c tt i m e ( 2 4 h ) a sf o rm i x e ds u b s t r a t e si n c l u d i n g1 2 5 m g lg l u c o s ea n d 1 2 5 m g lp h e n o l ，t h e a d d i t i o no fg l u c o s ec a ni m p r o v et h ed e g r a d a t i o no f 4 - c h l o r o p h e n 0 1 4 - c h l o r o p h e n o lc a nb ec o m p l e t e l yd e g r a d e da t t h ed e p l e t i o no f p h e n 0 1 t h eh i g h e rc o n c e n t r a t i o nr a t i o so fg r o w t hs u b s t r a t et on o n - g r o w t hs u b s t r a t e ， t h eb e t t e rc o m e t a b o l i ed e g r a d a t i o ne f f e c tc a nb eo b t a i n e dw h e ng l u c o s ei sc h o s e na s g r o w t h s u b s t r a t e t h ei n i t i a lc o n c e n t r a t i o no f4 - c h l o r o p h e n o lw i l la f f e c tt h e c o m e t a b o l i s mw h e nc o n c e n t r a t i o nr a t i o so fg r o w t hs u b s t r a t et on o n g r o w t hs u b s t r a t e i saf i x e dv a l u e t h el o w e ri n i t i a lc o n c e n t r a t i o no f4 - c h l o r o p h e n o lc a nl c a dt ot h e h i g h e r4 - c h l o r o p h e n o ld e g r a d a t i o np e r c e n t a g ew h i c hi n d i c a t et h a tt h ec o n c e n t r a t i o n o fa v a i l a b l ec a r b o na n de n e r g ys o u r c e si sn o tt h em a i nl i m i tf a c t o r t h ei n h i b i t i o na n d c o m p e t i t i o n o fi n t e r m e d i a t em e t a b o l i t ei st h em a i nf a c t o r t h ei n t e r m e d i a t e m e t a b o l i t ed e t e r m i n e db yg c m ci sp h e n o l ，w h i c hs u g g e s t st h a tt h ec h l o r i n ei o nc a n b ee l i m i n a t e dp r i o rt ot h er i n gf i s s i o nr e a c t i o ni nt h e4 - c h l o r o p h e n o ld e g r a d a t i o n p a t h w a y t h er e s u l ta l s oe x p l a i n sw h y4 - c h l o r o p h e n o l i sc o m e t a b o l i cd e g r a d a t e d s l o w l yw h e np h e n o li su s e da sg r o w t hs u b s t r a t e i ti sj u s tb e c a u s eo ft h ec o m p e t i t i o n o fi n t e r m e d i a t em e t a b o l i t e ，t h a ti sp h e n o l ，i n h i b i tt h ed e g r a d a t i o no f4 - c h l o r o p h e n 0 1 1 1 微量水平f 生物共代谢4 氯酚特性研究 k e yw o r d s ：c o m e t a b o l i s m ；i n f l u e n c ef a c t o r ；s o l i dp h a s e e x t r a c t i o n ； d e g r a d a t i o np a t h w a yb i o l o g i c a ld e g r a d a t i o n ：4 - e h l o r o p h e n o l i l l 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名：弗- 翻屯 日期：油r 年朋才日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名： 导师签名： 掬屯 套陀 日期：汹年r 月明 日期：d f 年f 月，媚 硕士学位论文 第1 章绪论 随着工业的发展，尤其是有机化工、石油化工、医药、农药等生产工业的迅 速增长，各种工农业的生产废水以及城镇的生活污水未经适当处理直接排入水体， 对地表水源造成了极大的危害，水源水质急剧下降，环境污染也日益严重，其中 包括含酚废水，酚类物质中的氯酚属于生物难降解的有机污染物，具有高毒性和 生物累积性，以及在环境介质中的长期稳定性，严重威胁人类的健康。如何处理 这些物质，减少其对环境的污染，已引起了环境工作者广泛的关注。 1 1 水中酚类物质污染现状 我国七大水系中，长江干流污染较轻，水质基本良好。监测的6 7 7 的河段 为i 类和优于类水质，无超v 类水质的河段。主要污染指标为高锰酸盐指数， 其次为生化需氧量和挥发酚。黄河则面临污染和断流的双重压力。监测的6 6 7 的河段为类水质。主要污染指标为氨氮、挥发酚、高锰酸盐指数和生化需氧量。 大辽河水系总体水质较差，污染严重。监测的5 0 的河段为超v 类水质。主要污 染指标为氨氮、总汞、挥发酚、生化需氧量和高锰酸盐指数。松花江水质与往年 相比有所改善，监测的7 0 6 的河段为类水质，主要污染指标为高锰酸盐指数、 挥发酚和生化需氧量【l 】。海河流域2 0 0 4 年的水质公报显示：滦河干流上板城断面 水质劣于v 类超标项目为氨氮( 超标2 1 倍) 。乌龙矶断面水质劣于v 类，超标项 目为氨氮( 超标1 6 倍) 、挥发酚( 超标0 2 倍) ；瀑河平泉断面水质劣于v 类，超 标项目为高锰酸盐指数( 超标2 3 倍) 、氨氮( 超标1 4 9 倍) 、挥发酚( 超标15 5 倍) 和溶解氧( 2 3 m g l ) 。1 9 9 2 年国家环保总局的环境公报显示：黄河流域在评 价的7 0 5 7 公里河长中主要污染物是耗氧有机物、氨氮、挥发酚。淮河流域水污 染较重，干流先后出现两次大范围污染，影响到淮南、蚌埠等城市的生产、生活 供水，主要污染物是耗氧有机物、氨氮、挥发酚。城市地表水污染普遍且严重， 8 5 7 的城市河流部分监测项目平均值超标，8 0 的城市河段受到不同程度的污 染。大同市御河、徐州市奎河、汾河太原段、济南市小清河、张家口市洋河等河 流污染尤为严重。主要污染物力挥发酚、氨氮、耗氧有机物、石油类等。 1 9 9 2 年，全国废水排放总量3 6 6 5 亿吨( 不包括乡镇工业，下同) ，比上年增 长9 ，其中工业废水排放量2 3 3 9 亿吨，其中挥发酚排放量6 4 2 5 吨。长江流域 重庆、武汉、南京、上海等主要城市河段近岸水域污染较重，主要污染物是耗氧 有机物、氨氮、挥发酚，部分河段总汞超标。苏州、无锡、常州三市工业废水排 放量为2 0 0 万m 3 d ，污水处理率为全国之首，但符合排放标准的也仅为5 0 左右。 微量水平下生物共代谢4 氯酚特性研究 而且出于运河水量不足，河水中污染比率高，水质大部分低于地表水环境质量 类标准，尤其城区河段最为严重，污染物以挥发酚、氨氮和石油类为主，经常发 生黑臭，市区饮水告急。工业污水等的排放产生的生物难降解有机物的污染对环 境和人类的生存产生了极大的危害，比如吉林省的二松江中就检测出了2 6 4 种有 机污染物，其中酚类化合物主要有苯酚、2 一甲基酚、3 甲基酚、4 氯酚、五氯酚、 2 ，4 一二氯酚、对甲酚、2 硝基酚、2 氟酚、4 一叔丁基酚、2 ，4 ，5 - 三氯酚、2 , 4 6 三溴酚等怛j ，其中，苯酚、4 氯酚、五氯酚、2 ，4 一二氯酚为美国清洁水管理的优 先污染物，这些物质大多对生物都有毒性作用，具有生物难降解性。受污染河流 两岸的土壤、粮食、地下水中也都检出有毒有害污染物。沿江居民的心血管病和 肿瘤发病率明显高于相对清洁地区。 1 2 环境中酚类有机污染物的性质及来源 酚类化合物，包括苯酚及其烷基、硝基、氯代衍生物等酚类化合物，是原生 质有毒物质，它可以通过皮肤粘膜的接触、吸收和经口服而侵入人体内部，与细 胞原浆中的蛋白质结合后能产生不溶性蛋白质，使细胞失去活性。高浓度可使蛋 白质凝固并引起组织损失、坏死。这类化合物在水中的溶解度大，是有毒外来化合 物的一大类，其毒性随着氯化程度的增加而增加，另外氯酚的毒性还在于它很难被 微生物直接利用。酚的动物半致死量较低，毒性较高，排水系统中对酚类化合物 的要求较高，饮用水要求酚的浓度不超过0 0 0 2 m g l ，对于三级排放水域则要求浓 度不超过l m g l 。长期饮用被酚污染的水源，会出现头疼，头晕，失眠，白血球 下降等症状。含酚浓度高的废水不宣于用于农田灌溉，否则，会使农作物枯死或 减产。酚类对水生生物的影响也很大，水体遭受低浓度酚污染时，影响鱼的回流 繁殖；浓度高时，危害鱼虾及它们的饵料生物，使鱼类大量死亡，甚至在水产品 中积累而发出异臭，危害人体健康。酚类物质不仅毒性大，而且大多数氯代酚在 环境中残留时间长，不易分解，在水环境中会沉积于低泥中，对环境造成持久性 危害。 环境中酚类污染物主要来自炼油、煤气洗涤、炼焦、造纸、合成氨、木材防 腐和化工废水。苯酚及其硝基、氯代衍生物都是重要的工业有机化台物，被广泛 用作防腐剂、农药、杀虫剂和灭菌剂等。在燃料、塑料及制药等生产过程中往往 会产生氯酚类物质。含氯杀虫剂在自然环境中经过水解、氧化及微生物的部分降 解作用也会产生氯酚类物质。此外，由于氯酚类物质在工业中的广泛应用及其不 充分的处理以及事故性的泄漏、天然或合成化合物的转化、工业废水的排放等原 因，已经使这类物质广泛存在于各种环境介质中。在城市和工业废物中经常可以 检测到氯酚。在水中也也能检测到该物质，尽管城市污水中酚类物质的浓度相对 较低，但对于总量控制来说，其排放量仍相当可观。而且含酚废水排入土壤后， 硕士学位论文 也会在土壤中滞留，从而对生态环境和人体健康造成严重威胁。它们容易穿透常 规水污染控制工程屏障，进入自然环境并长期存留和富集。在饮用水中，如果含 酚量较高，因其光降解和挥发性在常温常压下并不是主要的降解途径，在加氯消 毒过程中会产生一系列氯代酚及其衍生物。 水体是最易受酚类污染的环境介质。如武汉市葛店化工厂等以氯碱工业为主 的工厂排放的含大量氯代有机物对鸭儿湖已产生了严重的污染。1 9 8 3 年，全世界 仅五氯酚( p c p ) 的生产量估计就有5 1 0 4 吨1 3 】。此外，每年为防治血吸虫投加的五 氯酚钠灭螺剂都在万吨级水平，使得水体中也被人为增加了五氯酚物质。但目前 对这些水体中得酚类污染状态的研究不够深入，尤其使在寻求一种较为经济、高 效的去除酚类物质的方法上，还有大量的工作要做。 1 3 含酚废水的物化处理方法 1 3 1 含酚废水的物理处理方法 去除水中酚类物质的物理方法有盐析法、混凝沉降、气提法、吸附法、萃取 法、反渗透、膜技术法等。汽提法可以去除高酚量，但是，如果不将蒸汽回收， 易造成二次污染。吸附法是最常见的含酚废水物理处理方法，既可用作一级处理 回收利用废水中的酚，也可用作废水后续深度处理。吸附法又包括树脂吸附法、 活性碳吸附法，但吸附剂的再生费用较为昂贵。萃取法是从高浓度含酚废水中回 收酚类物质的主要方法，它不仅可回收挥发酚，也可回收不挥发酚。目前对于该 法的研究主要集中于新型萃取剂的研制。对于含量不高的酸性酚类混合物，如苯 酚，一般含最1 0 0 6 0 0 m l l 的含酚废水，可用离子交换法经济的回收。此外，利 用反渗透和超滤的膜处理法也可对含酚废水进行深度处理。 1 3 2 含酚废水的化学处理方法 含酚废水的化学处理有化学沉淀和化学氧化法。化学沉淀法主要使形成溶解 度更小的碳酸酯或磷酸酯而去除，也可用甲醛缩合成聚合物与乌洛托品形成包结 物而去除。化学氧化法主要是利用空气、过氧化物、臭氧、氯系氧化剂或光照等 对酚进行降解。对于低浓度含酚废水，采用氯化处理较为普遍，但是容易产生氯 酚。二氧化氯尽管氧化能力比氯强，能有效地在酸性或碱性和较高温度的条件下 使用，但是对低浓度含酚废水地处理用量较大，价格昂贵。过氧化物和臭氧法都 有较好地处理效果，但都存在经济效益的问题。张锦等人研究了新生态水合二氧 化锰对水中酚类化合物的吸附和氧化【4 1 ，郑红等人研究了锰矿砂对取代酚的光氧 化作用【5 1 。此外，在难降解有机废水处理技术中，近年来发展了以生产氧化自由 基为主的氧化技术，它是利用高活性自由基进攻大分子有机物并与之反应，从而 破坏有机物分子结构的原理达到去除有机物的目。根据产生自由基的方式和反应 微量水平下生物共代谢4 氯酚特性研究 条件的不同，氧化技术包括湿式空气( 催化) 氧化法、超临界水( 催化) 氧化法、 光化学( 催化) 氧化法、低温等离子体氧化法等。陈银生等利用高压超窄脉冲放 电产生低温等离子体法，降解以4 氯酚为代表的废水中酚类物质。 1 4 含酚废水的生物处理方法 根据有机污染物与微生物的相互关系可以将有机污染物分为四类：( 1 ) 可以立 即被微生物利用作为能量和营养来源的；( 2 ) 能够逐步被微生物分解利用的；( 3 ) 生物降解十分缓慢或者根本不能降解的；( 4 ) 可以通过共代谢作用分解的。有机污 染物与微生物这四类关系不是固定的，不同微生物种属对同一种有机污染物的反 应也是不同的。所以，针对不同的有机物其生物处理方法也有不同。 生物法是目前应用比较广泛的含酚废水处理技术。它利用微生物新陈代谢作 用使废水中的酚类物质被降解并转化为无害物质。该法具有应用范围广、处理能 力大、设备简单和比较经济的优点。含酚废水中，大部分有机污染物( 包括一些 有毒物质) 是可以被生物降解的，例如苯酚就能被多种微生物降解，包括驯化的 纯菌种、混合菌种、丝状菌等【6 17 1 。当然有时是需要结合一些新技术，比如利用 共代谢技术来降解一些难生物降解的酚类物质。生物处理方法主要有活性污泥法、 生物膜以及在两者基础上发展的新型生物处理技术如氧化沟技术、s b r 工艺、生 物膜反应器、固定化细胞及基因工程技术。 1 4 1 生物膜法 生物膜法也属于好氧生物处理法。该法是依靠附于固体表面的微生物来净化 有机物的。生物膜法的特点是：附着于固体表面的微生物对废水水质，水量的变 化有较强的适应性，和活性污泥法相比，管理方便；由于微生物附着于固体表面， 使得世代周期较长的微生物也能生存，从而构成了稳定的生态体系。剩余污泥量 少，比活性污泥法的产泥率低。 但是，由于附着于固体表面的微生物量难以控制，因而在运行操作上伸缩性 差；而且多采用自然通风供氧，在生物膜内层往往形成厌氧层，就减少了具有净 化功能的有效容积。随着生物膜法的发展，逐渐出现了生物流化床法和固定化细 胞技术等。 1 4 2 活性污泥法 活性污泥法的处理系统占地面积少，处理效率高。广泛应用于处理城市污水。 按照微生物在曝气池中增长和分布的特点来分，大致可归纳为推流式系统和完全 混合式系统两种类型。活性污泥指的是向废水连续通入空气一段时问后，由好氧 性微生物繁殖而形成的污泥絮凝物，是由大量活性微生物为主体，主要包括菌胶 团细菌、原生动物和后生动物，此外，还有一些无机物。活性污泥法就是以废水 4 微餐水平f 生物共代谢4 - 氯酚特性研究 条件的不同，氧化技术包括湿式空气( 催化) 氧化法、超临界水( 催化) 氧化法、 光化学( 催化) 氧化法、低温等离子体氧化法等。陈银生等利用高压超窄脉冲放 电产生低温等离子体法，降解以4 氯酚为代表的废水中酚类物质。 1 4 含酚废水的生物处理方法 根据有机污染物与微生物的相互关系可以将有机污染物分为四类：( 1 1 可以立 即被微生物利用作为能量和营养来源的；( 2 ) 能够逐步被微生物分解利用的；( 3 ) 生物降解十分缓慢或者根本小能降解的；f 4 ) 可以通过兆代谢作用分解的。有机污 染物与微生物这四类关系不是固定的，不同微生物种属对同一种有机污染物的反 应也是不同的。所以，针对不同的有机物其生物处理方法也有不同。 生物法是目前应用比较广泛的含酚废水处理技术。它利用微生物新陈代谢作 用使废水中的酚类物质被降解并转化为无害物质。该法具有应用范围广、处理能 力大、设备简单和比较经济的优点。含酚废水中，大部分有机污染物( 包括一些 有毒物质) 是可以被生物降解的，例如苯酚就能被多种微生物降解，包括驯化的 纯菌种、混合菌种、丝状菌等1 6 “。当然有时是需要结合些新技术，比如利用 共代谢技术来降解一些难生物降解的酚类物质。生物处理方法主要有括性污泥法、 生物膜以及在两者基础上发展的新型生物处理技术如氧化沟技术、s b ri 艺、生 物膜反应器、固定化细胞及基因工程技术。 1 4 1 生物膜法 生物膜法也属于好氧生物处理法。该法是依靠附于固体表面的微生物来净化 有机物的。生物膜法的特点是：附着于固体表面的微生物对废水水质，水量的变 化有较强的适应性，和活性污泥法相比，管理方便；由于微生物附着于固体表面， 使得世代周期较长的微生物也能生存，从而构成了稳定的生态体系。剩余污泥量 少，比活性污泥法的产泥率低。 但是，由于附着于固体表面的微生物量难以控制，因而在运行操作上伸缩性 差：而且多采用自然通风供氧，在生物膜内层往往形成厌氧层，就减少了具有净 化功能的有效容积。随着生物膜法的发展，逐渐出现了生物流化床法和固定化细 胞技术等。 1 4 2 活性污泥法 活性污泥法的处理系统占地面积少，处理效率高。广泛应用于处理城市污水。 按照微生物在曝气池中增长和分布的特点来分，大致可归纳为推流式系统和完全 混合式系统两种类型。活性污泥指的是向废水连续通入空气一段时间后，由好氧 性微生物繁殖而形成的污泥絮凝物，是由大量活性微生物为主体，主要包括菌胶 团细菌、原生动物和后生动物，此外，还有一些无机物。活性污泥法就足以废水 团细菌、原生动物和后生动物，此外，还有一些无机物。活性污泥法就是以废水 微量水平下生物共代谢4 氯酚特性研究 条件的不同，氧化技术包括湿式空气( 催化) 氧化法、超临界水( 催化) 氧化法、 光化学( 催化) 氧化法、低温等离子体氧化法等。陈银生等利用高压超窄脉冲放 电产生低温等离子体法，降解以4 氯酚为代表的废水中酚类物质。 1 4 含酚废水的生物处理方法 根据有机污染物与微生物的相互关系可以将有机污染物分为四类：( 1 ) 可以立 即被微生物利用作为能量和营养来源的；( 2 ) 能够逐步被微生物分解利用的；( 3 ) 生物降解十分缓慢或者根本不能降解的；( 4 ) 可以通过共代谢作用分解的。有机污 染物与微生物这四类关系不是固定的，不同微生物种属对同一种有机污染物的反 应也是不同的。所以，针对不同的有机物其生物处理方法也有不同。 生物法是目前应用比较广泛的含酚废水处理技术。它利用微生物新陈代谢作 用使废水中的酚类物质被降解并转化为无害物质。该法具有应用范围广、处理能 力大、设备简单和比较经济的优点。含酚废水中，大部分有机污染物( 包括一些 有毒物质) 是可以被生物降解的，例如苯酚就能被多种微生物降解，包括驯化的 纯菌种、混合菌种、丝状菌等【6 17 1 。当然有时是需要结合一些新技术，比如利用 共代谢技术来降解一些难生物降解的酚类物质。生物处理方法主要有活性污泥法、 生物膜以及在两者基础上发展的新型生物处理技术如氧化沟技术、s b r 工艺、生 物膜反应器、固定化细胞及基因工程技术。 1 4 1 生物膜法 生物膜法也属于好氧生物处理法。该法是依靠附于固体表面的微生物来净化 有机物的。生物膜法的特点是：附着于固体表面的微生物对废水水质，水量的变 化有较强的适应性，和活性污泥法相比，管理方便；由于微生物附着于固体表面， 使得世代周期较长的微生物也能生存，从而构成了稳定的生态体系。剩余污泥量 少，比活性污泥法的产泥率低。 但是，由于附着于固体表面的微生物量难以控制，因而在运行操作上伸缩性 差；而且多采用自然通风供氧，在生物膜内层往往形成厌氧层，就减少了具有净 化功能的有效容积。随着生物膜法的发展，逐渐出现了生物流化床法和固定化细 胞技术等。 1 4 2 活性污泥法 活性污泥法的处理系统占地面积少，处理效率高。广泛应用于处理城市污水。 按照微生物在曝气池中增长和分布的特点来分，大致可归纳为推流式系统和完全 混合式系统两种类型。活性污泥指的是向废水连续通入空气一段时问后，由好氧 性微生物繁殖而形成的污泥絮凝物，是由大量活性微生物为主体，主要包括菌胶 团细菌、原生动物和后生动物，此外，还有一些无机物。活性污泥法就是以废水 4 硕士学位论文 中的有机污染物为培养基，在有溶解氧的条件下，连续培养活性污泥，再利用活 性污泥吸附凝聚和氧化分解作用净化废水中的有机污染物。活性污泥结构松散， 表面积大，对有机污染物有着强烈的吸附凝聚和氧化分解能力，运行管理得当的 话，活性污泥本身也具有良好的自身凝聚和沉降性能。活性污泥法的新工艺主要 包括s b r 工艺和氧化沟工艺。 驯化培养活性污泥的具体方法是将污泥接种于生活污水中在适宜的条件下进 行曝气，当微生物大量繁殖后，再加入浓度较高的废水，使微生物经历一个定向 变异与自然淘汰的过程。 传统的好氧活性污泥法处理废水是一种净化效果好，而且又经济的方法。但 该法的缺点是废水中污染物的浓度的变化，以及一些具有生物毒性的有机污染物 对细菌的生活有明显的抑制作用。 1 5 难生物降解有机物及其共代谢 对于芳香化合物和脂肪烃类化合物，一般认为：羟基或羧基促进生物降解， 而卤素、硝基和磺酸基( 有时是氨基) 抑制生物降解( 对好氧生物而言，对厌氧 生物则不一定) s l 。氯酚类物质大部分都是难生物降解的有机物，本文的研究去 除对象4 氯酚也属于难生物降解有机物，对于此类有机物，用一般的生物技术较 难实现降解，本试验就采用共代谢技术来降解4 - 氯酚。因此，对难降解有机物的 性质和共代谢技术做如下介绍。 i 5 1 难生物降解有机物的特性 生物难降解有机物大多是对生物具有毒性作用的有机物，其对生物的毒性抑 制作用，因而很难被微生物降解。生物难降解有机物容易在生物体内富集，通过 食物链传递，成为水体污染的潜在污染源。近年来，随着化学工业的发展，这些 化合物被广泛应用于生产和生活，并通过生产、运输、使用等途径进入自然环境。 这些生物难降解有机物有以下基本特性：( 1 ) 长期残留性。一旦排放到环境中，它们 难于被分解因此可以在水体、土壤和底泥等环境介质中存留数年或更长的时间； ( 2 ) 生物蓄积性。难降解性有机物一般具有低水溶性、高脂溶性的特征，能够在多数 生物脂肪中发生生物蓄积；( 3 ) 半挥发性；( 4 ) 高毒性。有的难降解性有机物具有半 挥发性，可以在大气环境中远距离迁移，它们对人和动物一般具有毒性作用，有的可 以导致生物体内分泌紊乱、生殖及免疫机能失调，有的甚至引起癌症等严重疾病 1 9 1 。随着耗氧有机污染物生物处理技术的日趋完善，现在研究重点逐步转向有毒 有害有机污染物的生物降解，其中很多又是难生物降解的。这些物质在环境中直 接或间接对人类产生危害。 微量水平下生物共代谢4 氯酚特性研究 1 5 2 共代谢的定义 共代谢现象最初是由美国德克萨斯大学的l e a d b e t t e r 和f o s t e r 发现的，当时 他们把它定义为：当培养基中有一种或多种用于微生物生长的烃类存在时，微生 物对起辅助作用的、作为非生长基质的烃类的氧化作用i l 。后来，研究人员在别 的一些难降解有机物的降解过程中也发现了这一现象，因此把共代谢定义为：微 生物在可用作碳源和能源的生长基质上生长时，伴随着非生长基质的不完全氧化 的一种现象。这是一种由微生物“生长基质”和“非生长基质”共酶或是在有机污染 物完全氧化成c 0 2 和h 2 0 的过程中有多酶或微生物参与的代谢现象【1 “。其中非 生长基质不能作为微生物生长的碳源和能源，单独存在时，难以被生物降解。生 长基质则是电子供体，为细胞的生长和维持提供碳源和能源。生长基质也称为一 级基质”，非生长基质也称为“二级基质”。 共代谢是一种很独特的代谢方式，某些有毒难降解物质不能被微生物直接降 解，但添加易被微生物降解的物质如葡萄糖、乙醇等，则可以促进或启动难降解物 质的降解，并将其导入循环 10 1 ，因此，采用共代谢处理难降解有毒有机物近来已成 为生物法处理难降解有机物的重要技术。 该技术中微生物利用生长基质实现对非生长基质的氧化，以相对易于降 解的生长基质作为碳源和能量的来源，在生长的过程中产生既能氧化生长基质又 能氧化非生长基质的非专一性酶，从而实现对难降解有机物的降解。有毒化合物 的微生物降解有矿化作用、水解作用、共代谢作用等多种代谢方式，共代谢降解是 其中一种比较重要的方式，但对于其降解方式的特殊性却研究很少。自然环境中由 于各种有机物质同时存在。且环境中有毒化合物的浓度都比较低，一般对微生物不 构成选择压力，使得自然条件下能彻底矿化这类化合物的微生物只占降解性微生 物种群的1 0 左右，而且降解效率也没有保证。因此采用共代谢降解方式的微生物 在有毒难降解化合物的生物修复方面具有更加重要的意义。 1 5 3 共代谢中的能量分配比例 目前普遍认为细胞生长和物质降解之间是有联系的。在研究中，一些学者采用能 量平衡来预测降解的程度和不同环境情况下发生的共代谢、共代谢所消耗的能量 及其消耗和产生的能量的比值。对于一般代谢，通过计算得出的可利用能量的4 7 3 是用于细菌生长，用于维持细胞和能量损失的占2 0 3 5 。当涉及共 代谢时，共代谢会消耗预计的总能量的7 1 3 【l2 1 。在有氧条件下，生长基质 能完全无机化得到二氧化碳和水：被共代谢的非生长基质一般仅被分解为中间产 物，这些产物通常不能转化为二氧化碳和水。合成生物体所需的能量大部分来自 生长基质完全矿化的过程，大体接近于完全氧化为二氧化碳和水的焓。在共代谢 中，难降解有机物的代谢的能量来源主要有两方面：一是来自于代谢生长基质时 提供的能量；二是来自微生物细胞的内源代谢。通过微生物细胞的内源代谢得到 坝士学位论文 的能量相对于生长基质的代谢获得的能量是很少的，通常可以忽略不计。但是当 生长基质的代谢受到抑制的时候，细胞的内源代谢就显得重要起来。 1 5 4 共代谢的影响因素研究现状 共代谢是一个综合性的过程，影响因素很多，必须考虑多方面的因素并有效的加 以控制才有可能取得较好的难降解有机物的共代谢率。除了影响一般代谢的影响 因素如p h 值、温度等环境因素会影响共代谢以外，一些特殊的因素也会影响共 代谢。因此，这里主要对这些因素作介绍。 1 生长基质的影响 对于难降解有机物的共代谢过程，生长基质的选择十分重要。一般选择葡萄 糖、蛋白胨、蔗糖、甲醇、乙醇、乳酸盐、乙酸盐、丁酸盐、淘米水、谷氨酸、 生活污水等生物易降解的物质作为一级基质，即生长基质，但并不是所有生物易降 解物质的加入都能获得较高的共代谢率。微生物共代谢产生的原因是由于生物酶 和辅因子的非特异性f 1 3 1 。因此与生长基质具有相似结构的非生长基质可以和生长 基质诱导酶结合，通过一些非特异性的降解行为实现非生长基质的共代谢。尤其 是一些参与芳香族、氨类、甲烷的氧化的氧化酶，如加氧酶，对非生长基质如氯 代脂肪烃也具有非特异性的降解作用。针对不同的目标去除物，采用不同的生长 基质会取得不同的去除效果。g u p t a 等1 1 4 的研究表明，在产甲烷菌作用环境下降解 废水中的三氯甲烷时，甲醇是比乙酸盐更好的一级基质。所以，对各种生物难降解 物质，应选择各自合适的一级基质。另外，在某些情况下也可选择二级基质豹类似 物或中间代谢产物作为一级基质，这主要是针对代谢酶的可诱导性而提出的。 2 非生长基质的影响 非生长基质的代谢产物大多不能用于微生物的生长，而且有些非生长基质及 其代谢产物甚至对微生物有毒害作用。j i a y a n gc h e n g 和m a k r a mt s u i d a n 等人在 发现以乙醇为生长基质的厌氧条件下，2 ，4 二硝基甲苯对其自身共代谢具有抑制 作用。同时对共代谢过程中产生的中间产物4 氨基2 硝基甲苯和2 一氨基一4 硝基 甲苯的降解具有抑制作用0 5 。虽然大多数非生长基质对微生物有毒害作用，不能 作为微生物生长的唯一碳源，但是有报道说当一级基质存在时，某些非生长基质 能促进微生物的生长。j o n g i n h a n 和j e r e m y d s e m r a u 发现氯甲烷虽然能作为微 生物生长的唯一碳源，但是当以甲醇作为生长基质的时候，氯甲烷对 m e t h v l o m i c r b i u ma l b u mb g 8 菌的生长有促进作用( 与甲醇作为单一基质对比) 。 这一发现对于那些经常处于贫营养环境下的细菌生长具有重要意义。说明在贫营 养条件下的共代谢中，某些非生长基质不仅是作为被去除对象，同时对降解菌的 生长也有促进作用u 6 。 3 生长基质和非生长基质之间的比例 代谢非生长基质的酶来自微生物对一级基质的利用，生长基质和非生长基质之间 微量水平下生物共代谢4 氯酚特性研究 存在竞争性抑制，这些都会对共代谢的效果产生影响。对于许多生物难降解物质， 生长基质与非生长基质的浓度比对该物质的降解率的影响比生物难降解物质的进 水浓度对该物质的降解率的影响更大。当苯酚和4 一氯酚的初始投加比例为 2 0 0 m g 5 0 m g 或者更高时，实现了苯酚和4 氯酚的完全降解。当它们的投加比例 为1 5 0 m g 5 0 m g 时，当苯酚已完全耗尽的同时，实现4 氯酚的不完全降解【l ”。 4 菌种的影响 聂麦茜等人以萘为唯一碳源驯化出两株黄杆菌f c n l ，f c n 2 及一株短杆菌b c n l 发现淘米水对f c n l 和f c n 2 共代谢降解菲有促进作用，而对b c n l 共代谢菲作 用不大。苯酚、尿素、葡萄糖、乳糖对b c n l 降解菲有明显的共代谢协同促进作 用，但对f c n l 及f c n 2 降解菲有明显的抑制作用【l ”。可见在降解某一非生长基质 时，采用不同菌种降解效果也不一样。由于环境中一般不仅仅只存在一种污染物 质，因此把共代谢不同化合物的优势菌种组成的混合菌种用于处理污染水有可能 取得更好的去除效果。k i m 和o h 等人分离出了只能降解2 , 4 ，6 。三氯酚的 p s o l a n a c e a r u m 菌t c p l l 4 和只能降解4 氯酚的菌种c p w 3 0 1 ，发现当水中只含 c p w 3 0 l 菌时，2 , 4 ，6 三氯酚对c p w 3 0 1 菌的毒性严重影响了苯酚和氯酚的降解效 率；当采用t c p l l 4 和c p w 3 0 1 混合菌时，苯酚和氯酚的降解效率比要比投加 c p w 3 0 1 菌时高得多 1 9 1 。这说明对相互的降解产生抑制作用的多种难降解有机物 同时存在时，采用能分别降解这些有机物的混合菌种，能取得更好的去除效果。 5 反应器和运行模式的影响 共代谢的动力学过程比较慢，比一般代谢通常要慢十倍。从经济上考虑，会影响 到共代谢技术的应用，因此，发展高效的反应器和运行模式对共代谢技术的推广 具有重要意义。g e r a l d 和r o b e r t 研究了连续流生物过滤反应器中三氯乙烯( t c e ) 的共代谢。该反应器在氯代脂肪烃的降解和微生物的恢复两种模式中交替运行。 以苯酚降解菌来共代谢t c e 。只要保证每天进行两次，每次1 5 小时的微生物恢 复运行模式，就可以获得在最佳运行状态下，能在1 4 分钟的水力停留时间里取得 9 0 的t c e 去除率【20 1 。除此之外，c l a p p 等人采用膜附着甲烷营养菌生物反应器， 在一个反应器中实现两个过程的分离。在透气性膜上培养甲烷营养菌，膜内侧通 c h 4 和0 2 ，同时让被t c e 污染的水流经外侧，同时c h 4 和0 2 可在内部混合，这一 反相混合结构能保持生物膜上的细菌生长量，并有效降低反应器内侧附近的t c e 浓度，从而减少竞争性抑制作用并取得几乎最佳的t c e 去除率 2 1 1 。a n k es c h a f e r 和e d w a r dj b o u w e r 研究了采用颗粒f 。( 0 ) 屏障层和生物氧化处理带生物氧化处理 带相结合的方式处理氯代有机溶剂的处理工艺。在该工艺中采用甲苯作为生长基 质，浓度小于1 20 0 0 p p b ，非生长基质l ，2 - 二氯乙烯的初始浓度为5 0 0 p p b ，氯乙 烯的浓度为2 5 0 p p b 。受污染的地下水首先通过f 。( o ) 屏障层，在这晕部分1 ，2 - 二氯 乙烯和氯乙烯被去除，然后再流经生物氧化处理带去除残留的污染物。该工艺的 硕士学位论文 特点在于f e ( 0 ) 屏障层( 缺氧) 和生物氧化处理带( 有氧) 可减少所需的f 。( o ) 屏 障层的厚度，同时减轻有机污染物对生物氧化处理带中细菌的毒害作用【2 2 1 。 1 6 氯代芳香化合物在共代谢中的降解机理 1 6 1 好氧生物降解的脱氯机理 一般认为只有当苯环断裂成代谢中问产物、有机氯矿化为无机氯离子，氯代芳香 化合物的生物降解才被认为是完全的。一般认为分子内相邻碳原子间的直接脱 h c i 或c 1 2 而形成双键的反应只能发生在链烃类化合物上而不可能发生在芳香环 上，因芳香环上的c c l 键是化学惰性的，对亲核取代反应具有极强抗性。其脱氯 作用只有在伴随其它一系列反应，削弱了c - c 1 键以后才能进行。但h e es u n g 蛩a e 和j a m e sm l e e 等人在用a r t h r o b a c t e ru r e a f a c i e n s 菌c p r 7 0 6 降解4 氯酚的时候 是先脱氯形成对苯二酚，而不是先形成2 氯邻苯二酚才