（环境科学专业论文）厌氧条件下硝基苯降解规律的试验研究.pdf

摘要 a b s t r a c t t h i sp r o g r a mi sf u n d e db yt h en a t i o n a l8 6 3p r o g r a m s ，t h ea d v a n c e dc a t a l y t i c r e d u c t i o nt e c h n o l o g i e sa n de q u i p m e n t ，n o 2 0 0 2 5 a a 6 012 7 0 i nt h i sp a p e r , w i t l l n i t r o b e n z e n ea sm o d e lo r g a n i cc o n t a m i n a t i o n ，t h ep r o c e s so fa n a e r o b i cd e g r a d a t i o no f n i t r o b e n z e n ea n di t se f f i c i e n c yo fa n a e r o b i cd e g r a d a t i o nu n d e rs o m ec h e m i c a l e n h a n c e dt r e a t m e n ta r em a i n l yi n v e s t i g a t e d i no u re x p e r i m e n t st h es e e d i n gs l u d g ei sf r o ms h a n g h a is u n t o r yb e e rc o l t d ， a n dh a sv e r y g o o da b i l i t y t o d e g r a d en i t r o b e n z e n e i na q u e o u ss o l u t i o n sa f t e r d o m e s t i c a t i o n w i t hlo o m g ln i t r o b e n z e n e ，i tc a nb ed e g r a d e dd r a s t i c a l l yw i t h i n 6 0 h p r o b i n gi n t ot h i sw h o l ep r o c e s so fd e g r a d a t i o n ，i ti sf o u n dt h a tt h ed e g r a d a t i o n r a t ei nt h ef i r s t6 hi sv e r yf a s ta n dt h ea b s o r p t i o no rd e s o r p t i o no fs e e d i n gs l u d g ef o r n i t r o b e n z e n ea l s oi sv e r yo b v i o u sd u r i n gt h a tt i m e p hv a l u e sh a v es o m ee f f e c to nt h i s a n a e r o b i cd e g r a d a t i o np r o c e s so fn i t r o b e n z e n e ：t h ep ho fb a s i cr a n g ec a ne n h a n c ei t s e f f i c i e n c y ，b u tt h a to fa c i d i ci sn o tg o o d i ti sa l s of o u n dt h a tf ep o w d e r sc a nm o r ei m p r o v et h es e e d i n gs l u d g et od e g r a d e n i t r o b e n z e n ei ns o l u t i o n s b u tf o rh i g hc o n c e n t r a t i o no ff e 2 + a n df e 3 + i o n s ，t h e ya r e n o tg o o df o rd e g r a d a t i o nu n d e rt h en o r m a lp hv a l u e sa n df e r r o u sc h l o r i d ei sg o o d u n d e rb a s i cp hv a l u e sb e c a u s ef e ( o h ) 2c a nb ep r o d u c e dt or e d u c en i t r o b e n z e n e h p l c ( h i g hp e r f o r m a n c el i q u i dc h r o m a t o g r a p h y ) i su s e d t od e t e c tt h e n i t r o b e n z e n ea n db e n z e n a m i n e i tc a nb ef o u n dt h a tb e n z e n a m i n e i so n eo f i n t e r m e d i a t e so fa n a e r o b i cd e g r a d a t i o no fn i t r o b e n z e n e t h ec o n c e n t r a t i o no f n i t r o b e n z e n ei sc o r r e l a t i v et ot h a to ft h ep r o d u c e db e n z e n a m i n ed u r i n gt h e d e g r a d a t i o np r o c e s so fn i t r o b e n z e n e ：t h ec o n t e n to fb e n z e n a m i n ei si n c r e a s i n gw i t l t h a to fn i t r o b e n z e n ed e c r e a s i n g w h a t sm o r e ，b e n z e n a m i n ec a nh a r d l yb ed e g r a d e d d u r i n gt h ea n a e r o b i ct r e a t m e n t t h et e c h n i q u ec o m b i n i n ga n a e r o b i c a e r o b i ct r e a t m e n t c a nf u r t h e re l i m i n a t en i t r o b e n z e n e k e yw o r d s ：a n a e r o b i ct r e a t m e n t ，h p l c ，n i t r o b e n z e n e ，b e n z e n a m i n e ，d e g r a d a t i o n ，f e 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：碉、叩 沙巧年手月牛日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 朗、聊 i 弘叮年4 月手e l 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在弓年解密后适用 本授权书。 指导教师签名： 矿己 学位论文作者签名： 调、叶 7 侈孓年。月 夕e l 矽叻了年午月尹日 引言 第一章引言 水环境的有机污染是一个全球性的问题，其严重程度、性质和危害是随着工 业的发展不断变化的。本世纪特别是5 0 年代以来，化学工业的发展使人工合成 有机物的种类与数量与日俱增。1 8 8 0 年，人们知道的有机物有1 2 万种，1 9 1 0 年增加至1 5 万种，1 9 4 0 年达4 0 万种，1 9 7 8 年剧增至5 0 0 万种，目前己知的有 机物种类约为7 0 0 多万种，并仍在以每年数以千计的速率上升。全球合成有机物 的总量已达2 5 亿t 。这些有机物已经并且正在通过各种途径进入环境，现已发 现的就有1 万多种【l 】。很多合成有机物不易被微生物降解，容易在环境中积累。 其中有些还对生物和人类有毒害作用，如致癌、致畸、致突变作用，这些已经对 人类的健康产生了严重威胁。 1 1 课题研究的背景和意义 本课题源于城市污染控制国家工程研究中心申请的国家8 6 3 计划重大专项 高级催化还原技术与设备( n o 2 0 0 2 5 从6 0 1 2 7 0 ) 。该中心长期注重难降解有机 污染物处理的研究，先后开发了电解氧化、铁碳还原、水解酸化等多种实用技术 【2 】。近年来，在研究还原内电解方法上获得了突破性的进展，其中催化还原铁内 电解方法作为生物处理的预处理方法，应用于上海桃浦工业区废水处理的研究， 取得了较好的效果。桃浦工业区的废水主要是印染等工业废水，废水中含有大量 难降解有机物，如卤化物、硝基苯、苯胺、酚类等【3 】。从化学结构上分析，大部 分难生化降解的有机物分子结构上均具有拉电子性的基团，难以进行氧化；相反， 当这些有机物脱除了拉电子取代基或得到电子双键而断开后，生化性能大大提 高，如：氯代脂肪烃( 酯) 、多氯联苯、偶氮染料、硝基苯类等；另外，大部分 具有强拉电子基团的有机物对微生物有抑制作用，如：硝基苯( 硝基苯酚) 类等， 氯苯( 氯苯酚) 类，卤代醚( 卤代烃) 类。因此，消除了这些物质分子结构中的 拉电子基团后可大大改善生化条件。 因此，有必要研究有机物分子中强拉电子基团对微生物的抑制作用。目前， 国内外对于水中有机物的去除主要采用的还是以氧化为主的生物工艺。事实上， 大部分难降解有机物分子( 如硝基苯) 结构上具有拉电子基团，难氧化却易还原。 引言 因而探讨有毒难降解有机物在厌氧条件下的降解规律具有十分重要的意义。 硝基芳香烃类化合物广泛应用于生产农药、染料、炸药、医药、多聚体及其 它化工产品。硝基与卤素基团一样，对芳香烃的生物降解产生十分不利的影响。 卤素和硝基均吸引电子导致苯环钝化。抗生物降解性随硝基数目的增加而增加。 硝基芳烃生物降解性很低并且经常结合在一起，在土壤和沉积物环境中形成聚合 残留物。因此，它们在环境中的残留、积累，以及如何减轻和消除其污染，日益 引起人们的关注。硝基苯属于硝基芳香烃类化合物，硝基苯是苯胺类合成的中间 体，苯胺可以进一步合成偶氮染料。随着这些产品的制造和使用，环境污染日益 加剧。因此，我国对硝基苯类化合物在废水中的浓度有很高的要求，严格规定硝 基苯类化合物的含量不得超过5 m g l 4 。美国e p a 也规定，硝基苯、2 ，4 一二硝基 甲苯及2 ，6 一二硝基甲苯为优先污染物。综上所述，有必要研究硝基苯在厌氧条 件下的降解规律。 1 2 国内外的研究现状与发展动态 1 2 1 有机物的生物降解性 根据中国环境科学研究院等关于中国2 0 0 0 年水环境预测与对策研究指 出：我国长江，黄河等七大江河2 0 0 0 年水质污染预测结果，主要污染物是有机 污染。c o d 的污染重量负荷比为9 9 5 。这表明，我国水污染的主要污染是有机 污染【。 随着工业技术，特别是有机合成工业如农药、石油化工、染料、塑料等工业 的发展，人工合成的无生命有机物不断出现。按照合成有机物的化学结构及其特 性，一般可将其分为以下几类( 见表1 1 ) ： 表1 1 合成有机物的分判u 种类 卤代脂肪烃 卤代酯 单环芳香化合物 酚和甲酚类 邻苯二甲酸酯 举例 氯代或溴代的烷烃和氯代或溴代的烯烃 氯代酯和氯苯基酯 氯代苯，烷基苯，硝基苯，硝基甲苯和苯氨 氯代酚，硝基酚 含二羟基邻苯二甲酸酯 2 引言 多环芳香烃 氮代化合物 多氯联苯 有机氯杀虫剂 有机磷杀虫剂 氨基甲酸酯杀虫剂和除草剂 萘，蒽，苯并( a ) 芘 烷基胺，亚硝胺和卤代苯胺 包括其各种同分异构体 艾氏剂，滴滴涕，硫丹，七氯，氯丹 对硫磷，马拉硫磷，二嗪农 涕灭威，西维冈等农药和苯甲酸和麦草畏等酸性除草剂 根据有机物是否具有生物毒性，以及是否容易被微生物所降解，通常有机 物可分为以下几类： ( 1 ) 无生物毒性，易降解的，包括大多数有机物： ( 2 ) 无生物毒性，难降解的，有：木质素、纤维素、烷基苯磺酸钠、聚乙 烯醇等； ( 3 ) 有生物毒性，可生物降解的，有：邻氯酚、甲醛、苯酚、硝基化合物 等； ( 4 ) 有生物毒性，难生物降解的，有：多氯联苯、喹啉、吡啶等。 有机物的可生物降解性是指通过微生物的活动使有机物分解稳定的特性。显 然，微生物将使有机物原有的化学结构和物理化学特性发生变化。应该指出，可 生物降解性实际表示的是有机物可被微生物所降解的程度，即其结构和物理化学 特性改变的程度。有人提出了三种不同程度的生物降解【1 1 。 ( 1 ) 初步降解：即指母体有机物的一部分结构发生了变化，原有分子的完 整性已经改变，但其对环境的危害尚未去除，其分解产物仍对环境质量或生物体 健康有不良影响。 ( 2 ) 环境可接受的生物降解，即母体有机物虽然还没有被彻底降解，但已 被降解到对环境无害的程度，从保护环境不受损害的目的出发，这种程度的降解 已是可以接受的。 ( 3 ) 最终( 完全) 降解，即母体有机物已完全无机化，在好氧条件下，有 机物彻底氧化分解的最终产物是二氧化碳和水，可能还有氨、硫酸盐等无机产物。 在厌氧条件下，有机物将通过水解酸化、产氢、产乙酸及产甲烷等阶段稳定为甲 烷和二氧化碳等气体。 3 引言 在讨论有机物可生物降解性时，除了有机物的降解程度，还应考虑到降解速 度，达到所需降解程度所用的时间。降解速度很慢，达到环境可接受程度的生物 降解或完全降解所需时间很长，从控制环境污染及防止不良影响的角度分析是没 有意义的。 非生命有机物的生物降解有两大类型，一类是与微生物生长相关联的生物降 解；另一类则是共代谢生物降解【5 】。 绝大多数有机物的生物降解都是与微生物生长相关联的，即微生物能从有机 物降解中获得碳源和能源以支持自身的繁殖生长。其结果是，有机物通过生物降 解所产生的中间产物进入了正常的代谢途径，某些碳被结合进入新细胞，而其它 则转化成为二氧化碳。 另一类生物降解则不同，此时被处理的有机物不能作为微生物的碳源和能 源，微生物降解它们所产生的产物不仅不能被利用，有时还对细胞有害。微生物 必须有其它有机物作为其碳源和能源，因此被成为共代谢生物降解。微生物共基 质条件下的共代谢机理的概念最早由b e t t e r 6 1 于1 9 5 9 年提出，研究中它发现甲烷 生长菌p m e t h a n i c a 能够将乙烷氧化成乙醇、乙醛，而不能利用乙烷作为生长基 质的现象，作者将这一过程称之为共氧化( c o o x i d a t i o n ) ，其定义为在生长基质的 存在下对非生长基质的氧化，后来j e n s o n 7 】将其概念进行了扩展，称之为共代谢 ( c o m e t a b o l i s m ) ，它包括了氧化过程和还原过程( 如微生物的脱氯过程) ，不仅 指生长基质存在时繁殖细胞对非生长基质的利用，而且还指生长基质不存在时休 眠细胞( r e s t i n gc e l l ) 对非生长基质的转化。共代谢机制被认为是由于生长基质诱 导产生的酶和辅助因子缺乏专一性所致。很多非生命有机物都表现出共代谢生物 降解的特性。试验证明，许多氯代芳香化合物不能直接被微生物作为生长基质， 但是它可通过共代谢改变其结构而容易为其它微生物所降解。事实上，环境中许 多难降解有毒化合物的转化都是通过共代谢来完成的。因此，为了降解某一种难 降解有机物，可以利用一种合适的生长基质的存在来诱导所需的酶以及产生足够 的能量来驱动难降解有机物的最初转化。 1 2 2 硝基苯类化合物的生物降解性 硝基苯是一种淡黄色油状液体，有特殊气味，英文名称：n i t r o b e n z e n e ，分 4 引言 子式为c 6 h 5 n 0 2 ，结构式为 n 0 2 ，分子量为1 2 3 1 2 ；它的沸点为 2 1 l ，熔点为6 c ，相对密度( 水= 1 ) 1 2 ，蒸气压在2 0 。c 时为2 0 p a 引。 硝基苯是一种可燃性物质。它在火焰中释放出刺激性或有毒烟雾( 或气体) 。 与强氧化剂和还原剂激烈反应，有着火和爆炸危险。与氧化剂、氯化铝与苯酚、 无水氢氧化钾或少量甲醇、苯胺与甘油、五氯化磷、硝酸、硫酸和钾反应，生成 爆炸性物质或混合物。它燃烧时，生成氮氧化合物腐蚀性烟雾。它应避免受热和 接触空气。 硝基苯由苯经硝化制得。用于制造苯胺、联苯胺、偶氮苯及染料、炸药、医 药、蜡漆、鞋油、墨水、香料等的原料或中间体。也用作气相色谱固定液以及用 于低级烃分析。 硝基苯别名密斑油，属中等急性毒类。硝基苯易挥发，可经呼吸道很快吸收。 液态硝基苯污染皮肤时，可经完整皮肤吸收，在体内总滞留可达8 0 。硝基苯进 入人体内后，在体内转化中生成具有强烈亲电子作用的代谢产物如苯基羟胺( 苯 胲) 和苯醌亚胺，它们具有氧化血红蛋白的性能。硝基苯对肝脏和肾脏均有严重 损害，它还能影响神经系统和心脏功能，使中毒者出现各种神经症状和心肌损害。 硝基苯类化合物的化学性质比较稳定，这主要是由于苯环的存在。苯环容易 发生亲电取代，但不易发生氧化反应，因而，在一般情况下，利用氧使芳环破裂 而达到硝基苯类化合物分子裂解是不容易的。从近代的分子结构理论可知，在芳 环中都存在着大键。由于芳环中电子的离域作用，使芳环的结构变得很牢 固。也就是说这些离域的电子使芳环变得结构紧凑，对外界氧的进攻有较强 的抵抗力，因而芳环不易被氧攻克而破裂。但在合适的条件下，硝基苯类化合物 可以被还原成亚硝基化合物、偶氮苯、氢化偶氮苯及芳胺等，进而可改善它们的 可生物降解性能。 硝基苯类化合物属于芳香族化合物，芳香族化合物具有一个相同的核心结构 苯环。苯环上的取代基对化合物的性质影响较大，包括取代基的性质、取代 基的数量，以及取代基在苯环上的位置等，都对化合物的性质，特别是生物降解 性有影响。试验研究表明【5 】，苯甲酸、苯酚、邻苯二酚、甲苯、苯、间二甲苯和 对二甲苯为较容易降解的芳香化合物，其它的化合物则为难降解芳香化合物。生 5 引言 物降解性由易变难的顺序为：苯甲酸类一苯酚类一苯磺酸类一苯胺类一硝基苯 类。 苯环的对称性和稳定性，使其不容易发生氧化作用，当苯环上的氢原子发生 取代时，苯环的对称性和稳定性都被打破。但不同的取代基都有不同性质的影响。 甲基、羟基、羧基等的取代，使苯环上的电子密度增加，变得更容易发生亲电子 反应，因此容易被氧化，生物降解性能获得改善，所以，甲基、羟基和羧基是有 利于芳香化合物生物降解的取代基。另一方面，氨基和硝基取代苯环上的氢原子 后，由于其自身的极性，使苯环上的电子的密度减弱，使苯环的氧化更难。一些 生物测试结果表明，硝基苯的生物降解速率仅为苯酚类化合物的生物降解速率的 几百分之一。上述分析表明，苯环上单个取代基的化合物的生物降解性能由易变 难的顺序是：苯酚一苯甲酸一甲苯一苯一苯胺一硝基苯。 1 2 3 硝基苯类化合物的处理工艺 含高浓度有毒强致癌物质的硝基苯类化合物的工业废水，尚含有很高盐量或 具有很强的酸碱性，一般难以直接用生物法处理，因此采用化学氧化法、吸附法、 萃取法、电化学法等( 见表1 2 ) 预处理手段非常有效。 表1 2 含硝基苯类化合物废水的常用预处理方法及优缺点 该过程中可利用0 2 h 2 0 2 ，复合氧化剂诱发自由基，使硝基苯的氧化速率显 均相催 著加快；另外，利用f e n t o n 试剂使f e 2 + 与h 2 0 2 反应生成自由基，对硝基苯进 化氧化 行氧化，并且f e n t o n 试剂中的f e 2 + 还可以在一定的p h 条件下形成f e ( o h ) 3 ，产 技术 化 生絮凝作用【1 1 。但此法处理成本较高。 学光催化 在紫外光的照射下，用f e 2 + ，f e 3 + ，h 2 0 2 或0 3 处理硝基苯废水。研究表明， 氧氧化技 在其他条件不变时，u v h 2 0 2 比u 、，f e 3 + 光降解率大，h 2 0 2 和f e 3 + 的浓度是影 化 术响硝基苯降解的主要因烈们。 技 非均相在装有固态催化剂的反应器中，使污染物、氧化剂扩散到催化剂表面的活 术 催化氧性中心被吸附，在催化剂表面发生催化氧化反应，最后产物再从催化表面脱附 化技术返回到溶剂主体【1 1 。 6 引言 徐中列1 伽等用活性碳纤维( a c f ) 作为一种新型的吸附材料处理硝基苯废水，试验表 吸 明，该材料吸附量大，吸附速度快，再生试验表明吸附量和解吸量基本一致；毛连山【1 1 】 附 等研究了不同树脂、不同p h 、不同脱附剂对治理效果的影响；有机膨胀土对硝基苯的吸附 法 处理也能达到满意的效果1 2 】。 萃 林中犁1 3 1 等用苯萃取3 次可使硝基苯废水排放达到国家规定的三级标准，另外，还采 取 用萃取一汽提法处理，该工艺治理彻底且周期短费用低，但苯作萃取剂易产生二次污染1 4 1 。 法 电敦香会1 5 1 等人用脉冲放电等离子体处理硝基苯废水，酸性和碱性条件下易降解；李劲 化1 1 6 1 等用电流体直流放电降解水中的硝基苯，总降解率为8 0 ；另外还可采用活性碳纤维电 学 极；朱先掣1 7 1 等考查了p d g c 电极在酸性条件下的硝基苯电化学机理，研究表明，玻璃碳 法 对硝基苯的电还原有很高的催化活性。 赵朝成【1 8 1 等对超临界水氧化技术处理硝基苯废水进行研究，反应时间达l o m i n ，硝基 其 苯脱除率达9 9 9 ，表明，超临界水氧化法是一种快速、高效去除有毒有害有机物的方法， 他 但此法需解决高压反应器腐蚀较严重的问题；h u n gh u i - m i n g 1 9 1 等研究了在超声波存在下， 方 f e o 加快还原硝基苯的分解机制与动力学情况，其反应快，硝基苯去除率大，治理效果理 法 想。 目前国内外治理硝基苯废水的物化处理技术热点是高级化学氧化技术的深 入研究，另外超临界水氧化技术、高能电子束处理技术、等离子体超高温热解处 理技术及某些特殊的电化学处理技术等是当前国内外研究的重点。 在微生物作用下，可使有机物得到分解。由于生物处理技术比物化处理技术 成本低得多，无二次污染，且微生物又具有较强的可变异性及适应性，因此生物 处理法已成为处理有机污染物的理想方法。生物法处理硝基苯废水也逐步受到人 们的关注。除了基本的好氧处理与厌氧处理外，o r s h a n s k yf f i e d a 2 0 1 等利用吸附一 生物降解工艺治理硝基苯废水，吸附能力强的活性炭能吸附废水中大部分有毒污 染物，再在低浓度下生物降解硝基苯类化合物，治理效果达到理想的程度；任源 【2 l 】等采用厌氧一好氧工艺处理硝基苯废水，硝基苯降解率达9 9 ，总c o d 去除率 为6 5 - 7 0 ，色度去除率大于7 0 ；蔡天明【2 2 】采用微电解与生化工艺结合处理硝 基类废水，废水的总c o d 去除率为8 6 ，硝基苯的去除率达到9 9 。 7 引言 以上预处理方法既可以降低硝基苯废水的浓度，又可以改善其生物降解性， 为后续的生物处理创造条件【l 训。环境生物技术在治理和防治污染方面起到了相 当重要的作用，但该技术在解决硝基苯废水的污染问题时仍处于被动地位。从分 子生物学水平上探索硝基苯类化合物降解菌的降解特性还有广阔的发展前景，可 以从降解途径、降解酶、分子生物学和代谢工程四方面协同研究环境污染物的生 物降解 2 3 1 。因此，本论文研究硝基苯的降解途径，作为探索硝基苯降解分子生 物学研究的开始，还是具有一定意义的。 1 。2 4 硝基苯类化合物基本降解机理的探讨 根据硝基苯类化合物的基本降解方法，对硝基苯类化合物的基本降解机理作 进一步的探讨，包括电化学还原机理和生物降解机理。 1 2 4 1 电化学还原机理 电化学还原处理硝基苯类化合物的机理比较复杂，重点研究铁对硝基苯类化 合物的还原。因为铁是活泼金属，具有还原能力，所以在偏酸性水溶液中能够直 接将偶氮染料还原成胺基有机物，因胺基有机物色淡，且易被氧化分解，故可使 废水中的色度得以降低；废水中某些重金属离子可以被还原出来，其它氧化性较 强的离子或化合物可被铁还原成毒性较小的还原态。铁具有电化学性质。其电极 反应的产物中新生态 h 和f e 2 + 能与废水中很多组分发生氧化还原作用，可破坏 染料的发色基或助色基，使之断裂，失去发色能力；使大分子物质分解成小分子 中间体；使某些难生化降解的化学物质变成易生化处理的物质，提高水的可生化 性【2 4 1 。 硝基苯类化合物被铁还原为苯胺类化合物的具体反应过程为：在厌氧及酸性 条件下，硝基苯被还原生成亚硝基苯。亚硝基苯进一步被还原可能生成苯胲( n - 羟基胺基苯) ，由于苯胲这种中间产物在反应过程中尚未被分离及检验出来，所 以这一观点目前尚未被证实。a g r a w a l 2 5 1 等人认为硝基苯经过中间体亚硝基苯和 羟胺化合物的连续还原最终生成苯胺。这一过程是发生在f e o h 2 0 - - c 0 2 系统 中唯一重要的转化过程，其总的反应方程式为： 8 n h 2 + 3 f e 2 + + 2 h 2 0 引言 上述反应过程是分为三步来完成的，每一步均包括两个电子的还原。铁作为 最终的电子给体，具有决定性的作用。其反应式可以记为： 2 0 研究发现，在上述反应中，硝基芳烃向铁表面的扩散成为还原反应的限速因 素。同时发现这一过程决定了第一步反应的快慢，但同时，解析和进一步还原之 间的竞争也决定了反应过程中反应的程度。经过对硝基苯的还原过程进行研究发 现，硝基苯还原的中间产物亚硝基苯从铁表面的解析速率大于进一步还原为羟胺 化合物的速率，这也说明了电化学还原产物中存在亚硝基苯的原因。硝基苯被铁 还原生成苯胺后便不能继续被铁还原，这是由于转移到铁屑表面氧化剂的简单干 扰，再加上苯胺在铁屑表面有强烈的解析倾向，导致苯胺不能继续被铁还原。 在偏酸性的条件下，处理废水时可产生大量的f e 2 + 和f e ”，当p h 值调至碱 性并有氧存在时，会形成f e ( o h ) 2 和f e ( o h ) 3 絮状沉淀。f e ( o h ) 3 可被水解为 f e ( o h ) 2 + 、f e ( o h ) 2 + 等络合离子，它们都有很强的絮凝性能。这样废水中原有的 悬浮物，以及通过微电解作用的不溶物和构成色度的不溶物，均被吸附凝聚，从 而使废水得以净化。 f e s 0 4 在碱性条件下形成的墨绿色f e ( o h ) 2 沉淀具有强烈的选择还原性【4 】， 在常温条件下就可以快速有效的还原有机含氮化合物。如硝基苯、邻硝基苯胺、 亚硝基苯、氧化偶氮苯、偶氮化合物及羟基苯胺均能被还原成为苯胺类化合物。 墨绿色的f e ( o h ) 2 被氧化成棕红色的f e ( o h ) 3 ，反应在短时间内完成。而在酸性 9 一 一铲o “ 与 引言 条件下，f e ”具有一定的氧化性，这样苯胺类化合物在酸性条件下又被温和的氧 化剂f e 3 + 氧化成水溶性较小的醌式结构的物质，再调p h 为碱性，可进一步被 f e ( o h ) 3 或f e ( o h ) 2 混凝吸附而去除。与此相关的还原、氧化反应方程式表示如 下( 以邻硝基苯胺为例) ： 还原反应( 碱性条件下) ： f e z 十+ 2 0 h 。 - f e ( o h ) 2 n 0 2 n h 2 + 6 f e ( o h ) 2 + 4 h 2 0 _ 氧化反应( 酸性条件下) ： n h ， n h ，+ 2 f e 3 + 2 h 2 0 _ n h 2 n h 2 + 6 f e ( o h ) 3 c + 2 n h - f 2 f e z * c + o 在f e 2 + f e 3 + 还原氧化系统中，硝基苯类化合物可以被还原为生物降解性较 好的苯胺类化合物，提高废水的可生物降解性。同时，氧化后而生成的醌式结构 物质又被f e ( o h ) 3 或f e ( o h ) 2 混凝吸附而去除，降低了废水中的有机污染物的浓 度，可谓一举两得。通过对f e 2 + f e 3 + 还原氧化系统处理含硝基苯类化合物废水 的研究【4 】，结果表明：对于含硝基苯类物质的废水，利用f e 2 + f e 3 + 还原氧化系统 处理，废水的可生化性有较大幅度的提高，同时废水的c o d 、硝基苯类物质的含 量都有较大幅度的去除。 1 2 5 2 生物法降解机理 ( 1 ) 好氧条件下和厌氧条件下硝基苯的降解途径 溶解在水体中的氧分子，当它们和酶的活性中心相接近时，在酶活性中心的 电场力的作用下，首先被活性中心物理吸附，然后使两个氧原子产生偶极矩，并 拉长了氧原子间的键长而过渡到化学吸附，此时被吸附的氧原子将变成活化了的 氧原子。分子氧被活化以后，可直接向芳烃进攻，由于氧具有很强的电负性，它 1 0 引言 直接向苯环上电子云密度最大的某一碳原子进攻，当发生有效碰撞以后，可以引 起苯环破裂。另外氧原子被活化以后，可以从活化中心吸走电子，而成为o 一或 0 2 - ，它们都可以作为强的亲核试剂，而向芳环或取代基进攻。生物催化氧化处 理芳环中间体废水的过程，一般使在常温下进行的。氧化的主导方式，应以亲电 反应为主。这就是为什么芳环上电子云密度升高而降解较易的原因。 周集体等【2 6 1 总结了国内外研究者筛选、驯化到的降解硝基苯的微生物菌株。 韦朝海等【2 7 】的试验证明了在厌氧条件下，硝基苯较易被还原为苯胺，苯胺又可 进一步被彻底矿化。 硝基芳香烃在还原条件下比氧化条件下更容易转化。如图1 1 所示，该图为 硝基苯生物降解的氧化性和还原性途径【2 引。 ， 2 氨基酚 “ p o ： n h 2 “矿、c o o h c h o 2 一氨基粘康半醛 卜n a d + 卜n a d h n h 2 少c o o h c o o h 2 一氰基粘康酸 i 介 理；一。 ，? ：。x 鞣i ，”融 e ：篇h 图1 1 硝基苯生物降解的氧化性和还原性途径 ，：4 捌 ? 二 ?彬孓一卜iy鼢蟊孳g 聂爹 悖 紫伊一水一一垮m扩 引言 该图以单硝基苯为例，表明它的氧化降解和还原降解过程2 引。下面较详细 地叙述硝基芳香烃氧化分解代谢、由硝基还原开始的分解代谢和由苯环加氢开始 的分解代谢。 氧化分解代谢途径有以下两种形式： 第一种：由单加氧酶或双加氧酶作用脱去苯环上的硝基，形成相应的多元酚， 进一步由加氧酶作用开环降解，脱去的硝基形成亚硝基盐，被微生物利用作为氮 源。 第二种：加氧酶作用于苯环形成硝基邻苯二酚，进一步开环降解。 以还原硝基开始的代谢途径有以下5 种还原形式，包括单纯厌氧方式、 厌氧好氧结合方式的降解： 第一种：苯环上的硝基经硝基还原酶作用还原成羟胺基，随后由羟胺基裂解 酶作用水解脱胺，形成相应的二羟基芳香化合物开环降解。丛毛单胞菌n b a 。1 0 降解4 硝基苯酸盐，假单胞菌菌株4 n t 降解4 硝基甲苯和4 硝基苯酸盐经历这 一途径。 第二种：苯环上硝基经还原酶作用，经亚硝基、羟氨基还原成氨基，生成芳 香胺。芳香胺在有氧条件下，由苯胺加氧酶作用脱氨基，生成相应的二羟羧基芳 香化合物，开环降解。 第三种：厌氧菌还原苯环上的硝基成氨基，生成芳香胺再厌氧脱胺，脱下的 氨基被微生物利用作为生长氮源，剩下的芳香烃( 如苯、酚、甲苯等) 在缺氧条 件下厌氧菌不能开环降解。 第四种：芳香环上的硝基还原成氨基后经乙酰化作用生成乙酰胺。 第五种：苯环上的硝基还原成氨基后不再降解。有些微生物即使在有氧条件 下，也只使硝基还原，而不能继续使苯环开环降解。 以还原苯环开始的代谢途径如下： l e n k e l 2 9 1 等1 9 9 2 年报道了红球菌h l 2 4 2 降解2 ，4 二硝基酚及其突变株 h l p m 1 降解2 ，4 ，6 三硝基苯酚的途径，提出了苯环直接加氢脱硝基这一新的代 谢途径。三硝基酚首先在苯环上加氢形成h y d r i d e m e i s e n h e i m e r 络合物中间产物， 该中间产物可以脱硝基形成亚硝酸盐和2 , 4 一二硝基酚，也可能转化成2 ，4 ，6 三硝 基环己酮，在酸性条件下水解最后形成1 ，3 ，5 一三硝基戊烷。转化的不同途径依赖 1 2 引言 于条件。 ( 2 ) 硝基苯的兼性厌氧水解过程 虽然硝基苯类化合物可以被生化降解，但由于含硝基苯类化合物废水中的各 种有机物成分含量高，毒性大，而且有些多含硝基苯类化合物如t n t ，可能一个、 两个或三个硝基还原成胺基形成多种胺基一硝基一甲苯，并且在生化过程中还可 能发生缩合反应，生成更难降解的二硝基氧化偶氮甲苯，增加了污染物的治理难 度，所以在用生化法处理此类化合物过程中多与预处理联合进行，以达到降低毒 性等目的。近年来又兴起了“水解 生物预处理工艺，并己成功的应用于城市污 水及难降解工业废水的处理中。污水经水解预处理后，b o d 5 c o d c ，的比值有明 显地提高，大大提高了废水的可生化性，从而减轻了后续好氧处理的压力，提高 了生化处理的效率。 水解，就是利用水解和产酸微生物，将污水中的固体、大分子和不易生物降 解的有机物降解为易于生物降解的小分子有机物，使得污水在后续的好氧处理单 元以较少的能耗和在较短的停留时间下得到处理。 对于芳香族化合物，如硝基苯类化合物，其降解过程如下： 形态变化： 硝基苯类化合物转化成苯胺。众所周知，苯胺可以在好氧菌作用下，予以彻 底降解，而且降解速度较快，但硝基苯则不能，它不能在好氧条件下直接被降解。 但在缺氧条件下，在兼性微生物的作用下，可转变形态，成为苯胺，然后通过好 氧微生物作用，达到彻底降解。 苯环断裂： 在缺氧条件下，由于兼性微生物的作用，硝基苯类化合物可以出现苯环断裂。 苯环的裂解，包括两个基本步骤：首先生成两个邻位羟基化合物，再发生苯环的 断裂，分裂为有机酸。当有机物降解为有机酸后，再通过好氧条件下的三羧酸循 环予以彻底降解。 含硝基苯类化合物废水经过兼性厌氧水解生物预处理后，废水中的硝基苯类 化合物己绝大部分转变成了苯胺类化合物，由于苯胺类化合物的生物降解性能要 高于硝基苯类化合物，所以，废水的可生物降解性得到了大大的提高。 引言 1 2 5 硝基苯类物质的主要分析方法 硝基苯类物质的主要检测分析方法有：还原一偶氮光度法( 一硝基和二硝 基化合物) 、气相色谱法和固相萃取高效液相色谱法等。以上方法简要介绍如下： 还原一偶氮光度法( 一硝基和二硝基化合物) ： 基本原理：在含硫酸铜的酸性溶液中，由锌粉反应产生的初生态氢，将硝基 苯还原成苯胺，经重氮偶合反应生成紫红色染料，进行比色测定。 当测定含有苯胺类化合物的废水时，需测定二份样品，一份不经还原测苯胺 类含量，另一份按本法将硝基苯类还原成苯胺类测定其总吸光度，在减去苯胺类 的吸光度后，计算出硝基苯类化合物的含量。该方法测得结果为一硝基和二硝基 类化合物，测定结果均以硝基苯表示。适用于测定染料、制药、皮革及印染等行 业废水中的硝基苯类化合物，最低检出浓度为0 2 m g l 。 气相色谱法 基本原理：采用有机溶剂萃取，萃取液经净化( 或浓缩) 后，进行色谱分析。 对于某些一硝基苯类，因其能随水蒸气蒸发，可采用先蒸馏再萃取，然后将萃取 液注入具电子捕获检测器的气相色谱仪测定。该方法适用于地表水、地下水和工 业废水的测定。如图1 2 所示为七种一硝基苯类化合物的标准气相色谱图。 图1 2 七种一硝基苯类化合物标准色谱图 1 一硝基苯；2 一邻硝基甲苯；3 一问硝基甲苯； 4 一对硝基甲苯；5 一间硝基氯苯；6 一对硝基氯苯；7 一邻硝基氯苯 固相萃取高效液相色谱法 基本原理：固相萃取( s p e ) 技术是基于液相色谱的原理，经过吸附( 目标物 质保留于吸附柱上) 和解吸( 将目标物从吸附柱中洗脱出来) 两个过程，使得目 1 4 引言 标物从水样中被萃取出来，s p e 方法具有高效、可靠及耗用溶剂量少等优点，是 目前一种比较好的样品预处理技术。采用s p e 方法对水样进行预处理后与g c 或 者h p l c 联用可降低水中硝基苯的检测限并有效的去除其它物质的干扰。 本方法所用仪器主要有：高效液相色谱仪、萃取柱和固相萃取装置。所用试 剂主要有：甲醇( h p l c 级) 、乙腈( h p l c 级) 、超纯水和硝基苯标准溶液。 1 3 本论文的研究内容 本课题源于国家8 6 3 计划重大专项高级催化还原技术与设备 ( n o 2 0 0 2 5 从6 0 1 2 7 0 ) 。根据桃浦污水厂运行的实践经验，有毒难降解有机物的 处理是工业废水处理过程中的一个难题，因此，有必要进一步研究有毒难降解有 机物的降解规律。而大部分难降解有机物分子结构上具有拉电子基团，难氧化却 易还原，厌氧过程就是一个将物质还原的过程，因而探讨有毒难降解有机物在厌 氧条件下的降解规律具有十分重要的意义。硝基苯是工业废水中常见的有机污染 物，也是桃浦污水厂运行中严格控制的一种物质。因此，本论文选择硝基苯作为 研究对象，研究其在厌氧条件下的降解情况。 在硝基苯废水的常规处理方法中，电化学方法是一种普遍采用的处理方法， 电化学还原处理硝基苯类化合物的机理比较复杂，一般重点研究铁对硝基苯类化 合物的还原。铁可以作为电化学反应中的阳极材料，与硝基苯发生一系列的化学 反应。本论文试图将化学体系与生物体系结合起来，考察硝基苯在化学强化条件 下的厌氧生物降解性能。 本论文的研究内容主要包括如下几个方面： ( 1 ) 以硝基苯为研究对象，进行厌氧污泥的驯化培养； ( 2 ) 硝基苯的基本厌氧降解过程，包括污泥对硝基苯的基本降解、不同p h 值条件下的降解过程的比较和共基质条件下的厌氧降解过程； ( 3 ) 单金属体系硝基苯的厌氧降解过程，包括不同价态的铁元素对硝基苯 厌氧降解过程的影响： ( 4 ) 硝基苯厌氧降解机理的初步探讨。 1 5 试验与分析方法 第二章试验与分析方法 根据本论文的研究内容，确定硝基苯厌氰降解所需要的装置及相关的试剂与 仪器，并通过盎司文献和实验室现有条件确定适合于硝基苯的测试与分析方法。 21 试验装置、试剂和仪器 2 i l 摇瓶试验装置 摇瓶试验基本装置为2 5 0 m 1 葡萄糖瓶。内装污泥、硝基苯溶液及营养液共 2 0 0 m l ，其中污泥体税为6 0 m l ，营养液与硝基苯溶液的总体积为1 4 0 m l 。每个摇 瓶从瓶塞处均插入两根细管，一根用丁吹入氮气及取样，一根用于排出瓶内空气 ( 下面有水封) 。如图21 所示。 图2 1 摇瓶试验装置图 每次试验时，将厌氧污泥、营养液、硝基苯溶液和刃天青( 一种氧化还原指 示剂) 分别加入葡萄糖瓶，控制硝基苯浓度为所需浓度，接着，将瓶口密封，向 瓶内畋入氨气以除去氧气，卣至溶液颜色变为无色。在3 5 l 恒温摇床上培养， 对系列试验定时取样，将所取样品经04 5 m 微孔滤膜过滤后注入液相色谱，分 ? 试验与分析方法 析受试物浓度、中间产物浓度，评价在各种反应条件f 硝基苯的厌氧生物降解特 性。最后，根据受试物和r 1 i f u l 产物浓度的历时变化与分布，推测降解机理。 2 12 连续流试验装置 本试验装置由三个完全相同的拄状反应器组成，反应器内径为5 c m ，外径为 i o c m ，有效容积为7 5 0 m l 。进水方式采用连续流，如剧22 所示，每个反应器 均配有不同的进水装置和出水收集装置，由蠕动泵分别进水。每个反应器由内外 两层套筒组成，内层套筒放置污泥，外层套筒盛装循环水。本试验为中温厌氧反 应，故厌氧污泥温度控制在3 5 i 左右。凶此，控制循环水的温度来保证污泥 的温度。循环水的惴度由电热棒和硼z k0 1 型温度指示控制仪联合控制，水流的 循环用潜水泵( 功率l o w ，扬程l m ) 控制。 图22 连续扫；c 试验装置图 2 l3 厌氧条件的保证 厌氧环境足产甲烷菌进行正常活动的基本条件。所谓扶氧环境，一般理解为 隔断系统与空气中氧的接触，尽可能地使反应液中无溶解氧存在。 傲情况下，氧的溶入无疑是引起系统的氧化还原电位升高的最主要和塌直 接的原凼。但是，除氡以外，其他一些氧化剂或氧化态物质存在( 如某些工业废 试验与分析方法 水中含有的f e 3 + 、c r 2 0 7 2 。、s 0 4 2 - 以及酸性溶液中的h + 等) ，同样能使体系中的氧 化还原电位升高，当其浓度达到一定程度时，同样会危害厌氧消化过程的进行。 研究表明【3 ，中温厌氧消化系统要求的氧化还原电位应低于一3 0 0 一 3 8 0 m y ，产酸细菌对氧化还原电位的要求不甚严格，甚至可在+ 1 0 0 一l o o m y 的 兼性条件下生长繁殖，而甲烷细菌最适宜的氧化还原电位为- - 3 5 0 m y 或更低，培 养产甲烷菌的初期，氧化还原电位不能高于- - 3 2 0 m v 。而严格的厌氧环境是产甲 烷菌进行正常活动的基本条件，可以用氧化还原电位表示厌氧反应器中含氧浓 度。 对于本试验采用的摇瓶装置，从外观上看，取样口始终被封住，而排气管也 插入水中，因此，基本能够保证隔绝外部空气。在试