（环境工程专业论文）双功能铝催化降解mtbe及生物降解菌的培养分离试验研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 甲基叔丁基醚( m t b e ) 是使用最广泛的一种汽油添加剂，由于其独特的物 理化学性质，易污染水体并持久难降解，对环境及人体均构成了潜在的威胁，其 污染修复一直是人们所面临的难题。本文从两方面进行m t b e 的降解实验研究： 一方面采用物化方法，对双功能铝降解m t b e 进行了研究；另一方面对微生物 进行培养驯化，分离m t b e 降解菌，并试验所得菌株降解m t b e 的能力。 ( 1 ) 双功能铝降解m t b e 的实验结果表明：双功能铝能活化分子氧降解 m t b e 。在各初始浓度条件下，经过2 4 h 的反应，m t b e 的去除率均可达到9 2 以上。m t b e 初始浓度越大，表现在反应中的降解速率越大，经2 4 b _ 的反应百分 比去除率也越高。酸性的环境条件( p h 3 5 ) 比较适宜双功能铝对m t b e 的降 解，最佳p h 约在2 0 左右。实验中检测到的中间产物有丙酮、t b a 、乙酸甲酯 和t b f 。假设的降解机制为：硫酸盐作为电子载体，把电子从金属铝传递给分子 氧；金属铝作为电子源，能为还原性硫酸盐提供电子，从而形成了一个活跃地带。 反应动力学拟合结果显示，反应对m t b e 来说，为一级动力学反应。由分析结 果可以得出，速率常数后= o 1 1 9 0 h 一，常温下双功能铝与m t b e 反应的半衰期约 为5 8 2 5 h 。 ( 2 ) 本试验成功的从土壤中驯化分离得到两株能降解m t b e 的纯培养，分别 为b c 一1 和b c 一2 。它们均能在好氧、一定m t b e 浓度条件下，利用m t b e 作为 唯一的基质碳源较好地生长。培养6 d 后，两种纯培养均能降解溶液中绝大部分 的m t b e ( 浓度在5 - 8 1 m g l 之间) ，降解率在9 9 以上。b c 一1 和b c 一2 对m t b e 都有较为显著的降解能力，b c 一2 的降解速度明显快于b c 一1 ，短期( 9 2 o f m t b ew a sd e g r a d eb yb i f u n c t i o n a la l u m i n u mw i t h i n2 4 h t h e2 4 h r e m o v a l i n c r e a s e dw i t hi n i t i a lm t b ec o n c e n t r a t i o n si n c r e a s e d a c i d i cc o n d i t i o n ( p h 3 5 ) w a sb e n e f i tf o rm t b ed e g r a d a t i o n t h em o s tb e n e f i tp hv a l u ew a s 2 0 p n m a 吖d e g r a d a t i o np r o d u c t sw e r et e r t - b u t y la l c h o l ( t b a ) ，t e r t - b u t y l f o r m a t e ( t b f ) ，a c e t o n e ，a n dm e t h y la c e t a t e ap o s t u l a t e dm e c h a n i s mo ft h e d e g r a d a t i o ni st h a ts u l f a t ea c t sa s a ne l e c t r o nc a m e rw h i c ht r a n s f e r se l e c t r o n s f r o ma l u m i n u mm e t a lt od i o x y g e n a i u m i n u mm e t a ls e r v e sa st h ee l e c t r o n s o u r c ef o rt h er e d u c t i o no fo x i d i z e ds u l f u rs p e c i e s ，t h u sc r e a t i n ga na c t i v es i t e t h er a t eo fm t b ed e g r a d a t i o ne x h i b i t e dn r s t - o r d e rb e h a v i o r a n dt h er a t e o fm t b ed e g r a d a t i o nw a s - 0 119 0h ，t h eh a l f - l i f eo fr e a c t i o nw a s 一5 8 2 5 h ( 2 ) t w op u r eb a c t e r i a lc u l t u r e sd e g r a d i n gm t b ew e r ei s o l a t e df m ms o i l u n d e ra no l dg i n g k ot r e e t h e ya r eb c 一1a n db c - 2 b o t ho ft h ec u l t u r e sc a n u s em t b ea st h es o l ec a r b o ns o u r c et og t o w nu n d e ra e r o b i cc o n d i t i o ni ns o m e c o n c e n t r a t i o ne x t e n s i o n a f t e r6d a y so fi n c u b a t i o na t2 5 ，t w oc u l t u r e sb o t h c a nd e g r a d em o s tm t b e ( c o n c e n t r a t i o n sr a n g e5 - 8 1m g l ) i nt h ea q u e o u s 囝浙江大学硕士学位论文 s o l u t i o n t h er a t eo ft h eb i o d e g r a d a t i o nb yb c 一2i so b v i o u s l yf a s t e rt h a nb c 一1 ， a sw e l la st h ee f f e c to fs h o r t - t e r m ( 5l c 5 0 ；得出结论为：m t e b 属微 毒类，轻度蓄积物质，对动物的肝脏，肾脏及免疫功能有一定的损害作用【8 9 1 。 杨红、赵进顺等( 2 0 0 3 ) 为了了解m t b e 对肾脏的毒性及毒作用机制进行 了实验9 0 1 ，结果表明：m t b e 对肾小球的滤过功能有一定的影响，雌性小鼠可 能更为敏感。 大量对m t b e 在动物毒理学上的试验和研究资料表明，m t b e 是一种动物 致癌物质，其中毒症状为麻醉、共济失调、震颤及活动减退、惊跳反射消失等， 并可引起肿瘤的发生；m t b e 还是一种间接遗传毒性物质，需经体内代谢活化 浙江大学硕士学位论文 才具有遗传毒性，其主要代谢产物为叔丁醇和甲醛，甲醛具有致突变性，t b a 则可引起雌性小鼠甲状腺癌和雄性大鼠肾脏肿瘤。 尽管有关动物毒理学试验和研究表明m t b e 属低毒化合物，、但m t b e 可引 起肿瘤的发生，包括恶性肉瘤、睾丸间质细胞瘤、血淋巴细胞瘤等；m t b e 是 一种间接遗传毒性物质，需经体内代谢活化才具有遗传毒性，其主要代谢产物 为叔丁醇仃b a ) 和甲醛，甲醛具有致突变性，t b a 则可引起雌性小鼠甲状腺癌 和雄性大鼠肾脏肿瘤。 一些地区的居民在使用了无铅汽油后，出现了头痛、头晕、恶心，呕吐以 及刺激眼睛、鼻子和嗓子发干，咳嗽，失去方向等症状。当人们暴露在高浓度 的m t b e 中时，会引起恶心、呕吐、头晕等不适症状；若直接接触在皮肤上会 有干燥与刺激的感觉。吸入是人体接触m t b e 和其他汽油醚的主要途径。对老 鼠和人体研究发现吸入的m t b e 首先通过肺以气体的形式和通过肾脏以尿液的 形式排除。在含m t b e 的空气中呼吸1 5 m i n 致死的浓度为1 4 1 0 0m g m 3 ，中毒 症状包括中枢神经系统反应迟钝、共济失调，呼吸困难。m t b e 主要经呼吸道、 皮肤、消化道被吸收，大量研究表明：m t b e 能通过口及呼吸快速吸入，皮肤 的吸收约为口吸入的3 9 ；并能通过血液快速分散到人体的各个部分包括大脑， 血液中的峰值出现在注射1 5m i n 时，肌肉组织内浓度最高的地方是肝及肾； m t b e 在人体内代谢为三丁基乙醇和甲醛，甲醛进一步代谢为甲酸和二氧化碳， 也可能形成甲醇；m t b e 对人体黏膜及呼吸道有刺激作用，可引起恶心、呕吐、 腹泻，对肾有伤害作用。国外采用志愿者研究m t b e 对人体健康的影响，积累 的资料显示：所有受试者都有不同程度的刺激症状，中枢神经受到影响。m t b e 及其代谢产物叔丁醇( t b a ) 、a 羟基异丁酸( h i b a ) 在浓度为1 3 0m m o l l 时， 均可引起人白血病细胞d n a 单链断裂，另一代谢产物甲醛在51 t m o l l 浓度即 可产生d n a 损伤。m t b e 在一定范围内可诱导s d 雄性大鼠肝细胞程序外 d n a 的合成，具有轻微的d n a 损伤作用；并可诱导c - m y c 基因的高表达。 m t b e 还能明显改变细胞周期，使细胞发生g 2 m 期的阻滞。人们长期饮用受 m t b e 污染的水，淋巴细胞凋亡率会增加。m t b e 的存在还会大大增强d i u r o n ， d i c h l o f l u a n i d ，t b t 和l i n u r o n 等农药的毒性。 m t b e 的嗅觉闽值和味觉阈值分别为4 5 l 和3 5i | , g l 。1 9 9 7 年1 2 月， 浙江大学硕士学位论文 u s e p a 发布e p a8 2 2 一f 一9 7 0 8 8 公告，建议饮用水中m t b e 可接受的污染量为 2 0 4 0 肛g ，l 。u s e p a ( 1 9 9 2 ) 健康咨询草案中，儿童1 d 和1 0 d 暴露m t b e 上限为 2 4 0 0 0 g 几；长期暴露上限为儿童3 0 0 0 斗l ，成人1 2 0 0 0 班吲。 有几份研究提出一份终生健康咨询草案( 相当于最高饮用水水平) 为 2 0 0 1 g l ；u s e p a 考虑到有关的m t b e 致癌性，确定终生健康咨询的m t b e 限 值为2 0 “班。两种终生饮用水浓度都是建立在r o b i n s o n 等人( 1 9 9 0 ) 1 拘研究上， 在他的试验中，对s p r a g u e d a w l e y 老鼠进行连续9 0 天填喂含m t b e 的饲料的 亚慢性口服研究【6 ”。在中枢神经系统在高剂量( 1 2 0 0m g k g ) 的作用效果和肾 ( 随增加剂量雌鼠的肾重量也相应增加) 在最低有害浓度( l o a f l ) ( 3 0 0 m g k g ) 的作用效果的基础上，得到了无害浓度( n o a f l ) 为1 0 0 m g k g - 扩2 】。 u s e p a 己承认m t b e 对老鼠具有致癌性的研究结果。对动物可能造成的癌 症包括血癌、淋巴癌、肝癌、肾癌、睾丸癌等。但对人体健康的影响，还未能 证实对人体致癌。u s e p a 暂把m t b e 列为可能导致人体癌症的因素的依据是吸 入研究的结果。 2 3 国内外m t b e 降解技术研究动态 2 3 1 物理化学法降解m t b e f e n t o n 氧化技术法 x i a n g - r o n gx u 等研究了用f e n t o n 试剂化学氧化降解m t b e ，结果表明， 在室温条件下，对初始浓度为l a i m 的m t b e 溶液最优反应条件为1 5m mh 2 0 2 ， 2m mf e 2 + ，d h = 2 8 ，在2 小时内m t b e 的去除率可达9 9 t 7 9 1 。j o h n 等用f e 代替f e 2 + 作为催化剂，用f e n t o n 试剂化学降解m t b e ，同样取得了很好的效果。 n e p p o l i a n 等用超声波联合f e n t o n 试剂及过硫酸盐来共同处理m t b e ，当过硫 酸钾存在时，m t b e 的降解速率显著增大，其主要的降解产物为叔丁基甲酯和 叔丁醇；在超声波条件下，利用f e n t o n 试剂降解m t b e 去除率可达9 5 以上； 利用超声波与f e n t o n 试剂共同作用比单独用超声波能大大缩短反应时间r 5 9 。 多相光催化氧化法 多相光催化氧化以n 型半导体为催化剂( 应用最多的是锐钛型t i 0 2 ) ，当 0 浙江大学硕士学位论文 能量等于或大于半导体禁带宽度( 带隙能，e 。) 的光照射到催化剂表面时，催 化剂吸收光能，发生电子跃迁，生成电子空穴对，对吸附于表面的污染物直接 进行氧化还原，或氧化表面吸附的氢氧o h ，生成强氧化性的氢氧自由基o h ， 将污染物氧化。r e y n a l d od b a r r e t o 等用中压汞灯( 4 5 0 w ) 光催化降解二氧化 钛悬浮液中的m t b e ，结果表明只要给予充分的时间，m t b e 能在二氧化钛悬 浮液中矿化。e s a h l e - d e m e s s i e 等用太阳光催化降解m t b e ，m t b e 溶液放在一 个5 0 0m l 的密封无顶空( 减少挥发损失) 耐热玻璃瓶中，磁力搅拌，光源是 利用7 月份的太阳光( 早上1 0 ：3 0 开始到下午3 ：3 0 ) ，同时做无光照和无t i 0 2 对比实验。结果表明：在无光照条件下和无t i 0 2 催化剂的情况下，m t b e 基本 不降解；用太阳光催化，t i 0 2 浓度为o 0 5g l ，5 h 内有9 9 的m t b e 被完全降 解，中间产物有叔丁基甲酯、叔丁醇和少量丙酮；还发现光催化降解芳香族有 机物比m t b e 快1 0 倍，f d + 和c 1 的存在会降低t i 0 2 的催化活性，而p h 的降 低能提高m t b e 的降解速率，利用t i 0 2 光催化降解低浓度的m t b e 污染水体 非常有效。 u v h 2 0 2 法 s t 印h e l l 和c a t e r 等用1 但2 0 2 氧化降解含m t b e 污染水，用每级电能的 性能系数e e 0 来估计电能效率，e e o 的值跟m t b e 、h 2 0 2 和其他有机物的浓度有 关。结果表明m t b e 遵循准一级反应动力学，用u w h 2 0 2 法能很容易且高效率 的降解m t b e ，在反应过程中根据m t b e 、h 2 0 2 的初试浓度，e e o 的值在0 2 和7 5 之间波动；当b t x ( 苯、甲苯、二甲苯) 2 m 肌，m t b e 降解效率明显下降 9 】。m i h a e l a 等也对用u v h 2 0 2 降解m t b e 进行了研列5 ”，结果发现最初的反应产物有 t b f 、m m p 、t b a 、丙酮等，在光照反应过程中检测到其他一些中间产物有羰 基化( 合) 物和有机酸。在反应过程中表现出了很好的有机碳平衡，表明几乎 所有的中间产物都检测到了，t o c 图显示几乎所有的有机物都最终矿化：通过 分析认为是强氧化性的( i - i 氢氧自由基推动了m t b e 氧化降解过程。c h a n g 等 人对u v h 2 0 2 降解m t b e 的反应动力学和产物形成作了研究 1 ”，结果表明超 过9 9 的m t b e 能够被降解，其主要产物为t b f ，羟基自由基降解m t b e 的 二级反应反应速率常数为3 9 ( 士o 7 3 ) 1 0 9m 。1 s ，t b f 和羟基自由基的二级 浙江大学硕士学位论文 反应反应速率常数为1 2 ( 士o 4 0 ) x 1 0 9m 。s ，t b f 的产率为0 2 8 士o 0 3 2 ，说 明用该法降解m t b e 效率非常高。 联合臭氧法 臭氧在水中有较高的氧化还原电位( 2 0 7 2 v ) ，在水中的分解能产生氢氧自 由基o h ，从而使有机物得到氧化而降解。随着臭氧发生器技术的逐渐成熟， 同时由于运行成本较低，其在水处理中的应用逐渐广泛。g r a h a m 等对0 3 和u v 0 3 处理m t b e 污染水进行了研列34 1 ，结果表明：用u v 0 3 法比单独用0 3 降解 去除m t b e 的效率高一倍，用g c m s 法分析分解产物为t b f ( 叔丁基甲酯) 、 乙酸甲酯、丁烯、丙酮、乙醛。在u v 0 3 和0 3 法处理过程中t b f 、丁烯的产 生量相当，为主要分解产物，但甩u v 0 3 降解效率更高，这表明这两种方法在 降解m t b e 过程中也降解了这两种中间产物。相对而言，乙酸甲酯、丙酮、乙 醛在两中方法处理过程中产生的量相当，他们一旦产生就几乎不降解，可能是 因为这些产物抵制了o h 提取氢原子。s a 陆z a d e h a m 试a l i 研究了利用 0 3 飓0 2 氧化处理m t b e 的动力学特性和效率6 4 1 ，模型表明：该反应主要是基 于o h 的氧化性，对m t b e 降解反应为两段假一级反应。第一阶段m t b e 浓 度大于1 0m g 几，第二阶段m t b e 浓度小于1 0m g m ，m t b e 的氧化速率( 至 少在第一阶段) 受0 3 传质限制，随0 3 的流速增大而增大。m i t a n i 等也对用0 3 和0 3 h 2 0 2 降解m t b e 的动力学及中间产物进行了研究5 7 1 ，检测到的主要中间 产物叔丁基甲酯、叔丁醇、甲基乙酯和丙酮，并探讨了m t b e 的矿化反应途径。 k a n g 等研究了臭氧联合超声法对m t b e 的降解作用5 ”，结果表明：在频率为 2 0 5k h z 、功率密度为2 0 0w l 的条件下，当m t b e 浓度由1 0m m 下降到o 0 1 m m ，一级反应速率常数从4 1x l o 4s 。1 上升到8 5 x 1 0 。4s ，其主要中间产物有叔 丁基甲酯、叔丁醇、甲基乙酯和丙酮，产率分别为8 、5 、3 和1 2 ，在降 解过程中可能包含了直接热解、与臭氧反应以及与o h 反应三种反应途径。 催化转化法 c e n t i 和g r a n d e 深入分析和研究了室温酸性条件下，利用沸石催化转化水 体中m t b e 为可生物降解的t b a 和甲醇的化学行为。沸石，具有多孔结构， 可以有效吸收释放的汽油，而且由于它的亲水性质，比起汽油其它成分，吸附 m t b e 更加显著。实验结果表明：具有适当孔结构的酸性沸石，如h m f i 和 浙江大学硕士学位论文 h b e a ，可以用来吸附，催化转化污染水体中的m t b e ，也可以作为阻止m t b e 向地下水渗透的屏障。沸石的结构对催化转化反应起着很大的作用，如h m f i 和h b e a 活性很强，尤其是后者，而发光沸石和八面沸石则不起作用：m f i 沸石在钠碱条件下也没有活性，在吸收和反应中都无多大意义，这种现象与 m t b e 在溶液中的动力学直径和是否结晶有关；s i a 1 比也是一个重要的因素， 催化转化行为随s i a i 比的增大而增强，这是因为沸石壁亲水或疏水的特性影响 了m t b e 向孔内部的扩散，同样也影响了反应产物向溶液反扩散的速率：很大 一部分的产物遗留在沸石中，并慢慢地向溶液扩散，这对m t b e 的连续生物降 解随一个不利的因素；他们同时还发现，微生物种群在异质基质如沸石和活性 碳上可有效生长。因此，沸石可用来保护地下水及作为储油罐和水体之间的过 滤层。沸石的吸收作用降低了m t b e 的扩散速率，并作为催化剂催化转化m t b e 为可生物降解的产物t b a 和m e o h ( 可以作为微生物生长的营养物质) ，同时 又可作为这些产物的储存器和微生物生长的基质。 其他方法 j o h n s o n 等用高浓度等离子处理m t b e 污染水，研究了降解m t b e 的氧化 机理和反应动力学4 ”。反应在d m p ( 高浓度等离子反应器) 中进行，结果表明： 该反应为准一级反应，降解m t b e 的最终产物为c 0 2 ，还有少量丙酮、t b f 、 甲醛；由于缺少稳定的中间产物，在某中程度上来说，m t b e 被直接氧化成c 0 2 。 m i t a n i 等对低温催化氧化分解m t b e 进行了研列5 7 1 ，以p t r _ h 或p d 作催化剂 ( 依附在混合金属氧化物l a l 。s r x m n 0 3 上) ，用0 2 i i e ( 1 ：4 ) 从溶液中吹扫出 m t b e ，然后此气流和水蒸汽一起通过催化床，反应温度控制在8 0 5 0 0 ，通 过催化燃烧观察到了c 0 2 和h 2 0 的产生，但催化试验中只能在低温下看到中间 产物如异丁烯、甲醇，该方法消除了m t b e 在水中的挥发。l i e n 等在有氧条件 下，对用双功能铝催化剂活化氧分子来降解m t b e 进行了研究 4 4 ，m t b e 的 降解反应为准一级反应，半衰期小于6h ，其中间产物为t b f 、t b a 、丙酮和乙 酸甲酯，用x p s 分析方法显示在双功能铝表面有硫酸盐生，m t b e 的降解速率 跟硫酸盐的浓度有关。t o m 等人利用颗粒活性炭( g a c s ) 进行了快速小型柱体 试验( r s s c t s ) ，研究评估其去除水中m t b e 的效果，结果发现它的吸附效果 与g a c s 类型，空位接触时间( e b c t ) 和操作时间有关，还发现水体中其它的 1 3 浙江大学硕士学位论文 有机物对m t b e 的吸附造成了显著的抑制作用；当1 0 0 透过吸附时，p c b 和 c c 6 0 2 这两种活性炭的处理率分别为1 4 2 和1 1 0l a g m t b e g g a c ，效果显著。 2 3 2 生物降解m t b e 虽然利用上述高级氧化技术降解m t b e 能够取得比较好效果的，但技术要求 高，费用昂贵，实际大范围应用较为困难，尤其是难以对地下水进行原位修复。 因此，国外已开始研究利用经济的生物修复技术来处理受m t b e 污染的水体。 有氧条件下的生物降解 首次报道的能降解m t b e 的细菌b c i ( s a l a n i t r ojp 等，1 9 9 4 ) 【6 5 】，是从 化工厂的活性污泥中分离到的一种混合培养、含有大约6 种细菌。b c 1 可将2 0 0 m g m 的m t b e 降解，速率为3 4m g g 细胞4 一。但是当m t b e 的浓度高于5m g l 时，去除率会下降。虽然b c i 能以m t b e 为唯一的碳源和能源，但是细菌生 长速率( o 0 1d 1 ) 和生物量( 0 1 扯o 2 8g 细胞g m t b e 4 ) 都很低。m o 等( 1 9 9 7 ) 【5 8 】分别从活性污泥、白果以及银杏树周围的土壤中分离到以m r b e 为主要底物 的三种纯培养，嗜中温甲基杆菌( m e t h y l o b a c t e r i u mm e s o p h i l i c u ma t c c 7 0 0 1 0 7 ) ，冬青节杆菌( a r t h r o b a c t e ri l i e i sa t c c7 0 0 1 0 9 ) 和红球菌 ( r h o d o c o c c u s s p a t c c7 0 0 1 0 8 ) ，能矿化m t b e ；当有其它碳源存在时，如 叔丁基甲酯、叔丁醇、异丙酮、丙酮和丙酮酸时，m t b e 的降解速率显著降低。 h a n s o n 等( 1 9 9 9 ) 3 5 1 从生物滤池的混合微生物共生体中分离能利用m t b e 作 为唯一碳源和能源的菌株，其中株为p m 。当m t b e 的初始浓度分别为5 、 5 0 和5 0 0i i t g m l l 时，p m l 的降解速率与浓度成线性关系，分别为o 0 7 、1 1 7 和3 5 6p g m b h 1 。在1 2 0 h 内，p m i 能将4 6 的m t b e 转化为c 0 2 ，1 9 转 化为细胞。将该菌株接种到受污染的地下水中，结果表明p m l 能将加入的 2 0 i _ t g - m l 1 的m t b e 迅速降解。还有一种能氧化氢气的细菌一黄色氢噬胞菌 e n v 7 3 5 也具有降解m t b e 的能力。它能以m t b e 为唯一的碳源和能源缓慢生 长，但是加入少量酵母浸提液可极大地促进其生长，甲醛、一氧化碳、硫脲或 乙炔对其降解活性的影响不大。f o r