（环境工程专业论文）异喹啉和2—甲基喹啉生物降解性能研究.pdf

【摘要】 摘要 本试验以含氮杂环化合物异喹啉和2 甲基喹啉为研究对象，研究了好氧、厌 氧和缺氧情况下这两种物质单基质的生物降解性能，其中试验的重点在于研究 缺氧状态下这两种物质的适宜碳氮比以及适宜碳氮比下的物质降解情况和降解 产物分析等，并对两种物质的缺氧和厌氧过程降解途径做了初步分析。 本试验运行条件下的研究结果表明：( 1 ) 单基质情况下，异喹啉和2 一甲基 喹啉的缺氧降解性能略优于好氧，明显好于厌氧；( 2 ) 单基质时异喹啉和2 甲基 喹啉在2 0 1 0 0 m g l 范围内的缺氧降解过程都符合零级反应动力学，异喹啉的降 解速度小于2 甲基喹啉；( 3 ) 缺氧条件下，异喹啉和2 一甲基喹啉缺氧降解的适宜 c n 比分别为1 0 4 一1 1 0 和2 5 - - 3 0 ，远远大于其它含氮杂环化合物如吡啶、喹啉等 的适宜c n 比；( 4 ) 单基质缺氧和厌氧降解过程中，o r p 值和p h 值变化范围较小， 难以作为控制系统运行的指标；( 5 ) 在异喹啉缺氧和厌氧试验中都检测到了i ( 2 h ) 异喹啉酮，说明异喹啉是经过羟基化作用和脱氢作用被氧化的，其缺氧和厌氧 降解途径与好氧途径的初始过程是一样的；( 6 ) 2 - 甲基喹啉单基质缺氧和厌氧降 解的试验中都检测到了4 一乙基苯胺，说明2 一甲基喹啉的厌氧降解途径与缺氧 降解的初始过程是一样的。缺氧降解过程中还检测到了3 氯苯胺。 关键词：含氮杂环化合物，好氧。厌氧，缺氧，降解途径，异喹啉，2 甲基 喹啉，中间产物 耻g a r dt w ol a e t e r o e y c l i ec o m p o u n d si s o q u i n o l i ma n d2 - m e t h y l q u i n o l i n ca 8t h er c s 倒 c l a o b j e c t c s ，b a t c hc x t ：h i l n c n t sw e c a r r i e d t os t u d yt h ed e g r a d a t i o nc h a r a e t 曲t i c sa n df o c u s0 1 1 1t h c 叩b 瑚lc ，nr a t i o ，v a r i a t i o no f n i t r a t e ，n i t t i t e ，a n di “l u i n o l i n e d2 - m d t h y q i n o t i n ea n de i o0 1 1 m e a n w h i l e ，t h ep a t h w a y so f a t n o x i ea n da n a e r o b i cd e f a d 撕锄w c l eu l y z c , t 1 kf o l l o w i n gc o n e l 哪i o mc o u l db es u l l m r i 捌f r o mt h ec x p e r i m e a t s ：( 1 ) o n m o n o - 鼬l i s m , l b cd e g n l 4 a t i o n so fi s o q i i i n o l i n ea n d2 - m e t h y l q u i n o l i n et m d c ra n o x i c c o n d i t i o n sw e mb e t t e r 也姐u n d e ra e r o b i ca n da l l l l c r o b i ( ! c o n d i t i o n s ( 2 ) o nm o n o - m e t a b o l i s m , t h ea - g r a d a t i o n so f i s o q u i n o l i n ca n d2 - m e t l a y l q u i o o l i n e ( 2 p t o o m g ，l ) t m d e rt h et h r e ec o n d i t i o n c o l f f o r m e dt oz e r o - o r d e ri - c a c i j o nk 删明a n dt h ed e g r a d a t i o nm t eo f i s o q i o l i ei sl o w e r 血觚 o f2 - m e t h y l q u i n o l i n e ( 3 ) u t l d c ra n o x i cc o n d i t i o n t h eo p t i m a lc nr a t i oo fi s o q i o t i n ea n d 2 - m e t l a y q u i n o l i n er c 8 p e e t i v e l yw e l l 1 0 4 - - 1 1 0a n d2 5 - 3 0 m ya 地b o t hl e s st h a nt h eo p t i m a l c nr a t i o so fo t h 日h c t e r o c y d i ee o m p o t m d s ( i e ，p r i d i n e ，i n d o l ea n dq u i n o l i n e ) ( 4 ) t h ec h a l 骖 s e o l o f p ha n do r p i na n o x i ea n da m a r o b i ec o n d i t i o n sa r es m a l l ，s ot h 叫e o u l d n tb eu s e dt o d e f i n et h ep l 烈 e 咖o ft h ed e g r a d a t i o np r o c e s s ( 5 ) d u r i n gt h ed e g r a d a t i o mo fi s o q u i n o l i n e w i t h 啊w i t h o u tn i t r a t e ，1 ( 2 h ) - i s l u i n o l i n o n cw a sd e t e c t e da 8t h ei n t e r m e d i a t e 珥o c h i c t ，v a a i e l a s u g g e s t e dt h a tt h ea n o x i ca n da n a e r o b i cp a t h w a y sw a st h es a m ea 8t h ee a r l yp a t h w a yo f a e r o b i c d e g r a d a t i o na n da l s op r o v e d t h e u b i q u i t y o fh y d r o x y l a t i o nd u r i n gt h ed e g r a d a t i o n so f n i t z o g c n o u sh e t e r o e y e l i ee o m p o t m d s ( 6 ) d u , r i n gt h ed e g r a d a t i o mo f2 - m e l h y l q u i n o l i n ew i 山o r w i t h o u tn i t r a t e 4 - e t h y i - b e n z e n a m i n ew a sd e t e c t e d 勰t h ei n m m e d i a i ep r o d u c t , w l a i e hs u g g e s t e d t h a t 山ea n a e r o b i cp a t h w a y sw a st h e 圈埘a st h ee a r l yp a t h w a yo fa n o x i ed c 孕戳b 吐。礼al l l o r e t o x i c 矾| b s i 锄k 霉t t l - c h o l o a n i l i w 鸹d c t e c t 以lj nm o n o - m c t a b o l i s m 缸 i n g 也ea n o x i ec o n 出t i o 几 k e yw o r d s ：n i l r o g e n o u sl a e t e r o e y e l i ec o m p o u n d s ，a e r o b i c ，a n a e r o b i c ，n n o x i e ，ca p g r a d a t i o n p a t h w a y , i s l u i n o l i n e ，2 - m e t h y l q u i n o l i a e 。i n t e r m e d i a t ep r o d l l c t 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。 一魏谚研 d 年，月沙日 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，均己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。 学位论文作者签名： 年月日 【第一章绪论】 1 1 课题的形成 第一章绪论 自工业革命以来，许多新型的工业有机物如橡胶、合成纤维、医药、农药 等给人类带来了新的光彩，但与此相对应的是一系列的环境污染问题对人类的 健康带来了严重的威胁：特别是近年来，现代工业发展迅速，有毒有害有机化 合物的产量和类剧增，其污染程度和范围令人惊叹。据统计，至1 9 9 0 年人类向 环境中排放的有机污染物高达2 5 亿吨，这些有机污染物普遍存在于工业废水 或城市污水中，引起了一系列危害严重的环境污染事件【”。有机化合物污染正 悄悄地污染着局部环境，以至整个人类环境；有毒难降解有机化合物对环境的污 染和危害已成为当前世界的重大环境问题之一。这些物质进入土壤、水环境， 积累在植物和动物组织内，甚至进入生物生殖细胞，破坏或者改变决定未来地 遗传物质。西方发达国家把有机化合物列为当今世界上环境问题之首【2 】。 另一方面，人类生活水平的提高使得人们越来越关注周围的生存环境，特 别是水环境问题。有机化合物能在环境中长期存留逐步蓄积，进而损害了人类 健康。医学研究证明，8 0 - 9 0 的癌症是由环境因素诱发的，而且在已经发现 的致癌物中8 0 为有机污染物。美国环保局基于有毒化学物的毒性、自然降解 的可能性及在水体中出现的概率等因素，从7 万余种有机化学物中筛选出6 5 类， 1 2 9 种优先控制的污染物名单。其中有毒有机化合物有1 1 4 种，占总数的8 8 4 。我国的优先污染物“黑名单”中共有1 4 类，6 8 种优先控制的污染物。其 中优先控制的有毒有机化合物有1 2 类，5 8 种，占总数的8 5 2 9 【2 】。虽然水处 理技术作为减轻环境污染的重要手段，已经取得了一定的成果，但是工业废水 中的大量有机物，尤其是有毒有机化合物的去除仍然是环保领域的热点。 所谓有毒有机污染物，是指对生物生命或人体健康造成危险的有机化合物。 此类物质中也包括某些有机物的代谢产物。这类污染物往往容易在生物体内富 集，也容易成为水体的潜在污染源。此外，还有一些有毒有机物在低浓度范围 内，也会对人体和生物体产生严重的影响，有时甚至是不可逆的【舶。因此，对 这类有机化合物很难予以恰当的利用、处理和控制。所谓生物难降解有机物， 【第一章绪论l 是指被微生物分解时速度很慢、分解又不彻底的有机物，此类物质中也包括某 些有机物的代谢产物。 杂环化合物是数量最庞大的一类有机物，在已知的数百万种有机化合物， 有一半以上是杂环化合物【3 l 。碳环化合物中的一个或多个成环碳原子被0 、s 、 n 、s e 、p 、a s 、b i 等非碳原子取代后的化合物，即为杂环化合物；这些非碳原 子叫杂原子，最常见的杂原子是氧、硫、氮，其中又以氮为最多。近年来，杂 环化合物的数量有增无减，同时其结构也亦加复杂，水处理的难度也越来越高。 含氮杂环化合物大都是有毒难降解有机物，它不易受代谢过程破坏的性质 决定了杂环化合物是属于污染面广的一类难降解有机物由于其毒性较大，严重 破坏环境并影响人的身体健康。其广泛存在于许多工业废水中，如焦化废水， 染料废水，橡胶废水，化工废水，制药废水，农药废水。随着这些废水向环境 的排放，在它们的排放水域沉积物中、附近的土壤和地下水中都发现了含氮杂 环化合物【4 1 。另外，许多研究表明含氮杂环化合物对动物和人体具有毒性、致 突变性和致癌性【5 】而且水体中的生物能从水中富集和积累含氮杂环化合物， 并有在较高级生物及人体内通过食物链积累的可能性。因此含氮杂环化合物是 对生态系统和人体健康具有很大威胁的一类化合物。 然而目前国内外对含氮杂环化合物的研究不足。由于大部分含氮杂环化合 物难以降解及对微生物的抑制作用，不仅其自身难以降解，使废水难于达标排 放，而且严重抑制微生物对其它易降解有机物的降解，影响常规生物法处理系 统的处理效果【叭。一部分含氮杂环化合物用传统的好氧生物法进行处理，不仅 处理效果不好，而且会对反应器中的微生物造成毒害和抑制作用。但实际运行 中也发现，经过生物处理脱氮工艺处理后这些污染物质的去除得到了提高，且 主要在反硝化过程中被去除i ”。越来越多的证据证明，相当一部分含氮杂环化 合物可以在反硝化过程中得到良好地去除。 本课题为国家自然科学基金资助项目“含氮杂环化合物缺氧降解及其对硝 酸还原酶活性影响研究”( 编号5 0 i o s 0 0 9 ) 的组成部分。本课题前面的研究者 已经对毗啶、吲哚、喹啉等含氮杂环化合物缺氧降解情况，毒性削减情况、硝 酸盐还原酶活性及反硝化降解反应动力学等内容进行了一定的研究，对含氮杂 环化合物在缺氧反硝化条件下的降解性能和规律及其环境影响因素有了一定的 了解，并且对于两种或多种杂环化合物在缺氧下的共代谢也做了做了初步的研 究。本论文承接研究者孙丽娟的课题，在对异喹啉和2 甲基喹啉等含氮杂环化 2 【第一章绪论】 合物缺氧降解的大量研究基础上，对好氧、缺氧及厌氧降解过程中的物质降解 产物、降解性能和降解机理等进行深入研究，进一步为缺氧反硝化条件下含氮 杂环化合物废水的处理提供理论依据。 1 2 概述 1 2 1 含氮杂环化合物的相关研究 1 2 1 1 含氮杂环化合物的结构特性 含氮杂环化合物即是指有氮杂原子的杂环化合物，在杂环化合物中占有很 大的比例。含氮杂环化合物大都是有毒难降解有机物，广泛存在于焦化废水、 染料废水、橡胶废水、化工废水、制药废水、农药废水等工业废水中。废水处 理中常见的含氮杂环化合物主要有吡咯、吲哚、吡啶、喹啉、异喹啉、咔唑、 咪唑、吡唑及其衍生物等。 含氮杂环化合物都具有一定的芳香性，也就是说，环很稳定，尽管环中都 含有不饱和键，但它有饱和性，很难发生反应，一般所起的反应都是取代反应， 相对于脂肪烃、链烃而言，属于生物降解性比较差的有机化合物。同一个环 中，含氮原子越多，其生物可降解性越差。但引入苯环后，可提高其可生化性。 根据杂原子的多少和环的大小，常见的杂环化合物大致可以分为：含有一 个氮原子的五元杂环化合物，含有一个氮原子的六元杂环化合物，含有两个或 两个以上氮原子的五元杂环化合物，含有两个或两个以上氮原子的六元杂环化 合物，同时含有氮原子的五、六元杂环化合物。含氮杂环化合物的生物降解性 能很大程度上与其分子结构特点相关。含氮杂环化合物中的单环杂环化合物中， 具有“缺n 电子结构”的六元杂环毗啶的生物降解性能远远差于具有“超电 子结构”的五元杂环的吡咯、呋喃、噻吩、咪唑。也就是说，具有“缺电子 结构”的单环杂环化合物难于生物降解，而具有“超“电子结构”的单环杂环 化合物生物降解性能较好。这是因为，具有“超n 电子结构”的五元杂环化合 物其杂原子上的共用电子对参与环上共轭体系的形成，起到了推电子作用。这 种推电子作用超过了因杂原子强电负性的吸电子作用，使得环上的电子云密度 【第一章绪论】 增大，有利于氧从分子中获取电子，因此，它们呈现出较好的生物降解性能。 对于与苯环稠合成的双环或三环杂环化合物，其生物降解性能较原物大大减弱， 这主要是因为环上的电荷密度骤然下降、空间体积位阻效应增大及疏水性增强 三方面因素综合作用的结果。咔唑、吩噻嗪的生物降解性能与联苯相似，喹啉 的生物降解性能较吡啶的生物降解性能差，这主要是由它们的结构特征决定的 喁9 ，1 0 1 。 1 2 1 2 含氮杂环化合物的好氧生物降解研究 目前有关含氮杂化合物的生物降解研究还主要集中在好氧降解方面。杂环 化合物的好氧降解性能与其分子结构密切相关。般来说，咔唑、吩噻嗪的生 物降解性能与联苯相似，喹啉、异喹啉、萘等多环化合物的生物降解性能较毗 啶的生物降解性能差，这主要是由它们结构特征决定的。但是由于这些杂环化 合物难于生物降解导致工业废水( 焦化废水、印染废水、制药废水等) 出水c o d 不 达标，因此，很多研究者对含氮化合物的好氧降解进行了一系列研究。国内外一 些学者已分离出可以降解喹啉的菌株。g r a n t f f a i - n a j j a r 【l l 】最早从花园土中筛选 出一株可利用喹啉为唯一碳，氮源的摩氏杆菌m o r a z e l l a ；r o t h e n b u r g e r 等 1 2 1 将固 定化喹啉降解菌在喹啉与6 一甲基喹啉混合液中长期培养后，使该菌具有了原不 具有的降解6 一甲基喹啉的能力：清华大学韩力平、王建龙等 1 3 , 1 4 分离得到喹啉 降解高效菌b u r k h o l d e r i ap i c k e t t i i - - 2 7 1 用海藻酸钙凝胶包埋该菌进行了喹啉降解 试验，得出了固定化的最佳条件。此外，他们提出了纱布一p v f 复合载体固定化 方法，进行了将该菌固定化细胞投加到流化床反应器中处理喹啉废水的实验结 果显示，该法可以高效处理含喹啉废水，耐冲击负荷能力较强：连续式处理效率 优于间歇式实验废水的实验结果显示，该法可以高效处理含喹啉废水，耐冲击 负荷能力较强：连续式处理效率优于间歇式实验。k i l b a n e 等n 5 纷离到一株利用喹 啉作为氮源而不是碳源的菌株在16 l i 内可以从页岩油中除去6 8 的喹啉，在选择 性去除石油中有机氮方面具有重要的价值。宋秀兰等【1 6 】用聚集一交联固定化胶 质红环菌，在好氧条件下降解吲哚的实验，实验结果表明，该菌种可利用吲哚 作为唯一碳源和氮源，固定化化胶质红环菌好氧降解吲哚的最佳条件为：温度 2 2 - - 4 0 c , p h 值5 5 - - 8 5 ：投加适量 2 p 0 4 可促进其降解吲哚的效果：金属离子 c 0 2 + 、n t “，c u 2 + 对其降解吲哚性能有明显抑制作用，固定化胶质红环菌对吲 4 【第一章绪论】 哚去除率最高可达9 7 。 喹啉作为一种典型的含氮杂化合物，在化工工业、医药和农药生产中经常 用作溶剂和原材料，因此也倍受研究者关注。许多学者在研究了喹啉的生物降 解后提出了不同的降解途径，但它们的相同点是初始反应都包括2 号位的羟基化 过程1 1 7 , 1 8 1 ，因此甲基喹啉，特别是2 一甲基喹啉难于生物降解是由于2 号位的甲基 化阻碍了羟基喹啉的形成【1 8 】p , m i e t l 1 1 i n g 等人在研究中还发现喹啉的降解有短 暂的2 - - 羟基喹啉的积累，进一步指出2 - - 羟基喹啉的转化是喹啉降解的限速步 骤【1 7 1 。2 一羟基喹啉后的不同降解途径可能是试验条件的差异造成的，有些试验 是在单基质条件下进行的，而有些是在共基质条件下进行的。另外，不同的试 验菌种也会有不同的降解途径。关于降解动力学方面也有一些成果：全向春【1 9 1 等在用固定化皮氏伯克霍而德氏菌降解喹啉的研究中提出，喹啉的降解符合零 级反应动力学，而且喹啉的初始浓度不同，其降解速率常数也不同，降解速率 随着喹啉浓度的升高而加快。r m i e t h l i n g 等人还指出喹啉对生物生长有抑制作 用，符合n a l d a n e 抑制方程，抑制系数为l ( i 9 m g ，l ”。另外，何苗研究了其它几 种含氮杂环化合物，认为吡咯、咪唑具有类似的生物降解性能，在单一基质条 件下，为可生物降解物质，在与苯酚共基质条件下，其生物氧化率显著提高； 而吡啶在单一基质条件下不能作为微生物生长的唯一碳源和能源物质，为难降 解物质，在与苯酚共基质条件下，吡啶有一定程度的降解【9 】。 1 2 1 3 含氯杂环化合物的厌氧生物降解研究 厌氧微生物与好氧微生物在生理方面有很大的差异，厌氧微生物的酶系统 比好氧微生物的酶系统复杂得多。厌氧微生物具有某些脱毒和利用难降解有机 物的性能，而且还具有某些在好氧条件下较难发生的生物化学反应，如多氯芳 烃的还原脱氯、芳香烃及杂环化合物的开环裂解等。对于杂环化合物来说，在 好氧条件下，环的裂解是其整个生化反应的限速步骤。无疑上面的研究结论给 杂环化合物的降解提供了可能性【引。 近年来有关研究表明，经过厌氧处理可以改变难降解有机物的化学结构和 生物降解性能，使其生化性提高。张晓健等【圳对焦化废水中有代表性的难降解 杂环化合物吡啶、吲哚、喹啉的厌氧研究表明：毗啶、吲哚、喹啉在厌氧条件 【第一章绪论】 下可以降解，降解速率为喹啉 吡啶 g l 哚，其降解过程符合一级反应动力学， 与好氧条件相比，厌氧条件的降解特性得到了较大改善。李咏梅掣2 l 】研究了厌 氧条件下毗啶、吲哚，喹啉、异喹啉和2 甲基喹啉的降解后发现：厌氧条件下， 它们降解的程度由易到难的顺序为：吲哚 异喹啉一喹啉 吡啶 2 甲基喹啉。试 验结果与上述不同可能是试验条件的差异造成的。而且也说明了杂环的厌氧降 解的研究并不是完全透彻，可以进一步进行研究。申海虹【2 2 】的研究表明：吡啶 尽管是难生物降解的有机物，但只要有足够的反应时间，也是可以厌氧降解的， 只是降解速率比较慢，降解过程符合零级反应动力学；喹啉的厌氧降解浓度基 本呈对数下降趋势，其生物降解速率可以用一级反应动力学模型表示，但喹啉 的厌氧降解速率比吡啶快。马娜1 2 剐的研究也指出：吲哚、苯并咪唑、2 - 甲基吡啶 虽然是难于生物降解的有机物，但是，在厌氧条件下，只要提供足够长的反应 时间也是可以生物降解的。以上研究者进一步证明了杂环化合物在厌氧条件下 能够生物降解，但降解速率很慢。目前，关于厌氧条件下含氮杂环化合物的生 物降解途径还鲜有报道。 1 2 1 4 含氮杂环化合物的缺氧生物降解研究 近年来，在厌氧一缺氧一好氧工艺处理焦化废水的研究中发现含氮杂环化 合物在缺氧段有很大的去除效果。在缺氧反应器中，反硝化菌在降解有机物同 时合成自身细胞。由于经酸化的废水中含大量n i - 1 3 - n ，微生物以n h 3 一n 作氮 源。因此在缺氧反应器中，有一部分n i l 3 一n 通过同化作用而得到去除。而且， 反硝化菌利用n 0 3 。一n 氧化有机物产生能量，假定所产生能量全部用于生长， 而生长所需氮源全来自氨的话，则平均每转化i t o o ln 0 3 。为n h 3 ，产生o 9 1 e q v 碱度；而硝化菌每将i m o ln h 3 氧化为n o 大约消耗2 e q v 碱度( 将n 0 2 转化为 n 0 3 不消耗碱度) 1 2 0 ! 因此，缺氧反应器可以为好氧反应补充一定的所需碱度。 但是好氧反应器仅回流一部分出水到头缺氧反应器，而且进入缺氧池的n 0 3 。 也不可能完全被还原，因此缺氧池所补充的碱度是有限的。一些简单的含氮杂 环化合物如喹啉、异喹啉、吲哚、吡啶在厌氧过程中也得到了较大的降解，而 有取代基的含氮杂环化合物如甲基喹啉和羟基喹啉则有所增加，在缺氧段，厌 氧出水中的大部分有机物得到了1 0 0 降解或转化，同时又产生了一些中间产 物【2 4 1 。上海焦化厂酚、氰废水的生物脱氮处理工艺的中试研究结果表明，其反 6 【第一章绪论】 硝化段不仅具有生物脱氮的功能，而且可以使一些在传统好氧生物处理过程中 不易被生物降解的有机物( 如吡啶、吲哚、喹啉等) 较好地得到降解1 2 5 1 。 李咏梅等【2 6 j 在对吡啶、吲哚、喹啉、异喹啉、2 甲基喹啉五种含氮杂环化 合物的缺氧降解试验中发现，在缺氧状态下，除了吡啶外，其余四种受试物在 反应2 h 时都有一个质量浓度迅速降低的过程，可认为是一个大量吸附过程，之 后经缓慢降解或驯化，质量浓度又开始迅速降低，直至不能检出。吡啶在反应 开始时没有质量浓度迅速降低的现象，而是在1 2 h 前缓慢降解，1 2 h 后迅速降 解。这说明在缺氧状态下，微生物对吡啶这种物质适应很快，在较短时间内即 可有效地将吡啶完全降解。以上述五种杂环有机物作为单一基质时，反硝化速 率与进水硝态氮的质量浓度无关，反硝化反应为零级反应【2 引，反应6 0 h ，五种 受试物质能基本全部降解，它们的缺氧降解速率按从快到慢排列为：吡啶 吲 哚 喹啉 2 一甲基喹啉 异喹啉，其中2 - - 甲基喹啉和异喹啉的降解速率相差 不大1 2 7 1 。申海虹【2 2 】在对吡啶和喹啉的研究结果表明：与好氧、厌氧条件相比， 缺氧条件下吡啶和喹啉的降解性能较好，降解速率显著上升，在低浓度时符合 一级反应动力学，且喹啉的缺氧反硝化降解速率远远小于吡啶。而在其它一些 试验【2 习中，研究者发现，吲哚、苯并咪唑、2 - 甲基吡啶的缺氧降解性能比好氧差， 但好于厌氧，这三种物质的缺氧降解规律均符合零级反应动力学。另外，研究 还指出，在含氮杂环化合物的缺氧反硝化中投加的氮源是有机物去除的关键和 限制因素。c n 比高，则有机物降解不完全，c n 比低，则出水有n o i 一一n 的 积累，只有控制适宜的c n 比才能使有机物完全降解且出水几乎不含n o 。一一 n 2 2 驯。 郑广宏【2 s 】对吡啶、喹啉、异喹啉、吲哚、苯并咪唑和2 一甲基吡啶进行了 系统的研究，认为在缺氧条件下，吡啶、吲哚、苯并咪唑和2 一甲基吡啶的降 解符合零级反应动力学，喹啉和异喹啉的降解符合一级反应动力学，且吲哚在 缺氧降解过程中产生了难以进一步降解的中间产物，吲哚、苯并咪唑和2 - - 甲 基吡啶对生物有抑制作用，表现为可逆抑制，这五种受试物降解由易到难依次 为：吡啶、吲哚、喹啉、异喹啉、2 - - 甲基吡啶、苯并咪唑。r o c k n e 和s ( x a n d 2 9 1 通过试验表明，高度富集的反硝化培养菌能使二环及多环的芳香烃无机化，这 一过程依赖硝酸盐进行，当以多环芳烃作为惟一的碳源和能源时，培养菌的反 硝化产物为n 2 0 。 章非娟等1 3 0 1 发现，废水中许多难生物降解的稠环芳香烃和杂环化合物在传 7 【第一章绪论， 统的好氧生物处理构筑物( 曝气池、生物滤池) 中去除率很低，但经过生物脱 氮工艺处理后这些污染物质的去除率显著提高，且主要是在反硝化过程中被去 除，出水c o d 也明显降低。章非娟等还发现，吲哚在生物反硝化过程的降解可 认为是分两个阶段进行，第一阶段的降解速度快，第二阶段的降解速度慢。吲 哚的降解主要在第一阶段完成，且投加初级能源基质可以提高仿佛废水中难降 解有机物的处理效果。 孙丽娟【3 1 悛现，异喹啉和2 甲基喹啉降解过程中n 0 3 - - n 的变化不是很明 显，也就是说微生物对n 0 3 一n 的需求量很小，这与以前的研究结论有所不同。 因此，对于硝酸盐氮在异喹啉和2 一甲基喹啉缺氧降解中的作用，以及此过程 中电子受体的类型和利用情况还应作进一步和研究。 1 2 2 缺氧反硝化作用研究 1 2 2 1 生物反硝化机理 缺氧反硝化作用是指在无分子氧条件下，反硝化菌将硝酸盐氮( n 0 3 一n ) 和亚硝酸盐氮( n 0 2 一n ) 还原成气态氮( n 2 ) 或n 2 0 、n o 的过程。反硝化 菌属于异氧型兼性微生物，在无分子态氧的情况下能利用硝酸盐和亚硝酸盐中 的n + 5 和n + 3 作为能量代谢的电子受体，0 - 2 作为受氢体生成h 2 0 和o h 一碱 度，有机物作为电子供体提供能量并得到氧化稳定。反硝化包括同化反硝化和 异化反硝化两种形式。同化反硝化过程中，n 0 3 最终被还原为氨，然后氨被微 生物吸收，参与菌体的合成，成为细胞的组成部分。在生物反硝化中，约有4 经同化反应合成微生物，而剩余9 6 则经异化过程被还原。通常在污水脱氮处 理中所涉及的反硝化均指异化反硝化。生物异化反硝化过程可以用下述反应式 表示【3 2 j ： n 0 2 - + 3 h ( 电子供体有机物) 一1 1 2 n 2 + h 2 0 + o h n 0 3 。+ 5 h ( 电子供体有机物) 一1 2 n 2 + h 2 0 + o h 一 上式中的电子供体有机物为污水中的含碳有机物。由上二式计算，转化1 9 n 0 2 n 为n 2 需要1 7 1 9 有机物( 以b o d 表示) ，转化i g n 0 3 - n 为n 2 需要2 8 6 9 有机物( 以b o d 表示) ，此过程中可以产生3 5 7 9 碱度( 以c a c 0 3 计) 。n 0 3 。 和1 4 0 2 。的转化是通过反硝化菌的同化作用和异化作用来完成的，异化作用去除 【第一章绪论】 的氮占总去除量的7 0 7 5 。反硝化过程的产物因参与反硝化反应的微生物种 类和环境因素而有所不同，p h 低于7 3 时，n 2 0 的产量增加，但在污水处理中 可以认为n 2 为唯一产物【3 2 1 。 1 2 2 - 2 生物反硝化过程的环境影响因素 ( 1 ) 温度 温度是影响缺氧反硝化的重要因裂3 扪。进行反硝化作用适宜的温度是2 0 4 0 ，低于1 5 c 时反硝化菌生长速率明显下降，反硝化速率也迅速降低。然而 高温可导致生物酶变性从而降低反硝化速率，抑制反硝化过程。 ( 2 ) 溶解氧d o 溶解氧的存在会对生物反硝化起到抑制作用。由于好氧生物氧化产生的能 量高于反硝化产生的能量，溶解氧作为电子受体比硝酸盐氮和亚硝酸盐氮更具 有竞争力。溶解氧的还原可以提供更高的能量，因此溶解氧总是被优先选择的 电子受体【3 4 ”。同时溶解氧还会抑制硝酸盐还原酶、亚硝酸盐还原酶等的合成及 其活性，从而抑制反硝化过程，所以溶解氧的想想会导致反硝化中间产物的积 累。因此活性污泥系统中，为保持良好的反硝化作用，溶解氧应保持在0 2 m g l 以下。 ( 2 ) p h 反硝化反应适宜的p h 值为7 0 8 0 ，在适宜范围内p h 值对反硝化的影响 不显著 3 5 , 3 6 。但当p h 值超过此范围将影响反硝化菌的增殖和酶活性，当p h 值 高于8 或低于7 时，反硝化反应会受到强烈抑制，原因在于酸性环境中产生了 h n 0 2 ，h n 0 2 对反硝化过程有强烈的抑制作用。但反硝化过程会产生碱度，这 有助于把p h 保持在所需的范围内。 ( 4 ) 碳源 碳源的性质对反硝化速率有重要的影响，易生物降解c o d 作为碳源时反硝 化速率远远高于难生物降解c o d 作碳源时的速率。另外，碳源种类对反硝化过 程也有较大影响1 3 2 1 。 ( 5 ) 碳氮比c n 如果c n 比偏低，碳源不足时，反硝化速率和效率会降低；同时还会造成 亚硝酸盐氮的积累，并且导致出水c o d 增高；还可能由于发生内源反硝化微生 【第一章绪论】 物以无机物如氢、n a 2 s 等作为电子供体，生成氨氮，造成细胞物质的减少。如 果c n 比偏高，氦源不足时，会使出水c o d 增高。因此生物反硝化系统必须 保持一个适宜的c ，n 比范围，使得反硝化过程顺利进行。 ( 6 ) 电子受体 反硝化过程中主要存在两种电子受体p 2 1 ：硝酸盐氮n 0 3 一一n 和亚硝酸氮 n 0 2 一一n 。有研究表明，分别以单一的n 0 3 - 一n 和n 0 2 一一n 为电子受体所进 行的生物反硝化，其最大反硝化速率是一致的。n 0 3 - 一n 和n 0 2 一一n 的浓度 对反硝化速率几乎没有影响。当硝酸盐n 0 3 一一n 和亚硝酸盐n 0 2 一一n 浓度较 大时，反硝化俄进行不受其影响，属于零级反应，但在浓度很低时它们会成为 反硝化过程进行的限制因素。大多数情况下，n 0 3 一一n 的存在会抑制n 0 2 一一n 的还原，也就是说，当n 0 3 - 一n 存在时，会产生n 0 2 一一n 的积累，只有当n 0 3 一一n 被消耗完后，n 0 2 一一n 的还原才会顺利进行。 1 3 研究目的和研究内容 1 3 1 研究目的 本课题的研究目的主要是探讨好氧、缺氧和厌氧条件下含氮杂环化合物异 喹啉和2 一甲基喹啉的降解性能，研究电子供体和电子受体浓度对物质降解过 程的影响规律，以及缺氧降解过程中中间产物的生物等。 本研究的理论意义在于通过比较异喹啉和2 一甲基喹啉在不同系列化条件 下的降解性能，并重点对缺氧条件下驼两种含氮杂环化合物物质降解规律的研 究，分析反硝化反应的影响因素，为含有该类物质的废水生物处理提供理论依 据。本研究实用价值在于利用本研究的成果指导含氮杂环化合物处理工艺的设 计，为物质降解过程提供最适处理条件，以达到最佳处理效果。 1 3 2 研究内容 本试验的研究内容主要包括以下几个方面： ( 1 ) 以异喹啉和2 甲基喹啉为单一碳源，比较好氧、缺氧和厌氧三种条件下物 质降解性能 t o 【第一章绪论】 ( 2 ) 确定以异喹啉和2 一甲基喹啉为单一碳源时的最佳反硝化条件( c ，n 、温 度和p h 值) ，在此条件下研究杂环化合物降解过程中的物质( 包括杂环 化合物、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、氨氮等) 变化规律。 ( 3 ) 对含氮杂环化合物缺氧和厌氧降解过程中产生的中间产物进行分析比较， 探讨单一基质降解途径。 【第二章试验方法与铡试方法】 第二章试验方法与测试方法 2 1实验装置与设备 电动搅拌机 ( 4 ) 污泥培养器 图2 1 ( ”条件反应器 试验装置示意图 试验装置包括污泥培养器( 如图2 1 a 所示) 和条件反应器( 如图2 1 b 所示) 。 其中污泥培养器是由有机玻璃制成的圆柱形反应器、可调速搅拌器等构成，好 氧污泥培养器还包括曝气器( 图2 1 未示出) ，通过电动搅拌机的缓慢搅拌使废 水和污泥充分反应，以进水、反应、静沉、排水的间歇运行方式进行污泥的驯 化、培养以及部分试验研究。污泥培养器的尺寸如表2 l 所示。 表2 - 1 污泥培养器的尺寸 | t项目 直径( c m )高度( 锄) 有效容积( l ) 尺寸 1 4 1 0 08 条件反应器由电磁搅拌器和l l 烧杯组成，通过电磁力带动烧杯内的搅拌子 1 2 【第二章试验方法与测试方法】 旋转而使废水与污泥反应，用于环境因素影响等实验研究。进行好氧反应时增加 曝气器，缺氧和厌氧反应时加盖，在保证一定污泥浓度并且缓慢搅拌的情况下， d o 浓度可以控制在0 1 5 m g l 以下。整个研究过程包括污泥驯化和各种批式试 验，均在恒温室中都进行，室内温度保持在2 5 左右。 2 2 含氮杂环化合物的选取及其特性 本实验选取异喹啉和2 一甲基喹啉作为缺氧反硝化过程的碳源，主要由于 在以前的研究中孙丽娟口1 发现，异喹啉和2 一甲基喹啉在硝酸盐氮存在的缺氧 反硝化条件下能被较好地去除，但硝酸盐的还原量却很少，这和吡啶、吲哚、 喹啉的降解情况非常不同，因此需要进一步对异喹啉和2 一甲基喹啉的生物降 解进行研究。异喹啉和2 - - 甲基喹啉的特性如表2 2 所示。 表2 - 2 所选含氮杂环化合物特性一览表“” 异喹啉2 甲基喹啉 物质名称 ( i s o q u i n o l i n e )( 2 - m e t h y 撇e ) 结构式 9 分子式c 9 i i 羽c l o l - i 羽 分子量1 2 9 1 61 4 3 1 9 c o d 当量1 0 0 m g 2 9 7 6 73 0 1 7 0 能与乙醇、乙醚等有机溶能与乙醇、苯、乙醚、丙酮、 溶解性 剂相混容，溶于稀酸，几氯仿等有机溶剂相混溶，微 乎不溶于水。 溶于水。 无色液体，低温为无色片 状结晶。有吸湿性。有类 性状 似茴香油和苯甲醛混合物 无色油状液体。有喹啉气味 的刺激性气味。其碱性较 长期遇光易变成红棕色 喹啉强 【第二章试验方法与测试方法】 毒性及半数致死剂量( 大鼠 中等毒低毒 经口) 3 6 0 m g k g1 2 3 0 m g k g 存在于煤焦油中。用于低用于有机合成。也作测定溶 存在方式及用途 级脂肪烃和芳烃的分析、剂 制药、杀虫剂、抗疟剂、 有机合成等。 注：“c o d 当量，1 0 0 m 8 ”是指每1 0 0 m 8 有机物相当的c o d 量。根据该物质完全氧化时的理论需氧量计 算以异喹啉为倒： g 母7 n + 1 2 0 2 + o h - 9 0 0 2 + 4 h 2 04 - n 0 3 分子量： 1 2 9 1 61 2 x 3 2 i o o m g x x = 1 2 3 2 1 0 0 - - 1 2 9 1 6 = 2 9 7 6 7 m g 叩每1 0 0 m g 异喹啉相当于2 9 7 6 7 m g c o d 其他算法相同 2 3 废水水质 本试验采用人工配水的方式，以含氮杂环化合物( 异喹啉、2 一甲基喹啉) 为碳源，以硝酸盐( n a n 0 3 ) 为氮源，并加入磷( k h 2 p 0 4 ) 、钙( c a c l 2 ) 、镁 ( m g s 0 4 ) 等微量元素后用自来水稀释至目标浓度。主要营养元素的配制比例 为：c o d ：p ：c a ：m g = 1 0 0 ：1 ：0 1 8 ：0 1 8 r 3 们，电子供体和电子受体的投加量根据不同 的试验的需要而定。 2 4 实验条件的控制 好氧、缺氧和厌氧降解各自最适条件有所不同，本论文重点关注缺氧降解 情况，本实验条件控制如下： ( 1 )温度：由于本试验是机理性研究，为避开温度的影响，污泥的驯化和降 解试验均在温度为2 5 左右的恒温室中进行。 ( 2 )溶解氧：对于缺氧污泥，反硝化菌是兼性厌氧菌，同时存在分子态氧和 硝酸盐时则优先进行有氧呼吸，要保证反硝化作用应严格控制溶解氧在 0 2 m 玑以下i 圳。为此，将污泥培养器设计为长柱形以减少氧气的充入： 调整搅拌机缓慢搅拌，只起混合作用；在反应器顶部加盖，减少与空气 1 4 【第二章试验方法与涮试方法】 的接触。通过以上措施，反应器中的溶解氧可维持在0 i m g l 以下。以 上措施也适用于厌氧污泥的驯养和试验。对于好氧污泥，反应过程中重 点在于溶解氧浓度的控制，d o 过高可导致曝气吹脱，所以研究过程中 一直控制d o 浓度在2 - - 4 m g l 。 ( 3 ) p h ：最适宜的p h 值是7 0 7 5 ，当p h 高于8 或低于6 时，反硝化反应 受到强烈抑制1 3 2 。由于试验采用间歇方式运行，反硝化造成的p h 升高 可以通过进水一排水过程来缓解。试验证明反应器内的p h 值可维持在 7 0 8 0 范围内。 ( 4 ) c n 比：反硝化需要充足的碳源，因此c n 比是一个重要影响因素，也 是本试验的重要研究内容。对于各组试验均确定其最佳的c ，n 比，然后 研究此条件下的物质等情况。 2 4 分析项目和分析方法 2 4 1 杂环化合物的测定方法h 0 l 本试验采用人工配水的方式，水质没有实际的工业废水复杂，且水中所含 物质基本已知。根据孙丽娟论文 3 h ，若采用紫外分光分度法测试，中间产物和 硝酸盐氮对于异喹啉和2 一甲基喹啉测定影响较大，因此采用气相色谱法进行 检测。 气相色谱法的测定原理是由于物质的性质不同，样品中各组份在气相和固 定相间的分配系数不同，当汽化后的样品被载气带入色谱柱中运行时，组份就 在其中的两相间进行反复多次分配，由于固定相对各组份的吸附能力不同，虽 然载气流速相同，各组份在色谱柱中的运行速度就不同，经过一定时间的流动 后，便彼此分离，按顺序离开色谱柱进入检测器，产生的讯号经放大后，在记 录器上描绘出各组份的色谱峰。根据出峰位置，确定组分的名称，根据峰面积 确定浓度大小。 试验中使用的色谱仪为a g l i e n t6 8 9 0 n 型气相色谱仪，色谱条件如下：分流 进样，进样口温度为2 5 0 ，f i d 检测器，检测器温度为2 8 0 ，色谱柱为3 0 0 m x 3 2 0 u m x o 2 5 p m 的i - i p 5 型填充柱，n 2 作载气各物质的分析方法如下 所述： 【第二章试验方法与测试方法l ( 1 ) 异喹啉的分析方法和工作曲线 进样口载气流量为8 3 5 m l m i n ，分流比为1 ：l ：柱压2 5 o p s i ，载气流速为 8 2 c r n s e c ；柱温在1 0 0 ( 2 保持l m i n ，以3 c r a i n 的速度升至1 1 2 1 2 ，保持l m i n ， 再以l o c m i n 的速度升温至1 6 0 c 并保持2 m i n ：进样量为2ul 图2 - 2 异喹啉工作曲线 用二氯