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浙江工业大学硕士研究生学位论文 氯苯高效降解菌选育及应用其强化生物滴滤运行性能研究 摘要 氯苯类v o c s 广泛用于工业生产过程，化学性质相当稳定，具有 生物积累性和生物毒性，对人体具有致癌作用，被美国环保局( e p a ) 列入优先控制污染物名单。对于这类污染物的治理技术，生物净化技 术具有高效、低耗、反应条件温和、二次污染小等优点。 本论文选育出l 株氯苯的高效降解菌，经鉴定为r a l s t o n i a p i c k e t t i i ，为新发现的具有降解氯苯能力的新菌株，命名为l 2 。研究 了l 2 的基本特性和动力学行为，基于代谢产物的分离、鉴定和相关 酶活分析，推测了菌株降解氯苯的代谢途径。 菌株l 2 最佳生长条件为3 0 * ( 2 和p h = 7 ；y e 的添加对菌株生长和 氯苯降解速率有明显的促进作用；菌株降解氯苯过程符合h a l d a n e 动 力学模型，氯苯浓度为5 0m g l 1 时，最大比生长速率。却2 3h - 1 、 最大比降解速率v 删却1 8h 1 ；该过程的细胞产率系数为0 2 5m g m g ； 氯苯降解完全后大部分被矿化为c 0 2 、h 2 0 和c 1 。；通过g c m s 、i c 和h p l c 检测到氯苯降解的部分中间产物，测定开环酶活性，推测出 了氯苯的可能代谢途径。 基于上述菌株l 2 降解性能和代谢特征的研究，将菌株l 2 应用 于生物滴滤塔强化氯苯废气的生物净化。分别以l 2 、“l 2 + 活性污泥” 和活性污泥三种不同方式接种生物滴滤塔，在运行3 0 天后，三个b t f t 浙江工业大学硕士研究生学位论文 挂膜启动基本完成。采用菌株l 2 和“l 2 + 活性污泥 启动的反应器， 启动的速度较快，说明l 2 能够强化降解氯苯的b t f 启动。生物滴滤 塔对氯苯的降解行为符合m i c h a e l i s m e n t e n 动力学模型，得到菌株 l 2 启动、“l 2 + 活性污泥”启动、污泥启动的b t f 对氯苯的单位体积 最大降解速率戕分别为7 6 3 ，8 3 6 和3 5 6 9 m 3 h ，表明菌株l 2 的引 入可显著提高氯苯的生物降解。 “l 2 + 活性污泥”启动的b t f 对氯苯的去除性能较好，不同的运 行条件下其去除率和最大除去负荷都最大，c 0 2 的最大生成负荷也 最大，表明菌株l 2 可强化反应体系降解氯苯的运行性能，显示了其 较强的应用价值。 通过实时荧光定量p c r 和p c r - d g g e 回收测序结果，启动初期 投加的高效菌株r a l s t o n i ap i c k e t t i il 2 稳定存在。说明有其他菌株存 在的条件下，l 2 依然可以良好生长，高效降解氯苯，对于强化b t f 降解氯苯具有很好的效果，有很好的工业应用价值。根据p c r - d g g e 指纹图分析，结果表明在上述三套b t f 反应体系，微生物菌群丰富， 菌群结构具有相对的稳定性和复杂性，同时根据体系对氯苯较高的降 解和矿化性能，我们也推测菌群结构的稳定性和复杂性可促进b t f 对目标污染物的净化。 关键词：氯苯，生物降解，r a l s t o n i a p i c k e t t i i ，代谢途径，动力学，生物 滴虑，实时荧光定量p c r i s o l a t i o n0 fc h l o r o b e n z e n e d e g r a d i n gs t r a i n a n di t sa p p l i c a t i o ni nb 1 0 a u g m e n t i n g c h l o r o b e n z e n e t r e a r i n gb t f a b s t r a c t c h l o r o b e n z e n e s ( c b s ) a l ew i d e l yu s e di ni n d u s t r i a lp r o c e s s ，a n d t h e i rc h e m i c a l p r o p e r t i e s a r e v e r y s t a b l e b e c a u s eo ft h e i r b i o a c c u m u l a t i o n ，t o x i c i t ya n dc a r c i n o g e n i c i t y , t h e yw e r el i s t e da sp r i o r i t y p o l l u t a n t sb y e p a t oc o n t r o lt h ee m i s s i o no fs u c hp o l l u t a n t s ， b i o d e g r a d a t i o nt e c h n o l o g yh a ss e v e r a la d v a n t a g e ss u c ha sh i g h 。e f f i c i e n c y , l o w e n e r g yc o n s u m p t i o n , a m b i e n t r e a c t i o nc o d i t i o n s ，a n dl o ws e c o n d a r y p o l l u t i o n ah i g h - e f f e c t i v es t r a i nw a so b t a i n e di nt h i sw o r k t h i si s o l a t e dw a s a s s i g n e dt ob er a l s t o n i ap i c k e t t i i ，w a sn a m e d a sl 2 ，w h i c hw a sp o s s i b l y t ob ean e ws p e c i e sa b l et od e g r a d ec bc o m p o u n d s t h ec h a r a c t e r i s t i c s ， k i n e c i t i cm o d e l s ，m e t a b o l i t e s ，a n dt h ea c t i v i t yo ft h er e l a t e de n z y m e s w e r ei n v e s t i g a t e d , a n dt h ep o s s i b l ed e g r a d a t i v ep a t h w a yw a sp r o p o s e d b a s e do nt h ea b o v er e s u l t s t h eo p t i m a lc o n d i t i o n sf o rt h eg r o w t ho fl 2w e r ea t3 0 。ca n dp h 7 0 y e a s te x t r a c t ( y e ) c o u l dr e m a r k a b l ye n h a n c et h eg r o w t ho f l 2a n d c h l o r o b e n z e n ed e g r a d a t i o n t h eh a l d a n em o d i f i c a t i o no ft h em o n o d u l 浙江工业大学硕士研究生学位论文 e q u a t i o na d e q u a t e l yd e s c r i b e dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es p e c i f i c g r o w t hr a t ea n ds u b s t r a t ec o n c e n t r a t i o n s t h em a x i m u ms p e c i f i cg r o w t h r a t ea n ds p e c i f i cd e g r a d a t i o nr a t ew e r e0 2 3h - 1a n d0 1 8h 1 ，r e s p e c t i v e l y t h ey i e l dc o e f f i c i e n tw a s0 2 5 m go fb i o m a s sp r o d u c e d m go fc b c o n s u m e d ，r e s p e c t i v e l y t h i si s o l a t ec o u l df i n a l l ym i n e r a l i z et h ec bi n t o n o n t o x i cc a r b o nd i o x i d e ，w a t e r , c h l o r i d ei o n , e t c t h ei d e n t i t i e so fm a i n m e t a b o l i ci n t e r m e d i a t e sw e r ec o n f i r m e db yg c m s a n a l y s i si ca n d h p l c t h ep a t h w a y sf o rc bd e g r a d a t i o nw e r ep r o p o s e db yi d e n t i f i c a t i o n o f m e t a b o l i t e sa n da s s a yo f f i n gc l e a v a g ee u z y m e si nc e l le x t r a c t s b a s e do nt h ed e g r a d a t i v ep e r f o r m a n c ea n dm e t a b o l i cc h a r a c t e r i s t i c s t r a i nl 2 w a se m p l o y e dt o b i o a u g m e n tb i o - t r i c k l i n gf i l t e r ( b t f ) d e g r a d i n gc b t h r e es e t sb t fr e a c t o r sw e r ei n o c u l a t e dw i t hl 2 ，l 2 + a c c l i m a t e ds l u d g e ”a n da c c l i m a t e ds l u d g e ，r e s p e c t i v e l y t h eb i o f i l mw a s s u c c e s s f u l l yf o r m e da f t e rt h eb t f sw e r eo p e r a t e df o r3 0d a y s ，i n d i c a t i n g t h es u c c e s s f u ls t a r t - u p t h es t a r t - u pp e r i o do ft h eb t fi n o c u l a t e db yl 2 a n d “l 2 + a c c l i m a t e ds l u d g e ”w a ss h o r t e r , i n d i c a t i n gt h a tl 2c a ne n h a n c e t h es t a r t - u po ft h eb t fd e g r a d i n gc b t h ec bi nt h eb t f sf o l l o w e d m i c h a e l i s - m e n t e nk i n e t i cm o d e l ，t h er m x ( s p e c i f i cm a x i m u m d e g r a t i o n r a t ep e rv e l u m ) w e r e7 6 3 ，8 3 6a n d3 5 6 g m 3 kr e s p e c t i v e l y , w h i c h f u r t h e rs u g g e s t e dt h eb i o a u g m e n t a t i o no fl 2i nt h eb t f t h eb t fi n o c u l a t e dw i t h l 2 + a c c l i m a t e ds l u d g e e x h i b i t e dg o o d r e m o v a lp e r f o r m a n c ea n dt h er e l a t i v e l yh i g hc 0 2 p r o d u c t i o nc o m p a r e dt o i v 浙江工业大学硕士研究生学位论文 t h eo t h e rt w ob t f s ，i n d i c a t i n g l 2c o u l d b i o a u g r n e n t t h ec b b i o d e g r a d a t i o ni nt h eb t f , w h i c h h a so b v i o u sa d v a n t a g e sa n da p p l i c a t i o n v a l u ei np r a c t i c e a c c o r d i n gt o t h er e s u l t so fr e a l - t i m ep c rq u a n f i t a t i f i c a t i o na n d s e q u e n c e sa n dh o m o l o g ym a t c h i n gs p e c i e so f t h eb a n d sb yp c r - d g g e ， r a l s t o n i ap i c k e t t i il 2c o u l ds t a b l ye x i s t e di nt h eb t f ss i n c ei tw a s i n t r o d u c e di n t ot h er e a c t o r t h i si n d i c a t e dt h a t l 2s t i l lg r o w sw e l lu n d e r t h ec o n d i t i o n so ft h ep r e s e n c eo fo t h e rs t r a i n s ，e f f i c i e n t l yd e g r a d e d c h l o r o b e n z e n e ，a n dc o u l ds t r e n g t h e nc h l o r o b e n z e n ed e g r a d a t i o ni nt h e b t f , s u g g e s t i n g a p r o m i s i n g i n d u s t r i a l a p p l i c a t i o n a c c o r d i n g t o p c r - d g g ef i n g e r p r i n t i n ga n a l y s i s ，t h em i c r o b i a ls p e c i e sw e r ev e r yr i c h a n dh a dt h er e l a t i v es t a b i l i t ya n dc o m p l e x i t yo fm i c r o b i a lc o m m u n i t y s t r u c t u r ei nt h r e eb t f s m e a n w h i l e ，i tw a sp r o p o s e dt h a tt h er e l a t i v e s t a b i l i t ya n dc o m p l e x i t yp o s s i b l yp r o m o t et h ec bb i o d e g r a d a t o ni nt h r e e b t f s k e yw o r d s ：c h l o r o b e n z e n e ，b i o d e g r a d a t i o n , r a l s t o n i ap i c k e t t i i ， m e t a b o l i cp a t h w a y , k i n e t i cm o d e l ，b i o t r i c k l i n gf i l t e r , r e a l - t i m ep c r v 浙江工业大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 1 课题来源与研究目的及意义 1 1 1 课题来源 本课题得到国家8 6 3 计划重大项i ；l ( 2 0 0 6 a a 0 6 a 3 1 0 ) ；浙江省科技计划项目 ( 2 0 0 8 c 2 3 0 8 2 ) ：浙江省科技计划项i | ( 2 0 0 8 c 2 3 0 8 4 ) 的资助。 1 1 2 课题研究的目的及意义 挥发性有机化合物( v o c s ) 一般指常压下沸点在5 0 一2 6 0 、室温下饱 和蒸气压超过7 0 p a 的一类具有刺激性气味的有毒有害有机物，包括芳香类及其 衍生物、烷烃类、烯烃类、醇类、酯类等【l 2 1 。近年来，随着工业发展和城市化 进程加快，排放到大气中的v o c s 日益增加。v o c s 废气的大量排放引起了城市 灰霾、光化学烟雾等区域大气环境问题，严重威胁人类健康与生态安全。许多发 达国家都颁布了相应的法令，限制v o c s 的排放 - 3 4 】。2 0 1 0 年5 月，国务院转发 的关于推进大气污染联防联控工作改善区域空气质量的指导意见首次将 v o c s 同s 0 2 、n o x 和颗粒物一并列为大气污染控制的4 类重点污染物。目前正 在规划对大气污染综合排放标准进行重新修订，v o c s 等气态污染物的排放 标准将会更加严格。为此，在提倡清洁生产开展v o c s 源头控制的同时，发展高 效、低耗的末端治理技术也是当务之急。 氯苯类v o c s 是易挥发的单环卤代芳香类化合物，广泛用于染料、塑料、香 料、医药、农药、有机合成的中间体，化学性质相当稳定，具有生物积累性和生 物毒性，对人体具有致癌作用，被美国环保局( e p a ) 列入优先控制污染物名单 d - 9 。针对这类污染物的排放控制，各种处理方法应运而生，其中生物法废气净 化技术应用微生物代谢活动，将废气转化为细胞代谢的能源、细胞组成物质及无 害的小分子物质( 如水、二氧化碳等) ，具有高效、低耗、反应条件温和、二次 污染小等优点【m 1 2 1 。 本论文选取氯苯为研究对象，选育高效降解菌，研究其基本特性、代谢特征 和途径，并将其应用于生物滴滤塔强化其对氯苯废气的净化作用，研究该菌株对 浙江工业大学硕士研究生学位论文 反应体系的宏观强化性能，采用实时荧光定量p c r 技术定期分析其在反应体系 内的相对含量，同时采用p c r - d g g e 技术分析滴滤塔内微生物群落分布和演变 规律，为该菌株强化生物滴滤降解氯苯废气的工程应用提供基础数据和理论指 导。 课题研究内容与创新之处 1 2 1 课题研究内容 1 1 高效降解菌的选育与特性研究 从定向驯化的污泥中选育氯苯的高效降解菌株；分析菌株的生理、生化和种 属特征；考察菌株的降解特性，并确定其最佳的生长和降解条件；研究菌株降解 动力学、第二碳源的影响以及降解氯苯矿化率等。 通过o c - 】m s ，阳) l c ，i c 等分析菌株降解氯苯的代谢中间产物，同时结合 氯苯及其中间产物的降解酶活性的研究推测和分析菌株降解氯苯的代谢途径。 2 ) 高效菌株强化生物滴滤塔降解氯苯的运行性能研究 分别以高效降解菌株、定向驯化的活性污泥、高效降解菌+ 定向驯化的活性 污泥启动生物滴滤反应器降解氯苯废气，研究三套反应体系挂膜启动速度、生物 量变化、对氯苯的去除率及去除负荷、矿化率等宏观运行参数，分析反应器的启 动周期和运行性能；考察反应器稳定运行过程中，进气浓度、进气负荷、停留时 间等因素对去除效果及菌群分布的影响，重点研究高效菌株对滴滤塔降解氯苯废 气的强化性能，以期为工程应用提供基础数据。 3 ) 高效强化菌株的动态变化及滴滤塔微生物群落结构分析 利用实时荧光定量p c r 技术分析高效强化菌株随生物滴滤反应体系运行相 对含量变化，同时应用p c r d c a g e 技术研究反应体系强化菌株及微生物种群结 构变化，从而揭示高效强化菌株随生物滴滤反应体系运行的动态变化规律及微生 物种群结构的迁移和转化规律，基于微生物群落结构动态变化规律的分析，对其 宏观强化性能进行微观解析。 2 浙江工业大学硕士研究生学位论文 1 2 2 课题创新之处 1 ) 选育出具有氯苯降解性能的新菌株，分析其降解特性和代谢途径，揭示了其 降解机理。 2 ) 将所选育的氯苯高效降解菌株应用于强化生物滴滤反应器，建立了高效菌株 强化反应体系的生物强化模式，应用实时定量p c r 技术实时分析强化菌株在反 应体系的动态变化，从微生物种群变化的微观角度揭示其强化机理。 1 3 氯苯类v o c s 的危害 1 3 1 氯苯类化合物的性质 氯苯类化合物( c h l o r o b e n z e n e s ，c b s ) 属于卤代芳烃，是一类疏水性的持久性 有机污染物。氯原子取代苯环上的氢，生成氯代芳烃。在氯苯分子中，有两类官 能团：一是能起亲电取代反应的苯环，另一类是对反应活性和定位都产生特殊作 用的c l 原子。c l 使亲电取代反应钝化，定位是邻、对位。这种效应是由于共振 引起的电子离域作用和碳的杂化不同而造成对( o ) 健能的差别两个因素造成的。 表1 - 1 氯苯主要的物理化学性质 t a b l e1m a i nc h e m i c a la n dp h y s i c a lp r o p e r t i e so fc t l l o m b e n z e m 参数 性质指标 中文名称 英文名称 分子式 分子量 l o g k o w l o g k o c 2 0 饱和蒸汽压瓜p ：a 熔点， 沸g 毫j c 2 0 c 相对密度 溶解性 氯苯 c h l o r o b e n z e n e c 6 h 5 c 1 1 1 2 5 6 2 8 4 2 5 2 l - 3 3 - 4 5 2 1 3 2 2 ； 1 1 0 5 8 不溶于水，溶于无水乙醇、乙醚、氯仿等多数有机溶剂 3 浙江工业大学硕士研究生学位论文 1 3 2 氯苯类v o c s 的危害及污染现状 氯苯类化合物( c b s ) 是v o c s 中一类重要化合物，广泛用于染料、塑料、香 料、医药、农药、有机合成的中间体；用于制造苯酚、硝基氯苯、苯胺以及杀虫 剂d d t ：还用于制取溶剂和橡胶助剂、油漆、快干墨水及干洗剂等，是环境中 分布广、难生物降解的一类有毒有机化合物 1 3 - 1 5 】。 c b s 广泛存在于环境之中。在土壤、废水、污泥、蔬菜、湖水、鱼类、人类 的脂肪组织和乳液中，都已发现c b s 的踪迹 1 6 - 2 3 】。同时c b s 在辽河和黄河都检 测出高浓度，也是一种重要的河流污染物f 2 4 l 。c b s 具有挥发性，并且一些含有 c b s 的活性污泥被用于农业生产，这也是造成其在环境中分布的一个重要原因 犯5 - 2 7 l o c b s 被认为具有潜在的毒性危害，主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 对动物的毒性：周宇等【2 8 】初步研究了氯苯类化合物对斑马鱼胚胎的单一 和联合毒性效应，实验选用一氯苯、对二氯苯、三氯苯、四氯苯等4 种氯苯类化 合物进行斑马鱼胚胎毒性试验，结果发现，3 种氯代苯对斑马鱼胚胎发育过程具 有毒性效应，并且随着苯环上氯原子数的增加而增强。y a n g 等1 2 9 1 , 2 ，4 t c b 及l ，3 ，5 t c b 对h o l t z m a n 雄性大鼠的急性染毒实验中发现，两种t c b 均可增加 胆汁及胰腺的分泌，且l ，2 ，4 t c b 的作用比l ，3 ，5 t c b 强约4 倍。m a r i a 等【3 0 1 人 的研究指出，h c b 具有较低的急性毒性作用，同时具有慢性和亚慢性毒性作用， h c b 是内分泌干扰物。v a nr a a i j p l l 的研究结果表明h c b 明显影响鼠脑脊液中甲 状腺素的供给。猿实验、两代鼠实验和长期毒性试验均表明h c b 是较强的生殖 毒物3 2 , 3 3 1 。h c b 对生殖系统、乳腺癌和脑瘤患者等的影响研究表明h c b 对人类 健康有着很大的潜在危害【3 4 】。 ( 2 ) 对植物的毒性：宋玉芳等口5 1 选择草甸棕壤，进行l ，2 ，4 三：氯苯对高等植 物根伸长抑制率及复合污染生态毒性效应研究。通过植物根伸长受抑制程度，确 定l ，2 ，4 三氯苯污染对不同植物毒性的敏感性。结果显示，根伸长抑制率与l ，2 ，4 三氯苯浓度显著相关，当1 ，2 ，4 三氯苯为2 0m g k g ，小麦根伸长抑制率达11 4 。 此后，污染物对植物根伸长的毒性效应随浓度增加呈线性增加，引起小麦根伸长 抑制率达5 0 的浓度( l c s 0 ) 为1 0 0m g k g 。杜青平等p 6 1 的1 ，2 ，4 - t c b 对大蒜根尖 4 浙江工业大学硕士研究生学位论文 分生细胞的影响研究表明l ，2 ，4 - t c b 影响生物体的生长。 ( 3 ) 三致效应：许多氯代烃有机污染物具有较为明显的致畸和致突变效应。 b l a c k 等吲用1 , 2 ，4 t c b ，1 , 2 ，3 - t c b ，l ，3 ，5 t c b 分别溶于玉米油后用灌胃法给于 受孕大鼠，发现三氯苯的同系物并不产生致畸和胚胎毒作用。但是有报道 l ，2 ，4 t c b 对盐水褐虾具有致畸性1 3 8 j 。它的致突变作用，也主要来源于其特定的 活性基因卤素级。因为氯有较强吸电子效应，可使有机氯代烃分子极性增强， 在体内易和酶系统结合。 相关统计，废气中的氯苯类化合物主要通过下述三个途径侵入人体造成危 害：a 通过人的直接呼吸而进入人体；b 附着在食物上或溶于水中，使之随饮食 而侵入人体；c 通过接触或刺激皮肤而进入到人体。其中通过呼吸而侵入人体是 主要的途径，危害也最大。氯苯类v o c s 对人体皮肤、结膜和呼吸器宫产生刺激； 进入人体后有蓄积作用，抑制神经中枢，严重中毒时，会损害肝脏和肾脏。由 于氯苯类化合物污染面积广，具有生物积累性和生物毒性，对人体具有致癌作用， 被美国环保局( e p a ) 列入优先控制污染物名单。 1 4 氯苯类v o c s 的物理化学治理技术 1 4 1 物理法 1 ) 吸附法 物理吸附法是处理低浓度v o c s 的有效方法之一，它是通过吸附剂对v o c s 进行吸附净化，然后将净化后的气体排入大气，吸附吸收法作为传统的v o c s 净 化方法已得到广泛的应用。目前，常用的吸附剂有沸石、分子筛、颗粒活性炭、 活性炭纤维、多孔粘土矿石、活性氧化铝、硅胶和高聚物吸附树脂等。据报道， 用于吸附水中氯苯的吸附剂最常见的是活性炭，被氯苯饱和的活性炭可用f e n t o n 试剂再生【3 9 删。此外，o l i v e i r a 4 1 1 利用活性炭的吸附特性和氧化铁但e 3 0 4 ) 的磁性 联合作用形成1 种磁性吸附剂，可用它去除水中氯苯等污染物。 2 ) 冷凝法 冷凝法是指降低饱和v o c s 气体的温度，使v o c s 冷凝后从气体中分离出来。 冷凝法的实现有两种：一是可在恒定温度的条件下用提高压力的办法来实现：二 5 浙江工业大学硕士研究生学位论文 是可在恒定压力的条件下用降低温度的办法来实现。利用冷凝法，能使废气得到 很高程度净化。但净化要求愈高，所需冷却温度愈低，必要时还需增大压力，这 样就会增加处理的难度和费用。因而，冷凝法往往与吸附、燃烧和其它净化手段 联合使用，以回收有价值的v o c s 。 3 ) 超声波法 超声波降解技术是2 0 世纪8 0 年代后期新发展起来的一种难降解有机物高效 处理技术，其原理是利用超声波辐射产生强氧化物质( 如o i - r ) ，使难降解有机物 完全氧化。已有许多研究者采用该方法对氯苯进行处理。如k l u u s 等 4 2 1 对2 2 0m g l 的氯苯水溶液，在2 0k h z 、9 0 0k h z2 种不同频率的声波作用下，进行氯苯降解 实验。通过色谱分析，最终产物有：氯酚、氯萘、单氯和二氯联苯。经比较，用 高频低强度的超声波将有机物中的氯转化为氯化物效果较好。h i r o t a 4 3 1 用电子柬 处理氯苯，用1 0k c q 的电子束照射2 0m g l 氯苯水溶液，可使6 0 的氯苯降解。 p e t t i e r 等脚】在2 0k 唧5 0 0 k i - i z g = 件下，对氯苯进行降解实验，发现5 0 0 k h z 时脱氯 效果较好，c l 被转化为c l + ，4 4 的c 被转化成c o 和c 0 2 。沈壮志等【4 5 】对氯苯、氢 醌及混合物配制的模拟废水进行超声处理，结果表明：氯苯容易降解且不受p h 值影响。华彬等1 以氯苯模拟废水为考察对象对含氯苯废水的超声降解研究， 实验结果表明：随着水的p h 值增加，氯苯降解率略有减小。水浴温度提高，氯 苯降解率增大。超声反应时间小于5r a i n ，氯苯降解率很低：5 - 2 0m i n 时氯苯降 解率成线性增大：超过2 0r a i n 后，氯苯降解率增加但速度变慢。 4 ) 膜分离法 膜分离法是利用膜对废气和空气的选择透过性使废气净化。根据膜的构成不 同，分为固膜和液膜两种。固膜分离技术可用来回收氨，浓缩甲烷气，从c ，和 c 5 以下烷烃中分离乙烯、丙烯等：液膜分离技术可净化h 2 s 、c 0 2 等气体。该法 节能，效率高，已成功应用于化工、医药、环境保护等领域。 1 4 2 化学法 利用化学法处理氯苯类化合物的方法非常多，主要的处理技术有：催化氧化 法、化学氧化法、光化学氧化法、电化学法、化学氧化生物氧化相结合等。 1 ) 催化氧化法 6 浙江工业大学硕士研究生学位论文 催化氧化法是广泛应用于处理含难生物降解有机物废水的技术。它是利用化 学物质作催化剂，在一定温度、压力条件下，将难生物降解有机物分解、转化为 易生物降解的低分子有机物或彻底氧化成无机物。 氯苯作为难生物降解有机物，国内外学者对此进行了大量的催化氧化处理研 究。k e a n e 等1 4 刀人在温度4 7 3 一- 5 7 3 k ，用1 5 ( 质量分数) 的n i s i 0 2 做催化剂， 对气化状态的氯苯进行脱氯加氢，生成苯和氯化氢。m u r e n a ，h a g h 等t 4 8 4 9 1 人用 n i m o 7a 1 2 0 3 的硫化物作催化剂，在3 0 0 3 4 0 、氢气的压力为4 x 1 0 6p a ，反 应介质是十六烷条件下，对氯苯和噻吩的混合物进行催化氧化处理。结果表明， n i m o 催化剂有很高的活性和选择性。m u r e n a 等哪! 对氯苯的水溶液进行了催化 脱氢的实验和理论研究，通过动力学分析，该反应符合l a n g m u i rh i n s h e l w o o d 方 程，反应速率的控制步骤是表面反应。s c h u t h 掣5 1 】用催化方法，在p d a 1 2 0 3 催化 剂，h 2 饱和溶液中，在高温和常压下对氯苯进行降解研究。周红艺等【5 2 1 人发现 钯铁双金属能有效地进行氯苯的催化脱氯，在温和条件下【室温、常压、低钯化 率( o 0 0 5 ) 】，5h 内氯苯脱氯率达4 5 以上。“u 等【5 4 5 4 1 通过比较不同催化剂与氧 化锰组合催化氧化氯苯的效果，得出结论：m n 0 2 t i 0 2 的活性最高，在温度大约 4 0 0 时，氯苯可完全氧化，其中间产物为顺丁烯二酸脂、甲酸盐和乙配盐。 2 ) 化学氧化法 利用化学氧化法处理氯苯废水时，一般所选用氧化剂是臭氧、过氧化氢。 c o t e s 5 5 1 曾用0 3 和h 2 0 2 j 0 3 作氧化剂氧化两种不同浓度氯苯溶液，用g c m s 、 g c 倒d 分析氧化产物，得出2 氯苯酚和4 氯酚是第一氧化副产物。 3 ) 光化学氧化法 通常，光化学氧化法主要是利用0 3 和h 2 0 2 等氧化剂在紫外光照射下，生成 i - i o ，具有很强的氧化能力的h o ，能将水中难降解化合物氧化分解。h a l b e r 等f 弱】 人用3 段光催化反应器对氯苯进行降解。在研究中发现，催化剂投加量大于等于 1 0g 几，它的颗粒能阻碍u v 的照射，因此，光催化降解效率会受催化剂负荷限制。 砧i 等【5 7 1 人用u v 可见光、f e o h 2 0 2 光催化氧化水中的氯苯，处理效果高于f e o h 2 0 2 或u v h 2 0 2 过程，特别适用于处理高浓度和中等浓度废水。吕锡武1 5 8 1 采 用新型紫外微臭氧工艺处理来自水中常见的l ，2 ，4 三氯苯、邻二氯苯、对二氯苯 和六氯苯等6 种优先控制污染物，处理效果与紫外臭氧法相当。这种方法设备简 7 浙江工业大学硕士研究生学位论文 单、成本低，易于推广。 4 ) 电化学氧化法 电化学氧化法是在电极表面的电氧化作用下或由电场作用而产生的自由基 作用下使有机物氧化。周明华等i ”1 人用氟树脂改性的p b 0 2 电极作为新型阳极， 对氯苯等生物难降解有机物进行了电催化，在电流为0 2 5a 时，处理2h ，氯苯去 除率达7 5 一- 1 0 0 。魏家泰等【6 0 1 人用微电解中和沉淀工艺处理氯苯废水，c o d 汀 去除率达8 8 3 ，废水b o d 5 c o d 。由0 0 3 提高n o 5 6 。 5 ) 化学氧化一生物氧化相结合处理法 化学氧化一生物氧化相结合处理法是为了提高生物氧化的处理能力。醇 等k 1 1 发现，用h 2 0 2 可以增加水中氧的浓度，强化好氧生物降解氯苯过程。 d i l m e g h a n i 等f 6 2 1 分别在好氧和厌氧条件下，用u c 、u v h 2 0 2 、u v 0 3 和u v 0 3 h 2 0 2 进行了降解氯苯的研究，可将氯苯最终降解为二氧化碳和水。 1 5 氯苯类v o c s 的生物降解技术 氯苯通常被认为是人工合成的、环境外来化合物。自然界的微生物由于缺乏 与之相适应的酶系统，所以表现出难以生物降解性能。但是环境中的微生物在与 氯苯的长期接触过程中，微生物之间基因簇相互联结、杂交变异，产生出具有降 解氯苯能力的基因特性f 6 3 】。许多人从受氯苯污染的水体、底泥和土壤中发现并 分离了这些微生物，并验证降解质粒的存在和进行了克隆基因表达畔蜘。在微生 物降解氯苯的研究过程中，j e e h o r e k 6 s 1 和王战勇【6 9 】等人的研究发现，用混合菌种 降解氯苯的效果优于纯菌，推测其原因可能是混合菌种各菌株间具有协同代谢作 用。s e i g n e z 等 7 0 1 人研究了一种培养氯苯优势菌的方法，该方法在序批式培养器 中培养优势菌，氯苯间歇加入。 1 5 1 降解菌的研究 微生物作为污染物的降解者，在废气生物处理系统起着决定性作用。废气生 物处理装置在启动期需对填料层接种微生物。用于接种的微生物菌种可以是活性 污泥m - 7 3 1 、可以是专f - j 虽3 1 1 化培养的纯种微生物 7 4 - 7 6 1 、也可以是人为构建的复合微 8 浙江工业大学硕士研究生学位论文 生物菌群【体7 9 1 。针对较难生物降解的物质，选育特效菌种并优化其生存条件是目 前该技术的主要研究方向之一i 洲。此外，基于菌种的代谢特征，人为构建生态 结构合理的复合微生物菌群，对缩短反应器的启动周期、提高接种微生物的竞争 性和保持反应器持续高效性具有重要意义。 研究表明处理v o c s 废气的微生物种群很多，占主体的多为异养型微生物， 以细菌为主，其次真菌，还有放线菌和酵母菌，也有少量蠕虫、线虫等原生动物 s q 。有较多的研究发现废气生物降解过程中，污染物降解主要与细菌有关，但 目前一些研究表明7 5 1 ，真菌有可能成为废气生物处理过程中更具有广阔前景的 菌类，作为典型的气生型微生物，它具有较大的比表面积，对干燥环境或强酸环 境具有较强的耐受能力，表现出比细菌更好的对疏水性v o c s 的去除性能。 生物反应器运行条件不同，形成的微生物群落结构和优势种群就不同。微生 物群落结构及代谢功能的动态变化将对反应器的宏观处理能力产生影响【8 2 删。生 物反应器可以通过控制反应器内微环境来调控微生物群落【8 5 1 ，也可以采用高效 菌种接种或生物强化的方法直接对微生物群落结构进行调控p 7 ，7 引。 v o g t 等【跖l 以氯苯为唯一的碳源和能源，实验表明增加水中氧的浓度，可增 加微生物降解氯苯的效率。甘平等【8 7 】以l ，4 二氯苯、l ，2 ，4 三氯苯和六氯苯为 唯一的碳源和能源，从某染料厂和某毛纺厂活性污泥中分离降解菌，在好氧条件 下迸行降解试验。实验结果表明随着氯取代基增多，氯苯类化合物的好氧降解逐 渐变得困难。w u 等【8 8 1 在厌氧条件下用多氯联苯脱氯菌d f l 降解多氯苯，处理 结果为六氯苯 五氯苯 1 , 2 ，3 ，5 四氯苯 l ，3 ，5 三氯苯。s r i d h a r 等【捌分析了厌氧条 件下，氯苯上氯原子的去除顺序是：首先脱除在相邻的两个碳原子上都有氯原子， 然后脱除在相邻碳原予上只有1 个碳原子有氯原子，最后脱除相邻碳原子上都没 有氯原子的c b s 。国内外一些学者研究发现，环境中的微生物在与氯苯的长期接 触过程中，微生物之间基因簇相互联结、杂交变异，产生出了具有降解氯苯能力 的基因特性。而且已经从受氯苯污染的水体、底泥和土壤中分离出了这些微生物， 并验证降解质粒的存在和进行了克隆基因表达。但是，目前分离得到的具有氯苯 降解性能的菌株较为有限，主要包括假单胞菌( p s e u d o m o n a s ) 、气单胞菌 ( a e r o m o n a s ) 、链球菌属( s t r e p t o c o c c u s ) 、考克氏菌( k o c u r i a ) 、红球菌( 融o d o c o c c u s ) 、 9 浙江工业大学硕士研究生学位论文 芽孢杆菌p 口c f ，l 岱) 、节杆菌似，珐，d 6 纪、寡食单胞菌( & b 挖d 吼帕d 聊鲫娜) 等邮胡1 ， 并且其降解效率有待进一步提高。因此，能够高效降解氯苯、且具有较强环境适 应性和竞争性菌株的选育及其代谢特征的研究具有重要的理论和实践意义。 1 5 2 氯苯类v o c s 生物降解工艺研究 v o c s 生物处理技术首先兴起于荷兰和德国，是针对既无回收价值又严重污 染环境的中低浓度有机废气的处理而开发的，尤其适用于低浓度、大流量气体的 处理1 9 5 1 。与吸收法、吸附法、燃烧法等传统工艺相比，生物降解技术反应条件 温和、设备简单、操作方便、投资少、运行费用低、二次污染小，可处理含不同 性质组分的混合气体等优点1 9 6 , 9 7 1 。该技术在欧洲己得到较大规模的应用，截至 2 0 0 5 年，投入运行的装置达7 5 0 0 套嘲】。在处理低浓度的有机气体和臭气时，生 物法的一次性投资是燃烧法的1 3 、吸附法的l 8 一l 5 、化学吸收法1 3 左右：运 行费用是燃烧法的1 2 0 、吸附法的1 1 0 、化学吸收法的l 1 5 降1 0 2 】。 浮生匀 生暂洗蠢 捏合麓 图1 - 1 生物反应器 f i g u r e1 - 1b i o r c a c t o r 1 0 生暂麓鼍 废气 一生韵反应 浙江工业大学硕士研究生学位论文 v o c s 的生物处理技术是利用微生物代谢活动降解污染物质n 0 2 i ，将v o c s 转 化为两部分代谢产物：一部分作为细胞代谢的能源和细胞组成物质；一部分为基 本无害的小分子物质( 如水、二氧化碳等) 。生物法降解过程一般可分为以下几 个步骤 9 9 , 1 0 3 , 1 0 4 1 ： ( 1 ) 污染物由气相到液相的传质过程； ( 2 ) 通过扩散和对流，污染物又从液膜表面扩散到生物膜中去； ( 3 ) 污染物与水中的有机化合物形成其他合成物，或吸附在生物膜上，或 吸附在介质上； ( 4 ) 污染物被微生物转化为生物膜、新陈代谢副产物或者二氧化碳和水。 常见的废气生物处理工艺包括生物过滤、生物滴滤、生物洗涤、膜生物反应 器( 图1 1 ) 。目前，生物过滤、生物滴滤是处理v o c s 废气应用最多的工艺【8 l 1 0 5 l ， 膜生物反应器作为一种新型工艺1 7 1 , 1 0 6 , 1 0 7 】，目前尚限于实验室研究阶段。 生物过滤法的应用领域包括印刷、喷涂行业、污水处理和畜禽养殖业等。具 有操作简单，运行费用低、适用范围广，不产生二次污染的优点，适用于种类广 泛的v o c s 废气处理，如烃类、单环芳烃、氯代烃、醇、醛、酮、羧酸以及含硫、 氮的有机物u 4 , 札】。但该方法反应条件不易控制，易堵塞、气体短流、沟流，占地 多，且对进气负荷变化适应慢。 生物滴滤是生物过滤工艺的改进，其