（环境工程专业论文）有毒难降解有机物硝基酚的厌氧生物降解性和毒性研究.pdf

有毒难降解有机物一硝基酚的厌氧生物降解性和毒性研究 摘要 本研究利用厌氧生物降解性实验和厌氧毒性实验，通过测定相关的指标，对 五种硝基酚类化合物在厌氧条件下的生物降解性和毒性进行了评价：同时，人工 配制含硝基酚废水，利用u a s b 反应器进行连续实验，培养驯化形成了处理效果良 好的颗粒污泥，并初步探索了不同环境条件下反应器的运行状况，得到以下实验 结果。 - 。 ( 1 ) 厌氧生物降解性实验表明，三种一硝基酚( 邻一、间一、对一) 经过驯化 后最终可被厌氧降解；2 ，4 - 和2 , 6 一二硝基酚具有较强的抑制性，难以厌氧生物降解； 其降解顺序为邻硝基酚 间硝基酚 对硝基酚 2 ，6 - 二硝基酚 2 ，4 。二硝基酚； ( 2 ) 厌氧生物毒性实验表明，硝基酚浓度越大，抑制作用越强；在实验浓度 范围( 2 ，6 一二硝基酚 间一硝基酚 对一硝基酚 邻一硝基酚： ( 3 ) 产甲烷活性恢复实验表明三种一硝基酚在低浓度( 4 - n i t r o p h e n o l 2 , 6 d i n i t r o p h e n o l 2 ，4 一d i n i t r o p h e n 0 1 ( 2 ) a n a e r o b i ct o x i c i t ya s s a y d e m o n s t r a t e st h a tw h e nt h ec o n c e n t r a t i o no f n i t r o p h e n o l s i s h i g h e r , t h e i n h i b i t i o nl e v e li sb e t t e r i nt h e r a n g eo fe x p e r i m e n t a l c o n c e n t r a t i o n s ( 2 6 d i n i t r o p h e n o l 3 一n i t r o p h e n o l 4 一n i t r o p h e n o l 2 一n i t r o p h c n 0 1 ( 3 ) m e t h a n o g e n i ca c t i v i t yr e s u m i n g t e s ti n d i c a t e st h a tt h e t o x i c i t y o ft h r e e m o n o n i t r o p h e n o l si sm e t a b o l i ci n l o w e rc o n c e n t r a t i o n s ( l o m l ) b u tp h y s i o l o g i c a l w h e nt h ec o n c e n t r a t i o ni si n c r e a s e d f o r2 , 4 一a n d 2 , 6 一d i n i t r o p h e n o l ，t h et o x i c i t y i s p h y s i o l o g i c a l a n dm e t a b o l i c r e s p e c t i v e l y i nl o w e r c o n c e n t r a t i o n s ( 5 m l ) ，b u t b a c t e r i c i d a la n d p h y s i o l o g i c a lr e s p e c t i v e l y i nh i g h e ro n e s ( 4 ) t h et e s to fg r a n u l a rs l u d g e sc o n t i n u o u sc u l t i v a t i o na n da c c l i m a t i o ni nu a s b i n d i c a t e st h a tt h eg a i n e dt y p e so f s l u d g ea n d m i c r o b i a lc u l t u r ea r ea l m o s ti d e n t i c a l t h e g r a n u l e s r e s e m b l ec t y p e w h i c hi s t i g h ts p h e r i c i t y a n d m a i n l y c o n s i s t so f m e t h a n o s a r c i n aw h e nt h ec u l t i v a t i o ni sj u s tf i n i s h e da n dat y p ew h i c hi sm a i n l y c o m p r i s e db ym e t h a n o t h r i xa n dm e t h a n o f o r m i c i c u m a f t e ra c c l i m a t e dp e r i o de n d s ，a n d t h el a t t e ri sp r o b a b l yt r a n s f o r m e db yt h ef o r m e r ( 5 ) a f t e ra c c l i m a t i o ni sf i n i s h e di nu a s b ，t h et w or e a c t o r sc a no p e r a t es t e a d i l y w h i l ei n f l u e n tc o dc o n c e n t r a t i o n sa r ec h a n g e d w h e nh r ti sc h a n g e d t h er e a c t o r s w i l lb eo p e r a t i n gu n s t a b l ya tf i r s tb u tw i l lr e s u m es o o n ，w h i c hi n d i c a t e st h a tt h el o a d i n c r e a s i n go fn i t r o p h e n o l sh a sc a u s e di n h i b i t i o nt oa n a e r o b i cm i c r o b e s ，b u tt h ec o d r e m o v a li s n ti n f l u e n c e de v i d e n t l yi nt h el o n gt e s tp e r i o d s ot h eb a c t e r i a lc u l t u r ei nt h e s l u d g eh a s f o r m e de n z y m es y s t e mt h a tc a nm e t a b o l i z et h eo r g a n i cc o m p o u n d so f c o n t a i n i n gn i t r o p h e n o l sw a s t e w a t e r t h e r e a c t o r sc a no p e r a t ew i t hg o o dt r e a t i n ge f f e c t s a n dc a ne n d u r es t r i k el o a d i n g sv a r i a t i o n k e yw o r d s ：n i t r o p h e n o l s ；a n a e r o b i cb i o d e g r a d m b i l i t y ；a n a e r o b i et o x i c i t y ；u p - f l o w a n a e r o b i e s l u d g e b l a n k e tc u a s b ) r e a c t o r 有毒难降解有桃物一硝基酚的厌氧生物降解性和毒性研究 u 丹i j 吾 随着工业生产和科学技术的迅速发展，有机物的种类和数量与日俱增，目前 有机物的种类已达7 0 0 多万种，且每年以l 0 0 0 多种的速度在增加着，合成有机物 的数量已达2 5 亿吨。它们中相当一部分，特别是人工合成的有机物，是难以生物 降解和对生物有毒害作用的，因而它们能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，产生一系列环境问题，对生态环境和人体健康构成了 严重的威胁。 含氮芳香化合物，如硝基芳香化合物、偶氮染料和芳香胺类，是重要的环境 优先控制污染物，主要通过与工业生产有关的人类活动，如染料、炸药、杀虫剂 和医药生产等进入环境中。环境中这类芳香有机物不易被生物降解，容易在环境 中生物积累，其中有些还具有对生物和人类的毒害作用，如致癌、致畸、致突变 作用，因此已经构成了对人类健康的严重威胁。据报道，美国有1 9 个州的约6 5 0 0 k m 长的河流已遭受了有毒有机物的严重影响；我国某河流曾检测出有毒有机物2 6 种， 有的地区已经出现了鱼虾绝迹、农田荒芜、人民健康受损的现象。另外，这类物 质污染面广，毒性较大，难以生物降解，严重影响常规生物法的处理效果，如何 减少这类化合物对环境的污染，已经引起人们广泛的关注。有毒难降解污染物对 环境的污染和危害已成为当今世界上“三大环境问题”之一。因此，开展经济而 有效的难降解污染物控制技术的研究显得尤为迫切。 目前生物处理法在含有难降解有机物的废水中已有较多的采用，但由于难降 解有机物的存在，处理效果往往不够理想。生物降解性能的研究是解决难降解有 机物污染问题的一个重要方面，它不仅可为预测该类物质在生物处理中的行为提 供依据，并且可以在此基础上开发更有效的生物控制技术，将这类化合物在环境 中的滞留量减至最少。近年来，许多研究者对此做了大量研究工作，但往往由于 研究方法与实际情况有一定差距，使得研究成果难以有效地指导工程实际，而且 因研究者研究目的和所用方法的不同，所得结果可比性也较差，此外，由于缺乏 对难降解有机物质的系统研究，也妨碍了对其生物降解机理的进一步认识。 厌氧生物处理的研究表明经厌氧处理后难降解有机物的结构可发生改变，从 而提高其在好氧条件下的生物降解性，进一步在后续的好氧处理中被去除。因此， 厌氧好氧处理技术可望在去除难降解有机物方面发挥很大的效用。 有毒难降解有机物一硝基酚的厌氧生物降解性和毒性研究 本研究即是在上述情况下，结合课题“含氮芳香化合物的厌氧降解性研究”而 进行的。着重对有毒难降解有机物一硝基酚的厌氧生物降解性能及其毒性进行了 评价，同时对连续高效厌氧反应器( u a s b ) 中硝基酚人工配水的处理情况及影响 反应器运行的环境条件进行初步的研究。 有毒难降解有机物一硝基酚的厌氧生物降解性和毒性研究 1 绪论 1 1 难降解有机污染物降解性能研究概况 随着近代工业，尤其是有机化工、石油化工、农药等工业的迅速发展，有机 化合物的产量和种类与日俱增，其污染程度和范围令人惊叹，特别是在发达国家 和地区，有毒有机污染物对环境的污染和危害已成为当今世界上“三大环境问题” 之一。 据统计【1 l ，人类向环境中排放的有机化学品1 9 5 0 年为7 0 0 万吨，1 9 7 0 为6 3 0 0 万吨，平均每年增加2 0 0 多万吨，而1 9 8 5 年已达2 5 亿吨。除数量外，种类也在 逐年增加，目前己知的有机化合物约为7 0 0 多万种，且每年以1 0 0 0 多种的合成速 度在增加。估计在过去1 0 0 年闻人工合成的化学品在全球环境中，已造成其背景 浓度由稍大于零增加到l p p b 的后果，而今后1 0 0 年将有可能使其浓度由l p p b 增 加到i p p m 的严重程度，引起一系列危害严重的环境污染事件。 1 1 1 难降解有机污染物及其危害 进入环境中日益增加的有机污染物使人类赖以生存的环境质量日益恶化，温 室效应、臭氧层破坏等令人关注的全球性的环境问题，有可能从根本上打破生态 系统的平衡，给人类带来无可挽回的灾难。2 0 世纪5 0 年代以来【4 j ，合成化学工业 飞速发展，大量自然界不存在的有机化合物被发明和生产出来，这类有机物被通 称为无生命有机物，或非生命有机物( x e n o b i o t i eo r g a n i cc h e m i c a l s ) 。它们为人类 社会带来了很多方便和利益，但生物圈对其甚感陌生，不能有效的使其降解，因 此又被称为难降解有机物。它们能够在自然界中长期存留和富集，产生一系列环 境问题，对生态环境及人类健康构成严重威胁，能够导致急性、慢性及潜在性的 危害【2 】。尤其是一些人工合成物质，可产生长远的遗传影响，对各种细胞产生不可 逆的“突变”作用，诱发致癌、致突变、致畸的“三致”效应。 能够引起如此巨大而深远环境影响的有机污染问题受到世界各国的关注。美 国环境保护局( u s e p a ) 率先在7 0 年代组织专家对多种污染物的毒性、生物降解 性及其在水体中出现的概率进行了系统的研究，并于1 9 7 7 年提出了6 5 类1 2 9 种 优先控制污染物 2 , 3 1 ，其中的有机化合物有1 1 4 种，占总数的8 8 4 。多数的优先 控制污染物大多具有如下特点：难以降解或根本不降解，在环境中逐步蓄积， 有毒难降解有机物一硝基酚的厌氧生物降解性和毒性研究 有一定残留水平；具有生物积累性；具有“三致”作用或毒性，对人体健康 和生态环境构成潜在威胁。 应特别指出的是，具有毒性、难以降解的优先污染物更应是环境工作者研究 的焦点。难降解有机物污染带来的对生态环境、人体健康及对废水处理系统的损 害日渐显露，并有加重的趋势。它敦促人们应就其种类、来源、迁移转化规律、 降解机理、去除方法等方面展开系统深入的研究。 难降解有机污染物主要来自各种各样工业生产过程，表1 1 对各类难降解有 机物的来源及其危害按其化学组成进行了汇总。 表1 1 难降解有机污染物的分类、来源及危害 难降解有机污染物主耍来源 危害 焦化行业、石油化工企业、 多环芳烃性质稳定，致癌性强 交通运输、工业锅炉等 焦化行业、石油化工、染料工业、性质稳定，生物富集，具有致突变， 杂环化台物 农药废水、制药废水致癌作用 石油化工、人造纤维行业、焦化工 有机氰化合物 剧毒物质 业、有机玻璃单体合成废水 机械工业、塑料工业、化工废水、通过食物链富集进入人体，对人体 多氯联苯 电力工业、润滑油工业 产生急性中毒作用，致癌作用 有 合成洗涤剂 纺织化纤企业、造纸工业、皮革工发泡而影响生物处理净化效果，对 机业、金属洗涤厂、食品制造工业致癌的多环芳烃等有增溶作用 a 稳定性强，对人中枢神经具有抑制 成 增塑剂塑料工业、化工企业 化作用 合 物合成农药农药废水对人具有毒性及致癌作用 染料废水、纺织印染废水、 合成染料 色度高，具有毒性及致癌作用 造纸废水、食品工业 1 1 2 难降解有机污染物厌氧降解性能研究概况 能够引起各种严重环境问题的难降解有机物已受到世界各国的广泛关注，并 开展了大量的研究。目前生物处理法己广泛应用到含这类有机物的废水处理中， 而难降解有机物生物降解性能的研究是解决这类污染问题的一个重要方面。这不 仅可为预测该类物质在生物处理中的行为提供依据，并且可以在此基础上开发更 有效的生物控制技术，将这类化合物在环境中的滞留量减至最小。 所谓难生物降解，是相对于易生物降解而言的，“难”、“易”是针对所在的体 有毒难降解有机物一硝基酚的厌氧生物降解性和毒性研究 系而确定的。对于自然生态环境系统，如果一种化合物滞留可达几个月或几年之 久，被认为是难以生物降解的；对于人工处理系统，例如在活性污泥法中，如果 一种化合物通过一定的处理，还未能分解或去除，则同样认为它是难以生物降解 的。 1 ，1 2 1 生物降解性能含义 生物降解性能是指通过微生物的活动使某一物质改变其原来的化学和物理性 质，在结构上引起变化所能达到的程度。在理论上，几乎所有的有机污染物都能 被微生物降解，但在实际废水处理过程中由于受到多种环境条件的限制，因而实 际情况很复杂，。 业已提出的有关生物降解的说法有【4 】： ( 1 ) 初级生物降解，母体化合物结构部份发生变化，改变了分子的完整性。 ( 2 ) 环境可接受的生物降解，母体化合物失去了对环境有害的特性。 ( 3 ) 最终( 完全) 生物降解，母体化合物完全无机化或矿化。即在好氧环境 中有机物在微生物作用下通过中间代谢产物变为二氧化碳和水( 可能还有氨、硫 酸盐、磷酸盐等) ；在厌氧条件下得到最终产物甲烷、二氧化碳等气体和水。 初级生物降解只是有机物分子结构发生了某些变化，有机物在环境中并未去 除，其对环境的危害般仍然存在，但对初级生物降解的研究具有重要意义，因 为许多生物降解性能与降解的起始步骤密切相关，有机物的生物降解速率及其它 化学性质通常受初级生物降解的制约。从环境污染治理的角度来看，有机物的完 全降解是最为彻底和有效的。 根据有机物生物降解的难易程度，般可将其分为以下几类 6 1 ： ( 1 ) 易被微生物利用，可作为能量营养物来源的物质，称易生物降解物质。 ( 2 ) 逐步被微生物利用的物质称为可生物降解物质。 ( 3 ) 降解很慢或根本不降解的物质，称为难生物降解物质。 实际上，同一化合物在不同种属微生物作用下其降解情况会有所不同。 图卜1 表示出了有机物的降解曲线图。 有毒难降解有机物一硝基酚的厌氧生物降解性和毒性研究 瓷 萼 对厕 图i - i 有机物降解曲线图 一些简单的糖、氨基酸、脂肪酸及涉及典型代谢途经的化合物等能够为微生 物所利用而立即降解；有些化合物的降解则需要一段驯化时间，在此期问很少或 根本不发生降解作用，直至混合菌体中能够增长并富集以该化合物为基质的微生 物菌种，或诱导降解该化合物的酶形成完整健全的降解酶体系，驯化完成后生物 降解反应会立即开始；而对一部分天然物质( 如腐植酸、木质素等) 以及合成物 质，则很难或根本不降解，其原因除了化学结构因素外，还有物理及环境因素等。 1 1 2 2 影响有机物生物降解性能的因素 直接或间接影响有机化合物生物降解性能的因素可以归纳为与基质、生物体 和环境相关的几方面4 1 0 l 。 ( 一) 与基质相关的因素 1 基质的化学组成和结构 基质的化学组成和结构决定其溶解性、分子的排列、分子的空间结构及分子 问的吸引、排斥等，进而影响其生物降解性能。 2 基质的各种理化性质 有关基质的各种理化性质与生物降解性能的相关性已有很多报道。a l e x a n d e r 认为有机物的溶解度是影响其生物降解性能的一个较重要的参数，其研究结果表 明难溶于水的化合物要比易溶于水的化合物降解性能差。其原因可能在于：难 溶化合物在水中扩散程度较差，且很容易被吸附或诱捕到惰性物质上，使其很难 到达微生物细胞的反应位置，从而妨碍酶发挥作用：当生物降解速度被溶解度 有毒难降解有机物一硝基酚的厌氧生物降解性和毒性研究 控制时，反应速率下降，t h o m a s 等人研究了一些微溶有机物质的溶解速率与生物 降解性的关系；a w h i n r e r 等人用呼吸法测定了苯二酸酯及几种多环芳烃等微溶性 有机物的生物降解特性，认为溶解速率在确定很多微溶化合物的生物降解速率时 _ 起着重要作用；l y m a n q 报道了酯类物质的二级碱性水解速率常数( k 。) 与生物降 解速率常数之间的相关性：l g k 。= ( 2 1 o 4 ) l g k o h ( 一6 1 ) 。 另外，有机物的憎水性( 亲水性) 、吸附性等都对其生物降解性能有影响。 3 基质浓度 生物降解反应必须具有合适的基质浓度。基质浓度过低，生物降解过程可能 受到限制，而高浓度则会对微生物的生理活动产生抑制作用。合适的基质浓度由 基质的种类及菌种类型所决定。在基质降解期间，降解反应动力学级数及速度随 着其浓度的变化而有所改变。 一 ( 二) 与生物体相关的因素 1 微生物种类 一种化合物欲被降解，必须存在可利用它的微生物种属。一些简单的物质， 如葡萄糖，立即可被许多微生物所降解；而对于复杂的有机物，只有少数微生物 种属对其产生降解作用，代谢途径复杂，有时甚至需要多种微生物的联合代谢。 2 微生物数量 化合物的降解除了需要有可利用它的微生物存在外，这些微生物还必须累积 至一定数量，才能有效地对化合物进行分解。 3 ，微生物种属间的相互作用 在废水处理及水体、土壤自净过程中，降解有机物的微生物都是以混合菌种 的形式存在，这些不同种属的微生物相互影响、相互作用、协同代谢，共同完成 对有机物的分解作用。 ( 三) 与环境相关的因素 环境的变化可影响微生物代谢的活性，其主要影响因素有以下几方面。 1 温度微生物生长的环境温度范围为一1 2 1 0 0 ，但大多数细菌的适宜 生长温度在2 0 4 0 c 范围内。生物降解速率在其所容忍的温度范围内随着温度的 升高而增加。 2 p h 不同微生物存在不同的最适p h 范围，般在6 8 之间最快。 有毒难降解有机物一硝基酚的厌氧生物降解性和毒性研究 3 d o 不同种类微生物对溶解氧有不同的要求。好氧环境中，氧气作为许多 降解反应的最终电子受体，如果溶解氧浓度不足，则会抑制降解速率。 4 有毒物质周围环境存在有毒物质时，会抑制微生物的活性，妨碍微生物 对其它化合物的代谢。 5 营养营养元素或某些微量元素的缺乏会减慢或限制微生物的代谢作用， 此时需补充营养以诱发降解。 综上所述，影响有机物生物降解性能的因素有内因、外因两方面，内因为化 合物本身的化学组成和结构，外因是指各种环境因素，包括物理条件( 如温度、 化合物的可接近性等) 、化学条件( 如p h 、氧化还原电位、化合物浓度、其它化合 物分子的协同或拮抗作用等) 、生物条件( 微生物种类、数量以及种属间的相互作 用等) 。因而，导致有机物难以生物降解的原因也有上述内因外因两方面，有机物 本身的化学组成和结构是使其具有抗生物降解性的内因，但是从环境因素( 外因) 来看，难降解性并不是化合物不可改变的固有特性，各种环境状态的改变，可使 本来难以降解的化合物可能变得易降解。 因此，围绕难降解有机物生物降解性能的研究主要集中在以下两方面：一是 对各类难降解有机物的生物降解性能进行评价和分类，研究有机物本身的化学结 构及其它各种特性与生物降解性能的关系，揭示有机物生物降解过程的内在规律 及机理；另一方面是开发能够改善有机物生物降解性能的生物技术，如选择适合 的生物降解环境( 厌氧酸化预处理技术等) ，选择和驯化特异性菌种和适宜的生物 酶等。 1 1 3 评价有机污染物生物降解性能的研究方法 一些发达国家早已开展了有机物生物降解性能测试方法的研究，目前已建立 了多种有机物生物降解性能的测试法。不同的实验方法及测定技术对评价生物降 解性能具有较大影响，如所用有机物浓度、生物种类、浓度、驯化时间和环境条 件等都影响有机物生物降解性能的评价1 7 j 。 为了讨论有机物生物降解性能及其鉴定方法，有必要看一下生物降解过程。 图1 2 和图l 一3 分别简单地表达了在好氧和厌氧条件下有机物的分解转化情况。 有毒难降解有机物一硝基酚的厌氧生物降解性和毒性研究 有机物+ 0 2 + 微生 有机物+ 微生 图1 - 2 有机物的好氧转化 剖产物( c h 4 ，c 0 2 ) 哎当吸一陌 图卜3 有机物的厌氧转化 从以上两图可以看出，有机物的生物降解过程表现为有机物含量的减少和分 解转化产物的生成。因此，反应物或生成物的变化或好氧条件下氧的消耗量，都 可以反映有机物好氧或厌氧生物降解的难易程度，即有机物的生物降解性。由此， 有机物生物降解性鉴定的途径有下面几条n 8 】： ( 1 ) 根据有机物的减少总量或消减速率； ( 2 ) 根据有机物降解时所消耗的氧量( 好氧条件下) ： ( 3 ) 根据有机物降解产物( 生成物) 的量； ( 4 ) 根据微生物及其生理、生化指标的变化量。 近年来，有许多学者在研究根据有机物的分子结构和物理化学参数来预测它 的生物降解性，这也可视为一种鉴定的途径【l ”。 根据本文的研究需要，下面主要介绍厌氧条件下有机物生物降解性能的鉴定 方法。 由于反应条件、微生物组成和酶系统的不同，降解的途径也不同，因此，有 机物的厌氧生物降解性能与好氧生物降解性能会有差异。一些研究表明，有些有 机物在厌氧条件下的降解性优于其好氧生物降解性，例如某些卤素衍生物。所以， 有机物厌氧生物降解性的鉴定是很重要的。 有毒难降解有机物一硝基酚的厌氧生物降解性和毒性研究 图卜3 中表示出了厌氧条件下有机物的分解转化途径，同样也可以根据反应 物与生成物的变化情况或根据厌氧微生物在反应过程中的生理、生化特征来建立 有机物厌氧生物降解性的鉴定方法。然而到目前为止，有机物厌氧生物降解性研 究的深度和广度都不及在好氧条件下的研究，建立的测试方法也较少。一般来说， 厌氧生物降解性能的测试方法主要是根据有机物在降解过程中气体产量的变化建 立的，即通常根据比甲烷产率和l t - - 氧化碳产率评价其厌氧生物降解性能。比甲 烷产率和比二氧化碳产率是指有机物在厌氧降解过程中的甲烷产量和二氧化碳产 量分别与它们的理论产量的比值。 由b u s w e l l 经典方程可求得甲烷和二氧化碳的理论产量： g l h 。虢+ n 一( a 4 ) 一( b 2 ) h ：0 = ( n 2 ) 一( a 8 ) 十( b 4 ) e o 。+ ( n 2 ) 十( a 8 ) 一( b 4 ) c h 。 然而，有机废水或某些工业产品的化学分子式是不知道的。这时可改用甲烷 和二氧化碳的产量与最大理论产量的比值，任何相当于l m g 总有机碳的有机物， 其理论的气体总产量为2 1 m l ( 3 5 。c ，1 0 1 3 3 k p a ) 。 厌氧生物降解性的测试方法主要有 4 , 5 9 - - 6 0 l ： ( 1 ) 美国环保局( e p a ) 标准测试法 将一定量的市政污水处理厂的厌氧污泥加到一个有盖的反应器中，加入受试 有机物和营养盐溶液，同时做一不加受试物的对照实验。反应温度为3 5 3 7 ， 实验周期为5 6 d 或直至生物降解完全。计算实际气体产量( 扣除对照实验的气体 产量) 占理论气体产量的百分率，以评价受试物的生物降解性。 ( 2 ) e c e t o c 测试法 有一个叫e c e t o c 的工作小组提出该法。取污水处理厂厌氧污泥，先洗涤以减 少无机碳的含量，将此污泥预消化2 5 天后可进一步降低背景气体产量。最后将 污泥放入有盖的玻璃瓶中，瓶中污泥的干固体浓度为l o o g l ，受试有机物的初始 浓度相当于2 0 5 0 m g l ( 以有机碳计) ，同时做一不加受试物的对照，反应温度为 3 5 ，周期为数星期。结束时，测量其气体总产量，并打开盖立即测定溶液中溶 解性无机碳的含量。按下式计算生物降解百分率d ： d = ( c ，一c c ) c 1 0 0 式中：c 广总矿化碳( 容器顶部的c m 和c o ：碳，以及溶液中的溶解性无机碳) ； 有毒难降解有机物一硝基酚的厌氧生物降解性和毒性研究 c c _ 一对照实验中的总矿化碳： c 一受试有机物的总有机碳。 ( 3 ) 美国实验与材料协会( a s t m ) 测试法【9 】 该法建议在每升反应液中加入污水处理厂厌氧污泥上清液l o o m l ，受试有机物 的初始浓度相当于5 0 m g l ( 以有机碳计) 。实验在1 2 5 m l 的血清瓶中进行，同时做 一不加受试物的对照实验。反应温度3 5 。c ，时间为2 8 d 或直至产气结束。计算生 物降解百分率d 来评价受试物的生物降解性。 ( 4 ) 半连续反应测试法 在反应过程中按一定的停留时间每天排出一定量的反应液，加入新鲜的受试 物和营养液。当反应达到稳定状态时，根据气体产量或受试物浓度变化来评价受 试物的生物降解性。 总体来说，有机化合物厌氧生物降解性能的鉴定方法目前研究得还不够，一 些传统的方法并不能有效地反映有机化合物的厌氧生物降解性，一些新的鉴定方 法还不够完善，仍在研究改进中。因此，研究一种有效的、准确的、易推广的鉴 定有机物厌氧生物降解性能的方法是今后研究的工作重点。同时，鉴于有机物生 物降解性能在研究难降解有机物污染控制中的重要性，它的鉴定方法必将会继续 得到进一步的完善和发展。 1 2 硝基芳香化合物的厌氧生物降解及毒性研究概况 硝基酚等多种含氮芳香化合物，是重要的环境优先控制污染物，主要通过与 工业生产有关的人类活动，如染料、炸药、杀虫剂和医药生产等进入环境中。环 境中这类物质可引起严重的公众健康和环境问题，其中一些物质具有致畸或致癌 作用，并可在食物链中生物聚积，如硝基类芳香烃在被人体皮肤吸收或从呼吸道 吸入后，会引起中毒或致死，因而如何减少这类化合物对环境的污染，引起人们 广泛的关注【l 2 】。 由于一些硝基芳香化合物是氧化和光合磷酸化作用的有效解偶联剂，从而使 得多种硝基芳香化合物对微生物具有毒性作用【1 3 1 。这类化合物对微生物的毒性及 自身的难降解性，对生物处理系统来说是很不利的。研究表明【1 3 1 6 1 ，由于硝基固 有的吸电子特性，使得苯环上的电子云密度下降，从而使氧化酶的亲电子性受阻， 导致其好氧降解速度较慢，使好氧条件下的降解很困难。然而，厌氧条件下，这 有毒难降解有机物一硝基酚的厌氧生物降解性和毒性研究 些化合物可被还原降解为芳香胺，其平均毒性要比相应的硝基芳香化合物低5 0 0 倍。多数情况下，芳香胺在厌氧条件下不再降解，然而，由于硝基被还原后，可 增加其好氧降解性，从而可利用厌氧好氧相结合的方法来处理含硝基芳香烃的废 水。 由于厌氧微生物能有效降解硝基芳香化合物，因而研究利用厌氧生物方法来 处理这类污染物有很重要的意义【1 6 】。近来，含芳香烃污染物的化工和石化废水开 始利用厌氧方法来处理【17 , 1 8 1 。高效厌氧反应器( 如u a s b ) 可固定大量的活性菌群， 反应器中厌氧细菌相互吸附，能形成具有良好微生态平衡系统的颗粒污泥，可截 留大量的微生物，从而有助于维持微生物的产甲烷能力，改善厌氧反应器的耐冲 击负荷能力。因而利用高效厌氧反应器来处理含有较高毒性污染物( 如芳香化合 物) 的废水，可增加细菌对其的适应性，提高处理效果。 1 2 1 硝基芳香烃的毒性研究 为预测含氮芳香化合物等优先污染物对厌氧处理系统的影响，必须要了解其 毒性大小。d o n l o n 【19 】等利用厌氧间歇实验方法，对2 5 种含氮芳香化合物的产甲烷 活性进行了毒性评价，并与苯环类化合物进行了比较。结果表明，芳香烃对产甲 烷菌的毒性影响与它们的结构有关。对含一个取代基的苯环类化合物，取代基的 毒性顺序为c o o h 2 一硝基苯酚 3 一硝基苯酚。 1 2 2 硝基芳香烃的还原降解 g o r o n l z y 和c h u n g 【矧认为硝基化合物的微生物还原降解是与某类酶或辅酶有 关的脱毒反应，还原酶可催化硝基的降解，主要通过6 电子反应机制进行。有关 硝基芳香烃厌氧降解的机理，大多数研究者认为2 研，在厌氧条件下，硝基还原成 胺基，生成芳香胺，脱下的胺基被微生物利用作为生长氮源，剩下的芳香烃不能 开环降解。有研究者将两株降解硝基苯的高效厌氧菌扩大培养之后，加入厌氧填 有毒难降解有机物一硝基酚的厌氧生物降解性和毒性研究 充床挂膜运行，经3 0 d 挂膜完成后转入正式运行，控制进水硝基苯浓度为 3 5 0 4 5 0 m g l 、h r t 为2 4 h ，其硝基苯去除率达4 0 ，c o d 去除率达8 0 【2 6 】；赵珏在 研究利用高效降解菌处理硝基苯废水的过程中，筛选到2 1 株能以硝基苯为唯一碳 源的菌种。中国科学院微生物研究所已在实际工程中应用兼性厌气处理池处理 t n t 、d n n 混合装药废水，经微生物作用，t n t 由迸水的5 1 5 5 m g l 降至l o m g l ， 出水经好氧处理，达到国家排放标淮1 2 1 。 添加共基质可改善硝基化合物的厌氧降解性f i 2 1 4 , 1 0 , 2 8 ，即这类化合物可通过共 代谢机制进行降解。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 缺乏非专一性所致，同时共代谢与所选择的共基质种类有关，因为尽管许多化合 物都可能成为微生物的生长基质，但诱导产生的酶却不同。e l i a s 脚0 】等实验中发 现，h 2 以及能提供还原物质的基质，如丁酸、丙酸和乙醇，能够促进硝基酚的还原 降解，而乙酸和甲醇却不能。一般来说，生长基质与非生长基质分子结构类似时， 由生长基质所诱导的酶才可能具有非专一性，从而共代谢非生长基质，即促进非 生长基质的生物降解【4 】。 1 2 3u a s b 反应器中硝基化合物的连续脱毒反应 利用高效厌氧反应器( 如u a s b ) ，可处理含有毒芳香化合物的各种废水，且效 率较高，稳定性较强口”。实验室研究中，常利用葡萄糖或挥发性脂肪酸作为共基 质，选择几种硝基芳香化合物，利用u a s b 反应器做连续性的实验研究。 d o n lo n 1 6 l 等利用u a s b 反应器研究了2 一n p ( 2 - 硝基苯酚) 、4 - n b a ( 4 一硝基苯甲 酸) 和5 - n s a ( 5 - 硝基水杨酸) 的去除。反应的早期，硝基芳香化合物按化学计量关 系转化为芳香胺，而在反应后期，芳香胺则不再增加。硝基还原成为毒性较小的 氨基取代物，从而使得毒性减小。 a g h i g h ip o d e h ( 弛1 以2 5 9 um o l ( l d ) 的负荷 率处理硝基芳香化合物废水，4 一n p 的去除率可达到8 2 ；t s e n g 和l i n 3 4 】利用厌氧 生物流化床反应器处理人工合成废水时发现，以6 4 7 m m o ( l d ) 的负荷率运行， c o d 和硝基酚的去除率均大于9 0 ；e l i a s p a l 研究也发现，在u a s b 反应器中，以较 高的负荷率( 可达6 5 5 m m o l ( l d ) ) 来处理一硝基芳香化合物废水，仍能达到 9 8 的去除率。 1 2 ，4 芳香胺的厌氧生物处理 有毒难降解有机物一硝基酚的厌氧生物降解性和毒性研究 厌氧条件下硝基化合物可还原转化为芳香胺类物质，同时厌氧微生物可矿化 多种芳香胺，含有羧基、羟基、甲氧基的芳香胺在产甲烷条件下都能够被矿化。 e l i a s 3 0 l 用标准间歇试验方法，利用未驯化和以2 一硝基苯酚驯化的颗粒污泥，选择 测试了几种含氮芳香化合物的生物降解性能，研究发现，利用未驯化颗粒污泥试 验时，2 - a b a ( 2 - 氨基苯甲酸酯) 、3 - a b a ( 3 - 氨基苯甲酸酯) 、2 - a p ( 2 一氨基苯 酚) 被完全矿化，4 - a b a ( 4 氨基苯甲酸酯) 仅被部分降解。为评价其相互适应性， 利用u a s b 反应器中2 - 硝基苯酚驯化的颗粒污泥进行生物降解实验，结果表明， 对2 - a p 来说，不需任何延迟就能被迅速矿化，而用未驯化污泥则需1l o 天才能开 始降解；对氨基苯甲酸酯的三种异构体来说，矿化所需的时间驯化和未驯化时基 本相同。然而。5 - a s a ( 5 - 氨基水扬酸酯) 和4 a p ( 4 氨基苯酚) 在未驯化时难以 降解，而利用哥l l 化后的污泥，分别经过6 5 和- 7 0 天部被矿化，这表曝含氮取代基 的芳香化合物之间可相互适应而降解，进一步证明了y o u n g 和r i v e r a 茹l 的结论， 即利用芳香烃驯化的污泥，可通过相互适应，使得一些与其结构相似的化合物矿 化。 e l i a s 的厌氧生物降解实验表明口“，经过驯化后的污泥，可以2 - a p 、4 - a b a 和5 - a s a 为唯一碳源，将其完全矿化。而d o n l o n 在利用u a s b 进行实验的过程 中，经较长时间的运行，也发现芳香胺含量不再增加，这表明厌氧环境下一些硝 基芳香化合物和偶氮染料可被完全生物降解。 另外，沉积物中的微生物菌群可选择性的利用一些电子受体，如n 0 3 2 _ 、s 0 4 2 - 、 m n ( i v ) 及f e ( i i i ) 等，这进一步提高了厌氧环境中微生物对芳香胺的降解3 6 3 7 1 。 综上所述，厌氧环境下，硝基芳香化合物能被还原降解为芳香胺类，芳香胺 对产甲烷菌的毒性要小的多，因而可利用厌氧反应器对这类毒性较高的废水进行 脱毒处理，进而再用好氧方法进行处理。另外，一些硝基芳香化合物可作为厌氧 菌的唯一碳源和能源而被完全矿化，因而厌氧环境下将硝基芳香化合物完全生物 降解也是可能的，这为此类污染物的处理提供了一种新的途径。 1 3 厌氧处理技术及其在难降解有机物废水处理中的应用 1 3 1 厌氧处理技术及其发展 厌氧生物处理技术运转费用低、有可资利用的资源产生、在处理高浓度废水 有毒难降解有机物一硝基酚的厌氧生物降解性和毒性研究 方厩有一系列优越性，因而得到较快的发展【3 8 枷1 。 追溯其起源，采用厌氧方式处理污水，要比好氧法处理污水的历史更长【排4 1 1 ， 其发展己经历了三个时代：第一代反应器：以厌氧消化池为代表，废水与厌氧污 泥完全混合，属低负荷系统；第二代反应器：可以将生物固体停留时间和水力停 留时间分离，能保持大量的厌氧污泥和足够长的污泥龄，并注重培养颗粒污泥， 属高负荷系统；第三代反应器：在将固体停留时间和水力停留时间相分离的前提 下，使固、液两相充分接触，既能保持大量污泥又能使废水和活性污泥之间充分 混合、接触，以达到真正高效的目的。可以看出，随着厌氧反应器的发展，处理 效率不断提高，适用范围也由原来的污泥、粪肥消化扩展到对各种浓度的生活污 水和工业废水的处理。 在废水厌氧生物处理过程中，废水中的各类复杂有机物经大量微生物的共同 作用，最终被分解转化为甲烷、二氧化碳、水、硫化氨和氨等。厌氧降解过程十 分复杂，涉及众多的微生物种群，通过直接或间接的共营养关系，相互影响，相 互制约，组成一个复杂的共生网络系统。 由于厌氧工艺中细菌组成、代谢途径的多样性，许多在好氧工艺中难降解的 复杂有机物在厌氧工艺中可以顺利降解，另外厌氧水解过程还有助于提高废水的 可生化性，常用于废水的预处理。 1 3 2 在含难降解有机物废水中的应用 难降解有机物经过厌氧处理可以改变其化学结构，使生物降解性能提高，为 后续的好氧生物降解过程创造良好的条件。迄今为止，厌氧生化处理技术是公认 的处理效果好、经济适用的难降解有机物处理方法1 3 8 - 4 0 。 已有许多研究 4 j 证明了厌氧一好氧工艺在处理含难降解有机物废水方面的有 效性。何苗等通过对1 0 种杂环化合物和多环芳烃的厌氧处理实验研究，证明可显 著改善其生物降解性能，绝大多数受试物在厌氧条件下得到部分降解，其厌氧降 解性能比好氧条件下有较大程度的改善。北京纺织科学研究所等单位进行了厌氧 生物滤池一接触氧化法处理印染废水的研究，脱色率达到7 0 8 0 ；纺织工业设计 院用厌氧一接触氧化一生物碳工艺处理北京第二印染厂废水，小试、中试均达到出 水c o d 对一硝基酚；而 2 , 4 一和2 , 6 一二硝基酚在整个实验期间产气量远低于对照，仅有少量气体产生，表明 此两种物质对厌氧消化产生了严重的抑制作用，其厌氧可降解性远低于一硝基酚， 属于难以降解的物质，同时从图可看出，2 , 6 一二硝基酚产气量从第2 0 天开始略高 于2 , 4 一二硝基酚，虽然并不明显，但仍可推测其厌氧降解性要高于2 , 4 一二硝基酚， 这与文献资料相吻合。 因而，通过对所选五种物质的厌氧降解性比较，可认为其厌氧降解性顺序为 邻一硝基酚 间一硝基酚 对一硝基酚 2 ，6 一二硝基酚 2 ，4 一二硝