多種硝基有機物降解試驗探討

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【摘要】：考慮硝基有機物的高化學毒性及難以生物降解特性，對硝基有機物在污水處理廠生物系統中的降解程度進行試驗分析，研究好氧段和厭氧段對硝基苯及其衍生物的降解程度。

【關鍵詞】：污水處理；厭氧；好氧；硝基；有機物；降解；工業廢水

硝基有機物應用廣泛，常用于農藥、醫藥、染料等化工產品的生產[1]。近年來，隨著紡織、印染、制革等行業的快速發展，含硝基有機物的工業廢水逐年增加。硝基有機物具有高化學毒性與難以生物降解特性，其造成的污染具有持續性，是水體有機氮類污染的標志物。因對生化反應有抑制和毒害作用，硝基苯、鄰二硝基苯、間二硝基苯、間硝基氯苯類化合物是我國水中優先控制污染物，同時也是被美國EPA列入水環境優先控制名單的污染物[2]。隨著污水處理廠出水水質標準提高，研究硝基有機物的處理具有很高的實用價值。目前硝基有機物廢水處理有物理法、化學法、生物法。污水處理廠多采用生物法，利用微生物對硝基有機物進行降解。為研究硝基有機物在污水處理廠生物系統好氧、厭氧條件下的降解情況，本文利用簡單的水處理裝置，在盡量降低處理環節中各種其他工藝條件對試驗結果干擾的前提下，利用氣相色譜-質譜聯用儀（GC-MS）對水體中的硝基苯、4-硝基甲苯、4-硝基氯苯、2，4-二硝基甲苯、2，4-二硝基氯苯及2，4，6-三硝基甲苯共6種硝基有機物進行檢測，研究好氧段和厭氧段對硝基苯及其衍生物的降解情況并觀察停留時間對降解情況的影響。

1試驗裝置及方法

1.1裝置

試驗裝置主體為50L自帶3個不同高度取樣口的圓柱體有機玻璃反應器，反應器可置入氣體泵、氣體分布器、曝氣頭以及配套導管；打開曝氣頭控制曝氣量便可以模擬污水處理廠好氧工藝，去除曝氣頭并加蓋便可以模擬污水處理廠厭氧工藝。

1.2方法

1.2.1硝基有機物GC-MS檢測方法1）樣品前處理。將取來的250mL水樣加鹽酸調至pH值為4左右，置入500mL分液漏斗中，使用25mL純苯溶液進行萃取、搖動放氣3～5min，靜置分層10min，棄去水相，苯萃取液通過無水硫酸鈉干燥柱[3]，最后將萃取液濃縮至2mL。2）色譜條件。載氣為高純氦氣(99.999％)，流量1.2mL/min；進樣口溫度為260℃，無分流進樣；DB-1701色譜柱，40℃下保持2min，然后以10℃/min速度升溫至160℃，再以20℃/min升速度至250℃并保持10min[4]。3）質譜條件。GC-MS接口溫度為280℃，離子源溫度為230℃，電子轟擊源能量為112×10-19J。1.2.2好氧工藝段降解從某工業廢水污水處理廠的好氧工藝段取好氧池泥水混合物30L置于試驗裝置內，利用氣泵、氣體分布器及曝氣頭控制試驗條件，水體溶氧保持在2～2.5mg/L，形成好氧條件。向試驗裝置中添加硝基苯、4-硝基甲苯、4-硝基氯苯、2，4-二硝基甲苯、2，4-二硝基氯苯及2，4，6-三硝基甲苯的標準品，每隔2h后對裝置中的水進行取樣檢測。1.2.3厭氧工藝段降解從同一污水處理廠的厭氧工藝段取厭氧池泥水混合物30L置于試驗裝置內，撤去氣泵、氣體分布器及曝氣頭并加蓋，水體溶氧控制在0.1mg/L以下，形成厭氧環境。加入6種硝基有機物的標準品，每隔2h對裝置中的水進行取樣檢測并且將反應時間延長至24h。

2結果分析

2.1好氧段檢測結果

對6種硝基有機物進行檢測，前2h降解效果較為明顯，隨著處理時間的增加，雖也有降解，但濃度變化已不大。見圖2.通常認為，好氧條件下，硝基有機物的降解是由單或雙加氧酶作用脫除苯環上的硝基從而形成相應的多元酚，再經由加氧酶的聯合作進行開環降解[5]。試驗污水處理廠長期接收富含硝基有機物的廢水，對污泥中的微生物產生了一定馴化作用。在好氧條件下，表現出良好的降解性能，2h降解速率快；除了污泥的物理吸附作用外，污泥中菌膠團中活性菌體所占的比例較高且具有較高的代謝活性。此后降解速率減緩，4～6h之間變化很小，有文獻[6]表明初始濃度為20mg/L的硝基苯利用JS765菌株可在2h內完全礦化硝基苯，同時其釋放出的亞硝酸鹽還能作為好氧微生物的氮源，但因硝基苯苯環上的硝基是強吸電子基團，失去硝基就降低了苯環了上電子密度，使得親電子性的氧化酶靠近變得困難，導致好氧降解速率下降。因此對富含硝基有機物的廢水好氧段停留時間可控制在2h左右。

2.2厭氧段檢測結果

對6種硝基有機物進行檢測，前2～4h對目標物的降解效果較為明顯，6h后濃度雖有所降低，但變化幅度已不大。由于苯環容易發生親電取代反應，因此微生物在厭氧條件下對苯環進行親核還原反應并通過還原酶的作用，把硝基還原成亞硝基、羥氨基和氨基[6]。2h左右，在吸附和微生物的共同作用下[7]硝基有機物的降解效果較好，濃度明顯下降，應是在初期細胞能夠合成較高水平的酶對目標物進行消化、降解；但隨著時間推移，菌體自身代謝，活性逐漸減低，內源消耗作用增強且代謝過程中自身也積累了一定的有毒物質，使其對硝基有機物的降解能力明顯下降，繼續延長處理時間降解效果也不明顯。因此在厭氧段的停留時間也宜控制在2h左右。

2.3采用最終降解率來表示降解情況

根據降解率=（加藥后濃度-最終取樣濃度）/加藥后濃度來計算降解率，見表1。從表1可以看出，好氧池及厭氧池對6種硝基有機物都有一定的降解消耗能力且在一定處理負荷條件下，最終降解率都可達到40%以上；結構相對簡單的物質較復雜物質更容易被降解。

3結論

硝基苯、4-硝基甲苯、4-硝基氯苯、2，4-二硝基甲苯、2，4-二硝基氯苯及2，4，6-三硝基甲苯這6種硝基有機物在好氧和厭氧條件下都有較好的降解性能；硝基苯可以在厭氧微生物的作用下還原為較易好氧降解的苯胺，可采用厭氧-好氧聯合的工藝進一步降解效率。

參考文獻：

[1]趙玨，傅大放，曾蘇.硝基芳香烴廢水處理技術研究進展[J].環境污染治理技術與設備，2002，（5）：31-35.

[2]賁岳.生物法對水中兩種硝基化合物的去除效能及機理研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2009.

[3]國家環境保護總局，水和廢水監測分析方法編委會.水和廢水監測分析方法[M].4版.北京：中國環境科學出版社，2002.

[4]趙大傳，王偉.黃河水中有機物的分析及去除規律的研究[J].山東建筑大學學報，2008，（4）：320-326+360.

[5]尹萍，楊彥希.微生物降解硝基芳香烴及其在環境保護中的應用[J].環境科學，1998，（6）：80-84.

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[7]任源，李湛江，吳超飛，等.硝基苯廢水的厭氧-好氧基本實驗與工藝理論分析[J].應用與環境微生物學報，1999，（S1）：14-17.

作者：王瀚卿 劉鵬 單位：天津創業環保集團股份有限公司