生物海綿鐵體系降解硝基苯的特性及機理初探

鄭 瑩,牟 彪,王 萍,王亞娥,李 杰 (蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730070)

硝基苯(NB)被廣泛用于苯胺、染料、殺蟲劑等的制造,具有化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、難降解、高毒性等特點.生物法成本低,運行管理簡單,無二次污染,是處理NB廢水的理想方法之一[1].厭氧生物處理只能將NB還原為苯胺,需與其他方法聯(lián)用,才能在一定程度上降解 NB[2].硝基的吸電子性使苯環(huán)電子云密度下降,氧化酶的親電子性攻擊受阻,導(dǎo)致NB好氧降解較難進行[3].利用微生物較強的適應(yīng)性及可變異性,從 NB馴化完成的活性污泥系統(tǒng)中篩選出一株或多株 NB降解菌可有效降解 NB[4～6].但該法馴化周期長[7],菌株篩選過程相對復(fù)雜,隨機性較大,且單株菌或多株菌對 NB的降解效果遠(yuǎn)不及具有復(fù)雜生物相的污泥體系[8].

通過投加功能性載體,利用載體與微生物之間的相互作用強化微生物降解能力的技術(shù)操作簡單,易于工程化應(yīng)用,成為近年來的研究熱點[9-10].海綿鐵是一種成分與鐵屑相似、Fe0含量很高的多孔物質(zhì),具有比表面積大、比表面能高等特點[11].研究表明[12-14],向Fe0反應(yīng)體系中曝氣(簡稱Fe/O2體系),利用O2還原生成H2O2,繼而可在常溫、常壓、較寬pH值范圍(3～8)內(nèi)產(chǎn)生·OH 等強氧化劑氧化降解有機物.在好氧活性污泥系統(tǒng)中投加海綿鐵組成生物海綿鐵體系,不僅具有 Fe/O2體系的技術(shù)特征與優(yōu)勢,且能實現(xiàn) Fe2+的持續(xù)溶出[15].研究表明,Fe2+與微生物的混合體系中,鐵氧化菌大量繁殖[16].鐵氧化菌氧化Fe2+,并釋放一種特殊的酶,與 H2O2酶一樣,能夠促進 H2O2形成[17].形成的H2O2與Fe2+理論上可進一步發(fā)生類Fenton反應(yīng)[18],從而大大提高體系對難降解有機物的處理效果.但關(guān)于生物海綿鐵體系類Fenton效應(yīng)及對難降解有機物的研究鮮有報道.

本研究通過平行對比實驗,比較了普通活性污泥系統(tǒng)、生物海綿鐵體系在馴化過程中對NB的降解能力.此外,馴化完成的生物海綿鐵體系菌群不經(jīng)純化,利用混合菌群中微生物良好的協(xié)同互助作用降解NB,研究了不同條件下生物海綿鐵體系對NB的降解特性.在最佳工況下,對海綿鐵體系中類 Fenton效應(yīng)進行了探究,初步揭示了該體系對NB的降解機理.

1 材料與方法

1.1 實驗材料

實驗所用 Fe0為粒徑 2～3mm 的海綿鐵,使用前進行預(yù)處理,即在3%硫酸中浸泡20min,期間不斷攪拌,用自來水洗凈,備用.接種污泥取自蘭州市七里河污水處理廠二沉池.實驗所用污泥均在稱量前經(jīng)脫水處理,即于離心機中以 4000r/min離心 5min,棄水層,備用.

1.2 試劑與儀器

無 機 鹽 溶 液 (g/L):Na2HPO4·12H2O 3.8,KH2PO41.0,NaCl 1.0,MgSO4·7H2O 0.2, NH4Cl 0.1,以自來水配制,pH值為自來水pH值(6.4左右).

1.2g/L NB儲備液:在 1L棕色容量瓶中加入1mLNB 原液,去離子水定容,封口膜封口,超聲至 NB溶解.

100mL/L甲醇儲備液:10mL甲醇,去離子水定容至100mL.

NB廢水:采用人工配制.馴化所用 NB廢水的配制: 以無機鹽溶液為基礎(chǔ),甲醇及 NB為碳源,通過逐漸減少甲醇儲備液的加量(5,3,2,1,0,0mL/L)同時逐漸增加 NB儲備液的加量(16.7,33.3,66.8,133.3,166.7,250mL/L),配制成不同濃度的 NB廢水(20,40,80,160,200,300mg/L).除馴化所用NB廢水外,其余 NB廢水以NB為唯一碳源.

主要儀器與試劑:高效液相色譜儀(HPLC-1200,美國 Agilent);總有機碳分析儀(TOC-L,日本島津);紫外可見分光光度計(UV-2600,日本島津);pH計(pHS-3C+,成都世紀(jì)方舟);恒溫培養(yǎng)振蕩器(TS-200B,上海天呈).試劑除甲醇為色譜純外,其余試劑均為國產(chǎn)分析純.實驗流動相用水為娃哈哈純凈水.

1.3 實驗方法

1.3.1 生物海綿鐵體系中 NB降解菌的馴化與富集 通過平行對比實驗,利用NB對1#活性污泥體系及 2#生物海綿鐵體系進行馴化培養(yǎng).試驗在 500mL錐形瓶中進行,1#、2#反應(yīng)器中分別加入300mL 濃度為20mg/L的NB廢水及6g普通活性污泥,2#反應(yīng)器中加入 90g/L海綿鐵組成生物海綿鐵體系.30℃,140r/min恒溫震蕩培養(yǎng),周期 12h,換水比 1/2.培養(yǎng)一定周期至 2#反應(yīng)器 NB去除率達(dá) 97%以上后,提高NB濃度至40mg/L,此后不斷重復(fù)該過程至反應(yīng)器可降解300mg/LNB,視為馴化完成.

1.3.2 生物海綿鐵體系降解 NB影響因素研究 在500mL錐形瓶中加入300mL以NB為唯一碳源的NB廢水,加入6g經(jīng) 2#生物海綿鐵體系馴化完成的活性污泥及預(yù)處理后的海綿鐵組成生物海綿鐵體系,140r/min恒溫振蕩培養(yǎng),考察 NB初始濃度(100,200,300,400,600,800mg/L),海綿鐵投加量(0,30,60,90,120,150g/L),進水 pH 值(5,6,7,8,9),溫度(10,20,30,40℃)對生物海綿鐵體系降解NB的影響.在實驗無特殊說明的情況下,反應(yīng)器中海綿鐵投加量為 90g/L,進水NB濃度為200mg/L,pH值為自來水pH值(6.4),反應(yīng)溫度為30℃.

1.3.3 生物海綿鐵體系降解NB機理初探 在5個500mL錐形瓶中分別加入300mL以NB為唯一碳源的NB廢水,1#投加90g/L海綿鐵,2#、3#分別投加6g經(jīng)NB馴化完成的普通活性污泥及經(jīng)NB馴化完成的生物海綿鐵體系污泥(簡稱鐵泥),4#、5#在 2#、3#的基礎(chǔ)上分別介入 90g/L海綿鐵組成生物海綿鐵體系.進水 pH 值為 6.4,NB濃度 200mg/L,溫度 30℃,140r/min恒溫振蕩培養(yǎng)6h.定點取樣,取樣間隔為1h,測定各反應(yīng)器中出水 Fe2+、H2O2、·OH、NB、TOC含量.

1.4 分析測定方法

NB濃度:高效液相色譜法.樣品過0.22μm有機濾膜后,收集到液相小瓶待測.測試條件:色譜柱C18(150mm×4.6mm,4μm),柱溫 30℃,流動相:甲醇:水(V:V=70:30),等梯度淋洗,流速1.0mL/min,紫外檢測波長為265nm,自動進樣,進樣量10μL.

·OH:高效液相色譜法.取5mL水樣,加入2mL水楊酸(10mmol/L),去離子水定容至 25mL,混勻,經(jīng)0.22μm 有機濾膜過濾,收集到液相小瓶后待測.測試條件:色譜柱 C18(150mm×4.6mm,4μm),柱溫 30℃,流動相:甲醇:水(v:v=40:60),等梯度淋洗,流速1.0mL/min,紫外檢測波長為239nm,自動進樣,進樣量20μL.

H2O2:鈦鹽光度法[19].準(zhǔn)確量取 136mL濃硫酸緩慢加入150mL的超純水中,向此溶液中加入17.7g草酸鈦鉀后用超純水定容至0.5L,得到0.1mol/L的草酸鈦鉀溶液,取5mL水樣,5mL 0.1mol/L的草酸鈦鉀溶液定容至25mL,反應(yīng)10min后在λ =400nm處測其吸光度.

TOC:燃燒氧化-非色散紅外線吸收法;Fe2+:鄰菲羅啉分光光度法.

2 結(jié)果與討論

2.1 生物海綿鐵體系中NB降解菌的馴化與富集

圖1 生物海綿鐵體系馴化過程中對NB的降解Fig.1 Degradation of NB during the domestication in biological sponge iron system

以無機鹽溶液為基礎(chǔ),通過逐漸減少廢水中易降解碳源(甲醇)的含量,增加NB含量,對1#活性污泥體系及2#生物海綿鐵體系進行了馴化培養(yǎng).馴化過程中各體系NB出水變化如圖1所示.

由圖1可以看出,在整個馴化過程中,1#活性污泥體系及2#生物海綿鐵體系表現(xiàn)出較大的差異.馴化初期(1～8d) NB進水濃度小于40mg/L時,2#生物海綿鐵體系表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性,去除率高達(dá) 90%以上,而1#活性污泥體系對NB的降解率卻很低,在40%以下;隨著 NB濃度的梯度增加,盡管兩體系出水均出現(xiàn)不同程度的波動,但 2#生物海綿鐵體系波動明顯小于1#活性污泥體系,且在28d時達(dá)到穩(wěn)定,對300mg/LNB廢水去除率可達(dá)98%以上.而此時1#反應(yīng)器NB去除率僅為42.5%,第56d 1#反應(yīng)器NB去除率達(dá)98%,較生物海綿鐵體系滯后 28d.因此,2#生物海綿鐵體系較1#活性污泥體系對 NB有更強的適應(yīng)性.研究發(fā)現(xiàn)[7],普通活性污泥體系一般需經(jīng) 2個月甚至更長時間的馴化才能完全降解中低濃度 NB廢水.生物海綿鐵體系具有更好的穩(wěn)定性和更強降解能力,為經(jīng)濟有效地處理NB廢水提供了新思路.

2.2 生物海綿鐵體系降解NB影響因素研究

2.2.1 NB初始濃度的影響 在其他反應(yīng)條件一定的情況下,分別選取不同濃度的 NB廢水,考察了 NB初始濃度對生物海綿鐵體系降解 NB的影響,并對實驗結(jié)果進行線性回歸分析,其中 R2為反應(yīng)相關(guān)系數(shù),結(jié)果見圖2.

圖2 NB初始濃度對生物海綿鐵體系降解NB的影響Fig.2 Effect of initial concentration on degradation of NB in biological sponge iron system

從圖2可知,不同初始濃度的反應(yīng)體系,NB濃度隨時間的變化均呈現(xiàn)線性關(guān)系,生物海綿鐵體系對NB的降解符合零級反應(yīng)動力學(xué)規(guī)律.當(dāng) NB濃度由100mg/L增至800mg/L時,NB降解速率分別為26.81、31.47、29.09 25.99、19.44、16.81min-1.其中,初始濃度為200mg/L的NB降解速率最大,6h可完全降解.此外,生物海綿鐵體系對高濃度(600,800mg/L)NB廢水沒有停滯期,適應(yīng)性較強.分析認(rèn)為,NB為微生物提供唯一的碳源,若濃度過低,微生物營養(yǎng)不足,生長繁殖受到限制,降解速率降低.而NB作為一種有毒物質(zhì),濃度過高則會對微生物造成毒害,抑制其活性,降低微生物的降解速率.因此,選取初始濃度為200mg/L的NB進行實驗.

2.2.2 海綿鐵投加量的影響 從圖3可以看出,盡管不同反應(yīng)體系中 NB濃度隨時間的變化均呈線性關(guān)系,符合零級反應(yīng)動力學(xué)規(guī)律,但投加海綿鐵的體系NB降解速率遠(yuǎn)高于未投加海綿鐵的體系.海綿鐵的加入,可大大促進微生物對NB的降解.投加量由0增至30g/L,降解速率由11.26min-1迅速升至29.32min-1;投加量增至 90g/L,NB降解速率達(dá)到最大,為31.48min-1;繼續(xù)增加海綿鐵的投量,生物海綿鐵體系對NB的降解速率有降低趨勢.分析原因[20],一方面過量的Fe0會加速H2O2分解并消耗類Fenton系統(tǒng)產(chǎn)生的·OH,降低體系中活性氧化物(ROS)含量;另一方面體系中過量的鐵對微生物活性也有一定影響.因此,生物海綿鐵體系中海綿鐵最佳投量確定為90g/L.

圖3 海綿鐵投加量對生物海綿鐵體系降解NB的影響Fig.3 Effect of sponge iron dosages on degradation NB in biological sponge iron system

2.2.3 初始pH值的影響 pH值與微生物的生命活動密切相關(guān),它不僅影響微生物的酶活性,還能影響微生物蛋白質(zhì)的解離,造成微生物細(xì)胞膜表面的電荷變化,從而影響細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,最終對微生物生長速率造成影響[21].此外,pH值對海綿鐵中鐵離子溶出也有較大影響.因此,在其他反應(yīng)條件一定的情況下,探究不同pH值對生物海綿鐵體系降解NB的影響.結(jié)果見圖4.

由圖4可知,不同pH值的反應(yīng)體系,NB濃度隨時間的變化呈線性關(guān)系,反應(yīng)符合零級反應(yīng)動力學(xué)規(guī)律.整體上,pH值對生物海綿鐵體系NB降解速率影響較大,隨著初始pH值不斷升高,NB降解速率迅速降低,酸性條件有利于NB的去除.pH值為5時,NB降解速率高達(dá)60.56min-1,pH值升至6時,NB降解速率降至35.68min-1.而當(dāng)溶液pH值呈中性或堿性時,NB降解速率均在30min-1以下,特別是當(dāng)pH值為9時,NB降解速率僅為18.23min-1.

圖4 初始pH值對生物海綿鐵體系降解NB的影響Fig.4 Effect of initial pH on degradation NB in biological sponge iron system

研究發(fā)現(xiàn)[14,18,22-23],Fe0/O2體系能夠發(fā)生如下反應(yīng).酸性條件下,H+濃度升高,促進了 Fe2+、H2O2的生成,有利于類 Fenton效應(yīng)的發(fā)生.因此,pH值為 5時,體系 NB降解速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他體系,而堿性條件則不利于NB的降解.考慮到NB在水中不會電離,經(jīng)NB污染的水體一般呈弱酸性或中性,從實際應(yīng)用角度出發(fā),實驗采用自來水配制NB廢水,其pH值為自來水pH值(6.4).

2.2.4 溫度的影響 溫度能夠影響基質(zhì)擴散到細(xì)胞的速度及微生物自身的酶催化反應(yīng)速度,從而影響生物降解速率.不同溫度對生物海綿鐵體系降解 NB的影響見圖5.

由圖5所示,不同溫度的反應(yīng)體系,NB濃度隨時間的變化呈線性關(guān)系,反應(yīng)符合零級反應(yīng)動力學(xué)規(guī)律.溫度的變化對NB降解速率影響較小,在10、20、30、40℃時,降解速率分別為 30.83、28.83、31.48、30.69min-1.由此可知,生物海綿鐵體系中微生物能夠適應(yīng)的溫度范圍較廣.其他研究發(fā)現(xiàn)[4,24-25],經(jīng) NB馴化后篩選出的單株或多株 NB降解菌的最適溫度在25～30℃之間,即使是經(jīng)低溫馴化后的 NB 降解菌,其最適溫度也在10℃左右[6,26].生物海綿鐵體系耐低溫,且能高效降解NB,這為低溫條件下NB廢水的處理提供了新思路.

圖5 溫度對生物海綿鐵體系降解NB的影響Fig.5 Effect of temperature on degradation NB in biological sponge iron system

3 生物海綿鐵體系降解NB機理研究

為了探究生物海綿鐵體系降解 NB的機理及類Fenton效應(yīng)強弱,開啟5個反應(yīng)器(海綿鐵體系、普通活性污泥體系、鐵泥體系、普通活性污泥海綿鐵體系、鐵泥海綿鐵體系),恒溫振蕩培養(yǎng) 6h,定時取樣,取樣間隔為1h,測定各反應(yīng)器出水Fe2+、H2O2、·OH含量,結(jié)果見圖6.

由圖6可知,海綿鐵體系及介入普通活性污泥(普泥)的生物海綿鐵體系 1h時 Fe2+含量達(dá)到最高點,之后不斷降低.而鐵泥(NB馴化完成的生物海綿鐵體系污泥)存在的生物海綿鐵體系,能夠?qū)崿F(xiàn)Fe2+的持續(xù)溶出,為生物海綿鐵體系的類 Fenton效應(yīng)提供了條件.此外,該體系中的H2O2、·OH含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他體系.

生物海綿鐵體系中產(chǎn)生的 Fe2+、H2O2、·OH 均具有氧化性,且氧化還原電位 Fe2+＜H2O2＜·OH.為進一步探究生物海綿鐵體系中 NB降解機理及類 Fenton效應(yīng)強弱,判斷Fe2+、H2O2、·OH對NB的氧化效果,試驗中分別將1.78mmol/LFe2+、1.78mmol/L H2O2、1.78mmol/L Fe2+及 H2O2投加入 NB 廢水中,反應(yīng)10min后,測定Fe2+、H2O2、Fenton體系對 NB的氧化效果,結(jié)果見圖7.

圖6 不同體系類Fenton效應(yīng)的比較Fig.6 Comparison of Fenton-like effect in different system

由圖7可知,投加H2O2的體系,NB進出水濃度基本未發(fā)生變化,說明 H2O2對 NB無氧化作用.在投加Fe2+的體系中,NB去除率約為3%.由于物質(zhì)的氧化還原電位(ORP)越高,氧化性越強.H2O2的 ORP大于Fe2+,說明H2O2對物質(zhì)的氧化能力強于Fe2+.而H2O2不能氧化NB,可見Fe2+亦難以對NB產(chǎn)生氧化作用.因此分析認(rèn)為, Fe2+體系對NB的去除作用應(yīng)該是鐵離子的絮凝作用所致.Fe2+與H2O2組成Fenton體系后,產(chǎn)生的·OH表現(xiàn)出對NB的強氧化作用,10min內(nèi)迅速將135mg/L的NB完全降解.對Fenton體系中剩余的Fe2+、H2O2進行測定發(fā)現(xiàn)(表 1), H2O2、Fe2+的消耗率分別為14.04%、97.75%.由反應(yīng)式(4)可知,參與Fenton反應(yīng)的 H2O2與 Fe2+的物質(zhì)的量比為 1:1.由于 H2O2對NB無氧化作用,體系中減少的H2O2(14.04%)僅用于發(fā)生Fenton反應(yīng),與之等摩爾的Fe2+(14.04%)亦用于 Fenton效應(yīng)的發(fā)生,其余大量 Fe2+(83.71%)則被O2、·OH等氧化劑氧化.雖然用于發(fā)生Fenton效應(yīng)的Fe2+利用率較低,但這并未影響·OH對NB表現(xiàn)出的強氧化作用.

圖7 Fenton 體系強化降解NBFig.7 The degradation of NB enhanced by Fenton system

表1 Fenton體系Fe2+及H2O2的含量Table 1 Fe2+ and H2O2 concentration in Fenton system

為進一步證實生物海綿鐵體系對 NB的強氧化作用,對各體系反應(yīng)過程中NB剩余量及TOC去除率進行測定,結(jié)果如圖8.

由圖8可知,盡管單獨的海綿鐵體系對NB具有一定的降解作用,但降解作用相對較弱,6h NB降解率及TOC去除率僅分別為15.0%與9.4%.微生物存在的體系對 NB的降解效果均優(yōu)于單獨的海綿鐵體系.雖在普通活性污泥中投加海綿鐵一定程度上能夠提高NB降解速率及TOC去除率,但其效果遠(yuǎn)不及鐵泥介入的生物海綿鐵體系.該體系 NB降解速率最高,為31.49min-1,NB降解率及TOC去除率也最好,6hNB降解率分別高達(dá) 92%和 63.1%.較單獨海綿鐵體系與單獨鐵泥體系降解率的疊加值分別高出22.3%和11.4%.分析認(rèn)為,試驗中所用的鐵泥來自2.1中經(jīng)NB長期馴化的生物海綿鐵體系中的污泥,根據(jù)課題組的前期研究[27-28],該體系生物相豐富,存在大量的鐵氧化菌,可促進 Fe0的腐蝕,實現(xiàn)體系 Fe2+的持續(xù)溶出.同時,Fe2+被鐵氧化菌氧化的過程中,不僅能夠釋放大量的 H+,且能夠釋放一種特殊的酶,與過氧化氫酶一樣,可促進H2O2的形成[16].體系中H+、Fe2+、H2O2含量的增加(圖6),進一步促進了Fenton效應(yīng)的發(fā)生,提高了NB降解效果.由此可見,生物海綿鐵體系類 Fenton效應(yīng)可明顯促進NB的降解.

圖8 不同體系對NB的降解效果Fig.8 Degradation effects of NB by different systems

4 結(jié)論

4.1 采用模擬NB廢水對生物海綿鐵體系及普通活性污泥體系進行馴化培養(yǎng)發(fā)現(xiàn),生物海綿鐵體系較普通活性污泥系統(tǒng)穩(wěn)定性更好,對NB的氧化作用更強.生物海綿鐵體系馴化至第28d對300mg/LNB廢水去除率穩(wěn)定在98%以上,馴化周期比普通活性污泥體系縮短28d.

4.2 馴化完成的生物海綿鐵體系NB濃度隨時間的變化呈現(xiàn)線性關(guān)系,對 NB的降解符合零級反應(yīng)動力學(xué)規(guī)律.海綿鐵的加入能夠大大促進微生物對 NB的降解;NB的初始濃度對體系降解速率影響較大;pH值對降解速率影響較大,在實驗設(shè)計的pH值范圍內(nèi),pH值越小反應(yīng)速率越快,考慮到微生物的適應(yīng)性,適宜的pH值為5～7;適宜的溫度范圍較廣,10～40℃均能高效降解NB.

4.3 微生物與海綿鐵的協(xié)同互促作用促進了NB的降解.尤其是經(jīng)較長時間馴化的鐵泥與海綿鐵形成的生物海綿鐵體系,在實驗確定的最佳工況下,NB降解速率為31.49min-1, 6hNB降解率及TOC去除率分別高達(dá) 92.0%和 63.1%.較單獨海綿鐵體系與單獨鐵泥體系降解率的疊加值分別高出22.3%和11.4%.

4.4 通過對不同體系降解機理的研究發(fā)現(xiàn),生物海綿鐵體系中Fe2+、H2O2、·OH含量明顯高于海綿鐵體系及污泥體系,尤其是介入鐵泥的生物海綿鐵體系,Fe2+、H2O2、·OH含量最高,為體系發(fā)生較強類Fenton效應(yīng)提供了條件.微生物自身的氧化代謝作用及體系中發(fā)生的類Fenton效應(yīng)共同促進了NB的降解.