MBfR去除對氯硝基苯的影響因素研究

楊文婷，李海翔

（1.廣西建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530001；2.桂林理工大學(xué)，廣西 桂林 541004)

1 氫基質(zhì)自養(yǎng)生物去除對氯硝基苯

對氯硝基苯（p-NCB）是化工生產(chǎn)過程中化學(xué)合成的一種中間產(chǎn)物，是硝基氯苯中毒性最大的化合物，具有三致效應(yīng)和遺傳毒性，對人體有潛在致癌作用。對氯硝基苯的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，極易在生物、水體沉積物或土壤有機(jī)質(zhì)中富集，難降解易揮發(fā)，排放到環(huán)境中具有極大的毒害作用，被列為優(yōu)先控制的有機(jī)污染物[1]。

有研究指出，通過硝基還原和還原脫氯，生成易生物降解和低毒性的苯胺類，是氯代硝基苯生物轉(zhuǎn)化或礦化的重要途徑[2]。在好氧條件下，p-NCB苯環(huán)上的硝基和氯原子具有吸電子特性，很難被降解，因此，p-NCB的生物轉(zhuǎn)化要采用厭氧還原的方式。p-NCB氫基質(zhì)自養(yǎng)生物處理的主要降解過程見圖1。從圖1可以看出，氫氣作為電子供體，潔凈無殘留，無二次污染，氧化還原電位低。p-NCB為電子受體，氫自養(yǎng)還原菌利用H2，將對氯硝基苯還原脫氯，先使p-NCB還原成對氯苯胺（p-CAN），再通過對位還原脫氯，p-CAN進(jìn)一步將苯環(huán)上的氯原子取代，生成低毒和易生化降解的苯胺（AN）[3]。因此，氫基質(zhì)自養(yǎng)生物對p-NCB的還原轉(zhuǎn)化，不僅能降低毒性，還能提高p-NCB的可生化降解性。

圖1 p-NCB的生物轉(zhuǎn)化過程

2 氫基質(zhì)生物膜反應(yīng)器

早期的氫基質(zhì)自養(yǎng)生物還原技術(shù)使用氫氣進(jìn)行曝氣，造成氫氣的利用效率低，且溢出水面的氫氣易發(fā)生爆炸[4-5]。氫基質(zhì)生物膜反應(yīng)器（MBfR）將微孔膜和氫氣自養(yǎng)工藝有機(jī)結(jié)合。H2在中空纖維膜的膜內(nèi)外無泡曝氣，以濃度差為傳質(zhì)動(dòng)力，降低了曝氣能耗，大大提高了H2的利用效率，還有效防止了H2爆炸的發(fā)生[6]。中空纖維膜具有較大的比表面積，可為微生物提供附著和生長的場所，保證反應(yīng)器內(nèi)維持較高的微生物量，既提供了載體，又加強(qiáng)了氣液傳質(zhì)。

對氯硝基苯很難在水體中自行降解，MBfR反應(yīng)器可用于去除水中的對氯硝基苯。反應(yīng)過程中，H2在膜內(nèi)通過中空纖維膜上的微孔，在壓力的作用下，以無泡方式從纖維膜內(nèi)壁擴(kuò)散到外壁的生物膜，被附在膜上的氫自養(yǎng)還原菌利用。膜表面的微生物利用外部進(jìn)水中的氧化性污染物進(jìn)行新陳代謝，將p-NCB降解為低毒或無毒產(chǎn)物，從而達(dá)到凈化水質(zhì)的目的。

3 實(shí)驗(yàn)方法

把接種菌置于MBfR反應(yīng)器中進(jìn)行一段時(shí)間的馴化，中空纖維膜的外表面會(huì)聚集一層黃褐色的生物固體，反應(yīng)器生物馴化和富集出理想細(xì)菌，掛膜完成。人工配制模擬實(shí)驗(yàn)污水，采用緩沖液（KH2PO4+Na2HPO4）調(diào)節(jié)進(jìn)水的pH，同時(shí)在反應(yīng)器進(jìn)水中投加營養(yǎng)元素，以滿足微生物的生長代謝需要，以便更準(zhǔn)確地模擬實(shí)際水質(zhì)背景下，各影響因素對p-NCB還原降解效果的影響。

本文基于氫基質(zhì)生物膜反應(yīng)器的生物降解展開研究，選擇反應(yīng)時(shí)間為4d，系統(tǒng)考察對氯硝基苯生物降解過程中的氫氣壓力、對氯硝基苯濃度、硝酸鹽濃度等因素對降解p-NCB的影響。設(shè)置對氯硝基苯初始濃度為 0.5～5 mg·L-1，氫分壓為 0.04～0.07 MPa，硝酸鹽濃度為 0.5～50 mg·L-1，水樣經(jīng) 0.45 μm濾膜過濾后，采用高效液相色譜法測定。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

4.1 對氯硝基苯初始濃度的影響

為了評價(jià)不同的對氯硝基苯負(fù)荷對反應(yīng)器性能的影響，以及過高的對氯硝基苯負(fù)荷是否會(huì)產(chǎn)生負(fù)面作用，確定反應(yīng)器在不同的對氯硝基苯進(jìn)水負(fù)荷對p-NCB去除效果的影響，實(shí)驗(yàn)選擇氫分壓為0.04 MPa，進(jìn)水 p-NCB 濃度分別為 0.5、1、2、5、10 mg·L-1，考察反應(yīng)器中p-NCB的去除情況。

圖2是不同的p-NCB初始濃度下，氫自養(yǎng)菌生物還原p-NCB的情況。整個(gè)反應(yīng)周期內(nèi)，隨著進(jìn)水p-NCB的濃度增加，出水p-NCB的濃度逐漸降低，去除率逐漸增加，各濃度條件下p-NCB的生物降解效果均較好，去除率均高于89%。進(jìn)水p-NCB濃度由0.5 mg·L-1升高到10 mg·L-1，去除率從進(jìn)水濃度為0.5 mg·L-1時(shí)的89%升高到2 mg·L-1的94.2%，進(jìn)水濃度為10mg·L-1時(shí)，出水中p-NCB去除率減小為92%?？傮w來說p-NCB的去除率隨進(jìn)水負(fù)荷的增加呈逐漸上升趨勢，在進(jìn)水濃度為2 mg·L-1時(shí)，達(dá)到最大94.2%。本實(shí)驗(yàn)條件下，對氯硝基苯的負(fù)荷升高并未明顯影響其去除率，p-NCB的去除率并不完全隨進(jìn)水中p-NCB的增大而升高。理論上可通過增加p-NCB的進(jìn)水負(fù)荷來提升去除率，從而提升反應(yīng)器的去除效能。就本實(shí)驗(yàn)裝置而言，設(shè)置p-NCB進(jìn)水濃度為2mg·L-1，既能使反應(yīng)器對p-NCB處理速度達(dá)到較高水平，又能滿足排放標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 p-NCB進(jìn)水濃度對其去除率的影響

4.2 氫氣壓力的影響

H2作為p-NCB還原的電子供體，將直接影響p-NCB的還原效果。反應(yīng)器生物膜中，過低的H2分壓可能會(huì)導(dǎo)致電子供體不足，使反應(yīng)器發(fā)揮不出其性能，但H2分壓過高又會(huì)造成浪費(fèi)，還存在潛在的危險(xiǎn)。因此，設(shè)置合理的H2分壓，為反應(yīng)器提供較多的可被利用的H2顯得尤為重要。實(shí)驗(yàn)選擇進(jìn)水p-NCB濃度為2mg·L-1，H2分壓分別設(shè)置為0.04、0.05、0.06、0.07MPa，考察在不同 H2分壓下反應(yīng)器中p-NCB的去除情況，結(jié)果見圖3。

圖3 氫氣壓力對p-NCB去除的影響

由圖3可見，隨H2分壓的升高，出水中p-NCB的濃度逐漸降低，p-NCB去除率由94.2%升至98%。結(jié)果表明提高H2分壓對p-NCB的去除有促進(jìn)作用，增加氫氣壓力對p-NCB的還原有正面效應(yīng)，原因可能是相對增加了生物膜的活性層厚度。p-NCB的去除率雖有升高，但升幅較小，說明過多地升高氫氣壓力，并不能使去除率呈線性增加。氫氣壓力對去除效果的促進(jìn)作用，隨H2分壓的增加逐漸變小，并不能帶來p-NCB去除量的線性增長，過高的H2分壓可能會(huì)造成浪費(fèi)。根據(jù)本實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在保障去除率和經(jīng)濟(jì)成本要求的前提下，控制氫氣壓力為0.04 MPa。

4.3 硝酸鹽的影響

硝酸鹽是地下水中含有的常規(guī)氧化性污染物。在厭氧條件下，硝酸鹽進(jìn)行反硝化反應(yīng)時(shí)，會(huì)被微生物作為電子受體消耗H2，從而對p-NCB的還原產(chǎn)生電子供體的競爭。有研究表明，反硝化還原過程中產(chǎn)生的中間產(chǎn)物如NO2-、N2O等，對氯代有機(jī)物的還原脫氯作用有抑制效應(yīng)。由于硝酸鹽是p-NCB生物還原降解的潛在抑制因子，因此，有必要進(jìn)一步考察硝酸鹽對p-NCB還原的影響。選擇氫分壓為0.04 MPa，進(jìn)水p-NCB濃度為2 mg·L-1，硝酸鹽濃度分別為 0.5、5、10、20、50mg·L-1，考察硝酸鹽對p-NCB還原的影響，結(jié)果見圖4。

圖4 硝酸鹽濃度對p-NCB還原的影響

由圖4可知，進(jìn)水硝酸鹽濃度的改變，對p-NCB的生物還原效果有較明顯的影響。隨著硝酸鹽的濃度升高，p-NCB的出水濃度升高，去除率逐漸降低，p-NCB的去除效果變差。進(jìn)水硝酸鹽濃度為0.5mg·L-1時(shí)，p-NCB的去除率最高，達(dá)到73.1%以上；進(jìn)水硝酸鹽濃度升高至50 mg·L-1時(shí)，p-NCB的去除率最低，為55.6%；硝酸鹽濃度高于5 mg·L-1后，對p-NCB的還原產(chǎn)生了明顯的抑制效應(yīng)，表明硝酸鹽的濃度升高對p-NCB的去除有明顯的抑制效應(yīng)。Nelson等人[8-9]研究發(fā)現(xiàn)，硝酸鹽濃度高于4.4 mg·L-1時(shí)，對四氯乙烯的還原脫氯作用有明顯的抑制，這可能是因?yàn)橄跛猁}的中間還原產(chǎn)物NO2-和N2O，會(huì)對p-NCB還原菌產(chǎn)生毒害作用，反硝化過程中產(chǎn)生的中間產(chǎn)物積累，對還原脫氯微生物有毒性作用，進(jìn)而抑制其降解。同時(shí)，硝酸鹽作為第一電子受體，反硝化細(xì)菌會(huì)優(yōu)先將氫氣作為電子供體，還原p-NCB，氫氣的供應(yīng)量不變時(shí)，p-NCB的生物還原會(huì)受到NO3-還原過程中電子供體的競爭性抑制。進(jìn)水硝酸鹽的濃度增加，即反應(yīng)器中電子受體的總量增加，需要消耗更多的電子供體，在電子供體總量受到限制的條件下，硝酸鹽比p-NCB更具有電子競爭優(yōu)勢，導(dǎo)致氫氣的可利用率降低，從而限制了p-NCB的生物降解。

5 結(jié)論

1）MBfR生物膜中的氫基質(zhì)自養(yǎng)微生物，能夠以氫氣為電子供體，有效還原降解水中的p-NCB，通過微生物的逐步還原轉(zhuǎn)化，使p-NCB降解或降低毒性。反應(yīng)過程中，p-NCB的去除率最高達(dá)94.2%。MBfR可提高p-NCB的可生化降解性，對p-NCB有較大的去除潛力。

2）增加進(jìn)水的p-NCB濃度，并未明顯影響其去除率，各濃度條件下的p-NCB去除率均在89%以上。隨著進(jìn)水p-NCB的濃度增大，MBfR氫自養(yǎng)菌對p-NCB的生物還原作用仍有提高，p-NCB的去除率也隨之增加。本實(shí)驗(yàn)中，適宜的p-NCB進(jìn)水濃度為 2mg·L-1。

3）氫氣壓力對p-NCB的還原有正面效應(yīng)，但過多地升高氫氣壓力，并不能使去除率呈線性增加，過高的H2分壓可能會(huì)造成浪費(fèi)。為了滿足反應(yīng)器的去除性能和經(jīng)濟(jì)成本要求，本實(shí)驗(yàn)中，p-NCB還原最適宜的氫氣分壓為0.04MPa。

4）水中共存的硝酸鹽對p-NCB的生物還原有抑制作用，硝酸鹽會(huì)消耗更多的氫氣，會(huì)對p-NCB還原產(chǎn)生電子供體的競爭性抑制。此外，反硝化-還原的毒性中間產(chǎn)物對還原脫氯微生物有毒性，因此在實(shí)際的地下水處理工藝中，必須考慮硝酸鹽的因素。