（化学工程专业论文）固定化—共代谢技术处理五氯苯酚研究.pdf

中文摘要 五氯苯酚( p c p ) 作为一种持久性有机污染物，对人类和环境具有很大的危 害，对p c p 生态毒性及生物降解的研究一直是国际关注热点。本文提出用固定 化一共代谢方法来处理含p c p 的废水，对p c p 的生态毒性和固定化一共代谢生 物降解过程机理进行了系统的研究。 以原生动物为靶生物对p c p 的生态毒性进行了综合评价，确定了p c p 对原 生动物群落1 2 h 急性中毒的最大无致死和最小全致死浓度范围，并得出半数致 死效应浓度( l c 5 0 ) 为2 4 嘶g l 。 对活性污泥废水的土著混合菌进行驯化、分离，得到四株降解p c p 的优势 菌：如三r c d t - a 、n e r c d t b 、n e r c d t - c 和n e r c d t - d ，根据1 6 s r d n a 测序 结果，确定该四株菌分属于e b s i e u a 锄g e n a 、u n c u l t i 】r e db a c t e r i l l n l 、b a c t e r i u m s v 2 6 i i 和p s e u d o l l l o n 筋m i g u l a e 菌属。 通过正交实验及各菌株的生长曲线的研究，以p c p 的降解效果为目标，确 定了固定化微生物降解p c p 的最优操作条件为：选用p 、，a + 海藻酸钠为包埋材 料，包埋1 0 0 n 儿吸光度在0 8 5 衄o 9 0 衄范围内的菌液，p h 值为8 o 。 通过间歇实验，系统地研究了游离菌种、固定化单株菌和固定化混合菌对 废水中p c p 的去除效果。实验结果表明：固定化微生物降解p c p 优于游离菌种， 固定方法可以使p c p 的去除率提高3 5 。 通过固定化一共代谢降解实验研究表明，不同的共代谢基质对p c p 的降解 速率有着不同影响：葡萄糖和丁二酸对p c p 降解起促进作用；苯酚对p c p 降解 的影响程度与浓度有关，1 0 m g l 浓度的苯酚对p c p 的降解起到促进作用，而 5 m g l 和5 0 m g l 浓度的苯酚却抑制了p cp 的降解；丙三醇对p c p 降解有明显 抑制作用。 通过固定化单株茵和固定化一共代谢降解p c p 的实验数据拟合与理论研 究，提出了单底物、双底物降解动力学模型，并定量化地描述了固定化菌体在 单底物和双底物生物降解系统中的降解动力学行为，模型结果与实验数据吻合 良好。 关键词：五氯苯酚，固定化，共代谢，污水处理 a bs t r a c t p e n t a c h l o l i o p h e n 0 1 ( p c p ) i so n eo fp e r s i s t e n to r g a l l i cp o l l u t a n t s i ti s e x i s t e d b r o a d l yi nt l l ew a t e r s t h er e s e 盯c ho ft o x j c i t ) ，a n db i o d e g r a ( k l t i o no fp c pi sf o c u s e d b yi n t e m 撕o n a lc h e n l i c a lf i e l d t h ei 衄0 b i l 娩a t i o n c o m e 仨出o l i s mm e t l l o di sl l s e dt o r e m o v ep c pw h i c hi se x i s t e di n 也ew 髂姗a t e r n et o x i c 时o fp c pm dt h e m e c h a n i s n l so fi 姗o b i 比a t i o n c o m e 曲o l i s mh a v eb e e ni n v e s t i g a t e d t h et o x i c i 哆o fp e n t a c l l l o r o p h e n o l ( p c p ) 、i 也p r o t o z o a nc o m m u n i 够邪t a 喀e t o 唱a n i s mw 雒s t u d i e d i n 也e12 h - c m e 绯i c i 够t e s t i n g ，t 1 1 em a x i m a lt o l e r a n c ea n d m i n i m a la 1 1l e t h a lw e r et i g 绷e d ，t h eh a l fl e t h a lc o n c e n 地撕o nw a s2 4 0m g l 曲n l i x e d c i l l t u r ef ；d l l rs 仃a i n s 也a tc o u l dl i v ei n 也eh i 曲c o n c e n t i 嘶o no fp c p h a v eb e e ni s o l a t e db ye n r i c h i n g ，s c r e e n i n g 觚dc l l l t u d n g 丘d ma c t i v a t e ds l u d g e t h e y a r ec a l l e dn e r c d t - a ，n e r c d t - b ，n e r c d t c ，n e r c d t - d t h ef o u rs 仃a i n sa r e i d e n t i f i e db y16 s r d n aa s e b s i e l l at c r r i g e n a ，u n c u l t u 】? e db a c t 舐u m ，b a c t e r i u m s v 2 6 髓dp s e u d o m o n 髂m i g u l a e ，r e s p e c t i v e l y 1 h e 丘t t e s tv e g e t a lc o n d i t i o 璐a n d 0 p t i m i z e db i o d e g r a d a t i o nc o n d i t i o nh a v eb e e nd e 删n e db yo 吡o g o n a le x p e f i m e n t s a n dt h eb a c t e r i ag r o w t hc u n ，e s t h ep v ai n i x e da l g i nh a sb e e nc h o s e na s 锄b e d d i n g m a t i 喇a la n dlo m lb a c t e r i aw 觞e m b e d d e dw h i c ha b s o r b e n c yi sv e d 丘d mo 8 5 砌 t 00 9 0 n m t h ev a l u eo f p hi s8 0 t h ee x p e r i m e n t sh a 咒b e c nu s e di nd e t a i lt 0c o l p a r et h ee 腧c to fp c pi i 锄o v a lb y b a c t e r i ai ns 0 1 u t i o n ，t h ei m m o b i l 沱e ds i n g i eb a c t e r i aa n dt 1 1 ei m m o b i l i z e dm i x e d b a c t e d a r e s u l t ss h o wt 1 1 a tt h ev e l 0 c 毋o fd e 伊a d a t i o nu s e db y 血吼o b i i eb a c t e i i a m e m o di sf a s t e rm a nt h a tl l s e db yb a c t e r i ai ns o l u t i o n t h er e m o v a lr a t eo fp c pi s i n c r e a s e db y3 5 f o u tc o m e t a b o l i s ms u b s t r 。a t e sh a v eb e e nu s e dt 0c o m p a r et h ee f 绝c to fd i f f e r e n t 伊o w t hs u b s 的t e s ，w h i c hi n c l u d eg l u c o s e ，b 奶r r i ca c i d ，g l y c e r o l 龃dp h e n 0 1 r e s u i t s s h o wt 1 1 a t 也eg l u c o s ea n db u t 蜘ca c i dc a np r o m o t e 也ed e 伊a d a t i o nr a t eo fp c p ，缸d t l l eg i y c e r o lw i l lr e s 仃a i ni t t h ee 能c to fp h e n o li sr e l a t e d b yt h ei n i t i a lc o n c e n 仃a t i o n o fp h e n 0 1 w h e nt h ec o n c 仃a t i o no fp h e n o l i sl 嘶g l ，也ee x i s t i n go fp h e n o lc a n p r o m o t et 1 1 ed e g r a d a t i 伽r 砷eo fp c pb yu s i n gi 蚴o b i l i z a t i o n - c o m e t a b 0 1 i s m w h e n 也ec o n c e n 仃a t i o no fp h e n o li s5 m g l 柚d5 0 m g l ，t h er e s 仃a i ne 脏c ti s 0 b 讥o l l s l y o b s e t v e d b 私e d0 n 也ee x p e r j 血e n t a i 蛐锄dt h e o r e t i c a lr e s e 锄ho fi n i l o b i l i z a t i o n c o m e t a b o l i s m ，s i n g l e s u b s 仃a t ea n dt w os u b s 订a t e sm o d e la r e p r e s e n t e d t o q u 踟1 t i f i c a t i o n a u yd e s c r i b e 也ep r o c e s so fp c p d e g r a d a t i o n t h er e s u l to fs i m l a t i o ni s i ng o o da 乒e e m e m 谢t h 也ee x p 耐m e n td a t a k e yw o r d s ：p e n t a c h l o r o p h e n o l ( p c p ) ，i l l l 】m o b i i eb a c t e r i a ，c o m e t a b o l i cd e g r a d a t i o n ， w a s t e w a t e r 由r e a 衄l e n tp l a n t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁注盘鲎或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：孑备簪卅 签字日期： 二。7 年月2 占f 1 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁注盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：7 硌扣卅 签字日期：z 97 年f 月二多日 新躲喜幻佾 签字日期：加7 年f 月2 品 前言 - i - _ j - - 刖昌 近几十年来，由于汽车、橡胶、染料、合成洗涤剂等工业的迅猛发展，大 量的有毒化合物也通过各种渠道被释放到环境当中。这其中的大部分是有机污 染物，这些化合物滞留在环境中，并通过食物链等方式给人类健康造成危害。 五氯苯酚q e f u k 坨h l o r o p h e n o l ，p c p ) 在2 0 世纪3 0 年代首先是作为木材防腐剂 应用的，随后它的用途逐渐扩展，p c p 和它的钠盐( s o d i 呦p e n t a c h l o r o p h e n o l ， n a p c p ) 及其衍生物( s o d i 叩衄t a c h l o r o p h o l l au m t e ，p c p l ) 与其它氯代酚一 起，被广泛用做杀菌剂、除草剂、除海藻剂以及杀虫剂等。p c p 比较稳定，在动 植物体内的富集率高，能抑制生物代谢过程中的氧化磷酸化作用，可导致动物 肺、肝、肾脏以及神经系统的损伤。p c p 除了作为木材防腐剂、农药等被主动投 入到环境中外，也可直接通过工业排放进入到水环境中，还可以通过饮用水和 纸浆漂白废水中天然或合成化合物的氯代反应间接合成以及苯氧烷酸和h c b 等 农药的降解生成而污染环境。五氯酚的广泛使用已经造成世界范围内的土壤污 染和地下水问题【l 】。1 9 8 8 年全世界五氯酚的生产量就有5 万吨，其中的8 0 用于 木材的保护和防腐【z j 。尽管p c p 能够在自然光下降解，但是大部分的p c p 还是存 在于城市固体废弃物、污染的垃圾沥出液以及沉积物中。在美国，大约有4 7 0 个 木材厂，大多数都存在p c p 的污染问题。p c p 的生物降解速度很慢，因此曾经大 量使用过的p c p 造成了使用区域及周边地区的空气、地表水、地下水和土壤的污 梨3 1 。所以在p c p 禁用多年后的今天，仍然可在饮用水中检测到p c p 。p c p 在氯 代酚中毒性最大，在极低的浓度( 0 1 g l ) 下也能导致生态系统的恶化【4 】，因此 e p a ( e n v i r o 蛳e n t a lp r o t e c t i o na g e n c y ) 规定饮用水中p c p 的含量不能超过 0 2 2 g l 。由于p c p 具有广谱毒性和诱突变性，并能在生物体内积累，被包括我 国在内的许多国家列入环境优先监测污染物黑名单之中。因而，对p c p 在的生态 毒性和生物降解的研究一直是国际关注的热点。 生物降解技术是一种高效、清洁的技术，其中生物共代谢降解五氯苯酚是 对传统污水处理工艺的改进和创新，从而实现了对难降解有机物的有效降解， 但是五氯苯酚的降解过程是渐次脱氯的矿化过程，共代谢降解法存在降解不彻 底的不足；高效菌种和细胞固定化是利用新兴的生物技术手段，通过培养优势 菌群、改良菌种周围的微环境实现对难降解有机物的有效降解。高效菌种对五 氯苯酚的降解具有专一性，但是实际废水处理过程中，很难确定污水中其他污 染物对优势菌种的影响程度，另外对细菌的培养和降解过程条件控制严格，就 前言 目前实际情况很难得到工业化应用；对细菌固定化后优势菌种的微环境发生变 化，使得优势菌对污水的耐冲击性大大增强，同时固定化技术易于掌握和推广， 是一种适合向工业化推广的高效地处理持久性有机污染物五氯苯酚的方法。 本文第一章对p c p 的毒性机理、p c p 处理技术进展，及生物降解研究现状 进行了简要综述，并在此基础上提出了本文的主要研究内容；第二章对p c p 的 生态毒性进行了评价；第三章培养和筛选出了几株对p c p 具有较强耐受能力菌 株，并对优势菌株进行了分子生物学鉴定；第四章采用实验方法确定了优势菌 株降解p c p 的适宜降解条件，并分析了p c p 代谢途径；第五章分别比较了游离 菌株、固定化单一菌株和固定化混合菌株对p c p 的降解效果，同时建立相应的 降解动力学模型进行分析；第六章采用固定化一共代谢的方法研究了p c p 的去 除效果，并建立相应的双底物降解动力学模型，对p c p 降解过程进行模拟。 2 第一章文献综述 1 1p c p 简介 1 1 1p c p 的理化常数 第一章文献综述弟一早义陬练殓 五氯苯酚( p e n t a c m 0 r o p h e n o l ，简称p c p ) ，化学式为c 6 c 1 5 0 h ，是一种白色、 结晶状的酚类化合物，一般农药用的p c p 通常含有2 ，4 一二氯酚，2 ，3 ，4 三氯酚， 2 ，3 ，5 ，6 一四氯酚等杂质，颜色呈灰暗色到棕色，以薄片或者粉粒的形式存在。气 味与苯相似，当受热时有辛辣味，沸点为3 0 9 3 1 0 ，比重为1 9 7 8 ，蒸汽压为 0 0 0 0 1 1n 1 埘g ( 2 5 ) ，蒸汽密度为9 2 ( 空气= l ，2 0 ) ，水中溶解度为1 4 m g l ( 2 0 ) ，是一类有毒有害的难降解有机物，动物半数致死量为1 4 6m g l 【g ( 大 鼠、吞食) ，人体疑似致癌，动物确定致癌【5 6 】。常用的溶剂有甲醇、乙醚、二氯 甲烷、正己烷、稀碱、热的苯液。p c p 在水中的溶解度受溶液中p h 变化的影响 很大。p h 升高，溶解度增大。因为p c p 是一种在水中可解离的、弱酸性有机化 合物，在水中可解离为离子态p c p 。随p h 升高，离子态p c p 浓度增大，使p c p 在 水中总溶解度增大【7 】。 1 1 2p c p 的污染状况 p c p 是一种氯代芳香族化合物，发现于1 8 4 1 年，到1 9 3 1 年才开始投入工业生 产，主要用作防腐剂。随后用途逐渐扩展，与其它氯代酚一起广泛用作杀菌剂、 除草剂、除海藻剂以及杀虫剂等。作为一种重要的防腐剂，常被用于羊毛的储 存、棉纱浆料、裘皮制作、皮革防腐等；作为有效的杀菌剂，被长期应用于造 纸业，用来杀除纸黄斑菌；作为杀虫剂，上世纪在全世界范围被广泛应用【5 引。 1 9 8 5 年，全世界p c p 的产量达到1 0 万吨，当时我国p c p 及其钠盐的年产量接近1 万吨，相当于全世界总产量的1 0 【9 1 。 上世纪8 0 年代，我国的湖北、湖南、四川等十多个省市长期流行日本血吸 虫病，有关部门用五氯酚钠( n a p c p ) 来消灭血吸虫中间的宿主钉螺，并且取得了 明显效果。以后，在血吸虫病流行的区域n a p c p 灭虫的方法被广泛使用。但在9 0 年代后，使用过n a p c p 的地区，陆续出现了塘鱼死亡、人畜中毒等现象，从该地 区生产的肉、蛋、奶、蔬菜、水果中均检测出n a p c p 的残留 1 们。目前我国血吸 虫疫区己经停止施用五氯苯酚钠，但以往施用的五氯酚钠对环境的影响还会持 续很长的时间。张兵，郑明辉【1 1 】2 0 0 1 年对洞庭湖水和底泥中的p c p 含量进行测定 第一章文献综述 后发现，有的断面水和底泥中p c p 的含量竞高达1 0 3 7 g l 和4 8 3 开污泥。 王宏【l2 】等对海河流域几种典型优先控制有机污染物的环境安全性分析时发现， p c p 的环境实测浓度值已经是无影响浓度值的8 0 4 倍。 p c p 除了作为木材防腐剂、杀虫剂【9 】等进入到环境中外，还直接通过工业 排放进入到水环境中，例如：漂白纸浆的废水在工业排放过程中，一些天然或 合成化合物能够发生氯代反应从而间接合成p c p ，造成水体污染。p c p 的钠盐在 水中的溶解度很大，是一种毒性很强的外来化合物，p c p 对水生生物的半致死浓 度( l c 5 0 ) 一般为o 1 2 0 7 7 m g 肚1 4 】。其毒性还在于只有极少数的微生物能降解它， 且水平都不是太高。p c p 难降解性造成了土壤水体等环境介质的严重污染，威胁 人类生存的环境【l 5 1 。 世界上其它地方p c p 的污染现状也不容乐观，1 9 9 4 年n o n l p s o n 报道了加拿 大的s a s k a t c h e w a n 地区，在非职业暴露人群中，尿中所含有的p c p 的浓度平均达 到1 6 p g l ，最低含量也超过了o 2 斗g l 【1 6 1 。c e s s n a 等人【17 1 调查了加拿大另外三个 地区空气中p c p 的含量后发现：其中有两个地区空气中p c p 的平均含量为 0 3 n 岔，在另外一个地区p c p 的平均含量为1 5 3 n g m 3 。 p c p 的广泛使用已经造成世界范围内的土壤和地下水污染，中国环境检测 总站和美国e p a 均将其列为优先控制污染物。 1 1 3p c p 的毒性机理m 1 町 p c p 的危险标记为1 5 ，具有强大的解偶联作用( 人和动物机体正常代谢时， 物质氧化和磷酸化同时进行保持能量平衡，称为偶联) ，能引起氧化磷酸化过 程失调，影响机体的能量代谢和三磷酸循环，造成一系列毒性反应 2 0 】。 a d p + h 3 p 0 4 = = = a t p 磷酸化 上 、 l 偶 联 j 自由能 ( 供生理、生化过程需要，保持能量平衡) 图1 1 氧化和磷酸化过程 f 培1 - 1t h ep r o c e s so f o x i d 撕如锄dp h o s p h 晒ca c i d 图1 1 所示的就是物质进行氧化和磷酸化的过程，物质氧化所释放出的能 4 第一章文献综述 量使二磷酸腺苷( a d p ) 磷酸化形成三磷酸腺甘( a t p ) 。a r r p 储存能量后又释放自 由能供给机体生理生化过程需要，转化为a d p ，a d p 刺激物质氧化产生能量， 被磷酸化为a t p 。氧化磷酸化总是偶联进行，保持机体能量平衡。 p c p 在人畜体内对磷酸化有强烈的抑制作用，使a d p 不能磷酸化形成6 册。 由于a d p 浓度增加，导致呼吸链氧化作用增强，而氧化产生的大量能量又不能 通过磷酸化作用进行贮存，只能以热的形式散发，于是引起人畜大汗淋漓、血 管扩张、呼吸加快、脸红发热等急性中毒症状。严重时能引起淤血、出血、心 脏衰竭而死亡。 1 1 4p c p 对人类和环境的影响 五氯苯酚( p c p ) 是一种中等毒性的物质，易在环境和人体内积累，对人体疑 似致癌，动物半数致死量为1 4 6m g k g ( 大鼠、吞食) 。吸入或经皮肤吸收可引起 头痛、疲倦、眼睛和粘膜的刺激症状，严重者体温高达4 0 度以上，大汗淋漓、 呼吸增快、口渴、心跳加速、烦躁不安、肌肉强直性痉挛、血压下降、昏迷、 直到致死【2 1 2 2 1 。 急性毒性的半数致死浓度( l d 5 0 ) 为：大鼠经口l d 5 0 ，5 0 m 眺g ；大鼠经皮 u ) 5 0 ，1 0 5 m g 蚝；大鼠经口( 1 橄榄油液) l d 5 0 ，7 8 m 蚝；兔经口( 5 橄榄油液) l d 5 0 ，7 0 m g l 【g ；人经口最低致死剂量为2 9 m g k g 。 通常条件下p c p 不被氧化，也难于水解，但容易光解。在土壤悬浮溶液中， 五氯酚在4 7 天内1 0 0 地发生了环的分裂，放出二氧化碳。p c p 容易蓄积，它在 生物中富集浓度远远超过它在水中的浓度。在高有机质含量的酸性土壤或沉积 物上具有很高的吸附性。p c p 可以迁移和转化，它能通过生物富集而进入食物链， 能强烈地吸附在土壤中，同时被植物吸收。在微宇宙和现场实验中发现，p c p 除了对土壤生物有直接毒害作用外，它还可以间接地影响土壤的p h 值和有机土 层中水的含量，从而改变土壤的生态环境，影响生物的正常生活规律【2 3 】。 目前，对p c p 的生态毒性测试已有相关报道。z h e n g 等【2 4 】研究了p c p 对一种 胚芽( b r a c h y d a 血or c r i oe m b r y o s ) 的毒性影响，并根据胚芽在p c p 下暴露时间的 不同，得到最小生物半数致死浓度( t l l eh a i fl e t h a lc o n c e n 订a t i o no fa c u t e t o x i c 时，l c 5 0 ) 为7 0 8 “g l ，最大l c 5 0 为o 8 3 m g l 。刘希涛等【2 5 】公布了p c p 对发光 菌的半数效应浓度( t 1 1 eh a l fe 行e c t sc o n c e n 仃嘶o no fa c m et 0 ) c i c i 母，e c 5 0 ) 为 2 0 4 m g l 。i o u n e s 等【2 6 】进行了p c p 对水生生物呆鲦鱼的急性毒性研究，得到9 6 小时的l c 5 0 为0 8 7 m g l 。陆光华等【2 7 】实验中测定了4 8 小时p c p 对绿藻的急性中毒 性能，得出e c 5 0 为1 4 1 2 5 m g l 。堵锡华【2 8 】还利用结构信息连接性指数对p c p 的生 第一章文献综述 态毒性进行了预测。 然而，在众多的p c p 生态毒性研究中，急性毒性试验的试验材料和指示生物 一般选择为鱼类、蚤、藻类等水生生物，以原生动物为靶生物讨论p c p 生态毒性 的研究还未见报道。研究p c p 对原生动物的急性毒性具有不可忽视的作用，一方 面，原生动物结构简单、个体小、生命周期短、相对表面积大、对周围介质化 学作用的体表保护性不完善，对环境变化敏感，对污染反应迅速，在环境风险 评估和生态毒性评价中起着重要的作用【2 9 】；另一方面，在污水处理过程中，原 生动物扮演着重要的角色。如：m a h o d r 等【3 0 】发现用累枝虫处理污水可降低7 0 的氨态氮，鞭毛虫和纤毛虫能分泌生长因子刺激细菌生长，使细菌保持在对数 生长期，促进污泥中细菌的活力，增强活性污泥的活性，对有机污染物的降解 有促进作用。因此，对p c p 进行合理的生态毒性评价有着重要的意义。 1 2p c p 处理技术研究进展 1 2 1f e n t o n 试剂氧化法3 1 。3 2 1 f e n t o n 试剂氧化法是近年来广泛采用的高级氧化技术，它的机理是f e 2 十和 h 2 0 2 的链反应催化生成氧化性很强的活性羟基o h 自由基： f e 2 + + h 2 0 2 + f e 3 + + o h + o h 。 f e j 十+ h 2 0 2 f e z + + h 0 2 + h + f e 2 + + o h 哼f e 3 + + o h f e 3 + + h 0 2 f e 2 + + 0 2 + 旷 另外活性羟基o h 自由基具有很高的电负性和亲电性，具有很强的加成反应 能力，因而f e n t o n 试剂可以氧化水中大多数的有机物，尤其适合对五氯苯酚这样 的典型难降解有机物进行氧化降解。 f e n t o n 试剂氧化法的优点是氧化速率高，反应速度快，但是由于h 2 0 2 存在于 大量的f e 2 + 中，它的利用率不高，同时反应可能产生的中间产物f e ( o h ) 3 阻碍 了羟基自由基的形成，因而单纯的应用f e n t o n 试剂处理废水，成本太高而效果也 并不理想。应运而生的是电_ f e n t o n 试剂氧化法和光f e n t o n 试剂氧化法。电 f e n t o n 法是利用电解产生h 2 0 2 或f e 2 + 或者同时产生这两种物质， 使之构成 f e n t o n 试剂对有机物进行氧化分解处理的方法。光，f e n t o n 试剂法是在f e n t o n 法反 应的基础上发展的一种新型氧化技术，其基本原理类似于f e n t o n 反应，即在处理 有机污染物的过程中起主要作用的仍然是o h 自由基。但不同的是反应体系在可 见光或紫外光下f e 3 + 与水中的o h 复合离子可以直接产生o h 自由基并产生f e 2 + 6 第一章文献综述 ，f e 2 + 可与h 2 0 2 进一步反应生成o h 自由基，从而降低f e 2 + 的用量，保持h 2 0 2 具有较高的利用率，提高了处理效率并加速水中有机污染物的降解速度。 1 2 2 超声波诱导 超声对有毒有机污染物的降解，是一种清洁、高效、无二次污染的新型处 理方法。超声降解有机物的原理是利用超声空化，空化是自由基特别是羟基自 由基产生的根源，羟基自由基是一种可以氧化难降解有机物p c p 的强烈而非特殊 氧化物。声空化是液体中的一种极其复杂的物理化学现象，液体中的微小泡核 在超声波作用下被激化，表现为泡核的振荡、生长、收缩最终高速崩溃，崩溃 会产生短促的极大的高温、高压、高强电场。进入空化泡中的水蒸汽在高温和 高压下发生分裂，产生羟基自由基( h o ) ，o ，h o o 等强氧化性物质，同时空化 泡崩溃产生的冲击波和射流，使它们逃逸到气液界面和整个溶液中并与有机污 染物发生氧化反应。 沈壮志掣3 0 】用五氯苯酚模拟废水在低频和高频以及高低频相向组合上做了 深入的研究，得到了高频超声波较低频超声波更容易发生空化，得到更多的羟 基自由基，因而高频超声波降解效率优于低频。他们还进一步发现，如果将它 们相向组合后形成的复频超声波降解效果更佳。p e 仃i e r 等【3 5 】以两个理由解释了这 一现象：一是在双频超声作用下各自产生空化过程，当各自空化泡内爆时，会 产生许多新的空化核，这些空化核不仅维持了该频率的自身再空化，同时也会 为另一频率的空化提供了更多的空化核。二是空泡的自然共振频率与超声波频 率相等时才产生空化，双频辐射不仅各自产生倍频、分频成分，而且还会由于 组合而产生“和频波”和“差频波”成分。这些频率成分都有可能使空化泡共振频率 与它们的频率相等而产生空化，从而导致羟基自由基的浓度大幅度提高。最近 也有人提出将f e n t o n 试剂氧化法和复频超声诱导法相结合降解五氯苯酚能得到 更为满意的降解效果【3 o j 。 1 2 3 光催化氧化法4 l 般1 光催化氧化法是一种高效、节能、广谱、安全的方法，它几乎可与任何有 机污染物反应，并将其彻底氧化成无污染的二氧化碳、水或者矿物盐，所以用 光催化的方法降解p o p s 能表现出更好的特性，同时它对保护环境、维持生态平 衡、实现可持续发展有着重要意义。 光催化氧化技术就是利用光照某些具有能带结构的半导体光催化剂( 如： t i 0 2 、z n o 、c d s 、w 0 3 等) 诱发对用其他方法极难降解的有机物起作用的强氧 7 第一章文献综述 化自由基o h ，因而在废水处理过程中有实现或潜在的应用价值。光催化降解有 机物的机理可以用电子一空穴理论来解释。具有能带结构的半导体粒子一般由 一个充满电子的低能价带( v b ) 和一个空的高能导带( c b ) ，价带和导带之间 由禁带区分。当用能量等于或高于禁带宽度的光照射半导体时，价带上的电子 被激发跃迁到导带，在价带上产生光生空穴，并在电场作用下分离并迁移到粒 子表面。光生空穴具有极强的得电子能力，可以争夺到粒子表面有机物的电子， 使原本不吸收光的物质被活化氧化，具有很强的氧化能力，因此可以将其表面 吸附的h 2 0 和o h 氧化成羟基自由基o h 。而羟基自由基可以无选择地氧化有机 物，尤其是难降解的有机物。 但也有文献报道【4 3 】光催化技术中光生电子和空穴复合率高、反应效率低、 光催化剂容易凝聚等缺点，因此也有人提出把光催化与其他有机物降解方法结 合起来，比如声光催化、光电催化、生物光催化等技术。值得肯定的是，光催 化氧化与其他降解技术的联用将会极大地促进光催化氧化技术在降解难降解有 机物方面的应用【“柳】。 1 2 4 生物共代谢法 共代谢是微生物为了适应复杂的生存环境而长期进化形成的一种特性。在 共代谢过程中，微生物利用一种基质的同时还能够分解另外一种基质。微生物 利用一种易于摄取的基质作为碳和能量的来源，称为第一基质，同时共代谢基 质或者称为第二基质被微生物分解。第二基质的共代谢产物通常不能直接作为 营养被转化为细胞质。第二基质的共代谢是需能反应，能量来自第一营养基质 的产能代谢【4 引。共代谢存在于各种各样的微生物中，包括好氧微生物、厌氧微 生物和自养微生物。第一基质包括多种多样的化合物，例如简单的脂肪烃类、 芳香烃类、多糖、蛋白质以及无机物，第二基质一般为预备降解的有机物。在 微生物共代谢反应中产生的既能代谢转化生长基质又能代谢转化目标污染物的 非专一性的酶是微生物共代谢反应发生的关键，这种非专一性的酶被称为关键 酶。共代谢的作用机理实际上是非专一性关键酶的产生和作用的机理。有研究 认为，由于生长底物和非生长底物常常由共同的非专一性酶所催化，因此底物 之间时常发生竞争性抑制现象，降低了共代谢转化效率【4 9 1 。但也有报道表明， 非生长底物也可以诱导产生共代谢降解酶，而生长底物仅提供细胞生长以及再 生所必需的共基质，如还原性辅酶i ( n a d h ) 或原性辅酶( n a d p m 【5 0 】。如果生长 底物和非生长底物是被不同的酶所催化降解，那么污染物共代谢降解过程中出 现的竞争性抑制现象就可能被解决。因此，优选一种合适的生长底物作为微生 第一章文献综述 物共代谢降解p c p 的碳源和能源，对提高共代谢降解效率有着重要的意义。 目前有关降解菌在污染土壤和水体中的实际应用，尤其多个微生物种类、 多种代谢基质并存时这样复杂的环境体系中，其它底物特别是易代谢碳源对p c p 降解的影响，研究得不多。刘和、沈超峰【5 l 】研究比较了多食鞘氨醇杆菌 ( s p 址n g o b a 曲嘶u 瑚彻l l t i v o m m ) 分别以苯酚和葡萄糖为生长底物时对p c p 的共代 谢降解，结果表明，苯酚对细菌的生长有一定的抑制作用；葡萄糖支持细菌共 代谢降解p c p ，葡萄糖和非生长底物p c p 之间不存在底物竞争抑制现象，p c p 的 降解酶是由p c p 自身所诱导的。李萍、刘俊新【5 2 】也以苯酚、葡萄糖作为五氯酚 口c p ) 的共代谢基质，考察了其在加速活性污泥驯化进程方面的作用，结果表明： 葡萄糖可以增强活性污泥中微生物对p c p 的适应能力，能加快驯化进程并提高对 p c p 的降解速率；苯酚的毒性可与p c p 的毒性相互叠加，从而延滞了活性污泥的 驯化进程。徐向阳、屠吲弱j 用厌氧反应器的颗粒污泥降解有机废水中的五氯酚 ( p c p ) 发现：外加碳源特别是丁酸、葡萄糖对p c p 厌氧降解有明显强化作用。 这种生物共代谢的方法已经在工业上有所应用，一些工业含p c p 废水由于缺 乏易降解的诱导基质，有机物的生物降解难以进行，通过用补充碳源的方式促 进共代谢的发生，提高p c p 的降解性。例如：p u h a k k a 等【5 4 】利用共代谢原理，在 厌氧反应器中添加初级基质来处理含氯酚的废水。 进入水环境中的p c p 通常与其它多种易降解和难降解有机物同时存在，它们 之间相互作用的复杂关系，并且直接影响到彼此的生物降解性能【5 5 6 3 1 。从微生 物的角度来考虑，在面临复杂底物的情况下，不同微生物的表现相差很大。有 的微生物首先会利用易降解化合物而停止对难降解有机物的利用；有的微生物 会同时利用两者，并且从降解易降解化合物的过程中获得额外能量从而加速难 降解有机物的降解。总之，这是一个与微生物本身特性密切相关的复杂问题， 需要进一步深入探索，只有在大量实验的基础上才能获得一些规律性的认识。 1 2 5 高效菌种法 菌种是难降解有机物生物处理技术的关键性问题，菌种的优劣直接影响着 有机物的降解效果，目前主要采用的菌种有混合菌、优势菌、经过驯化的活性 污泥等。传统的活性污泥法和生物膜法处理五氯苯酚( p c p ) 大多是利用自然的 或是经过一定驯化的微生物菌落，然而这些常规微生物已不能满足当今工业废 水中难降解有机污染物的需求。比较有效的方法是投加经过筛选的具有特殊分 解能力的菌种，称这些筛选出来的菌为高效菌。对于某一种或几种难降解有机 物，当针对它们筛选出的高效菌浓度达到一定值时，难降解有机物便不难降解 9 第一章文献综述 了。得到高效菌种主要方法有两种，其一是筛选分离出能对难降解污染物进行 降解转化的高效降解微生物；其二是利用诱变、原生质融合、基因工程等高科 技手段创造高效菌。刘文科等【叫对4 种菌根真菌 美味牛肝菌( b o l e t u se d u l i s ) 、褐 环乳牛肝菌( s u i l l l l sl u t e u s ) 、丝膜菌( c o n i n a 羽l sr u s s 髑) 和厚环粘盖乳牛肝茵 ( s u i l l u s g r e v i l l e i ) 】对五氯酚耐受性及其生理基础进行研究，经过酶测试，得出菌 根真菌对五氯苯酚的耐受性与其产酶特性和“酸化效应”有关。目前，降解除草剂、 杀虫剂等持久性有机污染物的基因工程菌已经开始被人们研究和开发利用【6 5 1 。 1 2 6 细胞固定化法 细胞固定化技术是通过物理、化学手段使游离细菌固定在载体上，它是生 物工程领域中的一项新兴技术。固定化载体对细胞起一种保护作用，固定化载 体对有机污染物的扩散会产生阻碍作用，使得细胞表面的实际污染物浓度降低， 毒性减小，同时对氧的扩散也存在一定的扩散阻力，使得在固定化颗粒内部形 成好氧区和缺氧区。细胞经固定化后，在载体与细胞之间建立了某种物理或化 学联系，增加了细胞膜的稳定性。固定化细胞所处的微环境与游离细胞不同， 这种微环境的变化可能会引起细胞的形态结构、生理特性及代谢活性的改变。 近年，国内外一些学者在对固定化技术的研究中表明，与传统的悬浮生物处 理法相比，固定化技术具有如下优点：微生物浓度大大提高，处理时间缩短， 设备体积减少；固液分离简便迅速；不能形成絮体的微生物也可加以利用； 能够有效利用一些特种微生物；受毒物侵害少。可见固定化技术是一种耐 冲击性强、处理效率高、对有毒物质承受能力和降解能力较强的一种新兴技术。 然而，一些难降解的有机物的降解是单株微生物所不能完成或者只能微弱 进行的，因此必须借助于两种或两种以上的微生物在同一环境中的相互作用来 实现。这样混合菌中的一些菌种能提供重要的降解酶，而其它菌种能提供表面 活性剂或生长因子，使它们的生理特性可以相互补充。在活性污泥中，多种微 生物存在复杂的相互作用，通过利用微生物个体间存在的协同作用，使它们相 互依存形成一个有机整体，以有效地提高其降解能力，这就是一种方兴未艾的 混合菌种共固定化技术。 m o r s e n 等【6 6 】研究了将p s e u d o m o m sp u t i d a 和c r y p t o c o c c u se l i n o v i i 混合菌固定 在活性炭上来降解苯酚。实验表明固定化混合茵能够降解苯酚浓度达到1 7 9 l ， 远快于单一菌种对酚的降解，主要依赖于两种菌的协同生物代谢作用。陈元彩 掣6 7 】也研究了混合固定化厌氧颗粒污泥和高效好氧菌液后对五氯苯酚( p c p ) 的 降解效果。结果表明，完全厌氧过程尽管能有效降解低初始浓度p c p ，但在高初 1 0 第一章文献综述 始浓度下由于厌氧微生物本身缺乏吸收、同化其代谢产物单氯酚( m c p ) 和二氯酚 ( d c p ) 的能力，而导致了有毒代谢产物的积累，阻碍了其完全降解；在共固定化 后有限供氧条件下，通过厌氧颗粒中的厌氧菌群与好氧或兼性菌的协同作用， 借助于好氧或兼性菌消除五氯苯酚厌氧过程中产生的抑制性的低氯酚等中间产 物，从而使其较完全降解。 1 3 五氯苯酚生物降解的研究现状 科学工作者对p c p 在水环境中的光解过程、生物降解过程作了大量的工作 【6 引。研究表明：p c p 的光解反应主要发生在表层水中，因为紫外光是引起p c p 降 解的有效光而紫外光在水中的穿透能力较弱，所以p c p 在水中尤其是在污水中光 降解所占的份额不是太大，生物降解过程才是决定p c p 在环境中持久性的重要因 素。p i 四a t e l l o 等人【6 9 】在密西西比河附近的一条人工水渠中研究p c p 的环境行为时 发现，从第三周起p c p 的微生物降解开始显著，几周后微生物降解取代光降解成 为p c p 降解的主要途径。目前对微生物降解p c p 的研究还主要集中于一些基本的 降解特性方面。 1 3 1 单一菌株在人工条件下的降解与生长动力学问题 在自然界中有多种可以直接降解p c p 的微生物，有的己经被分离出来。主要 有细菌和真菌这两大类。1 9 7 2 年，c h u 报道分离了一株棒状杆菌k c 3 ，经过8 4 小时，p c p 降解率达8 0 【7 0 】。有关p c p 降解菌单个菌株的分离，及其对p c p 的忍 受和降解能力的研究，直到8 0 年代才有了较大的进展。1 9 8 2 年s t a n l a k e 和f i 曲【6 8 】分 离得到恕也r o b o i t e r ( a t c c3 3 7 9 0 0 ) ，该菌对p c p 的作用浓度可以提升到1 0 0 p p m 左 右1 9 8 5 年s a b e r 和c r a w f o r d i 您j 发现并分离得到了f l a v c 姐c t e r i u m 菌株，该茵对p c p 的作用范围为1 0 0 4 0 0 p p m ，他们对其生理及应用等方面进行了深入全面的研究， 并曾获得了美国专利。1 9 9 2 年r a d e h 叭sa n ds c h 血吖7 3 j 发现了一种新的能分解浓 度高达1 6 0 p p m 的p