合成有机化合物在天然和人工水环境的生物降解

合成有机化合物在天然和人工水环境的生物降解摘要：在活性污泥废水处理系统中，合成有机化合物(syntheticorganiccompounds，简称SOCs)的去除受生物降解、吸附、挥发等因素的影响。在完全混合式反应器中，其出水浓度由降解动力学参数决定，挥发和吸附受污泥浓度的影响。因此，生物降解动力学可用来定量描述这类化合物的生物降解特性。本文综述了合成有机化合物在天然和人工水环境中的生物降解特性及各种影响因素。关键字：合成有机化合物活性污泥系统生物降解水环境BiodegrradatiionoffSynttheticcOrgaanicCCompouundsiinNatturalandEEngineeeredAquatticEnnvironnmentAbstracctInactivvatedsludggewasstewattertrreatmeentsyystemss,theeremoovaloofsynnthetiicorgganiccompoounds(SOCss)wassaffeectedbybiiodegrradatiion,aadsorpptionandvvolatiilizattion.Theirrefflluentconceentrattionsweredeterrmineddbytthekiineticcsoftheirrbioddegraddationninaacomppletellymixxedbiioreacctor.Thereefore,,bioddegraddationnkineeticscanbbeuseedtoquanttitatiivelydescrribetthebiiodegrradabiilityofthhesekkindsofcoompounnds.TThisppaperrevieewedtthebiiodegrradatiionoffSOCssinnnaturaalanddengiineereedenvvironmment.KeyworrdsSyynthetticorrganicccomppoundss,Acttivateedsluudgessystemm,Bioodegraadatioon,Aqquaticcenviironmeent.随着有机机合成工业的的发展，大量量的合成有机机化合物(synttheticcorganniccoompounnds，简称SOCs)经使用后进进入环境，这这些SOCs对生态环境境造成了很大大的影响，它它们在环境中中的行为及其其归宿正日益益引起人们的的普遍关注。对对大多数SOCs来说，生物物降解是其最最重要的降解解途径之一。生生物降解速率率对于估算这这类有机物在在环境中的转转化、归宿和和风险性起着着重要的作用用。1SOCs在活性污泥泥处理系统中中的行为分析析活性污泥泥系统是目前前国内外广泛泛采用的废水水处理的主要要工艺，其基基本流程为[[1]：图1活活性污泥法处处理废水的基基本流程其关键部分分为曝气池(或称生物反反应器)和二沉池。在生物反反应器中进行行充氧曝气，微微生物利用进进水中的有机机化合物作为为碳源和能源源进行好氧代代谢，使之部部分合成菌体体，部分被氧氧化为CO2和H2O，从而使有有机物从水相相中去除。活活性污泥则在在二沉池中进进行沉淀分离离。由于活性性污泥不断增增殖，为保证证稳定的生物物浓度，需要要排泥。通过过排泥，可以以控制污泥浓浓度和固体停停留时间(soliidrettentioontimme，简称SRT)。生物反应应器可以有不不同的构造，按按其水力特征征可分为推流流式和完全混混合式。为便便于分析和模模拟，大多数数研究者采用用完全混合式式反应器系统统进行研究。本本文主要讨论论完全混合式式活性污泥系系统(comppletellymixxedacctivattedslludge，简称CMAS)。一般来说说，废水是含含有多种有机机物的混合体体系，而活性性污泥体系是是一个敞开系系统，其中的的微生物可以以来自不同的的途径。因此此，活性污泥泥中的生物相相十分丰富，其其中以细菌为为主，而细菌菌中又包含种种属繁多的各各种菌，要精精确测定各个个种属的数目目及组成十分分困难。因此此，在工程上上，生物浓度度以质量浓度度表示，通常常表示为混合合液悬浮固体体(mixeedliqquorssuspenndedssolidss，简称MLSSS)或混合液挥挥发性悬浮固固体(mixeedliqquorvvolatiilesuuspenddedsoolids，简称MLVSSS)。活性污泥泥在CMAS体系中均匀匀分布，可以以认为对于所所有的微生物物而言，其SRT均相同。因因此，可以导导出微生物比比生长速率与与SRT(qqc)之间的关系系[2]：式中：b为为率减系数。式（1）表表明：在CMAS体系中，通通过调整SRT，可以控制制微生物的比比生长速率m。微生物的的比生长速率率m与可生物降降解的有机物物的浓度之间间的关系可以以用Monodd方程描述[33]：式中：SSs为合成有机机物的浓度，mg/L；mm为最最大比生长速速率，h-1；Ks为半半饱和常数，mg/L。将(2))代入(1)，整理得到到合成有机物物在CMAS体系中的浓浓度：从式(33)可以看出，反反应器出水中中SOC的浓度S仅由CMAS体系中的生生物降解动力力学系数(即mm和Ks)和SRT决定，而与与进水中SOC的浓度无关关。并且，由由于式(3)中没有非生生物降解项，因因此，出水中中SOC的浓度不受受非生物降解解，如吸附、挥挥发等因素的的影响。如果已知知某一SOC在CMAS系统中的生生物降解动力力学参数，利利用式(3)预测CMAS系统中该SOC的浓度似乎乎很简单。然然而，得到这这些参数并非非易事。并且且，即使某一一特定的SOC，不同的文文献报道，其其生物降解动动力学参数值值变化幅度较较大。这可能能是由于微生生物生理状态态不同造成的的，微生物生生理状态不同同，其酶水平平不同，导致致不同的降解解速率。事实上，对对于其它反应应器构型的活活性污泥体系系，如推流式式活性污泥法法，情况并非非如此。因此此，对于这些些体系，研究究更加困难。目目前，对于SOC生物降解动动力学方面的的研究大多在在CMAS体系中进行行。2SOCs在CMAS系统中的生生物降解性评评价生物降解解动力学参数数可用于评价价SOC在CMAS系统中的行行为。从式(3)可以计算出出给定的CMAS系统中SOC的出水浓度度。McAvooy等[4]将式(3)重排后，以Ks为横坐标，mm为纵坐标作作图，得到，用用此来评价SOC在CMAS体系中生物物降解性。其中，出出水中SOC浓度为0.1mgg/L是任意选择择的，此值可可选择为其它它任意值。选选择了4个不同的SRT，即3d,5dd,15d和30d。SRT为3d代表一个快快速系统，如如城市污水处处理系统，SRT为30d代表一个慢慢速系统，如如工业废水处处理系统。如果动力学学参数值位于于SRT=33d线的左侧，表表明该SOC非常易于生生物降解，因因为在CMAS系统中当SRT=33d或更长时，其其出水浓度能能达到0.1mmg/L。相反，如如果某一SOC的动力学参参数值位于SRT=330d线的右侧，说说明该SOC非常难于生生物降解，因因为使其生物物降解到浓度度为0.1mmg/L需要30d或更长的污污泥龄。3SOC在受受纳水体中的的行为预测当SOCC从废水处理理系统排出进进入受纳水体体后，会继续续发生生物降降解作用，SOC在受纳水体体中的生物降降解行为以半半衰期t1/2表示。一一般地，当t1/2大于2个月时，可可以认为该SOC在环境中是是持久的，即即难于生物降降解[5-88]。假设受纳纳水体为一推推流式反应器器，从废水处处理厂中同时时接收SOC及其相应的的降解微生物物。并且假定定SOC为相应微生生物的唯一碳碳源，则SOC在受纳水体体中的生物降降解半衰期可可用Monod方程计算。将将式(2)积分，并按t1/2的定义义，即底物浓浓度降至初始始浓度S0一半时所需需的时间，将将其代入得：：式中：SSS0为受纳水水体中SOC的浓度；XB0为为受纳水体中中降解SOC的微生物浓浓度；Y为产率率系数。式(4))表明，SOC生物降解半半衰期依赖于于SOC的初始浓度度，相应的微微生物浓度及及其生物降解解动力学参数数。如果定义义：无量纲半半衰期=t1/22mm无量纲SSOC浓度=S0/Ks无量纲菌菌体浓度=X0/S0Y，X0代表菌体的的初始浓度SOC生物降解解动力学参数数，SOC初始浓度及及相应的降解解微生物浓度度对SOC在水环境中中生物降解半半衰期的影响响。可以看出出：(1)SSOC生物降解半半衰期t1/2与其相相应的降解微微生物的mm成反比，因因此，mm越小，则t1/2越长。(2)当当SOC的初始浓度度大于半饱和和常数Ks时，SOC初始浓度对对半衰期的影影响非常小。则式(44)表明，从CMAS系统中排出出的SOC的浓度很少少能接近其Ks值。因此可可以预计，受受纳水体中SOC的初始浓度度影响着其生生物降解半衰衰期，其浓度度越低，导致致半衰期越长长。此外，如如果Ks大，则无量量纲SOC浓度非常小小，将导致半半衰期t1/2延长。(3)降降解微生物的的初始浓度也也对半衰期有有较大影响，较较低的X0会延长半衰衰期。因此，如如果活性污泥泥系统中存在在降解某一SOC的特殊微生生物，而受纳纳水体中或许许不存在该种种微生物，在在这种情况下下，消毒去除除出水中的微微生物的做法法将大大延长长这些SOC在环境中的的半衰期。利用图33，我们可以以判断某一种种可生物降解解的SOC在受纳水体体中的行为，如如洗涤剂十二二烷基苯磺酸酸钠，其动力力学参数为mm=0.600h-1，Ks=0.566mg/L，从图3判断，该SOC在CMAS系统中非常常容易生物降降解，可得到到很低的出水水浓度。假设该SSOC从废水处理理厂排出的浓浓度为0.1mgg/L，在受纳水水体中被稀释释至0.01mmg/L，其无量纲SOC浓度为：S0/Ks=0.011mg/L÷÷0.56mmg/L=00.018，假定在受受纳水体中降降解该SOC无量纲微生生物浓度为0.001，则可算出出其无量纲化化半衰期为400，已知其mm=0.600h-1，所以该SOC在受纳水体体中的半衰期期为400÷00.60h--1=6777h。考虑另一一难生物降解解有机物，1，4-diooxane，其动力学学参数为mm=0.011h-1，Ks=13.55mg/L，从图3判断，该SOC在CMAS系统中非常常难生物降解解，即其出水水浓度很难降降至0.1mmg/L，表明CMAS系统不适合合于处理该化化合物。假定定采用其它工工艺能够使其其排放浓度降降至0.1mmg/L，其无量纲SOC浓度为：S0/Ks=0.1mmg/L÷113.5mgg/L=0..0074，假定在受受纳水体中降降解该SOC无量纲微生生物浓度为0.01，则可算出出其无量纲化化半衰期为700，已知其mm=0.011h-1。所以该SOC在受纳水体体中的半衰期期为700÷00.01h--1=700000h。表明该SOC在受纳水体体中难于生物物降解。上述结果果表明，SOCs的生物降解解实验在表征征其在天然与与人工水环境境中的行为与与归宿方面起起着十分重要要的作用。4参考文献[1]MMetcallfEdddy.Waastewaatereengineeeringg:treaatmentt,dissposallandreusee,McGGraw-HHill,Inc.,,thirrdediition..19911.[2]MMonodJ.Thhegroowthoofbaccteriaalcullturess.Annn.Revv.Miccrobiool.19949,33：371-3394.[3]GGradyJr,LLimHC.Biiologiicalwwastewwatertreattment::theooryanndappllicatiions.MarceelDekkker,Inc.,,NY11980.[4]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