缺氧微生物—铁耦合技术处理对硝基苯酚废水

王　　慧，王　　韬，2

（1.天津工业大学环境与化学工程学院，天津300387；2.天津工业大学中空纤维膜材料与膜过程教育部重点实验室，天津300387）

缺氧微生物—铁耦合技术处理对硝基苯酚废水

王慧1，王韬1，2

（1.天津工业大学环境与化学工程学院，天津300387；2.天津工业大学中空纤维膜材料与膜过程教育部重点实验室，天津300387）

以对硝基苯酚（PNP）为研究对象，探究了PNP初始浓度、pH、铁粉量等因素在缺氧微生物—铁粉共存条件下对PNP废水处理效果的影响。试验结果表明，在PNP初始质量浓度为100 mg/L，pH为中性，铁粉投加量为2 g/L的条件下，400 min后耦合工艺对PNP的去除率达97.98%，远高于相同条件下2种单一工艺去除率的加和，可以快速高效地降解PNP。GC-MS研究发现，耦合反应的中间产物不同于经典微生物降解及传统铁粉降解的产物。

对硝基苯酚；铁粉；缺氧微生物

硝基酚是重要且常用的化工原料，广泛应用于炸药、医药、杀虫剂、染料、木材防腐剂和橡胶等生产中。其在生产和使用过程中会随工业废水的排放对环境造成污染〔1〕。硝基酚对人和哺乳动物都有毒性，在生物体内易被酶转化为亚硝基和羟胺基衍生物，这些衍生物可生成正铁血红蛋白或亚硝基胺，前者能与氧结合，后者是致癌物〔2〕。对硝基苯酚（PNP）是硝基酚中毒性较大且难以被生物降解的一种，会在环境中大量积累，被美国环保局列入“优先控制污染物名单”，美国环保局建议自然水体中该物质控制在10 ng/L以下〔3〕。

PNP的有效处理一直是环境领域的研究热点，目前应用和研究的方法主要有化学法〔4〕、生物法〔5〕和物理法〔6-8〕。其中，生化法因具有成本低、应用范围广、环境友好等特点，成为废水处理发展的主要趋势。但传统微生物法对PNP降解效果不够理想（反应时间较长、PNP降解率不高），而目前关于缺氧微生物降解PNP尚未见文献报道。笔者基于实际应用的需要，探索将驯化成本较低的缺氧微生物及铁还原降解技术（其原理是PNP分子在铁粉表面被吸收，然后进行诱导还原降解〔9〕）用于好氧膜电生物反应器的前处理阶段的新方法，期望利用缺氧微生物的强大毒性适应性、断裂芳香环键的能力及其与铁还原剂的耦合作用来减轻主反应器的处理负荷并提高反应效率。

1　实验内容

1.1缺氧微生物驯化

将取自天津市纪庄子污水厂的活性污泥去除杂质、洗涤后放入培养桶中进行驯化。驯化培养液组成如表1所示。

表1　污泥驯化培养液组成　mg/L

在驯化过程中，基质每2 d更换1次，每次对硝基苯酚的质量浓度（x）均比上次增加50 mg/L，而葡萄糖的质量浓度（y）均减少50 mg/L，直至PNP取代葡萄糖成为单一碳源。驯化过程中如发现驯化器中混合微生物的沉降比（SV30）＜15%，则每次加入目标底物的浓度保持当前值，直至SV30＞15%时再继续增加目标底物的驯化浓度。当PNP增到100 mg/L时，发现缺氧污泥的SV30一直＜15%，且PNP的质量浓度48 h没有明显变化，说明PNP质量浓度较高时对缺氧微生物的降解起到抑制作用。所以课题组引入铁粉参与PNP的反应，以期提高PNP处理浓度，得到较好的降解效果。

1.2实验装置和方法

实验装置由搅拌器和20 cm×10 cm×20 cm的有机玻璃反应器组成，有效容积1 L，如图1所示。

图1　实验装置

在1 L质量浓度为100 mg/L的PNP溶液中加入MLSS为365.4 mg/L的污泥、50 mmol/L的无水硫酸钠和一定量铁粉，以400 r/min速度搅拌。每隔20 min取样一次，将样品离心后，取1 mL上清液稀释至50倍，用SV300紫外分光光度计（美国Thermofisher公司）测定吸光度。pH采用pHS-2F型pH计测定（天津精科仪器厂）。

2　实验结果与讨论

2.1pH对PNP降解效果的影响

向1 L质量浓度为100 mg/L的PNP溶液中投加2 g铁粉，50 mmol/L无水硫酸钠，MLSS为365.4 mg/L的污泥、SV30为19%，在pH分别为6.07、7.04、8.03条件下，PNP降解率随溶液pH的变化情况如图2所示。

图2　pH对PNP降解效果的影响

从图2可知，溶液pH对微生物降解对硝基苯酚的能力影响较大。随着pH的降低，PNP的降解速率明显提高。碱性条件下PNP降解速度慢，这是因为碱性条件不仅会影响微生物酶的活性，还会引起细胞膜电荷性质的变化，从而影响代谢过程。此外，pH过高可能导致对硝基苯酚离子化，影响微生物的吸收。中性条件时，虽然PNP降解速率缓慢，但最终的降解率与弱酸性条件下的相似，说明温和实验条件下铁粉能够更好地促进缺氧微生物降解PNP。酸性条件下，PNP在60 min内降解迅速，降解率接近90%后PNP浓度几乎不随时间变化而变化，说明在酸性环境中铁粉对PNP的降解起到关键作用，原因可能是铁失去电子变为还原性的Fe2+，使溶液中·OH和H2O2增多，与PNP迅速发生降解反应。综上可知，酸性条件下PNP降解速率高，中性条件下PNP最终降解率高。

2.2铁粉量对PNP降解效果的影响

在PNP质量浓度为100 mg/L、pH为7.04、无水硫酸钠为50 mmol/L、MLSS为365.4 mg/L的条件下对1 L PNP溶液进行处理，改变铁粉投加量，PNP降解率的变化情况如图3所示。

由图3可知，随着铁粉投入量的不断增加，PNP降解速率增大，但去除率呈先增大后减小的趋势。铁粉加入量为1 g时，PNP的降解率很低，说明铁粉投入量少时对微生物的促进作用较小，反应速率慢。当铁粉投入量为2 g时，经过400 min后PNP去除率达97.98%；当铁粉投入量为5 g时，PNP去除率＜90%，说明铁粉的投入量存在最佳值，超过这个值后就会造成铁粉的浪费。

图3　铁粉量对PNP降解效果的影响

在常温、低铁粉浓度条件下，处于低微生物浓度水平的耦合工艺对PNP的处理效果远优于铁粉法文献的最佳效果（85℃、PNP 100 mg/L、铁粉35 g/L，去除率在90%左右）〔10〕。

2.3PNP质量浓度对PNP降解效果的影响

PNP属于微生物毒性物质，因此废水中的PNP初始质量浓度会影响降解效果。在pH为7.04、铁粉量为2 g、无水硫酸钠为50 mmol/L、微生物MLSS为365.4 mg/L的条件处理1 L废水，降解率随PNP质量浓度的变化情况如图4所示。

图4　PNP质量浓度对PNP降解效果的影响

由图4可知，初始质量浓度为100 mg/L的PNP经 400 min反应后降至 2.43 mg/L，降解率达97.98%；初始质量浓度为200 mg/L的PNP降为87.48 mg/L，降解率为56.25%；初始质量浓度为500 mg/L的PNP降为498.78 mg/L，降解率仅为3.64%。同一时间内PNP降解率的下降，说明高浓度的PNP会明显抑制缺氧微生物的降解能力，导致耦合工艺处理效果大大降低。

2.4耦合方法与单一方法的效果对比

在PNP初始质量浓度为100 mg/L、pH为7.04、铁粉量为2 g、无水硫酸钠为50 mmol/L、搅拌速度为400 r/min、微生物MLSS为365.4 mg/L的条件下对1L硝基苯酚废水进行处理，并与2种单一方法（缺氧微生物降解、铁粉催化氧化）进行对比，结果见图5。

图5　3种方法降解PNP的效果比较

由图5可见，在相同实验条件下，400 min后仅投加铁粉工艺对PNP的去除率达到22%左右，缺氧微生物工艺对PNP的降解率达到51.90%，而耦合方法对PNP的降解率达到97.98%，高于2种传统单一工艺降解率的加和。由此可知，在同一反应器内、温和反应条件下，铁粉催化氧化与缺氧微生物降解相互促进，2种方法的耦合对PNP的降解非常有利。这一现象对PNP的降解研究具有重要意义。

2.5降解产物初步分析

在pH为7.04、PNP初始质量浓度为100 mg/L、铁粉投加量为2 g、无水硫酸钠为50 mmol/L的最佳实验条件下对PNP降解过程进行全波长扫描，见图6。

图6　PNP降解过程的紫外全波长扫描

由图6可知，随着PNP降解过程的进行，每隔20 min取出样品的吸光度在400 nm处不断降低，说明PNP不断被降解；但200～250 nm和300 nm处的吸光度却缓慢升高，说明有某种中间产物产生。据文献报道，铁还原降解PNP的中间产物主要为对氨基苯酚〔10〕；微生物降解PNP的主要产物为氢醌类有机物〔11〕，而该耦合反应所得中间产物中并无上述物质出现。该耦合反应的新机理有待深入研究。采用GCMS对耦合反应的产物进行分析，结果如表2所示。

表2　缺氧微生物—铁粉耦合反应降解PNP的产物分析

3　结论

采用缺氧微生物—铁粉还原耦合法降解对硝基苯酚废水，结果发现：弱酸性及中性条件下的降解效果比碱性条件的效果好，碱性条件下的降解效果甚微，甚至对PNP降解起到抑制作用；随着铁粉投入量的不断增加，PNP去除率呈先增大后减小的趋势，以2 g/L最为适宜；最佳条件下缺氧微生物—铁粉还原耦合法对PNP的降解率达到97.98%，高于2种传统单一工艺的加和；PNP初始质量浓度的增大使PNP降解效果降低。实验同时发现该耦合反应的中间产物不同于一般微生物降解和铁粉降解的产物。

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Anoxic microorganism-iron coupling technique for treating p-nitrophenol wastewater

Wang Hui1，Wang Tao1，2
（1.School of Environment&Chemical Engineering，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China；2.State Key Laboratory of Hollow Fiber Membrane Materials and Processes，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China）

p-Nitrophenol（PNP）is taken as the research object.The influences of the factors，such as the initial concentration of PNP，pH，dosage of iron powder added，etc.，under an anoxic microorganism-iron powder coexistent condition，on the treatment effect of PNP wastewater are researched.The results show that when the conditions are as follows：PNP initial mass concentration is 100 mg/L，pH 7.04，iron powder dosage 2 g/L and after reacting for 400 min by the coupling technique，the PNP removing rate reaches 97.98%，which is far higher than that of the additivity of two other kinds of individual processes，and can rapidly and effectively degrade PNP.It is found via GC-MS that the intermediate product of the coupling reaction is different from the product of either classical microbial degradation or conventional iron powder degradation.

p-nitrophenol；iron powder：anoxic microorganism

X703

A

1005-829X（2016）04-0080-04

国家自然科学基金（51378350，21176171）

王慧（1989—），硕士。电话：15822926189，E-mail：wanghui3699@126.com。通讯联系人：王韬，博士，副教授。E-mail：wangtao_20000@hotmail.com。

2016-03-15（修改稿）