化學(xué)品在環(huán)境中的去除途徑主要有揮發(fā)、水解、吸附和生物降解。由于苯胺類化學(xué)品亨利常數(shù)較低，且不含有易于水解的官能團(tuán)，揮發(fā)和水解并非其在污水處理廠中的主要去除過程，而主要是以生化作用去除含苯胺類化學(xué)品的廢水。在以生化方法為主要工藝的污水處理廠中，pH、溫度、微生物活性、活性污泥濃度以及水力停留時(shí)間等條件對(duì)化學(xué)品的去除過程影響較大。因此研究苯胺類化學(xué)品在污水處理廠中的歸趨過程，對(duì)于評(píng)估其環(huán)境暴露，環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)防控具有重要意義。

 生物降解性測(cè)試目前普遍采用經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織提出的化學(xué)品生物降解性測(cè)試導(dǎo)則，包括快速生物降解性301、固有生物降解性302和模擬生物降解性303A，利用這種層層遞進(jìn)的方式來評(píng)估其在環(huán)境中的歸趨過程。模擬生物降解303A與快速生物降解性測(cè)試(301系列)的不同之處在于測(cè)試過程中活性污泥的濃度高低以及活性污泥是否經(jīng)過馴化等;模擬生物降解303A是更高水平的測(cè)試，更接近于實(shí)際情況，比快速生物降解性301、固有生物降解性302的結(jié)果更真實(shí)和可靠，能為評(píng)估化學(xué)品在污水處理廠的去除和歸趨提供有效的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

4-硝基苯胺以及氯代苯胺是一類典型的苯胺取代物，可以通過皮膚以及眼睛滲透進(jìn)動(dòng)物體，具有潛在的致癌以及誘發(fā)基因突變的嚴(yán)重影響，近年來許多國家將此類物質(zhì)列為優(yōu)先污染物，4-異丙基苯胺主要來源于除草劑異丙隆的合成和代謝，但是關(guān)于它們的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)影響現(xiàn)在文獻(xiàn)中鮮有報(bào)道，因此，本文在303A方法的基礎(chǔ)上著重研究了不同水力停留時(shí)間條件下4-硝基苯胺、4-異丙基苯胺和2-氯-4-硝基苯胺的生物降解性，探討了這3種化學(xué)品的生物降解動(dòng)力學(xué)及降解影響因素，以期為此類化學(xué)品的環(huán)境暴露評(píng)估以及廢水處理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。 

1、材料與方法 

1.1儀器與試劑

 好氧生化污水處理模擬系統(tǒng)見圖1;液質(zhì)聯(lián)用儀(;TOC分析儀(3100，耶拿，德國);分析天平(MS105DU，梅特勒，瑞士);高速冷凍離心機(jī);水質(zhì)多參數(shù)測(cè)定儀(HQ40d，哈希，美國);純水器。

A.貯存罐;B.進(jìn)水泵;C.曝氣罐(4.5L);D.沉降池(2.3L);E.回流泵;F.收集罐 

圖1好氧生化污水處理模擬系統(tǒng) 

4-硝基苯胺(CAS:100-01-6，分析純);4-異丙基苯胺(CAS：99-88-7，分析純);2-氯-4-硝基苯胺(CAS:121-87-9，分析純)均購自百靈威化學(xué)。甲醇(色譜純，MerckKGaA)。

 實(shí)驗(yàn)中的活性污泥采自南京某生活污水處理廠的曝氣池。

1.2好氧生化污水處理模擬實(shí)驗(yàn)方法

 生化污水處理模擬系統(tǒng)(如圖1)放置于室溫(25℃±0.2℃)避光環(huán)境中，將活性污泥懸浮液(3g·L-1)接種于曝氣罐中，開啟電源及曝氣泵，連續(xù)充氧。并加入適量合成污水(牛肉浸膏11g·L-1，蛋白胨16g·L-1，尿素3g·L-1，NaCl0.7g·L-1，CaCl2·H2O0.4g·L-1，MgSO4·7H2O0.2g·L-1，磷酸氫二鉀2.8g·L-1)作為提供活性污泥生長(zhǎng)的能源。

 實(shí)驗(yàn)期間不斷向貯存罐中加入含苯胺類化學(xué)品和合成污水，保持進(jìn)水苯胺類化學(xué)品的濃度為1mg·L-1且溶解性有機(jī)碳濃度為100mg·L-1。開啟進(jìn)水提升泵和污泥回流泵，初始實(shí)驗(yàn)溶液以420mL·h-1的流速進(jìn)入曝氣罐中，平均水力停留時(shí)間(HRT)約為11.2h，污泥停留時(shí)間為8d。當(dāng)化學(xué)品去除率達(dá)到穩(wěn)定后，調(diào)整進(jìn)水泵轉(zhuǎn)速改變水力停留時(shí)間(6、12和24h)繼續(xù)測(cè)試。實(shí)驗(yàn)期間，每天測(cè)定曝氣罐中活性污泥懸浮固體的濃度，并定期去除回流的剩余污泥，使污泥濃度穩(wěn)定在3g·L-1。

 實(shí)驗(yàn)期間，定期取進(jìn)水及出水各10mL，過0.45μm濾膜，加200μL0.1mol·L-1鹽酸酸化去除水樣中無機(jī)碳后，用TOC分析儀測(cè)定DOC，每個(gè)樣品3個(gè)平行。使用水質(zhì)多參數(shù)測(cè)定儀測(cè)定曝氣罐中pH、溶解氧(DO)。從曝氣罐中收集100mL污泥，高速離心機(jī)(10000r·min-1)離心5min后棄去上清液，將下層污泥團(tuán)稱重后置于105℃中烘干、稱重，差值法計(jì)算混合液中的懸浮固體含量。

 LC-MS/MS方法：取進(jìn)水、出水以及回流污泥樣品，加入等體積的甲醇超聲25min后過0.22μm濾膜后，采用電噴霧離子源、負(fù)電離模式、多反應(yīng)離子監(jiān)測(cè)掃描定量分析目標(biāo)物。氣簾氣壓350000Pa，噴霧氣壓379214Pa，輔助加熱氣壓413688Pa，源溫度450℃，離子化電壓5500V。選擇ZORBAXEclipsePlusC18Column(150mm×2.1mm，3.5μm，Agilent，USA)分離樣品。流動(dòng)相2mmol·L-1甲酸銨水溶液(A)和乙腈(B)，以0.5mL·min-1流速進(jìn)行梯度洗脫，進(jìn)樣量5μL，梯度洗脫條件見表1。

1.3生物降解動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)方法

 模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，此時(shí)活性污泥已對(duì)苯胺類化學(xué)品完全適應(yīng)，從曝氣罐中取200mL活性污泥懸浮液，使用高速冷凍離心機(jī)(5000r·min-1)離心5min后棄去上清液，然后用去離子水重新溶解污泥團(tuán)，充分混勻分散后重復(fù)上述步驟3次，從而盡可能地完全洗滌污泥中的污染物，用去離子水將潔凈的污泥配制成3g·L-1的懸浮液。向其中添加3種苯胺類化學(xué)品，濃度為1mg·L-1，持續(xù)攪拌培養(yǎng)，確保溶解氧達(dá)到2mg·L-1以上，在36h內(nèi)定時(shí)取樣并測(cè)定污泥懸浮液中的化學(xué)品濃度。

2、結(jié)果與討論 

2.1生化污水處理模擬系統(tǒng)運(yùn)行情況 

活性污泥中含有大量微生物，微生物活性對(duì)化學(xué)品生物降解性結(jié)果影響明顯。模擬系統(tǒng)中DOC去除率，是反映微生物活性以及系統(tǒng)是否運(yùn)轉(zhuǎn)正常的重要指標(biāo)，不同HRT(6、12、24h)對(duì)系統(tǒng)DOC去除的結(jié)果見圖2。HRT為6、12和24h時(shí)，系統(tǒng)DOC平均去除率從70.2%依次增加到80.3%、88.3%。HRT較短時(shí)，化學(xué)品與微生物接觸時(shí)間較短，還未充分生物利用就被排出系統(tǒng)，增加HRT可以推進(jìn)化學(xué)品的降解;但是實(shí)際污水處理廠中，需根據(jù)進(jìn)水量、進(jìn)水水質(zhì)、處理能力、運(yùn)行成本等多方面因素綜合設(shè)定合適的HRT。

圖2不同水力停留時(shí)間下的DOC去除率 

污水處理廠曝氣池pH是影響生物降解性的重要影響因素，pH過高不利于污泥生長(zhǎng)，還會(huì)破壞新生的污泥;pH值過低時(shí)菌膠團(tuán)生長(zhǎng)受到抑制，而真箘生長(zhǎng)占據(jù)優(yōu)勢(shì)，污泥絮體將遭到破壞和污泥膨脹等。通常在好氧生化反應(yīng)池中，能降解硝基苯類化合物的優(yōu)勢(shì)菌屬合適的pH為6.5~8.5，由圖3可見，本模擬實(shí)驗(yàn)曝氣罐中pH維持在6~8，適宜開展苯胺類化學(xué)品的生物降解研究。

 在好氧生化反應(yīng)池中，溶解氧是反映一個(gè)好氧系統(tǒng)生物活性能力的重要參數(shù)，溶解氧濃度要達(dá)到2mg·L-1以上時(shí)，才能為好氧菌群提供充足的氧。如圖3所示，實(shí)驗(yàn)期間，氧化罐中溶解氧初始值為4.4mg·L-1，隨著系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后逐步穩(wěn)定在8.5mg·L-1，由于本模擬系統(tǒng)較小，通過連續(xù)曝氣，溶氧濃度較易控制。

圖3實(shí)驗(yàn)過程中溶解氧和pH變化 

2.2 HRT對(duì)苯胺類化學(xué)品去除率的影響

 在好氧生化污水處理模擬系統(tǒng)中，HRT是影響化學(xué)品去除率的重要因素，它是可以人為調(diào)控的關(guān)鍵參數(shù)。HRT過大會(huì)使有機(jī)質(zhì)過度增長(zhǎng)從而對(duì)微生物產(chǎn)生聚集和毒性影響，HRT過短會(huì)導(dǎo)致細(xì)箘分散沖蝕，因此有必要通過實(shí)驗(yàn)研究獲取合適的水力停留時(shí)間，從而維持系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行以及準(zhǔn)確的化學(xué)品去除率。

 實(shí)驗(yàn)期間，通過調(diào)節(jié)水力停留時(shí)間(12、24、6h)，分析進(jìn)、出水苯胺類化學(xué)品的去除率。結(jié)果顯示見圖4，初始HRT設(shè)置為12h時(shí)，3種化學(xué)品12~15d去除率非常低，其中2-氯-4-硝基苯胺和4-硝基苯胺去除率基本為0，4-異丙基苯胺去除率約為15%。實(shí)驗(yàn)開始21d后，3種物質(zhì)開始有了明顯的去除，其中2-氯-4-硝基苯胺去除率不穩(wěn)定，在0和15%之間波動(dòng);4-硝基苯胺去除率從28%上升到88%，平均去除率約為64.7%;4-異丙基苯胺去除率從30%上升到98%，平均去除率約為76%。這3種化學(xué)品出現(xiàn)較長(zhǎng)的降解停滯期(12~15d)，在此期間，微生物可能需適應(yīng)此類化學(xué)品，同時(shí)也可能是降解優(yōu)勢(shì)菌種的生長(zhǎng)對(duì)數(shù)期。

 實(shí)驗(yàn)開始34d后，將HRT由12h調(diào)節(jié)為24h，4-硝基苯胺去除率增加并維持在69%~89.4%;4-異丙基苯胺去除率上升到79%~99%，它們的平均去除率分別為75%和91%。2-氯-4-硝基苯胺去除率仍然很低，去除率約為11%。

 實(shí)驗(yàn)開始62d后，將HRT由24h調(diào)節(jié)為6h，4-硝基苯胺去除率降低到55%，此后去除率在35%~56%范圍波動(dòng)，平均去除率為48%。4-異丙基苯胺去除率降到59%，此后去除率在48%~75%范圍波動(dòng)，平均去除率為66%。2-氯-4-硝基苯胺在HRT為6h時(shí)，去除率低于15%。

 分析可知，當(dāng)微生物適應(yīng)3種苯胺類化學(xué)品后，HRT為12h和24h時(shí)，4-硝基苯胺和4-異丙基苯胺的平均去除率均可達(dá)到80%;HRT為6h時(shí)，4-硝基苯胺和4-異丙基苯胺去除率明顯降低，且去除率穩(wěn)定性降低;2-氯-4-硝基苯胺則在所有條件下都未觀察到明顯的去除。本研究表明在好氧污水處理系統(tǒng)中，HRT為24h時(shí)可以有效且穩(wěn)定去除苯胺類化學(xué)品。

圖4苯胺類化學(xué)品在不同水力停留時(shí)間的降解速率曲線 

亨利常數(shù)(H)可用于表征化學(xué)品在水氣界面之間的分配過程，根據(jù)Whiteman雙阻力理論，當(dāng)化學(xué)品H=2.5Pa·(m3·mol)-1時(shí)，化學(xué)品從水相遷移到氣相時(shí)，水相的阻力為氣相阻力的十分之一，揮發(fā)速率可以忽略。4-硝基苯胺、4-異丙基苯胺以及2-氯-4-硝基苯胺H分別為0.035、0.5和9.67×10-4Pa·(m3·mol)-1，它們的H遠(yuǎn)小于2.5Pa·(m3·mol)-1，因此在曝氣過程中的揮發(fā)性損失可以忽略。當(dāng)化學(xué)品吸附系數(shù)(lgkoc)大于3.3時(shí)，化學(xué)品可能會(huì)明顯地吸附于污泥中并隨剩余污泥排出系統(tǒng)，4-硝基苯胺、4-異丙基苯胺以及2-氯-4-硝基苯胺的lgkoc分別為1.64、2.53、2.25，不具有明顯吸附性。此外，有文獻(xiàn)提到自然界中的硝基類芳香化合物以及2-氯-4硝基苯胺只有通過人工催化發(fā)生光氧化反應(yīng)，并且自發(fā)的光降解反應(yīng)對(duì)污染物去除的貢獻(xiàn)值極低，好氧生化污水處理系統(tǒng)位于較暗的室內(nèi)環(huán)境，因此由光照引起的化學(xué)品輕微的降解可以忽略。綜上，可以初步確定本研究中3種化學(xué)品在系統(tǒng)中的去除主要源自于生物降解。

 2.3苯胺類化學(xué)品的生物降解動(dòng)力學(xué)

 模擬生物降解性303A實(shí)驗(yàn)方法只能得到化學(xué)品的去除率結(jié)果，無法得到化學(xué)品生物降解速率和降解動(dòng)力學(xué)信息，而該信息在化學(xué)品風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中可用于評(píng)估環(huán)境暴露水平。本研究使用模擬實(shí)驗(yàn)中已經(jīng)完全馴化和適應(yīng)的活性污泥測(cè)定過的3種苯胺類化學(xué)品的生物降解動(dòng)力學(xué)參數(shù)。由圖5降解曲線可知，4-硝基苯胺和4-異丙基苯胺易降解，36h后生物降解率分別為80%和98%;2-氯-4-硝基苯胺生物降解速率極低，36h后生物降解率為20%。

圖5三種化學(xué)品的降解動(dòng)力學(xué)曲線

 化學(xué)品降解通常遵循一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程，表2列出了按照一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程擬合的3種化學(xué)品的動(dòng)力學(xué)去除方程、降解速率常數(shù)以及半衰期。3種化學(xué)品一級(jí)動(dòng)力學(xué)曲線擬合相關(guān)性均在0.95以上。4-異丙基苯胺、4-硝基苯胺和2氯-4-硝基苯胺在好氧生化活性污泥中的降解半衰期分別為6.01、16.16和123.75h。有研究表明，在好氧條件下適當(dāng)濃度的硝基芳香化合物可以發(fā)生降解，Khalid等通過混合培養(yǎng)不動(dòng)桿菌等3種微生物去除染料廢水中4-硝基苯胺，發(fā)現(xiàn)初始濃度為100μmol·L-1的4-硝基苯胺在72h內(nèi)可完全去除，楊彬等研究也表明4-硝基苯胺在好氧條件下具有較高的降解速率，與本研究結(jié)果一致。

表2三種化學(xué)品動(dòng)力學(xué)方程、降解速率與半衰期

OECD303A實(shí)驗(yàn)?zāi)M了真實(shí)的生物質(zhì)與受試物濃度，能客觀評(píng)估苯胺類化學(xué)品在污水處理階段的歸趨，通常3g·L-1的活性污泥濃度是好氧降解條件下微生物的高濃度，而在地表水等其他環(huán)境中微生物濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于此濃度。有研究認(rèn)為化學(xué)品生物降解速率正比于微生物的細(xì)胞數(shù)量，因此也可據(jù)此將本研究中化學(xué)品在好氧活性污泥中的降解速率外推獲得在地表水等環(huán)境中的生物降解速率。

 2.4苯胺類化學(xué)品取代基對(duì)生物降解性的影響

 有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)決定了其在環(huán)境中的生物降解性。苯胺是易于生物降解的化學(xué)品，本研究中3種取代苯胺所含的官能團(tuán)有—NO2、—Cl和異丙基，它們的生物降解速率從高到低依次為，4-異丙基苯胺>4-硝基苯胺>2-氯-4-硝基苯胺。通過定量結(jié)構(gòu)與生物降解性關(guān)系研究發(fā)現(xiàn)，異丙基對(duì)化學(xué)品生物降解起著積極的作用，而—NO2、—Cl等基團(tuán)吸電子能力強(qiáng)，會(huì)降低微生物中酶的活性，阻礙化學(xué)品的生物降解性。因此，4-硝基苯胺的生物降解速率比4-異丙基苯胺小。2-氯-4-硝基苯胺未發(fā)現(xiàn)明顯的生物降解也是因?yàn)楸江h(huán)上同時(shí)引入氯原子及硝基2個(gè)吸電子基團(tuán)后，苯環(huán)電子云密度減小，導(dǎo)致微生物及相關(guān)酶的親電攻擊性減弱，此外由于碳-氯鍵的牢固性，使得此類物質(zhì)難以降解。化學(xué)品自身組成對(duì)它們生物降解性的影響有待進(jìn)一步研究。

 此外，—NO2、—Cl等基團(tuán)對(duì)微生物還有一定的毒性作用，本研究中添加的實(shí)驗(yàn)濃度較低(1mg·L-1)，避免了較高濃度下對(duì)微生物產(chǎn)生的毒性抑制作用，因此本研究中得到的苯胺類化學(xué)品的生物降解結(jié)果更能反映它們?cè)谡鎸?shí)環(huán)境條件下的情形。

3、結(jié)論

 (1) 提高HRT可推進(jìn)DOC以及苯胺類化學(xué)品的去除。HRT為6、12和24h時(shí)，系統(tǒng)DOC去除率依次為70.2%、80.3%和88.3%;4-硝基苯胺去除率分別為48%、64.7%和75%;4-異丙基苯胺的去除率分別為66%、76%和91%。2-氯-4-硝基苯胺在不同HRT條件下，較難去除，去除率平均值低于20%。

 (2) 4-硝基苯胺、4-異丙基苯胺和2-氯-4-硝基苯胺的降解符合一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程，回歸系數(shù)皆大于0.95，生物降解半衰期分別為6.01、16.16和123.75h。

 (3) 苯胺類化學(xué)品取代基對(duì)好氧生物降解性影響明顯，異丙基對(duì)降解有積極作用，硝基和氯原子等基團(tuán)抑制生物降解。

廣東省佛山市南海區(qū)慧星化工有限公司 

聯(lián)系方式:18664218741 

公司傳真:0757-81826805 

公司地址:廣東省佛山市南海區(qū)大瀝鎮(zhèn)博愛東路高鳴城慧星化工有限公司