程亞杰,宋衛(wèi)鋒,林麗婷,董 明 (廣東工業(yè)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,廣東 廣州 510006)

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苯胺黑藥的厭氧生物降解與機理

程亞杰,宋衛(wèi)鋒*,林麗婷,董 明 (廣東工業(yè)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,廣東 廣州 510006)

摘要：以苯胺黑藥為研究對象,利用UV、IC和GC-MS分析苯胺黑藥的生物降解途徑.結(jié)果表明:經(jīng)24h厭氧降解,苯胺黑藥降解率達到44.18%.苯胺黑藥厭氧降解不同時段的產(chǎn)物經(jīng)IC及GC-MS分析,48h后產(chǎn)生了N O3-、PO43-、SO42-,苯胺黑藥中P和S部分轉(zhuǎn)化為PO43-、SO42-.降解過程中檢測出苯胺、2,5-二叔丁基苯酚、C13H23Cl3O2、1-二十醇、十二烷和二十烷.推測其途徑為苯胺黑藥降解成苯胺及磷酸鹽,硫酸鹽,苯胺再脫除氨基降解生成2,5-二叔丁基苯酚,最終降解為鏈烴類有機物1-二十醇、二十二烷、二十烷.

關(guān)鍵詞：苯胺黑藥；厭氧；降解機理

* 責(zé)任作者, 教授, 842663012@qq.com

苯胺黑藥((N, N),-二苯基氨基二硫代磷酸鹽)是有色金屬礦中常見的捕收劑,在使用時隨著選礦廢水排入到尾礦庫或環(huán)境中很難降解[1].目前對去除苯胺黑藥的方法及其降解機理的研究主要集中在物理化學(xué)方法如混凝法、酸堿中和法、化學(xué)氧化法、電化學(xué)催化法和好氧生物降解方面[2-4],對其厭氧降解研究較少.相較于好氧生物處理,厭氧生物法憑借其能耗低和產(chǎn)泥少等特點在國內(nèi)外處理高濃度廢水和難降解有機物方面得到了廣泛應(yīng)用[5-8].苯胺類物質(zhì)對于微生物有很強的抑制作用[9],但厭氧處理系統(tǒng)對其耐受能力較強[10].苯胺類有機物的厭氧降解途徑為將部分化學(xué)鍵打斷,生成苯環(huán)化合物等中間產(chǎn)物,這些中間產(chǎn)物再通過微生物的作用降解為分子量較小的烴類、酚類、醇類和脂類化合物[11].而目前國內(nèi)外鮮見對于硫化礦捕收劑的厭氧生物降解性報道,只有對乙硫氨酯等少數(shù)捕收劑的研究[12-13].迄今為止,苯胺黑藥的厭氧生物降解機理與途徑仍不明確.隨著現(xiàn)代監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展,IC(離子色譜)及GC-MS(氣質(zhì)聯(lián)用儀)成為研究有機物降解路徑的有效手段[14-17].

試驗采用馴化好的厭氧污泥降解苯胺黑藥,考察了苯胺黑藥在厭氧條件下的降解性能,初步分析與探討了苯胺黑藥的厭氧降解途徑,為研究浮選藥劑的生物降解提供參考.

1　材料與方法

1.1 試驗用水

試驗用水為人工配制的模擬廢水,苯胺黑藥濃度分別為150mg/L.加入NH4Cl和KH2PO4調(diào)節(jié)CODCr:N:P = 200:5:1,同時加入Ca、Mg、Fe、Co、Ni、Zn、B等微量元素,以保證微生物細(xì)胞合成的需要.此外,配水時投加一定量的NaHCO3保證反應(yīng)器內(nèi)的緩沖能力.

1.2 試驗方法

降解試驗在250mL血清瓶中進行,接種污泥取自廣州瀝滘污水處理廠厭氧池,苯胺黑藥梯度馴化穩(wěn)定后, MLSS為21.565g/L.取10mL厭氧污泥和150mL模擬廢水加入血清瓶中,通入足量高純氮氣并密封,在35℃時的恒溫振蕩器中培養(yǎng)24h,在反應(yīng)的不同時間分別取水樣,經(jīng)6000r/min離心10min進行測定.

1.3 測試方法

通過瑞利UV-2100紫外/可見分光光度計對苯胺黑藥進行掃描,苯胺黑藥在波長為230nm處有特征吸收峰.配制苯胺黑藥標(biāo)準(zhǔn)溶液系列,在λ=230nm處依次測定吸光度.以吸光度為橫坐標(biāo),以苯胺黑藥濃度為縱坐標(biāo)作圖,得到一條直線,作為標(biāo)準(zhǔn)工作曲線(Y=14.18x,R2=0.999).通過水樣的吸光度值和標(biāo)準(zhǔn)工作曲線計算苯胺黑藥濃度,然后計算苯胺黑藥降解率.苯胺黑藥降解產(chǎn)物采用IC和GC-MS分析.

IC(瑞士萬通882)檢測條件:樣品稀釋10倍后經(jīng)過0.45μm的濾膜過濾后進行IC檢測,取IC專用的離子標(biāo)準(zhǔn)液,將NO2-、NO3-、PO43-、SO42-分別配制成2、5、10、15、30mg/L混合溶液,進入IC工作站掃描計算.進樣量20μL,流速: 0.7mL/min,壓力:12.27MPa,色譜柱:Metrosep A Supp 5～250mm×4.0mm,電導(dǎo)檢測器: 882Compact IC plus1,沖洗液組成:Na2CO3(3.2mmol/L)和NaHCO3(1mmol/L),記錄時間:28min,待測液離子濃度通過色譜儀標(biāo)準(zhǔn)曲線計算得出.

取待測水樣20mL進行前處理:用20mL乙酸乙酯萃取兩次后,在50℃旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀下冷凝旋轉(zhuǎn),待剩2mL左右溶液時,轉(zhuǎn)移至進樣瓶中并加入2mL乙酸乙酯進行溶解,溶解后的待測樣品可進樣至GC-MS.GC-MS升溫程序:60℃保持1min,然后以15℃/min的速度上升至200℃保持1min,以10℃/min的速度上升至250℃保持2min,15℃/min的速度上升至280℃并保持1min.進樣口溫度為250℃,檢測器的溫度為280℃,在20～550nm波長下,通過m/z值掃描,利用工作站圖譜進行對比分析.

2　結(jié)果與討論

2.1 苯胺黑藥厭氧降解試驗

苯胺黑藥與厭氧污泥的混合培養(yǎng)24h,考察其濃度及其COD的變化.結(jié)果見圖1.

圖1　厭氧條件下苯胺黑藥及COD變化Fig.1　Variation in concentration of aniline aerofloat and COD with time during anaerobic degradation

由圖1可見,初始COD為284.78mg/L,經(jīng)過24h厭氧降解至160.19mg/L,其降解率為43.75%,在前12h內(nèi),COD降解速率較快,其出水COD為183.92mg/L,降解效率達到35.42%,后12h其降解效率僅僅為8.33%,在厭氧降解后期,苯胺黑藥降解菌活性不高導(dǎo)致降解后半階段效率不高[14].實驗初始苯胺黑藥的投加量131.41mg/L,通過厭氧污泥24h的代謝分解,最終濃度達到73.35mg/L,降解效率為44.18%,降解效率與COD去除率趨勢一致,并略高于COD去除率.降解12h,苯胺黑藥出水濃度為89.36mg/L,降解效率為32%,12h～ 24h內(nèi)苯胺黑藥的降解率僅為12.18%,說明苯胺黑藥在厭氧代謝初期降解效果良好,COD去除率與苯胺黑藥降解效率未完全吻合可能是苯胺黑藥的降解過程產(chǎn)生了難降解有機物,這類物質(zhì)與剩余的苯胺黑藥共同貢獻了COD[18].

2.2 苯胺黑藥厭氧降解產(chǎn)物UV掃描

于190～500nm的波長范圍內(nèi)對苯胺、苯胺黑藥及0,4,8,12,24h中間反應(yīng)產(chǎn)物溶液進行吸光度的測量,實驗結(jié)果見圖2.

圖2　厭氧降解苯胺黑藥及產(chǎn)物紫外圖譜Fig.2　The UV scanning spectra of aniline aerofloat and its degradation intermediates during anaerobic degradation

由圖2可知200nm及230nm、280nm有明顯的特征峰出現(xiàn),經(jīng)實驗驗證苯胺黑藥濃度在200nm及280nm波長下與吸光度無線性關(guān)系,波長230nm時,隨培養(yǎng)時間的不斷增大,吸光度不斷降低,濃度不斷減少,說明了厭氧過程中苯胺黑藥隨時間增加不斷降解,經(jīng)過24h后其峰高仍較高,說明厭氧降解不能將苯胺黑藥降解完全. 150mg/L的苯胺溶液與苯胺黑藥在相同的波長有吸收峰,由于苯胺黑藥含磷和苯胺基,說明苯胺和苯胺黑藥在化學(xué)結(jié)構(gòu)上有部分相同結(jié)構(gòu)[1].

2.3 苯胺黑藥厭氧降解產(chǎn)物中陰離子確定

為確定苯胺黑藥中間代謝產(chǎn)物,對溶液中可能出現(xiàn)的陰離子進行檢測.苯胺黑藥化學(xué)組成除碳?xì)渫?還包括S、P、N三種元素,考察苯胺黑藥在厭氧代謝過程中可能出現(xiàn)的SO42-、PO43-、NO2-、NO3-,取不同時段厭氧降解后水樣進行IC掃描,掃描結(jié)果見圖3.

圖3　苯胺黑藥厭氧降解產(chǎn)物IC掃描圖Fig.3　The IC spectra of aniline aerofloat and its degradation intermediates during anaerobic degradation

圖3中依次為苯胺黑藥厭氧降解0,24,36, 48h時的離子色譜掃描圖,由于系統(tǒng)已經(jīng)提前設(shè)定可能出現(xiàn)的離子,通過離子色譜柱后,掃描出3種陰離子,分別在16min左右掃出NO3-,在22min左右掃出PO43-,在25.63min左右掃出SO42-.從峰高明顯可以看到SO42-濃度在不斷增大.通過工作站標(biāo)準(zhǔn)曲線自動換算出的濃度見表1.

表1　厭氧降解苯胺黑藥陰離子濃度變化(mg/L)Table 1　The variation in anion concentrations with time during anaerobic degradation of aniline aerofloat (mg/L)

從表1中看到,在苯胺黑藥在降解過程中沒有產(chǎn)生NO2-,NO3-、PO43-、SO42-濃度隨降解時間的增加而逐漸增大,NO3-從最初始的9.9mg/L上升到177.26mg/L,前24h已經(jīng)上升到穩(wěn)定水平166.25mg/L,說明厭氧降解苯胺黑藥在24h內(nèi)幾乎達到最佳降解水平,此時通過增加降解時間來提高降解量已變的不可行.苯胺黑藥在降解過程中產(chǎn)生了99.31mg/L PO43-,水樣中初始磷酸鹽為65.84mg/L,與配制苯胺黑藥厭氧降解無機共代謝基質(zhì)中KH2PO4所含的PO43-濃度67.06mg/L大致吻合,最終水樣中含有99.31mg/L,兩者差為33.47mg/L,然而苯胺黑藥厭氧降解過程中還需利用磷酸鹽來完成自身代謝,所以150mg/L苯胺黑藥厭氧降解中PO43-代謝濃度高于33.47mg/L, P轉(zhuǎn)化為磷酸鹽,SO42-在厭氧過程中從73.43mg/L上升至236.61mg/L,降解產(chǎn)生的硫酸鹽濃度為163.18mg/L,結(jié)合以上圖表可知苯胺黑藥中的S,P轉(zhuǎn)化為硫酸鹽、磷酸鹽,N轉(zhuǎn)化為硝酸鹽.

2.4 厭氧降解產(chǎn)物的確定

為探究苯胺黑藥在厭氧降解過程中可能出現(xiàn)的中間產(chǎn)物,對苯胺黑藥降解產(chǎn)物進行了GC-MS掃描,降解過程中0,12,24,48h的總離子流圖如圖4所示.

從圖4可以看出,0h、12h峰型變化不明顯,但仍可以看到幾個主要峰高的改變,保留時間為4.8min左右的峰高有小幅度的增高,保留時間為9.887min 的峰高沒有太大變化,17.5min左右的峰高不斷增加,0h譜圖中20min左右的峰高最高,峰面積最大,經(jīng)過12h培養(yǎng)后此峰高沒有明顯變化,經(jīng)過24h厭氧降解過后峰型變化顯著,有較多雜峰出現(xiàn),譜圖較復(fù)雜.24h后苯胺黑藥降解效果趨于穩(wěn)定.結(jié)合48h圖譜觀察并考慮峰面積較大的主要峰,10.479min左右及12.334min左右峰高較高,不同時間的峰面積變化見表2.為確定以上幾種保留時間下可能的物質(zhì),通過質(zhì)譜庫提取標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)與圖中每個離子碎片進行比較,得出該保留時間下的最終物質(zhì).

圖4中峰面積變化可直接看出苯胺黑藥降解過程產(chǎn)物中這幾種主要產(chǎn)物濃度不斷升高, 表2列出了不同保留時間下并通過譜庫對比得出的化學(xué)物質(zhì),其中苯胺濃度不斷上升,在紫外掃描光譜圖中苯胺與苯胺黑藥在相同波長有吸收峰,可知兩者在化學(xué)結(jié)構(gòu)上有很大的相似性,推測苯胺是苯胺黑藥的降解一級產(chǎn)物.離子色譜掃描結(jié)果中顯示有大量的磷酸鹽、硫酸鹽存在,可知苯胺黑藥首先降解為苯胺,磷酸鹽及硫酸鹽.因苯胺黑藥中不含氯元素,10.479min所代表的含氯化合物不是苯胺黑藥降解直接產(chǎn)物,推測C13H23Cl3O由培養(yǎng)基中氯離子與產(chǎn)物反應(yīng)得到.14.274min代表的物質(zhì)在不同時間段質(zhì)譜庫比對得出的物質(zhì)不同,無法確認(rèn)該時間下物質(zhì)的唯一性.質(zhì)譜確認(rèn)未知物依賴于譜庫已有物質(zhì)與檢出物質(zhì)離子碎片對比的相似程度,對于同分異構(gòu)體等復(fù)雜有機物尚需其他分析手段佐證.水中苯胺進一步降解生成2,5-二叔丁基苯酚,此為氧化脫氮的過程,主要產(chǎn)物二十烷及二十二烷峰面積不斷變化,可能是苯胺在開環(huán)后鏈烴相互反應(yīng)生成,可能的降解路徑見圖5.圖中2,5-二叔丁基苯酚含苯環(huán),在模擬廢水中不存在,從而判斷確定是由苯胺降解產(chǎn)生,陳小清[19]在苯胺黑藥好氧生物降解中也得到了其同分異構(gòu)體.鑒于圖譜復(fù)雜,較多峰面積不大的產(chǎn)物未能逐一分析完全,實驗中可能產(chǎn)生的其他降解產(chǎn)物因濃度不高而未能被檢測出,本降解路徑可能只是苯胺黑藥降解的某一種方式,另一可能途徑是李文亮,Harwood等[20-21]認(rèn)為苯胺首先在厭氧菌,如苯胺脫硫桿菌的作用下經(jīng)羧基化形成對氨基苯甲酸,而對氨基苯甲酸即可與輔酶A反應(yīng)形成硫酯.

圖4　厭氧降解各階段出水GC-MS總離子流圖Fig.4　The GC-MS spectra of effluent at different stages of anaerobic degradation of aniline aerofloat

表2　厭氧降解苯胺黑藥產(chǎn)物的氣相色譜圖峰Table 2　Comparison of peak areas of gas chromatogram peak relating to the anaerobic degradation intermediates of aniline aerofloat

圖5　苯胺黑藥可能的厭氧降解路徑Fig.5　The proposed degradation pathway of aniline aerofloat under anaerobic condition

3　結(jié)論

3.1 苯胺黑藥在λ=230nm處有吸收峰,在厭氧降解過程中吸收峰逐漸變小.苯胺和苯胺黑藥在紫外光譜中有相同的吸收峰.通過24h的厭氧降解,150mg/L苯胺黑藥的降解效率達到44.18%,COD去除率達到43.75%,且前12h降解效率遠高于后12h.COD與苯胺黑藥降解效率不一致可能是產(chǎn)生中間產(chǎn)物造成的.

3.2 培養(yǎng)0、12、24、48h苯胺黑藥的降解產(chǎn)物通過IC進行陰離子測定,48h后產(chǎn)生了NO3-167.36mg/L,PO43-34.47mg/L, SO42-163.18mg/L,未檢出NO2-,苯胺黑藥中P、S部分轉(zhuǎn)化為PO43-、SO42-.

3.3 苯胺黑藥厭氧降解過程中通過GC-MS檢測得到七種物質(zhì)為苯胺,2,5-二叔丁基苯酚,C13H23Cl3O2、1-二十醇、二十二烷、二十烷及一種譜庫難以比對的未知物.降解途徑為苯胺黑藥降解成苯胺及磷酸鹽,硫酸鹽.苯胺脫除氨基再進一步降解生成2,5-二叔丁基苯酚,再降解為鏈烴類有機物1-二十醇、二十二烷、二十烷.鏈狀烴及醇類因結(jié)構(gòu)中不再含有苯環(huán)其降解難度遠低于苯胺黑藥,極大提高了可降解性.

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生,主要從事水污染防治理論與技術(shù)研究.

Anaerobic biodegradation and mechanism of aniline aerofloat.

CHENG Ya-jie, SONG Wei-feng*, LIN Li-ting, DONG Ming (School of Environmental Science and Engineering, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China). China Environmental Science, 2016,36(4)：1033～1038

Abstract：The degradation pathways and mechanisms of aniline aerofloat in an anaerobic reactor were investigated by UV, IC and GC-MS analysis. The results showed that total aniline aerofloat content of up to 44.18% were degraded within 48hours. N, P and S elements in aniline aerofloat were partially converted into NO3-, PO43-and SO42-, respectively, according to IC analysis. The main degradation intermediates were monitored by GC-MS and determined as aniline, 2,5-bis (1,1-dimethylethyl)-, C13H23Cl3O2, 1-nonadecene, docosane and eicosane. It is proposed that the aniline aerofloat was firstly degraded into aniline, phosphate and sulfate, and was then deaminizated to form phenol, 2,5-bis (1,1-dimethylethyl) and NO3-, which are further degraded to chain hydrocarbons including 1-nonadecene, docosane and eicosane.

Key words：aniline aerofloat；anaerobic；degradation mechanism

作者簡介：程亞杰(1990-),女,河北唐山人,廣東工業(yè)大學(xué)碩士研究

基金項目：廣東省科技計劃項目(2014A020209077)

收稿日期：2015-09-24

中圖分類號：X703.5

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1000-6923(2016)04-1033-06