UASB厌氧生物反应器中的苯胺和对氨基苯磺酸下在反硝化条件下的命运Raquel Pereira, Luciana Pereira*, Frank P. van der Zee, M. Madalena Alves文章信息文章历史：收稿2010年3月31日在收到经修订的形式2010年6月22日2010年8月15日网上提供2010年8月25日关键词：生物降解芳香胺厌氧生物反应器脱氮摘要我们用两个升流式厌氧污泥床（USAB）去调查苯胺磺化酸在脱氮条件下的命运。用料是由包含苯胺和对氨基苯磺酸的废水和挥发性脂肪酸所组成的。挥发性脂肪用作初级电子接收器。反应器1中包含一定化学计量数浓度的硝酸盐，反应器2中包含一定化学计量数的硝酸盐和亚硝酸盐混合物作为最终电子接收器。反应器1的结果证实了苯胺在脱氮条件下会被降解，但对氨基苯磺酸会保留。在反应器2中的流入溶液，由于亚硝酸盐的存在，促使了一个化学反应使芳香胺快速消失，同时生成一些黄色溶液。对流入溶液进行HPLC分析，显示出3个产物峰，主要的一个是在滞留时间（Rt）为14.3min，两个次要的是在Rt为17.2和21.5min。在污水中，Rt为14.3和17.2min的峰的强度十分低，而21.5min处的峰却增加到3倍。根据质谱仪分析，我们提出一些和产物相似的一些化合物的结构，这些化合物主要都是含氮化合物。脱氮活性鉴定显示出生物量是需要去适应有色产物的。但是经过3天的迟滞期，活性会恢复，甚至最终的N2和N2O产量比对照组还要高。1 介绍芳香胺是一种重要的工业化学物品。它在自然界中是一种重要的资源，同时也是工业化学中重要的产品。在油品精炼，多聚物分析，染料，粘合剂，橡胶，配药学，杀虫剂和炸药等领域有着重要的作用。他的范围包括从最简单的苯胺到复杂的共轭芳香烃或是杂环结构和多重置换产物。在有氧情况下，微生物会通过还原切割氮氮双键来生物分解含氮化合物从而产生芳香胺。（(Pinheiro et al., 2004; van der Zee and Villaverde, 2005）由于传统的污水处理技术不能处理它，不可避免的，它会保留在污水中，在处理过程中它潜在的毒性也需要考虑进去。因为大量的磺化含氮染料正在被应用，大量的磺化芳香胺会在有氧条件下形成，这些产物不能被轻易地分解，因此它是没有被处理的COD中的重要组成部分。对于有氧生物降解芳香胺现在有着大量的研究。（(Brown and Laboureur, 1983; Pinheiro et al., 2004; van der Zeeand Villaverde, 2005)，但是这些研究不能被应用于所有的芳香胺。特殊的磺化芳香胺是很难被降解的。（(Razo-Flores et al., 1996; Tan and Field, 2005; Tan et al., 2005)）芳香胺在通常情况下很难被有氧分解。在很多被测试的不同的芳香胺中，只有很少的一部分被降解。其中一些被羟基和羧基取代的样品中，在蚁酸化和硫酸盐还原的情况下可以被分解。通过有氧降解来分割含氮化合物，从而来降解芳香胺有一条缺点是一旦暴露在氧气中，他们倾向于自动氧化。由于自动氧化通常会使化合物扩大，它们的生物降解性也会有所降低。硝酸盐可以替代氧气作为电子接收器。实际上，很多生态系统是处于缺氧环境下的，例如水体沉积，分层的湖泊，湿地或一些土壤层。在这些环境下，微生物会用像硝酸盐，铁，硫酸盐，锰和碳酸盐一样的化合物作为电子接收器。至少有一些芳香胺可以和硝酸盐还原反应使它们被降解。(Hyung-Yell et al., 2000;Wu et al., 2007; Vazquez-Rodr?guez et al., 2008)更多的，在我们实验室之前的研究中指出，硝酸盐化合物的存在不会造成含氮染料的自动氧化。用硝酸盐的进一步有趣现象是，第一步的脱氮反应产生亚硝酸盐，有一种化合物会和芳香胺反应，会产生脱氨基作用，因此使芳香物有更高的生物降解潜能。考虑到环境中含氮染料的生物降解性，可以清楚的知道芳香胺的命运在脱氮的条件下有着很大的重要性。在这项工作中，两个UASB生物反应器在脱氮情况下运作。反应器1中用硝酸盐，反应器2中用硝酸盐和亚硝酸盐作为电子接收器，苯胺和磺化酸的命运会在下面描述。2 材料和方法2.1 化学物质芳香胺，苯胺和磺胺酸（SA）是从sigma Aldrich买到的，它们有着很高的分析纯度（99%）。图1表示了它们的化学式。硝酸钠和亚硝酸钠是从Riedel-de-Haen买的。用来准备养的化学物质是从Sigma, Fulka and Panreac买的。用于HPLC分析的醋酸氨和甲醇（99.9%）是从Sigma 和 Fisher科技中心得到的。2.2 矿物质媒介基础媒介包括（Mg/L） NH4Cl (4750), KH2PO4(1300), CaCO3 (270), MgSO4$7H2O (500), FeCl2$4H2O (2000),H3BO3 (50), ZnCl2 (50), CuCL2$2H2O (38), MnCl2$2H2O (409),(NH4)6Mo7O24$4H2O (50), AlCl3 (49), CoCl2$6H2O (2000),NiCl2$6H2O (92), Na2SeO3r5H2O (164), EDTA (1000) and HCl 37%（1 Ml/L)2.3 实验设置图2绘出了实验装置简图。2个反应器的直径是2cm，高是83cm。反应器由5.09 +（-） 0.21gvss/L 的粒状生物量，能用到的体积是0.28L。一个双重轨道蠕动泵被用来首先填充反应器，以一定的流速（0.28L/d）。在整个过程中，两个储存在4的流入溶液是从两个5L的容器中流出的。另一个以流速为9.6L/d的双重轨道蠕动泵使反应器内溶液循环流动。2.4 芳香胺生物降解表2表示了在不同的氧化还原反应条件下用于研究生物降解苯胺和磺化酸的USAB的研究方法。两个容器都被分析用的包含养料和多余酵母的废水所充满。苯胺，磺化酸和可挥发的脂肪酸（VFA，200mgCOD/L，COD是指以比率为1：1：1的醋酸盐，丙酸盐和丁酸盐配置）。两个容器中流入溶液的COD含量为300mgCOD/L。根据在氮化条件下有机物转化的质量守恒，氧化这些COD需要7.5mM的硝酸盐或12.5mM的亚硝酸盐。两个反应器的条件是相似的，除了反应容器1有化学计量浓度的硝酸盐（7.5mM），反应器2有6mM的硝酸盐和2.5mM的亚硝酸盐的混合物。亚硝酸盐在反应器2中有着很低的浓度，因为亚硝酸盐有着一定的毒性。不同状态（表2）下反应器的操作反应出3种参数的调试：流入溶液的PH，流入溶液VFA的浓度和芳香胺的加入量。状态1下流入溶液的PH被设为7，但在以后的状态下PH降到了4.8，这是为了防止在脱氮过程中容器中的PH超过最适宜的PH范围（7-9）。在状态2b下，流入溶液中VFA的浓度增加，这样可以对应在状态1和2a下废水中较高的硝酸盐和亚硝酸盐混合物的浓度。状态3下流入溶液仅含有SA，目的是单独地研究这种化合物。最后，状态4的条件跟状态3相似，只是，状态4是用一种分批研究方式。在反应器处理方法是，每隔两天，1mL的样本会从流入溶液和废水中回收回来，然用0.2mm的Acrodisc过滤它们。我们用高表现性的液体色谱图（HPLC）来观察胺的浓度，用离子色谱图来观察硝酸盐和亚硝酸盐。我们用标准的SM5220C（对600nm吸收度的修正来取代titulation）来测量COD。我们用Orion-Model 720 A的PH测量仪来每日检测PH。2.5 HPLC分析我们用反面状态的NucleosilMNC18（300mm*4.6mm, 5 mM的颗粒尺寸，小洞是100*10-10的大小）反应柱来做HPLC分析。流动状态下的溶液系统是由一下溶液组成：溶液A（甲醇），溶液B（PH为7的磷酸钠缓冲液）。化合物在以下条件下洗提：在室温下，用A溶液从10%到80%,以流动的线性梯度以0.8ml/min的流速来洗提，超过45min。对苯胺的观察是在230nm条件下，磺化酸248nm，反应器2中的有色产物是在350nm条件下。在流入溶液和废水中对芳香胺的鉴定是用滞留时间来判定的。（Rt）2.6离子图谱分析对硝酸盐和亚硝酸盐的监测是使用IC-DIONEX（25miuL环的手动注射器，一个层柱DIONEX ION PAC AS4A(4 mm * 225 mm），一个获得器和VarianWS-Worstation 程序的数据处理系统。用H2SO4作为再生溶液。（25mM）以流速为1.5mL/L的1.80mMNa2CO3 和 1.70mMNaHCO3混合溶液来洗涤这些化合物。压力为49.21 Kg cm-3。用校准的图像来测定计算硝酸盐和亚硝酸盐的浓度。C = 7.58 e-4 AU and C = 6.51 e-4 AU。C是浓度，AU是特定单位的图谱面积。2.7 ESI-离子探测系统ESI质谱仪系统是一种LCQ质谱探测系统。它由点喷射资源系统组成，1.3版本的Xcalibur软件驱动。运用ESI的正负离子模式，我们会用以下的条件：细管加热器为350，电压为4.5Kv。用氮气作为保护和辅助气体。保护气体流速为80规定单位，辅助气体流速为20规定单位。质谱仪的范围是质量/电荷数50-1102.8分批实验我们用分批测量来测试活性。我们用一个70ml的玻璃瓶子。其中60ml为液体。实验被分成3份。这三分包括反应器中的流入溶液和污水，一个没有物质的对照组和一个只有醋酸盐的对照组。规则是用14 mM的硝酸盐和8.75 mM的醋酸盐作为电子接收器。瓶子由5ml的脱氮沉淀物组成。(5.09 +- 0.21 gVSS/ L)，由束缚盖来封闭，头部位置用100%氦气填满。每90min用压力传感器来探测压强。当压力稳定时结束这个实验。我们用Pye Unicam GC-TCD气体图谱来探测反应后产生的气体（N2, N2O,CO2 和 CH4）氦气被用作携带气体（30 mL /min)，注射和感应端口的温度为110。最小的探测量为0.1mM。硝酸盐和亚硝酸盐的还原产量比率用以下的方法计算：% N-恢复率= (N2 + N2O)产生量/(NO3 2- + NO2-)减少量 *100%。3 结果和讨论3.1 感应器1中的芳香胺降解图像3A表示了反应器1中流入溶液和污水的苯胺和SA在6个状态下的反应结果。苯胺的移除在所有的反应状态下都很高，尽管当硝酸盐的消耗量增加时苯胺的量有一定的增加。实际上，在状态1和2B下，污水中硝酸盐的浓度比预期的高，分别是3.93 +- 0.70 mM 和 3.77 +- 0.57 mM。这可能是由于原料的减少。在状态1下苯胺的移除率是80%，状态2a下是88%。为了增加硝酸盐的移除率，流入溶液中VFA的量从200增加到300mgCOD/L。（状态2b）逐渐的，污水中硝酸盐的浓度减少到2.03 +- 0.44 mM，有着54%的消耗。在这种状态下，苯胺的移除率增加的95%。在状态2c，400mgCOD/L VFA下，硝酸盐和苯胺的移除基本完成，在任何状态下都不存在磺化酸的消耗。由于脱氮反应是一种增加PH的过程，在状态1下污水的PH增加到8.5 。一旦PH的数值超过理想范围（7-8），这对细菌会有害，因此状态1下流入溶液的PH会被降到4.8 。从那以后，污水的PH被保持在低于8 。在所有状态下反应器1中COD的移除率是60%-70%。只有在状态3的起始阶段急剧降到40%。对像USAB这样的高速率反应器的应用，被证明可以高速和有效的去处理有着有毒芳香的污水。(Donlon et al.