硝基苯是一种难降解有毒污染物，其主要存在于肥皂、染料、杀虫剂、除草剂、香料、炸药和树脂等产品制造过程中产生的废水中，该类废水若不经处理直接排放，会对环境造成严重污染〔1〕。目前，对废水中硝基苯化合物最常用的处理方法是厌氧生物法，但该方法存在降解效率低的缺点〔2〕。纳米零价铁（NZVI）因具有粒径小、比表面积大、反应活性高的优点〔3〕，在污水处理和环境修复领域引起了人们的广泛关注。但纳米零价铁易团聚、易被氧化的缺点限制了其在实际工程中的应用〔4〕。本研究采用NZVI和厌氧微生物（AD）组合体系降解废水中的硝基苯，研究了该组合体系对硝基苯的降解效果，考察了影响降解效果的主要因素，并对降解机理进行了探讨。
1 材料和方法
1.1 接种微生物
以石家庄市污水厂厌氧反应池中的污泥作为接种污泥，将其在以葡萄糖和硝基苯组成的培养基基质中进行培养，2个月后得到驯化良好的反应污泥。
1.2 纳米零价铁的制备
1.3 实验方法
将驯化好的厌氧混合污泥加入到500 mL反应瓶中，以体积比1:10加入培养基〔培养基的组成：NH4Cl 0.030 6 g/L、K2HPO4 0.02 g/L、KH2PO4 0.02 g/L、MgCl2 1 g/L、聚丙烯酰胺0.2 g/L、微量元素10 mL/L。微量元素的组成：N（CH2COOH）2 4.5 g/L、COCl2·6H2O 0.12 g/L、NaCl 1 g/L、H3BO3 0.01 g/L、FeCl2·4H2O 0.4 g/L、KAl（SO4）2 0.01 g/L、CaCl2 0.02 g/L、NiCl2·6H2O 0.42 g/L、MnCl2·H2O 0.1 g/L、ZnCl2 0.1 g/L、Na2MoO4 0.01 g/L〕〔8〕。将反应瓶分为3类：NZVI-AD体系、单独AD体系和单独NZVI体系，每组3个平行试样，同时加入一定浓度的硝基苯溶液。将反应瓶置于恒温摇床中，控制转速为150 r/min，温度为35 ℃。间隔10 min取样，经0.45 μm有机滤膜过滤后，进行分析测定〔9〕。
1.4 项目检测及方法
硝基苯、苯胺浓度采用岛津GC-2010气相色谱仪测定〔10〕。仪器参数设置如下：采用FID检测器，进样口温度200 ℃，检测器温度230 ℃，毛细管柱（30 m，0.25 mm，0.25 μm）。载气为氮气，分流进样，分流比10:1。每次进样2 μL。程序升温60 ℃，升温速率5 ℃/min，升温至105 ℃后，以40 ℃/min升温至220 ℃。高通量测序送由上海生工有限公司进行测量。pH由pH测定仪测定。
2 实验结果和分析
2.1 初始pH对组合体系降解硝基苯的影响
在初始硝基苯质量浓度为200 mg/L，NZVI投加量为0.6 g/L的条件下，考察初始pH对组合体系降解硝基苯的影响，结果如图1所示。
图1
从上述反应式可以看到，H+是反应进行的关键。在酸性环境下，NZVI表面易发生腐蚀，大量产生H+,从而会提高硝基苯降解率〔12〕；另外，在厌氧反应初期，体系中产生大量的酸物质，使体系pH下降，也可以大幅度提高对硝基苯的降解效果。在碱性环境下，Fe2+容易与体系环境中的OH-发生反应生成氢氧化亚铁沉淀，这些沉淀物会附着在NZVI表面，降低了NZVI与体系中硝基苯的接触面积，进而降低了硝基苯降解率。
另一方面，在酸性环境下，NZVI会腐蚀产生Fe2+和Fe3+，它们是厌氧微生物生长繁殖的必要元素，会增加体系中厌氧微生物的降解活性，这体现出NZVI对厌氧微生物厌氧降解硝基苯的促进作用〔13〕。
2.2 纳米零价铁投加量对组合体系降解硝基苯的影响
图2
图3
由图2可以看出，各个反应器中的硝基苯浓度基本上都在30~40 min左右下降到最低点，这表明硝基苯降解基本完成。在NZVI投加量在0~0.6 g/L区间内时，随着NZVI投加量的增加，硝基苯降解率依次增加，当NZVI投加量为0.6 g/L时，硝基苯降解率最高；在NZVI投加量在0.6 ~1 g/L区间内时，随着NZVI投加量的增加，硝基苯降解率略有下降但差异不大。
从公式（1）中可以看到，硝基苯和NZVI的物质的量比为1:3，考虑到NZVI不光作为还原剂存在于反应器中，同时还为微生物提供必需的微量元素，因此当硝基苯质量浓度为200 mg/L时，结合实验结果得出，0.6 g/L是NZVI最高效也是最经济的投加值。
另外，实验结果表明，当NZVI投加量为0时，也即单独厌氧微生物体系对硝基苯的降解效率很低，同时降解速率最慢。当NZVI投加量＞0.6 g/L时，在20 min以内，硝基苯去除率很高，而苯胺生成率较低，这是因为NZVI会先吸附硝基苯随后慢慢进行降解〔14〕。
2.3 初始硝基苯浓度对组合体系降解硝基苯的影响
在NZVI投加量为0.6 g/L，溶液初始pH为4的条件下，考察初始硝基苯浓度对组合体系降解硝基苯的影响，结果如图4所示。
图4
2.4 不同体系降解硝基苯的对比
在初始硝基苯质量浓度为200 mg/L，初始pH为4，NZVI投加量为0.6 g/L的条件下，考察单独NZVI体系、单独AD体系和NZVI-AD体系对硝基苯的降解效果，结果如图5所示。
图5
从图5可以看出，NZVI-AD体系的硝基苯降解率比单独NZVI、单独AD体系的硝基苯降解率之和都高，表明厌氧微生物和纳米零价铁之间存在明显的协同作用。
研究〔14〕表明，纳米零价铁的还原作用对厌氧微生物的生物降解有着积极的促进作用，可以为微生物生物降解提供所必须的电子；同时，厌氧微生物维持体系pH稳定，反过来可促进纳米零价铁的还原作用。
2.5 微生物群落分析
图6为不同体系（单独NZVI体系、单独AD体系和NZVI-AD体系）在属层次上的菌落分布。
图6
不动杆菌属（Acinetobacter）对芳香烃化合物具有很好的降解作用，另外其可以进行脱氯反应〔16〕。4组数据中，Acinetobacter的含量各不相同，其中NZVI体系中Acinetobacter占比为7.5%，而空白组仅仅为0.18%，这说明NZVI对于厌氧生物降解硝基苯起到促进作用。丛毛单胞菌属（Comamonas）是主要存在于印染废水中的微生物种群，而硝基苯污染物的来源之一正是印染废水。4组数据中，Comamonas在NZVI-AD体系中的含量最高，占比为8.15%。芽孢杆菌属（Brevibacillus）是一种非常适合降解硝基苯污染物的菌属〔17〕，在空白、NZVI、AD、NZVI-AD体系中Brevibacillus的占比依次为0.52%、3.09%、4.14%、7.48%，可以看出，NZVI-AD体系中的Brevibacillus含量远远高于其他实验组。
综上所述，NZVI-AD体系协同作用主要表现在NZVI的还原性可以增强相应硝基苯降解菌的活性，增强体系中微生物群落多样性，从而使得NZVI-AD体系降解效率极高，不会产生二次污染。
3 结论
（1）采用NZVI-AD体系降解废水中的硝基苯，最佳处理条件：初始pH为4，初始硝基苯质量浓度为200 mg/L，NZVI投加量为0.6 g/L。
（2）NZVI体系、AD体系和NZVI-AD体系对硝基苯的降解率由高到低排序依次为NZVI-AD>NZVI>AD，NZVI和厌氧微生物之间存在着明显的协同作用。
（3）NZVI可以促进协同体系中微生物群落的多样化，同时可使体系中有益于降解硝基苯的菌属明显增加。而厌氧微生物通过厌氧降解产生酸性物质，提高了NZVI表面活性。
（4）本研究以硝基苯降解中间产物苯胺为检测目标，后续应进行最终产物的研究。
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津公网安备 12010602120337号
