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1、阴离子表面活性剂对正己烷在生物滤池中降解的影响摘要：通过采用间歇式实验测试了微生物菌膜对三种阴离子表面活性剂的生物降解性和最容易生物降解的表面活性剂对微生物的毒性，并通过比较两个生物滤池研究了增强己烷降解度的最佳SDS浓度。结果表明,SDS可被微生物降解，且在实验范围内其毒性对微生物是微不足道的。在正己烷的生物过滤中SDS的最佳浓度为，在72 g m-3h-1的固定加载速率下消除能力达到50.4 g m-3h-1。当正己烷进气浓度从600mg m-3增加到850mg m-3,BTF2的（含SDS）去除效率从67%下降到41%，BTF1从52%到42%(不含SDS)。在气体空床停留时间为7.5
2、s，入口浓度为200mg m-3的条件下，SDS可以提高己烷去除，从43%(BTF1)到60%(BTF2)。挥发性有机化合物生物滤池临界胶束浓度前言随着人们对挥发性有机化合物排放的公众意识的提高,空气污染最近受到主要关注且成为至关重要的问题。政府和环境机构严格规范这些挥发性有机化合物的排放。可行有效的VOC排放控制策略的发展已成为必然。最可取的控制VOC的排放的选择是一种环境友好型技术。对于VOC和难闻的气体的控制,生物过滤系统的设计和正确运作被认为是具有成本效益的和有前途的技术。此外,与传统的VOC控制技术相比,生物过滤系统更适合去除挥发性有机化合物。生物过滤过程以微生物把挥发性有机化合物转
3、化为二氧化碳、水和生物质能的能力为基础。然而,当用于疏水性挥发性有机化合物,生物过程效果不佳,因为低溶解度和疏水挥发性有机化合物从气相转移到生物膜相的挥发抑制了微生物活动。结果,疏水性挥发性有机化合物的低去除性能，如正己烷和苯乙烯,已被记录在生物过滤系统。因此,提高挥发性有机化合物在生物膜相中的生物利用度将有助于提高这些化合物的生物降解性。提高疏水性挥发性有机化合物的生物利用度的一种方法是把表面活性剂应用于生物过滤器。这归因于,表面活性剂的添加降低表面张力并且形成胶束,从而增加疏水性有机化合物在液相中的溶解度。就这一点而言, 在土壤污染和沉积物方面，人们对表面活性剂进行了广泛的研究。此外, 大
4、多数研究报道,表面活性剂对挥发性有机化合物的气液传质有至关重要的影响。同时也报导了表面活性剂增加疏水性有机化合物的溶解度,导致这些化合物在已污染环境中的生物降解率增强。近年来，在生物过滤系统中,化学表面活性剂用来促进挥发性有机化合物在水中的溶解已经被介绍并研究。此外, 在生物滤池中非离子表面活性剂的使用和研究更为广泛。然而, 在生物过滤系统中，阴离子表面活性剂的利用如十二烷基硫酸钠(SDS)很少在文献中报道。报导指出SDS对微生物是无毒的,也可以被生物降解,这就避免了废液从生物滤池的底部直接排放而导致二次污染。由于从气相传质到生物膜相的限制，正己烷的高疏水性和低生物利用度是众所周知的。一些关于
5、正己烷在不同操作参数下的生物过滤的调查已经被报导。其他研究人员用其他方法解决正己烷的生物利用度,如引入离子表面活性剂或者生物表面活性剂,为真菌提供有利条件,使用两相反应器,利用亲水化合物。本研究旨在检验在生物滤池中引入阴离子型表面活性剂后正己烷的生物利用度和在受污染的空气流中阴离子表面活性剂对提高正己烷降解的潜力。在这工作中,实施了间歇性实验来评估SDS,Tween 20和 Triton x - 100的生物降解性和SDS对微生物的毒性。研究了SDS对正己烷去除性能影响的最优浓度。在有SDS的 BTF2和没有SDS的BTF1，在不同浓度和气体空床停留时间的正己烷蒸汽持续降解过程已经被研究出来了
6、。材料与方法. 化学药品纯度为99%的正己烷(C6H14)作为典型疏水废气被选为目标污染物。从Acros Organics购买98%纯度的SDS标准品。从Sigma Chemical Company购买的Triton X-100 和 Tween 20。表1中列出了它们的结构和性质。矿物盐介质用于此次的间歇式实验。. 实验装置和操作. .间歇式反应生物过滤器成功启动后,间歇式实验从去除生物膜从上至向下进行。将去除生物膜放入250mL玻璃烧瓶，加入100mL的培养液摇晃充分。悬浮液浓度的测量和计算用蛋白质含量表示 (单位:mgprotein L-1)。在135mL玻璃烧瓶中加入一定量的矿物盐介质、
7、表面活性剂(溶于水中,0.1 CMC和1.0 CMC)和1.0mL 的38 mgprotein L-1的生物膜，进行表面活性剂的生物降解性测试(SDS, Triton X-100 and Tween 20)。溶液总体积是20mL。用丁基橡胶塞子塞紧玻璃烧瓶。随后,把这些烧瓶放在150rpm（转每分钟）的旋转震动仪中，在30下培养。对照烧瓶除了不提供SDS, Triton X-100 或者 Tween 20 溶液外条件与样品类似。用100 L注射器提取烧瓶内100L气体的样本，使用气相色谱仪每三天测量一次烧瓶的二氧化碳浓度，如果没有表面活性剂的烧瓶明显比有表面活性剂烧瓶二氧化碳含量低,表面活性剂
8、被认为是可生物降解的。以上进行了表面活性剂的毒性测试和操作过程的描述。所不同的是,易提供碳源和能源(去离子水中每升)的1.0g葡萄糖,0.02 g酵母提取物和0.02克蛋白胨被分别应用于这个实验。然而,对照烧瓶所提供的培养液缺乏SDS。烧瓶顶部空间产生的二氧化碳由气相色谱判定用于评估SDS对微生物的毒性。在SDS烧瓶产生的二氧化碳明显低于对照烧瓶时，SDS被认为是对微生物有毒的。.生物滤池用两个同样的BTF(BTF1和BTF2)并行进行实验。每个生物过滤器都是由一个封闭的树脂玻璃制成，内部直径10厘米,总高度78厘米。四个类似圆柱聚氨酯海绵媒介包装在每个BTF上。每个生物滤池总床体积为3.14
9、 L .包装媒介在包装在BTF之前，要被浸泡到取自污水处理厂活性污泥中作为种子源接种在BTF上。使用计时器定期自动将营养从顶端的生物过滤器以4.5 L d-1 喷洒在滤床来保持媒介湿度。每个BTF上都是正己烷和湿润的空气的气体混合物。气体流量通过流量计来调整。气体随着营养流动方向流动。BTF设置的示意图见图1。BTF成功启动后, 在BTF2培养液中加入一定量SDS而BTF1不加SDS。正己烷平均进气浓度为200mg m-3，空床停留时间设置为30s作为参照条件。为了获得一个最优的SDS浓度,在以72mg m-3 h-1速度下持续通入己烷进行了不同浓度的SDS试验(0.05 CMC, 0.1CM
10、C, 0.3 CMC and 0.5CMC)。随后,由正己烷浓度(600和800mg m-3h-1)和EBRT(30， 15， 7.5 s)对BTF性能的影响测出SDS的最佳浓度。为了确保BTF稳定，操作参数变化之后，每个BTF都要恢复上述参考条件几天时间。. 分析方法气体样品中正己烷浓度的测量使用气相色谱法。二氧化碳浓度的检测用气相色谱法配备了热导检测器(TCD)和TDX-01柱(HRBY Inc .China)。结果与讨论. 表面活性剂的生物降解性两个BTFS启动后，生物膜可在填料介质的表面上观察到。对Triton X-100，TW 20和SDS的生物降解性进行评价和比较。从图 2的结果可
11、以看出，在用SDS烧瓶产生的二氧化碳的含量比不含SDS的控制更多。更重要的是CO2在用SDS浓度为1.0 CMC和在不含SDS对照烧瓶烧瓶的比率比0.1 CMC的高得多。这说明了SDS是由微生物易降解的碳源。从图2也可以看出，二氧化碳并未在0.1 CMC或1.0 CMC的Triton X-100浓度的存在下生产，这表明微生物不能使用的Triton X-100作为碳源。换句话说，TritonX-100是难以被微生物降解。一个可能的原因是，TritonX-100分子具有难降解的部分：芳香环和聚合物氧化乙烯结构。从图2也可以观察到另一个非离子表面活性剂TW 20在1.0 CMC浓度时CO 2的产量的
12、比在Triton X-100更大，这表明高浓度的TW 20也可以由微生物使用。这样的原因可能是该微生物可以摄取足够的碳并在TW 20的高浓度的存在下产生更多的二氧化碳。作者已经证明，Triton X-100几乎不能被微生物降解，而SDS可以被降解为碳源。沃尔茨和沃尔茨（2004）发现利用T20作为其唯一碳源山茱萸大肠菌能更好地成长，这进一步表明，Tween 20可被微生物降解。这些化合物的降解受本身的性质，微生物降解和环境条件的能力影响。表面活性剂性能（电性能，源和分子结构）和微生物活性是关键因素。若干调查表明，阴离子表面活性剂通常是可降解的。适当的、高性价比的表面活性剂的选择对生物反应器的性
13、能是至关重要的。表面活性剂的最重要特征是能够从环境中迅速分解，以防止二次污染，这将是有益的，以更安全地和广泛应用的表面活性剂。从图2观察，SDS拥有的生物降解性是优于其他两种非离子表面活性剂的。因此，考虑到这方面，SDS被选择使用正己烷的BTFS的生物过滤。. 的毒性SDS的毒性试验和生物降解性试验一起进行了。 图3示出不同的SDS浓度对在不同碳源存在的微生物的毒性。如图3所示，在观察到的实验组和对照组的CO 2的比率为大于1时，在烧瓶把蛋白胨和酵母提取物作为容易获得的碳和能量来源，而二氧化碳的比例为接近1时，在瓶中由葡萄糖提供，这表明SDS没有抑制的微生物的活性。它也示出了SDS对微生物的无
14、毒性。在图3中这些显著变化依赖于碳源的属性。该蛋白胨和酵母提取物不仅能提供容易得到的碳源，同时也将氮源等营养物质提供给微生物与仅提供碳源的葡萄糖进行比较。此外，这些化合物可以迅速地由微生物消耗。因此更多的CO2可以在瓶中来制备。总体而言，SDS对于微生物没有毒性，这是另一个重要的特性。 SDS被选为应用于后续实验。. 浓度的优化BTF都用不含SDS的营养液开始实验，正己烷以200mg每立方米平均进水浓度并且EBRT设置30秒，这导致己烷装填速率为24克每立方米每小时,BTF2的性能通过在72克每立方米每小时的恒定装填速率在不同的SDS浓度营养液中的稳态条件下评价。BTF1作为对照组的类似条件下
15、操作，但并不在在营养液中提供SDS。BTF中正己烷浓度每天测量。图4显示了在84天中BTF1和BTF2处理正己烷的情况。在最初的5天两个BTFS的正己烷去除效率（RE）低于60。随后，BTFS的正己烷去除效率逐渐增加，在第11天及12天时分别达到80以上。在第15天，两个BTFS的正己烷去除效率同时达到85而其相应的消除能力（EC）为20.4克每小时，并在接下来的几天里，将BTF1和BTF2的正己烷RE保持在约88- 89之间。这样视为BTFS的成功启动，历时20天。自21日开始BTF2用SDS营养液补充。BTF2在不同的SDS浓度范围从0.05至0.5 CMC中的性能示于图4（b）。图4的结
16、果是在表2中给出。在整个过程中，0.1 CMC SDS浓度下BTF2获得70的最高RE和50.4克每小时每立方米的正己烷EC而对照组BTF1在RE中和EC均低于58和41.76克每小时每立方米。然而，值得注意的是BTF2的去除性能比BTF1的低，当浓度高于0.1的CMC，表明一个竞争性抑制可能在高浓度SDS和正己烷之间发生，因为SDS的生物降解性。其结果是，有关于经正己烷的处理的BTF2生物降解性能产生不利影响（见3.1节）。此外，我们以前在皂苷对正己烷的生物过滤效果的研究中发现皂甙和目标VOC之间的这种竞争性抑制。然而，其他作者解释，表面活性剂浓度的增加导致增加其气相溶液的粘度，所以大众运输己烷和氧气的生物膜受到限制，并因此正己烷的去除性能在生物过滤方面下降。从图4和表2中
