吡啶在紫外光輻射下的生物降解
摘要：吡啶是一種難降解的含氮雜環(huán)化合物,難以用單一的生物方法使其有效降解。本研究采用氣升式內(nèi)循環(huán)紫外光輻射與生物膜一體化反應(yīng)器,通過單獨(dú)紫外輻射降解(photolysis,P)、單獨(dú)生物降解(biodegradation,B)以及紫外輻射與生物同步耦合降解(photobiodegradation,P&B)3種方法對吡啶進(jìn)行間歇降解和連續(xù)降解,以比較吡啶的降解規(guī)律。結(jié)果表明,間歇降解過程中,方法P&B對吡啶的降解速率最快,其次是方法B,而方法P的速率最慢。初始濃度為100mg·L-1的吡啶溶液分別采用方法P、B和P&B進(jìn)行間歇降解,其去除速率分別是:4.95、10.2和14.58mg·(L·h)-1。根據(jù)Monod模型求解出吡啶在方法B和方法P&B降解下的動力學(xué)方程,其飽和常數(shù)KS從1920.4mg·L-1下降至1094.1mg·L-1.采用連續(xù)流方式對進(jìn)水濃度分別為50、100和300mg·L-1的吡啶溶液分別采用方法P、B和P&B進(jìn)行降解,其單位體積平均體積去除速率分別是:15.8(P)、23.1(B)和24.9mg·(L·h)-1(P&B),且高于間歇降解方法。研究結(jié)果表明,紫外輻射與生物膜同步耦合,可以緩解吡啶對生物膜的抑制,并且生物仍能保持其降解吡啶的生物活性,從而提高吡啶生物降解的速率。
關(guān)鍵詞：紫外光解，生物降解，生物反應(yīng)動力學(xué)，生物抑制，生物反應(yīng)器
吡啶是一種難降解的含氮雜環(huán)化合物，主要來源于煤炭、炸藥制造、制藥、染料生產(chǎn)等行業(yè)，被廣泛地用作工業(yè)溶劑和農(nóng)業(yè)上的除草劑、殺蟲劑等，它具有惡臭，高水溶性，易揮發(fā)，在地面和地下土壤中普遍存在。吡啶可致畸、致癌、致突變，對神經(jīng)有致毒作用，對眼角膜有損害，可對人體健康和生態(tài)環(huán)境造成較大危害。因此有必要研究含吡啶廢水的處理技術(shù)。
當(dāng)前也有人采用一些高級氧化技術(shù)（advancedoxidationprocesses,AOPs）處理難降解有機(jī)物，包括紫外輻射、臭氧、Fendon'sReagent和光催化等技術(shù),其中紫外輻射是一種簡單、經(jīng)濟(jì)的方法。紫外輻射可使有機(jī)化合物中的C-C、C-N鍵因吸收紫外光的能量而斷裂，同時可產(chǎn)生強(qiáng)氧化性的·OH，使有機(jī)物逐漸降解。Stapleton等用紫外輻射降解吡啶衍生物取得了良好的效果。近年來，有研究表明難降解有機(jī)物在光催化和微生物的聯(lián)合作用下，通過兩者的協(xié)同作用，可以大大提高難降解有機(jī)廢水的處理效率。而以往在利用高級氧化和生物耦合對難降解有機(jī)廢水進(jìn)行處理時，大多是采用分步耦合的方法，即該工藝過程分別在2個單元內(nèi)分步進(jìn)行，以避免高級氧化的產(chǎn)物（如·OH和紫外輻射等）對微生物的毒害，導(dǎo)致微生物失活甚至殺死微生物細(xì)胞。分步耦合存在著一定的局限性，高級氧化過程時間不足，則難以進(jìn)一步地生物降解。而時間過長，則效率下降，成本上升。本研究在將高級氧化和生物降解同步耦合，即紫外輻射下與生物降解在一個反應(yīng)器內(nèi)同步進(jìn)行，以克服分步耦合存在的缺陷。在本研究過程中，選用多孔輕質(zhì)陶瓷作為生物膜載體，讓微生物生長于微孔內(nèi)，同時通過反應(yīng)器的設(shè)計可以避免紫外線的殺傷，使生物膜在紫外線的輻射下仍保持其降解有機(jī)物的生物活性援實(shí)驗(yàn)過程中，以吡啶為對象，分別采用單獨(dú)紫外光輻射降解、單獨(dú)生物降解以及紫外輻射與生物同步降解的方法，以比較吡啶的降解規(guī)律，并試圖證明生物膜在紫外輻射下仍能保持生物活性，同時在紫外光與生物膜的協(xié)同作用下，吡啶的降解速率高于單獨(dú)紫外輻射降解和單獨(dú)的生物降解。通過該方法的研究，以期為紫外光輻射與生物膜同步耦合降解難降解有機(jī)污染物提供理論基礎(chǔ)，同時為難降解有機(jī)工業(yè)廢水的處理提供實(shí)踐依據(jù)。
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