生物表面活性剂强化脱氯菌去除三氯乙烯的研究

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作为一种重要的挥发性有机溶剂,三氯乙烯(TCE)的广泛应用和不合理的处置方式,成为了污染土壤和地下水的主要来源之一。因此,寻找一种降解效率高又无二次污染的修复技术一直备受关注。  由于TCE化学性质非常稳定,一旦进入包气带和地下水,通常会以非混溶残余液相、溶解相、气相等多种形式长时间存在,造成其恢复治理的难度非常大。目前,原位微生物修复技术因其在去除效果、副产物污染、成本消耗和对周围生态环境影响等方面的优势,被各国普遍所采用,但是,微生物修复需要在水溶液中进行,而TCE是典型的疏水性有机污染物,水溶性极低,因此需要借助某种手段解决二者之间的接触问题,于是加入表面活性剂以提高TCE在水中的溶解度的方式应运而生。  然而,表面活性剂的加入在增溶TCE同时,是否还会带来一定的负面影响。因此,选择合适的表面活性剂是疏水性有机污染物增溶修复的关键。筛选表面活性剂时,除了考虑表面活性剂的增溶能力来增加脱氯菌与TCE的有效接触外,还要考虑其本身的毒性、生物可降解性和二次污染等。而目前系统全面地针对不同类型表面活性剂对某一类污染物增溶和降解影响的研究相对较少。  为此,本论文系统全面地研究了阴离子型十二烷基硫酸钠(SDS)、非离子型聚氧乙烯辛基苯酚醚(TX100)、阳离子型十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)及生物表面活性剂鼠李糖脂和脂肽对以TCE为代表的一类污染物增溶作用的机理和对脱氯菌降解过程中相互影响。研究结果为:  1.生物表面活性剂的CMC值和HLB值均要小于化学合成表面活性剂;五种表面活性剂浓度在CMC以上时,TCE在水相中的表观溶解度随表面活性剂浓度的增大而线性增大。质量增溶比(WSR)和摩尔增溶比(MSR)为鼠李糖脂>脂肽>CTAB>TX100>SDS。相比于化学合成表面活性剂,生物表面活性剂仅在较低浓度条件下即可达到提高TCE在水中表观溶解度的目的,其中以鼠李糖脂的增溶能力最强。  2.通过分配损失的测定,确定增溶作用主要发生在有机相中,是表面活性剂分子进入有机相,与TCE分子发生作用,再将TCE分子带入水相中,从而使TCE被增溶。其中,CTAB和鼠李糖脂是增溶平衡实验中在水相分配损失最大的两种表面活性剂,同时它们增溶能力也最强,说明进入有机相中进行增溶的表面活性剂,分配损失越大,其增溶效果越好。根据傅立叶红外光谱图和1H核磁共振谱图可知,由于生物表面活性剂分子结构复杂,一个鼠李糖脂分子或脂肽分子中有多处化学键可以与TCE分子发生作用,则TCE被带入水相中的分子数量越多,表观溶解度就越大,其增溶效果越明显。在化学合成表面活性剂中,与增溶TCE有关的化学键在一个分子中仅有一处,这大大限制了其增溶能力。  3.只有菌存在的体系中,TCE初始浓度为30mg·L-1,在反应24h时,TCE降解率为46.7%,且已经产生了摩尔比为8.2的氯乙烯,4.2的乙烯,同时伴有甲烷和乙烷的释放。但随着反应时间增加,由于TCE向二氯乙烯转化速率最快,造成在100h以内时,四种产物的含量并没有发生很大变化;当反应进行125h,TCE降解率为96.7%,氯乙烯含量开始下降,并且下降趋势越来越明显,较第一天下降45.1%,与此同时,乙烯和甲烷的含量开始上升,说明在这个阶段,反应主要是氯乙烯向乙烯的转化过程,该过程是脱氯菌降解TCE的限速步骤。  4.在加入不同浓度生物表面活性剂条件下,TCE初始浓度为30mg·L-1,0.09g·L-1的鼠李糖脂和脂肽对脱氯菌降解TCE的促进作用最为明显。反应110h时,对于只有脱氯菌的体系,TCE的残留量为1.35 mg·L-1,而存在0.09 g·L-1鼠李糖脂和脂肽的体系中,TCE的残留量分别仅为0.67 mg·L-1和0.72 mg·L-1,降解程度为鼠李糖脂>脂肽。对于两种生物表面活性剂,乙烯、甲烷和氯乙烯的生成量均高于只有脱氯菌降解的情况。在反应288h时,只有脱氯菌降解TCE生成的乙烯摩尔比为4.757,加入浓度为0.01 g·L-1鼠李糖脂和脂肽后对应乙烯摩尔比分别为9.468和7.102,分别提高了99.0%和49.3%。生物表面活性剂虽然在高浓度时会对脱氯菌的生长产生一定抑制,并且也降低了脱氯菌对生物表面活性剂的利用量,但仍优于单独脱氯菌存在时的情况。同时,鼠李糖脂无论是对脱氯菌生长的促进还是脱氯菌对表面活性剂的利用情况,都要优于脂肽。  论文首次全面地研究了不同类型的表面活性剂对TCE这类污染物增溶作用的机理,运用傅里叶红外光谱仪和核磁共振测定仪的表征手段,从分子结构水平上解释了生物表面活性剂增溶TCE的能力要强于化学合成表面活性剂的原因。同时,从多个角度证实了生物表面活性剂对脱氯菌降解TCE的强化作用,这将为实际中应用生物表面活性剂强化脱氯菌修复TCE提供理论支持。
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