生物活性炭去除水中酰胺類除草劑效能研究.pdf

1、近年來隨著酰胺類農(nóng)藥的大量使用，未被植物吸收的除草劑殘留在土壤中，通過雨水淋溶、地表徑流進(jìn)入水體或直接進(jìn)入飲用水源，對水生生物造成嚴(yán)重危害，對人類健康也存在較大的直接或潛在風(fēng)險，其殘留在我國和美國水體中均有檢出。
　　本課題利用生物活性炭(Biological Activated Carbon, BAC)和超濾(Ultrafiltration, UF)不同的技術(shù)特點，以異丙甲草胺、乙草胺、丙草胺、丁草胺為目標(biāo)污染物，以煤質(zhì)柱狀活性

2、炭、椰殼活性炭和纖維活性炭為生物載體，研究了三種活性炭對除草劑的物理吸附性能及影響因素；BAC在動態(tài)連續(xù)流狀態(tài)下自然掛膜的啟動過程；BAC降解水中酰胺類除草劑效能；生物膜中細(xì)菌群落的結(jié)構(gòu)構(gòu)成；微生物降解四種除草劑的幾種可能降解途徑；纖維 BAC與UF聯(lián)用出水的水質(zhì)安全性。
　　實驗結(jié)果表明，三種活性炭對除草劑均有較強(qiáng)的吸附能力，其中纖維活性炭的吸附能力最高，其次為煤質(zhì)柱狀活性炭，最后為椰殼活性炭，活性炭對四種除草劑的吸附容量的大小

3、順序為：丁草胺＞丙草胺＞乙草胺＞異丙甲草胺。較低的溫度有利于活性炭的吸附，但溫度的變化對四種除草劑在活性炭上的吸附影響不大；pH值對活性炭的吸附效果有較大的影響，在pH=7.5時活性炭的吸附量達(dá)到最大值；活性炭吸附量隨著目標(biāo)物溶液初始濃度的增大而增大。當(dāng)溶液的初始濃度達(dá)到一定值以上時(15mg/L)，活性炭吸附量變化緩慢，接近平衡狀態(tài)。
　　動態(tài)連續(xù)流自然掛膜過程中，在水溫為25-27℃，空床接觸時間為20min，氣水比為1:1的

4、條件下，三種活性炭經(jīng)過53天左右的連續(xù)運行，生物膜生長成熟，高錳酸鹽指數(shù)、UV254、NH4+-N、NO2--N和DOC等水質(zhì)指標(biāo)的去除率也逐漸趨于穩(wěn)定。雖然三種活性炭的性能參數(shù)不相同，但在BAC啟動成功后，它們對高錳酸鹽指數(shù)、UV254、NH4+-N、NO2--N和DOC等的去除率差別不大。生物膜生長成熟后，微生物相十分豐富，主要由細(xì)菌、真菌、原生動物、后生動物等組成。
　　在BAC穩(wěn)定運行過程中，空床接觸時間(Empty Be

5、d Contact Time, EBCT)對 BAC的去除效能影響顯著，當(dāng)EBCT為12-16min，溫度為22-30℃，中性偏堿(pH=7.5)的條件下BAC對除草劑的去除效果最好。BAC炭柱距離進(jìn)水端0-30cm段的炭層去除了總?cè)コ?3-90％的污染物，而距離進(jìn)水端30-50cm段的炭層只去除了總?cè)コ?0-17%的除草劑。BAC中炭層高度與有機(jī)物的生物降解的關(guān)系符合一級反應(yīng)特征，生物活性較生物量更能反映該BAC柱的生化反應(yīng)過程。

6、經(jīng)過對三種BAC的比較分析，選用纖維BAC與UF聯(lián)用。
　　BAC顆粒表面生物膜菌群種類十分豐富，優(yōu)勢菌群為β-變形菌綱(Betaproteobacteria)和紅球菌屬(Rhodococcus sp.)。同時實驗發(fā)現(xiàn)了假單胞菌屬(Pseudomonas sp.)和寡養(yǎng)單胞菌(Stenotrophomonas sp.)兩種菌屬會影響B(tài)AC出水的生物安全性。
　　實驗還鑒定出10種微生物降解除草劑的代謝產(chǎn)物，其中兩種未見報道，

7、分別為2-(二甲基氨基硫代羰基)-N-(2-乙基-6-甲基苯基)-乙酰胺(2-(dimethylamino-thiocarbonylthio)-N-(2-ethyl-6-methylphenyl)-Acetamide)和2-(2,4-二氯苯氧基)-N-(2,6-二乙苯基)-丙酰胺(2-(2,4-dichloro- phenoxy)-N-(2,6-diethylphenyl)-Propanamide)。根據(jù)鑒定出的10種代謝產(chǎn)物推測出微生

8、物降解除草劑基本有三種降解途徑：除草劑在脫掉甲氧基烷基支鏈后，酰胺基的C-N鍵斷裂，脫掉氯乙?；?，在微生物的作用下，N-烷基側(cè)鏈和乙基側(cè)鏈發(fā)生環(huán)化反應(yīng)，形成環(huán)，生成喹啉；除草劑在脫甲氧基烷基支鏈后，氯被其他基團(tuán)所取代，接著芳香基酰基酰胺酶裂解靠近苯環(huán)一側(cè)酰胺基的C-N鍵，脫掉酰基，然后脫胺基生成3-乙基甲苯或在微生物的作用下，乙基被生物降解成乙?；僧a(chǎn)物1-乙?；?3-乙基-2-苯胺；除草劑在脫甲氧基烷基支鏈之后，脫掉乙基，在微生物的

9、作用下，N-乙酰基側(cè)鏈和甲基側(cè)鏈發(fā)生環(huán)化反應(yīng)，形成環(huán)，生成吲哚。
　　纖維 BAC與UF聯(lián)用在貧營養(yǎng)狀態(tài)下除草劑的去除效果較好，污染物的去除主要集中在BAC部分，可同化生物有機(jī)碳（Assimilable Organic Carbon，AOC）除率達(dá)到50%，出水濁度在0.05NTU以下。纖維BAC對除草劑去除率分別為：異丙甲草胺42.2%、乙草胺50.3%、丙草胺70.6%、丁草胺88.6%。UF對除草劑去除率并不高，只有2.5-

10、7.3%。纖維BAC與UF聯(lián)用能有效降低AOC、出水菌落總數(shù)和濁度，提高水質(zhì)的生物穩(wěn)定性。纖維 BAC出水 AOC為59.2μ乙酸碳/L，UF對AOC去除率為10.8%，出水AOC為54.9μg乙酸碳/L。在經(jīng)過 BAC后水中菌落總數(shù)明顯升高，經(jīng) UF處理后，出水菌落總數(shù)為零。
　　UF過程中，除草劑的去除率隨操作壓力的升高而降低，而提高 UF膜操作壓力可以提高膜通量，但操作壓力越大，膜通量的衰減就越嚴(yán)重。溶液初始濃度升高時，除草