化學品在環境中的去除途徑主要有揮發
、水解、吸附和生物降解。由於(yú)苯胺類化學品亨利常數較低，且不含有易於(yú)水解的官能團，揮發和水解並(bìng)非其在污水處理廠中的主要去除過程，而主要是以生化作用去除含苯胺類化學品的廢水。在以生化方法爲主要工藝的污水處理廠中，pH、溫度、微生物活性、活性污泥濃度以及水力停留時間等條件對化學品的去除過程影響較大。因此研究苯胺類化學品在污水處理廠中的歸趨過程，對於(yú)評估其環境暴露，環境風險防控具有重要意義。

 生物降解性測試目前普遍採(cǎi)用經濟合作與發展組織提出的化學品生物降解性測試導則，包括快速生物降解性301、固有生物降解性302和模拟生物降解性303A，利用這種層層遞進的方式來評估其在環境中的歸趨過程。模拟生物降解303A與快速生物降解性測試(301系列)的不同之處在於(yú)測試過程中活性污泥的濃度高低以及活性污泥是否經過馴化等;模拟生物降解303A是更高水平的測試
，更接近於(yú)實際情況，比快速生物降解性301、固有生物降解性302的結果更真實和可靠，能爲評估化學品在污水處理廠的去除和歸趨提供有效的實驗數據。

4-硝基苯胺以及氯代苯胺是一類典型的苯胺取代物，可以通過皮膚以及眼睛滲透進動物體，具有潛在的緻癌以及誘發基因突變的嚴重影響，近年來許多國家将此類物質列爲優先污染物，4-異丙基苯胺主要來源於除草劑異丙隆的合成和代謝，但是關於它們的環境風險影響現在文獻中鮮有報道，因此，本文在303A方法的基礎上著(zhe)重研究瞭(le)不同水力停留時間條件下4-硝基苯胺、4-異丙基苯胺和2-氯-4-硝基苯胺的生物降解性
，探讨瞭(le)這3種化學品的生物降解動力學及降解影響因素，以期爲此類化學品的環境暴露評估以及廢水處理提供基礎數據。 

1、材料與方法 

1.1儀器與試劑

 好氧生化污水處理模拟系統見圖1;液質聯用儀(;TOC分析儀(3100，耶拿，德國);分析天平(MS105DU，梅特勒，瑞士);高速冷凍離心機;水質多參(cān)數測(cè)定儀(HQ40d，哈希，美國);純水器。

A.貯存罐;B.進(jìn)水泵;C.曝氣(qì)罐(4.5L);D.沉降池(2.3L);E.回流泵;F.收集罐 

圖1好氧生化污水處(chù)理模拟系統(tǒng) 

4-硝基苯胺(CAS:100-01-6，分析純(chún));4-異丙基苯胺(CAS：99-88-7，分析純(chún));2-氯-4-硝基苯胺(CAS:121-87-9，分析純(chún))均購(gòu)自百靈威化學
。甲醇(色譜純(chún)，MerckKGaA)。

 實驗中的活性污泥採(cǎi)自南京某生活污水處理廠(chǎng)的曝氣池。

1.2好氧生化污水處理模拟實驗方法

 生化污水處理模拟系統(如圖1)放置於(yú)室溫(25℃±0.2℃)避光環境中，将活性污泥懸浮液(3g·L-1)接種於(yú)曝氣罐中，開啓電源及曝氣泵，連續充氧。並(bìng)加入适量合成污水(牛肉浸膏11g·L-1，蛋白胨16g·L-1，尿素3g·L-1，NaCl0.7g·L-1，CaCl2·H2O0.4g·L-1，MgSO4·7H2O0.2g·L-1，磷酸氫二鉀2.8g·L-1)作爲提供活性污泥生長的能源。

 實驗期間不斷向貯存罐中加入含苯胺類化學品和合成污水
，保持進水苯胺類化學品的濃度爲1mg·L-1且溶解性有機碳濃度爲100mg·L-1。開啓進水提升泵和污泥回流泵，初始實驗溶液以420mL·h-1的流速進入曝氣罐中，平均水力停留時間(HRT)約爲11.2h，污泥停留時間爲8d。當化學品去除率達到穩定後，調整進水泵轉速改變(biàn)水力停留時間(6、12和24h)繼續測試
。實驗期間，每天測定曝氣罐中活性污泥懸浮固體的濃度，並(bìng)定期去除回流的剩餘污泥，使污泥濃度穩定在3g·L-1。

 實驗期間，定期取進水及出水各10mL，過0.45μm濾膜，加200μL0.1mol·L-1鹽酸酸化去除水樣中無機碳後，用TOC分析儀測定DOC，每個樣品3個平行。使用水質多參(cān)數測定儀測定曝氣罐中pH、溶解氧(DO)。從曝氣罐中收集100mL污泥，高速離心機(10000r·min-1)離心5min後棄去上清液，将下層污泥團稱重後置於(yú)105℃中烘幹、稱重，差值法計算混合液中的懸浮固體含量。

 LC-MS/MS方法：取進水、出水以及回流污泥樣品，加入等體積的甲醇超聲25min後過0.22μm濾膜後，採(cǎi)用電噴霧離子源、負電離模式
、多反應離子監測(cè)掃描定量分析目标物。氣簾氣壓350000Pa，噴霧氣壓379214Pa，輔助加熱氣壓413688Pa，源溫度450℃，離子化電壓5500V。選擇ZORBAXEclipsePlusC18Column(150mm×2.1mm，3.5μm，Agilent，USA)分離樣品。流動相2mmol·L-1甲酸铵水溶液(A)和乙腈(B)，以0.5mL·min-1流速進行梯度洗脫，進樣量5μL，梯度洗脫條件見表1。

1.3生物降解動力學實驗方法

 模拟實驗結束時，此時活性污泥已對苯胺類化學品完全适應，從曝氣罐中取200mL活性污泥懸浮液，使用高速冷凍離心機(5000r·min-1)離心5min後棄去上清液，然後用去離子水重新溶解污泥團，充分混勻分散後重複上述步驟3次，從而盡可能地完全洗滌污泥中的污染物，用去離子水将潔淨的污泥配制成3g·L-1的懸浮液。向其中添加3種苯胺類化學品，濃度爲1mg·L-1，持續攪拌培養，確(què)保溶解氧達到2mg·L-1以上，在36h内定時取樣並(bìng)測定污泥懸浮液中的化學品濃度。

2、結果與讨論 

2.1生化污水處理模拟系統運行情況 

活性污泥中含有大量微生物，微生物活性對化學品生物降解性結果影響明顯。模拟系統中DOC去除率，是反映微生物活性以及系統是否運轉正常的重要指标，不同HRT(6、12、24h)對系統DOC去除的結果見圖2。HRT爲6、12和24h時，系統DOC平均去除率從70.2%依次增加到80.3%、88.3%。HRT較短時，化學品與微生物接觸(chù)時間較短，還未充分生物利用就被排出系統，增加HRT可以推進化學品的降解;但是實際污水處理廠(chǎng)中，需根據進水量、進水水質、處理能力、運行成本等多方面因素綜合設定合适的HRT。

圖2不同水力停留時(shí)間(jiān)下的DOC去除率 

污水處理廠曝氣池pH是影響生物降解性的重要影響因素，pH過高不利於(yú)污泥生長(zhǎng)，還會破壞新生的污泥;pH值過低時菌膠團生長(zhǎng)受到抑制，而真箘生長(zhǎng)占據優勢，污泥絮體将遭到破壞和污泥膨脹等
。通常在好氧生化反應池中，能降解硝基苯類化合物的優勢菌屬合适的pH爲6.5~8.5，由圖3可見，本模拟實驗曝氣罐中pH維持在6~8，适宜開展苯胺類化學品的生物降解研究。

 在好氧生化反應池中，溶解氧是反映一個好氧系統生物活性能力的重要參數，溶解氧濃度要達到2mg·L-1以上時，才能爲好氧菌群提供充足的氧。如圖3所示，實驗期間，氧化罐中溶解氧初始值爲4.4mg·L-1，随著(zhe)系統穩定運行後逐步穩定在8.5mg·L-1，由於(yú)本模拟系統較小，通過連續曝氣，溶氧濃度較易控制
。

圖3實驗過(guò)程中溶解氧和pH變(biàn)化 

2.2 HRT對苯胺類化學品去除率的影響

 在好氧生化污水處理模拟系統中，HRT是影響化學品去除率的重要因素，它是可以人爲調控的關鍵參(cān)數。HRT過大會使有機質過度增長從而對微生物産生聚集和毒性影響，HRT過短會導緻細箘分散沖蝕，因此有必要通過實驗研究獲取合适的水力停留時間，從而維持系統的穩定運行以及準確(què)的化學品去除率。

 實驗期間，通過調節水力停留時間(12、24、6h)，分析進、出水苯胺類化學品的去除率。結果顯示見圖4，初始HRT設置爲12h時，3種化學品12~15d去除率非常低，其中2-氯-4-硝基苯胺和4-硝基苯胺去除率基本爲0，4-異丙基苯胺去除率約爲15%。實驗開始21d後，3種物質開始有瞭(le)明顯的去除，其中2-氯-4-硝基苯胺去除率不穩定，在0和15%之間波動;4-硝基苯胺去除率從28%上升到88%，平均去除率約爲64.7%;4-異丙基苯胺去除率從30%上升到98%，平均去除率約爲76%。這3種化學品出現較長(zhǎng)的降解停滞期(12~15d)，在此期間，微生物可能需适應此類化學品，同時也可能是降解優勢菌種的生長(zhǎng)對數期。

 實驗開始34d後，将HRT由12h調(diào)節爲24h，4-硝基苯胺去除率增加並(bìng)維持在69%~89.4%;4-異丙基苯胺去除率上升到79%~99%，它們的平均去除率分别爲75%和91%。2-氯-4-硝基苯胺去除率仍然很低，去除率約爲11%。

 實驗開始62d後
，将HRT由24h調(diào)節爲6h，4-硝基苯胺去除率降低到55%，此後去除率在35%~56%範圍波動，平均去除率爲48%。4-異丙基苯胺去除率降到59%，此後去除率在48%~75%範圍波動，平均去除率爲66%。2-氯-4-硝基苯胺在HRT爲6h時，去除率低於(yú)15%。

 分析可知，當微生物适應3種苯胺類化學品後，HRT爲12h和24h時，4-硝基苯胺和4-異丙基苯胺的平均去除率均可達(dá)到80%;HRT爲6h時，4-硝基苯胺和4-異丙基苯胺去除率明顯降低，且去除率穩定性降低;2-氯-4-硝基苯胺則在所有條件下都未觀察到明顯的去除。本研究表明在好氧污水處(chù)理系統中，HRT爲24h時可以有效且穩定去除苯胺類化學品。

圖4苯胺類(lèi)化學品在不同水力停留時間(jiān)的降解速率曲線 

亨利常數(H)可用於(yú)表征化學品在水氣界面之間的分配過程，根據Whiteman雙阻力理論，當化學品H=2.5Pa·(m3·mol)-1時，化學品從水相遷移到氣相時
，水相的阻力爲氣相阻力的十分之一，揮發速率可以忽略。4-硝基苯胺、4-異丙基苯胺以及2-氯-4-硝基苯胺H分别爲0.035、0.5和9.67×10-4Pa·(m3·mol)-1，它們的H遠小於(yú)2.5Pa·(m3·mol)-1，因此在曝氣過程中的揮發性損失可以忽略
。當化學品吸附系數(lgkoc)大於(yú)3.3時，化學品可能會明顯地吸附於(yú)污泥中並(bìng)随剩餘污泥排出系統，4-硝基苯胺、4-異丙基苯胺以及2-氯-4-硝基苯胺的lgkoc分别爲1.64、2.53、2.25，不具有明顯吸附性
。此外，有文獻提到自然界中的硝基類芳香化合物以及2-氯-4硝基苯胺隻有通過人工催化發生光氧化反應，並(bìng)且自發的光降解反應對污染物去除的貢獻值極低，好氧生化污水處理系統位於(yú)較暗的室内環境，因此由光照引起的化學品輕微的降解可以忽略。綜上，可以初步確定本研究中3種化學品在系統中的去除主要源自於(yú)生物降解。

 2.3苯胺類化學品的生物降解動力學

 模拟生物降解性303A實驗方法隻能得到化學品的去除率結果，無法得到化學品生物降解速率和降解動力學信息，而該信息在化學品風險評估中可用於(yú)評估環境暴露水平。本研究使用模拟實驗中已經完全馴化和适應的活性污泥測定過的3種苯胺類化學品的生物降解動力學參(cān)數。由圖5降解曲線可知，4-硝基苯胺和4-異丙基苯胺易降解，36h後生物降解率分别爲80%和98%;2-氯-4-硝基苯胺生物降解速率極低，36h後生物降解率爲20%。

圖(tú)5三種化學品的降解動(dòng)力學曲線

 化學品降解通常遵循一級動力學方程，表2列出瞭(le)按照一級動力學方程拟合的3種化學品的動力學去除方程、降解速率常數以及半衰期。3種化學品一級動力學曲線拟合相關性均在0.95以上。4-異丙基苯胺、4-硝基苯胺和2氯-4-硝基苯胺在好氧生化活性污泥中的降解半衰期分别爲6.01、16.16和123.75h。有研究表明，在好氧條件下适當(dāng)濃度的硝基芳香化合物可以發生降解，Khalid等通過混合培養不動杆菌等3種微生物去除染料廢水中4-硝基苯胺，發現初始濃度爲100μmol·L-1的4-硝基苯胺在72h内可完全去除，楊彬等研究也表明4-硝基苯胺在好氧條件下具有較高的降解速率，與本研究結果一緻。

表2三種化學(xué)品動(dòng)力學(xué)方程、降解速率與半衰期

OECD303A實驗模拟瞭(le)真實的生物質與受試物濃度，能客觀評估苯胺類化學品在污水處理階段的歸趨，通常3g·L-1的活性污泥濃度是好氧降解條件下微生物的高濃度
，而在地表水等其他環境中微生物濃度遠遠低於(yú)此濃度。有研究認爲化學品生物降解速率正比於(yú)微生物的細胞數量，因此也可據此将本研究中化學品在好氧活性污泥中的降解速率外推獲得在地表水等環境中的生物降解速率。

 2.4苯胺類化學品取代基對生物降解性的影響

 有機化合物的結構決定瞭(le)其在環境中的生物降解性。苯胺是易於生物降解的化學品
，本研究中3種取代苯胺所含的官能團有—NO2、—Cl和異丙基，它們的生物降解速率從高到低依次爲，4-異丙基苯胺>4-硝基苯胺>2-氯-4-硝基苯胺。通過定量結構與生物降解性關系研究發現，異丙基對化學品生物降解起著(zhe)積極的作用，而—NO2、—Cl等基團吸電子能力強，會降低微生物中酶的活性，阻礙化學品的生物降解性。因此
，4-硝基苯胺的生物降解速率比4-異丙基苯胺小。2-氯-4-硝基苯胺未發現明顯的生物降解也是因爲苯環上同時引入氯原子及硝基2個吸電子基團後，苯環電子雲密度減小，導緻微生物及相關酶的親電攻擊性減弱，此外由於碳-氯鍵的牢固性，使得此類物質難以降解。化學品自身組成對它們生物降解性的影響有待進一步研究。

 此外，—NO2、—Cl等基團對微生物還有一定的毒性作用，本研究中添加的實驗濃度較低(1mg·L-1)，避免瞭(le)較高濃度下對微生物産(chǎn)生的毒性抑制作用，因此本研究中得到的苯胺類化學品的生物降解結果更能反映它們在真實環境條件下的情形。

3、結論

 (1) 提高HRT可推進DOC以及苯胺類化學品的去除。HRT爲6、12和24h時，系統DOC去除率依次爲70.2%、80.3%和88.3%;4-硝基苯胺去除率分别爲48%、64.7%和75%;4-異丙基苯胺的去除率分别爲66%、76%和91%。2-氯-4-硝基苯胺在不同HRT條件下，較(jiào)難去除，去除率平均值低於(yú)20%。

 (2) 4-硝基苯胺、4-異丙基苯胺和2-氯-4-硝基苯胺的降解符合一級動(dòng)力學方程，回歸系數皆大於(yú)0.95，生物降解半衰期分别爲6.01、16.16和123.75h。

 (3) 苯胺類化學品取代基對(duì)好氧生物降解性影響明顯，異丙基對(duì)降解有積(jī)極作用，硝基和氯原子等基團抑制生物降解。

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