2. 总装备部后勤部防疫大队, 北京 100101
2. Epidemic Prevention Team of The General Equipment Logistics of PLA, Beijing 100101, China
偏二甲肼(UDMH)热值高、比推力大、燃烧性能好、储存方便，是目前被广泛应用的液体推进剂。同时UDMH是一种易燃、易爆的高毒物质[1-4]。在世界航天史上，因火箭或航天器坠落引发未燃烧液体推进剂泄露到田野、河流湖泊等天然水体中的事故已多次发生，造成生态破坏或环境污染，并影响周边居民健康。目前UDMH泄露的应急处理主要是氯化法。但次氯酸钠和二氧化氯本身具有较强的毒性和腐蚀性，且处理过程中会生成N-亚硝基二甲胺、甲醛等二次污染物和一定量刺激性气体，特别是N-亚硝基二甲胺属于强致癌污染物[5]。
迄今为止，生物降解方法几乎能够降解目前所有的有机物，且生物法反应过程温和、安全，无二次污染，处理效果佳。王力等[6]驯化好氧活性污泥处理UDMH废水；夏本立等[7]用膜生物反应器(MBR)处理UDMH废水；刘渊等[8]用酸性氧化电位水-膜生物反应器(EOW-MBR)组合工艺处理UDMH废水，均已取得很好的效果[6-8]。但这些方法需要一定的场地和设备，在应对UDMH的泄露以及一些突发事故时，无法使用，而目前也没有其它更好的解决办法。基于此，以实验室保存多株UDMH降解菌为基础构建复合菌群，探索一种应对UDMH泄露到水体中的生物降解技术。
2 实验 2.1 菌种来源及菌群构建菌种：实验室保藏UDMH降解菌M11、M12、M18，已经国家微生物菌种保藏中心保藏，保藏号分别为CGMCC NO.5185、CGMCC NO.5186、CGMCC NO.5187。
菌群构建：通过对M11、M12、M18随机组合，以UDMH降解率为指标，筛选降解效果最好的菌群，命名为FYD。
2.2 试剂及仪器试剂：UDMH(纯度＞98%)，青海黎明化工厂；氢氧化钠，北京化工厂；盐酸，北京化工厂；肉汤培养基，北京奥博星生物制剂有限公司。
仪器：TU-1901双光束紫外分光光度计，北京普析通用仪器有限责任公司；HZQ-C空气浴振荡器，哈尔滨东联电子技术开发有限公司。
2.3 分析项目及检测方法依据《航天推进剂水污染物排放标准》 (GB14374-1993)，对降解出水进行了较为全面地检测，具体检测项目和方法见表 1。检测水样用0.22 μm微孔滤膜过滤预处理。
|
表 1 分析项目与方法 Tab.1 Analysis projects and test methods |
UDMH降解率计算公式为：
| $ p = \left( {1-\frac{{{S_t}}}{{{S_0}}}} \right) \times 100\% $ |
式中，p为UDMH降解率；S0为UDMH初始浓度，mg·L-1；St为t时刻UDMH浓度mg·L-1。
菌液浓度用比浊法，分光光度计600 nm测定菌悬液的吸光度(optical density)，即OD600计菌液浓度。
2.4 实验方法将菌群菌液按1%(V/V)(OD600=1.0)接种量，接种到pH值7.2，UDMH初始浓度50 mg·L-1的水溶液中，摇床转速140 r·min-1[9]，分别置于20, 25, 30, 35, 40 ℃条件下，72 h后测其降解率。考察温度对菌群降解UDMH的影响。
最适温度、摇床转速为140 r·min-1，将菌群菌液按1%(V/V)接种量，接种到UDMH初始浓度50 mg·L-1水溶液，用4 mol·L-1的HCl或4 mol·L-1的NaOH溶液调节水溶液的pH值分别为5.6、6.4、7.2、8.0、8.8，72 h后测定其降解率。考察溶液pH值对菌群降解UDMH的影响。
最适温度、pH，摇床转速140 r·min-1，将菌群菌液分别按0.1%、1%、2%、5%、10%(V/V)的接种量接种到UDMH初始浓度为50 mg·L-1的水溶液中，72 h后测其降解率。考察接种量对菌群降解UDMH的影响。
最适温度、pH、接种量，摇床转速140 r·min-1，将菌群菌液接入UDMH初始浓度分别为30, 50, 80, 100, 120 mg·L-1的水溶液中，72 h后测其降解率。检验菌群对UDMH的耐受性，分析不同UDMH浓度下的降解效果。
在上述单因素实验的基础上，对各因素进行正交优化设计，通过极差方差分析，最终确定菌群FYD降解UDMH的最佳条件。
3 结果与讨论 3.1 复合菌群降解UDMH的影响条件 3.1.1 温度对菌群FYD降解UDMH的影响不同温度下的降解情况见图 1。从图 1中可以看出，该菌群在25~35 ℃之间均能很好地生长，且降解率均在90%以上。但低于这个温度范围时，降解率急剧下降，20 ℃时降解率仅为81.40%。这是由于温度过低，酶的活性低，导致降解速率低。40 ℃时降解率最高，为98.56%，但菌体的最大生长量却在35 ℃时，24 h测定的不同温度下的OD600值见表 2。另外，40 ℃时UDMH 24 h降解率即达到93.22%，此后降解缓慢。综上分析，推测由于UDMH沸点较低，仅为63 ℃，在40 ℃时，UDMH大量挥发，因此UDMH的降解率很高，而细菌由于缺乏氮源，增殖受限，生长量很小，并未发挥菌群的降解作用。
|
图 1 温度对菌群降解UDMH的影响 Fig.1 Effect of temperature on UDMH degradation rate of flora FYD |
|
|
表 2 不同温度下菌密度值 Tab.2 OD600 under different temperatures |
在不同pH值下的降解情况见图 2。从图 2中可以看出，菌群对pH适应范围很小，仅在7.2~8.0的范围内降解率高于90%。pH小于7.2或大于8.0时，UDMH降解率迅速下降，pH=8.8时降解率为84.20%，pH=5.6时仅为67.75%。在pH=7.2时UDMH降解率最高，为97.58%。
|
图 2 pH值对菌群降解UDMH的影响 Fig.2 Effects of pH on UDMH degradation rate of flora FYD |
不同接种量下的降解情况见图 3。从图 3中可以看出，在反应的前12 h，接种量越大，降解速率越快；但12 h后接种量较大的5%、10%实验组，比降解速率下降；24 h后，接种量为1%、2%的实验组UDMH降解率已高于5%、10%的实验组。这主要因为，在初期，接种量越大，菌群的适应期越短，越快进入对数生长期，UDMH的降解率也就越快；但氮源是有限的，随着菌的大量增值，接种量大的实验组氮源缺乏，增殖受限，并产生自氧化现象，UDMH的比降解率随之下降。而接种量为0.1%时，接种量太小，菌群适应期较长，同时因基数小，增殖缓慢，UDMH降解缓慢。接种量为1%、2%的实验组，接种量合适，在经过短暂的适应期后，很快进入对数生长期并保持了较高的比生长率，也保持了较高的UDMH比降解率，最终UDMH的降解效果也很好，到达了排放标准。
|
图 3 接种量对菌群降解UDMH的影响 Fig.3 Effect of inoculums on UDMH degradation rate of flora FYD |
不同UDMH初始浓度下的降解率变化如图 4所示。从图 4中可见，UDMH初始浓度小于80 mg·L-1时，菌群FYD有很好的降解效果，72 h降解率大于98%；UDMH初始浓度为50 mg·L-1时，降解率最高，为99.10%，出水UDMH浓度为0.4463 mg·L-1；UDMH初始浓度为30 mg·L-1时，UDMH残余浓度最低，为0.3094 mg·L-1。UDMH初始浓度高于50 mg·L-1时，降解率开始下降，但当UDMH初始浓度为120 mg·L-1时，降解率仍到达88.72%，同条件下单菌最高降解率为71.87%，说明菌群中各菌有很好的协同作用，菌群对比单菌对UDMH有更好的耐受性。
|
图 4 不同UDMH初始浓度菌群降解效果的影响 Fig.4 Effect of initial UDMH concentration on degradation rate of flora FYD |
在以上实验基础上，综合考虑各种因素设计了以温度(A)、pH(B)、接种量(C)、UDMH初始浓度(D)为变量的四因素三水平L(34)的正交实验(表 3)，表 4为正交实验方案与结果。
|
|
表 3 正交实验因素水平表 Tab.3 Table of orthogonal factors level |
|
|
表 4 正交实验方案和结果 Tab.4 Orthogonal experimental program and results |
通过极差分析，以偏二甲肼降解率为指标考察各因素对反应的影响, 确定影响因素的重要性依次为：pH＞温度＞接种量＞UDMH初始浓度。其中，温度、pH值是影响反应的主要因素(P＜0.05)。菌群FYD降解UDMH的优化实验条件为A3B2C2D2，即温度35 ℃、pH值7.2、接种量2%、UDMH初始浓度50 mg·L-1, 此条件下UDMH 72h降解率为99.10%。
3.3 菌群降解UDMH效果在最优条件下，依据表 1中的项目和方法对经菌群FYD降解72 h的水样进行检测，结果见表 5。对照《航天推进剂水污染物排放标准》(GB14374-1993)，从表 5可以看出，经过菌群FYD 72 h降解，各项指标均达到排放标准。对比空白样本，菌群降解效果明显。
|
|
表 5 降解出水水质检测结果 Tab.5 Results of water quality test |
(1) 以实验室保藏菌种M11、M12、M18为基础，构建了UDMH复合降解菌群FYD。
(2) 单因素与正交实验结果表明：菌群降解UDMH的最适条件为温度35 ℃、pH值7.2、接种量为2%、UDMH初始浓度为50 mg·L-1，此条件下UDMH 72 h累计降解率为99.10%，残余浓度为0.4463 mg·L-1。水质各项指标均达到《航天推进剂水污染物排放标准》要求。
(3) 菌群FYD对UDMH有良好的降解效果，对治理UDMH的泄露等突发情况应急处理具有很好的应用前景。下一步将进行菌群FYD处理UDMH废水的模拟和现场试验，以检验菌群的有效性。
| [1] |
Maranon E, Vazquez I, Rodriuez J, et al. Treatment of cokewastewater in a sequential batch reactor (SBR) at pilot plant scale, bioresour[J].
Technol, 2008, 99: 4192-4198. |
| [2] |
Bielefeldt A B.
Water Treatment Industrial[M]. USA: University of Colorado-Boulder. Boulder. CO, 2009 |
| [3] |
Mojtaba, Mozafar, Somayeh. Utilization of textile wastewater as carbon source by newly isolated Haloarcula sp. IRU1: optimization of conditions by Taguchi methodology[J].
Clean Techn Environ Policy, 2011, 13: 535-538. DOI:10.1007/s10098-010-0336-y |
| [4] |
Carsten K Schmidt, Heinz jurgen Brauch. N, N-Dimethysulfamide as precursor for N-nitrosodiulethylamine for mation upon ozonation and its fate during drinking water treatment[J].
Environ Sci Tecchnol, 2008, 42(17): 6340-6346. DOI:10.1021/es7030467 |
| [5] |
何斌, 王波, 苏倩, 等. 次氯酸钠氧化法处理偏二甲肼污水的研究[C]//西宁: 首届全国火箭推进剂应用技术学术会议论文集, 2003: 75-80.
HE Bin, WANG Bo, SU Qian, et al. Dispose UDMH wastewater with sodium hypochlorite[C]//Xi'ning: The Proceedings of the First National Rocket Propellant Application Technology Conference, 2003: 75-80. |
| [6] |
王力, 彭清涛, 廖琪丽. 偏二甲肼废水的好氧生物降解研究[J].
化学推进剂与高分子材料, 2007, 5(2): 52-54. WANG Li, PENG Qing-tao, LIAO Qi-li. Study on aerobic biodegradation of unsymmetrical dimethylhydrazine wastewater[J]. Chemical Propellants & Polymeric Materials, 2007, 5(2): 52-54. |
| [7] |
夏本立, 刘渊, 王煊军, 等. MBR处理偏二甲肼废水效果的影响因素[J].
火炸药学报, 2011, 34(1): 73-76. XIA Ben-li, LIU Yuan, WANG Xuan-jun, et al. Influencing factors of treating UDMH wastewater by MBR process[J]. Chinese Journal of Explosives & Propellants, 2011, 34(1): 73-76. |
| [8] |
刘渊, 夏本立, 丛继信. EOW-MBR组合工艺处理偏二甲肼废水[J].
给水排水, 2010, 36(增刊): 266-268. LIU Yuan, XIA Ben-li, CONG Ji-xin. Combined process of EOW and membrane bioreactor for treatment of UDMH wastewater[J]. Water and Wastewater Engineering, 2010, 36(supplement): 266-268. |
| [9] |
Abboud M M, Khleifat K M, Batarseh M, et al. Different optimization conditions required for enhancing the biodegradation of linear alkybenzosulfonate and sodium dodecyl sulfate surfactants by novel consortium of acinetobacter calcoaceticus and pantoea agglomerans[J].
Enzymeand Microbial Technology, 2007, 41: 432-439. DOI:10.1016/j.enzmictec.2007.03.011 |
The compound flora FYD was build. The effects of temperature, pH, inoculums and the initial UDMH concentration on UDMH degradation of flora FYD rate were discussed.