苯并噻唑(BTH)是工业生产中常用的化工添加剂，广泛应用于医药^[1]、 农药^[2]、 材料^[3]、 橡胶^{[4, 5]}等行业，如它可以用作杀菌剂^[6]、 除草剂^[7]、 化疗药物^[8]、 橡胶生产中的硫化促进剂^[9]、 防冻液^[10]、 偶氮染料光敏剂^[11]等. 因具有应用广泛、 持久难降解、 生物毒性等特征而引起了广泛关注^{[12, 13, 14, 15]}. 在工业废水和城市污水中都已检测到BTH，浓度分别为29.6~110 mg ·L^-1[16]和1.9~6.7 μg ·L^-1[4]，但最终出水去除率只有5%~28%^[4]. 由于BTH为水溶性物质，是一种DNA阻断剂，能够抑制微生物活性^[2]，难以生物降解，并且会在环境中积累，常规生物法很难将其降解^[17]. 最新研究结果表明，7mg ·L^-1的BTH会使氨氧化的效率降低50%，当其浓度达到54mg ·L^-1时，就会完全抑制氨氧化^[8]. 因此，降低废水中BTH的生物毒性，消除其对后续生物处理的抑制作用，是必要而紧迫的.

目前BTH类废水的预处理主要采用高级氧化技术，如H₂O₂/UV^[18]、 Fenton^[19]、 臭氧氧化^[20]、 火山砂^[21]催化臭氧氧化等. 但是废水中有机物、 碳酸盐和重碳酸盐等消耗了大量自由基，使其存在一定的能源浪费，运行成本较高. 而电辅助微生物技术因其具有较低的运行成本、 较高的污染物去除效率和环境可持续性等优点而受到关注^[23]，已经应用于印染废水处理^[24]、 偶氮染料脱色^[25]、 难降解有机物(如氯霉素^[26]、 泛影葡胺^[27]等)的脱毒等方面.

本研究采用电辅助微生物反应器(EAMR)对BTH类废水进行预处理，考察外加电压、 COD/BTH对BTH降解的影响，以期实现BTH的高效脱毒.

电辅助微生物反应器由有机玻璃制成，如图 1所示，高150 mm，内径90 mm，有效容积600 mL，上方设有圆孔，用于采样和放置饱和甘汞参比电极. 阴阳极材料均为100 mm×50 mm的碳板，极板间距4 cm，在电极附近投加4~6目石墨颗粒(预处理，吸附饱和)，并用钢网阻隔.

图 1

Fig. 1

图 1 电辅助微生物反应器装置示意 Fig. 1 Schematic diagram of electro-assisted microbial reactor

图 2

Fig. 2

图 2 不同周期内的碳源利用率和BTH降解率 Fig. 2 Degradation rate of substrate and BTH in different periods

实验运行3组反应器，1号电辅助微生物反应器外加电压同时接种污泥，2号微生物反应器接种污泥但不外加电压，3号电化学反应器外加电压但不接种污泥.

接种污泥(200 mL)取自哈药总厂污水处理系统二沉池，MLVSS为4 000 mg ·L^-1，MLVSS/MLSS为0.75. 实验用水为人工配水，其中葡萄糖200mg ·L^-1，BTH 50mg ·L^-1，NH₄Cl 0.31 g ·L^-1，KCl 0.13 g ·L^-1，K₂HPO₄ 2.69 g ·L^-1，KH₂PO₄ 4.33 g ·L^-1. 在恒温35℃下，反应器外加电压0.7 V，采用间歇式启动.

反应器电压、 电极电位和外电阻电压通过数字万能表测定，电流值由欧姆定律计算获得.

COD的测定采用重铬酸钾法. BTH及产物浓度的测定采用高效液相色谱法(HPLC)，型号waters e2695/2489，色谱条件为: ZORBAX SB-C18色谱柱(250 mm×4.6 mm，5 μm； Agilent公司)； 流动相为甲醇 ∶水(55 ∶45，体积比)，流速1 mL ·min^-1； 紫外光检测波长254 nm； 进样量10 μL； 柱温20℃. BTH降解产物的分析测定采用高效液相色谱-质谱联用技术(HPLC-MS)，岛津LCMS-8030，色谱条件: Zorbax XDB-C18(150 mm×4.6 mm id，5 μm)色谱柱，流动相为甲醇 ∶水(55 ∶45，体积比)，流速1 mL ·min^-1，进样量20 μL； 质谱条件: 电喷雾(ESI)，正负离子模式，雾化器4.5 kV，干燥气10 L ·min^-1，干燥气温度350℃，毛细管电压温度275℃，毛细管电压15 V.

进水后7 d为一周期，对出水进行采样分析，考察COD和BTH的降解效果.

从图 2可以看出，EAMR中COD去除率90.02%，略高于微生物反应器，BTH降解率达到100%，明显高于微生物反应器和电化学反应器，说明BTH降解主要是电化学-微生物耦合作用，葡萄糖降解主要是微生物作用，电化学起到了促进作用. 在电极表面附着的功能微生物作为催化剂降低了反应的过电势并且推动生物电化学反应的进行，导致底物直接氧化降解. 而且外加电压下可以使微生物产生的质子和电子持续被消耗，促进了微生物高效快速的降解底物，碳源利用率和BTH降解率明显升高.

采用HPLC检测EAMR中BTH的质量浓度，如图 3所示，BTH浓度降低，其产物浓度达到峰值后也逐渐降低，推测是BTH的中间产物. 采用LC-MS技术确定BTH的中间产物为2-羟基苯并噻唑(OHBT). 根据化学反应理论分析，推测该产物是在反应器阳极氧化产生的，反应方程式为:

C₇H₅NS+H₂O C₇H₅NOS+2H⁺+2e^-

图 3

Fig. 3

图 3 EAMR中BTH及其降解产物浓度变化 Fig. 3 Concentration of BTH and its catabolite in EAMR

采用LC-MS技术分析BTH的最终降解产物，在质谱图正离子模式下，如图 4所示，发现m/z为173.21的分子片段，最终确定BTH的降解产物为2-甲磺酰基苯胺，即噻唑环中C—N键断裂，该产物对微生物危害小，因此本研究成功地实现了BTH的脱毒处理，有效降低了BTH对后续生物处理的抑制.

图 4

Fig. 4

图 4 BTH降解产物质谱图 Fig. 4 MS spectrum of the catabolite of BTH

外加电压是保证体系稳定运行的重要参数. 电压越大，电流密度越大，底物降解速率也越快，但电流的增加会加剧生物阳极的极化，使阳极微生物的催化活性变差. 实验控制外加电压为0.3、 0.5、 0.7、 0.9 V这4个电压梯度，同时与开路运行(0.0 V)作对照，考察不同外加电压下BTH降解效果.

从图 5可以看出，不同外加电压下，BTH都可以完全转化为OHBT，而且OHBT的浓度达到峰值后有不同程度的降低，BTH的降解率明显高于开路对照组，说明微生物在外加电压的辅助下可以继续降解OHBT. 主要原因是反应进行72h，葡萄糖浓度下降至50~150mg ·L^-1，微生物为了自身的生长繁殖，转而利用OHBT； 其次，较高的外加电压能够使阴阳极的电势差越过热力学能垒，推动反应系统接近热力学平衡常数，促进OHBT的降解.

图 5

Fig. 5

图 5 不同外加电压下BTH和OHBT浓度 Fig. 5 Concentration of BTH and OHBT under different applied voltages

从图 5还可以看出，ln(c_t/c₀)与反应时间(c_t为各时间点的BTH浓度，c₀为BTH初始浓度)均呈线性关系(R2>0.98)，说明BTH的降解过程符合表观一级动力学规律. 如表 1所示，外加电压升高，BTH的降解率和反应速率常数k升高，外加电压0.7 V时反应速率常数是0.0 V时的2.23倍. 这是因为电流密度随外加电压的增加而逐渐增大，如图 6所示，外加电压0.7V时电流密度为0.3 mA ·cm^-2，明显高于对照组，微生物产生的电子迅速转移，降解BTH的速度加快. 而当外加电压从0.7 V升至0.9 V时，电流密度变化不大，反应速率常数没有明显升高，主要原因是外加电压过大，阳极电势迅速升高，如图 7所示，阳极出现极化现象，导致电化学活性菌功能减弱，BTH降解速率减缓. 综合考虑经济因素，确定降解BTH的最佳电压为0.7 V.

表 1(Table 1)

表 1 不同外加电压下BTH降解率和表观一级动力学方程 Table 1 Degradation rate and pseudo first-order kinetic equation of BTH under different applied voltages 外加电压/V BTH降解率/% 拟合方程 R2 k/h-1 0.0 62.63 y=-0.0180x-0.0837 0.9920 0.0180 0.3 68.36 y=-0.0211x-0.1258 0.9918 0.0211 0.5 82.29 y=-0.0345x-0.1403 0.9908 0.0345 0.7 88.71 y=-0.0402x-0.2079 0.9922 0.0402 0.9 90.52 y=-0.0477x-0.1694 0.9889 0.0477

表 1 不同外加电压下BTH降解率和表观一级动力学方程 Table 1 Degradation rate and pseudo first-order kinetic equation of BTH under different applied voltages

图 6

Fig. 6

图 6 不同电压下电流密度曲线 Fig. 6 Current density curve under different applied voltages

图 7

Fig. 7

图 7 阳极极化曲线 Fig. 7 Anodic polarization curve

碳源浓度对电极表面微生物的新陈代谢及其生长有显著影响，实验采用COD/BTH值表征微生物生长和降解BTH能源消耗比例. 本实验中BTH 50 mg ·L^-1，调整葡萄糖浓度设定COD/BTH值为0 ∶1、 10 ∶1、 20 ∶1、 30 ∶1和40 ∶1，研究COD/BTH对BTH降解效能的影响.

图 8

Fig. 8

图 8 不同COD/BTH下BTH和OHBT的浓度变化 Fig. 8 Concentration of BTH and OHBT under different COD/BTH ratios

从图 8可以看出，随着COD/BTH值的增大，BTH的降解率逐渐增大，在30 ∶1时达到峰值. 从表 2可以看出，当COD/BTH＜30 ∶1时，随葡萄糖浓度的增加，反应速率常数k提高速度较快； 当COD/BTH＜30 ∶1时，反应速率常数降低.

BTH作为唯一碳源时，阳极功能微生物无法直接利用BTH，新陈代谢受限，反应器运行效率很低. 引入共基质(葡萄糖)作为碳源，阳极功能微生物利用葡萄糖，将发酵微生物降解BTH产生的电子及时传递到阳极，从而加快发酵微生物氧化BTH的反应速率. 当COD/BTH＜30 ∶1时，初始底物浓度越大，微生物降解底物产生的能量越充足，生物延滞期随着COD/BTH的增加而缩短，微生物降解BTH的速率加快. 当COD/BTH＞30 ∶1时，继续增加COD/BTH，微生物大量繁殖，电极表面生物膜加厚，增加传质阻力和系统的欧姆阻力，反应器内阻从36.5 Ω升高至84.8 Ω，电子的传递受到限制，电极催化降解BTH的能力下降.

表 2(Table 2)

表 2 不同COD/BTH下BTH去除率和表观一级动力学方程 Table 2 Degradation rate and pseudo first-order kinetic equation of BTH under different COD/BTH ratios COD/BTH 拟合方程 R2 k/h-1 BTH降解率/% 0∶1 y=-0.016 7x-0.150 2 0.983 1 0.016 7 64.85 10∶1 y=-0.0257x-0.1851 0.9887 0.0257 84.44 20∶1 y=-0.0347x-0.2201 0.9909 0.0347 87.22 30∶1 y=-0.0543x-0.1272 0.9913 0.0543 95.94 40∶1 y=-0.0434x-0.0463 0.9906 0.0434 87.96

表 2 不同COD/BTH下BTH去除率和表观一级动力学方程 Table 2 Degradation rate and pseudo first-order kinetic equation of BTH under different COD/BTH ratios

(1)电辅助微生物反应器在温度30℃±2℃，pH 6~8，进水BTH浓度50 mg ·L^-1±2mg ·L^-1，外加电压0.7V和COD/BTH为30 ∶1时，48h后BTH的降解率可以达到96%，BTH在阳极氧化生成2-甲磺酰基苯胺，该产物对微生物危害较小.

(2)在电辅助微生物反应器中BTH的降解过程符合表观一级动力学规律. 提高外加电压可以增加BTH氧化的表观一级反应速率常数，降解BTH的最佳外加电压是0.7 V.

(3)共基质的引入能够加强不同种群微生物的协同作用，提高生物氧化降解BTH的能力. 最佳COD/BTH值为30 ∶1，其表观一级反应速率常数为无共基质时的3.25倍.