pH，DO及鐵細菌對Fe2＋氧化的影響研究

魏志勇，王亞娥，李 杰，馬智慧

（蘭州交通大學 環(huán)境與市政工程學院，甘肅蘭州 730070）

生物海綿鐵體系除磷是將零價的海綿鐵以一定的方式介入到活性污泥系統(tǒng)中，利用Fe0在體系中的電化學及生物化學腐蝕作用不斷釋放出Fe2＋，進而被氧化成Fe3＋，從而實現(xiàn)高效除磷的一種方法［1］。污水中的磷主要以等形式存在［2］，由于磷酸根與Fe3＋結(jié)合形成沉淀的可能性遠大于與結(jié)合形成沉淀的可能性［3］，而鐵細菌是指能將 Fe2＋氧化成Fe3＋，并從中獲得能量的一類細菌的總稱［4］。因此，研究鐵細菌在Fe2＋氧化過程中的作用，對于搞清生物海綿體系中鐵與微生物協(xié)同除磷機理有著重要的意義。本文通過正交試驗考察了DO，p H值及鐵細菌對Fe2＋氧化的影響。

1 材料與方法

1.1 鐵細菌的分離與富集

1.1.1 菌種來源

接種污泥取自本實驗中投放Fe0的SBBR（序批式生物膜反應器）反應器，該反應器有效容積為0.36 m3，生物載體除Fe0外，還投放一定比例的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的納米凹凸棒土復合親水性聚氨酯泡沫填料。該反應器已穩(wěn)定運行1年多，污泥具有較高的微生物活性。主要性質(zhì)指標見表1。

表1 試驗接種污泥性質(zhì)

1.1.2 培養(yǎng)基

本實驗采用 Winogradsky培養(yǎng)基［5］，具體組成見表 。

表2 Winogradsky鐵細菌培養(yǎng)基

按表2稱取上述試劑，并將其溶于1 000mL的蒸餾水中，在121℃下高壓滅菌20 min即形成液體培養(yǎng)基，在液體培養(yǎng)基加入瓊脂后，再經(jīng)過高壓滅菌則形成固體培養(yǎng)基。

1.1.3 分離增菌的方法

將取自上述反應器中活性污泥混合液經(jīng)沉淀后取其上清液作為菌源，并將其接種于上述液體培養(yǎng)基中，放置在生化培養(yǎng)箱中進行恒溫培養(yǎng)。培養(yǎng)10 d后，發(fā)現(xiàn)液體培養(yǎng)基中出現(xiàn)少許絮體，而后轉(zhuǎn)變?yōu)轸鼽S色時，將其挑取少許制成水浸片，在顯微鏡下觀察。取下玻片，在蓋玻片的一側(cè)加2%K3Fe（CN）6和10% 鹽酸各1滴；在另一側(cè)，用吸水紙吸去多余的水分，然后置于顯微鏡下觀察形態(tài)。觀察發(fā)現(xiàn)菌絲或粘液變?yōu)樗{色，證明有鐵的沉淀物。即Fe3＋與黃血鹽作用形成普魯氏藍，說明所鏡檢的細菌為鐵細菌［6］。

挑取菌液采用平板涂布的方法在固體培養(yǎng)基上，并將其放置在恒溫生化培養(yǎng)箱中進行進一步培養(yǎng)，在固體培養(yǎng)基長出的菌落具有明顯的金屬光澤，說明培養(yǎng)出的細菌為鐵細菌。

1.2 試驗試劑及儀器

試驗試劑：硫酸亞鐵、緩沖溶液、普通氮氣。

鐵細菌菌液：每毫升中含有0.126 1 g鐵細菌。

測定方法：試驗中水質(zhì)指標依據(jù)國家環(huán)境保護總局規(guī)定的水和廢水監(jiān)測分析方法進行測定，具體指標及分析方法見表3。

表3 試驗水質(zhì)指標的分析方法

1.3 實驗方法

通過0.1 mol／L的緩沖溶液將硫酸亞鐵溶液調(diào)節(jié)成不同的p H值，依靠向反應器中充入氮氣來調(diào)節(jié)DO，并加入不同量的鐵氧化菌，通過控制DO，p H值及菌量3個條件設(shè)計正交實驗表，見表4。分別在1，2，3，5，10，20，30，60，90，120 min時取樣，測上清液中的Fe2＋的濃度，同時測定ORP值（氧化還原電位），實驗溫度為20℃。

表4 正交實驗表格

2 結(jié)果與討論

2.1 不同體系中Fe3＋濃度隨時間的變化規(guī)律

實驗中，隨著反應的進行，F(xiàn)e2＋會被氧化而形成Fe3＋，F(xiàn)e3＋的生成量反應了不同實驗條件下體系的氧化能力。反應開始階段加入的是硫酸亞鐵，因此起始的Fe2＋濃度即為總鐵濃度，而此時的Fe3＋濃度為0，隨著反應的進行，根據(jù)Fe2＋的減少量，可以計算出生成Fe3＋的量，根據(jù)最后時刻的Fe3＋濃度及反應時間，計算出各體系中的Fe3＋生成速率，結(jié)果如表5所示。

表5 正交實驗結(jié)果分析

不同體系中Fe3＋隨時間的變化規(guī)律如圖1所示?？梢钥闯?，除1號實驗外，其余8組實驗中Fe3＋的濃度都隨反應的進行而增加。在30min之前，F(xiàn)e3＋濃度的增加很快，而30min之后，F(xiàn)e3＋的濃度增長速率較慢，說明了在這樣一種體系中，F(xiàn)e2＋的氧化速率呈現(xiàn)為先快后慢。而所有9組實驗又體現(xiàn)出了不同體系中對Fe2＋氧化能力的不同，說明了不同的pH值，DO及鐵細菌加量條件下，體系對于Fe2＋的氧化能力也有差異。1號實驗中Fe3＋基本沒有檢測到，很可能就是由于較低的DO，pH值及菌量不利于Fe2＋的氧化。

圖1 不同系統(tǒng)中Fe3＋隨時間的變化

2.2 不同體系中ORP隨時間的變化規(guī)律

經(jīng)過對9組實驗的對比（如圖2），發(fā)現(xiàn)ORP值呈現(xiàn)出了一個共同的變化趨勢：在pH值為4.91時，ORP值一直保持在200左右，比較恒定；當pH值為7.35時，ORP值呈上升的趨勢，在最后的時刻達到了210左右；而當pH值為9.21時，ORP值不穩(wěn)定，上下波動的幅度較大。此外，ORP的變化與Fe3＋的變化也基本一致，即在30min之前上升較快，30min之后趨于穩(wěn)定，總體呈現(xiàn)增加的趨勢。分析原因：氧化還原電位就是用來反映水溶液中所有物質(zhì)表現(xiàn)出來的宏觀氧化－還原性。氧化還原電位越高，氧化性越強，電位越低，氧化性越弱。電位為正表示溶液顯示出一定的氧化性，為負則說明溶液顯示出還原性［7］。實驗數(shù)據(jù)中的ORP值為正值，則說明有鐵氧化菌存在的硫酸亞鐵的混合溶液具有一定的氧化性。

2.3 極差分析

2.3.1 Fe3＋濃度的極差分析

圖2 ORP隨時間的變化曲線

對表5中的試驗結(jié)果進行極差分析，分析結(jié)果見表6，可知，RDO＝1.16，RpH＝1.46，R菌量＝0.581。由于極差的大小反映了相應因素作用的大小，極差大的因素，意味著其不同水平給指標所造成的影響較大，且通常是主要因素。由此看來，RpH＞RDO＞R菌量，則得各影響因素的主次順序為：pH值，DO，菌量。分析原因，硫酸亞鐵暴露在空氣中，或者加入堿極易被氧化。而正交試驗中，溶液中的pH值為7.35和9.21，這就加快了Fe2＋的氧化速度，硫酸亞鐵極易被氧化。同時，由于介入的鐵氧化菌的適宜生長環(huán)境為酸性環(huán)境，本實驗中培養(yǎng)富集的鐵氧化菌生長pH值為6。在正交實驗中，pH值遠大于鐵氧化菌的適宜生長值，過高的pH值可能會令微生物活性受到抑制［8］。

DO過高不利于細菌的生長，有時候甚至對菌體產(chǎn)生毒害作用，氧的有害作用是通過形成超氧化基，過氧化基或者羥基自由基，破壞細胞內(nèi)組分來體現(xiàn)的［9－11］。好氧菌的體內(nèi)產(chǎn)生的過氧化物歧化酶（SOD）可以降解體內(nèi)產(chǎn)生的有毒物質(zhì)，若過氧負離子過多，由于氧氣在水中的傳質(zhì)系數(shù)很小，導致氣液傳質(zhì)阻力大，就會對菌體產(chǎn)生毒害作用［12］。雖然鐵氧化菌是好氧菌，然而培養(yǎng)過程中并不是維持DO越高越好，即使是專性好氧菌，過高的DO對其生長可能帶來不利的影響。因此在正交試驗中，過高的DO反而不利于鐵氧化菌進行自身的新陳代謝，也就導致了鐵氧化菌在Fe2＋氧化作用中，并不是主導因子。

表6 Ki指標及極差計算

另外，從最優(yōu)化條件產(chǎn)生來看，若在同一因素下，Ki值越大，說明在i水平下的相對指標越好，則由表6的計算分析值可知，在DO，pH和菌量因素下的K3分別在各自因素條件下最大，A3B3C3為該試驗條件下的最佳搭配。

2.3.2 ORP極差分析

對各個體系在反應最終時刻的ORP進行極差分析，分析結(jié)果見表7。

表7 ORP極差分析

從表7的極差分析結(jié)果可以看出，R菌量＞RpH＞RDO，則得各影響因素的主次順序為：菌量，p H值，DO，說明鐵細菌對于體系的氧化還原電位的影響最大，分析原因：氧化還原電位受溶液溫度、p H及化學反應可逆性等因素影響［13］，在體系中存在大量鐵細菌的呼吸作用會消耗一定量的氧氣，從而影響到體系的氧化還原電位。

2.4 方差分析

為進一步了解試驗過程因素水平的變化對試驗結(jié)果影響的程度，根據(jù)表5中的Fe3＋生成速率的值進行相關(guān)的方差分析，得出表8的分析結(jié)論。

表8 F檢驗方差分析表

分析結(jié)論：A代表DO，B代表p H值，C代表菌量。F（1－α／2）＜FB／FA＜F（α／2），F(xiàn)（1－α／2）＜FA／FC＜F（α／2），F(xiàn)（1－α／2）＜FB／FC＜F（α／2）。F（α／2）＝39，F(xiàn)（1－α／2）＝0.025 6。在上述正交實驗表中，方差平方和，以B的最大，其次是A，最小的是C，可以初步得出影響因素的排序時B＞A＞C。根據(jù)上述F檢驗的理論，其中，在因子A中，以6～7 mg／L的影響最大，同理，在因子B中以9.2影響最大，在因子C中以0.5 g的影響最大，這與極差分析的結(jié)果一致。

3 結(jié)論

經(jīng)過以上試驗及探討，針對在有鐵氧化菌存在的情況下，對于硫酸亞鐵的氧化而言，可得出以下結(jié)論：

（1）Fe2＋的氧化速率呈現(xiàn)為先快后慢，且較低的DO，p H值，及較少的菌量不利于Fe2＋的氧化；

（2）p H，DO及鐵細菌對于Fe2＋的氧化均有一定的影響，且影響Fe2＋氧化的因素排序是p H值、DO、投加的菌量，過高的DO反而不利于鐵氧化菌進行自身的新陳代謝作用，也就導致了鐵氧化菌在Fe2＋氧化作用中，并不是主導因子。

（3）鐵細菌的加入對于體系的ORP的影響最大，其次為p H值和DO。

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