活性黃KE-4RN的厭氧脫色研究

付學(xué)港,卜久賀,鄭 偉,武軍杰,王新海,*

(1.河南大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，河南省工業(yè)冷卻水循環(huán)利用工程技術(shù)中心，河南 開封 475004； 2.河南大學(xué) 河南省高校環(huán)境與健康工程技術(shù)研究中心，河南 開封 475004； 3.河南省愛可沃德生態(tài)科技有限公司，河南 開封 475004)

活性黃KE-4RN的厭氧脫色研究

付學(xué)港1,卜久賀2,3,鄭 偉3,武軍杰3,王新海1,3*

(1.河南大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，河南省工業(yè)冷卻水循環(huán)利用工程技術(shù)中心，河南 開封 475004； 2.河南大學(xué) 河南省高校環(huán)境與健康工程技術(shù)研究中心，河南 開封 475004； 3.河南省愛可沃德生態(tài)科技有限公司，河南 開封 475004)

考察了活性黃KE-4RN在中溫(35 ℃)條件下的厭氧脫色情況，從脫色率、VFAs(揮發(fā)性脂肪酸)、CODCr(化學(xué)需氧量)去除率、污泥吸附、產(chǎn)氣量和生物氣組分等方面分析了其脫色的形式和程度，并對(duì)其厭氧脫色的機(jī)理作了初步探討. 結(jié)果表明，活性黃KE-4RN不易被完全礦化，其脫色主要是污泥吸附和厭氧生物初級(jí)降解的共同作用，且脫色率隨染料的濃度增大而減小. 濃度≤80 mg·L-1(以碳計(jì))的活性黃KE-4RN經(jīng)2 w降解，脫色率可以達(dá)到94%，CODCr去除率在90%以上.

厭氧；生物降解；活性黃KE-4RN；脫色；吸附

活性染料(Reactive Dyes)在印染、化工等行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用，其中活性黃KE-4RN(Reactive Yellow KE-4RN)屬于偶氮類活性染料的一種[1-2]. 由于在實(shí)際生產(chǎn)使用過程中利用率不高，偶氮類染料約有一半左右會(huì)隨廢水等排入周圍環(huán)境[3-4]，又因其較難自然降解，會(huì)造成水體污染、威脅人和動(dòng)植物生存、生態(tài)系統(tǒng)平衡被破壞等后果[5]. 研究表明，偶氮染料雖難以被好氧微生物分解消化，卻能被厭氧微生物有效降解,且在厭氧降解的工程應(yīng)用方面已經(jīng)取得了部分進(jìn)展[6-10].

參照有關(guān)偶氮類染料厭氧條件下降解效果研究的基礎(chǔ)上，參照ISO13641(2003)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)及ECETOC(1988)技術(shù)報(bào)告[11-12]，設(shè)計(jì)了在中溫厭氧環(huán)境下活性黃KE-4RN染料的降解與脫色效果實(shí)驗(yàn)，考察了其可降解性，并從脫色率、CODCr、VFAs、生物氣產(chǎn)量和污泥吸附能力等方面對(duì)其厭氧降解可行性進(jìn)行綜合分析，初步探討了其厭氧脫色的機(jī)理，并研究了其在厭氧環(huán)境中的主要脫色形式，為活性黃KE-4RN印染廢水的生化降解工程化研究提供一定的參考.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器及試劑

由日本島津紫外-可見分光光度計(jì)(UV-1750型)完成對(duì)活性黃KE-4RN分子的光譜掃描及吸光度測(cè)定，由上海荊和氣相色譜儀(GC-9310型)分析測(cè)定VFAs及產(chǎn)生物氣組分，由青島科迪博COD微波消解儀(KDB-III型)完成CODCr消解及測(cè)定，由江蘇晶玻電熱恒溫培養(yǎng)箱(DNP-9272型)提供活性污泥培養(yǎng)條件，由湖南滬康臺(tái)式低速多管架自動(dòng)平衡離心機(jī)(TDZ5-WS)完成離心操作.

活性黃KE-4RN材料由泰興錦雞染料有限公司提供，其分子結(jié)構(gòu)如圖1所示；實(shí)驗(yàn)中所用無機(jī)營(yíng)養(yǎng)鹽成分及其濃度詳見表1，純度均為分析純；實(shí)驗(yàn)用水均為蒸餾水.

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)中厭氧污泥由開封市浦華紫光水業(yè)提供，原泥懸浮固體顆粒物SS為22.5 g/L，揮發(fā)性懸浮固體顆粒物VSS為16.2 g/L，pH為7.3，活性黃KE-4RN分子中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為41.3%. 實(shí)驗(yàn)各組染料濃度(以碳計(jì))如下表2所示.

實(shí)驗(yàn)流程如下圖2所示. 先對(duì)污泥進(jìn)行清洗和離心，避光預(yù)培養(yǎng)至不產(chǎn)氣，再次清洗后稀釋污泥并按表1所示加入無機(jī)鹽. 配制染料溶液時(shí)，取出一定量的污泥按下表2所示裝入血清瓶(規(guī)格120 mL)，調(diào)節(jié)pH范圍為6.5～7.5，配制后向瓶?jī)?nèi)通氮?dú)饧s0.5 min，用鋁箔及橡皮塞密封，最后通入氮?dú)庖耘趴掌績(jī)?nèi)空氣，其中吸附實(shí)驗(yàn)溶液配制完成后于121 ℃條件下滅活0.5 h. 培養(yǎng)箱內(nèi)設(shè)置35℃避光培養(yǎng)，每天搖動(dòng)培養(yǎng)瓶3次，每次3至5 min，保證染料與污泥充分接觸[11-12].

圖1 活性黃KE-4RN的分子結(jié)構(gòu)Fig.1 Chemical structure of reactive yellow KE-4RN

無機(jī)鹽濃度/(g/L)KH2PO40．27Na2HPO4·12H2O1．12NH4Cl0．53CaCl2·2H2O0．075MgCl2·6H2O0．10FeCl2·4H2O0．02

表2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

圖2 實(shí)驗(yàn)流程圖Fig.2 Flow chart of experiments

1.3 分析方法

對(duì)活性黃KE-4RN溶液進(jìn)行光譜掃描與吸光度測(cè)定以計(jì)算實(shí)驗(yàn)脫色率. 首先在300～700 nm之間掃描光譜，找出活性黃KE-4RN的最大吸收波長(zhǎng)λmax，在最大吸收波長(zhǎng)λmax處測(cè)定吸光度A. 脫色率計(jì)算公式(1)如下：

(1)

式中：A0—降解前溶液在λmax處的吸光度值；At—降解后溶液在λmax處的吸光度值.

使用氣相色譜法測(cè)定VFAs和產(chǎn)生物氣組分，由伍豪色譜工作站提供分析. 其中測(cè)定VFAs時(shí)，色譜儀采用安捷倫毛細(xì)管柱、氫火焰離子檢測(cè)器以及高純氮?dú)廨d氣，進(jìn)樣量為6.0×10-4mL；測(cè)定產(chǎn)生物氣組分時(shí)，色譜儀采用不銹鋼填充柱、熱導(dǎo)檢測(cè)器及高純氬氣載氣，進(jìn)樣量為0.40 mL.

CODCr測(cè)定采用微波消解-重鉻酸鉀法.CODCr去除率計(jì)算公式如下：

(2)

式中：CODCr,0—降解前溶液的CODCr值，mg/L；CODCr,t—降解后溶液的CODCr值，mg/L.

使用帶刻度的玻璃注射器測(cè)定生物氣產(chǎn)量. 凈生物氣產(chǎn)量用下式計(jì)算：

(3)

式中：Vg—凈生物氣產(chǎn)量，mL；V—降解實(shí)驗(yàn)生物氣產(chǎn)量，mL；V0—空白實(shí)驗(yàn)生物氣產(chǎn)量，mL.

2 結(jié)果與討論

2.1 KE-4RN最大吸收波長(zhǎng)

按照以上實(shí)驗(yàn)步驟得到計(jì)算脫色率的光譜和吸光度. 活性黃KE-4RN的光譜掃描結(jié)果如下圖3所示，其最大吸收波長(zhǎng)λmax為368 nm.

圖3 活性黃KE-4RN的光譜圖Fig.3 Wavelength scanning of reactive yellow KE-4RN

2.2 脫色率與處理時(shí)間的關(guān)系

不同濃度的活性黃KE-4RN溶液的脫色效果隨時(shí)間變化情況如下圖4所示. 可以看出，脫色率與溶液濃度呈負(fù)相關(guān)，在實(shí)驗(yàn)開始后第12 d，濃度為40 mg/L的活性黃KE-4RN溶液取得最好的脫色效果，脫色率達(dá)到94%.

圖4 不同濃度活性黃KE-4RN的脫色率Fig.4 Decolorization rate of reactive yellow KE-4RN with different dye concentration

厭氧生物的降解過程牽涉到一系列連續(xù)且復(fù)雜的生化反應(yīng)，在有機(jī)物的降解過程中有多種具有催化作用的細(xì)胞內(nèi)、外酶的參與. 偶氮類染料的降解也是多種細(xì)胞酶參與下完成，如存在于細(xì)胞內(nèi)的偶氮還原酶(還原化合物內(nèi)偶氮鍵)和存在于細(xì)胞外的轉(zhuǎn)移酶(將化合物從細(xì)胞外轉(zhuǎn)移至細(xì)胞內(nèi))等[13-14]. 偶氮類染料的偶氮鍵等顯色基團(tuán)在以上多種生物酶的復(fù)合作用下斷裂，從而實(shí)現(xiàn)降解及脫色，大致機(jī)理如下圖5所示[15-17]. 基于以上理論，活性黃KE-4RN同樣在各種酶的作用下得到電子發(fā)生偶氮鍵斷裂而降解脫色.

圖5 偶氮染料降解的可能機(jī)理Fig.5 Plausible mechanism of azo dye degradation

2.3 染料濃度對(duì)CODCr去除率的影響

在實(shí)驗(yàn)條件下處理2 w后，不同濃度的活性黃KE-4RN溶液的CODCr去除率如表3所示. 可以看出隨染料濃度的增大，各組的CODCr去除率逐漸減小. 再結(jié)合上文的脫色率結(jié)果和下文的VFAs濃度實(shí)驗(yàn)，表明活性黃KE-4RN會(huì)首先吸附于活性污泥上，在污泥中厭氧微生物的作用下降解，其中部分染料的主要降解過程為初級(jí)降解.

表3 活性黃KE-4RN降解實(shí)驗(yàn)的CODCr去除率

2.4 VFAs分布

反應(yīng)進(jìn)行2 w后，不同濃度的活性黃KE-4RN溶液的VFAs產(chǎn)生情況如圖6所示. 結(jié)果顯示VFAs積累較少. 結(jié)合下文的生物氣實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析得出，活性黃KE-4RN降解時(shí)產(chǎn)生的VFAs基本被產(chǎn)甲烷菌等微生物吸收消耗，并沒有明顯的累積，但是隨著溶液濃度的增加，VFAs值也逐步增加.

厭氧發(fā)酵過程中產(chǎn)生過量的VFAs會(huì)對(duì)染料的降解造成一定的負(fù)面影響，如VFAs濃度較高時(shí)會(huì)阻礙活性染料的甲烷化. 這是由于VFAs可以改變厭氧微生物生長(zhǎng)所需的酸堿平衡環(huán)境，高濃度VFAs將導(dǎo)致微生物環(huán)境的pH下降，從而抑制部分厭氧微生物如產(chǎn)甲烷菌的活性，降低厭氧降解過程中的產(chǎn)氣量及其脫色率.

圖6 降解實(shí)驗(yàn)的VFAs值Fig.6 Concentration of VFAs in degradation experiment

2.5 生物氣產(chǎn)量及氣體組分

生物氣產(chǎn)量及其氣體組分是衡量厭氧微生物活性的重要指標(biāo)之一，凈生物氣產(chǎn)量可大致反映出降解化合物的礦化程度[12]. 為檢測(cè)活性黃KE-4RN降解實(shí)驗(yàn)中厭氧微生物的活性，在實(shí)驗(yàn)開始后的第2 d和實(shí)驗(yàn)結(jié)束的第14 d對(duì)產(chǎn)生物氣累積量進(jìn)行了測(cè)定，如圖7所示. 從圖7中可以看出，不同濃度的活性黃KE-4RN溶液在第2 d的凈產(chǎn)氣量均為正值，表明前兩天每個(gè)培養(yǎng)瓶?jī)?nèi)均有少量?jī)羯餁饫鄯e. 再結(jié)合下文的脫色實(shí)驗(yàn)，失活污泥依然具有吸附作用并導(dǎo)致脫色率下降，表明活性黃KE-4RN在厭氧發(fā)酵的初期階段同時(shí)存在3種不同的脫色方式，即初級(jí)降解、吸附作用和完全礦化. 隨著實(shí)驗(yàn)的繼續(xù)進(jìn)行，生物氣產(chǎn)量隨反應(yīng)時(shí)間增加有明顯變化. 第14 d的測(cè)量結(jié)果表明，培養(yǎng)瓶中凈產(chǎn)氣量值與活性黃KE-4RN濃度成反比. 結(jié)合上文VFAs分布圖(圖6)中VFAs值與活性黃KE-4RN濃度成正相關(guān)關(guān)系，說明在厭氧降解過程中低濃度的活性黃KE-4RN可以被礦化. 至于高濃度染料培養(yǎng)瓶在實(shí)驗(yàn)第2 d的凈生物氣值為正值，可能是由于高濃度染料對(duì)內(nèi)生生物氣產(chǎn)生的抑制作用具有一定的滯后性，從而在實(shí)驗(yàn)前幾天表現(xiàn)出凈生物氣積累. 同時(shí)結(jié)合下文失活污泥的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知在厭氧降解過程中高濃度活性黃KE-4RN染料主要存在初級(jí)降解和污泥吸附兩種脫色形式.

同時(shí)，生物氣組分分析結(jié)果表明(如圖8所示)，生物氣組分中CO2含量與活性黃KE-4RN濃度成正相關(guān)，在染料濃度為200 mg/L時(shí)達(dá)到最大值約89%；CH4含量與活性黃KE-4RN濃度成負(fù)相關(guān)，在染料濃度為200 mg/L時(shí)達(dá)到最小值約16%；H2含量未明顯測(cè)出. 結(jié)合上文中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，說明在厭氧降解過程中，活性黃KE-4RN染料濃度較高時(shí)明顯降低產(chǎn)甲烷菌活性，濃度較低時(shí)(≤80 mg/L)染料會(huì)發(fā)生部分礦化.

圖7 降解實(shí)驗(yàn)累計(jì)凈產(chǎn)氣量Fig.7 Net gas production in degradation experiment

圖8 各氣體組分所占比例Fig.8 Percentage of gas composition

同時(shí)發(fā)現(xiàn)，在降解過程中活性黃KE-4RN溶液顏色由黃變藍(lán)，最終變成淡藍(lán)色. 說明活性黃KE-4RN分子中原有顯色基團(tuán)有可能被破壞，并產(chǎn)生了另一種有色中間體[18]，也表明有部分活性黃KE-4RN染料未完全降解.

2.6 失活污泥對(duì)活性黃KE-4RN的吸附試驗(yàn)

由于污泥本身具有吸附能力，對(duì)活性黃KE-4RN起到了一定的吸附脫色作用. 為探明其對(duì)活性黃KE-4RN染料的脫色效果，設(shè)計(jì)了利用失活污泥進(jìn)行活性黃KE-4RN溶液的脫色實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖9所示. 可以看出，該實(shí)驗(yàn)中脫色率與染料濃度成負(fù)相關(guān). 綜合活性污泥的脫色率實(shí)驗(yàn)分析得出：在厭氧消化過程中，活性黃KE-4RN的脫色除了由于少量礦化外，還同時(shí)存在厭氧降解與吸附兩種脫色作用，且兩者的協(xié)同脫色效果遠(yuǎn)比單一作用下的脫色效果明顯.

同時(shí)分析滅活污泥和活性污泥的脫色率數(shù)據(jù)可知，在厭氧環(huán)境下，低濃度活性黃KE-4RN的脫色作用效果為：吸附>初級(jí)降解?最終礦化；而高濃度活性黃KE-4RN溶液中降解作用脫色占比重上升，即：初級(jí)降解>吸附?最終礦化.

圖9 活性黃KE-4RN吸附脫色率Fig.9 Adsorption decolorization rate of reactive yellow KE-4RN

3 結(jié)論

綜合以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得出以下結(jié)論：

1) 活性黃KE-4RN在低濃度(≤80 mg/L)時(shí)可發(fā)生部分礦化；但隨著濃度的提高，其最終降解的難度增加，其脫色效果主要由活性污泥吸附和厭氧微生物初級(jí)降解協(xié)同作用完成.

2) 活性黃KE-4RN降解的脫色貢獻(xiàn)率排序如下：低濃度溶液中，吸附>初級(jí)降解?最終礦化；高濃度溶液中，初級(jí)降解>吸附?最終礦化.

3) 溶液顏色的明顯變化和最大吸收波長(zhǎng)藍(lán)移，表明可能有新的有色中間體產(chǎn)生.

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[責(zé)任編輯：吳文鵬]

Study on anaerobic decolorization of reactive yellow KE-4RN

FU Xuegang1, BU Jiuhe2,3, ZHENG Wei3, WU Junjie3, WANG Xinhai1,3*

(1.HenanEngineeringResearchCenterofIndustrialCirculatingWaterTreatment,CollegeofChemistryandChemicalEngineering,HenanUniversity,Kaifeng475004,Henan,China; 2.EngineeringTechnologyResearchCenterofEnvironment&Health,HenanUniversity,Kaifeng475004,Henan,China; 3.HenanProvinceIcoworldEcologicalSciTechCo.,Ltd,Kaifeng475004,Henan,China)

Based on an anaerobic batch test system under 35 ℃, the effects of volatile fatty acids (VFAs) and sludge adsorption on decolorization of reactive yellow KE-4RN were studied in details. The form and extent of anaerobic decolorization were detected by gas production amount and composition, and the degradation mechanism of reactive yellow KE-4RN reduction was also discussed. The results indicated that the reactive yellow KE-4RN was difficult to be anaerobic biodegraded into CO2and CH4completely. The decolorization should be joint action of sludge adsorption and anaerobic primary biodegradation and the rate of decolorization was inversely proportional to dye concentration. Under the conditions of dye concentration ≤ 80 mg·L-1(calculated by C) and biodegradation for 14 d, the decolorization rate could attain 94% and the removal rate ofCODCrcould be over 90%.

anaerobic; biodegradation; reactive yellow KE-4RN; decolorization; adsorption

2016-07-20.

河南省教育廳科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(13A610047), 教育部留學(xué)回國(guó)人員科研啟動(dòng)基金(2013210).

付學(xué)港(1991-), 男, 碩士生, 研究方向?yàn)榄h(huán)境科學(xué).*

, E-mail:xinhaiwang@126.com.

X52

A

1008-1011(2017)02-0224-06