生物法對偶氮染料廢水脫色的研究

鄭潔

摘 要：從某印染廢水的活性污泥中富集了一個(gè)能夠高效降解酸性大紅GR的菌群。研究結(jié)果表明，該菌群在15h內(nèi)幾乎將100mg/L的酸性大紅完全脫色。該菌群在偏堿性環(huán)境下的脫色效果大于酸性環(huán)境，并表現(xiàn)出高效廣譜染料脫色降解特性。當(dāng)溫度在10°C～30°C之間時(shí)，脫色率隨溫度的遞增而增大，在30°C時(shí)脫色率達(dá)到最大。

關(guān)鍵詞：酸性大紅GR；脫色；菌群；偶氮染料

中圖分類號：X703 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）32-0064-02

Abstract： A bacteria group capable of degrading acid scarlet GR was enriched from the activated sludge of a printing and dyeing wastewater. The results showed that the bacteria almost completely decolorized acid scarlet at 100 mg/L within 15h. The decolorizing effect of the bacteria group in the alkaline environment was higher than that in the acidic environment， and showed the characteristics of decolorization and degradation of the dyes with high efficiency and broad spectrum. When the temperature is between 10 °C and 30 °C， the decolorization rate increases with the increase of temperature， and reaches the maximum at 30°C.

Keywords： acid scarlet GR； decolorization； microflora； azo dyes

1 概述

1.1 課題背景

染料和印染工業(yè)快速發(fā)展，這種發(fā)展導(dǎo)致了生產(chǎn)廢水越趨增多，大約占了總的工業(yè)廢水的十分之一。印染廢水因其排放數(shù)量龐大、成分組成復(fù)雜等特點(diǎn)以及處理經(jīng)濟(jì)負(fù)荷沉重成為目前最難處理的工業(yè)廢水之一。作為合成染料，與天然染料相比，偶氮染料因其價(jià)格成本低，顏色具有多樣性，不易掉色，合成方便等特點(diǎn)成為主流染料。偶氮染料廣泛應(yīng)用于制藥、造紙、皮革、食品、化妝品和紡織等行業(yè)。偶氮染料的穩(wěn)定性較高，抗光、抗氧化能力強(qiáng)，而且具有致癌、致畸、致突變性[1]，嚴(yán)重破壞了水體生態(tài)系統(tǒng)，對人類健康構(gòu)成潛在危害。

1.2 偶氮染料的性質(zhì)

偶氮染料是所有分子中含有偶氮基團(tuán)結(jié)構(gòu)（-N=N-）染料的總稱。偶氮基團(tuán)結(jié)構(gòu)能夠吸收光中的可見光譜部分常與發(fā)色體[2]（一個(gè)或多個(gè)芳香環(huán)系統(tǒng)）相連構(gòu)成的共扼體系。為了使偶氮染料的種類變得多樣化，因此可以改變發(fā)色體芳香環(huán)系統(tǒng)中的取代集團(tuán)，如：硝基、氨基、甲基、氯基、羥基和羧基等，從而得到種類繁多，顏色豐富多彩的偶氮染料。

1.3 染料廢水的處理方式

最常用的印染廢水的處理方法有物理法、化學(xué)法、物理化學(xué)法和生物法四種。生物處理法基于其成本低、效率高以及能降解或轉(zhuǎn)化污染物成為水、二氧化碳以及無機(jī)鹽類等優(yōu)點(diǎn)被廣泛采用。已報(bào)道的偶氮染料脫色菌種類較多。Prasad等分離得到一株能夠降解偶氮染料Direct Blue-1的中度嗜鹽菌Marinobactersp. strain HBRA，在70 g/L該菌在6h內(nèi)將100mg/L的Direct Blue-1完全降解[3]。但是，采用純菌對偶氮染料降解脫色，其脫色染料種類比較單一，即使菌株能夠?qū)Χ喾N染料都具有良好脫色性能，其脫色能力也不一致[4]。單一菌株對處理成分復(fù)雜的印染廢水時(shí)，降解效率不穩(wěn)定，不利于實(shí)踐性使用。所以研究混合菌有重要的研究意義，因?yàn)榫褐g存在協(xié)同降解作用，對復(fù)雜的染料廢水有很強(qiáng)的適應(yīng)性，因此混合菌的降解效果會(huì)更加顯著。

1.4 對微生物降解偶氮染料產(chǎn)生影響的因素

通過查找資料，初步了解一些因素對偶氮染料降解菌群的脫色的影響，溶解氧、溫度、pH值、鹽度以及偶氮染料的濃度等條件都必須考慮到，在不斷的調(diào)解中找到最佳微生物降解偶氮染料脫色的條件。本文主要研究不同pH值和不同溫度下菌群降解偶氮染料的影響。

2 材料與方法

2.1 印染廢水

本文使用的偶氮染料為酸性大紅GR，分子式為C22H14N4Na2O7S2，它的相對分子質(zhì)量為556.48，最大吸收波長為510nm。配置酸性大紅GR染料濃度為5g/L的母液，用滅過菌的0.22？滋m的濾膜過濾，除菌，用棕色瓶裝。

2.2 無機(jī)鹽培養(yǎng)基

鹽度為5%的培養(yǎng)基的配制方法：在天平上準(zhǔn)確秤取CaCl20.1g，MgCl2·6H2O6.0g，NaCl40.0g，KCl0.5g，Na2SO40.5g，

NH4Cl0.3g放入1L的燒杯中，加入800ml去離子水，攪拌直至試劑完全溶解，加HCl或NaOH溶液調(diào)節(jié)pH至7.2～7.5，加微量元素1ml，稱取5.0g酵母粉，溶解完全后，定容至1L容量瓶中，然后每次量取100mL，分別分裝至10個(gè)250mL的錐形瓶當(dāng)中。

2.3 菌群

采集某印染廠的活性污泥，將其放置冰箱中冷藏。取10ml的活性污泥懸濁液將其接入模擬印染廢水中（90mL的5%鹽度的無機(jī)鹽培養(yǎng)基中加入100mg/L酸性大紅GR），在超凈工作臺(tái)操作。接種結(jié)束，將其放置30℃、150r/min的恒溫振蕩培養(yǎng)箱中，觀察脫色情況，待顏色接近至無色，取10%的第一代懸濁液接種到模擬印染廢水中（90mL的5%鹽度的無機(jī)鹽培養(yǎng)基中加入100mg/L酸性大紅GR）如此循環(huán)8代，富集培養(yǎng)結(jié)束，收集菌體，用培養(yǎng)基洗滌菌體2次，菌體懸浮于5%培養(yǎng)基中，得到實(shí)驗(yàn)所需的菌液。

2.4 接種

打開超凈工作臺(tái)的紫外燈滅菌后通風(fēng)，將實(shí)驗(yàn)所需試劑放進(jìn)超凈臺(tái)，點(diǎn)燃酒精燈。取下培養(yǎng)基封口膜，將封口膜倒置。用移液槍（滅菌槍頭）吸取1mL的KH2PO4，0.2mL（100mg/L）的酸性大紅GR，再移取10mL的菌液，加入到培養(yǎng)基當(dāng)中，蓋上封口膜，待培育。將已經(jīng)接種好的培養(yǎng)基放進(jìn)30℃的恒溫培養(yǎng)箱當(dāng)中培養(yǎng)，觀察培養(yǎng)基脫色情況，待酸性大紅GR脫色至無色，可進(jìn)行下一代接種。重復(fù)上述步驟，直到富集8代，得到實(shí)驗(yàn)所需菌種。

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)論

3.1 酸性大紅GR濃度的測定及脫色率的計(jì)算

5%的無機(jī)鹽培養(yǎng)基中加入一定量的濃度的酸性大紅GR，將活化之后的菌群接入到上述模擬的印染廢水中對其進(jìn)行降解至其脫色。定時(shí)從其取出2mL脫色液裝進(jìn)2mL的離心管中，10000r/min下離心5min，取出上清液待測定，以未加染料的培養(yǎng)基作空白，在510nm最大吸收波長處測定其吸光度。脫色率根據(jù)以下公式計(jì)算：Q=（A0-At）/At×100%

其中A0為起始時(shí)刻染料對應(yīng)的吸光度；At為t時(shí)刻染料對應(yīng)的吸光度。

3.2 不同pH值下菌群降解酸性大紅GR及其結(jié)論

配置pH值為5、6、7、8、9、10的5%鹽度的無機(jī)鹽培養(yǎng)基100mL。將配好的培養(yǎng)液放入立式壓力蒸汽滅菌鍋滅菌，在0.1MPa，120℃的條件下進(jìn)行滅菌處理20min。滅菌結(jié)束后，在超凈臺(tái)上操作，向不同鹽度的無機(jī)鹽培養(yǎng)基中加入2mL（100mg/L）酸性大紅GR溶液、1mLKH2PO4和10mL上述菌液，將其靜置放置在30℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。每隔3h從不同pH值的培養(yǎng)基中各取出2mL菌液于2mL離心管中，使用離心機(jī)在12000rpm的條件下離心10min。離心結(jié)束后取出離心管，取0.4mL的上清液于石英比色皿中，并用蒸餾水稀釋10倍，使用1mm的石英比色皿，測其在510nm處的吸光度。記下數(shù)據(jù)，并計(jì)算降解率，直至脫色基本結(jié)束。

結(jié)論：pH值影響會(huì)微生物的生長，大于或小于微生物的最適pH值都會(huì)對微生物的生長尤其是酶的活性產(chǎn)生不利的影響。該菌群在廣泛的pH范圍內(nèi)都能適應(yīng)生存。在過酸和過堿的環(huán)境條件下，12h染料脫色率只有14.19%、16.66%、44.68%，說明菌群的生長受到抑制，從而影響了菌群對酸性大紅GR的降解效果。在pH7、pH8、pH9時(shí)，菌群12h的染料脫色率達(dá)到80.55%、84.67%、72.98%，降解率明顯高于過酸過堿的環(huán)境，菌群都很好的脫色能力。其中菌群在pH值為8時(shí)降解性能最佳，15h內(nèi)脫色率甚至100%。所以，該菌群更適合生存在偏堿性環(huán)境。在印染過程中添加的NaOH等導(dǎo)致染料廢水偏堿性，有些印染廢水pH高達(dá)10[5]，是抑制生物脫色的重要因素。因此，該菌群對于處理高堿性印染廢水有很廣的研究空間以及很高的應(yīng)用價(jià)值。

3.3 不同溫度下菌群降解酸性大紅GR及其結(jié)論

為了研究菌群的最適生長溫度，本問在不同的溫度下對菌群降解酸性大紅GR的性能進(jìn)行研究。配置5個(gè)溫度參數(shù)的pH值為7.5的5%鹽度的無機(jī)鹽培養(yǎng)基各100mL。將配好的培養(yǎng)液放入立式壓力蒸汽滅菌鍋滅菌，在0.1MPa，120℃的條件下進(jìn)行滅菌處理20min。滅菌結(jié)束后，在超凈臺(tái)上操作，向5%的無機(jī)鹽培養(yǎng)基中加入2mL（100 mg/L）酸性大紅GR溶液、1mLKH2PO4和10mL上述菌液。將其分別靜置放置在10℃、20℃、30℃、37℃、45℃、50℃的培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，觀察其脫色情況，直至出現(xiàn)脫色為止。測定不同溫度下菌群對酸性大紅GR的脫色效率。分別從培養(yǎng)基中各取出2mL菌液于2mL 離心管中，使用離心機(jī)在12000rpm的條件下離心10min。離心結(jié)束后取出離心管，取0.4mL的上清液于石英比色皿中，并用蒸餾水稀釋10倍，使用1mm的石英比色皿，測其在510nm處的吸光度。記下數(shù)據(jù)，并計(jì)算降解率。

結(jié)論：溫度值會(huì)影響微生物的生長，大于或者小于微生物的最適溫度都會(huì)對微生物的生長尤其是酶的活性產(chǎn)生不利的影響。當(dāng)溫度在10°C～30°C之間時(shí)，脫色率隨溫度的遞增而增大；溫度在30°C時(shí)脫色率達(dá)到最大，達(dá)到98.2%。在常溫37°C菌群降解酸性大紅GR脫色率達(dá)到96.5%。這和Tan等富集的能夠脫色酸性大紅GR的菌群的結(jié)果相同[6]。

參考文獻(xiàn)：

[1]盧婧，余志晟，張洪勛.微生物降解偶氮染料的研究進(jìn)展[J].工業(yè)水處理，2013，33（1）：15-19.

[2]戴樹桂，宋文華，李彤，等.偶氮染料結(jié)構(gòu)與其生物降解性關(guān)系研究進(jìn)展[J].環(huán)境科學(xué)進(jìn)展，1996（06）：2-10.

[3]田啟建，林永慧，何興兵，等.耐高鹽撕裂蠟孔菌P2對模擬橙黃G染料廢水的脫色及廢水脫色前后的毒性測試[J].應(yīng)用與環(huán)境生物學(xué)報(bào)，2011，17（06）：876-882.

[4]花莉，解井坤，朱超，等.微生物對偶氮染料脫色降解的研究進(jìn)展[J].西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，43（10）：103-113.

[5]惠豐立，牛秋紅，劉征，等.活性紅BF-3BN脫色菌群的構(gòu)建及特性研究[J].環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2011，5（07）：1538-1541.

[6]劉正.高濃度含鹽廢水生物處理技術(shù)[J].化工環(huán)保，2008，26（5）：209-211.