零價(jià)鐵-克雷伯氏菌聯(lián)合體系對(duì)亞甲基藍(lán)溶液的脫色性能

祁麗娟，周燕平，張小娟，2，祁小青

（1. 青海大學(xué) 生態(tài)環(huán)境工程學(xué)院，青海 西寧 810816；2. 青海大學(xué) 省部共建三江源生態(tài)與高原農(nóng)牧業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青海 西寧 810816；3. 青海省西寧市環(huán)保局，青海 西寧 810008）

在印染工藝中，偶氮染料占染料生產(chǎn)及使用總量的50%以上，由于其生物毒性大、化學(xué)穩(wěn)定性高以及自然降解難等特點(diǎn)，使得偶氮染料一直是印染廢水脫色處理的核心問(wèn)題［1-3］。近年，利用零價(jià)鐵（ZVI）技術(shù)聯(lián)合微生物處理難降解污染物引起研究者們廣泛的關(guān)注［4-6］。Li等［7］采用ZVI和厭氧污泥協(xié)同處理染料活性藍(lán)-13，發(fā)現(xiàn)ZVI的投加明顯促進(jìn)活性藍(lán)-13的脫色效果，并改變了污泥的形態(tài)和菌群結(jié)構(gòu)。肖利平等［8］利用ZVI-熒光假單胞菌聯(lián)合處理偶氮染料直接耐曬黑，提出該體系主要通過(guò)斷裂偶氮鍵來(lái)實(shí)現(xiàn)脫色，能進(jìn)一步降解含苯環(huán)和含萘環(huán)結(jié)構(gòu)的中間產(chǎn)物，并有效縮短了脫色時(shí)間。Liu等［9］指出在厭氧反應(yīng)器中投加ZVI可有效增強(qiáng)發(fā)酵菌活性，提高產(chǎn)酸率和對(duì)染料廢水的脫色率。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于ZVI聯(lián)合微生物處理印染廢水的研究大多集中于ZVI或微生物的單一吸附作用［10-12］，對(duì)于不同細(xì)菌與ZVI聯(lián)合作用或?qū)Σ煌玖系拿撋匦匝芯可写钊搿?/p>

本工作從高原地區(qū)某藏毯廠(chǎng)印染廢水中篩選出對(duì)亞甲基藍(lán)溶液具有脫色性能的優(yōu)勢(shì)菌種——克雷伯氏菌yl-1，以其為研究菌種，采用單因素實(shí)驗(yàn)考察ZVI-脫色菌聯(lián)合體系對(duì)亞甲基藍(lán)溶液的脫色特性，并采用中心組合設(shè)計(jì)-響應(yīng)面分析法（CCDRSM法）對(duì)該過(guò)程的脫色條件進(jìn)行優(yōu)化。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑、材料和儀器

亞甲基藍(lán)：天津市凱通化學(xué)試劑有限公司；鐵粉（ZVI）：分析純，天津市凱信化學(xué)工業(yè)有限公司；其他試劑均為國(guó)產(chǎn)分析純。

不同亞甲基藍(lán)質(zhì)量濃度的脫色反應(yīng)液（g/L）：亞甲基藍(lán)適量，甘露醇10，磷酸二氫銨2.5，磷酸二氫鈉5.0，磷酸二氫鉀2.5，硫酸鎂1.0。

克雷伯氏菌yl-1：從某藏毯廠(chǎng)印染廢水中篩選、分離、純化獲取。

pHS-3C 型pH計(jì)：上海楚柏實(shí)驗(yàn)室設(shè)備有限公司；TU-1901型紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)：上海滬粵明科學(xué)儀器有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 不同體系脫色性能的對(duì)比

在亞甲基藍(lán)質(zhì)量濃度為100 mg/L的脫色反應(yīng)液中，分別考察單獨(dú)yl-1脫色菌體系、單獨(dú)ZVI體系和ZVI-脫色菌聯(lián)合體系的脫色性能。ZVI投加量為3 g/L，菌種接種量為2%（w），初始pH為7，反應(yīng)溫度為（30±2） ℃，密封后在120 r/min振蕩速率下反應(yīng)，間隔一定時(shí)間取樣測(cè)定吸光度，計(jì)算脫色率，每個(gè)體系做三組平行樣。

1.2.2 ZVI-脫色菌聯(lián)合體系的單因素實(shí)驗(yàn)

在菌種接種量為2%（w）、振蕩速率為120 r/min、密封反應(yīng)條件下，針對(duì)ZVI-脫色菌聯(lián)合體系，考察初始pH、ZVI投加量、初始亞甲基藍(lán)質(zhì)量濃度及反應(yīng)溫度對(duì)ZVI-脫色菌聯(lián)合體系脫色性能的影響。

1.2.3 ZVI-脫色菌聯(lián)合體系的CCD-RSM法優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

在菌種接種量為2%（w）、振蕩速率為120 r/min、密封反應(yīng)條件下，選擇4因素4水平梯度，用CCD法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，對(duì)ZVI-脫色菌聯(lián)合體系的反應(yīng)條件進(jìn)行優(yōu)化。利用Design Expert 8.0軟件通過(guò)響應(yīng)面法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

1.3 分析方法

亞甲基藍(lán)質(zhì)量濃度的測(cè)定：在665 nm波長(zhǎng)下測(cè)定亞甲基藍(lán)溶液的吸光度，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)計(jì)算亞甲基藍(lán)質(zhì)量濃度；色度的測(cè)定：以溶液在665 nm波長(zhǎng)下的吸光度表征色度，根據(jù)溶液脫色前后的吸光度計(jì)算脫色率。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同體系脫色效果的比較

不同體系對(duì)亞甲基藍(lán)脫色反應(yīng)液的脫色效果見(jiàn)圖1。

圖1 不同體系對(duì)亞甲基藍(lán)脫色反應(yīng)液的脫色效果

由圖1可見(jiàn)：3種體系都能對(duì)亞甲基藍(lán)脫色反應(yīng)液進(jìn)行脫色，并在12 h之后脫色率基本保持不變；在整個(gè)脫色過(guò)程中，單獨(dú)ZVI體系的最高脫色率僅為40%左右，且在6 h之后脫色效果基本無(wú)變化；而ZVI-脫色菌聯(lián)合體系的脫色率較單獨(dú)yl-1脫色菌體系提高了10%左右，脫色率達(dá)到80%。這是由于對(duì)偶氮染料的降解與克雷伯氏菌的生長(zhǎng)有關(guān)［13］，克雷伯氏菌為兼性厭氧菌，在厭氧條件下產(chǎn)生偶氮還原酶，對(duì)亞甲基藍(lán)表現(xiàn)出較好的降解活性；而ZVI顆粒通過(guò)表面活性可直接與染料分子作用，對(duì)染料進(jìn)行降解［14］。ZVI在厭氧條件下與H2O會(huì)發(fā)生如下反應(yīng)：Fe + 2H2O→Fe2++ 2OH-+ H2，進(jìn)而持續(xù)不斷地釋放H2，一方面為克雷伯氏菌脫色提供較強(qiáng)的還原環(huán)境，另一方面為克雷伯氏菌的生長(zhǎng)供給了電子，增強(qiáng)了菌株對(duì)染料的適應(yīng)和降解性能［15］。

2.2 單因素實(shí)驗(yàn)

2.2.1 初始pH的影響

微生物生長(zhǎng)環(huán)境的pH會(huì)明顯影響其生長(zhǎng)速率及數(shù)量。在ZVI投加量為3 g/L、初始亞甲基藍(lán)質(zhì)量濃度為100 mg/L、反應(yīng)溫度為（30±2）℃的條件下，初始pH對(duì)ZVI-脫色菌聯(lián)合體系脫色性能的影響見(jiàn)圖2。由圖2可見(jiàn)：在中性偏弱堿性（pH =7～9）條件下，ZVI-脫色菌聯(lián)合體系對(duì)亞甲基藍(lán)脫色反應(yīng)液的脫色率接近85%；而在初始pH為3或11時(shí)，脫色率出現(xiàn)明顯下降。這可能是因?yàn)槲⑸锾幱谄峒捌珘A條件時(shí)會(huì)引起其細(xì)胞表面特性和酶構(gòu)象的變化［16］，降低了克雷伯氏菌斷裂偶氮鍵的活性［17］；另外，鐵在偏堿性條件下也會(huì)加速腐蝕形成Fe（OH）3沉淀。因此，初始pH為7～9較適宜。

圖2 初始pH對(duì)ZVI-脫色菌聯(lián)合體系脫色性能的影響

2.2.2 ZVI投加量的影響

在初始pH為7、初始亞甲基藍(lán)質(zhì)量濃度為100 mg/L、反應(yīng)溫度為（30±2）℃的條件下，ZVI投加量對(duì)ZVI-脫色菌聯(lián)合體系脫色性能的影響見(jiàn)圖3。

圖3 ZVI投加量對(duì)ZVI-脫色菌聯(lián)合體系脫色性能的影響

由圖3可見(jiàn)：ZVI投加量由1.5 g/L增至4.5 g/L時(shí)，培養(yǎng)10 h后的脫色率增加10%左右；而繼續(xù)增加ZVI投加量至5.5 g/L時(shí)，脫色率反而有所下降。這與郭燕等［15，18］的研究結(jié)果一致。低ZVI投加量無(wú)法為微生物提供充足的電子供給體，高ZVI投加量又會(huì)增加沉淀，影響ZVI產(chǎn)H2的反應(yīng)活性及微生物活動(dòng)。ZVI投加量為3.5 g/L和4.5 g/L時(shí)的脫色效果相近，因此后續(xù)實(shí)驗(yàn)中ZVI投加量選擇3.5 g/L。

2.2.3 初始亞甲基藍(lán)質(zhì)量濃度的影響

在初始pH為7、ZVI投加量為3.5 g/L、反應(yīng)溫度為（30±2）℃的條件下，初始亞甲基藍(lán)質(zhì)量濃度對(duì)ZVI-脫色菌聯(lián)合體系脫色性能的影響見(jiàn)圖4。由圖4可見(jiàn)，在初始亞甲基藍(lán)質(zhì)量濃度為100～300 mg/L的范圍內(nèi)，反應(yīng)14 h后脫色率均在80%以上，但初始亞甲基藍(lán)質(zhì)量濃度越大所需反應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng)。這表明隨時(shí)間的推移，脫色菌菌量不斷增加，脫色效率是持續(xù)上升的?？紤]反應(yīng)時(shí)間的優(yōu)化，在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中初始亞甲基藍(lán)質(zhì)量濃度選擇200 mg/L為宜。

圖4 初始亞甲基藍(lán)質(zhì)量濃度對(duì)ZVI-脫色菌聯(lián)合體系脫色性能的影響

2.2.4 反應(yīng)溫度的影響

在初始pH為7、初始亞甲基藍(lán)質(zhì)量濃度為200 mg/L、ZVI投加量為3.5 g/L的條件下，反應(yīng)溫度對(duì)ZVI-脫色菌聯(lián)合體系脫色性能的影響見(jiàn)圖5。

圖5 反應(yīng)溫度對(duì)ZVI-脫色菌聯(lián)合體系脫色性能的影響

由圖5可見(jiàn)：在反應(yīng)溫度為25～35 ℃的范圍內(nèi)，反應(yīng)溫度的升高有助于脫色率的提高；30 ℃和35 ℃下的脫色率均超過(guò)了85%，而整個(gè)脫色過(guò)程中，30 ℃與35 ℃下的脫色率差別很小，表明該聯(lián)合體系對(duì)溫度的適應(yīng)性較好；進(jìn)一步升溫時(shí)脫色率增幅不大。因此，在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中反應(yīng)溫度選擇30℃為宜。

2.3 CCD-RSM法優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

2.3.1 CCD實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

CCD實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 CCD實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多項(xiàng)擬合，得到二次多項(xiàng)回歸方程，見(jiàn)式（1）。

式中：η為脫色率，%；A～D分別是CCD設(shè)計(jì)的4個(gè)自變量，即反應(yīng)溫度、初始pH、ZVI投加量、初始亞甲基藍(lán)質(zhì)量濃度。對(duì)擬合的二次多項(xiàng)回歸方程進(jìn)行方差分析，結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可見(jiàn)：模型項(xiàng)F值為20.9，P＜0.0001，R2=0.9512，說(shuō)明該模型能夠很好的擬合ZVI-脫色菌聯(lián)合體系對(duì)亞甲基藍(lán)溶液的脫色行為?；貧w方程一次項(xiàng)B、D，交互項(xiàng)AD，二次項(xiàng)A2、B2差異顯著（P＜0.01），其他項(xiàng)不顯著，說(shuō)明各個(gè)因素對(duì)亞甲基藍(lán)降解的影響不是簡(jiǎn)單的線(xiàn)性關(guān)系。

表2 回歸方程的方差分析

響應(yīng)面分析三維圖見(jiàn)圖6。

由圖6可直觀(guān)地看出：初始pH、反應(yīng)溫度與初始亞甲基藍(lán)質(zhì)量濃度之間為相互抑制作用，ZVI投加量與初始pH、初始亞甲基藍(lán)質(zhì)量濃度之間沒(méi)有明顯的相互作用。通過(guò)Design Expert 8.0軟件求出ZVI-脫色菌聯(lián)合體系對(duì)亞甲基藍(lán)脫色反應(yīng)液的最優(yōu)脫色條件為：初始pH 7.99，初始亞甲基藍(lán)質(zhì)量濃度250 mg/L，ZVI投加量4.0 g/L，反應(yīng)溫度32.91 ℃。為方便實(shí)際操作，修正初始pH為8，反應(yīng)溫度為33 ℃。在此條件下，ZVI-脫色菌聯(lián)合體系對(duì)亞甲基藍(lán)脫色反應(yīng)液脫色率的理論值可達(dá)91.85%。

圖6 響應(yīng)面分析三維圖

2.3.2 最優(yōu)條件驗(yàn)證

根據(jù)模型確定的最優(yōu)條件，進(jìn)行3次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，測(cè)得脫色率均值為91.33%，與理論值基本吻合。說(shuō)明CCD-RSM法優(yōu)化得到的亞甲基藍(lán)降解脫色工藝參數(shù)準(zhǔn)確可靠，具有實(shí)用價(jià)值。與以往的研究相比較［8，19］，ZVI-脫色菌聯(lián)合體系的脫色時(shí)間在12 h左右，有效提高了脫色效率。

3 結(jié)論

a）ZVI-脫色菌聯(lián)合體系對(duì)亞甲基藍(lán)脫色反應(yīng)液的脫色效果明顯優(yōu)于單獨(dú)ZVI體系及單獨(dú)yl-1脫色菌體系，脫色率分別提高了40%和10%。

b）應(yīng)用單因素實(shí)驗(yàn)及4因素3水平CCD-RSM法確定的ZVI-脫色菌聯(lián)合體系對(duì)亞甲基藍(lán)脫色反應(yīng)液的最優(yōu)脫色條件為：初始pH 8，初始亞甲基藍(lán)質(zhì)量濃度250 mg/L，ZVI投加量4.0 g/L，反應(yīng)溫度33℃。在此條件下，脫色率均值為91.33%，與模型預(yù)測(cè)的理論值基本吻合，具有實(shí)用價(jià)值。

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