海藻酸鈣共固定化蒽醌和脫色菌處理偶氮染料廢水的研究

段松濤， 任曉莉， 李夏楠， 徐冬敏， 張家杰， 趙潤(rùn)柱

(太原工業(yè)學(xué)院環(huán)境與安全工程系，山西 太原 030008)

引 言

目前，偶氮染料被廣泛應(yīng)用于紡織品、皮革制品、化妝品等的生產(chǎn)和應(yīng)用中，約有10%～15%的染料隨廢水排入環(huán)境水體。偶氮染料是人工合成的偶氮化合物，分子主要特征是含有一個(gè)或多個(gè)偶氮鍵，其前體及降解產(chǎn)物的三致作用，對(duì)生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重影響，威脅生物多樣性[1]。偶氮染料脫色的方法有多種，如,過(guò)濾法、光催化法、吸附法及高級(jí)氧化法等物化方法[2]，這些方法雖有效但存在反應(yīng)條件苛刻、運(yùn)行費(fèi)用高、二次污染嚴(yán)重等缺點(diǎn)。本著綠色環(huán)保、資源高效利用的原則，本文選擇生物脫色法[3]。生物脫色法的實(shí)質(zhì)是微生物以廢水中所含的污染物作為營(yíng)養(yǎng)源的生命活動(dòng)，以達(dá)到脫色的目的。

固定化微生物技術(shù)是將特選的微生物固定在選擇的載體上，使其高度密集并保持生物活性，在適宜條件下能夠快速、大量增殖的生物技術(shù)。這種技術(shù)應(yīng)用于廢水處理，有利于微生物抵抗不利環(huán)境的影響，以及反應(yīng)后的固液分離，縮短處理所需的時(shí)間[4]。生物吸附劑固定化方法主要有吸附法、交聯(lián)法、包埋法等，本實(shí)驗(yàn)采用包埋法[5]固定微生物。以海藻酸鈣為生物載體，將蒽醌和脫色菌群混合包埋固定在其中，能有效地對(duì)染料脫色并降低蒽醌和菌群的流失。蒽醌作為氧化還原介體，能加速對(duì)多種偶氮染料的脫色過(guò)程[6]。

1 生物脫色材料的制取

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

脫色菌群從紡織廠排污口附近的污泥中經(jīng)篩選、富集獲得。

篩選培養(yǎng)基：NaCl 5 g/L，(NH4)2SO46.9 g/L，KH2PO42.5 g/L，Na2HPO42.5 g/L，MgSO40.2 g/L，瓊脂2 g/L，橙黃Ⅱ 500 mg/L，pH=6.5。

富集培養(yǎng)基：胰蛋白胨5 g/L，酵母膏2 g/L，KH2PO41 g/L，MgSO41.54 g/L，瓊脂16 g/L，橙黃Ⅱ 1 000 mg/L，pH=7.0。

發(fā)酵培養(yǎng)基：胰蛋白胨5 g/L，酵母膏2 g/L，KH2PO41 g/L，MgSO41.54 g/L，pH=7.0。

共固定化材料：3%海藻酸鈉菌懸液，5% CaCl2溶液，蒽醌20 mg。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

MHH-1000型電加熱臺(tái)；HH-S1型恒溫水浴鍋;YXQ-LS-18SI型高壓蒸汽滅菌鍋;SHB-Ⅲ型水循環(huán)真空泵；SW-CJ-7F0型超凈工作臺(tái)；BSP-250型恒溫培養(yǎng)箱；JH-752型可見(jiàn)-紫外分光光度計(jì)；SHA-C型恒溫振蕩器；日本島津電子天平。

1.3 脫色菌的篩選

稱(chēng)取45 g印染廠現(xiàn)采污泥，放置于500 mL錐形瓶中，加入250 mL無(wú)菌水。于30 ℃水浴、轉(zhuǎn)速120 r/min條件下恒溫振蕩1 h。靜置2 h后，取出50 mL上清液，進(jìn)行平板涂布，37 ℃恒溫培養(yǎng)60 h后，根據(jù)脫色圈與菌落直徑之比篩選出脫色菌菌落，并挑取至斜面上于37 ℃擴(kuò)大培養(yǎng)3 d～4 d，刮取菌苔用于制備固定化生物脫色材料。篩選平板如圖1所示。

圖1 脫色菌篩選平板

1.4 菌懸液的制備

將富集培養(yǎng)后的菌苔刮取至100 mL 0.9%溶液中，加入適量無(wú)鉛玻璃珠，30 ℃、120 r/min恒溫振蕩30 min后脫脂棉過(guò)濾，獲得略顯渾濁的菌懸液。

1.5 共固定化凝膠小球的制取

將3 g海藻酸納加入菌懸液，制成100 mL 3%海藻酸鈉溶液，加入蒽醌20 mg后攪拌20 min，用注射器逐滴，浸泡1 h。用無(wú)菌水洗滌3次后，獲得共固定化蒽醌和脫色菌生物脫色材料，見(jiàn)圖2。將獲得的共固定化生物脫色材料放入發(fā)酵培養(yǎng)基中，30 ℃恒溫培養(yǎng)24 h后，進(jìn)行模擬染料廢水脫色實(shí)驗(yàn)。

圖2 共固定化脫色材料

2 模擬偶氮染料廢水脫色實(shí)驗(yàn)

2.1 標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制(橙黃Ⅱ)

配制質(zhì)量濃度為50 mg/L的橙黃Ⅱ溶液，依照40、30、20、10 mg/L質(zhì)量濃度進(jìn)行梯度稀釋?zhuān)谧畲笪詹ㄩL(zhǎng)484 nm處測(cè)量其吸光度，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。標(biāo)準(zhǔn)方程為y=0.035 7x+0.007 6，R2=0.999 9，說(shuō)明橙黃Ⅱ質(zhì)量濃度值與吸光度值具有較好的線性關(guān)系，可作為樣品測(cè)定的參考依據(jù)，見(jiàn)圖3。

2.2 模擬脫色實(shí)驗(yàn)

配制50 mg/L橙黃Ⅱ溶液作為模擬染料廢水。設(shè)置實(shí)驗(yàn)組投加共固定化脫色材料100 g/L，空白對(duì)照組為不加脫色材料的等量橙黃Ⅱ溶液，設(shè)置等量共固定化脫色材料投加量的無(wú)菌水作為參比溶液調(diào)校分光光度計(jì)，以排除共固定化脫色材料對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)量值的影響。設(shè)置完成后，同時(shí)以25 ℃、120 r/min恒溫振蕩。以0、12、24、36、48、72 h為時(shí)間間隔分別取樣測(cè)量其吸光度并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算溶液質(zhì)量濃度，結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖3 橙黃Ⅱ標(biāo)準(zhǔn)曲線

由圖4和圖5可以看出，通過(guò)實(shí)驗(yàn)組及空白對(duì)照組的比對(duì)，在模擬廢水脫色實(shí)驗(yàn)開(kāi)始24 h后，未加入共固定化脫色材料的空白組染料質(zhì)量濃度及脫色率變化值極小，其變化值不超過(guò)3%，24 h時(shí)脫色率為26.33%，36 h脫色率為27.07%。但投加共固定化脫色材料的實(shí)驗(yàn)組在24 h后染料質(zhì)量濃度仍下降迅速，24 h時(shí)染料質(zhì)量濃度為21.73 mg/L，72 h時(shí)染料質(zhì)量濃度為8.45 mg/L，證明了共固定化脫色材料對(duì)橙黃Ⅱ溶液具有顯著的脫色作用，實(shí)驗(yàn)組72 h脫色率達(dá)到了81.50%，而空白組72 h脫色率僅為28.90%。

圖4 橙黃Ⅱ溶液的質(zhì)量濃度

圖5 橙黃Ⅱ溶液的脫色率

3 結(jié)論

1) 印染廠排污口附近的污泥中存在或潛在對(duì)偶氮染料具有顯著脫色作用的菌落，在模擬脫色實(shí)驗(yàn)中僅以50 mg/L橙黃Ⅱ溶液而無(wú)需添加其他營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)就能達(dá)到較好的脫色效果。

2) 共固定化生物脫色材料經(jīng)過(guò)72 h、25 ℃恒溫振蕩后，對(duì)50 mg/L橙黃溶液脫色率達(dá)到81.50% (該溶液在自然條件下降解率僅為28.90%)，且在脫色實(shí)驗(yàn)完成后，共固定化材料仍具有較好的形態(tài)，模擬廢水中菌體數(shù)量小，材料中菌體泄露較少，可重復(fù)利用。