木質(zhì)素酶法處理含油廢水的研究

劉云慶,王興磊,李強(qiáng),張藝

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木質(zhì)素酶法處理含油廢水的研究

劉云慶,王興磊*,李強(qiáng),張藝

污染物化學(xué)與環(huán)境治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 伊犁師范學(xué)院化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 新疆 伊寧 835000

本實(shí)驗(yàn)研究以模擬含柴油廢水為研究對(duì)象，研究了木質(zhì)素酶對(duì)含柴油污水中柴油的酶催化氧化降解情況?？疾炝巳芤簆H值、催化時(shí)間、木質(zhì)素酶濃度、反應(yīng)溫度、柴油初始濃度等不同要素對(duì)酶催化氧化效果的影響。通過正交實(shí)驗(yàn)確定最佳實(shí)驗(yàn)條件為：柴油初始濃度為0.3 g·L-1，木質(zhì)素酶濃度為12 mg·L-1，pH值為5.5，反應(yīng)溫度為30 ℃，反應(yīng)時(shí)間為3 h，柴油的去除率可達(dá)90.17%。

木質(zhì)素酶; 含油廢水; 催化氧化

目前，石油化工、石油的開采與煉制、煤制油等企業(yè)中產(chǎn)生了大量以輕碳?xì)浠衔?、重碳?xì)浠衔?、燃油、焦油、?rùn)滑油類型的含油廢水[1,2]。這些含油廢水不易降解，有毒有害且嚴(yán)重影響水質(zhì)。被油污染的水體，其水體中的溶氧量急劇下降，主要原因是油容易在水體表面形成薄油膜，空氣中的氧難以進(jìn)入水體，從而影響水生生物的正常生長(zhǎng)，破壞水的生態(tài)平衡[3.4]；被油污染的水若進(jìn)入到地下水系中，會(huì)污染地下水源影響農(nóng)田灌溉[3]，主要原因是油分容易堵塞土壤的空隙，阻止空氣透入，使土壤微生物不能正常進(jìn)行新陳代謝，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成農(nóng)作物減產(chǎn)或死亡[5,6]。

酶技術(shù)具有催化效率高、作用條件溫和、處理速度快和適用范圍廣等特點(diǎn)，用酶技術(shù)處理含油廢水已成為污水處理新技術(shù)且倍受關(guān)注[1]，酶技術(shù)與傳統(tǒng)的物理化學(xué)和生物法處理含油廢水相比特點(diǎn)如下[7,8]：（1）使用酶技術(shù)能夠催化處理難降解有機(jī)化合物；（2）使用酶技術(shù)處理進(jìn)程更容易操作且處理速率比傳統(tǒng)方法快；（3）酶技術(shù)具有較強(qiáng)的抗沖擊性；（4）使用酶技術(shù)可以有效地減少有毒有機(jī)污染物[9]。20世紀(jì)80年代初，Klibanov等[10-12]首次將過氧化物酶用于廢水中酚類和芳香胺類化合物的處理，研究中發(fā)現(xiàn)生物酶處理部分有機(jī)物的去除效率很高，現(xiàn)在研究和應(yīng)用較多的過氧化物酶是辣根過氧化物酶、木質(zhì)素過氧化物酶及其它酶類。Tien等[13]通過瞬態(tài)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究，Huang等人[14]研究木質(zhì)素酶催化氧化反應(yīng)時(shí)均發(fā)現(xiàn)可以利用木質(zhì)素酶處理很多難降解的有機(jī)污染物，這種特殊性質(zhì)在環(huán)境工程中有著巨大的應(yīng)用前景[15]。近年來，左紅梅、劉浩等人[16-19]利用生物酶降解有機(jī)物的特點(diǎn)處理印染、造紙、鉆井液中的廢水減少環(huán)境污染。

本文研究以模擬含柴油廢水為研究對(duì)象，以去除水中的柴油為目標(biāo)，實(shí)驗(yàn)分別考察了溶液的pH值、催化時(shí)間、木質(zhì)素酶濃度、反應(yīng)溫度、柴油初始濃度等不同要素對(duì)酶催化氧化效果的影響，確定木質(zhì)素酶處理含油污水的最佳工藝條件。

1 材料與方法

1.1 試劑與儀器

木質(zhì)素酶（Lip），分析純，北京百靈威科技有限公司；正己烷，分析純，西隴化工股份有限公司；乙酸鈉，分析純，北京化學(xué)試劑公司；冰乙酸，分析純，北京化學(xué)試劑公司。

PHS-25型pH計(jì)，上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司；ME204E型分析天平，梅特勒—托利多儀器有限公司；HH-600型恒溫水浴箱，力辰儀器科技有限公司；752型紫外可見分光光度計(jì)，上海光譜儀器有限公司。

1.2 模擬含柴油污染污水與木質(zhì)素酶溶液的制備

模擬用柴油為市售0#柴油。將0#柴油按實(shí)驗(yàn)所需比例與蒸餾水混合，制得模擬柴油污水。

稱量木質(zhì)素酶4 mg于10 mL容量瓶中，加蒸餾水至標(biāo)線，制得濃度為0.4 g·L-1木質(zhì)素酶溶液。

1.3 柴油標(biāo)準(zhǔn)工作曲線的制定

1.3.1 柴油標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液的配置稱取0.5 g 0#柴油于10 mL燒杯中，加入少量正己烷溶解，然后全部移入100 mL容量瓶中，加正己烷至標(biāo)線，混合均勻。

1.3.2 柴油標(biāo)準(zhǔn)使用液的配置移取2 mL柴油標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液于盛有少許正己烷的50 mL的容量瓶中，加正己烷稀釋至標(biāo)線，混合均勻。

1.3.3 柴油標(biāo)準(zhǔn)工作曲線的確立分別移取0、0.25、0.50、0.75、1.00、1.25 mL油標(biāo)準(zhǔn)使用溶液于盛有少許正己烷的10 mL容量瓶中，加入正己烷稀釋至標(biāo)線，混勻。其濃度分別為0、5.0、10.0、15.0、20.0、25.0 mg·L-1油。將溶液移入1 cm石英比色皿，波長(zhǎng)225 nm處以正己烷作為標(biāo)準(zhǔn)參照測(cè)定其吸光度。繪制出柴油濃度—吸光度標(biāo)準(zhǔn)工作曲線，如圖1所示，標(biāo)準(zhǔn)工作曲線的線性方程為：=0.0278/( mg·L-1)+0.0054，相關(guān)系數(shù)2=0.9994。式中—吸光度值；—柴油濃度mg·L-1)。

圖 1 柴油工作曲線

1.4 計(jì)算公式

=(-1)/×100%，其中，—柴油的去除率（%）；—油的初始濃度（mg·L-1）；1—為剩余油的濃度（mg·L-1）。

2 結(jié)果與討論

2.1 木質(zhì)素酶濃度對(duì)催化氧化柴油反應(yīng)的影響

將一組pH值為6.0，模擬廢水柴油污染濃度為0.1 g·L-1的溶液中添加木質(zhì)素酶溶液4 mg·L-1，8 mg·L-1，12 mg·L-1，16 mg·L-1，20 mg·L-1，24 mg·L-1，然后在30 ℃一個(gè)恒溫振蕩器中震蕩，催化反應(yīng)時(shí)間為5 h，繪制酶的投加量與柴油去除率曲線，投加不同量的酶劑對(duì)模擬柴油污染廢水的效果影響[20]。

圖 2 木質(zhì)素酶濃度對(duì)除油率的影響

由圖2可以看出，柴油去除率先隨木質(zhì)素酶濃度的增加而增大，柴油的去除率最大是酶濃度為8 mg·L-1時(shí)，此時(shí)可能是當(dāng)酶濃度為8 mg·L-1時(shí)，酶與水樣中有機(jī)物反應(yīng)最為充分，可能達(dá)到了最佳反應(yīng)平衡。此后柴油的去除率隨酶的濃度增加而下降，說明過高的木質(zhì)素酶濃度不利于柴油的去除，此時(shí)可能將酶包覆在所形成的聚合物中，影響了酶活性的發(fā)揮，使酶的催化氧化反應(yīng)效率降低，從而影響了柴油去除率。喬彤森等[21]也曾有相似的結(jié)果[22]。

2.2 反應(yīng)溫度對(duì)催化氧化柴油反應(yīng)的影響

將一組pH值為6.0，模擬廢水柴油污染濃度為0.1 g·L-1的溶液中添加8 mg·L-1木質(zhì)素酶溶液，再分別置于溫度為10 ℃、15 ℃、20 ℃、25 ℃、30 ℃、35 ℃的水浴恒溫振蕩器中反應(yīng)5 h，反應(yīng)完后計(jì)算柴油去除率。

由圖3可見：當(dāng)溫度逐漸上升時(shí)，柴油的去除油效率隨溫度的升高而增大，在反應(yīng)溫度為30 ℃時(shí)，柴油的去除率最高；當(dāng)溫度繼續(xù)上升時(shí)，柴油的去除率反而減小，說明木質(zhì)素酶的適宜降解溫度為30 ℃[23]。原因可能是生物酶在一定溫度下保持了較高的活性，并且不同的酶有不同的溫度界限，當(dāng)溫度超過酶的溫度界限后，酶催化反應(yīng)速率就會(huì)明顯降低[24]。由圖可知木質(zhì)素酶在20~30 ℃的范圍內(nèi)催化降解柴油的能力且酶活性很好，30 ℃是木質(zhì)素酶的溫度界限，但溫度過高時(shí)酶易失活，催化降解有機(jī)物的能力下降。

2.3 反應(yīng)時(shí)間對(duì)催化氧化柴油反應(yīng)的影響

將一組pH值為6.0，模擬廢水柴油污染濃度為0.1 g·L-1的溶液中添加8 mg·L-1木質(zhì)素酶溶液，然后分別在30 ℃恒溫振蕩器反應(yīng)1 h，2 h，3 h，4 h，5 h，6 h，反應(yīng)后用分光光度法測(cè)定柴油中的殘留量，計(jì)算柴油的去除率。如圖4所示。

圖 3 反應(yīng)溫度對(duì)除油率的影響 響

圖 4 反應(yīng)時(shí)間對(duì)除油率的影

由圖4可見：震蕩時(shí)間在1~5 h期間，柴油的去除率隨著震蕩時(shí)間的增加而增加，反應(yīng)達(dá)到最佳反應(yīng)時(shí)間5 h時(shí)，柴油去除率到達(dá)最大值79.81%，之后隨著時(shí)間增加柴油去除率呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，可能由于隨著反應(yīng)時(shí)間增加木質(zhì)素酶的活力逐漸降低，也可能是反應(yīng)過程的生成物有對(duì)酶活性有抑制作用。魯時(shí)瑛[25]在研究用酶處理有機(jī)廢水的過程中發(fā)現(xiàn)，木質(zhì)素酶的催化反應(yīng)有時(shí)會(huì)受到一些外界物質(zhì)的影響，降低了木質(zhì)素酶處理有機(jī)廢水的效率。當(dāng)用在實(shí)際處理含油污染的廢水中繼續(xù)延長(zhǎng)時(shí)間，會(huì)影響處理效果和增加處理成本，所以本實(shí)驗(yàn)選擇處理時(shí)間為5 h為宜。

2.4 溶液pH值對(duì)催化氧化柴油反應(yīng)的影響

將一組模擬廢水柴油污染濃度為0.1 g·L-1的溶液中添加8 mg·L-1木質(zhì)素酶溶液，然后調(diào)節(jié)溶液pH值分別為5.5，6.0，6.5，7.0，7.5，8.0，之后置于30 ℃的水浴恒溫振蕩器中反應(yīng)5 h，計(jì)算柴油去除率，繪制模擬含油污染廢水的pH值對(duì)柴油去除率效果影響的曲線。如圖5所示：

由圖5可知：模擬柴油廢水的溶液的pH值從5.5增至6.0時(shí)，去除率隨pH值的增大而逐漸增大，當(dāng)pH值為6.0時(shí)，除油率達(dá)到最大值為78.74%；溶液的pH值由6.0增至8.0時(shí)，去除率反而逐漸降低，所以本試驗(yàn)的適宜pH值為6.0。這與張建波[26]等人的試驗(yàn)結(jié)果有點(diǎn)區(qū)別，可能是由于木質(zhì)素酶的來源不同導(dǎo)致的。如圖所示，木質(zhì)素酶催化反應(yīng)的pH值范圍比較寬，在pH值5.5~7.0范圍內(nèi)除油效率較高。

2.5 柴油初始濃度對(duì)催化氧化柴油反應(yīng)的影響

實(shí)驗(yàn)取一組pH值為6.0，濃度分別為0.1 g·L-1、0.2 g·L-1、0.3 g·L-1、0.4 g·L-1、0.5 g·L-1、0.6 g·L-1的模擬含柴油污染的廢水50 mL于250 mL錐形瓶中，再分別加入濃度8 mg·L-1的木質(zhì)素酶溶液，然后置于30 ℃的水浴恒溫振蕩器中分別震蕩5 h，繪制柴油初始濃度與柴油去除率曲線。如圖6所示。

圖 5 pH值對(duì)除油率的影響

圖 6 柴油濃度對(duì)除油率的影響

圖中6顯示：當(dāng)柴油濃度從0.1 g·L-1增加到0.4 g·L-1，柴油的去除率下降，而從0.4 g·L-1到 0.6 g·L-1柴油濃度的增加，柴油的去除率急劇下降，說明柴油濃度越小，柴油的去除率越高，當(dāng)柴油濃度為0.1 g·L-1時(shí)，去除率為72.98%達(dá)到最大值。

2.6 木質(zhì)素酶的最佳催化氧化作用條件的確定

為了確定木質(zhì)素酶催化氧化對(duì)柴油污染廢水的優(yōu)化催化降解條件，考察影響酶催化降解各因素的交互影響，采用酶劑濃度、反應(yīng)溫度、催化時(shí)間、溶液pH值和柴油初始濃度五個(gè)因素設(shè)計(jì)了5因素4水平的正交實(shí)驗(yàn)。正交實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1和表2所示。

表 1 正交試驗(yàn)因素水平

表 2 正交試驗(yàn)結(jié)果

通過正交試驗(yàn)（結(jié)果見表2）確定木質(zhì)素酶催化降解柴油污染水的優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件為：當(dāng)柴油初始濃度為0.3 g·L-1，木質(zhì)素酶濃度為12 mg·L-1，pH值為5.5，反應(yīng)溫度為30 ℃，催化時(shí)間為3 h時(shí)，處理效果最好，柴油去除率可達(dá)90.17%。通過極差分析五個(gè)因素對(duì)木質(zhì)素酶催化降解模擬柴油廢水的影響程度大小排序?yàn)椋耗举|(zhì)素酶濃度>反應(yīng)溫度>pH值>柴油初始濃度>催化時(shí)間。

3 結(jié)論

本文研究了以木質(zhì)素酶為催化劑催化降解模擬柴油廢水的污染，取得了較好的效果，考察了實(shí)驗(yàn)條件如酶劑濃度、反應(yīng)溫度、催化時(shí)間、pH值、柴油初始濃度對(duì)酶催化降解的影響，確定木質(zhì)素酶催化氧化降解含柴油污染廢水的優(yōu)化工藝條件。所得結(jié)論如下：

（1）木質(zhì)素酶可以有效降解水體的柴油污染，并且完全符合綠色化學(xué)觀念，在反應(yīng)過程中不會(huì)產(chǎn)生二次污染；

（2）以模擬含柴油廢水為研究對(duì)象，考察各個(gè)反應(yīng)因素對(duì)木質(zhì)素酶催化降解柴油的影響，由結(jié)果知：柴油去除率的影響先后順序?yàn)槟举|(zhì)素酶濃度>反應(yīng)溫度>pH值>柴油初始濃度>催化時(shí)間；

（3）木質(zhì)素酶催化降解模擬含柴油污染廢水優(yōu)化工藝條件為：柴油初始濃度為0.3 g·L-1，木質(zhì)素酶濃度為12 mg·L-1，pH值為5.5，反應(yīng)溫度為30 ℃，反應(yīng)時(shí)間為3 h，柴油的去除率可達(dá)到最大值90.17%。

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Study on the Method of Ligninolytic Enzymes Disposing of Oily Wastewater

LIU Yun-qing, WANG Xing-lei*, LI Qiang, ZHANG Yi

835000,

The simulated wastewater with diesel as object of this study, we do research on using the ligninolytic enzyme to catalyze oxidation it and get circumstance of diesel degradation. The effects on the catalytic oxidation of the enzyme under the different factors, such as solution pH value, catalysis time, concentration of ligninolytic enzyme, reaction temperature and initial concentration of diesel oil, are investigated. Orthogonal experiments determine the following optimum experimental conditions: initial concentration of diesel oil is 0.3 g·L-1, the concentration of ligninolytic enzyme is 12 mg·L-1, the pH value is 5.5, the reaction temperature is 30 ℃, the reaction time is 3 h, the removal rate of diesel oil is up to 90.17%.

Ligninolytic enzyme; oily wastewater; catalytic oxidation

X5

A

1000-2324(2019)01-0128-05

10.3969/j.issn.1000-2324.2019.01.029

2017-11-09

2017-11-29

污染物化學(xué)與環(huán)境治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目(2016HJYB12)

劉云慶(1985-),男,碩士研究生,主要從事環(huán)境污染治理及廢水處理新材料與新技術(shù)的研究. E-mail:376947553@qq.com

Author for correspondence. E-mail:1459915250@qq.com