采用電芬頓-磁固定化菌株耦合體系治理苯酚廢水的研究

摘要：為實現(xiàn)對苯酚廢水治理工藝的優(yōu)化，針對傳統(tǒng)包埋法制備固定化細(xì)胞的工藝方法進(jìn)行改進(jìn)，選用磁性納米顆粒制備磁固定化細(xì)胞，將其與電芬頓法結(jié)合構(gòu)建耦合體系，利用耦合協(xié)同作用實現(xiàn)催化劑的重復(fù)利用，并依托微生物的良好降解性能與穩(wěn)定性提高苯酚降解率，進(jìn)一步實現(xiàn)對苯酚廢水治理工藝的系統(tǒng)優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：電芬頓法;磁固定化細(xì)胞;耦合體系;苯酚廢水

中圖分類號：X703.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-672X（2020）04-0-02

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2020.04.074

Abstract：In order to optimize the treatment process of phenol wastewater， the traditional embedding method was improved to prepare immobilized cells.Magnetic nanoparticles were selected to prepare magnetic immobilized cells，which were combined with the electric Fenton Method to build a coupling system.The coupling synergy was used to realize the reuse of catalyst， and the good degradation performance and stability of microorganisms were used to improve phenol Degradation rate，further realize the system optimization of phenol wastewater treatment process.

Key words：Electrofenton method;Magnetically immobilized cells;Coupling system;Phenol wastewater

苯酚是一種造紙、塑料、煉焦生產(chǎn)行業(yè)中的常見有機(jī)污染物，具有致癌、致畸的毒性。當(dāng)前在基于微生物固定方法進(jìn)行苯酚廢水的處理時主要采用包埋法，然而包埋法在實際運用時受質(zhì)子傳遞效應(yīng)的影響，其酶分子空間自由度受到限制，無法實現(xiàn)對工業(yè)廢水的高效處理，因此急需對其工藝進(jìn)行改進(jìn)。

1 材料與方法

1.1 苯酚降解菌制備與培養(yǎng)基

從某污水處理廠中提取活性污泥樣品，以苯酚作為唯一碳源和能源，選取500mg/L苯酚添加到樣品中，經(jīng)過1個月后從活性污泥中馴化培養(yǎng)出混合菌群，采用平板涂布法篩選出1株JS菌株作為苯酚降解菌，實現(xiàn)對菌株的分離與純化，并分別完成無機(jī)鹽培養(yǎng)基、固體培養(yǎng)基與富集培養(yǎng)基的配制[1]。

1.2 磁固定化細(xì)胞的制備

收集JS菌液，將其以8 000r/min的轉(zhuǎn)速離心5min，收集菌體、棄去上清液，利用三羥甲基氨基甲烷將其洗滌3次，用無菌去離子水配制成2g菌懸液。選取0.75g結(jié)冷膠溶于65℃以上的37.5mL無菌去離子水中，依次向溶液中加入10mL菌懸液與1.2mg的r-Fe2O3，待將溶液均勻混合后，利用注射器滴入0.2mol/L磁性物質(zhì)GaCl2中，在4℃溫度條件下交聯(lián)反應(yīng)120min，即可制備出磁固定化細(xì)胞。

1.3 耦合體系的建立與試驗

設(shè)計進(jìn)水水質(zhì)成分包含500mg/L苯酚、7.1g/L硫酸鈉、2g/L硫酸銨，曝氣量設(shè)為0.2L/min，將制備出的磁固定化細(xì)胞加入到無電極反應(yīng)器中，反應(yīng)器容積為1L，采用高效液相色譜儀測定苯酚濃度，并選取多個時間節(jié)點記錄苯酚降解率。選取7×4cm的石墨板與7×4cm的不銹鋼網(wǎng)分別作為陽極和陰極，將組建好的電極體系放置到反應(yīng)器中，利用導(dǎo)線將其與直流穩(wěn)壓電源PS-303D相連，分別檢測出磁固定化細(xì)胞、電芬頓體系與耦合體系的苯酚降解率，并分析電壓、溫度、pH值等變量對苯酚降解率的影響。待完成反應(yīng)器試驗后，利用磁鐵提取出耦合體系中的磁固定化細(xì)胞，將磁固定化細(xì)胞置入無菌去離子水中洗滌2次，隨后重新進(jìn)水，并針對苯酚降解率進(jìn)行測定，共循環(huán)6次。

1.4 酶活性與菌株濃度的檢測

在反應(yīng)12h后，針對苯酚羥化酶的活性進(jìn)行檢測，將磁固定化細(xì)胞置于5%檸檬酸鈉溶液中，待充分溶解后離心處理、棄去上清液，利用三羥甲基氨基甲烷將其洗滌3次后懸浮，將懸浮液放入超聲破碎儀中破碎0.5h，在4℃條件下以22 000r/min的轉(zhuǎn)速離心0.5h，提取其上清液作為粗酶液，并分別采用紫外-可見分光光度計與qPCR儀完成酶活性與菌株濃度的測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 磁固定化細(xì)胞的苯酚降解特性分析

為研究耦合體系的苯酚降解率，首要前提是針對磁固定化細(xì)胞的苯酚降解特性進(jìn)行測定，選取游離細(xì)胞、非磁固定化細(xì)胞與磁固定化細(xì)胞作為對照組，記錄伴隨反應(yīng)時間推移三種物質(zhì)的苯酚降解率變化情況。通過觀察反應(yīng)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在反應(yīng)時間到達(dá)15h時，三種物質(zhì)對苯酚的降解率分別為85.3%、77.6%和90.7%，其中非磁固定化細(xì)胞的降解率最低，主要受制于質(zhì)子傳遞效應(yīng)的影響，結(jié)冷膠與菌株結(jié)合后影響到苯酚在細(xì)胞內(nèi)部的傳達(dá)效果;游離細(xì)胞對苯酚的降解率低于磁固定化細(xì)胞，其主要原因是高濃度污染物在接觸到游離細(xì)胞后將對細(xì)胞活性產(chǎn)生抑制作用，削弱其對于苯酚的降解速率;磁固定化細(xì)胞對苯酚的降解率最高，主要原因是r-Fe2O3納米顆粒對于結(jié)冷膠與菌株的結(jié)合起到了有效的疏散作用，可促使苯酚順利進(jìn)入到細(xì)胞內(nèi)部，有效優(yōu)化苯酚降解效果[2]。

2.2 電壓對苯酚降解性能的影響

將反應(yīng)時間設(shè)為12h，電壓分別取值為0V、0.5V、1V、1.5V和2V，試分析不同電壓條件下苯酚降解率的變化。通過觀察試驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在電壓為0-1V時，耦合體系的苯酚降解率呈不斷提升趨勢，待反應(yīng)到達(dá)12h時降解率達(dá)到100%;但在電壓為1-2V時，耦合體系的苯酚降解率呈逐漸下降趨勢，待反應(yīng)時長為12h時降解率降至53.7%。由此可以推斷出，在電壓超過一定數(shù)值時將削弱磁固定化細(xì)胞的降解性能，并且還將增加能耗問題，因此該耦合體系的最佳電壓數(shù)值應(yīng)設(shè)為1V。

同時，JS菌株中的苯酚羥化酶是促進(jìn)苯酚生物降解的關(guān)鍵酶，苯酚羥化酶的活性將直接影響到微生物降解效果。通過觀察電壓對苯酚羥化酶活性的影響結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在電壓處于0～1V范圍內(nèi)時，苯酚羥化酶的活性增加了0.101U/mg;在電壓處于1～2V范圍內(nèi)時，苯酚羥化酶的活性降低了0.208U/mg。由此可以推斷出，倘若電壓值過高也會對苯酚羥化酶的活性產(chǎn)生抑制作用，該耦合體系在電壓為1V時苯酚羥化酶活性達(dá)到最大值。

2.3 pH值對苯酚降解性能的影響

在反應(yīng)時間為12h、電壓為1V的條件下，將pH值分別取值為2、2.5、3、3.5、4、4.5、5、5.5、6、6.5和7，試分析不同pH值對于耦合體系的苯酚降解性能的影響。從中可以看出，當(dāng)pH值為2.5時，苯酚降解率為最低值61.7%;當(dāng)pH值逐漸升高至3.5時，苯酚降解率增至86.75%;此后在pH值由3.5升至7期間，苯酚降解率始終保持穩(wěn)定值，無明顯變化。由此可以推斷出，耦合體系在酸性條件下的降解性能達(dá)到最優(yōu)，但過酸條件下也將限制鐵離子參與電芬頓反應(yīng)、抑制磁固定化細(xì)胞的降解效果，因此宜將耦合體系反應(yīng)的最佳pH值設(shè)為3.5。

2.4 溫度對苯酚降解性能的影響

在反應(yīng)時間為12h、電壓為1V、pH值為3.5的條件下，將反應(yīng)溫度分別取值為16℃、20℃、24℃、28℃、32℃、36℃、40℃、44℃，試分析不同溫度對于耦合體系的苯酚降解性能的影響。從中可以看出，在反應(yīng)溫度由16℃升高至24℃過程中，苯酚降解率處于逐漸攀升趨勢;在反應(yīng)溫度處于24～32℃范圍內(nèi)時，苯酚降解率攀升幅度較大;在反應(yīng)溫度由32℃增至44℃期間，苯酚降解率呈下降趨勢，并且在溫度超過40℃后溫度急劇下降。由此可以推斷出，溫度變化將影響到耦合體系對于苯酚的降解性能，溫度過高或較低均會抑制苯酚降解效果，宜將該耦合體系反應(yīng)的最適宜溫度設(shè)為32℃。

2.5 其他外緣因素的影響效果

除電壓、pH值、溫度等反應(yīng)條件外，培養(yǎng)基的配方也將影響到菌株對于苯酚的降解性能。將酵母粉、蛋白胨、葡萄糖的質(zhì)量分?jǐn)?shù)設(shè)為0.4%，硫酸銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%，通過觀察試驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，以葡萄糖、硫酸銅作為培養(yǎng)基配方時，菌株對于苯酚的降解性能較低;以葡萄糖和重金屬銅離子作為培養(yǎng)基配方時，菌株的苯酚降解率分別為85.1%和70.8%;以酵母膏、蛋白胨作為培養(yǎng)基配方時，菌株的苯酚降解率分別為93.3%和99.2%。由此可以推斷出，以培養(yǎng)基配方為代表的外緣因素也將影響到耦合體系的苯酚降解性能。

3 結(jié)論

本文從活性污泥中篩選出1株JS菌株制備磁固定化細(xì)胞，將其與電芬頓體系結(jié)合構(gòu)成耦合體系。試驗結(jié)果表明，在電壓為1V、溫度為32℃、pH值為7～7.5的反應(yīng)條件下，該耦合體系對苯酚的降解率達(dá)到最優(yōu)值，并且隨重復(fù)利用率的增加，其降解性能呈現(xiàn)出顯著提升，可實現(xiàn)對苯酚廢水降解效果的有效優(yōu)化。

參考文獻(xiàn)

[1]曹雨.含酚廢水處理技術(shù)研究進(jìn)展[J].遼寧化工，2019（5）：415-417.

[2]吳志宇，黎建平，王怡璇，等.三維電解-微電解-電芬頓氧化處理陽極氧化染色廢水工藝研究[J].電鍍與精飾，2018（7）：14-18.

[3]吳志宇，黎建平，王怡璇，等.三維電解-微電解-電芬頓氧化處理陽極氧化染色廢水工藝研究[J].電鍍與精飾，2018（7）：14-18.

[4]張雯，蘇靜靜，曹麗琴.苯酚降解菌的篩選及其降解性能研究[J].環(huán)境科學(xué)與管理，2013，38（02）：89-94+114.

收稿日期：2020-01-09

作者簡介：晁夫奎（1984-），男，漢族，本科學(xué)歷，在讀工程碩士，工程師、經(jīng)濟(jì)師，研究方向為環(huán)境評估與技術(shù)咨詢，環(huán)境污染治理與生態(tài)修復(fù)。