固定化微生物降解含甲醛廢水研究

劉菲， 李曉梅

(云南師范大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，云南 昆明 650500)

我國化工、制藥、紡織、黏合劑、涂料、塑料、制革以及油漆等行業(yè)每年甲醛需求量達數(shù)百萬噸，工廠在生產(chǎn)和使用甲醛過程中會產(chǎn)生200～7 000 mg/L不同濃度的甲醛廢水.GB 3157l-2015石油化學(xué)工業(yè)污染物排放標準規(guī)定甲醛污染物排放限值為1 mg/L.由于甲醛的致癌性與致畸性嚴重威脅人類健康，且它是較難處理的工業(yè)廢水之一，因此甲醛處理成為了廢水處理和環(huán)境保護研究的熱點問題[1-6].

甲醛廢水的處理技術(shù)主要有物理技術(shù)、化學(xué)技術(shù)和生物技術(shù).固定化微生物技術(shù)具有局部菌體濃度大、抗毒性強及降解速率快等優(yōu)點而被廣泛運用，其與傳統(tǒng)微生物法和懸浮微生物技術(shù)相比在處理廢水方面有更大的優(yōu)勢[7-9].

本文將微生物固定，用乙酰丙酮法測定甲醛濃度，分別考察了不同的微生物量、降解時間、pH和溫度對固定化微生物和游離態(tài)微生物降解甲醛能力的影響，研究結(jié)論將為固定化微生物高效去除廢水中甲醛提供實驗基礎(chǔ).

1 實驗方法

1.1 微生物、包埋材料和溶液

微生物：課程組前期添加亞硫酸鈉馴化得到的高效降解甲醛的微生物.

包埋材料：質(zhì)量濃度9% 聚乙烯醇+1.5% 海藻酸鈉+2% 活性炭.

溶液：碘標準溶液(0.050 0 mol/L)、重鉻酸鉀標準溶液(0.050 0 mol/L)、硫代硫酸鈉溶液(0.050 0 mol/L)、甲醛標準溶液和乙酰丙酮顯色劑.

1.2 繪制液相甲醛標準曲線

采用GB/T 13197-1991乙酰丙酮分光光度法分析并繪制液相甲醛標準曲線.以蒸餾水作為參比，722N可見分光光度計在最大吸收波長λ=415 nm處測甲醛吸光度.以甲醛含量為橫坐標，吸光度為縱坐標，繪制液相甲醛標準曲線.標準曲線如圖1所示，液相甲醛濃度計算式如公式(1)所示.

圖1 液相甲醛標準曲線

甲醛吸光度與甲醛濃度的關(guān)系式為：

y=0.0090x+0.0010

(1)

式中，y為吸光度(A)，x為甲醛含量，單位μg.

1.3 固定化微生物的量對其降解甲醛能力的影響

取4個100 mL燒杯，分別加入10、30、50 g及70 g經(jīng)亞硫酸鈉馴化得到的微生物，與已經(jīng)溶解的聚乙烯醇、海藻酸鈉和活性炭混合，制成包埋微生物的濃度分別為10%、30%、50%和70% 的包埋溶液100 mL，滴入交聯(lián)劑中，制成凝膠球.取這四種濃度的凝膠球各40 g分別放入甲醛濃度為200 mg/L，體積為200 mL的實驗體系中，每天間歇通氧氣三次，每次30 min，用磁力攪拌器攪拌，每隔24 h取1 mL離心液，用乙酰丙酮分光光度法測出甲醛的吸光度，根據(jù)液相甲醛的標準曲線計算出液相甲醛的濃度，并計算甲醛的去除率.

1.4 降解時間對固定化微生物和游離態(tài)微生物降解甲醛能力的影響

取兩份等量的微生物，一份按照1.3方法制備固定化微生物凝膠球，一份不做固定化處理，微生物處于游離狀態(tài)，將固定化微生物和游離態(tài)微生物分別加入甲醛濃度為200 mg/L，體積為200 mL的實驗體系中，連續(xù)實驗16 d，添加甲醛5次，考察甲醛的去除率.通氣、取樣和測定操作同1.3.

1.5 pH和溫度對固定化微生物與游離態(tài)微生物降解甲醛能力的影響

取40 g含50% 微生物凝膠球3份和40 g含50% 微生物的游離微生物3份，分別放入甲醛濃度為200 mg/L，體積為200 mL的實驗體系中，分別在4～11范圍調(diào)節(jié)pH值，在15 ℃～40 ℃范圍調(diào)節(jié)溫度，考察甲醛的去除率，通氣、取樣和測定操作同1.3.

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 固定化微生物的量對其降解甲醛能力的影響

采用包埋材料將微生物固定，考察固定化微生物的量對其降解甲醛能力的影響，實驗結(jié)果如圖2所示.

由圖2可知，當(dāng)固定化微生物的量由10% 增加到70% 時，固定化微生物對甲醛的去除率由21% 增加到78%；固定化微生物的量為50% 時，甲醛去除率為73%，固定化微生物的量增加到70% 時，甲醛去除率僅增加到78%，但固定化微生物的量為70% 時，固定化微生物凝膠球的機械強度變差.綜合固定化微生物對甲醛的去除率和凝膠球的機械強度因素，將固定化微生物的量選擇為50%.

圖2 固定化微生物的量與甲醛去除率的關(guān)系

2.2 降解時間對固定化微生物和游離態(tài)微生物降解甲醛能力的影響

一組采用40 g微生物含量50%的固定化凝膠球，另一組采用40 g微生物含量50%的游離微生物，考察降解時間對固定化微生物和游離態(tài)微生物降解甲醛能力的影響，實驗結(jié)果如圖3所示.

圖3 降解時間與甲醛去除率的關(guān)系

由圖3可知，16 d實驗時間中，添加甲醛5次，第一次添加甲醛，固定化微生物僅1 d對甲醛的去除率就達95% 以上，而游離態(tài)微生物需要6 d才能達到固定化微生物的降解能力；第二次和第三次添加甲醛時，1 d內(nèi)固定化微生物對甲醛的降解率也達95% 以上，游離微生物在相同的時間內(nèi)對甲醛的去除率僅為69%；第四次和第五次添加甲醛時，1 d內(nèi)固定化微生物對甲醛的降解率可保持95% 以上，游離微生物在相同的時間內(nèi)對甲醛的去除率只有60%.實驗表明，固定化微生物降解甲醛的能力明顯優(yōu)于游離態(tài)微生物，其原因可能是固定化微生物能有效維持微生物活性，提高微生物對甲醛的降解速率.

2.3 pH對固定化微生物與游離微生物降解甲醛能力的影響

一組采用40 g微生物含量50%的固定化凝膠球，另一組采用40 g微生物含量50%的游離態(tài)微生物，甲醛濃度200 mg/L，考察不同pH對固定化微生物與游離態(tài)微生物去除甲醛能力的影響，結(jié)果如圖4所示.

圖4 pH與甲醛去除率關(guān)系

由圖4可知，pH值由4增加到11，固定化和游離態(tài)微生物對甲醛的降解率先增加后降低.對于固定化微生物，pH值由4增加到7，其對甲醛的去除率由37% 增加到98%，當(dāng)pH值在7增加到10時，對甲醛的降解能力穩(wěn)定在98%，pH值由10增加到11時，對甲醛的降解能力急劇下降.對于游離態(tài)微生物，pH值由4增加到8，游離態(tài)微生物對甲醛的去除率由5% 增加到80%，當(dāng)pH值由8增加到11時，游離態(tài)微生物對甲醛的去除率直線下降，故pH值為8時游離態(tài)微生物對甲醛的去除率最大.

溶液中的pH過低或過高時，過多的H+或OH-會對微生物的細胞表面電荷平衡和細胞的膠體性能產(chǎn)生影響，導(dǎo)致細胞活性降低，影響微生物對甲醛的去除率，要保持微生物活性，pH應(yīng)控制在中性偏堿性范圍，pH值在7-10時，固定化微生物對甲醛的去除能力更強.此外，固定化微生物對pH的耐受能力大于游離態(tài)微生物.

2.4 溫度對固定化微生物與游離態(tài)微生物降解甲醛能力的影響

一組采用40 g微生物含量50%的固定化凝膠球，另一組采用40 g微生物含量50%的游離微生物，甲醛濃度200 mg/L，考察溫度對固定化微生物和游離態(tài)微生物降解甲醛能力的影響，結(jié)果見圖5所示.

圖5 溫度對甲醛去除率的影響

由圖5可知，溫度由15 ℃ 增加到40 ℃ 時，固定化微生物與游離態(tài)微生物對甲醛的降解能力先增加后降低；當(dāng)溫度由15 ℃ 增加到25 ℃ 時，固定化微生物對甲醛的去除率由41% 增加到93% ，游離態(tài)微生物對甲醛的去除率由19% 增加到89%.隨著溫度的進一步升高，二者對甲醛的去除率均呈下降趨勢，即溫度為25 ℃時，二者對甲醛的去除率均達到最大值，固定化微生物為93%，游離態(tài)微生物為89%.

總體來看，在實驗溫度范圍內(nèi)，固定化微生物對甲醛的降解能力優(yōu)于游離態(tài)微生物.

3 結(jié)語

在甲醛濃度為200 mg/L的體系中對比固定化微生物和游離態(tài)微生物對甲醛的降解能力，研究結(jié)果表明，在微生物量相同時，固定化微生物對甲醛的降解能力明顯優(yōu)于游離態(tài)微生物，其原因可能是固定化可以延長微生物的活性.固定化微生物對pH和溫度的耐受范圍均優(yōu)于游離態(tài)微生物，在pH值為7-10時，固定化微生物對甲醛的去除能力穩(wěn)定在98%左右；在25 ℃時，固定化微生物對甲醛的去除能力達到93%.此研究結(jié)果可為固定化微生物高效降解含甲醛廢水提供實驗參考.