光催化與生物膜直接耦合降解4-氟苯酚廢水

鐘蘭蘭,袁吉林,羅宏揚,向文浩,李林洋,肖川寶,鐘年丙,2* (.重慶理工大學,光纖傳感與光電檢測重慶市重點實驗室,重慶市現(xiàn)代光電檢測技術(shù)與儀器重點實驗室,重慶 400054；2.重慶理工大學,兩江國際學院,重慶 4035)

有機氟化物由于其碳氟鍵的穩(wěn)定性和高鍵能等理化性質(zhì)被廣泛應(yīng)用于制藥、合成材料、農(nóng)用化合物等多個領(lǐng)域[1].但是,碳氟鍵的穩(wěn)定性和高鍵能導(dǎo)致有機氟化物不易降解并造成環(huán)境污染和生物污染[2].4-FP等有機氟化物是醫(yī)藥、農(nóng)藥等多種藥物的重要中間體[3-5],但是過量的氟會破壞機體鈣、磷的正常代謝,抑制某些酶的活性,也可以通過食物鏈在體內(nèi)累積[5].因此,實現(xiàn)4-FP等有機氟化物的高效持續(xù)降解對緩解水體污染、保護環(huán)境和生態(tài)健康具有重要意義.

目前關(guān)于 4-FP廢水的降解方法主要有生物降解法[4]、光催化氧化法[5-8]、芬頓氧化法[9]、電化學法[10]、光催化-生物緊密耦合法(ICPB)[11]等.其中,ICPB法是讓生物降解和光催化降解同時在同一個反應(yīng)器中進行[11-14],一方面利用光催化的快速降解特性將生物毒性大的氟化物進行脫氟,并轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)相對簡單、生物毒性相對較小的中間物質(zhì)以便生物降解[11-12].另一方面,生物降解較單獨光催化降解更為徹底.ICPB法突破了單獨光催化降解能耗高、不徹底以及單獨生物降解速度慢的局限性,在降解速度、降解程度以及能耗控制方面展現(xiàn)了其優(yōu)越性[13-14].

雖然ICPB系統(tǒng)具有諸多優(yōu)點,但是仍存在亟待解決的問題:當前 ICPB系統(tǒng)中,為了實現(xiàn)光催化與生物降解直接耦合,因此光催化劑與生物膜往往共用同一載體,生物膜位于多孔載體內(nèi)部[16],光催化劑吸附在載體表面.用于附著生物膜和光催化劑的多孔載體主要是纖維素和海綿[11,14-15],這些載體不僅會影響光的傳輸,而且還會被紫外線燒焦老化[11].此外,光催化過程和微生物異養(yǎng)過程需要氧氣參與,而傳統(tǒng) ICPB系統(tǒng)中,氧氣來源于廢液中的溶解氧,存在光催化和生物降解需氧競爭,導(dǎo)致系統(tǒng)整體耦合性能差、降解性能低.

為了實現(xiàn)4-FP快速持續(xù)地降解,本文制作了一種新型ICPB反應(yīng)器.該反應(yīng)器由核孔濾膜將反應(yīng)器在空間上分為光催化區(qū)和生物膜區(qū).生物膜附著在核孔膜表面.光催化區(qū)由涂覆N摻雜TiO2光催化劑的石英光纖束構(gòu)成,用于實現(xiàn)4-FP的快速降解,其降解產(chǎn)物通過核孔膜傳遞給生物膜.生物膜實現(xiàn) 4-FP及其光催化產(chǎn)物的降解,并產(chǎn)生氧氣;產(chǎn)生的氧氣通過核孔膜后,傳遞至光催化光纖表面促進·OH 的產(chǎn)生,促進4-FP的快速持續(xù)降解.

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

4-氟苯酚(99%)、氨水(25%～28%)、鈦酸異丙酯(≥99.0%)、硝酸銀(≥99.99%)、介孔二氧化硅(511m2/g,平均孔徑 6.31nm)、乙酰丙酮(≥99.5)、Triton X-100、聚乙二醇(平均分子量 1000)、乙醇(≥99.8%)購自上海阿拉丁生化科技有限公司;無水乙醇(≥99.7%)、丙酮(≥99.5%)購自重慶川東化工(集團)有限公司;氯化銨(≥99.5%)、鐵氰化鉀(≥99.5%)購自成都市科龍化工試劑廠;異丙醇(≥99.5%)購自成都市科隆化學品有限公司;4-氨基安替比林(≥99.0%)購自上?？曝S實業(yè)有限公司;斜生柵藻購自中國科學院水生生物研究所.

1.2 制備N摻雜TiO2(NT)涂覆光催化石英光纖

采用濕法制備銳鈦礦型 NT納米顆粒[17],然后,結(jié)合 Wang等[18]的方法制備了 NT光催化溶膠:2.375g NT粉末加入研磨缽,依次將 10mL 去離子水、2mL乙酰丙酮加入研磨缽中并研磨1-2h 得到混合溶液;將混合溶液放入超聲波清洗器中超聲處理10min后移至40mL無水乙醇中;向該混合溶液中加入2.5mL表面活性劑Triton X-100和0.3g聚乙二醇,連續(xù)攪拌8-12h,即得到穩(wěn)定的NT光催化溶膠.

選用空心毛細石英光纖(HOFs)(內(nèi)徑 0.8mm,外徑1.5mm,長度200mm)作為光催化劑的載體.首先,依次用丙酮、異丙醇、乙醇溶液對 HOFs進行超聲清洗并在氮氣下干燥;然后,將制備好的 NT光催化溶膠用提拉法涂覆在清洗后的HOFs表面;每涂覆一層溶膠之后,在溫度為 60℃的干燥箱中干燥 15min,涂覆3層即得到光催化光纖樣品;最后,把制得的光催化光纖樣品以2℃/min的升溫速度升溫到400℃并煅燒2h,即得到高性能紫外-可見光催化光纖.

1.3 微藻生物膜的培養(yǎng)

生物膜藻種為斜生柵藻(Scenedesmus obliquus,FACHB-13),購自中國科學院武漢水生生物研究所淡水藻種庫.斜生柵藻被接種到光生物反應(yīng)器內(nèi)之前,采用BG11培養(yǎng)基[19]來進行激活和擴大化培養(yǎng):首先把培養(yǎng)所需的血清瓶及配置好的培養(yǎng)基放入120℃的高壓滅菌鍋中滅菌 20min,待冷卻后,按照培養(yǎng)基與藻液 9:1的比例進行接種;然后將其放入光照培養(yǎng)箱,并將體積濃度為10%的CO2(作為柵藻所需的碳源)通過導(dǎo)氣管導(dǎo)入,光照培養(yǎng)箱溫度和光照強度分別設(shè)置 25℃和 5000lx,擴大化培養(yǎng)7～15d至對數(shù)生長期;得到生長活性旺盛的斜生柵藻后,取50mL藻液經(jīng)培養(yǎng)基稀釋至OD800nm=0.85,并采用鹽酸或氫氧化鈉將其pH值調(diào)節(jié)至8.0,隨后利用蠕動泵(L100-1S-2,LONGER,中國)以3mL/min的速度通入反應(yīng)器上層并循環(huán) 24h,使其在核孔膜上吸附成膜.

1.4 ICPB反應(yīng)器

ICPB反應(yīng)器(長140mm、寬59mm、高27mm,體積 66mL)分為光催化區(qū)和生物膜區(qū),兩個區(qū)域之間采用半透明核孔膜隔開,如圖1所示.

圖1 光催化-生物膜耦合反應(yīng)器Fig 1. Intimately coupling photocatalysis and biodegradation reactor

生物膜區(qū)由微藻生物膜和氣相空間構(gòu)成,生物膜生長在核孔膜表面.光催化區(qū)由NT涂覆光催化光纖和4-FP廢液構(gòu)成;光催化光纖有2層,每層18根;光纖兩端采用紫外-可見 LED 光源(360～380nm 光輻照度均值為 20W,400～750nm 光輻照度均值為30W)進行激發(fā),當 NT涂覆光催化光纖受光激發(fā)后,快速降解4-FP.光催化產(chǎn)物及未被催化降解的4-FP通過核孔膜傳遞至生物膜內(nèi),被生物膜內(nèi)的微生物降解;生物膜中微藻細胞光合作用產(chǎn)生的氧氣通過核孔膜后傳遞至光催化光纖表面,促進·OH的生成.

1.5 4-FP降解實驗

實驗系統(tǒng)主要由光催化與生物膜耦合反應(yīng)器、紫外-可見 LED光源、蠕動泵、恒溫水浴等構(gòu)成.恒溫水浴(DCW-0530,順馬泰克,中國)用于控制廢水(初始4-FP濃度為50mg/L、初始pH值8.0)的溫度為(35±0.5)℃,蠕動泵流速控制在3mL/min.

單獨光催化降解4-FP:核孔表面未接種微生物,光催化光纖的激發(fā)光源為 LED集成光源(360～380nm光輻照度均值為 20W,400～750nm光輻照度均值為30W).

單獨生物膜降解4-FP:核孔表面接種微生物;光纖表面未涂覆任何催化劑,且光纖的激發(fā)光源為LED單色光源(400～750nm光輻照度均值為30W).

光催化與生物膜耦合降解 4-FP:核孔表面接種微生物;光纖表面涂覆有20μm的NT催化劑,且光催化光纖的激發(fā)光源為LED集成光源.

2.1.3 供試品溶液的制備 取本品粉末（過4號篩）約0.3 g，精密稱定，置具塞錐形瓶中，精密加甲醇50 mL，密塞，搖勻，稱定質(zhì)量，放置過夜，超聲處理（功率250 W，頻率50 kHz）30 min，取出，放冷，再稱定質(zhì)量，用甲醇補足減失的質(zhì)量，搖勻，濾過，取續(xù)濾液，過微孔濾膜，得到供試品溶液。

1.6 光催化光纖及生物膜表征

利用掃描電子顯微鏡(SEM, JSM-7800F,JEOL Ltd., Japan)對光纖和NT表面形貌進行分析.利用X射線光電子能譜 XPS (ESCALAB250Xi,Thermo Scientific,USA)和X射線衍射XRD (D/max 2500PC,Rigaku Corporation, Japan)對NT光催化劑成分進行表征.使用光譜范圍 200～950nm 的光學光譜儀(AvaSpec-2048,Avantes,荷蘭)和氘鹵燈光源(DH-2000,Avantes,荷蘭)記錄了 NT涂覆光催化光纖的表面輻射光譜.

1.7 液相及氣相分析

4-FP濃度的測量方法為 4-氨基安替比林分光光度法[20],利用光纖光譜儀(AvaSpec-2048,Avantes,荷蘭)測量 4-FP在 507.411nm 處的吸光度來確定4-FP的殘余濃度使用TOD分析儀(TOC-VCPH,島津,日本)和0.22μm混合纖維膜過濾器對溶解有機碳(DOC)進行分析.利用Ct/ C0評估了4-FP和DOC的去除率.其中Ct和C0分別表示4-FP和DOC在t時刻的濃度以及初始濃度.

4-FP的脫氟濃度采用氟電極(PCL-1-01,雷磁,中國)進行測量.液相pH值使用梅特勒托利多320-s pH 計進行測量.溶解氧濃度(DO)采用 STARTER 400D 便攜式溶解氧測定儀進行測量.溫度采用光纖 Bragg光柵傳感器(中心波長 1553.12nm)和光柵解調(diào)儀(SM-125,MOI,美國)進行測量.

1.8 生物量及生物多樣性分析

為了準確表征微藻生物量,首先將長和寬分別為140和59mm的核孔膜在105℃干燥1h后且稱量記為 m0,然后將不同培養(yǎng)時間條件下的核孔膜聯(lián)同微藻生物膜一起取出,將附著有生物膜的核孔膜(長和寬分別為140和59mm)在105℃干燥5h后且稱量記為m1,將m1-m0記為生物量;樣品干重使用超微量天平(XPR6U,梅特勒托利多,瑞士)進行稱量.分子16S rDNA分類分析樣品來源于初始生物膜和用4-FP培養(yǎng)8d的生物膜.在16S rDNA基因測序之前,將樣品在液氮中冷凍.生物多樣性委托北京百邁客生物科技有限公司進行分析.

2 結(jié)果與討論

2.1 NT涂覆光催化光纖表征

未經(jīng)涂覆的光纖和涂覆有NT光催化劑的光纖表面形貌如圖2(a)和圖2(b)所示.可以看出,NT均勻地涂覆在光滑的光纖表面.從圖2(c)中可以看出 NT涂覆層具有多孔結(jié)構(gòu),且 NT顆粒的平均直徑為30μm.納米顆粒構(gòu)成的多孔光催化薄膜將為光催化反應(yīng)提供更多的活性位點[21].

圖2 光催化光纖的SEM圖Fig.2 Scanning electron microscope images of photocatalytic optical hollow fiber

NT光催化的XRD圖譜(圖3a)中2θ= 25.26°、38.01°、48.09°、53.91°、55.07°、62.7°、68.8°、70.23°和75.09°處的9個主峰分別對應(yīng)銳鈦礦TiO2正方晶體的(101)、(004)、(200)、(105)、(211)、(204)、(116)、(220)和(215)反射面.圖 3(b)為 NT光催化劑的 XPS圖譜,其中,406.45eV為N 1s的特征吸收峰,表明NT中含有Ti-N 鍵; 458.25和464.1eV對應(yīng)NT材料中的Ti 2p特征吸收峰峰;529.5eV對應(yīng)NT中的O1s特征吸收峰峰.綜合圖3(a)和圖3(b)表明NT光催化劑被成功制備.

圖3 NT光催化材料的特性Fig.3 Properties of N-doped TiO2 photocatalyst

2.2 4-FP降解

2.2.1 單獨光催化光纖降解4-FP

從圖4(a)可以看出,12h內(nèi)單獨光催化對4-FP的去除率約為～94.3%,DOC 去除率約為～53.5%,脫氟率約為～24.7%(總 F-濃度為 0.446mmol/L).表明光催化可以快速降解 4-FP,但降解不徹底,脫氟效率低.從圖 4(b)可以看出,在光催化降解 4-FP過程中不斷消耗O2和OH-用于生產(chǎn)·OH[8].從圖4c中可以看出,光催化光纖 15次循環(huán)降解 50mg/L 4-FP后,4-FP的去除率維持在94%,DOC去除率維持在53%;表明該光催化光纖可持續(xù)地降解 4-FP;其原因在于光催化劑被牢固的附著在光纖表面,且液相循環(huán)流動下光催化劑表面的活性位點未被光催化產(chǎn)物封鎖[7].

圖4 光催化降解4-FPFig.4 Photocatalytic degradation of 4-FP

2.2.2 單獨生物膜降解 4-FP 從圖 5(a)可以看出,第一個周期(10h)內(nèi)微藻生物膜快速去除 4-FP、DOC和脫氟;其中4-FP去除率達到98.9%,DOC去除率達到 90.5%,脫氟率達到 90.9%.圖 5(b)顯示,在生物膜降解4-FP過程中DO先減少后增加,其原因在于生物膜中的異養(yǎng)微生物在降解 4-FP過程中耗氧[23],隨著 4-FP的降解,光合微藻代謝產(chǎn)氧的速率大于細菌消耗氧氣的速率,導(dǎo)致DO濃度增加.同時,由于 4-FP的降解和微生物代謝產(chǎn)生的酸性物導(dǎo)致液相pH值由8.0下降至6.7.

圖5 單獨生物膜降解4-FPFig.5 Isolated biodegradation of 4-FP by the biofilm

此外,從圖5可以看出,經(jīng)過3個周期的4-FP降解后,單獨生物膜對4-FP的去除率、DOC的去除率及脫氟率降低,且最終 DO濃度的增量降低;其原因在于生物膜中微生物細胞代謝過程受到 4-FP毒性的影響.圖5表明采用單獨生物膜難以持續(xù)對4-FP進行降解.

2.2.3 ICPB降解4-FP 如圖6(a)所示出,當溫度為35℃,初始 pH=8.0時,ICPB 系統(tǒng)運行 144h(12次4-FP循環(huán)降解)后對50mg/L的4-FP完全去除時間由初始的8h縮短至5h.在5h內(nèi)DOC去除率和脫氟率分別達到 89.4%和 78.3%.同時反應(yīng)器運行 144h后,4-FP和DOC的去除率及脫氟率維持在恒定水平;表明隨著4-FP降解周期的增加,系統(tǒng)將進行自適應(yīng)調(diào)整并進入穩(wěn)定運行.

圖6 ICPB降解4-FPFig.6 ICPB degradation of 4-FP

從圖6(b)可以看出,在4-FP循環(huán)降解過程中pH值的變化量恒定,且最終 DO 濃度逐漸升高,表明生物膜保持了高的生物活性.因此,采用 ICPB系統(tǒng)可以實現(xiàn)4-FP快速持續(xù)地降解.

2.3 生物分析

在光催化光纖與生物膜耦合降解4-FP中(保持圖6a中的4-FP供給周期),4-FP不斷轉(zhuǎn)化為生物質(zhì),如圖7所示.

圖7 核孔膜表面的生物膜干重隨4-FP供給時間變化Fig.7 Change in dry weight of the biofilms on the surface of nuclear pore membrane after grown in 4-FP

從圖 7中可以看出,在光催化與生物膜耦合系統(tǒng)中,生物膜量持續(xù)增加,8d后生物量干重凈增為166mg;表明微藻生物膜可持續(xù)地適應(yīng)4-FP的毒性.其原因在于光催化及生物膜內(nèi)的異養(yǎng)微生物(圖 8)對4-FP進行了快速地降解和脫氟,降低了4-FP對生物膜的毒性.

如圖8,6個樣品(O1-O3及F4-F6)的16S rDNA總讀數(shù)為 413965條,每個樣品的平均計數(shù)為 68994條;O1-O3為未參與4-FP降解的原始斜生柵藻微生物膜細菌豐度,FP4-FP6為參與 4-FP耦合降解 8d之后的斜生柵生物膜細菌豐度.在所給數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上剔除未命名細菌(uncultured_bacterium),再由高至低對其進行排序,選取前20個相關(guān)細菌屬繪制相對豐度變化圖.通過對參與ICPB耦合降解4-FP前后的菌落分析,可以發(fā)現(xiàn)紅球菌(Rhodococcus)、假單胞菌(Pseudomonas)、無色桿菌(Achromobacter)、噬菌體(Hydrogenophaga)、鹽礦單胞菌(Salinarimonas)、寡聚菌(Oligoflexus)、雷氏菌(Reyranella)等細菌在ICPB耦合降解4-氟苯酚8d后的生物膜中的富集度明顯上升.其中,富集度最大的是紅球菌,紅球菌具有多種代謝途徑和同源性基因以及吸收代謝疏水性物質(zhì)的能力,可用于多種有毒有機物的降解,如碳氫化合物、腈和酚類化合物[24-26];同時,紅球菌細胞膜中脂肪酸成分能根據(jù)生長底物的變化做出調(diào)節(jié),進一步增強了紅球菌對有毒有機物的抗性[25];另外,紅球菌中存在多種單加氧酶和多加氧酶[25],加氧酶能夠有效促進4-FP的降解[27].其次是假單胞菌和無色菌,假單胞菌中存在一種不與有機物質(zhì)反應(yīng)的苯酚羥化酶,該酶能夠激活分子氧,通過羥基化對酚類化合物進行環(huán)裂解[28-30];無色菌也可降解酚類化合物[29].因此,在 4-FP有毒有機廢水降解中,生物膜內(nèi)細菌物種的自適應(yīng)調(diào)整,促使了微藻、細菌及光催化三者之間的親密合作,從而實現(xiàn)了4-FP快速持續(xù)地去除.

圖8 斜生藻生物膜中主要細菌屬的相對豐度Fig.8 The relative abundance of top 20associated bacterial genera in Scenedesmus obliquus biofilms

3 結(jié)論

3.1 單獨光催化(12h內(nèi))對 4-FP的去除率約為～95%,DOC去除率約為～54%,脫氟率約為～25%(總F-濃度為0.446mmol/L).單獨生物降解4-FP第一個周期(10h)內(nèi)微藻生物膜對 4-FP去除率達 99%,DOC去除率達到91%,脫氟率達到89%.3個周期后,單獨生物膜對4-FP的去除率、DOC的去除率及脫氟率分別降低為75.5%,64.5%,69.5%,且最終DO濃度的增量降低.

3.2 本文利用光催化光纖、生物膜、核孔膜及LED紫外-可見光源構(gòu)建了光催化與生物降解直接耦合系統(tǒng).耦合降解4-FP第1個周期內(nèi)8h即可將4-FP完全去除,12個周期后,5h即可將 4-FP完全去除,DOC去除率達到89.4%,脫氟率達到78.3%.該系統(tǒng)克服了單獨光催化降解不徹底,單獨生物膜易受4-FP毒性影響而難以持續(xù)降解的缺點.在耦合降解系統(tǒng)中,微藻光合作用為細菌和光催化降解4-FP提供氧氣;光催化產(chǎn)物及細菌產(chǎn)物為微藻生產(chǎn)代謝產(chǎn)氧提供碳源;光催化光纖能實現(xiàn)4-FP快速降解并在其表面輻射可見光(為微藻光合作用提供光能).

3.3 光催化與生物降解直接耦合系統(tǒng)實現(xiàn)了光催化、細菌及微藻的親密耦合,在溫度和初始pH值分別為35℃和8.0的條件下,實現(xiàn)了對4-FP快速持續(xù)地降解,50mg/L 4-FP的去除時間縮短至5h,8d內(nèi)生物膜干重凈增166mg.