擬康寧木霉對(duì)含鉻黑T廢水的處理特性研究*

林錦美 鄭 鵬 丁能能 巫晶晶 陳錦芳

(1.集美大學(xué)港口與海岸工程學(xué)院,福建 廈門(mén) 361021;2.福建省食品微生物與酶工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,福建 廈門(mén) 361021;3.江蘇碧水源環(huán)境科技有限責(zé)任公司,江蘇 無(wú)錫 214194)

近年來(lái),隨著工業(yè)蓬勃發(fā)展,染料廢水的排放量隨之升高,人們對(duì)其產(chǎn)生的環(huán)境問(wèn)題更加重視,如何解決印染行業(yè)給環(huán)境帶來(lái)的壓力和威脅也成為環(huán)保行業(yè)的研究熱點(diǎn)[1]。

鉻黑T染料是一種重要的偶氮染料,具有潛在的致癌、致突變性,且難降解、色度高,是較難處理的廢水[2],目前常用的處理方法大致分為物理法(吸附法和超聲波技術(shù))、化學(xué)法(氧化還原反應(yīng))和生物法(酶催化降解)[3-6]。物理法僅僅使污染物從液相轉(zhuǎn)移到固相,仍需進(jìn)一步反應(yīng)去除,而化學(xué)法處理過(guò)程中能量利用率低,耗能大且成本較高,生物法具有能耗低、效率高以及清潔無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)而深受關(guān)注[7]。國(guó)內(nèi)外研究發(fā)現(xiàn)藻類、真菌、細(xì)菌等能夠降解偶氮染料[8];其中,絲狀真菌如黃曲霉(Aspergillusflavus)A5p1[9]、白腐菌(Ceriporialacerata)[10]、微紫青霉菌(Penicolliumjanthinellum)P1[11]等具有較強(qiáng)的吸附和降解染料的能力。

染料廢水成分復(fù)雜,大部分降解偶氮染料的菌株存活率不高,因此篩選環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、具廣譜性、能實(shí)現(xiàn)高效吸附降解的菌株是研究的關(guān)鍵[12]。擬康寧木霉(Trichodermakoningiopsis)是自然界中常見(jiàn)的一種腐生木霉屬(Trichoderma)絲狀真菌,耐偶氮染料、重金屬等污染物的侵害,且具有高度的非特異性以及廣譜性[13-14]。基于此本研究利用經(jīng)馴化的擬康寧木霉處理鉻黑T模擬廢水,探索菌株對(duì)鉻黑T廢水去除的最佳條件及處理特性,為綠色環(huán)保生物法處理印染廢水奠定理論基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

1.1.1 菌 株

菌株由實(shí)驗(yàn)室從腐生環(huán)境分離純化,并通過(guò)多次馴化而來(lái),通過(guò)真菌ITS序列鑒定并結(jié)合《真菌鑒定手冊(cè)》進(jìn)行形態(tài)學(xué)檢驗(yàn)確定該菌株屬于擬康寧木霉。

馬鈴薯葡萄糖瓊脂培養(yǎng)基制備:分別將馬鈴薯200 g、葡萄糖25 g、瓊脂20 g、磷酸二氫鉀2 g、硫酸鎂2 g溶于1 000 mL無(wú)菌蒸餾水,121 ℃加熱20 min滅菌后冷卻倒置保藏備用。

1.1.2 鉻黑T模擬廢水的制備

稱取1.00 g鉻黑T固體粉末于100 mL燒杯中,加入適當(dāng)?shù)碾p蒸水充分溶解后并轉(zhuǎn)移至1 000 mL容量瓶定容。

1.2 儀器和試劑

儀器:紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)(UV751 GD)、恒溫振蕩器(SHA-C)、智能生化培養(yǎng)箱(PHX)、紫外可見(jiàn)光譜儀(CARY60)。

試劑:葡萄糖、磷酸二氫鉀、硫酸鎂、瓊脂粉、鉻黑T、亞甲基藍(lán)、中性紅、甲基紫均為分析純。

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

1.3.1 單因素實(shí)驗(yàn)

通過(guò)單因素控制變量法,分別探究菌株在溶液中的反應(yīng)時(shí)間、投菌量、鉻黑T初始濃度、葡萄糖用量、溫度及轉(zhuǎn)速對(duì)鉻黑T去除效率的影響。反應(yīng)結(jié)束后取樣,用紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)在波長(zhǎng)540 nm處測(cè)定上清液的吸光度,并依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算鉻黑T去除率。

1.3.2 正交實(shí)驗(yàn)

為管好工程、用好工程，使工程能夠持續(xù)利用、長(zhǎng)久發(fā)揮效益，經(jīng)過(guò)不斷探索，棲霞市走出了一條由自主管理向集約化管理、由集體主導(dǎo)向民營(yíng)經(jīng)濟(jì)介入的規(guī)模化管理之路。

正交實(shí)驗(yàn)選用投菌量、鉻黑T初始濃度和轉(zhuǎn)速為影響因素,采用3因素3水平實(shí)驗(yàn)方案,各影響因素實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

表1 正交實(shí)驗(yàn)方案Table 1 The orthogonal test plan

1.3.3 擬康寧木霉處理鉻黑T特性初探實(shí)驗(yàn)

通過(guò)測(cè)定鉻黑T生物處理各過(guò)程廢水的濃度,用Langmuir吸附等溫線和Freundlich吸附等溫線探究其吸附機(jī)理,并研究其反應(yīng)動(dòng)力學(xué),用紫外可見(jiàn)光譜儀掃描獲得各過(guò)程染料的200～800 nm光譜以探索其降解機(jī)理。

1.3.4 擬康寧木霉處理混合染料的探究實(shí)驗(yàn)

將鉻黑T與亞甲基藍(lán),鉻黑T與甲基紫,鉻黑T與中性紅,鉻黑T與亞甲基藍(lán)、甲基紫、中性紅混合后,探究菌株對(duì)混合染料的處理效果。溶液經(jīng)0.45 μm微孔濾膜過(guò)濾后,用紫外可見(jiàn)光譜儀掃描獲得混合染料處理前后的200～800 nm光譜以驗(yàn)證擬康寧木霉處理混合染料廢水的可能性。

2 結(jié)果與討論

2.1 投菌量對(duì)鉻黑T去除率的影響

取20 mg/L鉻黑T模擬廢水,加入2.5、5.0、7.5、10.0、12.5、15.0、17.5 g/L的擬康寧木霉,在30 ℃、140 r/min的條件下連續(xù)振蕩反應(yīng)20 h,以探究投菌量對(duì)鉻黑T去除的影響,結(jié)果如圖1所示。投菌量為2.5～7.5 g/L,鉻黑T去除率隨投菌量的增加而上升;投菌量超過(guò)7.5 g/L后,鉻黑T去除率則隨投菌量的增加而下降。在菌體濃度較低時(shí),隨著投菌量的增加,擬康寧木霉中起降解作用的酶增多,整體活性增強(qiáng),處理效率升高;但投菌量過(guò)多時(shí),營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)有限,競(jìng)爭(zhēng)激烈,能量大量消耗,使得菌體比生長(zhǎng)率顯著降低,無(wú)法很好地吸附降解染料,甚至部分菌體死亡,處理效果反而明顯變差[15]。隨著反應(yīng)時(shí)間的增加,去除率也隨之升高,并且反應(yīng)時(shí)間在8 h以內(nèi)去除率的增加速度較后期快,表明菌體處于生長(zhǎng)期的時(shí)候細(xì)胞生長(zhǎng)速度和鉻黑T的去除率呈正相關(guān)[16]。同時(shí)擬康寧木霉還通過(guò)形成菌絲球來(lái)吸附鉻黑T,投菌量過(guò)低不利于菌絲球的成球;投菌量過(guò)高會(huì)引起菌絲球之間競(jìng)爭(zhēng)生存空間,這將導(dǎo)致形成的菌絲球較小[17],影響擬康寧木霉處理效果。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得,最適投菌量為7.5～10.0 g/L。

圖1 投菌量對(duì)鉻黑T去除率的影響Fig.1 Effect of inoculum amount on removal efficiency of chrome black T

2.2 鉻黑T初始濃度對(duì)鉻黑T去除率的影響

因擬康寧木霉在馴化過(guò)程中較適生長(zhǎng)的鉻黑T質(zhì)量濃度為0～30 mg/L,故分別取5、10、15、20、25、30 mg/L的鉻黑T模擬廢水200 mL,分別投入10.0 g/L的擬康寧木霉,在30 ℃、140 r/min的條件下,連續(xù)振蕩反應(yīng)20 h,以探究鉻黑T初始濃度對(duì)鉻黑T去除的影響,結(jié)果如圖2所示。隨著鉻黑T初始濃度的增加,去除率先升后降,初始質(zhì)量濃度為20 mg/L時(shí),其去除率最大,繼續(xù)增大初始濃度,處理效果明顯變差。可見(jiàn),較高濃度的鉻黑T對(duì)菌體細(xì)胞的生長(zhǎng)具有潛在的抑制性作用,因此染料的初始濃度對(duì)擬康寧木霉降解鉻黑T廢水的效率有明顯影響[18]。

圖2 鉻黑T初始質(zhì)量濃度對(duì)鉻黑T去除率的影響Fig.2 Effect of initial chrome black T concentration on removal efficiency of chrome black T

2.3 葡萄糖用量對(duì)鉻黑T去除率的影響

量取20 mg/L鉻黑T模擬廢水200 mL于250 mL錐形瓶中,分別加入等量0、0.4、0.8、1.6、2.0 g/L葡萄糖溶液和10.0 g/L擬康寧木霉,在30 ℃、140 r/min條件下連續(xù)振蕩反應(yīng)20 h,結(jié)果如圖3所示。加入低濃度葡萄糖對(duì)鉻黑T去除率并沒(méi)有明顯影響,高濃度葡萄糖則使去除率持續(xù)緩慢下降。

圖3 葡萄糖用量對(duì)鉻黑T去除率的影響Fig.3 Effect of glucose dosage on removal efficiency of chrome black T

葡萄糖是小分子單糖,易被生物吸收,鉻黑T模擬廢水中的部分微生物可以選擇葡萄糖作為碳源以生長(zhǎng)繁殖,在一定程度上緩解了鉻黑T的毒性抑制作用[21],故能提高其去除率。同時(shí),投加葡萄糖增加了水樣中的碳源,促進(jìn)了菌體的生長(zhǎng)繁殖,從而提高對(duì)鉻黑T的處理效率。但當(dāng)葡萄糖濃度過(guò)高時(shí),葡萄糖與鉻黑T形成了競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系,菌體更傾向吸收葡萄糖作為碳源而拒絕難降解的鉻黑T,導(dǎo)致鉻黑T去除率降低。因此葡萄糖用量應(yīng)介于0.4～0.8 g/L。

2.4 溫度對(duì)鉻黑T去除率的影響

取20 mg/L鉻黑T模擬廢水200 mL于250 mL錐形瓶中,投加10.0 g/L擬康寧木霉,分別在15、20、25、30、35、40 ℃下以140 r/min連續(xù)振蕩反應(yīng)20 h,結(jié)果如圖4所示。當(dāng)溫度不超過(guò)30 ℃時(shí),鉻黑T去除率隨溫度提高而上升,之后繼續(xù)提高環(huán)境溫度則使處理效率降低。這與伍文憲等[22]所確定的擬康寧木霉最適生長(zhǎng)溫度為30 ℃相吻合。

圖4 溫度對(duì)鉻黑T去除率的影響Fig.4 Effect of temperature on removal efficiency of chrome black T

2.5 轉(zhuǎn)速對(duì)鉻黑T去除率的影響

取20 mg/L鉻黑T模擬廢水200 mL于250 mL錐形瓶中,投加10.0 g/L擬康寧木霉,分別在0、20、60、100、140、180、220 r/min轉(zhuǎn)速下以30 ℃連續(xù)振蕩反應(yīng)20 h,轉(zhuǎn)速對(duì)擬康寧木霉處理鉻黑T模擬廢水的影響如圖5所示。當(dāng)轉(zhuǎn)速為0～140 r/min時(shí),鉻黑T去除率隨轉(zhuǎn)速的增大而上升,當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到140 r/min后繼續(xù)增大,處理效率呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。一定范圍內(nèi),轉(zhuǎn)速越大,菌體與水樣混合得越均勻,使得菌體和水樣有更大的接觸面積和充分的接觸時(shí)間,有利于菌體更好地吸附降解染料,提高去除率[23]。但當(dāng)轉(zhuǎn)速過(guò)大時(shí),擬康寧木霉與染料分子的接觸時(shí)間過(guò)短,而且菌體可能受到較大的剪切力影響而破裂,導(dǎo)致處理效率降低[24]。CUI等[25]研究表明,菌絲球形成時(shí)適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速能使菌絲球表面光滑、結(jié)構(gòu)緊密,還能分離表面老化的菌絲,進(jìn)而保持菌絲球的穩(wěn)定性。綜合考慮,最佳轉(zhuǎn)速選擇140 r/min。

圖5 轉(zhuǎn)速對(duì)鉻黑T去除率的影響Fig.5 Effect of rotation speed on removal efficiency of chrome black T

2.6 擬康寧木霉處理鉻黑T模擬廢水的正交實(shí)驗(yàn)

為了探究最優(yōu)反應(yīng)條件,正交實(shí)驗(yàn)采用3因素3水平標(biāo)準(zhǔn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。由表2可得,轉(zhuǎn)速、鉻黑T初始濃度、投菌量均對(duì)擬康寧木霉處理鉻黑T模擬廢水的效果有影響,影響程度從大到小排列為:投菌量>轉(zhuǎn)速>鉻黑T初始濃度。正交實(shí)驗(yàn)所得擬康寧木霉處理鉻黑T模擬廢水的最優(yōu)條件組合是:轉(zhuǎn)速140 r/min,鉻黑T初始質(zhì)量濃度20 mg/L,投菌量7.5 g/L。在上述基礎(chǔ)上投加0.4 g/L的葡萄糖,于30 ℃連續(xù)振蕩20 h,結(jié)果顯示鉻黑T去除率為96.8%。

表2 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2 Result of the orthogonal test

2.7 擬康寧木霉處理鉻黑T模擬廢水的機(jī)理初探

為了確定擬康寧木霉對(duì)鉻黑T是否具有降解作用,在最適處理?xiàng)l件下,對(duì)反應(yīng)時(shí)間為4、16、20 h的鉻黑T進(jìn)行紫外可見(jiàn)光譜分析,觀察其特征吸收峰吸光度的變化,結(jié)果如圖6所示。由圖6可知,處理后鉻黑T的特征吸收峰吸光度降低,進(jìn)而說(shuō)明在擬康寧木霉處理鉻黑T的脫色過(guò)程中存在降解作用[26]。真菌降解偶氮染料可分為兩個(gè)階段,其偶氮鍵首先被偶氮還原酶催化斷裂,產(chǎn)生芳香胺類中間產(chǎn)物,最后再經(jīng)一系列反應(yīng)代謝生成苯胺類終產(chǎn)物。而鉻黑T的特征吸收峰在235、544 nm處,其中544 nm處吸收峰可能由鉻黑T的偶氮基團(tuán)產(chǎn)生,經(jīng)過(guò)20 h處理后產(chǎn)物在250 nm附近有較大的吸光度,說(shuō)明可能存在苯環(huán)結(jié)構(gòu)。鉻黑T中的偶氮鍵可能先被擬康寧木霉分泌的偶氮還原酶還原斷裂,最后經(jīng)過(guò)系列反應(yīng)代謝被降解成二羥基苯胺類化合物[27]。

圖6 擬康寧木霉對(duì)鉻黑T的降解機(jī)理Fig.6 Degradation mechanism of chrome black T byTrichoderma koningiopsis

2.8 擬康寧木霉處理鉻黑T模擬廢水吸附動(dòng)力學(xué)研究

取質(zhì)量濃度分別為5、10、15、20、25、30 mg/L的鉻黑T模擬廢水200 mL,投入10.0 g/L擬康寧木霉,在30 ℃、140 r/min下連續(xù)振蕩反應(yīng),0～20 h內(nèi)間隔取樣。吸附量和平衡吸附量可分別通過(guò)式(1)和式(2)計(jì)算。

qt=(C0-Ct)/m

(1)

qe=(C0-Ce)/m

(2)

式中:qt和qe分別為擬康寧木霉對(duì)鉻黑T的t時(shí)刻和平衡時(shí)的吸附量,mg/g;t為反應(yīng)時(shí)間,h;C0、Ct和Ce分別為鉻黑T初始、t時(shí)刻和平衡時(shí)的質(zhì)量濃度,mg/L;m為投加菌量,g/L。

由圖7可得,隨著反應(yīng)進(jìn)行,擬康寧木霉菌對(duì)鉻黑T的吸附量先增加后趨于平衡。當(dāng)鉻黑T初始質(zhì)量濃度超過(guò)25 mg/L時(shí),達(dá)到平衡的反應(yīng)時(shí)間變長(zhǎng),平衡吸附量降低。采用Langmuir模型和Freundlich模型分別對(duì)擬康寧木霉吸附鉻黑T的過(guò)程進(jìn)行模擬,發(fā)現(xiàn)擬康寧木霉吸附鉻黑T與Langmuir模型的擬合度更高,擬合系數(shù)(R2)為0.991 5,最大吸附量模擬值為3.292 mg/g,與實(shí)驗(yàn)值較接近,這說(shuō)明擬康寧木霉對(duì)鉻黑T的吸附為均質(zhì)單層吸附。

圖7 擬康寧木霉對(duì)不同初始質(zhì)量濃度的鉻黑T的吸附動(dòng)力學(xué)曲線Fig.7 The adsorption kinetics curve of Trichoderma koningiopsis for different initial concentrations of chrome black T

由一級(jí)動(dòng)力學(xué)反應(yīng)公式得到式(3):

ln(C0/Ct)=kt+b

(3)

式中:k為反應(yīng)常數(shù),h-1;b為截距。

利用最佳條件下實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果,以ln(C0/Ct)對(duì)t作圖,得到R2=0.990 5,曲線擬合度較好(見(jiàn)圖8),由此表明擬康寧木霉處理鉻黑T染料反應(yīng)為一級(jí)動(dòng)力學(xué)反應(yīng)。

圖8 生物法處理鉻黑T的動(dòng)力學(xué)模型Fig.8 Kinetic model of biotreatment of chrome black T

2.9 擬康寧木霉處理混合染料的探究實(shí)驗(yàn)

選取了甲基紫、亞甲基藍(lán)和中性紅這3種常見(jiàn)的具有一定毒性的染料,分別與鉻黑T混合,初步探究擬康寧木霉對(duì)混合染料廢水的降解能力?；旌先玖咸幚砬昂蟮淖贤饪梢?jiàn)光譜如圖9所示。各混合染料處理后的整體吸光度都大大下降,鉻黑T與亞甲基藍(lán),鉻黑T與甲基紫,鉻黑T與中性紅,鉻黑T與亞甲基藍(lán)、甲基紫、中性紅混合染料的吸光度分別減少了89.8%、91.2%、95.0%、91.5%,可見(jiàn)這4種含有鉻黑T的混合染料都能被擬康寧木霉有效降解脫色。故擬康寧木霉不僅能高效去除鉻黑T單一廢水,未經(jīng)過(guò)馴化加入其他染料,也能較好地抵抗其生物毒性,有望降解含有多種染料的水質(zhì)成分復(fù)雜的染料廢水,因此擬康寧木霉對(duì)于處理實(shí)際印染廢水有很好的開(kāi)發(fā)潛力。

注:不同染料均等量混合。

3 結(jié) 論

1) 通過(guò)研究反應(yīng)時(shí)間、投菌量、鉻黑T初始濃度、葡萄糖用量、轉(zhuǎn)速和溫度等條件對(duì)擬康寧木霉處理鉻黑T模擬廢水的單因素和正交實(shí)驗(yàn),得到最優(yōu)反應(yīng)條件為:投菌量7.5 g/L,鉻黑T初始質(zhì)量濃度20 mg/L,轉(zhuǎn)速140 r/min,投加0.4 g/L葡萄糖增加碳源,在30 ℃下處理20 h,鉻黑T的去除率達(dá)到96.8%。去除率優(yōu)于大部分同類文獻(xiàn)中的方法,處理效果優(yōu)異。但以單一菌種處理染料廢水耗時(shí)較長(zhǎng),且無(wú)法處理高濃度染料廢水。

2) 擬康寧木霉處理鉻黑T染料的吸附屬于均質(zhì)單層吸附,反應(yīng)遵循一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型,說(shuō)明擬康寧木霉對(duì)鉻黑T的處理是通過(guò)生物吸附與降解的協(xié)同作用而實(shí)現(xiàn)。

3) 擬康寧木霉不僅能有效處理鉻黑T單一廢水,在未馴化的情況下,加入鉻黑T與亞甲基藍(lán)、甲基紫和中性紅等混合染料廢水,去除率也能達(dá)到90%左右,具有很好的應(yīng)用前景。