生物法對偶氮染料廢水脫色的研究

鄭潔

摘 要：從某印染廢水的活性污泥中富集了一個能夠高效降解酸性大紅GR的菌群。研究結果表明，該菌群在15h內幾乎將100mg/L的酸性大紅完全脫色。該菌群在偏堿性環境下的脫色效果大于酸性環境，并表現出高效廣譜染料脫色降解特性。當溫度在10°C～30°C之間時，脫色率隨溫度的遞增而增大，在30°C時脫色率達到最大。

關鍵詞：酸性大紅GR；脫色；菌群；偶氮染料

中圖分類號：X703 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）32-0064-02

Abstract： A bacteria group capable of degrading acid scarlet GR was enriched from the activated sludge of a printing and dyeing wastewater. The results showed that the bacteria almost completely decolorized acid scarlet at 100 mg/L within 15h. The decolorizing effect of the bacteria group in the alkaline environment was higher than that in the acidic environment， and showed the characteristics of decolorization and degradation of the dyes with high efficiency and broad spectrum. When the temperature is between 10 °C and 30 °C， the decolorization rate increases with the increase of temperature， and reaches the maximum at 30°C.

Keywords： acid scarlet GR； decolorization； microflora； azo dyes

1 概述

1.1 課題背景

染料和印染工業快速發展，這種發展導致了生產廢水越趨增多，大約占了總的工業廢水的十分之一。印染廢水因其排放數量龐大、成分組成復雜等特點以及處理經濟負荷沉重成為目前最難處理的工業廢水之一。作為合成染料，與天然染料相比，偶氮染料因其價格成本低，顏色具有多樣性，不易掉色，合成方便等特點成為主流染料。偶氮染料廣泛應用于制藥、造紙、皮革、食品、化妝品和紡織等行業。偶氮染料的穩定性較高，抗光、抗氧化能力強，而且具有致癌、致畸、致突變性[1]，嚴重破壞了水體生態系統，對人類健康構成潛在危害。

1.2 偶氮染料的性質

偶氮染料是所有分子中含有偶氮基團結構（-N=N-）染料的總稱。偶氮基團結構能夠吸收光中的可見光譜部分常與發色體[2]（一個或多個芳香環系統）相連構成的共扼體系。為了使偶氮染料的種類變得多樣化，因此可以改變發色體芳香環系統中的取代集團，如：硝基、氨基、甲基、氯基、羥基和羧基等，從而得到種類繁多，顏色豐富多彩的偶氮染料。

1.3 染料廢水的處理方式

最常用的印染廢水的處理方法有物理法、化學法、物理化學法和生物法四種。生物處理法基于其成本低、效率高以及能降解或轉化污染物成為水、二氧化碳以及無機鹽類等優點被廣泛采用。已報道的偶氮染料脫色菌種類較多。Prasad等分離得到一株能夠降解偶氮染料Direct Blue-1的中度嗜鹽菌Marinobactersp. strain HBRA，在70 g/L該菌在6h內將100mg/L的Direct Blue-1完全降解[3]。但是，采用純菌對偶氮染料降解脫色，其脫色染料種類比較單一，即使菌株能夠對多種染料都具有良好脫色性能，其脫色能力也不一致[4]。單一菌株對處理成分復雜的印染廢水時，降解效率不穩定，不利于實踐性使用。所以研究混合菌有重要的研究意義，因為菌群之間存在協同降解作用，對復雜的染料廢水有很強的適應性，因此混合菌的降解效果會更加顯著。

1.4 對微生物降解偶氮染料產生影響的因素

通過查找資料，初步了解一些因素對偶氮染料降解菌群的脫色的影響，溶解氧、溫度、pH值、鹽度以及偶氮染料的濃度等條件都必須考慮到，在不斷的調解中找到最佳微生物降解偶氮染料脫色的條件。本文主要研究不同pH值和不同溫度下菌群降解偶氮染料的影響。

2 材料與方法

2.1 印染廢水

本文使用的偶氮染料為酸性大紅GR，分子式為C22H14N4Na2O7S2，它的相對分子質量為556.48，最大吸收波長為510nm。配置酸性大紅GR染料濃度為5g/L的母液，用滅過菌的0.22？滋m的濾膜過濾，除菌，用棕色瓶裝。

2.2 無機鹽培養基

鹽度為5%的培養基的配制方法：在天平上準確秤取CaCl20.1g，MgCl2·6H2O6.0g，NaCl40.0g，KCl0.5g，Na2SO40.5g，

NH4Cl0.3g放入1L的燒杯中，加入800ml去離子水，攪拌直至試劑完全溶解，加HCl或NaOH溶液調節pH至7.2～7.5，加微量元素1ml，稱取5.0g酵母粉，溶解完全后，定容至1L容量瓶中，然后每次量取100mL，分別分裝至10個250mL的錐形瓶當中。

2.3 菌群

采集某印染廠的活性污泥，將其放置冰箱中冷藏。取10ml的活性污泥懸濁液將其接入模擬印染廢水中（90mL的5%鹽度的無機鹽培養基中加入100mg/L酸性大紅GR），在超凈工作臺操作。接種結束，將其放置30℃、150r/min的恒溫振蕩培養箱中，觀察脫色情況，待顏色接近至無色，取10%的第一代懸濁液接種到模擬印染廢水中（90mL的5%鹽度的無機鹽培養基中加入100mg/L酸性大紅GR）如此循環8代，富集培養結束，收集菌體，用培養基洗滌菌體2次，菌體懸浮于5%培養基中，得到實驗所需的菌液。

2.4 接種

打開超凈工作臺的紫外燈滅菌后通風，將實驗所需試劑放進超凈臺，點燃酒精燈。取下培養基封口膜，將封口膜倒置。用移液槍（滅菌槍頭）吸取1mL的KH2PO4，0.2mL（100mg/L）的酸性大紅GR，再移取10mL的菌液，加入到培養基當中，蓋上封口膜，待培育。將已經接種好的培養基放進30℃的恒溫培養箱當中培養，觀察培養基脫色情況，待酸性大紅GR脫色至無色，可進行下一代接種。重復上述步驟，直到富集8代，得到實驗所需菌種。

3 實驗與結論

3.1 酸性大紅GR濃度的測定及脫色率的計算

5%的無機鹽培養基中加入一定量的濃度的酸性大紅GR，將活化之后的菌群接入到上述模擬的印染廢水中對其進行降解至其脫色。定時從其取出2mL脫色液裝進2mL的離心管中，10000r/min下離心5min，取出上清液待測定，以未加染料的培養基作空白，在510nm最大吸收波長處測定其吸光度。脫色率根據以下公式計算：Q=（A0-At）/At×100%

其中A0為起始時刻染料對應的吸光度；At為t時刻染料對應的吸光度。

3.2 不同pH值下菌群降解酸性大紅GR及其結論

配置pH值為5、6、7、8、9、10的5%鹽度的無機鹽培養基100mL。將配好的培養液放入立式壓力蒸汽滅菌鍋滅菌，在0.1MPa，120℃的條件下進行滅菌處理20min。滅菌結束后，在超凈臺上操作，向不同鹽度的無機鹽培養基中加入2mL（100mg/L）酸性大紅GR溶液、1mLKH2PO4和10mL上述菌液，將其靜置放置在30℃恒溫培養箱中培養。每隔3h從不同pH值的培養基中各取出2mL菌液于2mL離心管中，使用離心機在12000rpm的條件下離心10min。離心結束后取出離心管，取0.4mL的上清液于石英比色皿中，并用蒸餾水稀釋10倍，使用1mm的石英比色皿，測其在510nm處的吸光度。記下數據，并計算降解率，直至脫色基本結束。

結論：pH值影響會微生物的生長，大于或小于微生物的最適pH值都會對微生物的生長尤其是酶的活性產生不利的影響。該菌群在廣泛的pH范圍內都能適應生存。在過酸和過堿的環境條件下，12h染料脫色率只有14.19%、16.66%、44.68%，說明菌群的生長受到抑制，從而影響了菌群對酸性大紅GR的降解效果。在pH7、pH8、pH9時，菌群12h的染料脫色率達到80.55%、84.67%、72.98%，降解率明顯高于過酸過堿的環境，菌群都很好的脫色能力。其中菌群在pH值為8時降解性能最佳，15h內脫色率甚至100%。所以，該菌群更適合生存在偏堿性環境。在印染過程中添加的NaOH等導致染料廢水偏堿性，有些印染廢水pH高達10[5]，是抑制生物脫色的重要因素。因此，該菌群對于處理高堿性印染廢水有很廣的研究空間以及很高的應用價值。

3.3 不同溫度下菌群降解酸性大紅GR及其結論

為了研究菌群的最適生長溫度，本問在不同的溫度下對菌群降解酸性大紅GR的性能進行研究。配置5個溫度參數的pH值為7.5的5%鹽度的無機鹽培養基各100mL。將配好的培養液放入立式壓力蒸汽滅菌鍋滅菌，在0.1MPa，120℃的條件下進行滅菌處理20min。滅菌結束后，在超凈臺上操作，向5%的無機鹽培養基中加入2mL（100 mg/L）酸性大紅GR溶液、1mLKH2PO4和10mL上述菌液。將其分別靜置放置在10℃、20℃、30℃、37℃、45℃、50℃的培養箱中培養，觀察其脫色情況，直至出現脫色為止。測定不同溫度下菌群對酸性大紅GR的脫色效率。分別從培養基中各取出2mL菌液于2mL 離心管中，使用離心機在12000rpm的條件下離心10min。離心結束后取出離心管，取0.4mL的上清液于石英比色皿中，并用蒸餾水稀釋10倍，使用1mm的石英比色皿，測其在510nm處的吸光度。記下數據，并計算降解率。

結論：溫度值會影響微生物的生長，大于或者小于微生物的最適溫度都會對微生物的生長尤其是酶的活性產生不利的影響。當溫度在10°C～30°C之間時，脫色率隨溫度的遞增而增大；溫度在30°C時脫色率達到最大，達到98.2%。在常溫37°C菌群降解酸性大紅GR脫色率達到96.5%。這和Tan等富集的能夠脫色酸性大紅GR的菌群的結果相同[6]。

參考文獻：

[1]盧婧，余志晟，張洪勛.微生物降解偶氮染料的研究進展[J].工業水處理，2013，33（1）：15-19.

[2]戴樹桂，宋文華，李彤，等.偶氮染料結構與其生物降解性關系研究進展[J].環境科學進展，1996（06）：2-10.

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[6]劉正.高濃度含鹽廢水生物處理技術[J].化工環保，2008，26（5）：209-211.