海藻酸鈣共固定化蒽醌和脫色菌處理偶氮染料廢水的研究

段松濤， 任曉莉， 李夏楠， 徐冬敏， 張家杰， 趙潤柱

(太原工業學院環境與安全工程系，山西 太原 030008)

引 言

目前，偶氮染料被廣泛應用于紡織品、皮革制品、化妝品等的生產和應用中，約有10%～15%的染料隨廢水排入環境水體。偶氮染料是人工合成的偶氮化合物，分子主要特征是含有一個或多個偶氮鍵，其前體及降解產物的三致作用，對生態環境造成嚴重影響，威脅生物多樣性[1]。偶氮染料脫色的方法有多種，如,過濾法、光催化法、吸附法及高級氧化法等物化方法[2]，這些方法雖有效但存在反應條件苛刻、運行費用高、二次污染嚴重等缺點。本著綠色環保、資源高效利用的原則，本文選擇生物脫色法[3]。生物脫色法的實質是微生物以廢水中所含的污染物作為營養源的生命活動，以達到脫色的目的。

固定化微生物技術是將特選的微生物固定在選擇的載體上，使其高度密集并保持生物活性，在適宜條件下能夠快速、大量增殖的生物技術。這種技術應用于廢水處理，有利于微生物抵抗不利環境的影響，以及反應后的固液分離，縮短處理所需的時間[4]。生物吸附劑固定化方法主要有吸附法、交聯法、包埋法等，本實驗采用包埋法[5]固定微生物。以海藻酸鈣為生物載體，將蒽醌和脫色菌群混合包埋固定在其中，能有效地對染料脫色并降低蒽醌和菌群的流失。蒽醌作為氧化還原介體，能加速對多種偶氮染料的脫色過程[6]。

1 生物脫色材料的制取

1.1 實驗材料

脫色菌群從紡織廠排污口附近的污泥中經篩選、富集獲得。

篩選培養基：NaCl 5 g/L，(NH4)2SO46.9 g/L，KH2PO42.5 g/L，Na2HPO42.5 g/L，MgSO40.2 g/L，瓊脂2 g/L，橙黃Ⅱ 500 mg/L，pH=6.5。

富集培養基：胰蛋白胨5 g/L，酵母膏2 g/L，KH2PO41 g/L，MgSO41.54 g/L，瓊脂16 g/L，橙黃Ⅱ 1 000 mg/L，pH=7.0。

發酵培養基：胰蛋白胨5 g/L，酵母膏2 g/L，KH2PO41 g/L，MgSO41.54 g/L，pH=7.0。

共固定化材料：3%海藻酸鈉菌懸液，5% CaCl2溶液，蒽醌20 mg。

1.2 實驗儀器

MHH-1000型電加熱臺；HH-S1型恒溫水浴鍋;YXQ-LS-18SI型高壓蒸汽滅菌鍋;SHB-Ⅲ型水循環真空泵；SW-CJ-7F0型超凈工作臺；BSP-250型恒溫培養箱；JH-752型可見-紫外分光光度計；SHA-C型恒溫振蕩器；日本島津電子天平。

1.3 脫色菌的篩選

稱取45 g印染廠現采污泥，放置于500 mL錐形瓶中，加入250 mL無菌水。于30 ℃水浴、轉速120 r/min條件下恒溫振蕩1 h。靜置2 h后，取出50 mL上清液，進行平板涂布，37 ℃恒溫培養60 h后，根據脫色圈與菌落直徑之比篩選出脫色菌菌落，并挑取至斜面上于37 ℃擴大培養3 d～4 d，刮取菌苔用于制備固定化生物脫色材料。篩選平板如圖1所示。

圖1 脫色菌篩選平板

1.4 菌懸液的制備

將富集培養后的菌苔刮取至100 mL 0.9%溶液中，加入適量無鉛玻璃珠，30 ℃、120 r/min恒溫振蕩30 min后脫脂棉過濾，獲得略顯渾濁的菌懸液。

1.5 共固定化凝膠小球的制取

將3 g海藻酸納加入菌懸液，制成100 mL 3%海藻酸鈉溶液，加入蒽醌20 mg后攪拌20 min，用注射器逐滴，浸泡1 h。用無菌水洗滌3次后，獲得共固定化蒽醌和脫色菌生物脫色材料，見圖2。將獲得的共固定化生物脫色材料放入發酵培養基中，30 ℃恒溫培養24 h后，進行模擬染料廢水脫色實驗。

圖2 共固定化脫色材料

2 模擬偶氮染料廢水脫色實驗

2.1 標準曲線的繪制(橙黃Ⅱ)

配制質量濃度為50 mg/L的橙黃Ⅱ溶液，依照40、30、20、10 mg/L質量濃度進行梯度稀釋，在最大吸收波長484 nm處測量其吸光度，繪制標準曲線。標準方程為y=0.035 7x+0.007 6，R2=0.999 9，說明橙黃Ⅱ質量濃度值與吸光度值具有較好的線性關系，可作為樣品測定的參考依據，見圖3。

2.2 模擬脫色實驗

配制50 mg/L橙黃Ⅱ溶液作為模擬染料廢水。設置實驗組投加共固定化脫色材料100 g/L，空白對照組為不加脫色材料的等量橙黃Ⅱ溶液，設置等量共固定化脫色材料投加量的無菌水作為參比溶液調校分光光度計，以排除共固定化脫色材料對實驗測量值的影響。設置完成后，同時以25 ℃、120 r/min恒溫振蕩。以0、12、24、36、48、72 h為時間間隔分別取樣測量其吸光度并根據標準曲線計算溶液質量濃度，結果見圖4。

圖3 橙黃Ⅱ標準曲線

由圖4和圖5可以看出，通過實驗組及空白對照組的比對，在模擬廢水脫色實驗開始24 h后，未加入共固定化脫色材料的空白組染料質量濃度及脫色率變化值極小，其變化值不超過3%，24 h時脫色率為26.33%，36 h脫色率為27.07%。但投加共固定化脫色材料的實驗組在24 h后染料質量濃度仍下降迅速，24 h時染料質量濃度為21.73 mg/L，72 h時染料質量濃度為8.45 mg/L，證明了共固定化脫色材料對橙黃Ⅱ溶液具有顯著的脫色作用，實驗組72 h脫色率達到了81.50%，而空白組72 h脫色率僅為28.90%。

圖4 橙黃Ⅱ溶液的質量濃度

圖5 橙黃Ⅱ溶液的脫色率

3 結論

1) 印染廠排污口附近的污泥中存在或潛在對偶氮染料具有顯著脫色作用的菌落，在模擬脫色實驗中僅以50 mg/L橙黃Ⅱ溶液而無需添加其他營養物質就能達到較好的脫色效果。

2) 共固定化生物脫色材料經過72 h、25 ℃恒溫振蕩后，對50 mg/L橙黃溶液脫色率達到81.50% (該溶液在自然條件下降解率僅為28.90%)，且在脫色實驗完成后，共固定化材料仍具有較好的形態，模擬廢水中菌體數量小，材料中菌體泄露較少，可重復利用。