以污泥水解液作為生物法處理偶氮染料廢水的共代謝基質研究

＊李鑫 周集體 田天 基若菲 崔甜甜 劉寶村

（大連理工大學 工業生態與環境工程教育部重點實驗室 遼寧 116024）

偶氮染料因其易于合成和實用穩定性的特點，自問世以來便被廣泛應用于染色、造紙、塑料、油漆、食品等多個領域[1-2]。大多數偶氮染料是人工合成的大分子化合物，通常具有一定的生物毒性，有些甚至具有“三致”作用，一旦進入到環境中會嚴重危害環境質量和人類健康[3]。染料廢水的處理方法有物理法（吸附法[4]、膜分離技術[5]）、化學法（臭氧氧化法[6]、化學混凝法[7]）和生物法[8]，其中，生物法因其有效且對環境友好的特征而被廣泛使用。共代謝作為一種能大幅提高難降解污染物的生物去除效果技術，在偶氮染料廢水處理方面，被認為是極具前景的生物處理技術之一[9]。目前，利用共代謝技術處理染料廢水過程中所使用的底物主要有糖類、甲醇等物質。Xie等人[10]利用木糖作為克雷伯氏菌的共代謝基質對偶氮類、蒽醌類和三苯基甲烷類代表性的染料進行脫色研究，結果表明，木糖提高了三種類別染料的脫色效率。Zhang等[11]探究了不同糖源（果糖、蔗糖、葡萄糖）結合酵母浸粉用于天然菌群DDMZ1的共代謝基質對染料脫色的影響，結果表明3g/L的果糖和酵母浸粉可以使染料在48h的脫色率達到96%。Imran等[12]利用酵母浸粉作為希瓦氏菌處理偶氮染料的共代謝基質，結果表明，投加8g/L酵母浸粉條件下，1h內染料脫色率可以達到81%以上。以上研究證明了共代謝技術處理染料廢水的效果較好，但果糖、酵母浸粉等底物的使用也會加大處理成本，因此需要探尋一種廉價易得的碳源作為染料脫色的共代謝基質。

剩余污泥作為污水生物處理技術中的副產物，每處理1萬噸污水將產生10～20噸污泥（以含水率90%計）[13]。剩余污泥中通常含有大量核酸、多糖、磷脂、蛋白質和腐殖酸等物質[14]，采用傳統剩余污泥處理工藝會造成污泥中可利用資源的浪費，因此污泥資源化技術利用越來越受到人們的關注。為了盡可能多的獲取剩余污泥中的營養物質，學者采用不同的手段對污泥進行預處理，其中，堿法預處理技術因其可以促進水解反應，對污泥的破解效果好，而被廣泛應用于污泥的預處理。肖本益等[15]對比酸法、堿法和熱法對污泥的預處理效果表明，堿法處理效果最好，污泥破碎率可達58.4%。王開樂等[16]采用堿法破解污泥，利用得到的污泥水解液作為合成氨廢水的反硝化碳源，在最佳處理條件下的硝態氮去除率達到86%以上。雷太平[17]利用污泥堿解液和LB培養基結合來強化高鹽偶氮染料廢水的處理，染料脫色率于32h達到85%左右。目前，污泥水解液作為共代謝基質提高染料廢水處理效果的研究相對有限，其處理機理尚不清楚，處理效果也有待提高。基于此，本研究通過探索不同堿水解時間的剩余污泥水解液作為生物法處理RB5的共代謝基質，為實現偶氮染料廢水的處理和剩余污泥資源化利用提供參考。

1.材料與方法

(1)實驗材料

本實驗所用偶氮染料為活性黑5（RB5，C26H21N5Na4O19S6，CASNo.17095-24-8），特征波長597nm。實驗所使用的剩余污泥均取自大連市夏家河污泥處理廠。剩余污泥在使用前，首先經30目篩網去除其中的砂粒等大塊雜質，然后過篩后的污泥用去離子水清洗三次去除其中溶解性有機物及藥物殘留等，最后以10000rpm離心10min，收集沉淀部分，并將其含水率調至95%，即得到后續實驗中需要的污泥，放置于4℃冰箱中保存。

(2)實驗方法

①剩余污泥熱堿解

本研究以水解時間作為控制參數對剩余污泥進行堿水解處理，取450mL的污泥溶液于1L的燒杯中，調節pH至13，放置于恒溫水浴鍋中（1200rpm，30℃）水解。將污泥水解液在10000rpm、4℃下離心10min，收集上清液，經0.45μm的膜過濾后，得到污泥水解液樣品，放置于4℃冰箱中保存待用。

②脫色菌群培養

取3g預處理后的剩余污泥，接種到100mL的LB培養基中，在恒溫搖床中（35℃，150rpm）活化14～16h。將活化好的污泥以10%（V/V）的接種率接種到含有RB5染料的馴化培養基中，在35℃下梯度（RB5濃度：50mg/L、100mg/L、150mg/L、200mg/L、250mg/L、300mg/L）培養，待到80%的染料脫色后，重新轉移到新的含染料的馴化培養基中。待得到的菌群對300mg/L的染料脫色率達到80%后，將菌群以10%（V/V）的接種率接種到馴化培養基中培養24h，最終得到對RB5具有脫色能力的混合菌群。LB培養基配方（g/L）：酵母浸粉5、胰蛋白胨 10、NaCl 10。馴化培養基配方（g/L）：NaCl 1、CaCl2·2H2O 0.1、MgSO4·H2O 0.5、KH2PO41、Na2HPO41、酵母浸粉 3。

③脫色實驗

脫色實驗在250mL的錐形瓶中進行，利用得到的污泥水解液（將不同條件下得到的污泥水解液COD調至3000mg/L）作為共代謝底物，將培養好的菌群以10%（V/V）接種率接種到反應體系中，加入200mg/L的RB5，在35℃下靜態培養，分別測定脫色24h和48h的脫色率、48h的COD去除率和微生物生長情況，并檢測整個脫色過程中蛋白質和多糖的濃度變化。

(3)分析方法

取1mL樣品，稀釋5倍，在10000rpm下離心5min后，利用紫外可見分光光度計測量上清液在597nm處的吸光度。

TCOD和SCOD的測定采用重鉻酸鉀法[18]。多糖的測定采用苯酚—硫酸比色法[19]。蛋白質的測定采用考馬斯亮藍法[19]。

污泥水解液采用真空型傅里葉變換紅外光譜儀（VERTEX 80v0304040408）測定分析，掃描波長為400～4000cm-1。采用GC-MS（GCMS-QP202003030706）檢測污泥水解液中的主要物質。

2.結果與討論

(1)污泥熱堿解

為了探究水解時間對污泥破解效果的影響，本實驗在30℃，pH=13，破解時間為8～16h的條件下對剩余污泥進行堿解，從表1中可以看到，破解時間從8h升高至16h時，污泥破解率由42.3%提升到51.9%。在破解12h后污泥破解率隨時間變化幅度開始減弱，這說明堿解反應逐漸接近尾聲。污泥水解液中蛋白質、多糖含量隨破解時間的延長呈現為上下波動的變化趨勢，這可能是因為蛋白質和多糖在溶出的同時，也會被體系中的堿進一步水解成小分子的有機酸，進而導致整體體系中濃度的減少，最終呈現出上下波動的趨勢[20]。

表1 不同水解時間條件下污泥水解液的參數

(2)RB5的脫色實驗

本研究利用不同破解時間的水解液作為RB5染料脫色的共代謝基質，分析污泥水解液作為染料的共代謝基質的脫色情況，結果如圖1、圖2所示。

圖1 不同破解時間下得到的污泥水解液作為共代謝基質的脫色對比

圖2 不同破解時間下得到的污泥水解液作為共代謝基質的COD去除率和OD600對比

從圖1和圖2中可以看出，在不同破解時間下得到的污泥水解液作為RB5偶氮染料的共代謝基質時，所有實驗組在48h的脫色率都能達到85%以上，破解時間為12h的污泥水解液作為共代謝基質的脫色效果最好，在脫色反應進行到24h和48h時分別能達到77.7%和90.5%的脫色率。脫色反應進行到48h的COD去除率和菌群生長情況與脫色率的整體趨勢相符，都是在以12h的污泥水解液作為RB5共代謝基質時效果最好，該體系的COD去除率能達到42.9%，OD600為0.887；8h和16h體系的脫色率相近，其中8h體系中的COD去除率最低，為31.9%，16h體系中的菌群生長情況最差，OD600為0.661。實驗結果表明在30℃下堿解得到的污泥水解液作為共代謝基質的最佳堿解時間為12h。

圖3和圖4是脫色反應過程中多糖和蛋白質含量的變化情況，從圖中可以看到，隨著脫色反應的進行，體系中多糖和蛋白質濃度都在不斷下降，五個實驗組中蛋白質濃度在48h內下降幅度為64.3～78.3mg/L，多糖濃度在48h內下降幅度為51.5～91.0mg/L，說明脫色菌群在脫色反應過程中會不斷消耗污泥水解液中的蛋白質和多糖類物質。污泥水解液中的蛋白質和多糖在前24h消耗速率要快于后24h，這可能是因為前24h脫色菌群迅速生長，會大量消耗污泥水解液中的營養物質，而且脫色反應也主要發生在前24h。脫色實驗結果表明，污泥水解液作為生物法處理染料廢水的共代謝基質，可以促進脫色菌群對偶氮染料的脫色降解。

圖3 不同破解時間下得到的污泥水解液作為共代謝基質的脫色體系中多糖的變化情況

圖4 不同破解時間下得到的污泥水解液作為共代謝基質的脫色體系中蛋白質的變化情況

(3)污泥熱堿解液的成分分析

本實驗對在30℃，pH=13條件下堿解12h得到的污泥水解液進行了FTIR分析，其圖譜如圖5所示。針對污泥水解液的FTIR譜圖，對比文獻[21-23]進行峰位置分析，3258cm-1為羧酸和醇中的-OH的振動所致，2873cm-1為C-H伸縮振動所致，1642cm-1為C=O的伸縮振動或芳香基中的C=C的伸縮振動所致，1407cm-1為脂肪族中的-CH2的振動所致，1037cm-1為胺基化合物中的C-N伸縮振動所致，858cm-1為芳烴中的C-H面外彎曲振動所致，524cm-1處為直鏈烷烴的特征峰。FTIR分析說明污泥水解液中含有大量羧酸、羰基、芳香類和胺基類結構。

圖5 30℃下堿解12h的污泥破解液的FTIR

為了更進一步探究污泥水解液中的物質組成，本研究對在30℃，pH=13，堿解12h條件下得到的污泥水解液進行GC-MS分析，其結果如表2所示。表2總結了污泥水解液的GC-MS分析中相對含量大于1%的物質。從表2中可以看到，30℃堿解12h的污泥水解液中以棕櫚酸、棕櫚油酸、1-(1-乙氧基乙氧基)丁烷、正己酸、順式-11-十六碳二烯酸為主，其含量分別為19.39%、14.29%、10.91%、5.93%、5.23%。其中，棕櫚酸、十四烷酸、月桂酸和硬脂酸都是常見的長鏈脂肪酸，這些長鏈脂肪酸可以被微生物及多種酶類分解成微生物易于利用的物質[24]。除上述物質外，污泥水解液中還含有一部分酯類、醇類、烷烴類物質。從表中可以看出污泥熱堿解液中整體還是以大分子物質居多，需要微生物進一步分解后利用。

表2 污泥熱堿解液中的主要物質

3.結論

（1）隨著水解反應的進行，污泥堿水解效果逐漸變好，COD溶出率逐步升高，而蛋白質和多糖呈現上下波動趨勢。水解12h得到的污泥水解液用作RB5脫色的共代謝基質效果最佳。污泥水解液可以作為生物法處理偶氮染料廢水的共代謝基質。

（2）FTIR和GC-MS結果表明污泥水解液中含有較多的酸類、醇類、酯類和烷烴類物質，其中以棕櫚酸和棕櫚油酸兩種物質占比最高。污泥水解液中以大分子物質居多，需要微生物進一步分解后利用。