魏志勇，王亞娥，李 杰，馬智慧

（蘭州交通大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院，甘肅蘭州 730070）

生物海綿鐵體系除磷是將零價(jià)的海綿鐵以一定的方式介入到活性污泥系統(tǒng)中，利用Fe0在體系中的電化學(xué)及生物化學(xué)腐蝕作用不斷釋放出Fe2＋，進(jìn)而被氧化成Fe3＋，從而實(shí)現(xiàn)高效除磷的一種方法［1］。污水中的磷主要以等形式存在［2］，由于磷酸根與Fe3＋結(jié)合形成沉淀的可能性遠(yuǎn)大于與結(jié)合形成沉淀的可能性［3］，而鐵細(xì)菌是指能將 Fe2＋氧化成Fe3＋，并從中獲得能量的一類細(xì)菌的總稱［4］。因此，研究鐵細(xì)菌在Fe2＋氧化過(guò)程中的作用，對(duì)于搞清生物海綿體系中鐵與微生物協(xié)同除磷機(jī)理有著重要的意義。本文通過(guò)正交試驗(yàn)考察了DO，p H值及鐵細(xì)菌對(duì)Fe2＋氧化的影響。

1 材料與方法

1.1 鐵細(xì)菌的分離與富集

1.1.1 菌種來(lái)源

接種污泥取自本實(shí)驗(yàn)中投放Fe0的SBBR（序批式生物膜反應(yīng)器）反應(yīng)器，該反應(yīng)器有效容積為0.36 m3，生物載體除Fe0外，還投放一定比例的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的納米凹凸棒土復(fù)合親水性聚氨酯泡沫填料。該反應(yīng)器已穩(wěn)定運(yùn)行1年多，污泥具有較高的微生物活性。主要性質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)接種污泥性質(zhì)

1.1.2 培養(yǎng)基

本實(shí)驗(yàn)采用 Winogradsky培養(yǎng)基［5］，具體組成見(jiàn)表 。

表2 Winogradsky鐵細(xì)菌培養(yǎng)基

按表2稱取上述試劑，并將其溶于1 000mL的蒸餾水中，在121℃下高壓滅菌20 min即形成液體培養(yǎng)基，在液體培養(yǎng)基加入瓊脂后，再經(jīng)過(guò)高壓滅菌則形成固體培養(yǎng)基。

1.1.3 分離增菌的方法

將取自上述反應(yīng)器中活性污泥混合液經(jīng)沉淀后取其上清液作為菌源，并將其接種于上述液體培養(yǎng)基中，放置在生化培養(yǎng)箱中進(jìn)行恒溫培養(yǎng)。培養(yǎng)10 d后，發(fā)現(xiàn)液體培養(yǎng)基中出現(xiàn)少許絮體，而后轉(zhuǎn)變?yōu)轸鼽S色時(shí)，將其挑取少許制成水浸片，在顯微鏡下觀察。取下玻片，在蓋玻片的一側(cè)加2%K3Fe（CN）6和10% 鹽酸各1滴；在另一側(cè)，用吸水紙吸去多余的水分，然后置于顯微鏡下觀察形態(tài)。觀察發(fā)現(xiàn)菌絲或粘液變?yōu)樗{(lán)色，證明有鐵的沉淀物。即Fe3＋與黃血鹽作用形成普魯氏藍(lán)，說(shuō)明所鏡檢的細(xì)菌為鐵細(xì)菌［6］。

挑取菌液采用平板涂布的方法在固體培養(yǎng)基上，并將其放置在恒溫生化培養(yǎng)箱中進(jìn)行進(jìn)一步培養(yǎng)，在固體培養(yǎng)基長(zhǎng)出的菌落具有明顯的金屬光澤，說(shuō)明培養(yǎng)出的細(xì)菌為鐵細(xì)菌。

1.2 試驗(yàn)試劑及儀器

試驗(yàn)試劑：硫酸亞鐵、緩沖溶液、普通氮?dú)狻?/p>

鐵細(xì)菌菌液：每毫升中含有0.126 1 g鐵細(xì)菌。

測(cè)定方法：試驗(yàn)中水質(zhì)指標(biāo)依據(jù)國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局規(guī)定的水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法進(jìn)行測(cè)定，具體指標(biāo)及分析方法見(jiàn)表3。

表3 試驗(yàn)水質(zhì)指標(biāo)的分析方法

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

通過(guò)0.1 mol／L的緩沖溶液將硫酸亞鐵溶液調(diào)節(jié)成不同的p H值，依靠向反應(yīng)器中充入氮?dú)鈦?lái)調(diào)節(jié)DO，并加入不同量的鐵氧化菌，通過(guò)控制DO，p H值及菌量3個(gè)條件設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)表，見(jiàn)表4。分別在1，2，3，5，10，20，30，60，90，120 min時(shí)取樣，測(cè)上清液中的Fe2＋的濃度，同時(shí)測(cè)定ORP值（氧化還原電位），實(shí)驗(yàn)溫度為20℃。

表4 正交實(shí)驗(yàn)表格

2 結(jié)果與討論

2.1 不同體系中Fe3＋濃度隨時(shí)間的變化規(guī)律

實(shí)驗(yàn)中，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，F(xiàn)e2＋會(huì)被氧化而形成Fe3＋，F(xiàn)e3＋的生成量反應(yīng)了不同實(shí)驗(yàn)條件下體系的氧化能力。反應(yīng)開(kāi)始階段加入的是硫酸亞鐵，因此起始的Fe2＋濃度即為總鐵濃度，而此時(shí)的Fe3＋濃度為0，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，根據(jù)Fe2＋的減少量，可以計(jì)算出生成Fe3＋的量，根據(jù)最后時(shí)刻的Fe3＋濃度及反應(yīng)時(shí)間，計(jì)算出各體系中的Fe3＋生成速率，結(jié)果如表5所示。

表5 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

不同體系中Fe3＋隨時(shí)間的變化規(guī)律如圖1所示?？梢钥闯?，除1號(hào)實(shí)驗(yàn)外，其余8組實(shí)驗(yàn)中Fe3＋的濃度都隨反應(yīng)的進(jìn)行而增加。在30min之前，F(xiàn)e3＋濃度的增加很快，而30min之后，F(xiàn)e3＋的濃度增長(zhǎng)速率較慢，說(shuō)明了在這樣一種體系中，F(xiàn)e2＋的氧化速率呈現(xiàn)為先快后慢。而所有9組實(shí)驗(yàn)又體現(xiàn)出了不同體系中對(duì)Fe2＋氧化能力的不同，說(shuō)明了不同的pH值，DO及鐵細(xì)菌加量條件下，體系對(duì)于Fe2＋的氧化能力也有差異。1號(hào)實(shí)驗(yàn)中Fe3＋基本沒(méi)有檢測(cè)到，很可能就是由于較低的DO，pH值及菌量不利于Fe2＋的氧化。

圖1 不同系統(tǒng)中Fe3＋隨時(shí)間的變化

2.2 不同體系中ORP隨時(shí)間的變化規(guī)律

經(jīng)過(guò)對(duì)9組實(shí)驗(yàn)的對(duì)比（如圖2），發(fā)現(xiàn)ORP值呈現(xiàn)出了一個(gè)共同的變化趨勢(shì)：在pH值為4.91時(shí)，ORP值一直保持在200左右，比較恒定；當(dāng)pH值為7.35時(shí)，ORP值呈上升的趨勢(shì)，在最后的時(shí)刻達(dá)到了210左右；而當(dāng)pH值為9.21時(shí)，ORP值不穩(wěn)定，上下波動(dòng)的幅度較大。此外，ORP的變化與Fe3＋的變化也基本一致，即在30min之前上升較快，30min之后趨于穩(wěn)定，總體呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。分析原因：氧化還原電位就是用來(lái)反映水溶液中所有物質(zhì)表現(xiàn)出來(lái)的宏觀氧化－還原性。氧化還原電位越高，氧化性越強(qiáng)，電位越低，氧化性越弱。電位為正表示溶液顯示出一定的氧化性，為負(fù)則說(shuō)明溶液顯示出還原性［7］。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中的ORP值為正值，則說(shuō)明有鐵氧化菌存在的硫酸亞鐵的混合溶液具有一定的氧化性。

2.3 極差分析

2.3.1 Fe3＋濃度的極差分析

圖2 ORP隨時(shí)間的變化曲線

對(duì)表5中的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析，分析結(jié)果見(jiàn)表6，可知，RDO＝1.16，RpH＝1.46，R菌量＝0.581。由于極差的大小反映了相應(yīng)因素作用的大小，極差大的因素，意味著其不同水平給指標(biāo)所造成的影響較大，且通常是主要因素。由此看來(lái)，RpH＞RDO＞R菌量，則得各影響因素的主次順序?yàn)椋簆H值，DO，菌量。分析原因，硫酸亞鐵暴露在空氣中，或者加入堿極易被氧化。而正交試驗(yàn)中，溶液中的pH值為7.35和9.21，這就加快了Fe2＋的氧化速度，硫酸亞鐵極易被氧化。同時(shí)，由于介入的鐵氧化菌的適宜生長(zhǎng)環(huán)境為酸性環(huán)境，本實(shí)驗(yàn)中培養(yǎng)富集的鐵氧化菌生長(zhǎng)pH值為6。在正交實(shí)驗(yàn)中，pH值遠(yuǎn)大于鐵氧化菌的適宜生長(zhǎng)值，過(guò)高的pH值可能會(huì)令微生物活性受到抑制［8］。

DO過(guò)高不利于細(xì)菌的生長(zhǎng)，有時(shí)候甚至對(duì)菌體產(chǎn)生毒害作用，氧的有害作用是通過(guò)形成超氧化基，過(guò)氧化基或者羥基自由基，破壞細(xì)胞內(nèi)組分來(lái)體現(xiàn)的［9－11］。好氧菌的體內(nèi)產(chǎn)生的過(guò)氧化物歧化酶（SOD）可以降解體內(nèi)產(chǎn)生的有毒物質(zhì)，若過(guò)氧負(fù)離子過(guò)多，由于氧氣在水中的傳質(zhì)系數(shù)很小，導(dǎo)致氣液傳質(zhì)阻力大，就會(huì)對(duì)菌體產(chǎn)生毒害作用［12］。雖然鐵氧化菌是好氧菌，然而培養(yǎng)過(guò)程中并不是維持DO越高越好，即使是專性好氧菌，過(guò)高的DO對(duì)其生長(zhǎng)可能帶來(lái)不利的影響。因此在正交試驗(yàn)中，過(guò)高的DO反而不利于鐵氧化菌進(jìn)行自身的新陳代謝，也就導(dǎo)致了鐵氧化菌在Fe2＋氧化作用中，并不是主導(dǎo)因子。

表6 Ki指標(biāo)及極差計(jì)算

另外，從最優(yōu)化條件產(chǎn)生來(lái)看，若在同一因素下，Ki值越大，說(shuō)明在i水平下的相對(duì)指標(biāo)越好，則由表6的計(jì)算分析值可知，在DO，pH和菌量因素下的K3分別在各自因素條件下最大，A3B3C3為該試驗(yàn)條件下的最佳搭配。

2.3.2 ORP極差分析

對(duì)各個(gè)體系在反應(yīng)最終時(shí)刻的ORP進(jìn)行極差分析，分析結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 ORP極差分析

從表7的極差分析結(jié)果可以看出，R菌量＞RpH＞RDO，則得各影響因素的主次順序?yàn)椋壕浚琾 H值，DO，說(shuō)明鐵細(xì)菌對(duì)于體系的氧化還原電位的影響最大，分析原因：氧化還原電位受溶液溫度、p H及化學(xué)反應(yīng)可逆性等因素影響［13］，在體系中存在大量鐵細(xì)菌的呼吸作用會(huì)消耗一定量的氧氣，從而影響到體系的氧化還原電位。

2.4 方差分析

為進(jìn)一步了解試驗(yàn)過(guò)程因素水平的變化對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響的程度，根據(jù)表5中的Fe3＋生成速率的值進(jìn)行相關(guān)的方差分析，得出表8的分析結(jié)論。

表8 F檢驗(yàn)方差分析表

分析結(jié)論：A代表DO，B代表p H值，C代表菌量。F（1－α／2）＜FB／FA＜F（α／2），F(xiàn)（1－α／2）＜FA／FC＜F（α／2），F(xiàn)（1－α／2）＜FB／FC＜F（α／2）。F（α／2）＝39，F(xiàn)（1－α／2）＝0.025 6。在上述正交實(shí)驗(yàn)表中，方差平方和，以B的最大，其次是A，最小的是C，可以初步得出影響因素的排序時(shí)B＞A＞C。根據(jù)上述F檢驗(yàn)的理論，其中，在因子A中，以6～7 mg／L的影響最大，同理，在因子B中以9.2影響最大，在因子C中以0.5 g的影響最大，這與極差分析的結(jié)果一致。

3 結(jié)論

經(jīng)過(guò)以上試驗(yàn)及探討，針對(duì)在有鐵氧化菌存在的情況下，對(duì)于硫酸亞鐵的氧化而言，可得出以下結(jié)論：

（1）Fe2＋的氧化速率呈現(xiàn)為先快后慢，且較低的DO，p H值，及較少的菌量不利于Fe2＋的氧化；

（2）p H，DO及鐵細(xì)菌對(duì)于Fe2＋的氧化均有一定的影響，且影響Fe2＋氧化的因素排序是p H值、DO、投加的菌量，過(guò)高的DO反而不利于鐵氧化菌進(jìn)行自身的新陳代謝作用，也就導(dǎo)致了鐵氧化菌在Fe2＋氧化作用中，并不是主導(dǎo)因子。

（3）鐵細(xì)菌的加入對(duì)于體系的ORP的影響最大，其次為p H值和DO。

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