丁紹蘭， 陳旭婷， 白雄艷

(陜西科技大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院， 陜西 西安 710021)

0 引言

在所有的工業(yè)廢水中，來自染料工業(yè)和印染行業(yè)的染料廢水是最難處理的工業(yè)廢水之一，這是因?yàn)槿玖鲜且环N化學(xué)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的化合物，它含有人工合成的復(fù)雜的芳香烴分子結(jié)構(gòu)，很難被除去[1].據(jù)統(tǒng)計合成染料在生產(chǎn)和處理過程中，有12%以廢水形式排出[2].染料廢水的水質(zhì)復(fù)雜、更新快、生物降解性差[3]，傳統(tǒng)的廢水處理方法有物化法、化學(xué)法、物理吸附法、生化法、電化學(xué)法等[4].但是目前對難降解的有機(jī)廢水的治理難度很大，已經(jīng)滿足不了越來越高的環(huán)保和工藝要求.白腐真菌對可生化性差的、有毒有害的廢水有著良好的降解作用[5].固定化微生物技術(shù)具有細(xì)胞密度高、反應(yīng)速度快、穩(wěn)定性強(qiáng)、耐毒害能力強(qiáng)、微生物流失少、產(chǎn)物分離容易和剩余污泥少等優(yōu)點(diǎn)[6].固定化微生物技術(shù)的發(fā)展及實(shí)現(xiàn)酶的工業(yè)化生產(chǎn)都將促進(jìn)白腐真菌在工業(yè)廢水中的應(yīng)用.

李慧蓉等發(fā)現(xiàn)，在瓊脂、沙子及土壤等固體介質(zhì)中的黃孢原毛平革菌3品系對偶氮染料、蒽醌染料及聚合染料均能有效降解[7].在非滅菌環(huán)境下，朱勇等構(gòu)建白腐真菌膜生物反應(yīng)器處理活性艷紅X-3B染料廢水，結(jié)果發(fā)現(xiàn)處理1 d的染料(50 mg/L)脫色率可達(dá)65%左右，處理4 d的脫色率大于80%[8].田玉萍將白腐真菌生物接觸氧化法用于處理偶氮染料活性嫩黃K-6G模擬染料廢水，該法對色度去除率達(dá)82%，效果較好[9].周成等在連續(xù)運(yùn)行的條件下實(shí)現(xiàn)了白腐真菌反應(yīng)器連續(xù)合成錳過氧化物酶(最大剩余酶活50 U/L)和對酸性藍(lán)45的持續(xù)降解(40%～80%)，且發(fā)現(xiàn)當(dāng)pH值為6左右時，反應(yīng)器仍能合成錳過氧化物酶，并對酸性藍(lán)45有降解能力[10].張曉晴研究發(fā)現(xiàn)，在條件合適時，24 h內(nèi)，Pleurotusostreatus吸附直接耐曬翠蘭的脫色率超過90%[11].黃民生等認(rèn)為在優(yōu)化條件下，白腐真菌(SHU-13和云芝)對實(shí)際活性染料廢水的脫色率可達(dá)98%[12].Nor Atikah Husna Nasir等采用PVA-海藻酸鈉-硫酸法固定白腐真菌Phanerochaetechrysosporium，發(fā)現(xiàn)固定化細(xì)胞的可重復(fù)使用性和性能都得到了提高；處理紡織廢水的結(jié)果表明：自由細(xì)胞的脫色率和COD去除率分別為10.78%和30%，而固定化細(xì)胞的脫色率提高至47.14%，COD去除率更超過了60%[13].

本實(shí)驗(yàn)采用直接投加固定化PVA復(fù)合生物球?qū)θ玖蠌U水進(jìn)行處理的研究方法，與先將生物球置于產(chǎn)漆酶培養(yǎng)基中培養(yǎng)2～3 d后再加入染料廢水的方法相比，該法簡化了操作過程，簡單方便，隨用隨取.本實(shí)驗(yàn)通過固定化白腐真菌處理混合染料廢水的研究，考察了不同生物球投加量、染料濃度、pH、轉(zhuǎn)速等條件對染料廢水脫色效果的影響，旨在為以后染料廢水的生物處理提供依據(jù).

1 原理

1.1 白腐真菌對染料的降解原理

白腐真菌對污染物的降解機(jī)理是生物學(xué)機(jī)理和一般化學(xué)過程的有機(jī)結(jié)合，分為細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞外兩個過程，主要是細(xì)胞外的氧化過程[14].白腐真菌產(chǎn)生的細(xì)胞外酶( 包括木質(zhì)素過氧化酶(LiPs) 和錳過氧化物酶(MnPs) 被認(rèn)為是降解木質(zhì)素和染料的特殊酶系[15].這些酶具有非特異性、無需底物誘導(dǎo)的特殊性能, 對許多結(jié)構(gòu)不同、高度穩(wěn)定、難降解的高分子有機(jī)物質(zhì)具有廣譜的降解能力[16].

在有氧存在下，H2O2激活白腐真菌分泌的酶Lip和Mnp，經(jīng)過單電子氧化、一系列非酶反應(yīng)(包括C-C鍵斷裂、開環(huán)反應(yīng)、側(cè)鏈裂解等)，生成兩個有活性的酶中間體以攻擊染料分子，并將其氧化成自由基，實(shí)現(xiàn)對染料廢水脫色降解的目的[17].

1.2 脫色率

在低濃度時，染料的濃度與其最大吸收波長的吸光度值成正比，可用染料在該處的吸光度變化來反映染料濃度的變化.染料脫色率(Γ)[15]的計算公式：

(1)

式(1)中：A0-初始時刻染料在特征波長處的吸光度值；At—t時刻染料在特征波長處的吸光度值.

2 試驗(yàn)部分

2.1 主要材料與儀器

菌株：白腐真菌，取自陜西科技大學(xué)造紙學(xué)院張安龍教授實(shí)驗(yàn)室；固定化白腐真菌：由本課題組采用PVA復(fù)合包埋法固定白腐真菌制得生物球，保存?zhèn)溆?；酸性染料：希力毛皮紅、希力毛皮藍(lán)，北京泛博科技有限責(zé)任公司；分散染料：捷力毛皮藍(lán)，北京泛博科技有限責(zé)任公司；低速離心機(jī)：TDL-40B，飛鴿牌系列；pH計：PHS-2F，上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司；紫外-可見分光光度計：UV759，上海精密科學(xué)儀器有限公司；電子天平：BS224S，北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司；生化低溫培養(yǎng)箱：LRH-70，上海一恒科學(xué)儀器有限公司；不銹鋼手提式壓力蒸汽滅菌鍋：SYQ-DSX-280B，上海申安醫(yī)療器械廠；恒溫振蕩器：THZ-82，常州國華電器有限公司；迴轉(zhuǎn)式恒溫調(diào)速搖瓶柜：HYG-IIa，上海欣蕊自動化設(shè)備有限公司.

2.2 固定化白腐真菌對染料廢水脫色的影響試驗(yàn)

2.2.1 生物球投加量對染料廢水脫色的影響

于250 mL錐形瓶中分裝濃度均為20 mg/L的希力毛皮紅、希力毛皮藍(lán)、捷力毛皮藍(lán)染料組成的混合模擬廢水100 mL，分別加入1.5 g、2.0 g、2.5 g、3.0 g、3.5 g、4.0 g、4.5 g、5.0 g、5.5 g、6.0 g、6.5 g的生物球，室溫,pH為3,150 r/min振蕩脫色.

2.2.2 染料濃度對染料廢水脫色的影響

于250 mL錐形瓶中分裝5.5 g的生物球，分別加入10 mg/L、20 mg/L、50 mg/L、100 mg/L、150 mg/L的希力毛皮藍(lán)、捷力毛皮藍(lán)染料組成的混合模擬廢水100 mL，室溫,pH為3，150 r/min振蕩脫色.

2.2.3 pH對染料廢水脫色的影響

于250 mL錐形瓶中分裝5.5 g的生物球，加入20 mg/L的希力毛皮藍(lán)、捷力毛皮藍(lán)染料組成的混合模擬廢水100 mL，調(diào)節(jié)溶液的pH為2、3、4、5、6，室溫,150 r/min振蕩脫色.

2.2.4 轉(zhuǎn)速對染料廢水脫色的影響

于250 mL錐形瓶中分裝5.5 g的生物球，加入20 mg/L的希力毛皮藍(lán)、捷力毛皮藍(lán)染料組成的混合模擬廢水100 mL，室溫，pH為3，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速分別為100 r/min、120 r/min、150 r/min、180 r/min振蕩脫色.隔一定時間后，取上清液離心后測定各染料特征波長處的吸光度，計算其脫色率.

3 結(jié)果與討論

3.1 生物球投加量對染料廢水脫色的影響

圖1 不同生物球投加量對染料脫色率的影響

由圖1可看出，投加固定化PVA復(fù)合生物球?yàn)?.5 g時，希力毛皮紅、希力毛皮藍(lán)、捷力毛皮藍(lán)的脫色率均比較低,脫色率分別為54.76%、43.79%、43.38%，可能是因?yàn)樯锴蛲都恿可?，白腐真菌生物量不足，染料廢水單位時間內(nèi)被降解的有機(jī)物質(zhì)也少，脫色能力較差[18].當(dāng)生物球投加量達(dá)到3.5 g時，希力毛皮紅、希力毛皮藍(lán)和捷力毛皮藍(lán)的脫色率均大幅度上升，分別為82.56%、81.46%、81.28%，隨著生物球投加量越來越大，染料廢水中單位時間被降解的有機(jī)物質(zhì)也越來越多，脫色率自然也隨之升高[18].當(dāng)生物球投加量達(dá)到5.5 g時，三種染料的脫色率均達(dá)到了最大，分別為94.87%、92.46%、92.45%；再繼續(xù)增加生物球投加量時，脫色率變化趨勢平緩.由于染料廢水中的有機(jī)物質(zhì)的量是一定的，繼續(xù)增加投加量只會導(dǎo)致微生物因?yàn)闋I養(yǎng)物質(zhì)不足而產(chǎn)生競爭現(xiàn)象，甚至導(dǎo)致微生物死亡，故而達(dá)到一定投加量后，脫色率變化平緩，不再升高[18].

3.2 染料濃度對染料廢水脫色的影響

圖2 不同染料濃度對染料廢水脫色率的影響

由圖2可看出，染料廢水的濃度為10 mg/L和20 mg/L時，脫色率變化穩(wěn)定，而且脫色率較大，脫色效果較好.當(dāng)濃度逐漸變大時，脫色率變小，變化幅度比較明顯.適當(dāng)?shù)娜玖蠞舛扔欣谏锴驅(qū)θ玖蠌U水進(jìn)行脫色，有利于促進(jìn)白腐真菌分泌胞外酶去降解有機(jī)物質(zhì)；當(dāng)染料濃度過高時，脫色效果明顯下降的原因是由于染料濃度的增加對白腐真菌的抑制作用增強(qiáng)，導(dǎo)致白腐真菌的生物活性降低[19].

3.3 pH對染料廢水脫色的影響

圖3 不同pH對染料廢水脫色率的影響

由圖3可以看出，pH在很大程度上影響酶活，進(jìn)而影響酶對整個反應(yīng)體系的催化作用.pH的變化對固定化生物球的脫色降解作用有一定的影響，當(dāng)pH=3時，此時的脫色率最高，希力毛皮藍(lán)和捷力毛皮藍(lán)分別為92.32%、92.34%.pH值增大，脫色率降低，但小范圍內(nèi)變化時脫色率仍然較高，pH值為5和6時兩種染料脫色率分別可以保持在90%以上.

酸性環(huán)境有利于白腐真菌生長，過高或過低的pH可能都會對白腐真菌的生長有一定的抑制作用，與游離性白腐真菌的最適pH值3.0～3.5相比，固定化生物球的耐受范圍有所提高[15,20].由于許多廢水中的難降解物質(zhì)都呈弱酸性，所以耐受性的提高有利于固定化白腐真菌在實(shí)際中的應(yīng)用.

3.4 轉(zhuǎn)速對染料廢水脫色的影響

圖4 不同轉(zhuǎn)速對染料脫色率的影響

由圖4可以看出當(dāng)轉(zhuǎn)速為100 r/min時，脫色率較低，分析應(yīng)是轉(zhuǎn)速不高導(dǎo)致溶液中供氧不足，傳質(zhì)過程慢，PVA復(fù)合生物球的生長受到抑制，不利于生物球?qū)θ玖系纳镂絒21].隨著轉(zhuǎn)速的提高，溶液液面容易和空氣發(fā)生物質(zhì)交換，含氧量升高，生物球內(nèi)的白腐真菌能夠充分生長，脫色效果較好[22].當(dāng)轉(zhuǎn)速為120 r/min時，溶氧量增加與逐漸加大的剪切力對生物球破壞達(dá)到平衡，此時生長狀態(tài)最好，對染料的脫色效果最好.當(dāng)轉(zhuǎn)速繼續(xù)增大，剪切力對生物球的破壞作用加強(qiáng)，微生物活性下降，脫色效果也較差[22].所以120 r/min是最佳轉(zhuǎn)速.

4 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)對固定化白腐真菌處理染料廢水的最佳條件進(jìn)行了試驗(yàn)探索，結(jié)果表明：固定化白腐真菌處理染料廢水，最佳PVA復(fù)合生物球投加量是5.5 g/100 mL時，希力毛皮紅、希力毛皮藍(lán)、捷力毛皮藍(lán)的脫色率分別為94.8%、92.46%、92.45%；最適染料廢水濃度為20 mg/L時，希力毛皮藍(lán)、捷力毛皮藍(lán)的脫色率分別為91.93%、92.01%；最適pH值為3時，希力毛皮藍(lán)、捷力毛皮藍(lán)的脫色率分別為92.32%、92.34%；最佳轉(zhuǎn)速為120 r/min時，希力毛皮藍(lán)、捷力毛皮藍(lán)的脫色率分別為92.50%、92.62%.

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