孫劍平,符 昊,,李 娟,曾 萍

(1.沈陽建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院,遼寧 沈陽 100168;2.中國環(huán)境科學(xué)研究院,北京 100012)

制藥廢水是一種具有成分復(fù)雜、毒性高、生物降解性差的工業(yè)廢水[1]。磷霉素是一種天然廣譜抗生素,對(duì)革蘭氏陰性菌和革蘭氏陽性菌具有良好的抑制作用[2-3]。目前,我國磷霉素生產(chǎn)主要采用化學(xué)合成法,以叔丁醇、甲苯、H2、PCl3等為原料,經(jīng)過酯化、催化加氫、環(huán)氧反應(yīng)、拆分反應(yīng)、精制、純化等工藝,得到磷霉素純品,同時(shí)會(huì)產(chǎn)生環(huán)氧廢水、拆分廢水和精制廢水。環(huán)氧廢水包含的主要污染物為有機(jī)磷原料、中間產(chǎn)物、副產(chǎn)物等,是一類典型難降解的工業(yè)廢水。在工業(yè)廢水處理方法中,生物處理法具有運(yùn)行成本低、管理維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)[4]。但磷霉素生產(chǎn)中的環(huán)氧廢水對(duì)傳統(tǒng)的活性污泥法中的微生物具有較強(qiáng)抑制作用,使微生物對(duì)廢水處理效率低,處理出水水質(zhì)難以達(dá)標(biāo)。添加高效降解菌可提高難降解目標(biāo)廢水的降解效率。生物強(qiáng)化技術(shù)是指將具有特定降解功能的微生物添加到傳統(tǒng)生物處理技術(shù)中,以提高處理系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)污染物的降解效果、從而達(dá)到提高難降解有機(jī)物廢水處理效率的目的[5]。周竹楓等[6]使用磷霉素高效降解菌強(qiáng)化循環(huán)活性污泥處理系統(tǒng)(CASS),經(jīng)高效菌強(qiáng)化后的CASS反應(yīng)器對(duì)出水COD、氨氮和總磷的平均去除率分別達(dá)到81.57%、90.67%和85.44%,該結(jié)果好于同條件下普通活性污泥凈化效果。李微等[7]利用兩單株反硝化聚磷菌進(jìn)行水處理實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)束后兩株菌對(duì)硝態(tài)氮去除率分別為95.83%、96.30%,對(duì)總磷去除率分別為88.34%、91.42%;陳佩等[8]使用鄰二甲苯高效降解菌在鄰二甲苯質(zhì)量濃度高達(dá)2 500 mg/L時(shí),對(duì)其的去除率在30 h內(nèi)可達(dá)到70%;因各菌種間可能存在協(xié)同作用,多株高效菌復(fù)配后對(duì)特征污染物的降解效果好于單株高效菌。筆者以磷霉素生產(chǎn)中的環(huán)氧廢水為研究對(duì)象,比較了3株磷霉素高效降解菌以及其復(fù)配菌對(duì)環(huán)氧廢水的處理效果,并獲得復(fù)配菌處理環(huán)氧廢水的最佳配比。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)菌種

實(shí)驗(yàn)所用3株磷霉素高效降解菌是將微生物在高濃度磷霉素環(huán)境下馴化后經(jīng)分離純化得到[9],編號(hào)分別為P1、P2和P3。另取實(shí)驗(yàn)室存留的3株用于降解磷霉素生產(chǎn)實(shí)際廢水中有機(jī)溶劑苯乙胺的高效菌做對(duì)照實(shí)驗(yàn),編號(hào)分別為N1、N2和N3[10]。

1.2 實(shí)驗(yàn)原水

1.3 實(shí)驗(yàn)藥劑

LB培養(yǎng)基是一種應(yīng)用最廣泛的細(xì)菌基礎(chǔ)培養(yǎng)基,其具體成分及質(zhì)量濃度為:ρ(NaCl)=10 g/L,ρ(酵母浸粉)=5 g/L,ρ(胰蛋白胨)=10 g/L。無機(jī)鹽質(zhì)量濃度如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)所用無機(jī)鹽成分

1.4 實(shí)驗(yàn)儀器與分析

使用紫外分光光度計(jì)測(cè)得菌液濃度(OD600);使用TOC分析儀測(cè)得總有機(jī)碳質(zhì)量濃度;采用離子色譜儀測(cè)得磷霉素質(zhì)量濃度;使用三維熒光光譜儀測(cè)得可溶性有機(jī)物質(zhì)量濃度;使用DELTATOXⅡ儀器測(cè)定菌液急性毒性[11-12]。

1.5 實(shí)驗(yàn)方案

1.5.1 單株高效菌對(duì)磷霉素生產(chǎn)環(huán)氧廢水降解

分別在6個(gè)500 mL錐形瓶?jī)?nèi)投加6株等質(zhì)量濃度菌液30 mL、無機(jī)營(yíng)養(yǎng)鹽溶液168 mL、環(huán)氧廢水2 m L、反應(yīng)液定容到200 mL,置于空氣浴恒溫培養(yǎng)箱,設(shè)置培養(yǎng)箱溫度為30 ℃,搖床設(shè)為轉(zhuǎn)速120 r/min,pH調(diào)為7。

環(huán)氧廢水加入搖瓶中時(shí)記為t=0 h,分別在84 h、108 h和132 h時(shí)間節(jié)點(diǎn)取樣,對(duì)菌液的OD600數(shù)值、總有機(jī)碳(TOC)質(zhì)量濃度、磷霉素質(zhì)量濃度及可溶性有機(jī)物含量進(jìn)行測(cè)試分析,以得到各單株菌對(duì)磷霉素生產(chǎn)環(huán)氧廢水中有機(jī)物的降解情況。

1.5.2 復(fù)配高效菌對(duì)磷霉素生產(chǎn)環(huán)氧廢水降解

通過稀釋使3株菌液的OD600相同,該菌液用于復(fù)配實(shí)驗(yàn)。按正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)9種高效菌復(fù)配方案,分別在實(shí)驗(yàn)運(yùn)行時(shí)間為0 h、8 h、16 h、24 h、36 h、48 h、60 h、84 h、108 h、132 h處取樣,并將不同復(fù)配比例的高效菌對(duì)磷霉素環(huán)氧廢水的降解效果進(jìn)行對(duì)比分析,得到3株菌降解磷霉素生產(chǎn)實(shí)際廢水的最佳復(fù)配比例。正交實(shí)驗(yàn)表如表2所示。

表2 磷霉素高效菌復(fù)配正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在錐形瓶?jī)?nèi)分別投加30 mL按設(shè)計(jì)比例復(fù)配后的菌液、168 mL含無機(jī)營(yíng)養(yǎng)鹽的無菌水及2 mL無菌處理后的磷霉素制藥生產(chǎn)環(huán)氧廢水,置于30 ℃、轉(zhuǎn)速120 r/min的恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。48 h后分析各搖瓶中磷霉素質(zhì)量濃度,得到3株菌的復(fù)配菌劑處理磷霉素生產(chǎn)環(huán)氧廢水的最佳復(fù)配比例。

3.1 近年在教學(xué)實(shí)踐中，輪滑、健美操項(xiàng)目考核除了規(guī)定動(dòng)作的考核，加入及技能展示環(huán)節(jié)，給學(xué)生一個(gè)自我展示的平臺(tái)，學(xué)生積極性高，教學(xué)效果良好。主觀能動(dòng)的創(chuàng)造性學(xué)習(xí)更能激發(fā)學(xué)生的興趣，這對(duì)體育考核方式多樣化改革具有一定借鑒意義。

2 結(jié)果分析

2.1 單株菌對(duì)磷霉素生產(chǎn)實(shí)際廢水降解

2.1.1 TOC的降解

圖1為各單株菌降解磷霉素環(huán)氧廢水TOC質(zhì)量濃度變化情況。從圖1可以看出,隨實(shí)驗(yàn)時(shí)間的增加環(huán)氧廢水中總有機(jī)碳(TOC)的質(zhì)量濃度明顯下降,表明經(jīng)6株單株降解菌的處理,環(huán)氧廢水中所含的有機(jī)物得到有效去除。實(shí)驗(yàn)開始60 h后投加編號(hào)為N1、N2的苯乙胺降解菌的搖瓶中環(huán)氧廢水總有機(jī)碳(TOC)的質(zhì)量濃度變化趨于穩(wěn)定,實(shí)驗(yàn)開始84 h后加入編號(hào)為N3的苯乙胺降解菌的環(huán)氧廢水總有機(jī)碳(TOC)質(zhì)量濃度變化趨于穩(wěn)定,實(shí)驗(yàn)開始108 h后3株磷霉素高效菌總有機(jī)碳(TOC)質(zhì)量濃度變化穩(wěn)定。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看,3株編號(hào)為P1、P2、P3的單株磷霉素降解菌對(duì)磷霉素環(huán)氧廢水中TOC降解效果較好,去除率分別可達(dá)87.29%、88.62%、85.55%。3株用于降解苯乙胺的菌株對(duì)環(huán)氧廢水中總有機(jī)碳(TOC)的去除效果相對(duì)較差,去除率分別僅為53.55%、65.22%、66.90%。說明磷霉素降解菌對(duì)該批次制藥廢水中有機(jī)物的凈化效果更好。

圖1 單株菌降解磷霉素環(huán)氧廢水的TOC質(zhì)量濃度變化情況

2.1.2 磷霉素的去除

圖2為t=0 h和實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)刻t=132 h時(shí)各菌液磷霉素質(zhì)量濃度及磷霉素去除效果。將3株磷霉素單株降解菌P1、P2、P3和3株苯乙胺的單株降解菌N1、N2、N3加入稀釋100倍的磷霉素環(huán)氧廢水,檢測(cè)并對(duì)比不同時(shí)刻制藥廢水中特征污染物磷霉素的質(zhì)量濃度。降解實(shí)驗(yàn)進(jìn)行132 h后,投入編號(hào)為P2菌株的搖瓶中環(huán)氧廢水的磷霉素質(zhì)量濃度由t=0 h時(shí)間點(diǎn)的983.84 mg/L減少到859.06 mg/L,其對(duì)該批次廢水的磷霉素降解率為12.68%。投入編號(hào)為P1菌株的搖瓶中環(huán)氧廢水磷霉素質(zhì)量濃度從t=0 h時(shí)間點(diǎn)的894.19 mg/L減少到790.23 mg/L,其對(duì)該批次廢水的磷霉素去降解率為11.63%;投入編號(hào)為P3菌株的搖瓶中環(huán)氧廢水磷霉素質(zhì)量濃度從t=0 h時(shí)間點(diǎn)的916.05 mg/L減小到828.40 mg/L,其對(duì)該批次廢水的磷霉素降解率為9.57%。在磷霉素含量高于890 mg/L的高毒性環(huán)境下,3株磷霉素降解菌對(duì)抗生素磷霉素的降解率仍能超過9%,說明磷霉素降解高效菌對(duì)抑制微生物生存的磷霉素具有較強(qiáng)的耐受力。用于對(duì)照實(shí)驗(yàn)的3株苯乙胺降解菌N1、N2、N3對(duì)該批次環(huán)氧廢水中磷霉素的處理效果較差,降解率分別僅為2.27%、4.37%和0.97%,可見磷霉素高效菌對(duì)該批次環(huán)氧廢水中磷霉素的去除能力相對(duì)更好。

圖2 單株菌降解實(shí)驗(yàn)起止時(shí)刻磷霉素質(zhì)量濃度及去除率

2.1.3 單株菌生長(zhǎng)

圖3為磷霉素環(huán)氧廢水降解實(shí)驗(yàn)過程中6株單株菌細(xì)菌濃度變化情況。細(xì)菌濃度由指標(biāo)OD600表示,OD600數(shù)值越高細(xì)菌濃度越大。由圖3可知,實(shí)驗(yàn)啟動(dòng)時(shí)刻6株單株菌的細(xì)菌濃度數(shù)值基本相同,從實(shí)驗(yàn)運(yùn)行34 h開始3株用于降解苯乙胺的菌株N1、N2、N3的細(xì)菌濃度增長(zhǎng)速率放緩,此時(shí)3株磷霉素降解菌P1、P2、P3的細(xì)菌量仍保持較高的增長(zhǎng)速度。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行84 h后,3株磷霉素高效菌的細(xì)菌濃度幾乎停止增長(zhǎng)。在實(shí)驗(yàn)運(yùn)行108 h、132 h時(shí)刻測(cè)得的OD600數(shù)值略小于84 h時(shí)刻取樣點(diǎn)。這可能由于實(shí)驗(yàn)后期搖瓶?jī)?nèi)缺乏營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),或搖瓶中積累過多的細(xì)菌代謝產(chǎn)物,抑制了微生物的生長(zhǎng),造成部分細(xì)菌死亡、溶解[13-15]

圖3 單株菌在磷霉素環(huán)氧廢水中的生長(zhǎng)情況

2.1.4 可溶性有機(jī)物的降解情況

三維熒光掃描技術(shù)可對(duì)水中各組分有機(jī)物進(jìn)行定性和定量分析,適用于測(cè)試包括磷霉素制藥廢水在內(nèi)的成分復(fù)雜的有機(jī)廢水,不同種類水樣能夠繪制出與其特征對(duì)應(yīng)的三維熒光光譜圖。湯久凱等[16]、吳靜等[17]分別使用三維熒光技術(shù)檢測(cè)并分析了半合成青霉素制藥廢水、某頭孢制藥廢水和某印染廢水的水質(zhì)特性,得到了理想的實(shí)驗(yàn)效果(見圖4)。圖中EX表示激發(fā)波長(zhǎng),EM表示發(fā)射波長(zhǎng)。從圖4(a)可以看出,運(yùn)用三維熒光技術(shù)檢測(cè)磷霉素純品所形成的光譜圖無明顯出峰現(xiàn)象,表明磷霉素純品溶液中不存在使光譜圖出峰的可溶性有機(jī)物。從圖4(b)可以看出,稀釋后的高濃度磷霉素環(huán)氧廢水在激發(fā)波長(zhǎng)處于300～400 nm、發(fā)射波長(zhǎng)處于360～480 nm內(nèi)出峰,出現(xiàn)最大峰的位置在EX=340 nm、EM=430 nm處,其峰強(qiáng)度為3 689。

圖4 質(zhì)量濃度1 g/L磷霉素純品及稀釋100倍磷霉素實(shí)際廢水三維熒光光譜圖

圖5為3株磷霉素降解菌降解環(huán)氧廢水前后水樣的三維熒光光譜圖。經(jīng)過稀釋后的磷霉素環(huán)氧廢水和投加單株菌P1、P2、P3后的菌液在實(shí)驗(yàn)起始時(shí)刻三維熒光光譜圖熒光峰信息如見表3所示。從表3可知,加入磷霉素降解菌的環(huán)氧廢水樣品的出峰范圍激發(fā)波長(zhǎng)EX為300～425 nm、發(fā)射波長(zhǎng)EM為360～540 nm。將圖4(b)表示的稀釋后廢水熒光峰出峰范圍包含在內(nèi)。投加P1、P2、P3菌株的樣品最大熒光峰強(qiáng)度分別為4 309、3 957和4 265,均大于稀釋后實(shí)際廢水的最大峰峰強(qiáng)3 689。由于實(shí)驗(yàn)運(yùn)行后菌液中含有與磷霉素環(huán)氧廢水出峰位置相近的可溶性有機(jī)物,例如與微生物代謝產(chǎn)物相關(guān)的腐植酸、富里酸等,其中腐植酸的出峰EX為300～370 nm,EM為370～500 nm、富里酸出峰EX為237～260 nm,EM為400～500 nm[18-19],該類物質(zhì)與磷霉素生產(chǎn)環(huán)氧廢水的特征峰相疊加,使投加磷霉素降解菌的環(huán)氧廢水樣品最大峰強(qiáng)度相對(duì)更高。

圖5 3株磷霉素降解菌對(duì)磷霉素環(huán)氧廢水降解前后三維熒光光譜圖

表3 水樣三維熒光光譜圖熒光峰相關(guān)信息

對(duì)照同一磷霉素降解高效菌實(shí)驗(yàn)前后的環(huán)氧廢水樣品三維熒光光譜圖可以看出,表示相對(duì)較高熒光峰強(qiáng)度顏色的區(qū)域面積在經(jīng)過菌劑降解實(shí)驗(yàn)后明顯縮小。實(shí)驗(yàn)運(yùn)行132 h后經(jīng)過P1處理的廢水最大峰強(qiáng)度從實(shí)驗(yàn)開始時(shí)刻的4 309降低至2 834;經(jīng)過P2處理后的廢水最大峰強(qiáng)度從實(shí)驗(yàn)開始時(shí)刻的3 957降低至3 298,經(jīng)過P3處理的廢水最大峰強(qiáng)度從實(shí)驗(yàn)開始時(shí)刻的4 265降低至2 741,說明3株磷霉素降解菌均對(duì)該批次磷霉素制藥環(huán)氧廢水中可溶性有機(jī)物有較好的降解效果。

2.2 磷霉素高效菌降解環(huán)氧廢水復(fù)配配比

2.2.1 磷霉素的降解

將3株質(zhì)量濃度相等的磷霉素降解菌菌液P1、P2、P3分別按表3所設(shè)計(jì)的菌液體積進(jìn)行復(fù)配實(shí)驗(yàn),各方案復(fù)配菌劑對(duì)磷霉素實(shí)際廢水的處理結(jié)果如表4所示。

表4 不同復(fù)配比例下廢水中磷霉素去除情況

從表4可以看出,3株磷霉素降解菌P1、P2、P3按3∶3∶2的體積比進(jìn)行復(fù)配時(shí)對(duì)實(shí)際廢水中磷霉素降解效果最好,該復(fù)配比下磷霉素去除率可達(dá)45.02%。同時(shí),與P1、P2、P3單株菌降解實(shí)驗(yàn)運(yùn)行48 h時(shí)刻的磷霉素去除率4.44%、4.78%、3.83%相比,9種復(fù)配方案對(duì)磷霉素的降解效果更好,這與許尚營(yíng)[20]、楊冠東等[21]等在采用多株高效菌進(jìn)行復(fù)配后處理廢水中目標(biāo)污染物的實(shí)驗(yàn)中復(fù)配菌劑對(duì)水樣處理效果好于單株菌的結(jié)果相同,表明3株單株磷霉素降解菌之間存在協(xié)同作用。

2.2.2 最佳配比下磷霉素降解菌對(duì)環(huán)氧廢水的毒性去除

選擇制藥廢水的水處理技術(shù)時(shí),對(duì)抗生素制藥廢水等高濃度有機(jī)廢水的毒性削減能力也是重要的考慮因素之一。筆者采用海洋發(fā)光弧菌檢測(cè)實(shí)驗(yàn)前后水樣的急性毒性指標(biāo)。水樣毒性越大,海洋發(fā)光弧菌光損失指標(biāo)數(shù)值越高。最優(yōu)復(fù)配比例復(fù)配菌劑對(duì)環(huán)氧廢水的毒性去除結(jié)果如表5所示。

表5 最佳配比下磷霉素降解菌對(duì)環(huán)氧廢水毒性的削減情況

實(shí)驗(yàn)起始時(shí)刻原水的發(fā)光菌光損失量為61%,實(shí)驗(yàn)運(yùn)行24 h后為光損失56%,實(shí)驗(yàn)運(yùn)行48 h后光損失降低為40%,說明復(fù)配菌劑有效削減了高濃度磷霉素制藥環(huán)氧廢水的毒性。

2.2.3 有機(jī)物的降解

對(duì)最佳配比菌劑降解實(shí)驗(yàn)前后的環(huán)氧廢水取樣做三維熒光測(cè)試,得到三維熒光光譜如圖6所示。從圖6可知,實(shí)驗(yàn)運(yùn)行48 h后熒光峰強(qiáng)度相對(duì)較高的區(qū)域范圍顯著縮小,最大熒光峰峰強(qiáng)由4 901縮減至4 540。可見最佳配比復(fù)配后的菌劑可有效降低磷霉素制藥環(huán)氧廢水中可溶性有機(jī)物含量。

圖6 最佳配比下復(fù)配菌處理磷霉素環(huán)氧廢水前后三維熒光光譜圖

3 結(jié) 論

(1)搖瓶實(shí)驗(yàn)運(yùn)行132 h后,單株菌P1、P2、P3對(duì)總有機(jī)碳的去除率分別達(dá)到87.29%、88.62%和5.55%,磷霉素的去除率分別為11.63%、12.68%、9.57%,對(duì)廢水中可溶性有機(jī)物也有較好的處理效果,3株降解菌均對(duì)該類磷霉素實(shí)際廢水中有機(jī)物有較好的降解能力。

(2)在磷霉素質(zhì)量濃度高于890 mg/L的高毒性、高抗生素濃度的水體環(huán)境中,單株菌P1、P2、P3仍對(duì)磷霉素有高于10%的去除率,說明磷霉素降解菌對(duì)磷霉素有相當(dāng)強(qiáng)的耐受力。

(3)當(dāng)?shù)葷舛攘酌顾亟到饩鶳1、P2、P3按3∶3∶2的體積比進(jìn)行復(fù)配時(shí),復(fù)配菌劑對(duì)該類磷霉素環(huán)氧廢水的處理效果最好,降解實(shí)驗(yàn)運(yùn)行48 h后對(duì)磷霉素去除率為45.02%。

(4)最佳配比下,實(shí)驗(yàn)運(yùn)行48 h后水樣可使海洋發(fā)光弧菌的光損失量從61%降低至40%,可見復(fù)配菌劑對(duì)該類制藥廢水有較強(qiáng)的毒性削減能力。