桂震 姜中 程聰 蔡亞君

摘要：分離得到1株對染料活性艷紅X-3B具有高效降解作用的菌株，經(jīng)生理生化鑒定結合16S rDNA分析鑒定為希瓦氏菌屬，命名為Shewanella sp. 3Y。將該菌固定到活性炭上構建了生物活性炭小試裝置，用其處理染料活性艷紅X-3B及與其結構類似的7種活性染料模擬廢水時，水力停留時間2 h，對模擬染料廢水COD去除率均在90%以上，對色度去除率在70%以上，大部分達到90%以上，而對UV254的去除率差異較大。

關鍵詞：希瓦氏菌（Shewanella sp.）；生物活性炭；活性艷紅X-3B；染料模擬廢水

中圖分類號：Q89 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）21-5230-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.21.008

Shewanella sp. Strains Fixing on Activated Carbon Against the Simulated Dye Wastewater

GUI Zhen1，2，JIANG Zhong1，CHENG Cong1，CAI Ya-jun1

（1.Environmental Engineering College， Wuhan Textile University， Wuhan 430073， China；2. School of Food Engineering，

Wuchang Institute of Technology， Wuhan 430065， China）

Abstract： A strain which could degradated reactive brilliant red X-3B efficiently was screened and identified as Shewanella sp. by Vitek-32 Bacterial identification system and 16S rDNA analysis， was named Shewanella sp. 3Y. The strain was fixed on the activated carbon， and the effect of the resulting biological activated carbon colomn against several simulated dye wastewater were studied. Over 90% of COD，70% chroma （over 90% mostly） were removed in 2 h， and the removement efficient of UV254 had nothing in common with each other.

Key words： Shewanella sp.； biological activated carbon； reactive brilliant red X-3B； the simulated dye wastewater.

紡織印染行業(yè)是中國重要的支柱型民生產業(yè)，同時又是耗水耗能大戶，其COD排放量在中國39個行業(yè)中位居第二，廢水排放量為第三。紡織印染廢水有機污染物含量高、色度深、堿性大、水質變化大，一直是難處理的工業(yè)廢水之一[1]。而隨著國家對于廢水排放標準的提高，對新型高效印染廢水處理技術的研究更是關系到其行業(yè)可持續(xù)發(fā)展。生物活性炭作為一種成熟的微污染水處理工藝，在傳統(tǒng)印染廢水二級生化處理仍不達標的廢水深度處理上具有良好的應用前景[2，3]。

本研究以印染工業(yè)中使用較多的活性染料為研究對象，選取代表性的染料活性艷紅X-3B為降解底物，從印染廢水中篩選出1株能夠高效降解該染料的菌種，并將其掛載于活性炭上構建成生物活性炭，處理類似的活性染料模擬廢水，取得了較好的處理效果。

1 材料與方法

1.1 高效降解菌的分離及鑒定

將印染廢水按照1∶100加入50 mL 濃度分別為12.5、25.0、50.0、100.0、200.0 mg/L的活性艷紅X-3B模擬廢水[（活性艷紅X-3B 50 mg/L（濃度據(jù)需求加減），葡萄糖400 mg/L，（NH4）2SO4、KNO3、MgSO4、NaHCO3、CaCl2、KH2PO4 各40 mg/L，MnSO4 7.5 mg/L）]中，分別在0、50、100、150、200 r/min轉速下、30 ℃進行培養(yǎng)，定期觀察培養(yǎng)基中菌體量與溶液顏色變化。將顏色完全褪去的培養(yǎng)物離心分離菌體，并用去離子水洗滌3次，后懸浮于無菌水中，采用十倍梯度稀釋法將其涂布于50 mg/L活性艷紅X-3B模擬廢水固體培養(yǎng)基上，30 ℃培養(yǎng)，觀察水解圈或平板褪色情況。將產生水解圈的菌落挑至5 mL 50 mg/L活性艷紅X-3B模擬廢水培養(yǎng)基中培養(yǎng)，采用測定活性艷紅X-3B特征吸收峰538 nm峰值變化檢測染料降解效果，選取效果較好的菌進行純種分離，并通過16S rDNA與生理生化鑒定（通過美國VITEK32全自動細菌鑒定系統(tǒng)）的方法進行菌株鑒定。

1.2 生物活性炭小試裝置的構建與運行

活性炭柱的預處理：定制帶塞帶濾膜玻璃柱裝置1套（圖1），將用去離子水浸泡清洗后的活性炭（性質見表1）裝填入裝置玻璃柱，高度40 cm。連接好裝置后，用活性艷紅X-3B模擬印染廢水循環(huán)浸泡活性炭，直至活性炭吸附趨于飽和，目測循環(huán)水體顏色接近廢水原色，不再變淺。

掛膜：將篩選到的高效降解菌在滅菌活性艷紅X-3B模擬廢水中擴大培養(yǎng)。利用封閉循環(huán)的方式，將培養(yǎng)液1∶1 000添加至循環(huán)的供試廢水中，低速循環(huán)掛膜，以便菌體吸附停留在活性炭表面，直至循環(huán)水中渾濁的菌體濃度不再減小，視為掛膜結束。放掉循環(huán)水，用活性艷紅X-3B模擬印染廢水靜置數(shù)小時，查看出水顏色，出水顏色褪去，視為掛膜成功。

生物活性炭小試裝置的運行：初步摸索活性炭柱運行條件，考察不同溶解氧（DO）、水力停留時間（HRT）對取樣效果的影響。

取樣與測定：采用靜置（分批）處理的方法，將50 mg/L模擬染料廢水倒?jié)M小試裝置以后，定時取樣測定DO、COD、UV254及色度。COD為化學需氧量，本研究用來指示廢水中有機物的量，采用HACH-COD快速測定儀測定；UV254（OD254）是樣品在254 nm波長下的吸光度，在這個波長下，吸光度較大的是芳環(huán)、雙鍵共軛體系和一些羥基甲基共軛體系，因此常作為水中有機物測量的一個輔助指標，特定水體中主要指一些難被生物利用的有機物。

裝置清洗：將活性炭倒出后，可以采用1 mol/L NaOH浸泡若干小時，清洗后再用1 mol/L 鹽酸浸泡，仍有部分濾膜堵塞時，可以用10%次氯酸鈉浸泡。浸泡完畢清洗干凈備用。

2 結果與分析

2.1 高效染料降解菌株的分離與鑒定

經(jīng)篩選得到1株對活性艷紅X-3B染料具有高效降解脫色效果的細菌，該菌在菌體量107～108 CFU/mL、溫度30 ℃時，10 h內可使50 mg/L 以下濃度活性艷紅X-3B模擬廢水完全脫色，且對其他多種染料也有近似處理效果。該菌純化以后的形態(tài)、生理生化鑒定和16S rDNA序列鑒定結果如下。形態(tài)學結果：該菌在LB平板上培養(yǎng)時，菌落表面濕潤、光滑，淺黃色，不透明，邊緣整齊，呈凝滴狀（圖2A），菌體呈短桿狀（圖2B）。

生理生化鑒定：VITEK32細菌鑒定系統(tǒng)鑒定得到的生理生化結果見表2，鑒定結果表明該菌為希瓦氏菌（Shewanella sp.）。

將該菌的16S rDNA序列提交NCBI數(shù)據(jù)庫，進行BLAST對比發(fā)現(xiàn)，該菌與所有希瓦氏菌屬（Shewanella）菌株16S rDNA相似性均達到90%以上，與廈門希瓦氏菌（Shewanella xiamenensis）S4菌株的16S rDNA序列相似性最高，達到98%（圖3），該菌初步可確定為S. xiamenensis，命名為S. xiamenensis 3Y。

2.2 生物活性炭小試裝置對活性艷紅X-3B模擬染料廢水的處理效果

由于本試驗的裝置微小，使用的WT600-1F蠕動泵最小進水速度20 mL/min，依據(jù)最小進水速度和最大容水體積折算出，若本裝置進行連續(xù)運行，其水力停留時間不足半小時，遠遠不能保證生物活性炭與廢水的充分接觸，也不能與工業(yè)應用保持一致，故采用靜置（分批）處理，每0.5 h取樣1次，檢測水力停留時間（HRT）對生物活性炭裝置處理效果的影響。由圖4可知，0.5 h之內COD突降，可能是有解吸附的活性炭的吸附作用。

通過預處理試驗發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過曝氣運行處理的生物活性炭與沒有曝氣運行的靜置處理3 h后結果差不多，但是曝氣運行時出水在處理1 h就可以達到最佳，過程大大快于不曝氣過程?？刂七M水溶氧約為7 mg/L，測定出水溶氧變化見圖5。對比COD變化趨勢發(fā)現(xiàn)，DO變化趨勢與其變化基本保持一致，這表明生物活性炭裝置中微生物降解有機物是需氧代謝過程，DO變化可指示微生物活動情況。溶解氧在2 h降至最低值，3 h開始上升，說明微生物的降解活動主要在2 h之內完成，3 h之后可能產生次級代謝，實際應用中從代謝角度選擇處理2 h比較合適。

綜合對比試驗認為，本裝置適合曝氣、靜置分批處理，處理時間控制在2～3 h內即可。

將活性艷紅X-3B模擬印染廢水在構建的生物活性炭小試裝置中靜置處理，每隔1 h取樣，監(jiān)測DO、COD、UV254、色度變化及其對應去除率情況（圖6）。結果表明，生物活性炭小試裝置處理活性艷紅X-3B模擬廢水效果良好，3 h的COD去除率達到90%，色度去除率達97%。但是對UV254去除效果較差，僅能消耗約17%。

2.3 生物活性炭小試裝置對活性染料模擬廢水的處理效果

高效生物活性炭裝置處理7種與活性艷紅X-3B結構類似的染料的模擬廢水，每處理1 h取樣檢測其COD、UV254、色度變化變化及其對應去除率情況，結果見圖7、圖8、圖9。

由圖7可知，穩(wěn)定的生物活性炭裝置去除模擬廢水COD趨勢基本一致。2～3 h基本能夠將COD降到50 mg/L以下，達到COD排放標準。從去除率變化曲線來看，2～3 h COD去除率基本達到90%以上，3 h結果相對穩(wěn)定，大部分達到最高去除率。但是從時間效率的角度講，工業(yè)應用上采用處理2 h更加經(jīng)濟，當然針對不同水質應區(qū)別對待。值得注意的是，本試驗采用模擬廢水，使用葡萄糖替代有機物，跟實際廢水中復雜的有機物不能相比，所以實際廢水處理時可能沒有這么好的效果。但是結合試運行結果及DO變化趨勢分析，COD變化趨勢是一致的，在裝置水力停留時間范圍內變化較大，其后變化取決于微生物活動狀態(tài)。圖中去除率的微小差別是由于不同染料的降解產物不同導致的，可能像酸性橙Ⅱ、活性艷紅X-3B等的降解產物不容易被再次降解或利用。

模擬廢水的色度主要是染料產生，染料的降解情況直接關系到色度大小，此外出水濁度對色度有一定影響，但是此處濁度情況基本一樣，就不予討論。選取7種以酸性橙為母核的不同染料的模擬廢水經(jīng)添加能高效降解活性艷紅X-3B菌種的生物活性炭處理的效果見圖8。由于色度測定標準液為鉑鈷標準液，該方法測定出類似鉑鈷溶液顏色的樣品時結果偏大，故而圖中活性橙起始色度超出范圍。模擬廢水統(tǒng)一染料濃度為50 mg/L，實際染料的摩爾濃度不同，起始顏色深淺不一。由圖8可知，2～3 h色度基本達到200倍以下，去除率70%以上。但由于該添加菌降解不同染料的能力不同，導致處理效果差異較大。對于酸性橙、活性橙等結構相對簡單的染料去除效果高達97%，而對于活性艷紅等也能達到85%（受濁度影響較實際偏小），但對活性紅等結構稍微復雜的染料效果就差很多。從最終色度倍數(shù)看，只有酸性橙和活性艷紅達到100倍以下，其他均達不到回用和排放要求，故要想實際應用，還必須改善裝置以提高其色度去除效果。

由圖9可知，不同染料的模擬廢水起始值差別較大，這是由于染料分子的結構造成的。選取的染料處母核外，側鏈差異較大，譬如活性紅3BS和活性艷紅2K-2G側鏈集團較大，UV254值相對高很多，酸性橙Ⅱ等則低得多。最終結果顯示的是不能被微生物降解的殘余基團，同樣還是側鏈基團影響最大。由圖9可知，活性紅3BS起始濃度較大，終濃度也不低，酸性橙Ⅱ起始濃度較低，終濃度也較低，結合它們的結構分析，活性紅3BS側鏈基團較大，而酸性橙則小得多。同時也印證了微生物的降解活動主要針對該類染料的母核。除活性艷紅X-3B外，其他去除率在50%～70%，說明降解產物的影響依然很大?；钚云G紅X-3B的降解率較低，推測可能與其側鏈特殊結構有關?？傮w來看，UV254去除效果均不好，還需要后續(xù)處理。

3 小結與討論

本研究以實際工業(yè)應用為目的，從探索和改良生物活性炭工藝出發(fā)，首先針對常用染料代表-活性艷紅X-3B篩選了一批能夠高效降解該染料的真菌和細菌，然后構建了以獲得的高效降解細菌為主要微生物的生物活性炭裝置，并對活性艷紅X-3B及系列類似染料的模擬廢水進行了處理，結果表明該菌在實驗室小試中表現(xiàn)優(yōu)異，值得探索工程應用條件。

模擬廢水離實際廢水還有一段差距，特別是在有機物成分方面，模擬廢水中采用的是容易被微生物利用的葡萄糖，但實際廢水中有淀粉漿料等多種復雜成分，甚至還有諸多難降解的有毒成分，因此本研究篩選到的菌株能否在實際廢水中生長良好是一個在應用時需要考慮的問題。此外，該菌株對pH條件要求嚴格，且細菌本身對溫度等環(huán)境條件都比較敏感，在應用中局限性較大，在開發(fā)此類工藝時需要認真考慮。

本研究所用小試裝置較簡單，在后期的更大規(guī)模的試驗中，需要認真考慮高徑比和水力停留時間等設計運行參數(shù)，再結合高效菌種的降解效果，適當添加常用去COD菌種，這樣效果將要提高許多。當然必須考慮進水pH和DO。如果出水的難生化性指標仍舊偏高，可以采用臭氧等處理手段[4-6]，增加水質可生化性，然后再稀釋進水，可以使難生化指標大大降低，又降低了運行負荷。

本研究篩選到的3Y菌株屬于希瓦氏菌屬，希瓦氏菌屬里包含了超過40個的希瓦氏菌種。希瓦氏菌能將有機物轉換成能量，目前逐漸在醫(yī)學、環(huán)境科學、電化學、海洋生物學等多個領域受到重視，尤其是由于其呼吸類型多樣性、已經(jīng)成為了最重要的產電微生物之一，如S. putrefaciens、S. oneidensis、S. xiamenensis等種的某些菌株均發(fā)現(xiàn)能產電[7-9]，且倪超等[9]發(fā)現(xiàn)S. xiamenensis BC01菌株能同時產電與處理染料。因此，本研究篩選到的S. xiamenensis 3Y菌株雖然對染料的脫色作用不如脫色希瓦氏菌[10]，但存在產電的潛力，對染料廢水污染處理同時能源回收再利用具有重要意義。

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