張 悅，劉 娜，黃文瀾，郭慶賢，朱少東，汪 波，張海洋

(宿州學(xué)院環(huán)境與測(cè)繪工程學(xué)院，宿州學(xué)院沱河流域面源污染控制與生態(tài)修復(fù)技術(shù)研究中心，安徽 宿州 234000)

近年來(lái)，合成染料被廣泛地應(yīng)用到了各種行業(yè)中，尤其在紡織印染業(yè)中。含有一個(gè)或者多個(gè)偶氮基團(tuán)的偶氮染料，更是因?yàn)槠渖守S富、易染色、穩(wěn)定性強(qiáng)等特點(diǎn)，在印染行業(yè)被廣泛使用[1]。在染料生產(chǎn)和應(yīng)用的過(guò)程中，有部分染料未經(jīng)處理即排入到環(huán)境中，會(huì)嚴(yán)重危害生物健康，破壞生態(tài)平衡[2-3]。因此如何高效處理印染廢水達(dá)到紡織業(yè)的可持續(xù)發(fā)展成為亟待解決的問(wèn)題。

細(xì)菌因?yàn)榉敝晨焖?、適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于染料降解過(guò)程[4-5]。然而，在實(shí)際使用中，游離菌種密度低，反應(yīng)速度慢，微生物損失大，產(chǎn)物分離困難，反應(yīng)過(guò)程難以控制。因此，采用固定化技術(shù)先將細(xì)菌或菌群進(jìn)行固定，再用于處理實(shí)際廢水，是一個(gè)值得探索的研究方向[6-8]。李浩然與馮雅麗[9]以深海錳結(jié)核為載體，固定化微生物處理染料廢水，獲得了較好的處理效果。周林成等[10]利用固定化微生物法對(duì)印染廢水進(jìn)行處理，經(jīng)過(guò)水解酸化和好氧處理后，出水可達(dá)到國(guó)家一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)。

本研究以偶氮染料活性黑5作為目標(biāo)降解物，利用微生物固定化技術(shù)對(duì)偶氮染料脫色菌群進(jìn)行固定化，然后利用固定化脫色菌群對(duì)偶氮染料活性黑5進(jìn)行脫色降解，探討其脫色性能，研究結(jié)果為固定化脫色菌群在實(shí)際染料廢水中的推廣應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

1.1.1 固定化試劑與交聯(lián)劑

聚乙烯醇(PVA)；海藻酸鈉(SA)；沸石；氯化鈣(CaCl2)；硼酸。交聯(lián)劑：CaCl2飽和硼酸溶液。

1.1.2 染料

活性黑5是一種分子式為C26H21N5Na4O19S6的偶氮染料，其熔點(diǎn)為300 ℃，相對(duì)分子量為991.82，特征峰波長(zhǎng)是597 nm。

1.1.3 培養(yǎng)基組成

培養(yǎng)基：磷酸二氫鉀2.66 g/L，無(wú)水硫酸鈉0.5 g/L，氯化銨0.2 g/L，蛋白胨1.5 g/L，牛肉膏1.5 g/L。

1.1.4 實(shí)驗(yàn)主要設(shè)備與儀器

本試驗(yàn)所用的主要設(shè)備及儀器為：紫外可見分光光度計(jì)、離心機(jī)、高壓蒸氣滅菌鍋、生化培養(yǎng)箱、超凈工作臺(tái)、冰箱等。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 不同組分含量對(duì)固定化小球物理性能的影響

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)改變不同SA(0.5%～3%)、PVA(2%～10%)、沸石(1%～4%)和CaCl2(1%～4%)濃度，探討了不同情況下，固定化小球的成球困難程度、粘連現(xiàn)象、彈性等。具體步驟如下：將SA、PVA先后分別加入20 mL滅菌水中，待攪拌均勻以后放入96 ℃左右的水浴鍋中，充分溶解制成包埋液20 mL，冷卻至37 ℃。取2 mL沸石溶液與包埋液混合均勻，接著均勻緩慢地滴入交聯(lián)劑中。交聯(lián)固定一定時(shí)間以后，使之形成直徑較為均勻的小球，觀察固定化小球的成球難易程度、粘連狀況、彈性。

1.2.2 偶氮染料脫色菌液及固定化小球的制備

實(shí)驗(yàn)用菌種是從宿州市埇橋區(qū)生活污水處理廠篩選出的，對(duì)活性黑5具有一定脫色能力的混合菌群。將冷凍保存的2 mL混合菌群濃縮液接種于100 mL的基礎(chǔ)培養(yǎng)基中，在37 ℃條件下靜置活化培養(yǎng)。培養(yǎng)48 h后，將菌液先在8000 r、5 min、 4 ℃離心條件下，進(jìn)行離心倒掉上清液，留下底部沉淀的濕菌體。利用PBS(磷酸鹽)緩沖溶液洗滌菌體2次，最后，將菌液溶于 2 mL無(wú)菌水，得到固定化偶氮染料脫色菌液。利用上述得到各組分最佳濃度，制備脫色菌群固定化小球，用生理鹽水沖洗2～3次后在4 ℃的環(huán)境中保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2.3 固定化小球脫色性能實(shí)驗(yàn)

將上述制備的固定化小球放置在100 mL的染料培養(yǎng)基中，使染料濃度分別為10 mg/L、20 mg/L、30 mg/L、50 mg/L，在37 ℃條件下靜置培養(yǎng)，在培養(yǎng)0 h、24 h、48 h、72 h時(shí)分別取出2 mL，離心獲得上清液，利用紫外可見分光光度計(jì)測(cè)定 597 nm處的吸光度，并按下式計(jì)算脫色率。

脫色率=(A0-At)/A0×100%

(1)

式中：A0——0 h時(shí)597 nm處染料溶液的吸光度值

At——t h時(shí)597 nm處染料溶液的吸光度值

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)論與討論

2.1 不同組分含量對(duì)固定化小球物理性能的影響

2.1.1 不同SA濃度

不同SA濃度對(duì)固定化小球的物理性能影響見圖1?？梢钥闯?，當(dāng)SA濃度在1%和1.5%時(shí)，其在接觸交聯(lián)液時(shí)可以快速形成成型的小球，小球大小均勻且不易相互粘連，在交聯(lián)24 h后都沉在杯底。當(dāng)SA濃度為1%和1.5%時(shí)，小球的彈性更好，透明度適中。SA濃度過(guò)低如0.5%時(shí)，小球雖也成球形但彈性一般。SA濃度較高時(shí)(大于2%)時(shí)，液體粘稠度增加，流動(dòng)性變差，已經(jīng)開始出現(xiàn)拖尾現(xiàn)象，小球粘連情況較為嚴(yán)重而且不易形成小球。SA會(huì)提高小球的機(jī)械強(qiáng)度，在混合的同時(shí)會(huì)增大孔徑和韌性的作用，因此SA的濃度會(huì)與固定化小球成球后的粘連狀況、成球時(shí)的難易程度有一定關(guān)系[11]。故選取質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的SA作為今后實(shí)驗(yàn)SA的濃度。

圖1 不同SA濃度對(duì)固定化小球物理性能的影響

2.1.2 不同PVA濃度

不同PVA濃度對(duì)固定化小球的物理性能影響見圖2，可以看出，PVA的濃度在2%、4%、6%時(shí)較為合適，在PVA分子中含有的大量親水性羥基(-OH)，使固定化液滴在交聯(lián)液中成型快速且成球均勻。當(dāng) PVA含量大于8%時(shí)，顆粒內(nèi)的組織密度會(huì)降低，顆粒的傳質(zhì)能力也隨之下降。雖然有粘連，但是在擠壓后小球仍然可以復(fù)原，因此每組小球的彈性情況都很好?？紤]到實(shí)際成本，本次實(shí)驗(yàn)選用6%的PVA作為今后的實(shí)驗(yàn)濃度。

圖2 不同PVA濃度對(duì)固定化小球物理性能的影響

2.1.3 不同沸石濃度

不同沸石濃度對(duì)固定化小球質(zhì)量的影響如圖3所示，隨著沸石濃度越來(lái)越高，固定化液滴在交聯(lián)液時(shí)成球均勻，但小球透明度也隨著沸石濃度而減小。在沸石濃度為1%、2%的小球彈性最好，因此選取濃度為2%的沸石作為后續(xù)實(shí)驗(yàn)的沸石濃度。

圖3 不同沸石濃度對(duì)固定化小球物理性能的影響

2.1.4 不同CaCl2濃度

在SA-PVA固定化時(shí)，添加CaCl2不僅可以促進(jìn)固定化小球的形成，而且能夠提高傳質(zhì)性能和機(jī)械強(qiáng)度[12]。不同濃度CaCl2對(duì)固定化小球物理性能影響見圖4，CaCl2濃度為4%時(shí)，在小球表面產(chǎn)生了一層較厚的乳白色凝膠材料層，從而影響了小球的透明度。當(dāng)CaCl2濃度為1%、2%、3%的時(shí)候，膠質(zhì)層較少，有少量小球會(huì)拖尾但不易相互粘連，且按壓后小球仍能正?；謴?fù)原狀。根據(jù)實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果，選擇3%作為最佳CaCl2濃度。

圖4 不同CaCl2濃度對(duì)固定化小球物理性能的影響

由各組分含量影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，從成球的難易程度、粘連情況、彈性等方面評(píng)價(jià)，當(dāng)SA、PVA、沸石、CaCl2分別為1%、6%、2%、3%時(shí)，所得到固定化小球的物理性能最佳。

2.2 脫色性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)方法1.2.3測(cè)定脫色菌群固定化小球的脫色性能，結(jié)果見圖5。可以看出，當(dāng)染料濃度分別為10 mg/L、20 mg/L、30 mg/L、50 mg/L時(shí)，脫色菌群固定化小球?qū)钚院?的脫色率隨反應(yīng)時(shí)間的增長(zhǎng)均逐漸增加，反應(yīng)72 h后的脫色率分別為69.58%、72.19%、74.04%、71.73%，說(shuō)明固定化菌群具有較好的脫色效果。楊寧等[13]利用固定化脫色菌對(duì)活性黑5進(jìn)行脫色降解，結(jié)果表明固定化菌體獲得較好的脫色效果，且對(duì)模擬染料廢水處理具有一定的生物強(qiáng)化作用。

圖5 固定化小球?qū)Σ煌瑵舛然钚院?的脫色率

3 結(jié) 論

本文以偶氮染料活性黑5為研究對(duì)象，以PVA-SA-沸石作為固定化載體，以CaCl2飽和硼酸溶液為交聯(lián)劑，研制出具有一定活性的脫色菌群固定化小球。研究了6%PVA、1%SA、2%沸石，3%CaCl2條件下，固定化小球的成球難易、粘連情況、彈性均為最佳。利用最佳條件下的固定化小球脫色活性黑5，隨著染料濃度從10 mg/L增加到50 mg/L，反應(yīng)72 h的脫色率均穩(wěn)定達(dá)到70%左右。本文的研究結(jié)果可以為利用固定化菌群技術(shù)處理實(shí)際染料廢水提供理論依據(jù)。