零價鐵-克雷伯氏菌聯合體系對亞甲基藍溶液的脫色性能

祁麗娟，周燕平，張小娟，2，祁小青

（1. 青海大學 生態環境工程學院，青海 西寧 810816；2. 青海大學 省部共建三江源生態與高原農牧業國家重點實驗室，青海 西寧 810816；3. 青海省西寧市環保局，青海 西寧 810008）

在印染工藝中，偶氮染料占染料生產及使用總量的50%以上，由于其生物毒性大、化學穩定性高以及自然降解難等特點，使得偶氮染料一直是印染廢水脫色處理的核心問題［1-3］。近年，利用零價鐵（ZVI）技術聯合微生物處理難降解污染物引起研究者們廣泛的關注［4-6］。Li等［7］采用ZVI和厭氧污泥協同處理染料活性藍-13，發現ZVI的投加明顯促進活性藍-13的脫色效果，并改變了污泥的形態和菌群結構。肖利平等［8］利用ZVI-熒光假單胞菌聯合處理偶氮染料直接耐曬黑，提出該體系主要通過斷裂偶氮鍵來實現脫色，能進一步降解含苯環和含萘環結構的中間產物，并有效縮短了脫色時間。Liu等［9］指出在厭氧反應器中投加ZVI可有效增強發酵菌活性，提高產酸率和對染料廢水的脫色率。目前，國內對于ZVI聯合微生物處理印染廢水的研究大多集中于ZVI或微生物的單一吸附作用［10-12］，對于不同細菌與ZVI聯合作用或對不同染料的脫色特性研究尚待深入。

本工作從高原地區某藏毯廠印染廢水中篩選出對亞甲基藍溶液具有脫色性能的優勢菌種——克雷伯氏菌yl-1，以其為研究菌種，采用單因素實驗考察ZVI-脫色菌聯合體系對亞甲基藍溶液的脫色特性，并采用中心組合設計-響應面分析法（CCDRSM法）對該過程的脫色條件進行優化。

1 實驗部分

1.1 試劑、材料和儀器

亞甲基藍：天津市凱通化學試劑有限公司；鐵粉（ZVI）：分析純，天津市凱信化學工業有限公司；其他試劑均為國產分析純。

不同亞甲基藍質量濃度的脫色反應液（g/L）：亞甲基藍適量，甘露醇10，磷酸二氫銨2.5，磷酸二氫鈉5.0，磷酸二氫鉀2.5，硫酸鎂1.0。

克雷伯氏菌yl-1：從某藏毯廠印染廢水中篩選、分離、純化獲取。

pHS-3C 型pH計：上海楚柏實驗室設備有限公司；TU-1901型紫外-可見分光光度計：上海滬粵明科學儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 不同體系脫色性能的對比

在亞甲基藍質量濃度為100 mg/L的脫色反應液中，分別考察單獨yl-1脫色菌體系、單獨ZVI體系和ZVI-脫色菌聯合體系的脫色性能。ZVI投加量為3 g/L，菌種接種量為2%（w），初始pH為7，反應溫度為（30±2） ℃，密封后在120 r/min振蕩速率下反應，間隔一定時間取樣測定吸光度，計算脫色率，每個體系做三組平行樣。

1.2.2 ZVI-脫色菌聯合體系的單因素實驗

在菌種接種量為2%（w）、振蕩速率為120 r/min、密封反應條件下，針對ZVI-脫色菌聯合體系，考察初始pH、ZVI投加量、初始亞甲基藍質量濃度及反應溫度對ZVI-脫色菌聯合體系脫色性能的影響。

1.2.3 ZVI-脫色菌聯合體系的CCD-RSM法優化實驗

在菌種接種量為2%（w）、振蕩速率為120 r/min、密封反應條件下，選擇4因素4水平梯度，用CCD法設計實驗，對ZVI-脫色菌聯合體系的反應條件進行優化。利用Design Expert 8.0軟件通過響應面法對數據進行處理。

1.3 分析方法

亞甲基藍質量濃度的測定：在665 nm波長下測定亞甲基藍溶液的吸光度，根據標準曲線計算亞甲基藍質量濃度；色度的測定：以溶液在665 nm波長下的吸光度表征色度，根據溶液脫色前后的吸光度計算脫色率。

2 結果與討論

2.1 不同體系脫色效果的比較

不同體系對亞甲基藍脫色反應液的脫色效果見圖1。

圖1 不同體系對亞甲基藍脫色反應液的脫色效果

由圖1可見：3種體系都能對亞甲基藍脫色反應液進行脫色，并在12 h之后脫色率基本保持不變；在整個脫色過程中，單獨ZVI體系的最高脫色率僅為40%左右，且在6 h之后脫色效果基本無變化；而ZVI-脫色菌聯合體系的脫色率較單獨yl-1脫色菌體系提高了10%左右，脫色率達到80%。這是由于對偶氮染料的降解與克雷伯氏菌的生長有關［13］，克雷伯氏菌為兼性厭氧菌，在厭氧條件下產生偶氮還原酶，對亞甲基藍表現出較好的降解活性；而ZVI顆粒通過表面活性可直接與染料分子作用，對染料進行降解［14］。ZVI在厭氧條件下與H2O會發生如下反應：Fe + 2H2O→Fe2++ 2OH-+ H2，進而持續不斷地釋放H2，一方面為克雷伯氏菌脫色提供較強的還原環境，另一方面為克雷伯氏菌的生長供給了電子，增強了菌株對染料的適應和降解性能［15］。

2.2 單因素實驗

2.2.1 初始pH的影響

微生物生長環境的pH會明顯影響其生長速率及數量。在ZVI投加量為3 g/L、初始亞甲基藍質量濃度為100 mg/L、反應溫度為（30±2）℃的條件下，初始pH對ZVI-脫色菌聯合體系脫色性能的影響見圖2。由圖2可見：在中性偏弱堿性（pH =7～9）條件下，ZVI-脫色菌聯合體系對亞甲基藍脫色反應液的脫色率接近85%；而在初始pH為3或11時，脫色率出現明顯下降。這可能是因為微生物處于偏酸及偏堿條件時會引起其細胞表面特性和酶構象的變化［16］，降低了克雷伯氏菌斷裂偶氮鍵的活性［17］；另外，鐵在偏堿性條件下也會加速腐蝕形成Fe（OH）3沉淀。因此，初始pH為7～9較適宜。

圖2 初始pH對ZVI-脫色菌聯合體系脫色性能的影響

2.2.2 ZVI投加量的影響

在初始pH為7、初始亞甲基藍質量濃度為100 mg/L、反應溫度為（30±2）℃的條件下，ZVI投加量對ZVI-脫色菌聯合體系脫色性能的影響見圖3。

圖3 ZVI投加量對ZVI-脫色菌聯合體系脫色性能的影響

由圖3可見：ZVI投加量由1.5 g/L增至4.5 g/L時，培養10 h后的脫色率增加10%左右；而繼續增加ZVI投加量至5.5 g/L時，脫色率反而有所下降。這與郭燕等［15，18］的研究結果一致。低ZVI投加量無法為微生物提供充足的電子供給體，高ZVI投加量又會增加沉淀，影響ZVI產H2的反應活性及微生物活動。ZVI投加量為3.5 g/L和4.5 g/L時的脫色效果相近，因此后續實驗中ZVI投加量選擇3.5 g/L。

2.2.3 初始亞甲基藍質量濃度的影響

在初始pH為7、ZVI投加量為3.5 g/L、反應溫度為（30±2）℃的條件下，初始亞甲基藍質量濃度對ZVI-脫色菌聯合體系脫色性能的影響見圖4。由圖4可見，在初始亞甲基藍質量濃度為100～300 mg/L的范圍內，反應14 h后脫色率均在80%以上，但初始亞甲基藍質量濃度越大所需反應時間越長。這表明隨時間的推移，脫色菌菌量不斷增加，脫色效率是持續上升的。考慮反應時間的優化，在后續實驗中初始亞甲基藍質量濃度選擇200 mg/L為宜。

圖4 初始亞甲基藍質量濃度對ZVI-脫色菌聯合體系脫色性能的影響

2.2.4 反應溫度的影響

在初始pH為7、初始亞甲基藍質量濃度為200 mg/L、ZVI投加量為3.5 g/L的條件下，反應溫度對ZVI-脫色菌聯合體系脫色性能的影響見圖5。

圖5 反應溫度對ZVI-脫色菌聯合體系脫色性能的影響

由圖5可見：在反應溫度為25～35 ℃的范圍內，反應溫度的升高有助于脫色率的提高；30 ℃和35 ℃下的脫色率均超過了85%，而整個脫色過程中，30 ℃與35 ℃下的脫色率差別很小，表明該聯合體系對溫度的適應性較好；進一步升溫時脫色率增幅不大。因此，在后續實驗中反應溫度選擇30℃為宜。

2.3 CCD-RSM法優化實驗

2.3.1 CCD實驗設計及結果

CCD實驗設計及結果見表1。

表1 CCD實驗設計及結果

對實驗數據進行多項擬合，得到二次多項回歸方程，見式（1）。

式中：η為脫色率，%；A～D分別是CCD設計的4個自變量，即反應溫度、初始pH、ZVI投加量、初始亞甲基藍質量濃度。對擬合的二次多項回歸方程進行方差分析，結果見表2。由表2可見：模型項F值為20.9，P＜0.0001，R2=0.9512，說明該模型能夠很好的擬合ZVI-脫色菌聯合體系對亞甲基藍溶液的脫色行為。回歸方程一次項B、D，交互項AD，二次項A2、B2差異顯著（P＜0.01），其他項不顯著，說明各個因素對亞甲基藍降解的影響不是簡單的線性關系。

表2 回歸方程的方差分析

響應面分析三維圖見圖6。

由圖6可直觀地看出：初始pH、反應溫度與初始亞甲基藍質量濃度之間為相互抑制作用，ZVI投加量與初始pH、初始亞甲基藍質量濃度之間沒有明顯的相互作用。通過Design Expert 8.0軟件求出ZVI-脫色菌聯合體系對亞甲基藍脫色反應液的最優脫色條件為：初始pH 7.99，初始亞甲基藍質量濃度250 mg/L，ZVI投加量4.0 g/L，反應溫度32.91 ℃。為方便實際操作，修正初始pH為8，反應溫度為33 ℃。在此條件下，ZVI-脫色菌聯合體系對亞甲基藍脫色反應液脫色率的理論值可達91.85%。

圖6 響應面分析三維圖

2.3.2 最優條件驗證

根據模型確定的最優條件，進行3次重復實驗，測得脫色率均值為91.33%，與理論值基本吻合。說明CCD-RSM法優化得到的亞甲基藍降解脫色工藝參數準確可靠，具有實用價值。與以往的研究相比較［8，19］，ZVI-脫色菌聯合體系的脫色時間在12 h左右，有效提高了脫色效率。

3 結論

a）ZVI-脫色菌聯合體系對亞甲基藍脫色反應液的脫色效果明顯優于單獨ZVI體系及單獨yl-1脫色菌體系，脫色率分別提高了40%和10%。

b）應用單因素實驗及4因素3水平CCD-RSM法確定的ZVI-脫色菌聯合體系對亞甲基藍脫色反應液的最優脫色條件為：初始pH 8，初始亞甲基藍質量濃度250 mg/L，ZVI投加量4.0 g/L，反應溫度33℃。在此條件下，脫色率均值為91.33%，與模型預測的理論值基本吻合，具有實用價值。

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