擬康寧木霉對含鉻黑T廢水的處理特性研究*

林錦美 鄭 鵬 丁能能 巫晶晶 陳錦芳

(1.集美大學港口與海岸工程學院,福建 廈門 361021;2.福建省食品微生物與酶工程重點實驗室,福建 廈門 361021;3.江蘇碧水源環境科技有限責任公司,江蘇 無錫 214194)

近年來,隨著工業蓬勃發展,染料廢水的排放量隨之升高,人們對其產生的環境問題更加重視,如何解決印染行業給環境帶來的壓力和威脅也成為環保行業的研究熱點[1]。

鉻黑T染料是一種重要的偶氮染料,具有潛在的致癌、致突變性,且難降解、色度高,是較難處理的廢水[2],目前常用的處理方法大致分為物理法(吸附法和超聲波技術)、化學法(氧化還原反應)和生物法(酶催化降解)[3-6]。物理法僅僅使污染物從液相轉移到固相,仍需進一步反應去除,而化學法處理過程中能量利用率低,耗能大且成本較高,生物法具有能耗低、效率高以及清潔無污染等優點而深受關注[7]。國內外研究發現藻類、真菌、細菌等能夠降解偶氮染料[8];其中,絲狀真菌如黃曲霉(Aspergillusflavus)A5p1[9]、白腐菌(Ceriporialacerata)[10]、微紫青霉菌(Penicolliumjanthinellum)P1[11]等具有較強的吸附和降解染料的能力。

染料廢水成分復雜,大部分降解偶氮染料的菌株存活率不高,因此篩選環境適應能力強、具廣譜性、能實現高效吸附降解的菌株是研究的關鍵[12]。擬康寧木霉(Trichodermakoningiopsis)是自然界中常見的一種腐生木霉屬(Trichoderma)絲狀真菌,耐偶氮染料、重金屬等污染物的侵害,且具有高度的非特異性以及廣譜性[13-14]?；诖吮狙芯坷媒涶Z化的擬康寧木霉處理鉻黑T模擬廢水,探索菌株對鉻黑T廢水去除的最佳條件及處理特性,為綠色環保生物法處理印染廢水奠定理論基礎。

1 實驗材料和方法

1.1 實驗材料

1.1.1 菌 株

菌株由實驗室從腐生環境分離純化,并通過多次馴化而來,通過真菌ITS序列鑒定并結合《真菌鑒定手冊》進行形態學檢驗確定該菌株屬于擬康寧木霉。

馬鈴薯葡萄糖瓊脂培養基制備:分別將馬鈴薯200 g、葡萄糖25 g、瓊脂20 g、磷酸二氫鉀2 g、硫酸鎂2 g溶于1 000 mL無菌蒸餾水,121 ℃加熱20 min滅菌后冷卻倒置保藏備用。

1.1.2 鉻黑T模擬廢水的制備

稱取1.00 g鉻黑T固體粉末于100 mL燒杯中,加入適當的雙蒸水充分溶解后并轉移至1 000 mL容量瓶定容。

1.2 儀器和試劑

儀器:紫外可見分光光度計(UV751 GD)、恒溫振蕩器(SHA-C)、智能生化培養箱(PHX)、紫外可見光譜儀(CARY60)。

試劑:葡萄糖、磷酸二氫鉀、硫酸鎂、瓊脂粉、鉻黑T、亞甲基藍、中性紅、甲基紫均為分析純。

1.3 實驗方案

1.3.1 單因素實驗

通過單因素控制變量法,分別探究菌株在溶液中的反應時間、投菌量、鉻黑T初始濃度、葡萄糖用量、溫度及轉速對鉻黑T去除效率的影響。反應結束后取樣,用紫外可見分光光度計在波長540 nm處測定上清液的吸光度,并依據標準曲線計算鉻黑T去除率。

1.3.2 正交實驗

為管好工程、用好工程，使工程能夠持續利用、長久發揮效益，經過不斷探索，棲霞市走出了一條由自主管理向集約化管理、由集體主導向民營經濟介入的規?；芾碇贰?/p>

正交實驗選用投菌量、鉻黑T初始濃度和轉速為影響因素,采用3因素3水平實驗方案,各影響因素實驗參數如表1所示。

表1 正交實驗方案Table 1 The orthogonal test plan

1.3.3 擬康寧木霉處理鉻黑T特性初探實驗

通過測定鉻黑T生物處理各過程廢水的濃度,用Langmuir吸附等溫線和Freundlich吸附等溫線探究其吸附機理,并研究其反應動力學,用紫外可見光譜儀掃描獲得各過程染料的200～800 nm光譜以探索其降解機理。

1.3.4 擬康寧木霉處理混合染料的探究實驗

將鉻黑T與亞甲基藍,鉻黑T與甲基紫,鉻黑T與中性紅,鉻黑T與亞甲基藍、甲基紫、中性紅混合后,探究菌株對混合染料的處理效果。溶液經0.45 μm微孔濾膜過濾后,用紫外可見光譜儀掃描獲得混合染料處理前后的200～800 nm光譜以驗證擬康寧木霉處理混合染料廢水的可能性。

2 結果與討論

2.1 投菌量對鉻黑T去除率的影響

取20 mg/L鉻黑T模擬廢水,加入2.5、5.0、7.5、10.0、12.5、15.0、17.5 g/L的擬康寧木霉,在30 ℃、140 r/min的條件下連續振蕩反應20 h,以探究投菌量對鉻黑T去除的影響,結果如圖1所示。投菌量為2.5～7.5 g/L,鉻黑T去除率隨投菌量的增加而上升;投菌量超過7.5 g/L后,鉻黑T去除率則隨投菌量的增加而下降。在菌體濃度較低時,隨著投菌量的增加,擬康寧木霉中起降解作用的酶增多,整體活性增強,處理效率升高;但投菌量過多時,營養物質有限,競爭激烈,能量大量消耗,使得菌體比生長率顯著降低,無法很好地吸附降解染料,甚至部分菌體死亡,處理效果反而明顯變差[15]。隨著反應時間的增加,去除率也隨之升高,并且反應時間在8 h以內去除率的增加速度較后期快,表明菌體處于生長期的時候細胞生長速度和鉻黑T的去除率呈正相關[16]。同時擬康寧木霉還通過形成菌絲球來吸附鉻黑T,投菌量過低不利于菌絲球的成球;投菌量過高會引起菌絲球之間競爭生存空間,這將導致形成的菌絲球較小[17],影響擬康寧木霉處理效果。由實驗結果可得,最適投菌量為7.5～10.0 g/L。

圖1 投菌量對鉻黑T去除率的影響Fig.1 Effect of inoculum amount on removal efficiency of chrome black T

2.2 鉻黑T初始濃度對鉻黑T去除率的影響

因擬康寧木霉在馴化過程中較適生長的鉻黑T質量濃度為0～30 mg/L,故分別取5、10、15、20、25、30 mg/L的鉻黑T模擬廢水200 mL,分別投入10.0 g/L的擬康寧木霉,在30 ℃、140 r/min的條件下,連續振蕩反應20 h,以探究鉻黑T初始濃度對鉻黑T去除的影響,結果如圖2所示。隨著鉻黑T初始濃度的增加,去除率先升后降,初始質量濃度為20 mg/L時,其去除率最大,繼續增大初始濃度,處理效果明顯變差?？梢?較高濃度的鉻黑T對菌體細胞的生長具有潛在的抑制性作用,因此染料的初始濃度對擬康寧木霉降解鉻黑T廢水的效率有明顯影響[18]。

圖2 鉻黑T初始質量濃度對鉻黑T去除率的影響Fig.2 Effect of initial chrome black T concentration on removal efficiency of chrome black T

2.3 葡萄糖用量對鉻黑T去除率的影響

量取20 mg/L鉻黑T模擬廢水200 mL于250 mL錐形瓶中,分別加入等量0、0.4、0.8、1.6、2.0 g/L葡萄糖溶液和10.0 g/L擬康寧木霉,在30 ℃、140 r/min條件下連續振蕩反應20 h,結果如圖3所示。加入低濃度葡萄糖對鉻黑T去除率并沒有明顯影響,高濃度葡萄糖則使去除率持續緩慢下降。

圖3 葡萄糖用量對鉻黑T去除率的影響Fig.3 Effect of glucose dosage on removal efficiency of chrome black T

葡萄糖是小分子單糖,易被生物吸收,鉻黑T模擬廢水中的部分微生物可以選擇葡萄糖作為碳源以生長繁殖,在一定程度上緩解了鉻黑T的毒性抑制作用[21],故能提高其去除率。同時,投加葡萄糖增加了水樣中的碳源,促進了菌體的生長繁殖,從而提高對鉻黑T的處理效率。但當葡萄糖濃度過高時,葡萄糖與鉻黑T形成了競爭關系,菌體更傾向吸收葡萄糖作為碳源而拒絕難降解的鉻黑T,導致鉻黑T去除率降低。因此葡萄糖用量應介于0.4～0.8 g/L。

2.4 溫度對鉻黑T去除率的影響

取20 mg/L鉻黑T模擬廢水200 mL于250 mL錐形瓶中,投加10.0 g/L擬康寧木霉,分別在15、20、25、30、35、40 ℃下以140 r/min連續振蕩反應20 h,結果如圖4所示。當溫度不超過30 ℃時,鉻黑T去除率隨溫度提高而上升,之后繼續提高環境溫度則使處理效率降低。這與伍文憲等[22]所確定的擬康寧木霉最適生長溫度為30 ℃相吻合。

圖4 溫度對鉻黑T去除率的影響Fig.4 Effect of temperature on removal efficiency of chrome black T

2.5 轉速對鉻黑T去除率的影響

取20 mg/L鉻黑T模擬廢水200 mL于250 mL錐形瓶中,投加10.0 g/L擬康寧木霉,分別在0、20、60、100、140、180、220 r/min轉速下以30 ℃連續振蕩反應20 h,轉速對擬康寧木霉處理鉻黑T模擬廢水的影響如圖5所示。當轉速為0～140 r/min時,鉻黑T去除率隨轉速的增大而上升,當轉速達到140 r/min后繼續增大,處理效率呈現下降趨勢。一定范圍內,轉速越大,菌體與水樣混合得越均勻,使得菌體和水樣有更大的接觸面積和充分的接觸時間,有利于菌體更好地吸附降解染料,提高去除率[23]。但當轉速過大時,擬康寧木霉與染料分子的接觸時間過短,而且菌體可能受到較大的剪切力影響而破裂,導致處理效率降低[24]。CUI等[25]研究表明,菌絲球形成時適當的轉速能使菌絲球表面光滑、結構緊密,還能分離表面老化的菌絲,進而保持菌絲球的穩定性。綜合考慮,最佳轉速選擇140 r/min。

圖5 轉速對鉻黑T去除率的影響Fig.5 Effect of rotation speed on removal efficiency of chrome black T

2.6 擬康寧木霉處理鉻黑T模擬廢水的正交實驗

為了探究最優反應條件,正交實驗采用3因素3水平標準,實驗結果如表2所示。由表2可得,轉速、鉻黑T初始濃度、投菌量均對擬康寧木霉處理鉻黑T模擬廢水的效果有影響,影響程度從大到小排列為:投菌量>轉速>鉻黑T初始濃度。正交實驗所得擬康寧木霉處理鉻黑T模擬廢水的最優條件組合是:轉速140 r/min,鉻黑T初始質量濃度20 mg/L,投菌量7.5 g/L。在上述基礎上投加0.4 g/L的葡萄糖,于30 ℃連續振蕩20 h,結果顯示鉻黑T去除率為96.8%。

表2 正交實驗結果Table 2 Result of the orthogonal test

2.7 擬康寧木霉處理鉻黑T模擬廢水的機理初探

為了確定擬康寧木霉對鉻黑T是否具有降解作用,在最適處理條件下,對反應時間為4、16、20 h的鉻黑T進行紫外可見光譜分析,觀察其特征吸收峰吸光度的變化,結果如圖6所示。由圖6可知,處理后鉻黑T的特征吸收峰吸光度降低,進而說明在擬康寧木霉處理鉻黑T的脫色過程中存在降解作用[26]。真菌降解偶氮染料可分為兩個階段,其偶氮鍵首先被偶氮還原酶催化斷裂,產生芳香胺類中間產物,最后再經一系列反應代謝生成苯胺類終產物。而鉻黑T的特征吸收峰在235、544 nm處,其中544 nm處吸收峰可能由鉻黑T的偶氮基團產生,經過20 h處理后產物在250 nm附近有較大的吸光度,說明可能存在苯環結構。鉻黑T中的偶氮鍵可能先被擬康寧木霉分泌的偶氮還原酶還原斷裂,最后經過系列反應代謝被降解成二羥基苯胺類化合物[27]。

圖6 擬康寧木霉對鉻黑T的降解機理Fig.6 Degradation mechanism of chrome black T byTrichoderma koningiopsis

2.8 擬康寧木霉處理鉻黑T模擬廢水吸附動力學研究

取質量濃度分別為5、10、15、20、25、30 mg/L的鉻黑T模擬廢水200 mL,投入10.0 g/L擬康寧木霉,在30 ℃、140 r/min下連續振蕩反應,0～20 h內間隔取樣。吸附量和平衡吸附量可分別通過式(1)和式(2)計算。

qt=(C0-Ct)/m

(1)

qe=(C0-Ce)/m

(2)

式中:qt和qe分別為擬康寧木霉對鉻黑T的t時刻和平衡時的吸附量,mg/g;t為反應時間,h;C0、Ct和Ce分別為鉻黑T初始、t時刻和平衡時的質量濃度,mg/L;m為投加菌量,g/L。

由圖7可得,隨著反應進行,擬康寧木霉菌對鉻黑T的吸附量先增加后趨于平衡。當鉻黑T初始質量濃度超過25 mg/L時,達到平衡的反應時間變長,平衡吸附量降低。采用Langmuir模型和Freundlich模型分別對擬康寧木霉吸附鉻黑T的過程進行模擬,發現擬康寧木霉吸附鉻黑T與Langmuir模型的擬合度更高,擬合系數(R2)為0.991 5,最大吸附量模擬值為3.292 mg/g,與實驗值較接近,這說明擬康寧木霉對鉻黑T的吸附為均質單層吸附。

圖7 擬康寧木霉對不同初始質量濃度的鉻黑T的吸附動力學曲線Fig.7 The adsorption kinetics curve of Trichoderma koningiopsis for different initial concentrations of chrome black T

由一級動力學反應公式得到式(3):

ln(C0/Ct)=kt+b

(3)

式中:k為反應常數,h-1;b為截距。

利用最佳條件下實驗所得結果,以ln(C0/Ct)對t作圖,得到R2=0.990 5,曲線擬合度較好(見圖8),由此表明擬康寧木霉處理鉻黑T染料反應為一級動力學反應。

圖8 生物法處理鉻黑T的動力學模型Fig.8 Kinetic model of biotreatment of chrome black T

2.9 擬康寧木霉處理混合染料的探究實驗

選取了甲基紫、亞甲基藍和中性紅這3種常見的具有一定毒性的染料,分別與鉻黑T混合,初步探究擬康寧木霉對混合染料廢水的降解能力?；旌先玖咸幚砬昂蟮淖贤饪梢姽庾V如圖9所示。各混合染料處理后的整體吸光度都大大下降,鉻黑T與亞甲基藍,鉻黑T與甲基紫,鉻黑T與中性紅,鉻黑T與亞甲基藍、甲基紫、中性紅混合染料的吸光度分別減少了89.8%、91.2%、95.0%、91.5%,可見這4種含有鉻黑T的混合染料都能被擬康寧木霉有效降解脫色。故擬康寧木霉不僅能高效去除鉻黑T單一廢水,未經過馴化加入其他染料,也能較好地抵抗其生物毒性,有望降解含有多種染料的水質成分復雜的染料廢水,因此擬康寧木霉對于處理實際印染廢水有很好的開發潛力。

注:不同染料均等量混合。

3 結 論

1) 通過研究反應時間、投菌量、鉻黑T初始濃度、葡萄糖用量、轉速和溫度等條件對擬康寧木霉處理鉻黑T模擬廢水的單因素和正交實驗,得到最優反應條件為:投菌量7.5 g/L,鉻黑T初始質量濃度20 mg/L,轉速140 r/min,投加0.4 g/L葡萄糖增加碳源,在30 ℃下處理20 h,鉻黑T的去除率達到96.8%。去除率優于大部分同類文獻中的方法,處理效果優異。但以單一菌種處理染料廢水耗時較長,且無法處理高濃度染料廢水。

2) 擬康寧木霉處理鉻黑T染料的吸附屬于均質單層吸附,反應遵循一級動力學模型,說明擬康寧木霉對鉻黑T的處理是通過生物吸附與降解的協同作用而實現。

3) 擬康寧木霉不僅能有效處理鉻黑T單一廢水,在未馴化的情況下,加入鉻黑T與亞甲基藍、甲基紫和中性紅等混合染料廢水,去除率也能達到90%左右,具有很好的應用前景。