固定化白腐真菌处理染料废水的研究

丁绍兰， 陈旭婷， 白雄艳

(陕西科技大学 资源与环境学院， 陕西 西安 710021)

0 引言

在所有的工业废水中，来自染料工业和印染行业的染料废水是最难处理的工业废水之一，这是因为染料是一种化学结构复杂的化合物，它含有人工合成的复杂的芳香烃分子结构，很难被除去[1].据统计合成染料在生产和处理过程中，有12%以废水形式排出[2].染料废水的水质复杂、更新快、生物降解性差[3]，传统的废水处理方法有物化法、化学法、物理吸附法、生化法、电化学法等[4].但是目前对难降解的有机废水的治理难度很大，已经满足不了越来越高的环保和工艺要求.白腐真菌对可生化性差的、有毒有害的废水有着良好的降解作用[5].固定化微生物技术具有细胞密度高、反应速度快、稳定性强、耐毒害能力强、微生物流失少、产物分离容易和剩余污泥少等优点[6].固定化微生物技术的发展及实现酶的工业化生产都将促进白腐真菌在工业废水中的应用.

李慧蓉等发现，在琼脂、沙子及土壤等固体介质中的黄孢原毛平革菌3品系对偶氮染料、蒽醌染料及聚合染料均能有效降解[7].在非灭菌环境下，朱勇等构建白腐真菌膜生物反应器处理活性艳红X-3B染料废水，结果发现处理1 d的染料(50 mg/L)脱色率可达65%左右，处理4 d的脱色率大于80%[8].田玉萍将白腐真菌生物接触氧化法用于处理偶氮染料活性嫩黄K-6G模拟染料废水，该法对色度去除率达82%，效果较好[9].周成等在连续运行的条件下实现了白腐真菌反应器连续合成锰过氧化物酶(最大剩余酶活50 U/L)和对酸性蓝45的持续降解(40%～80%)，且发现当pH值为6左右时，反应器仍能合成锰过氧化物酶，并对酸性蓝45有降解能力[10].张晓晴研究发现，在条件合适时，24 h内，Pleurotusostreatus吸附直接耐晒翠兰的脱色率超过90%[11].黄民生等认为在优化条件下，白腐真菌(SHU-13和云芝)对实际活性染料废水的脱色率可达98%[12].Nor Atikah Husna Nasir等采用PVA-海藻酸钠-硫酸法固定白腐真菌Phanerochaetechrysosporium，发现固定化细胞的可重复使用性和性能都得到了提高；处理纺织废水的结果表明：自由细胞的脱色率和COD去除率分别为10.78%和30%，而固定化细胞的脱色率提高至47.14%，COD去除率更超过了60%[13].

本实验采用直接投加固定化PVA复合生物球对染料废水进行处理的研究方法，与先将生物球置于产漆酶培养基中培养2～3 d后再加入染料废水的方法相比，该法简化了操作过程，简单方便，随用随取.本实验通过固定化白腐真菌处理混合染料废水的研究，考察了不同生物球投加量、染料浓度、pH、转速等条件对染料废水脱色效果的影响，旨在为以后染料废水的生物处理提供依据.

1 原理

1.1 白腐真菌对染料的降解原理

白腐真菌对污染物的降解机理是生物学机理和一般化学过程的有机结合，分为细胞内和细胞外两个过程，主要是细胞外的氧化过程[14].白腐真菌产生的细胞外酶( 包括木质素过氧化酶(LiPs) 和锰过氧化物酶(MnPs) 被认为是降解木质素和染料的特殊酶系[15].这些酶具有非特异性、无需底物诱导的特殊性能, 对许多结构不同、高度稳定、难降解的高分子有机物质具有广谱的降解能力[16].

在有氧存在下，H2O2激活白腐真菌分泌的酶Lip和Mnp，经过单电子氧化、一系列非酶反应(包括C-C键断裂、开环反应、侧链裂解等)，生成两个有活性的酶中间体以攻击染料分子，并将其氧化成自由基，实现对染料废水脱色降解的目的[17].

1.2 脱色率

在低浓度时，染料的浓度与其最大吸收波长的吸光度值成正比，可用染料在该处的吸光度变化来反映染料浓度的变化.染料脱色率(Γ)[15]的计算公式：

(1)

式(1)中：A0-初始时刻染料在特征波长处的吸光度值；At—t时刻染料在特征波长处的吸光度值.

2 试验部分

2.1 主要材料与仪器

菌株：白腐真菌，取自陕西科技大学造纸学院张安龙教授实验室；固定化白腐真菌：由本课题组采用PVA复合包埋法固定白腐真菌制得生物球，保存备用；酸性染料：希力毛皮红、希力毛皮蓝，北京泛博科技有限责任公司；分散染料：捷力毛皮蓝，北京泛博科技有限责任公司；低速离心机：TDL-40B，飞鸽牌系列；pH计：PHS-2F，上海仪电科学仪器股份有限公司；紫外-可见分光光度计：UV759，上海精密科学仪器有限公司；电子天平：BS224S，北京赛多利斯仪器系统有限公司；生化低温培养箱：LRH-70，上海一恒科学仪器有限公司；不锈钢手提式压力蒸汽灭菌锅：SYQ-DSX-280B，上海申安医疗器械厂；恒温振荡器：THZ-82，常州国华电器有限公司；迴转式恒温调速摇瓶柜：HYG-IIa，上海欣蕊自动化设备有限公司.

2.2 固定化白腐真菌对染料废水脱色的影响试验

2.2.1 生物球投加量对染料废水脱色的影响

于250 mL锥形瓶中分装浓度均为20 mg/L的希力毛皮红、希力毛皮蓝、捷力毛皮蓝染料组成的混合模拟废水100 mL，分别加入1.5 g、2.0 g、2.5 g、3.0 g、3.5 g、4.0 g、4.5 g、5.0 g、5.5 g、6.0 g、6.5 g的生物球，室温,pH为3,150 r/min振荡脱色.

2.2.2 染料浓度对染料废水脱色的影响

于250 mL锥形瓶中分装5.5 g的生物球，分别加入10 mg/L、20 mg/L、50 mg/L、100 mg/L、150 mg/L的希力毛皮蓝、捷力毛皮蓝染料组成的混合模拟废水100 mL，室温,pH为3，150 r/min振荡脱色.

2.2.3 pH对染料废水脱色的影响

于250 mL锥形瓶中分装5.5 g的生物球，加入20 mg/L的希力毛皮蓝、捷力毛皮蓝染料组成的混合模拟废水100 mL，调节溶液的pH为2、3、4、5、6，室温,150 r/min振荡脱色.

2.2.4 转速对染料废水脱色的影响

于250 mL锥形瓶中分装5.5 g的生物球，加入20 mg/L的希力毛皮蓝、捷力毛皮蓝染料组成的混合模拟废水100 mL，室温，pH为3，调节转速分别为100 r/min、120 r/min、150 r/min、180 r/min振荡脱色.隔一定时间后，取上清液离心后测定各染料特征波长处的吸光度，计算其脱色率.

3 结果与讨论

3.1 生物球投加量对染料废水脱色的影响

图1 不同生物球投加量对染料脱色率的影响

由图1可看出，投加固定化PVA复合生物球为1.5 g时，希力毛皮红、希力毛皮蓝、捷力毛皮蓝的脱色率均比较低,脱色率分别为54.76%、43.79%、43.38%，可能是因为生物球投加量少，白腐真菌生物量不足，染料废水单位时间内被降解的有机物质也少，脱色能力较差[18].当生物球投加量达到3.5 g时，希力毛皮红、希力毛皮蓝和捷力毛皮蓝的脱色率均大幅度上升，分别为82.56%、81.46%、81.28%，随着生物球投加量越来越大，染料废水中单位时间被降解的有机物质也越来越多，脱色率自然也随之升高[18].当生物球投加量达到5.5 g时，三种染料的脱色率均达到了最大，分别为94.87%、92.46%、92.45%；再继续增加生物球投加量时，脱色率变化趋势平缓.由于染料废水中的有机物质的量是一定的，继续增加投加量只会导致微生物因为营养物质不足而产生竞争现象，甚至导致微生物死亡，故而达到一定投加量后，脱色率变化平缓，不再升高[18].

3.2 染料浓度对染料废水脱色的影响

图2 不同染料浓度对染料废水脱色率的影响

由图2可看出，染料废水的浓度为10 mg/L和20 mg/L时，脱色率变化稳定，而且脱色率较大，脱色效果较好.当浓度逐渐变大时，脱色率变小，变化幅度比较明显.适当的染料浓度有利于生物球对染料废水进行脱色，有利于促进白腐真菌分泌胞外酶去降解有机物质；当染料浓度过高时，脱色效果明显下降的原因是由于染料浓度的增加对白腐真菌的抑制作用增强，导致白腐真菌的生物活性降低[19].

3.3 pH对染料废水脱色的影响

图3 不同pH对染料废水脱色率的影响

由图3可以看出，pH在很大程度上影响酶活，进而影响酶对整个反应体系的催化作用.pH的变化对固定化生物球的脱色降解作用有一定的影响，当pH=3时，此时的脱色率最高，希力毛皮蓝和捷力毛皮蓝分别为92.32%、92.34%.pH值增大，脱色率降低，但小范围内变化时脱色率仍然较高，pH值为5和6时两种染料脱色率分别可以保持在90%以上.

酸性环境有利于白腐真菌生长，过高或过低的pH可能都会对白腐真菌的生长有一定的抑制作用，与游离性白腐真菌的最适pH值3.0～3.5相比，固定化生物球的耐受范围有所提高[15,20].由于许多废水中的难降解物质都呈弱酸性，所以耐受性的提高有利于固定化白腐真菌在实际中的应用.

3.4 转速对染料废水脱色的影响

图4 不同转速对染料脱色率的影响

由图4可以看出当转速为100 r/min时，脱色率较低，分析应是转速不高导致溶液中供氧不足，传质过程慢，PVA复合生物球的生长受到抑制，不利于生物球对染料的生物吸附[21].随着转速的提高，溶液液面容易和空气发生物质交换，含氧量升高，生物球内的白腐真菌能够充分生长，脱色效果较好[22].当转速为120 r/min时，溶氧量增加与逐渐加大的剪切力对生物球破坏达到平衡，此时生长状态最好，对染料的脱色效果最好.当转速继续增大，剪切力对生物球的破坏作用加强，微生物活性下降，脱色效果也较差[22].所以120 r/min是最佳转速.

4 结论

本实验对固定化白腐真菌处理染料废水的最佳条件进行了试验探索，结果表明：固定化白腐真菌处理染料废水，最佳PVA复合生物球投加量是5.5 g/100 mL时，希力毛皮红、希力毛皮蓝、捷力毛皮蓝的脱色率分别为94.8%、92.46%、92.45%；最适染料废水浓度为20 mg/L时，希力毛皮蓝、捷力毛皮蓝的脱色率分别为91.93%、92.01%；最适pH值为3时，希力毛皮蓝、捷力毛皮蓝的脱色率分别为92.32%、92.34%；最佳转速为120 r/min时，希力毛皮蓝、捷力毛皮蓝的脱色率分别为92.50%、92.62%.

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