硝酸盐和硫酸盐对厌氧还原甲基橙性能的影响

江利梅，聂丽君，韦明肯，向音波*

(1.广东石油化工学院 环境科学与工程学院，广东省石油化工污染过程与控制重点实验室，广东 茂名 525000；2.广东石油化工学院 生物与食品工程学院，广东 茂名 525000)

随着印染工业的发展，染料的种类已超过10万种[1]，总产量超过80万t/a，我国染料产量占全球的40%，并且每年以30%的比例持续增长[2]。印染过程中会有10%～15%染料流入环境中，从而产生大量印染废水[3-4]。目前，印染废水每年排放量约为6×108～7×108t，占工业废水排放总量的10%[5]。此外，印染废水是一种难降解毒害性有机废水[6]，其有机物含量高、稳定性较好、可生化性差、色度高，具有致癌、致畸、致突变作用，对生态环境和人类健康造成巨大威胁，是目前最难处理的工业废水之一[7-8]。因此，印染废水造成的环境污染问题亟待解决。

甲基橙是典型的人工合成染料，也是较难降解的偶氮染料[9]。偶氮染料在微生物降解过程中第一步通常在厌氧条件下作为电子受体发生还原反应，断裂偶氮键使其脱色[10]。由于人工染料在使用过程中通常会添加无机盐如硝酸钠、硫酸钠、氯化钠等来提高印染效率[11]，另外，印染废水也可能排入含有硝酸盐和硫酸盐等其它电子受体类污染物的环境中。而这些电子受体类污染物可能在偶氮染料还原脱色过程中产生影响。多数研究者关注了高浓度电子受体对偶氮染料降解的影响[12]，而更符合污染环境条件的低浓度电子受体的影响鲜有报道。因此，本研究以甲基橙为模拟偶氮染料，探讨环境中常见的低浓度硝酸盐和硫酸盐对厌氧降解甲基橙的影响，旨在为印染工业废水生物处理及偶氮染料降解机理研究提供参考。

1 材料与方法

1.1 实验仪器与试剂

实验主要仪器：电子天平(FA204N，上海菁华科技仪器有限公司)、精密恒温培养箱(WPX-9152，上海科恒实业发展有限公司)、标准COD消解器(HCA-100，泰州市华晨仪器有限公司)、离子色谱仪(ICS-600，Dionex)、冰箱(BCD-215KALM，海尔)、紫外可见分光光度计(UV-2550，岛津)等。

磷酸盐培养基(LM)： Na2HPO4·7H2O(12.8 g/L)；KH2PO4(3 g/L)；NaCl(0.5 g/L)；NH4Cl(1.0 g/L)；酵母提取物(0.1 g/L)；乙酸钠(0.5 g/L)。模拟印染废水：LM培养基中加入100 mg/L[5]的甲基橙(Methyl Orange，MO)。添加硫酸钠或硝酸钠的浓度均为6 mM。

1.2 厌氧实验装置的启动与运行

脱色菌群富集：取采自广东某池塘的厌氧底泥10 g，接入到装有90 mL模拟印染废水中(甲基橙浓度为100 mg/L)，然后通氮气10min，以赶走培养瓶中的氧气，置于30℃恒温培养箱中培养5d(脱色率达到80%以上)，更换新的模拟印染废水。如此循环三次后获得脱色菌群富集液。

实验装置及运行：实验装置采用总容积为120 mL的细口密封玻璃瓶，加入100 mL模拟印染废水。以脱色菌群富集液作为接种物，接种量为10%。实验设置包括：对照组(LM+100 mg/L MO)、硫酸盐组(LM+6 mM Sulfate)、硫酸盐与甲基橙组(LM+6 mM Sulfate+100 mg/L MO)、硝酸盐组(LM+6 mM Nitrate)和硝酸盐与甲基橙组(LM+6 mM Nitrate+100 mg/L MO)，每组做三个平行，置于30℃恒温培养箱中密封培养。通过一次性注射器定时定量取样，以保证体系整个周期维持厌氧状态。

1.3 分析及计算方法

COD测定：采用中华人民共和国家环境保护标准(HJ 828-2017)重铬酸盐法。微生物生物量测定：采用紫外可见分光光度计，测定OD600值。硝酸盐和硫酸盐浓度测定：采用离子色谱测定法。甲基橙脱色率计算公式如下：

(其中，q为脱色率，A0为初始时刻样品的OD464值；At为t时刻样品的OD464值。)

2 结果与讨论

2.1 不同电子受体对甲基橙脱色性能的影响

偶氮染料脱色是其作为电子受体获得电子使偶氮键断裂的过程，因此，其脱色过程会受其它电子受体还原过程的影响。从图2可看出，不同外源电子受体对甲基橙脱色性能的影响效果不同。6 mM硝酸盐抑制甲基橙脱色。在前2d运行过程中，对照组的脱色率快速上升到67.36%，而添加硝酸盐组的脱色率只有15.62%。在整个培养周期添加硝酸盐组的最大脱色率为25.67%，而对照组最大脱色率为78.57%。这可能由于硝酸盐浓度较大，在硝酸盐还原过程中竞争电子抑制偶氮还原。另外，添加6 mM硫酸盐显著促进甲基橙的还原脱色。这种促进作用在实验运行前2d内最明显，从图1可看出，添加硫酸盐后甲基橙即快速脱色，对照组第0.5 d、第1 d和第1.5 d的脱色率分别为0.3%、16.23%和36.32%，而添加硫酸盐的脱色率分别为22.12%、33.0%和63.53%，脱色速率提高约2倍。

图1 甲基橙的脱色效率

表1系统总结了培养2d内的性能，进一步揭示6 mM硫酸盐促进甲基橙脱色，而6 mM硝酸盐抑制甲基橙脱色。在培养2d内，对照组和添加硫酸盐组对甲基橙的脱色效率分别为3.37 mg/d和3.6 mg/d，而添加硝酸盐组只有0.78 mg/d。推测外源电子受体对偶氮染料降解的影响可能与电子受体浓度和偶氮染料的浓度及性质有关。其他学者研究认为，低浓度的硝酸盐对偶氮染料脱色基本无影响，高浓度硝酸盐和硫酸盐抑制偶氮染料脱色。例如，Meng等人发现0.12～1.06 mM硝酸盐和70.4～211.21 mM硫酸盐对酸性红27的还原脱色基本没有影响，而高于此浓度的两种外源电子受体均表现出抑制作用[13]。周思懿等人发现硫酸盐的浓度大于281.61 mM或硝酸盐浓度高于2.35 mM抑制了酸性大红GR脱色，并且其抑制作用随硫酸钠和硝酸盐浓度增加而增加[12]。郭光等人同样发现相同浓度下硝酸盐对偶氮染料脱色的抑制作用强于硫酸盐[14]。本研究发现，较低浓度硫酸盐对偶氮染料有促进作用，可能是厌氧污泥在硫酸盐还原过程中脱硫弧菌大量富集，而这些脱硫弧菌具有脱色能力[15]，同时有研究报道硫酸盐还原产生的代谢产物硫化物能作为还原剂对偶氮染料进行化学还原[16]。因此，在厌氧条件下低浓度的硫酸盐促进偶氮染料脱色，这对偶氮染料废水厌氧生物降解具有一定积极作用。

表1 系统运行前2d的性能对比

2.2 不同电子受体的还原速率

图2所示为硝酸盐和硫酸盐浓度随时间变化曲线。由该图可看出，硝酸盐和硫酸盐在实验前2d内被快速还原，而甲基橙略微抑制了硝酸盐和硫酸盐还原。在运行的第2d，无甲基橙实验组的硝酸盐和硫酸盐浓度分别降至1.13 mM和1.85 mM，而有甲基橙的实验组的硝酸盐和硫酸盐的分别降为1.45 mM和2.31 mM，抑制效果为5.3%～7.69%。而且，从表1也进一步显示前2d内只有硫酸盐和硫酸盐与甲基橙共存条件下硫酸根还原效率分别为19.81 mg/d和17.63 mg/d，只有硝酸盐和硝酸盐与甲基橙共存在下的硝酸根还原效率分别为15.26 mg/d和14.26 mg/d。这可能由于偶氮染料的降解产物芳香胺类物质对微生物存在一定的毒性[5，17]，从而降低电子受体的还原速率。结合图1可看出，6 mM硫酸盐条件下，富集的混合菌群在厌氧条件下能同时进行硫酸盐还原和偶氮还原，并且硫酸盐还原过程促进偶氮还原过程。而在6 mM硝酸盐条件下，混合菌群优先进行硝酸盐还原，硝酸盐还原抑制偶氮还原过程。这和其它学者的研究结果相同，可能由于硝酸盐的氧化还原电位较高，抑制了微生物的偶氮还原酶活性[18]。

图2 外源电子受体浓度变化

2.3 不同电子受体对COD去除效率的影响

外源电子受体对COD去除效率的影响如图4所示。添加6 mM硝酸钠和6 mM硫酸盐显著提高了体系COD去除效率。实验初始的COD浓度均在220 mg/L左右，运行4d后，对照组的COD下降到183.33 mg/L，降解了36.34%，而添加硝酸钠或硫酸钠后COD下降到96～108 mg/L，降解了62.5%～66.67%，与对照相比，COD去除效率提高了1.72～1.83倍。表1显示前2d对照组、硫酸盐组、硫酸盐与甲基橙组、硝酸盐组和硝酸盐和甲基橙组的COD去除效率分别为4.83 ,7.52 ,8.6,7.57 mg/d和7.7 mg/d。结合图2可推测，外源电子受体消耗使前4d内COD被快速降解。这可能是由于外源电子受体的添加会增加电子供体(COD)的消耗，从而提高体系的COD去除效率。同时发现，与只有硫酸盐实验组相比，硫酸盐与甲基橙共存COD去除效率更高，而与只有硝酸盐实验组相比，硝酸盐与偶氮染料共存对COD降解并无明显优势。这进一步说明了混合菌群在厌氧条件下能同时发生硫酸盐还原和偶氮还原，而硝酸盐还原过程抑制偶氮还原。这可能由于标准氧化还原电势下硝酸盐(Eh = +360 mV)>硫酸盐(Eh = -100 mV)和某些偶氮染料[19]，使硝酸盐优先被还原，同时消耗大量COD。

图3 COD的浓度变化情况

2.4 添加不同电子受体对微生物生长的影响

为进一步探索电子受体和偶氮染料对微生物活性的影响，以OD600值作为微生物生物量绘制生长曲线，结果如图4所示，从该图可看出，添加硝酸盐和硫酸盐均增加了实验体系中微生物的生物量，特别是硝酸盐对生物量的促进作用尤为明显。实验运行1d后，添加硝酸盐组的OD600值迅速上升至0.218～0.221，而对照组和添加硫酸盐组的OD600值分别为0.084和0.093～0.11。实验运行4d后，与对照相比，添加硫酸盐OD600值提高了1.24～1.31倍，添加硝酸盐的OD600值提高1.35～1.44倍。只有硝酸盐和硝酸盐与甲基橙共存实验组的OD600值差异不明显。这说明硝酸盐还原过程促进微生物生长。而硫酸盐和甲基橙共存组比单独硫酸盐组的OD600值略高。说明硫酸盐还原过程和甲基橙还原过程能同时发生，共同增加微生物生物量。以上数据表明，硝酸盐是最优级电子受体、硫酸盐和甲基橙次之。结合图1可进一步看出添加硝酸盐虽能刺激微生物的生长活性，但抑制了偶氮还原过程。而添加硫酸盐可同时发生硫酸盐还原和偶氮还原共同促进微生物生长，此外，有研究认为硫酸盐还原菌具有偶氮还原性能[20]。因此，添加一定浓度硫酸盐可提高生物量的同时，也能促进甲基橙脱色。培养2d后OD600值呈下降趋势，这可能是营养物质被消耗，微生物缺乏营养生长代谢受到抑制，也可能是偶氮还原过程中产生有毒有害代谢产物[11]，抑制了微生物生长繁殖。

图4 微生物生长的变化曲线

3 结论

(1)添加6 mM硝酸盐条件下提高了混合菌群的生物量和COD去除效率，但抑制甲基橙的还原脱色。与甲基橙相比，硝酸盐是优先电子受体，使硝酸盐在前2d内被快速消耗，与对照相比，体系中生物量增加了1.35～1.44倍， COD去除效率提高了1.72～1.83倍。但4d内甲基橙脱色率只有25.67%，远低于对照组的75.72%。

(2)添加6 mM硫酸盐条件下提高了混合菌群的生物量和COD去除效率，同时促进甲基橙还原脱色。该混合菌群可同时进行硫酸盐还原和甲基橙脱色，与对照相比，体系中生物量增加了1.24～1.31倍，COD去除率提高了1.72～1.77倍，脱色速率提高了2倍。研究表明，低浓度硫酸盐环境对偶氮染料废水厌氧生物处理具有一定积极作用。