固定化微生物降解含甲醛废水研究

刘菲， 李晓梅

(云南师范大学 化学化工学院，云南 昆明 650500)

我国化工、制药、纺织、黏合剂、涂料、塑料、制革以及油漆等行业每年甲醛需求量达数百万吨，工厂在生产和使用甲醛过程中会产生200～7 000 mg/L不同浓度的甲醛废水.GB 3157l-2015石油化学工业污染物排放标准规定甲醛污染物排放限值为1 mg/L.由于甲醛的致癌性与致畸性严重威胁人类健康，且它是较难处理的工业废水之一，因此甲醛处理成为了废水处理和环境保护研究的热点问题[1-6].

甲醛废水的处理技术主要有物理技术、化学技术和生物技术.固定化微生物技术具有局部菌体浓度大、抗毒性强及降解速率快等优点而被广泛运用，其与传统微生物法和悬浮微生物技术相比在处理废水方面有更大的优势[7-9].

本文将微生物固定，用乙酰丙酮法测定甲醛浓度，分别考察了不同的微生物量、降解时间、pH和温度对固定化微生物和游离态微生物降解甲醛能力的影响，研究结论将为固定化微生物高效去除废水中甲醛提供实验基础.

1 实验方法

1.1 微生物、包埋材料和溶液

微生物：课程组前期添加亚硫酸钠驯化得到的高效降解甲醛的微生物.

包埋材料：质量浓度9% 聚乙烯醇+1.5% 海藻酸钠+2% 活性炭.

溶液：碘标准溶液(0.050 0 mol/L)、重铬酸钾标准溶液(0.050 0 mol/L)、硫代硫酸钠溶液(0.050 0 mol/L)、甲醛标准溶液和乙酰丙酮显色剂.

1.2 绘制液相甲醛标准曲线

采用GB/T 13197-1991乙酰丙酮分光光度法分析并绘制液相甲醛标准曲线.以蒸馏水作为参比，722N可见分光光度计在最大吸收波长λ=415 nm处测甲醛吸光度.以甲醛含量为横坐标，吸光度为纵坐标，绘制液相甲醛标准曲线.标准曲线如图1所示，液相甲醛浓度计算式如公式(1)所示.

图1 液相甲醛标准曲线

甲醛吸光度与甲醛浓度的关系式为：

y=0.0090x+0.0010

(1)

式中，y为吸光度(A)，x为甲醛含量，单位μg.

1.3 固定化微生物的量对其降解甲醛能力的影响

取4个100 mL烧杯，分别加入10、30、50 g及70 g经亚硫酸钠驯化得到的微生物，与已经溶解的聚乙烯醇、海藻酸钠和活性炭混合，制成包埋微生物的浓度分别为10%、30%、50%和70% 的包埋溶液100 mL，滴入交联剂中，制成凝胶球.取这四种浓度的凝胶球各40 g分别放入甲醛浓度为200 mg/L，体积为200 mL的实验体系中，每天间歇通氧气三次，每次30 min，用磁力搅拌器搅拌，每隔24 h取1 mL离心液，用乙酰丙酮分光光度法测出甲醛的吸光度，根据液相甲醛的标准曲线计算出液相甲醛的浓度，并计算甲醛的去除率.

1.4 降解时间对固定化微生物和游离态微生物降解甲醛能力的影响

取两份等量的微生物，一份按照1.3方法制备固定化微生物凝胶球，一份不做固定化处理，微生物处于游离状态，将固定化微生物和游离态微生物分别加入甲醛浓度为200 mg/L，体积为200 mL的实验体系中，连续实验16 d，添加甲醛5次，考察甲醛的去除率.通气、取样和测定操作同1.3.

1.5 pH和温度对固定化微生物与游离态微生物降解甲醛能力的影响

取40 g含50% 微生物凝胶球3份和40 g含50% 微生物的游离微生物3份，分别放入甲醛浓度为200 mg/L，体积为200 mL的实验体系中，分别在4～11范围调节pH值，在15 ℃～40 ℃范围调节温度，考察甲醛的去除率，通气、取样和测定操作同1.3.

2 实验结果与分析

2.1 固定化微生物的量对其降解甲醛能力的影响

采用包埋材料将微生物固定，考察固定化微生物的量对其降解甲醛能力的影响，实验结果如图2所示.

由图2可知，当固定化微生物的量由10% 增加到70% 时，固定化微生物对甲醛的去除率由21% 增加到78%；固定化微生物的量为50% 时，甲醛去除率为73%，固定化微生物的量增加到70% 时，甲醛去除率仅增加到78%，但固定化微生物的量为70% 时，固定化微生物凝胶球的机械强度变差.综合固定化微生物对甲醛的去除率和凝胶球的机械强度因素，将固定化微生物的量选择为50%.

图2 固定化微生物的量与甲醛去除率的关系

2.2 降解时间对固定化微生物和游离态微生物降解甲醛能力的影响

一组采用40 g微生物含量50%的固定化凝胶球，另一组采用40 g微生物含量50%的游离微生物，考察降解时间对固定化微生物和游离态微生物降解甲醛能力的影响，实验结果如图3所示.

图3 降解时间与甲醛去除率的关系

由图3可知，16 d实验时间中，添加甲醛5次，第一次添加甲醛，固定化微生物仅1 d对甲醛的去除率就达95% 以上，而游离态微生物需要6 d才能达到固定化微生物的降解能力；第二次和第三次添加甲醛时，1 d内固定化微生物对甲醛的降解率也达95% 以上，游离微生物在相同的时间内对甲醛的去除率仅为69%；第四次和第五次添加甲醛时，1 d内固定化微生物对甲醛的降解率可保持95% 以上，游离微生物在相同的时间内对甲醛的去除率只有60%.实验表明，固定化微生物降解甲醛的能力明显优于游离态微生物，其原因可能是固定化微生物能有效维持微生物活性，提高微生物对甲醛的降解速率.

2.3 pH对固定化微生物与游离微生物降解甲醛能力的影响

一组采用40 g微生物含量50%的固定化凝胶球，另一组采用40 g微生物含量50%的游离态微生物，甲醛浓度200 mg/L，考察不同pH对固定化微生物与游离态微生物去除甲醛能力的影响，结果如图4所示.

图4 pH与甲醛去除率关系

由图4可知，pH值由4增加到11，固定化和游离态微生物对甲醛的降解率先增加后降低.对于固定化微生物，pH值由4增加到7，其对甲醛的去除率由37% 增加到98%，当pH值在7增加到10时，对甲醛的降解能力稳定在98%，pH值由10增加到11时，对甲醛的降解能力急剧下降.对于游离态微生物，pH值由4增加到8，游离态微生物对甲醛的去除率由5% 增加到80%，当pH值由8增加到11时，游离态微生物对甲醛的去除率直线下降，故pH值为8时游离态微生物对甲醛的去除率最大.

溶液中的pH过低或过高时，过多的H+或OH-会对微生物的细胞表面电荷平衡和细胞的胶体性能产生影响，导致细胞活性降低，影响微生物对甲醛的去除率，要保持微生物活性，pH应控制在中性偏碱性范围，pH值在7-10时，固定化微生物对甲醛的去除能力更强.此外，固定化微生物对pH的耐受能力大于游离态微生物.

2.4 温度对固定化微生物与游离态微生物降解甲醛能力的影响

一组采用40 g微生物含量50%的固定化凝胶球，另一组采用40 g微生物含量50%的游离微生物，甲醛浓度200 mg/L，考察温度对固定化微生物和游离态微生物降解甲醛能力的影响，结果见图5所示.

图5 温度对甲醛去除率的影响

由图5可知，温度由15 ℃ 增加到40 ℃ 时，固定化微生物与游离态微生物对甲醛的降解能力先增加后降低；当温度由15 ℃ 增加到25 ℃ 时，固定化微生物对甲醛的去除率由41% 增加到93% ，游离态微生物对甲醛的去除率由19% 增加到89%.随着温度的进一步升高，二者对甲醛的去除率均呈下降趋势，即温度为25 ℃时，二者对甲醛的去除率均达到最大值，固定化微生物为93%，游离态微生物为89%.

总体来看，在实验温度范围内，固定化微生物对甲醛的降解能力优于游离态微生物.

3 结语

在甲醛浓度为200 mg/L的体系中对比固定化微生物和游离态微生物对甲醛的降解能力，研究结果表明，在微生物量相同时，固定化微生物对甲醛的降解能力明显优于游离态微生物，其原因可能是固定化可以延长微生物的活性.固定化微生物对pH和温度的耐受范围均优于游离态微生物，在pH值为7-10时，固定化微生物对甲醛的去除能力稳定在98%左右；在25 ℃时，固定化微生物对甲醛的去除能力达到93%.此研究结果可为固定化微生物高效降解含甲醛废水提供实验参考.