拟康宁木霉对含铬黑T废水的处理特性研究*

林锦美 郑 鹏 丁能能 巫晶晶 陈锦芳

(1.集美大学港口与海岸工程学院,福建 厦门 361021;2.福建省食品微生物与酶工程重点实验室,福建 厦门 361021;3.江苏碧水源环境科技有限责任公司,江苏 无锡 214194)

近年来,随着工业蓬勃发展,染料废水的排放量随之升高,人们对其产生的环境问题更加重视,如何解决印染行业给环境带来的压力和威胁也成为环保行业的研究热点[1]。

铬黑T染料是一种重要的偶氮染料,具有潜在的致癌、致突变性,且难降解、色度高,是较难处理的废水[2],目前常用的处理方法大致分为物理法(吸附法和超声波技术)、化学法(氧化还原反应)和生物法(酶催化降解)[3-6]。物理法仅仅使污染物从液相转移到固相,仍需进一步反应去除,而化学法处理过程中能量利用率低,耗能大且成本较高,生物法具有能耗低、效率高以及清洁无污染等优点而深受关注[7]。国内外研究发现藻类、真菌、细菌等能够降解偶氮染料[8];其中,丝状真菌如黄曲霉(Aspergillusflavus)A5p1[9]、白腐菌(Ceriporialacerata)[10]、微紫青霉菌(Penicolliumjanthinellum)P1[11]等具有较强的吸附和降解染料的能力。

染料废水成分复杂,大部分降解偶氮染料的菌株存活率不高,因此筛选环境适应能力强、具广谱性、能实现高效吸附降解的菌株是研究的关键[12]。拟康宁木霉(Trichodermakoningiopsis)是自然界中常见的一种腐生木霉属(Trichoderma)丝状真菌,耐偶氮染料、重金属等污染物的侵害,且具有高度的非特异性以及广谱性[13-14]。基于此本研究利用经驯化的拟康宁木霉处理铬黑T模拟废水,探索菌株对铬黑T废水去除的最佳条件及处理特性,为绿色环保生物法处理印染废水奠定理论基础。

1 实验材料和方法

1.1 实验材料

1.1.1 菌 株

菌株由实验室从腐生环境分离纯化,并通过多次驯化而来,通过真菌ITS序列鉴定并结合《真菌鉴定手册》进行形态学检验确定该菌株属于拟康宁木霉。

马铃薯葡萄糖琼脂培养基制备:分别将马铃薯200 g、葡萄糖25 g、琼脂20 g、磷酸二氢钾2 g、硫酸镁2 g溶于1 000 mL无菌蒸馏水,121 ℃加热20 min灭菌后冷却倒置保藏备用。

1.1.2 铬黑T模拟废水的制备

称取1.00 g铬黑T固体粉末于100 mL烧杯中,加入适当的双蒸水充分溶解后并转移至1 000 mL容量瓶定容。

1.2 仪器和试剂

仪器:紫外可见分光光度计(UV751 GD)、恒温振荡器(SHA-C)、智能生化培养箱(PHX)、紫外可见光谱仪(CARY60)。

试剂:葡萄糖、磷酸二氢钾、硫酸镁、琼脂粉、铬黑T、亚甲基蓝、中性红、甲基紫均为分析纯。

1.3 实验方案

1.3.1 单因素实验

通过单因素控制变量法,分别探究菌株在溶液中的反应时间、投菌量、铬黑T初始浓度、葡萄糖用量、温度及转速对铬黑T去除效率的影响。反应结束后取样,用紫外可见分光光度计在波长540 nm处测定上清液的吸光度,并依据标准曲线计算铬黑T去除率。

1.3.2 正交实验

为管好工程、用好工程，使工程能够持续利用、长久发挥效益，经过不断探索，栖霞市走出了一条由自主管理向集约化管理、由集体主导向民营经济介入的规模化管理之路。

正交实验选用投菌量、铬黑T初始浓度和转速为影响因素,采用3因素3水平实验方案,各影响因素实验参数如表1所示。

表1 正交实验方案Table 1 The orthogonal test plan

1.3.3 拟康宁木霉处理铬黑T特性初探实验

通过测定铬黑T生物处理各过程废水的浓度,用Langmuir吸附等温线和Freundlich吸附等温线探究其吸附机理,并研究其反应动力学,用紫外可见光谱仪扫描获得各过程染料的200～800 nm光谱以探索其降解机理。

1.3.4 拟康宁木霉处理混合染料的探究实验

将铬黑T与亚甲基蓝,铬黑T与甲基紫,铬黑T与中性红,铬黑T与亚甲基蓝、甲基紫、中性红混合后,探究菌株对混合染料的处理效果。溶液经0.45 μm微孔滤膜过滤后,用紫外可见光谱仪扫描获得混合染料处理前后的200～800 nm光谱以验证拟康宁木霉处理混合染料废水的可能性。

2 结果与讨论

2.1 投菌量对铬黑T去除率的影响

取20 mg/L铬黑T模拟废水,加入2.5、5.0、7.5、10.0、12.5、15.0、17.5 g/L的拟康宁木霉,在30 ℃、140 r/min的条件下连续振荡反应20 h,以探究投菌量对铬黑T去除的影响,结果如图1所示。投菌量为2.5～7.5 g/L,铬黑T去除率随投菌量的增加而上升;投菌量超过7.5 g/L后,铬黑T去除率则随投菌量的增加而下降。在菌体浓度较低时,随着投菌量的增加,拟康宁木霉中起降解作用的酶增多,整体活性增强,处理效率升高;但投菌量过多时,营养物质有限,竞争激烈,能量大量消耗,使得菌体比生长率显著降低,无法很好地吸附降解染料,甚至部分菌体死亡,处理效果反而明显变差[15]。随着反应时间的增加,去除率也随之升高,并且反应时间在8 h以内去除率的增加速度较后期快,表明菌体处于生长期的时候细胞生长速度和铬黑T的去除率呈正相关[16]。同时拟康宁木霉还通过形成菌丝球来吸附铬黑T,投菌量过低不利于菌丝球的成球;投菌量过高会引起菌丝球之间竞争生存空间,这将导致形成的菌丝球较小[17],影响拟康宁木霉处理效果。由实验结果可得,最适投菌量为7.5～10.0 g/L。

图1 投菌量对铬黑T去除率的影响Fig.1 Effect of inoculum amount on removal efficiency of chrome black T

2.2 铬黑T初始浓度对铬黑T去除率的影响

因拟康宁木霉在驯化过程中较适生长的铬黑T质量浓度为0～30 mg/L,故分别取5、10、15、20、25、30 mg/L的铬黑T模拟废水200 mL,分别投入10.0 g/L的拟康宁木霉,在30 ℃、140 r/min的条件下,连续振荡反应20 h,以探究铬黑T初始浓度对铬黑T去除的影响,结果如图2所示。随着铬黑T初始浓度的增加,去除率先升后降,初始质量浓度为20 mg/L时,其去除率最大,继续增大初始浓度,处理效果明显变差。可见,较高浓度的铬黑T对菌体细胞的生长具有潜在的抑制性作用,因此染料的初始浓度对拟康宁木霉降解铬黑T废水的效率有明显影响[18]。

图2 铬黑T初始质量浓度对铬黑T去除率的影响Fig.2 Effect of initial chrome black T concentration on removal efficiency of chrome black T

2.3 葡萄糖用量对铬黑T去除率的影响

量取20 mg/L铬黑T模拟废水200 mL于250 mL锥形瓶中,分别加入等量0、0.4、0.8、1.6、2.0 g/L葡萄糖溶液和10.0 g/L拟康宁木霉,在30 ℃、140 r/min条件下连续振荡反应20 h,结果如图3所示。加入低浓度葡萄糖对铬黑T去除率并没有明显影响,高浓度葡萄糖则使去除率持续缓慢下降。

图3 葡萄糖用量对铬黑T去除率的影响Fig.3 Effect of glucose dosage on removal efficiency of chrome black T

葡萄糖是小分子单糖,易被生物吸收,铬黑T模拟废水中的部分微生物可以选择葡萄糖作为碳源以生长繁殖,在一定程度上缓解了铬黑T的毒性抑制作用[21],故能提高其去除率。同时,投加葡萄糖增加了水样中的碳源,促进了菌体的生长繁殖,从而提高对铬黑T的处理效率。但当葡萄糖浓度过高时,葡萄糖与铬黑T形成了竞争关系,菌体更倾向吸收葡萄糖作为碳源而拒绝难降解的铬黑T,导致铬黑T去除率降低。因此葡萄糖用量应介于0.4～0.8 g/L。

2.4 温度对铬黑T去除率的影响

取20 mg/L铬黑T模拟废水200 mL于250 mL锥形瓶中,投加10.0 g/L拟康宁木霉,分别在15、20、25、30、35、40 ℃下以140 r/min连续振荡反应20 h,结果如图4所示。当温度不超过30 ℃时,铬黑T去除率随温度提高而上升,之后继续提高环境温度则使处理效率降低。这与伍文宪等[22]所确定的拟康宁木霉最适生长温度为30 ℃相吻合。

图4 温度对铬黑T去除率的影响Fig.4 Effect of temperature on removal efficiency of chrome black T

2.5 转速对铬黑T去除率的影响

取20 mg/L铬黑T模拟废水200 mL于250 mL锥形瓶中,投加10.0 g/L拟康宁木霉,分别在0、20、60、100、140、180、220 r/min转速下以30 ℃连续振荡反应20 h,转速对拟康宁木霉处理铬黑T模拟废水的影响如图5所示。当转速为0～140 r/min时,铬黑T去除率随转速的增大而上升,当转速达到140 r/min后继续增大,处理效率呈现下降趋势。一定范围内,转速越大,菌体与水样混合得越均匀,使得菌体和水样有更大的接触面积和充分的接触时间,有利于菌体更好地吸附降解染料,提高去除率[23]。但当转速过大时,拟康宁木霉与染料分子的接触时间过短,而且菌体可能受到较大的剪切力影响而破裂,导致处理效率降低[24]。CUI等[25]研究表明,菌丝球形成时适当的转速能使菌丝球表面光滑、结构紧密,还能分离表面老化的菌丝,进而保持菌丝球的稳定性。综合考虑,最佳转速选择140 r/min。

图5 转速对铬黑T去除率的影响Fig.5 Effect of rotation speed on removal efficiency of chrome black T

2.6 拟康宁木霉处理铬黑T模拟废水的正交实验

为了探究最优反应条件,正交实验采用3因素3水平标准,实验结果如表2所示。由表2可得,转速、铬黑T初始浓度、投菌量均对拟康宁木霉处理铬黑T模拟废水的效果有影响,影响程度从大到小排列为:投菌量>转速>铬黑T初始浓度。正交实验所得拟康宁木霉处理铬黑T模拟废水的最优条件组合是:转速140 r/min,铬黑T初始质量浓度20 mg/L,投菌量7.5 g/L。在上述基础上投加0.4 g/L的葡萄糖,于30 ℃连续振荡20 h,结果显示铬黑T去除率为96.8%。

表2 正交实验结果Table 2 Result of the orthogonal test

2.7 拟康宁木霉处理铬黑T模拟废水的机理初探

为了确定拟康宁木霉对铬黑T是否具有降解作用,在最适处理条件下,对反应时间为4、16、20 h的铬黑T进行紫外可见光谱分析,观察其特征吸收峰吸光度的变化,结果如图6所示。由图6可知,处理后铬黑T的特征吸收峰吸光度降低,进而说明在拟康宁木霉处理铬黑T的脱色过程中存在降解作用[26]。真菌降解偶氮染料可分为两个阶段,其偶氮键首先被偶氮还原酶催化断裂,产生芳香胺类中间产物,最后再经一系列反应代谢生成苯胺类终产物。而铬黑T的特征吸收峰在235、544 nm处,其中544 nm处吸收峰可能由铬黑T的偶氮基团产生,经过20 h处理后产物在250 nm附近有较大的吸光度,说明可能存在苯环结构。铬黑T中的偶氮键可能先被拟康宁木霉分泌的偶氮还原酶还原断裂,最后经过系列反应代谢被降解成二羟基苯胺类化合物[27]。

图6 拟康宁木霉对铬黑T的降解机理Fig.6 Degradation mechanism of chrome black T byTrichoderma koningiopsis

2.8 拟康宁木霉处理铬黑T模拟废水吸附动力学研究

取质量浓度分别为5、10、15、20、25、30 mg/L的铬黑T模拟废水200 mL,投入10.0 g/L拟康宁木霉,在30 ℃、140 r/min下连续振荡反应,0～20 h内间隔取样。吸附量和平衡吸附量可分别通过式(1)和式(2)计算。

qt=(C0-Ct)/m

(1)

qe=(C0-Ce)/m

(2)

式中:qt和qe分别为拟康宁木霉对铬黑T的t时刻和平衡时的吸附量,mg/g;t为反应时间,h;C0、Ct和Ce分别为铬黑T初始、t时刻和平衡时的质量浓度,mg/L;m为投加菌量,g/L。

由图7可得,随着反应进行,拟康宁木霉菌对铬黑T的吸附量先增加后趋于平衡。当铬黑T初始质量浓度超过25 mg/L时,达到平衡的反应时间变长,平衡吸附量降低。采用Langmuir模型和Freundlich模型分别对拟康宁木霉吸附铬黑T的过程进行模拟,发现拟康宁木霉吸附铬黑T与Langmuir模型的拟合度更高,拟合系数(R2)为0.991 5,最大吸附量模拟值为3.292 mg/g,与实验值较接近,这说明拟康宁木霉对铬黑T的吸附为均质单层吸附。

图7 拟康宁木霉对不同初始质量浓度的铬黑T的吸附动力学曲线Fig.7 The adsorption kinetics curve of Trichoderma koningiopsis for different initial concentrations of chrome black T

由一级动力学反应公式得到式(3):

ln(C0/Ct)=kt+b

(3)

式中:k为反应常数,h-1;b为截距。

利用最佳条件下实验所得结果,以ln(C0/Ct)对t作图,得到R2=0.990 5,曲线拟合度较好(见图8),由此表明拟康宁木霉处理铬黑T染料反应为一级动力学反应。

图8 生物法处理铬黑T的动力学模型Fig.8 Kinetic model of biotreatment of chrome black T

2.9 拟康宁木霉处理混合染料的探究实验

选取了甲基紫、亚甲基蓝和中性红这3种常见的具有一定毒性的染料,分别与铬黑T混合,初步探究拟康宁木霉对混合染料废水的降解能力。混合染料处理前后的紫外可见光谱如图9所示。各混合染料处理后的整体吸光度都大大下降,铬黑T与亚甲基蓝,铬黑T与甲基紫,铬黑T与中性红,铬黑T与亚甲基蓝、甲基紫、中性红混合染料的吸光度分别减少了89.8%、91.2%、95.0%、91.5%,可见这4种含有铬黑T的混合染料都能被拟康宁木霉有效降解脱色。故拟康宁木霉不仅能高效去除铬黑T单一废水,未经过驯化加入其他染料,也能较好地抵抗其生物毒性,有望降解含有多种染料的水质成分复杂的染料废水,因此拟康宁木霉对于处理实际印染废水有很好的开发潜力。

注:不同染料均等量混合。

3 结 论

1) 通过研究反应时间、投菌量、铬黑T初始浓度、葡萄糖用量、转速和温度等条件对拟康宁木霉处理铬黑T模拟废水的单因素和正交实验,得到最优反应条件为:投菌量7.5 g/L,铬黑T初始质量浓度20 mg/L,转速140 r/min,投加0.4 g/L葡萄糖增加碳源,在30 ℃下处理20 h,铬黑T的去除率达到96.8%。去除率优于大部分同类文献中的方法,处理效果优异。但以单一菌种处理染料废水耗时较长,且无法处理高浓度染料废水。

2) 拟康宁木霉处理铬黑T染料的吸附属于均质单层吸附,反应遵循一级动力学模型,说明拟康宁木霉对铬黑T的处理是通过生物吸附与降解的协同作用而实现。

3) 拟康宁木霉不仅能有效处理铬黑T单一废水,在未驯化的情况下,加入铬黑T与亚甲基蓝、甲基紫和中性红等混合染料废水,去除率也能达到90%左右,具有很好的应用前景。