固定希瓦氏菌生物活性炭處理模擬染料廢水研究

桂震 姜中 程聰 蔡亞君

摘要：分離得到1株對(duì)染料活性艷紅X-3B具有高效降解作用的菌株，經(jīng)生理生化鑒定結(jié)合16S rDNA分析鑒定為希瓦氏菌屬，命名為Shewanella sp. 3Y。將該菌固定到活性炭上構(gòu)建了生物活性炭小試裝置，用其處理染料活性艷紅X-3B及與其結(jié)構(gòu)類似的7種活性染料模擬廢水時(shí)，水力停留時(shí)間2 h，對(duì)模擬染料廢水COD去除率均在90%以上，對(duì)色度去除率在70%以上，大部分達(dá)到90%以上，而對(duì)UV254的去除率差異較大。

關(guān)鍵詞：希瓦氏菌（Shewanella sp.）；生物活性炭；活性艷紅X-3B；染料模擬廢水

中圖分類號(hào)：Q89 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2015）21-5230-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.21.008

Shewanella sp. Strains Fixing on Activated Carbon Against the Simulated Dye Wastewater

GUI Zhen1，2，JIANG Zhong1，CHENG Cong1，CAI Ya-jun1

（1.Environmental Engineering College， Wuhan Textile University， Wuhan 430073， China；2. School of Food Engineering，

Wuchang Institute of Technology， Wuhan 430065， China）

Abstract： A strain which could degradated reactive brilliant red X-3B efficiently was screened and identified as Shewanella sp. by Vitek-32 Bacterial identification system and 16S rDNA analysis， was named Shewanella sp. 3Y. The strain was fixed on the activated carbon， and the effect of the resulting biological activated carbon colomn against several simulated dye wastewater were studied. Over 90% of COD，70% chroma （over 90% mostly） were removed in 2 h， and the removement efficient of UV254 had nothing in common with each other.

Key words： Shewanella sp.； biological activated carbon； reactive brilliant red X-3B； the simulated dye wastewater.

紡織印染行業(yè)是中國重要的支柱型民生產(chǎn)業(yè)，同時(shí)又是耗水耗能大戶，其COD排放量在中國39個(gè)行業(yè)中位居第二，廢水排放量為第三。紡織印染廢水有機(jī)污染物含量高、色度深、堿性大、水質(zhì)變化大，一直是難處理的工業(yè)廢水之一[1]。而隨著國家對(duì)于廢水排放標(biāo)準(zhǔn)的提高，對(duì)新型高效印染廢水處理技術(shù)的研究更是關(guān)系到其行業(yè)可持續(xù)發(fā)展。生物活性炭作為一種成熟的微污染水處理工藝，在傳統(tǒng)印染廢水二級(jí)生化處理仍不達(dá)標(biāo)的廢水深度處理上具有良好的應(yīng)用前景[2，3]。

本研究以印染工業(yè)中使用較多的活性染料為研究對(duì)象，選取代表性的染料活性艷紅X-3B為降解底物，從印染廢水中篩選出1株能夠高效降解該染料的菌種，并將其掛載于活性炭上構(gòu)建成生物活性炭，處理類似的活性染料模擬廢水，取得了較好的處理效果。

1 材料與方法

1.1 高效降解菌的分離及鑒定

將印染廢水按照1∶100加入50 mL 濃度分別為12.5、25.0、50.0、100.0、200.0 mg/L的活性艷紅X-3B模擬廢水[（活性艷紅X-3B 50 mg/L（濃度據(jù)需求加減），葡萄糖400 mg/L，（NH4）2SO4、KNO3、MgSO4、NaHCO3、CaCl2、KH2PO4 各40 mg/L，MnSO4 7.5 mg/L）]中，分別在0、50、100、150、200 r/min轉(zhuǎn)速下、30 ℃進(jìn)行培養(yǎng)，定期觀察培養(yǎng)基中菌體量與溶液顏色變化。將顏色完全褪去的培養(yǎng)物離心分離菌體，并用去離子水洗滌3次，后懸浮于無菌水中，采用十倍梯度稀釋法將其涂布于50 mg/L活性艷紅X-3B模擬廢水固體培養(yǎng)基上，30 ℃培養(yǎng)，觀察水解圈或平板褪色情況。將產(chǎn)生水解圈的菌落挑至5 mL 50 mg/L活性艷紅X-3B模擬廢水培養(yǎng)基中培養(yǎng)，采用測(cè)定活性艷紅X-3B特征吸收峰538 nm峰值變化檢測(cè)染料降解效果，選取效果較好的菌進(jìn)行純種分離，并通過16S rDNA與生理生化鑒定（通過美國VITEK32全自動(dòng)細(xì)菌鑒定系統(tǒng)）的方法進(jìn)行菌株鑒定。

1.2 生物活性炭小試裝置的構(gòu)建與運(yùn)行

活性炭柱的預(yù)處理：定制帶塞帶濾膜玻璃柱裝置1套（圖1），將用去離子水浸泡清洗后的活性炭（性質(zhì)見表1）裝填入裝置玻璃柱，高度40 cm。連接好裝置后，用活性艷紅X-3B模擬印染廢水循環(huán)浸泡活性炭，直至活性炭吸附趨于飽和，目測(cè)循環(huán)水體顏色接近廢水原色，不再變淺。

掛膜：將篩選到的高效降解菌在滅菌活性艷紅X-3B模擬廢水中擴(kuò)大培養(yǎng)。利用封閉循環(huán)的方式，將培養(yǎng)液1∶1 000添加至循環(huán)的供試廢水中，低速循環(huán)掛膜，以便菌體吸附停留在活性炭表面，直至循環(huán)水中渾濁的菌體濃度不再減小，視為掛膜結(jié)束。放掉循環(huán)水，用活性艷紅X-3B模擬印染廢水靜置數(shù)小時(shí)，查看出水顏色，出水顏色褪去，視為掛膜成功。

生物活性炭小試裝置的運(yùn)行：初步摸索活性炭柱運(yùn)行條件，考察不同溶解氧（DO）、水力停留時(shí)間（HRT）對(duì)取樣效果的影響。

取樣與測(cè)定：采用靜置（分批）處理的方法，將50 mg/L模擬染料廢水倒?jié)M小試裝置以后，定時(shí)取樣測(cè)定DO、COD、UV254及色度。COD為化學(xué)需氧量，本研究用來指示廢水中有機(jī)物的量，采用HACH-COD快速測(cè)定儀測(cè)定；UV254（OD254）是樣品在254 nm波長下的吸光度，在這個(gè)波長下，吸光度較大的是芳環(huán)、雙鍵共軛體系和一些羥基甲基共軛體系，因此常作為水中有機(jī)物測(cè)量的一個(gè)輔助指標(biāo)，特定水體中主要指一些難被生物利用的有機(jī)物。

裝置清洗：將活性炭倒出后，可以采用1 mol/L NaOH浸泡若干小時(shí)，清洗后再用1 mol/L 鹽酸浸泡，仍有部分濾膜堵塞時(shí)，可以用10%次氯酸鈉浸泡。浸泡完畢清洗干凈備用。

2 結(jié)果與分析

2.1 高效染料降解菌株的分離與鑒定

經(jīng)篩選得到1株對(duì)活性艷紅X-3B染料具有高效降解脫色效果的細(xì)菌，該菌在菌體量107～108 CFU/mL、溫度30 ℃時(shí)，10 h內(nèi)可使50 mg/L 以下濃度活性艷紅X-3B模擬廢水完全脫色，且對(duì)其他多種染料也有近似處理效果。該菌純化以后的形態(tài)、生理生化鑒定和16S rDNA序列鑒定結(jié)果如下。形態(tài)學(xué)結(jié)果：該菌在LB平板上培養(yǎng)時(shí)，菌落表面濕潤、光滑，淺黃色，不透明，邊緣整齊，呈凝滴狀（圖2A），菌體呈短桿狀（圖2B）。

生理生化鑒定：VITEK32細(xì)菌鑒定系統(tǒng)鑒定得到的生理生化結(jié)果見表2，鑒定結(jié)果表明該菌為希瓦氏菌（Shewanella sp.）。

將該菌的16S rDNA序列提交NCBI數(shù)據(jù)庫，進(jìn)行BLAST對(duì)比發(fā)現(xiàn)，該菌與所有希瓦氏菌屬（Shewanella）菌株16S rDNA相似性均達(dá)到90%以上，與廈門希瓦氏菌（Shewanella xiamenensis）S4菌株的16S rDNA序列相似性最高，達(dá)到98%（圖3），該菌初步可確定為S. xiamenensis，命名為S. xiamenensis 3Y。

2.2 生物活性炭小試裝置對(duì)活性艷紅X-3B模擬染料廢水的處理效果

由于本試驗(yàn)的裝置微小，使用的WT600-1F蠕動(dòng)泵最小進(jìn)水速度20 mL/min，依據(jù)最小進(jìn)水速度和最大容水體積折算出，若本裝置進(jìn)行連續(xù)運(yùn)行，其水力停留時(shí)間不足半小時(shí)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能保證生物活性炭與廢水的充分接觸，也不能與工業(yè)應(yīng)用保持一致，故采用靜置（分批）處理，每0.5 h取樣1次，檢測(cè)水力停留時(shí)間（HRT）對(duì)生物活性炭裝置處理效果的影響。由圖4可知，0.5 h之內(nèi)COD突降，可能是有解吸附的活性炭的吸附作用。

通過預(yù)處理試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過曝氣運(yùn)行處理的生物活性炭與沒有曝氣運(yùn)行的靜置處理3 h后結(jié)果差不多，但是曝氣運(yùn)行時(shí)出水在處理1 h就可以達(dá)到最佳，過程大大快于不曝氣過程。控制進(jìn)水溶氧約為7 mg/L，測(cè)定出水溶氧變化見圖5。對(duì)比COD變化趨勢(shì)發(fā)現(xiàn)，DO變化趨勢(shì)與其變化基本保持一致，這表明生物活性炭裝置中微生物降解有機(jī)物是需氧代謝過程，DO變化可指示微生物活動(dòng)情況。溶解氧在2 h降至最低值，3 h開始上升，說明微生物的降解活動(dòng)主要在2 h之內(nèi)完成，3 h之后可能產(chǎn)生次級(jí)代謝，實(shí)際應(yīng)用中從代謝角度選擇處理2 h比較合適。

綜合對(duì)比試驗(yàn)認(rèn)為，本裝置適合曝氣、靜置分批處理，處理時(shí)間控制在2～3 h內(nèi)即可。

將活性艷紅X-3B模擬印染廢水在構(gòu)建的生物活性炭小試裝置中靜置處理，每隔1 h取樣，監(jiān)測(cè)DO、COD、UV254、色度變化及其對(duì)應(yīng)去除率情況（圖6）。結(jié)果表明，生物活性炭小試裝置處理活性艷紅X-3B模擬廢水效果良好，3 h的COD去除率達(dá)到90%，色度去除率達(dá)97%。但是對(duì)UV254去除效果較差，僅能消耗約17%。

2.3 生物活性炭小試裝置對(duì)活性染料模擬廢水的處理效果

高效生物活性炭裝置處理7種與活性艷紅X-3B結(jié)構(gòu)類似的染料的模擬廢水，每處理1 h取樣檢測(cè)其COD、UV254、色度變化變化及其對(duì)應(yīng)去除率情況，結(jié)果見圖7、圖8、圖9。

由圖7可知，穩(wěn)定的生物活性炭裝置去除模擬廢水COD趨勢(shì)基本一致。2～3 h基本能夠?qū)OD降到50 mg/L以下，達(dá)到COD排放標(biāo)準(zhǔn)。從去除率變化曲線來看，2～3 h COD去除率基本達(dá)到90%以上，3 h結(jié)果相對(duì)穩(wěn)定，大部分達(dá)到最高去除率。但是從時(shí)間效率的角度講，工業(yè)應(yīng)用上采用處理2 h更加經(jīng)濟(jì)，當(dāng)然針對(duì)不同水質(zhì)應(yīng)區(qū)別對(duì)待。值得注意的是，本試驗(yàn)采用模擬廢水，使用葡萄糖替代有機(jī)物，跟實(shí)際廢水中復(fù)雜的有機(jī)物不能相比，所以實(shí)際廢水處理時(shí)可能沒有這么好的效果。但是結(jié)合試運(yùn)行結(jié)果及DO變化趨勢(shì)分析，COD變化趨勢(shì)是一致的，在裝置水力停留時(shí)間范圍內(nèi)變化較大，其后變化取決于微生物活動(dòng)狀態(tài)。圖中去除率的微小差別是由于不同染料的降解產(chǎn)物不同導(dǎo)致的，可能像酸性橙Ⅱ、活性艷紅X-3B等的降解產(chǎn)物不容易被再次降解或利用。

模擬廢水的色度主要是染料產(chǎn)生，染料的降解情況直接關(guān)系到色度大小，此外出水濁度對(duì)色度有一定影響，但是此處濁度情況基本一樣，就不予討論。選取7種以酸性橙為母核的不同染料的模擬廢水經(jīng)添加能高效降解活性艷紅X-3B菌種的生物活性炭處理的效果見圖8。由于色度測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)液為鉑鈷標(biāo)準(zhǔn)液，該方法測(cè)定出類似鉑鈷溶液顏色的樣品時(shí)結(jié)果偏大，故而圖中活性橙起始色度超出范圍。模擬廢水統(tǒng)一染料濃度為50 mg/L，實(shí)際染料的摩爾濃度不同，起始顏色深淺不一。由圖8可知，2～3 h色度基本達(dá)到200倍以下，去除率70%以上。但由于該添加菌降解不同染料的能力不同，導(dǎo)致處理效果差異較大。對(duì)于酸性橙、活性橙等結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的染料去除效果高達(dá)97%，而對(duì)于活性艷紅等也能達(dá)到85%（受濁度影響較實(shí)際偏?。珜?duì)活性紅等結(jié)構(gòu)稍微復(fù)雜的染料效果就差很多。從最終色度倍數(shù)看，只有酸性橙和活性艷紅達(dá)到100倍以下，其他均達(dá)不到回用和排放要求，故要想實(shí)際應(yīng)用，還必須改善裝置以提高其色度去除效果。

由圖9可知，不同染料的模擬廢水起始值差別較大，這是由于染料分子的結(jié)構(gòu)造成的。選取的染料處母核外，側(cè)鏈差異較大，譬如活性紅3BS和活性艷紅2K-2G側(cè)鏈集團(tuán)較大，UV254值相對(duì)高很多，酸性橙Ⅱ等則低得多。最終結(jié)果顯示的是不能被微生物降解的殘余基團(tuán)，同樣還是側(cè)鏈基團(tuán)影響最大。由圖9可知，活性紅3BS起始濃度較大，終濃度也不低，酸性橙Ⅱ起始濃度較低，終濃度也較低，結(jié)合它們的結(jié)構(gòu)分析，活性紅3BS側(cè)鏈基團(tuán)較大，而酸性橙則小得多。同時(shí)也印證了微生物的降解活動(dòng)主要針對(duì)該類染料的母核。除活性艷紅X-3B外，其他去除率在50%～70%，說明降解產(chǎn)物的影響依然很大。活性艷紅X-3B的降解率較低，推測(cè)可能與其側(cè)鏈特殊結(jié)構(gòu)有關(guān)?？傮w來看，UV254去除效果均不好，還需要后續(xù)處理。

3 小結(jié)與討論

本研究以實(shí)際工業(yè)應(yīng)用為目的，從探索和改良生物活性炭工藝出發(fā)，首先針對(duì)常用染料代表-活性艷紅X-3B篩選了一批能夠高效降解該染料的真菌和細(xì)菌，然后構(gòu)建了以獲得的高效降解細(xì)菌為主要微生物的生物活性炭裝置，并對(duì)活性艷紅X-3B及系列類似染料的模擬廢水進(jìn)行了處理，結(jié)果表明該菌在實(shí)驗(yàn)室小試中表現(xiàn)優(yōu)異，值得探索工程應(yīng)用條件。

模擬廢水離實(shí)際廢水還有一段差距，特別是在有機(jī)物成分方面，模擬廢水中采用的是容易被微生物利用的葡萄糖，但實(shí)際廢水中有淀粉漿料等多種復(fù)雜成分，甚至還有諸多難降解的有毒成分，因此本研究篩選到的菌株能否在實(shí)際廢水中生長良好是一個(gè)在應(yīng)用時(shí)需要考慮的問題。此外，該菌株對(duì)pH條件要求嚴(yán)格，且細(xì)菌本身對(duì)溫度等環(huán)境條件都比較敏感，在應(yīng)用中局限性較大，在開發(fā)此類工藝時(shí)需要認(rèn)真考慮。

本研究所用小試裝置較簡(jiǎn)單，在后期的更大規(guī)模的試驗(yàn)中，需要認(rèn)真考慮高徑比和水力停留時(shí)間等設(shè)計(jì)運(yùn)行參數(shù)，再結(jié)合高效菌種的降解效果，適當(dāng)添加常用去COD菌種，這樣效果將要提高許多。當(dāng)然必須考慮進(jìn)水pH和DO。如果出水的難生化性指標(biāo)仍舊偏高，可以采用臭氧等處理手段[4-6]，增加水質(zhì)可生化性，然后再稀釋進(jìn)水，可以使難生化指標(biāo)大大降低，又降低了運(yùn)行負(fù)荷。

本研究篩選到的3Y菌株屬于希瓦氏菌屬，希瓦氏菌屬里包含了超過40個(gè)的希瓦氏菌種。希瓦氏菌能將有機(jī)物轉(zhuǎn)換成能量，目前逐漸在醫(yī)學(xué)、環(huán)境科學(xué)、電化學(xué)、海洋生物學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域受到重視，尤其是由于其呼吸類型多樣性、已經(jīng)成為了最重要的產(chǎn)電微生物之一，如S. putrefaciens、S. oneidensis、S. xiamenensis等種的某些菌株均發(fā)現(xiàn)能產(chǎn)電[7-9]，且倪超等[9]發(fā)現(xiàn)S. xiamenensis BC01菌株能同時(shí)產(chǎn)電與處理染料。因此，本研究篩選到的S. xiamenensis 3Y菌株雖然對(duì)染料的脫色作用不如脫色希瓦氏菌[10]，但存在產(chǎn)電的潛力，對(duì)染料廢水污染處理同時(shí)能源回收再利用具有重要意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陸繼來，任洪強(qiáng).新排放標(biāo)準(zhǔn)的印染廢水深度處理技術(shù)進(jìn)展[J].工業(yè)水處理，2009，29（7）：7-10.

[2] 桂 震，黃運(yùn)平，蔡亞君.生物活性炭在印染廢水深度處理中的應(yīng)用進(jìn)展[J].廣州化工，2011，39（5）：20-22.

[3] KOZET A，F(xiàn)ERHAN C. Effect of type of granular activated carbon on DOC biodegradation in biological activated carbon filters[J]. Process Biochemistry， 2010， 45（3）：355-362.

[4] 姚建華，魏宏斌.臭氧/生物活性炭工藝深度處理焦化廢水[J].中國給水排水，2010，26（5）：109-111.

[5] 姚 宏，馬 放，田 盛，等.臭氧-固定化生物活性炭濾池深度處理石化廢水的試驗(yàn)研究[J].環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備，2005， 6（5）：83-86.

[6] 馬 放，楊海燕，楊基先，等.臭氧-固定化生物活性炭去除煤氣廢水中酚的研究[J].南京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，29（2）：226-230.

[7] KIM H J， PARK H S， HYUN M S， et al. A mediator-less microbial fuel cell using a metal reducing bacterium Shewanella putrefaciens[J]. Enzyme and Microbial Technology， 2002， 30（2）： 145-152.

[8] RINGEISEN B R， RAY R， LITTLE B. A miniature microbial fuel cell operating with an aerobic anode chamber[J]. Journal of Power Sources， 2007， 165（2）： 591-597.

[9] 倪 超，陳博彥，吳意珣，等.希瓦氏菌在雙槽式微生物燃料電池中同時(shí)產(chǎn)電與脫色的應(yīng)用及研究[J].廈門大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2014，53（4）：404-413.

[10] 許枚英， 孫國萍，郭 俊，等.脫色希瓦氏菌[P].中國專利：CN1621513A，2005.