硝酸鹽和硫酸鹽對厭氧還原甲基橙性能的影響

江利梅，聶麗君，韋明肯，向音波*

(1.廣東石油化工學院 環(huán)境科學與工程學院，廣東省石油化工污染過程與控制重點實驗室，廣東 茂名 525000；2.廣東石油化工學院 生物與食品工程學院，廣東 茂名 525000)

隨著印染工業(yè)的發(fā)展，染料的種類已超過10萬種[1]，總產量超過80萬t/a，我國染料產量占全球的40%，并且每年以30%的比例持續(xù)增長[2]。印染過程中會有10%～15%染料流入環(huán)境中，從而產生大量印染廢水[3-4]。目前，印染廢水每年排放量約為6×108～7×108t，占工業(yè)廢水排放總量的10%[5]。此外，印染廢水是一種難降解毒害性有機廢水[6]，其有機物含量高、穩(wěn)定性較好、可生化性差、色度高，具有致癌、致畸、致突變作用，對生態(tài)環(huán)境和人類健康造成巨大威脅，是目前最難處理的工業(yè)廢水之一[7-8]。因此，印染廢水造成的環(huán)境污染問題亟待解決。

甲基橙是典型的人工合成染料，也是較難降解的偶氮染料[9]。偶氮染料在微生物降解過程中第一步通常在厭氧條件下作為電子受體發(fā)生還原反應，斷裂偶氮鍵使其脫色[10]。由于人工染料在使用過程中通常會添加無機鹽如硝酸鈉、硫酸鈉、氯化鈉等來提高印染效率[11]，另外，印染廢水也可能排入含有硝酸鹽和硫酸鹽等其它電子受體類污染物的環(huán)境中。而這些電子受體類污染物可能在偶氮染料還原脫色過程中產生影響。多數研究者關注了高濃度電子受體對偶氮染料降解的影響[12]，而更符合污染環(huán)境條件的低濃度電子受體的影響鮮有報道。因此，本研究以甲基橙為模擬偶氮染料，探討環(huán)境中常見的低濃度硝酸鹽和硫酸鹽對厭氧降解甲基橙的影響，旨在為印染工業(yè)廢水生物處理及偶氮染料降解機理研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 實驗儀器與試劑

實驗主要儀器：電子天平(FA204N，上海菁華科技儀器有限公司)、精密恒溫培養(yǎng)箱(WPX-9152，上?？坪銓崢I(yè)發(fā)展有限公司)、標準COD消解器(HCA-100，泰州市華晨儀器有限公司)、離子色譜儀(ICS-600，Dionex)、冰箱(BCD-215KALM，海爾)、紫外可見分光光度計(UV-2550，島津)等。

磷酸鹽培養(yǎng)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)；乙酸鈉(0.5 g/L)。模擬印染廢水：LM培養(yǎng)基中加入100 mg/L[5]的甲基橙(Methyl Orange，MO)。添加硫酸鈉或硝酸鈉的濃度均為6 mM。

1.2 厭氧實驗裝置的啟動與運行

脫色菌群富集：取采自廣東某池塘的厭氧底泥10 g，接入到裝有90 mL模擬印染廢水中(甲基橙濃度為100 mg/L)，然后通氮氣10min，以趕走培養(yǎng)瓶中的氧氣，置于30℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)5d(脫色率達到80%以上)，更換新的模擬印染廢水。如此循環(huán)三次后獲得脫色菌群富集液。

實驗裝置及運行：實驗裝置采用總容積為120 mL的細口密封玻璃瓶，加入100 mL模擬印染廢水。以脫色菌群富集液作為接種物，接種量為10%。實驗設置包括：對照組(LM+100 mg/L MO)、硫酸鹽組(LM+6 mM Sulfate)、硫酸鹽與甲基橙組(LM+6 mM Sulfate+100 mg/L MO)、硝酸鹽組(LM+6 mM Nitrate)和硝酸鹽與甲基橙組(LM+6 mM Nitrate+100 mg/L MO)，每組做三個平行，置于30℃恒溫培養(yǎng)箱中密封培養(yǎng)。通過一次性注射器定時定量取樣，以保證體系整個周期維持厭氧狀態(tài)。

1.3 分析及計算方法

COD測定：采用中華人民共和國家環(huán)境保護標準(HJ 828-2017)重鉻酸鹽法。微生物生物量測定：采用紫外可見分光光度計，測定OD600值。硝酸鹽和硫酸鹽濃度測定：采用離子色譜測定法。甲基橙脫色率計算公式如下：

(其中，q為脫色率，A0為初始時刻樣品的OD464值；At為t時刻樣品的OD464值。)

2 結果與討論

2.1 不同電子受體對甲基橙脫色性能的影響

偶氮染料脫色是其作為電子受體獲得電子使偶氮鍵斷裂的過程，因此，其脫色過程會受其它電子受體還原過程的影響。從圖2可看出，不同外源電子受體對甲基橙脫色性能的影響效果不同。6 mM硝酸鹽抑制甲基橙脫色。在前2d運行過程中，對照組的脫色率快速上升到67.36%，而添加硝酸鹽組的脫色率只有15.62%。在整個培養(yǎng)周期添加硝酸鹽組的最大脫色率為25.67%，而對照組最大脫色率為78.57%。這可能由于硝酸鹽濃度較大，在硝酸鹽還原過程中競爭電子抑制偶氮還原。另外，添加6 mM硫酸鹽顯著促進甲基橙的還原脫色。這種促進作用在實驗運行前2d內最明顯，從圖1可看出，添加硫酸鹽后甲基橙即快速脫色，對照組第0.5 d、第1 d和第1.5 d的脫色率分別為0.3%、16.23%和36.32%，而添加硫酸鹽的脫色率分別為22.12%、33.0%和63.53%，脫色速率提高約2倍。

圖1 甲基橙的脫色效率

表1系統(tǒng)總結了培養(yǎng)2d內的性能，進一步揭示6 mM硫酸鹽促進甲基橙脫色，而6 mM硝酸鹽抑制甲基橙脫色。在培養(yǎng)2d內，對照組和添加硫酸鹽組對甲基橙的脫色效率分別為3.37 mg/d和3.6 mg/d，而添加硝酸鹽組只有0.78 mg/d。推測外源電子受體對偶氮染料降解的影響可能與電子受體濃度和偶氮染料的濃度及性質有關。其他學者研究認為，低濃度的硝酸鹽對偶氮染料脫色基本無影響，高濃度硝酸鹽和硫酸鹽抑制偶氮染料脫色。例如，Meng等人發(fā)現0.12～1.06 mM硝酸鹽和70.4～211.21 mM硫酸鹽對酸性紅27的還原脫色基本沒有影響，而高于此濃度的兩種外源電子受體均表現出抑制作用[13]。周思懿等人發(fā)現硫酸鹽的濃度大于281.61 mM或硝酸鹽濃度高于2.35 mM抑制了酸性大紅GR脫色，并且其抑制作用隨硫酸鈉和硝酸鹽濃度增加而增加[12]。郭光等人同樣發(fā)現相同濃度下硝酸鹽對偶氮染料脫色的抑制作用強于硫酸鹽[14]。本研究發(fā)現，較低濃度硫酸鹽對偶氮染料有促進作用，可能是厭氧污泥在硫酸鹽還原過程中脫硫弧菌大量富集，而這些脫硫弧菌具有脫色能力[15]，同時有研究報道硫酸鹽還原產生的代謝產物硫化物能作為還原劑對偶氮染料進行化學還原[16]。因此，在厭氧條件下低濃度的硫酸鹽促進偶氮染料脫色，這對偶氮染料廢水厭氧生物降解具有一定積極作用。

表1 系統(tǒng)運行前2d的性能對比

2.2 不同電子受體的還原速率

圖2所示為硝酸鹽和硫酸鹽濃度隨時間變化曲線。由該圖可看出，硝酸鹽和硫酸鹽在實驗前2d內被快速還原，而甲基橙略微抑制了硝酸鹽和硫酸鹽還原。在運行的第2d，無甲基橙實驗組的硝酸鹽和硫酸鹽濃度分別降至1.13 mM和1.85 mM，而有甲基橙的實驗組的硝酸鹽和硫酸鹽的分別降為1.45 mM和2.31 mM，抑制效果為5.3%～7.69%。而且，從表1也進一步顯示前2d內只有硫酸鹽和硫酸鹽與甲基橙共存條件下硫酸根還原效率分別為19.81 mg/d和17.63 mg/d，只有硝酸鹽和硝酸鹽與甲基橙共存在下的硝酸根還原效率分別為15.26 mg/d和14.26 mg/d。這可能由于偶氮染料的降解產物芳香胺類物質對微生物存在一定的毒性[5，17]，從而降低電子受體的還原速率。結合圖1可看出，6 mM硫酸鹽條件下，富集的混合菌群在厭氧條件下能同時進行硫酸鹽還原和偶氮還原，并且硫酸鹽還原過程促進偶氮還原過程。而在6 mM硝酸鹽條件下，混合菌群優(yōu)先進行硝酸鹽還原，硝酸鹽還原抑制偶氮還原過程。這和其它學者的研究結果相同，可能由于硝酸鹽的氧化還原電位較高，抑制了微生物的偶氮還原酶活性[18]。

圖2 外源電子受體濃度變化

2.3 不同電子受體對COD去除效率的影響

外源電子受體對COD去除效率的影響如圖4所示。添加6 mM硝酸鈉和6 mM硫酸鹽顯著提高了體系COD去除效率。實驗初始的COD濃度均在220 mg/L左右，運行4d后，對照組的COD下降到183.33 mg/L，降解了36.34%，而添加硝酸鈉或硫酸鈉后COD下降到96～108 mg/L，降解了62.5%～66.67%，與對照相比，COD去除效率提高了1.72～1.83倍。表1顯示前2d對照組、硫酸鹽組、硫酸鹽與甲基橙組、硝酸鹽組和硝酸鹽和甲基橙組的COD去除效率分別為4.83 ,7.52 ,8.6,7.57 mg/d和7.7 mg/d。結合圖2可推測，外源電子受體消耗使前4d內COD被快速降解。這可能是由于外源電子受體的添加會增加電子供體(COD)的消耗，從而提高體系的COD去除效率。同時發(fā)現，與只有硫酸鹽實驗組相比，硫酸鹽與甲基橙共存COD去除效率更高，而與只有硝酸鹽實驗組相比，硝酸鹽與偶氮染料共存對COD降解并無明顯優(yōu)勢。這進一步說明了混合菌群在厭氧條件下能同時發(fā)生硫酸鹽還原和偶氮還原，而硝酸鹽還原過程抑制偶氮還原。這可能由于標準氧化還原電勢下硝酸鹽(Eh = +360 mV)>硫酸鹽(Eh = -100 mV)和某些偶氮染料[19]，使硝酸鹽優(yōu)先被還原，同時消耗大量COD。

圖3 COD的濃度變化情況

2.4 添加不同電子受體對微生物生長的影響

為進一步探索電子受體和偶氮染料對微生物活性的影響，以OD600值作為微生物生物量繪制生長曲線，結果如圖4所示，從該圖可看出，添加硝酸鹽和硫酸鹽均增加了實驗體系中微生物的生物量，特別是硝酸鹽對生物量的促進作用尤為明顯。實驗運行1d后，添加硝酸鹽組的OD600值迅速上升至0.218～0.221，而對照組和添加硫酸鹽組的OD600值分別為0.084和0.093～0.11。實驗運行4d后，與對照相比，添加硫酸鹽OD600值提高了1.24～1.31倍，添加硝酸鹽的OD600值提高1.35～1.44倍。只有硝酸鹽和硝酸鹽與甲基橙共存實驗組的OD600值差異不明顯。這說明硝酸鹽還原過程促進微生物生長。而硫酸鹽和甲基橙共存組比單獨硫酸鹽組的OD600值略高。說明硫酸鹽還原過程和甲基橙還原過程能同時發(fā)生，共同增加微生物生物量。以上數據表明，硝酸鹽是最優(yōu)級電子受體、硫酸鹽和甲基橙次之。結合圖1可進一步看出添加硝酸鹽雖能刺激微生物的生長活性，但抑制了偶氮還原過程。而添加硫酸鹽可同時發(fā)生硫酸鹽還原和偶氮還原共同促進微生物生長，此外，有研究認為硫酸鹽還原菌具有偶氮還原性能[20]。因此，添加一定濃度硫酸鹽可提高生物量的同時，也能促進甲基橙脫色。培養(yǎng)2d后OD600值呈下降趨勢，這可能是營養(yǎng)物質被消耗，微生物缺乏營養(yǎng)生長代謝受到抑制，也可能是偶氮還原過程中產生有毒有害代謝產物[11]，抑制了微生物生長繁殖。

圖4 微生物生長的變化曲線

3 結論

(1)添加6 mM硝酸鹽條件下提高了混合菌群的生物量和COD去除效率，但抑制甲基橙的還原脫色。與甲基橙相比，硝酸鹽是優(yōu)先電子受體，使硝酸鹽在前2d內被快速消耗，與對照相比，體系中生物量增加了1.35～1.44倍， COD去除效率提高了1.72～1.83倍。但4d內甲基橙脫色率只有25.67%，遠低于對照組的75.72%。

(2)添加6 mM硫酸鹽條件下提高了混合菌群的生物量和COD去除效率，同時促進甲基橙還原脫色。該混合菌群可同時進行硫酸鹽還原和甲基橙脫色，與對照相比，體系中生物量增加了1.24～1.31倍，COD去除率提高了1.72～1.77倍，脫色速率提高了2倍。研究表明，低濃度硫酸鹽環(huán)境對偶氮染料廢水厭氧生物處理具有一定積極作用。