以污泥水解液作為生物法處理偶氮染料廢水的共代謝基質(zhì)研究

＊李鑫 周集體 田天 基若菲 崔甜甜 劉寶村

（大連理工大學(xué) 工業(yè)生態(tài)與環(huán)境工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 遼寧 116024）

偶氮染料因其易于合成和實(shí)用穩(wěn)定性的特點(diǎn)，自問世以來便被廣泛應(yīng)用于染色、造紙、塑料、油漆、食品等多個(gè)領(lǐng)域[1-2]。大多數(shù)偶氮染料是人工合成的大分子化合物，通常具有一定的生物毒性，有些甚至具有“三致”作用，一旦進(jìn)入到環(huán)境中會(huì)嚴(yán)重危害環(huán)境質(zhì)量和人類健康[3]。染料廢水的處理方法有物理法（吸附法[4]、膜分離技術(shù)[5]）、化學(xué)法（臭氧氧化法[6]、化學(xué)混凝法[7]）和生物法[8]，其中，生物法因其有效且對(duì)環(huán)境友好的特征而被廣泛使用。共代謝作為一種能大幅提高難降解污染物的生物去除效果技術(shù)，在偶氮染料廢水處理方面，被認(rèn)為是極具前景的生物處理技術(shù)之一[9]。目前，利用共代謝技術(shù)處理染料廢水過程中所使用的底物主要有糖類、甲醇等物質(zhì)。Xie等人[10]利用木糖作為克雷伯氏菌的共代謝基質(zhì)對(duì)偶氮類、蒽醌類和三苯基甲烷類代表性的染料進(jìn)行脫色研究，結(jié)果表明，木糖提高了三種類別染料的脫色效率。Zhang等[11]探究了不同糖源（果糖、蔗糖、葡萄糖）結(jié)合酵母浸粉用于天然菌群DDMZ1的共代謝基質(zhì)對(duì)染料脫色的影響，結(jié)果表明3g/L的果糖和酵母浸粉可以使染料在48h的脫色率達(dá)到96%。Imran等[12]利用酵母浸粉作為希瓦氏菌處理偶氮染料的共代謝基質(zhì)，結(jié)果表明，投加8g/L酵母浸粉條件下，1h內(nèi)染料脫色率可以達(dá)到81%以上。以上研究證明了共代謝技術(shù)處理染料廢水的效果較好，但果糖、酵母浸粉等底物的使用也會(huì)加大處理成本，因此需要探尋一種廉價(jià)易得的碳源作為染料脫色的共代謝基質(zhì)。

剩余污泥作為污水生物處理技術(shù)中的副產(chǎn)物，每處理1萬噸污水將產(chǎn)生10～20噸污泥（以含水率90%計(jì)）[13]。剩余污泥中通常含有大量核酸、多糖、磷脂、蛋白質(zhì)和腐殖酸等物質(zhì)[14]，采用傳統(tǒng)剩余污泥處理工藝會(huì)造成污泥中可利用資源的浪費(fèi)，因此污泥資源化技術(shù)利用越來越受到人們的關(guān)注。為了盡可能多的獲取剩余污泥中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，學(xué)者采用不同的手段對(duì)污泥進(jìn)行預(yù)處理，其中，堿法預(yù)處理技術(shù)因其可以促進(jìn)水解反應(yīng)，對(duì)污泥的破解效果好，而被廣泛應(yīng)用于污泥的預(yù)處理。肖本益等[15]對(duì)比酸法、堿法和熱法對(duì)污泥的預(yù)處理效果表明，堿法處理效果最好，污泥破碎率可達(dá)58.4%。王開樂等[16]采用堿法破解污泥，利用得到的污泥水解液作為合成氨廢水的反硝化碳源，在最佳處理?xiàng)l件下的硝態(tài)氮去除率達(dá)到86%以上。雷太平[17]利用污泥堿解液和LB培養(yǎng)基結(jié)合來強(qiáng)化高鹽偶氮染料廢水的處理，染料脫色率于32h達(dá)到85%左右。目前，污泥水解液作為共代謝基質(zhì)提高染料廢水處理效果的研究相對(duì)有限，其處理機(jī)理尚不清楚，處理效果也有待提高。基于此，本研究通過探索不同堿水解時(shí)間的剩余污泥水解液作為生物法處理RB5的共代謝基質(zhì)，為實(shí)現(xiàn)偶氮染料廢水的處理和剩余污泥資源化利用提供參考。

1.材料與方法

(1)實(shí)驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)所用偶氮染料為活性黑5（RB5，C26H21N5Na4O19S6，CASNo.17095-24-8），特征波長(zhǎng)597nm。實(shí)驗(yàn)所使用的剩余污泥均取自大連市夏家河污泥處理廠。剩余污泥在使用前，首先經(jīng)30目篩網(wǎng)去除其中的砂粒等大塊雜質(zhì)，然后過篩后的污泥用去離子水清洗三次去除其中溶解性有機(jī)物及藥物殘留等，最后以10000rpm離心10min，收集沉淀部分，并將其含水率調(diào)至95%，即得到后續(xù)實(shí)驗(yàn)中需要的污泥，放置于4℃冰箱中保存。

(2)實(shí)驗(yàn)方法

①剩余污泥熱堿解

本研究以水解時(shí)間作為控制參數(shù)對(duì)剩余污泥進(jìn)行堿水解處理，取450mL的污泥溶液于1L的燒杯中，調(diào)節(jié)pH至13，放置于恒溫水浴鍋中（1200rpm，30℃）水解。將污泥水解液在10000rpm、4℃下離心10min，收集上清液，經(jīng)0.45μm的膜過濾后，得到污泥水解液樣品，放置于4℃冰箱中保存待用。

②脫色菌群培養(yǎng)

取3g預(yù)處理后的剩余污泥，接種到100mL的LB培養(yǎng)基中，在恒溫?fù)u床中（35℃，150rpm）活化14～16h。將活化好的污泥以10%（V/V）的接種率接種到含有RB5染料的馴化培養(yǎng)基中，在35℃下梯度（RB5濃度：50mg/L、100mg/L、150mg/L、200mg/L、250mg/L、300mg/L）培養(yǎng)，待到80%的染料脫色后，重新轉(zhuǎn)移到新的含染料的馴化培養(yǎng)基中。待得到的菌群對(duì)300mg/L的染料脫色率達(dá)到80%后，將菌群以10%（V/V）的接種率接種到馴化培養(yǎng)基中培養(yǎng)24h，最終得到對(duì)RB5具有脫色能力的混合菌群。LB培養(yǎng)基配方（g/L）：酵母浸粉5、胰蛋白胨 10、NaCl 10。馴化培養(yǎng)基配方（g/L）：NaCl 1、CaCl2·2H2O 0.1、MgSO4·H2O 0.5、KH2PO41、Na2HPO41、酵母浸粉 3。

③脫色實(shí)驗(yàn)

脫色實(shí)驗(yàn)在250mL的錐形瓶中進(jìn)行，利用得到的污泥水解液（將不同條件下得到的污泥水解液COD調(diào)至3000mg/L）作為共代謝底物，將培養(yǎng)好的菌群以10%（V/V）接種率接種到反應(yīng)體系中，加入200mg/L的RB5，在35℃下靜態(tài)培養(yǎng)，分別測(cè)定脫色24h和48h的脫色率、48h的COD去除率和微生物生長(zhǎng)情況，并檢測(cè)整個(gè)脫色過程中蛋白質(zhì)和多糖的濃度變化。

(3)分析方法

取1mL樣品，稀釋5倍，在10000rpm下離心5min后，利用紫外可見分光光度計(jì)測(cè)量上清液在597nm處的吸光度。

TCOD和SCOD的測(cè)定采用重鉻酸鉀法[18]。多糖的測(cè)定采用苯酚—硫酸比色法[19]。蛋白質(zhì)的測(cè)定采用考馬斯亮藍(lán)法[19]。

污泥水解液采用真空型傅里葉變換紅外光譜儀（VERTEX 80v0304040408）測(cè)定分析，掃描波長(zhǎng)為400～4000cm-1。采用GC-MS（GCMS-QP202003030706）檢測(cè)污泥水解液中的主要物質(zhì)。

2.結(jié)果與討論

(1)污泥熱堿解

為了探究水解時(shí)間對(duì)污泥破解效果的影響，本實(shí)驗(yàn)在30℃，pH=13，破解時(shí)間為8～16h的條件下對(duì)剩余污泥進(jìn)行堿解，從表1中可以看到，破解時(shí)間從8h升高至16h時(shí)，污泥破解率由42.3%提升到51.9%。在破解12h后污泥破解率隨時(shí)間變化幅度開始減弱，這說明堿解反應(yīng)逐漸接近尾聲。污泥水解液中蛋白質(zhì)、多糖含量隨破解時(shí)間的延長(zhǎng)呈現(xiàn)為上下波動(dòng)的變化趨勢(shì)，這可能是因?yàn)榈鞍踪|(zhì)和多糖在溶出的同時(shí)，也會(huì)被體系中的堿進(jìn)一步水解成小分子的有機(jī)酸，進(jìn)而導(dǎo)致整體體系中濃度的減少，最終呈現(xiàn)出上下波動(dòng)的趨勢(shì)[20]。

表1 不同水解時(shí)間條件下污泥水解液的參數(shù)

(2)RB5的脫色實(shí)驗(yàn)

本研究利用不同破解時(shí)間的水解液作為RB5染料脫色的共代謝基質(zhì)，分析污泥水解液作為染料的共代謝基質(zhì)的脫色情況，結(jié)果如圖1、圖2所示。

圖1 不同破解時(shí)間下得到的污泥水解液作為共代謝基質(zhì)的脫色對(duì)比

圖2 不同破解時(shí)間下得到的污泥水解液作為共代謝基質(zhì)的COD去除率和OD600對(duì)比

從圖1和圖2中可以看出，在不同破解時(shí)間下得到的污泥水解液作為RB5偶氮染料的共代謝基質(zhì)時(shí)，所有實(shí)驗(yàn)組在48h的脫色率都能達(dá)到85%以上，破解時(shí)間為12h的污泥水解液作為共代謝基質(zhì)的脫色效果最好，在脫色反應(yīng)進(jìn)行到24h和48h時(shí)分別能達(dá)到77.7%和90.5%的脫色率。脫色反應(yīng)進(jìn)行到48h的COD去除率和菌群生長(zhǎng)情況與脫色率的整體趨勢(shì)相符，都是在以12h的污泥水解液作為RB5共代謝基質(zhì)時(shí)效果最好，該體系的COD去除率能達(dá)到42.9%，OD600為0.887；8h和16h體系的脫色率相近，其中8h體系中的COD去除率最低，為31.9%，16h體系中的菌群生長(zhǎng)情況最差，OD600為0.661。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在30℃下堿解得到的污泥水解液作為共代謝基質(zhì)的最佳堿解時(shí)間為12h。

圖3和圖4是脫色反應(yīng)過程中多糖和蛋白質(zhì)含量的變化情況，從圖中可以看到，隨著脫色反應(yīng)的進(jìn)行，體系中多糖和蛋白質(zhì)濃度都在不斷下降，五個(gè)實(shí)驗(yàn)組中蛋白質(zhì)濃度在48h內(nèi)下降幅度為64.3～78.3mg/L，多糖濃度在48h內(nèi)下降幅度為51.5～91.0mg/L，說明脫色菌群在脫色反應(yīng)過程中會(huì)不斷消耗污泥水解液中的蛋白質(zhì)和多糖類物質(zhì)。污泥水解液中的蛋白質(zhì)和多糖在前24h消耗速率要快于后24h，這可能是因?yàn)榍?4h脫色菌群迅速生長(zhǎng)，會(huì)大量消耗污泥水解液中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，而且脫色反應(yīng)也主要發(fā)生在前24h。脫色實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，污泥水解液作為生物法處理染料廢水的共代謝基質(zhì)，可以促進(jìn)脫色菌群對(duì)偶氮染料的脫色降解。

圖3 不同破解時(shí)間下得到的污泥水解液作為共代謝基質(zhì)的脫色體系中多糖的變化情況

圖4 不同破解時(shí)間下得到的污泥水解液作為共代謝基質(zhì)的脫色體系中蛋白質(zhì)的變化情況

(3)污泥熱堿解液的成分分析

本實(shí)驗(yàn)對(duì)在30℃，pH=13條件下堿解12h得到的污泥水解液進(jìn)行了FTIR分析，其圖譜如圖5所示。針對(duì)污泥水解液的FTIR譜圖，對(duì)比文獻(xiàn)[21-23]進(jìn)行峰位置分析，3258cm-1為羧酸和醇中的-OH的振動(dòng)所致，2873cm-1為C-H伸縮振動(dòng)所致，1642cm-1為C=O的伸縮振動(dòng)或芳香基中的C=C的伸縮振動(dòng)所致，1407cm-1為脂肪族中的-CH2的振動(dòng)所致，1037cm-1為胺基化合物中的C-N伸縮振動(dòng)所致，858cm-1為芳烴中的C-H面外彎曲振動(dòng)所致，524cm-1處為直鏈烷烴的特征峰。FTIR分析說明污泥水解液中含有大量羧酸、羰基、芳香類和胺基類結(jié)構(gòu)。

圖5 30℃下堿解12h的污泥破解液的FTIR

為了更進(jìn)一步探究污泥水解液中的物質(zhì)組成，本研究對(duì)在30℃，pH=13，堿解12h條件下得到的污泥水解液進(jìn)行GC-MS分析，其結(jié)果如表2所示。表2總結(jié)了污泥水解液的GC-MS分析中相對(duì)含量大于1%的物質(zhì)。從表2中可以看到，30℃堿解12h的污泥水解液中以棕櫚酸、棕櫚油酸、1-(1-乙氧基乙氧基)丁烷、正己酸、順式-11-十六碳二烯酸為主，其含量分別為19.39%、14.29%、10.91%、5.93%、5.23%。其中，棕櫚酸、十四烷酸、月桂酸和硬脂酸都是常見的長(zhǎng)鏈脂肪酸，這些長(zhǎng)鏈脂肪酸可以被微生物及多種酶類分解成微生物易于利用的物質(zhì)[24]。除上述物質(zhì)外，污泥水解液中還含有一部分酯類、醇類、烷烴類物質(zhì)。從表中可以看出污泥熱堿解液中整體還是以大分子物質(zhì)居多，需要微生物進(jìn)一步分解后利用。

表2 污泥熱堿解液中的主要物質(zhì)

3.結(jié)論

（1）隨著水解反應(yīng)的進(jìn)行，污泥堿水解效果逐漸變好，COD溶出率逐步升高，而蛋白質(zhì)和多糖呈現(xiàn)上下波動(dòng)趨勢(shì)。水解12h得到的污泥水解液用作RB5脫色的共代謝基質(zhì)效果最佳。污泥水解液可以作為生物法處理偶氮染料廢水的共代謝基質(zhì)。

（2）FTIR和GC-MS結(jié)果表明污泥水解液中含有較多的酸類、醇類、酯類和烷烴類物質(zhì)，其中以棕櫚酸和棕櫚油酸兩種物質(zhì)占比最高。污泥水解液中以大分子物質(zhì)居多，需要微生物進(jìn)一步分解后利用。