海藻酸鈉-活性炭固定化藻菌球的制備及其對(duì)堿性橙Ⅱ的降解

趙聯(lián)芳,丁奎元,于雪晴 (1.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院,江蘇 南京 210098；2.河海大學(xué),淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210098)

印染廢水是紡織業(yè)中的主要污染源之一,約70%的染料由偶氮染料組成[1-2].其中,堿性橙Ⅱ是一種典型的堿性陽(yáng)離子偶氮染料[3],廣泛應(yīng)用于紡織、皮革、紙張等的染色.堿性橙Ⅱ廢水釋放到水體中會(huì)產(chǎn)生明顯的色度,其降解中間產(chǎn)物具有劇毒性、致突變性和致癌性[4],嚴(yán)重威脅生態(tài)環(huán)境.并且與陰離子染料相比,陽(yáng)離子染料毒性更強(qiáng),它們易與帶負(fù)電荷的細(xì)胞膜表面相互作用進(jìn)入細(xì)胞,從而產(chǎn)生健康問題[5],因此有效降解水體中的堿性橙Ⅱ十分重要.目前常用的處理方法有物理、化學(xué)以及生物法[6-8].物理法和化學(xué)法因其成本高、能耗大、產(chǎn)生二次污染等缺點(diǎn)而受到很大限制[9],相較之下生物法操作方便,更具有成本效益和環(huán)境可持續(xù)性[10].然而,隨著排放標(biāo)準(zhǔn)的提高以及印染廢水高毒性的特點(diǎn),傳統(tǒng)的活性污泥法已經(jīng)逐漸不能滿足出水要求[11].近年來(lái),研究者將藻類與活性污泥結(jié)合處理染料,發(fā)現(xiàn)相較于單一的處理工藝有更好的處理效果[11-12].細(xì)菌和藻類之間可以通過氣體和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的交換形成共生系統(tǒng),不僅可以提高處理效率還能增強(qiáng)系統(tǒng)的耐受能力[13-14].但是傳統(tǒng)的懸浮型菌藻系統(tǒng)生物量易流失,穩(wěn)定性較差[15],在應(yīng)用中受到一定的限制.相比之下,固定化菌藻系統(tǒng)因具有微生物密度高、分離提取操作簡(jiǎn)單、可重復(fù)利用,抵抗性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)而受到研究者的青睞[16].

海藻酸鈉(SA)包埋法是目前常用的一種固定化技術(shù),其形成的凝膠球具有良好的穩(wěn)定性[17].包埋材料帶來(lái)的擴(kuò)散阻力導(dǎo)致的缺氧環(huán)境有助于膠球內(nèi)好氧-厭氧多層環(huán)境的形成和不同微生物群落的增殖[18],為偶氮染料的降解創(chuàng)造了環(huán)境條件.有研究表明在包埋時(shí)添加活性炭(AC)可以增加固定化膠球內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu),從而顯著提高傳質(zhì)性能[19],促進(jìn)污染物與微生物的接觸,改善包埋法機(jī)械強(qiáng)度差的缺點(diǎn)[20].此外AC 表面有豐富的含氧官能團(tuán),這為陽(yáng)離子染料在AC 上的高效吸附提供了基礎(chǔ)[21].在目前的研究中,利用SA-AC 固定化藻菌系統(tǒng)處理偶氮染料廢水的研究還鮮見報(bào)道.

因此,本研究以偶氮染料堿性橙Ⅱ?yàn)槟繕?biāo)污染物,以SA 和AC 為固定化材料,采用響應(yīng)面法對(duì)固定化藻菌球的制備條件進(jìn)行優(yōu)化,并用掃描電鏡(SEM)觀察了藻菌球的外部和內(nèi)部結(jié)構(gòu).為考察藻菌球的處理效果,研究了進(jìn)水染料濃度、pH 值和光照強(qiáng)度等因素的影響,并采用紫外-可見全波長(zhǎng)和GC-MS掃描法進(jìn)一步分析了堿性橙Ⅱ的降解過程.該研究為探索菌藻共生系統(tǒng)處理偶氮染料廢水提供了一定的理論參考.

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

活性污泥取自安徽某印染廠的水解池.取回后加入蒸餾水對(duì)污泥進(jìn)行洗滌,去除污泥表面吸附的雜質(zhì).接種藻類取自南京某污水廠的二沉池出水堰壁,靜置棄去上清液,經(jīng)200 目篩網(wǎng)過濾后得到藻類懸浮液,接種于BG11 培養(yǎng)基,并置于光照培養(yǎng)箱中擴(kuò)大培養(yǎng)(光強(qiáng):2030lux,溫度:25 ℃,光照周期:12h/12h).

椰殼活性炭(DAIZEN)經(jīng)研磨過篩后得到粒度為40～80 目的顆?；钚蕴?使用前用蒸餾水加熱煮沸,105℃下干燥箱(GZX-9070)內(nèi)烘干后裝入封口袋備用.所用SA 及CaCl2均為分析純.本試驗(yàn)采用人工配水,主要成分和微量元素濃度[22]如表1 所示.采用的偶氮染料為堿性橙Ⅱ(Aladdin),分析純,分子式為C12H12N4?HCl,分子量為248.72.

表1 人工配水方案Table 1 Synthetic wastewater distribution scheme

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 固定化菌藻球的制備 藻菌球的制作流程見圖1.活性污泥(MLSS=4～6g/L)和微藻(OD680=1.154)經(jīng)4000r/min、離心10min 后收獲,之后重新充分懸浮在蒸餾水中后再次離心,重復(fù)3 次洗去培養(yǎng)成分殘留,防止其對(duì)實(shí)驗(yàn)的干擾.將一定含量的SA和AC 加入到蒸餾水中溶解,放到120℃高壓滅菌鍋(SYQ-DSX-280B)內(nèi)滅菌20min,隨后加入一定含量離心得到的微藻和活性污泥.混合均勻后吸入注射器(12 號(hào)針頭)內(nèi),在離液面20cm 處將混合液滴入CaCl2溶液中形成直徑約為3～4mm 的凝珠,凝珠在CaCl2溶液中硬化.隨后用蒸餾水清洗3～4 次.

圖1 固定化藻菌球制作流程Fig.1 Production process of immobilised algal–bacteria pellets

通過前期單因素試驗(yàn)[23]對(duì)成球效果、傳質(zhì)性能、小球密度和小球機(jī)械強(qiáng)度的考察,確定最適CaCl2濃度為2%,固定化時(shí)間為14h,活性污泥和混合藻類的質(zhì)量比為2:1.SA 濃度、AC 濃度和菌藻混合物包埋量的最適取值范圍分別為2%～3%,0.5%～1%,0.5%～1.5%.考慮到SA 濃度、AC 濃度和菌藻混合物包埋量對(duì)藻菌球脫色和降解堿性橙Ⅱ的效果有重要影響,根據(jù)Box-Behnken 原理設(shè)計(jì)3 因素3水平響應(yīng)面試驗(yàn),對(duì)這3 個(gè)固定化參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化,試驗(yàn)設(shè)計(jì)見表2.將20mL 制成的藻菌球接種入內(nèi)裝200mL 上述人工配水(堿性橙Ⅱ:50mg/L,葡萄糖:200mg/L,pH 值:7.0)的250mL厭氧瓶中,使用全光譜照燈(Ledesk)提供光照,光照強(qiáng)度為8000lux,光照周期為14h/10h.靜置反應(yīng)72h 后,以脫色率為考察指標(biāo),對(duì)結(jié)果進(jìn)行響應(yīng)面回歸分析.

表2 響應(yīng)面設(shè)計(jì)因素及水平Table 2 Factors and levels of the response surface experiment

1.2.2 藻菌球的活化 由于活性污泥和混合藻類經(jīng)包埋后微生物増殖能力和酶活性均有一定程度的降低,為使其恢復(fù)活性,取得更好的處理效果,對(duì)制備得到的、藻菌球進(jìn)行活化:將采用最佳制備參數(shù)條件制成的藻菌球加入內(nèi)裝 200mL 人工合成廢水的250mL 厭氧瓶中,進(jìn)水條件及光照條件與響應(yīng)面法一致.藻菌球與廢水的體積比為 1:10,搖動(dòng)攪拌使藻菌球與堿性橙Ⅱ廢水充分接觸,之后靜置反應(yīng)72h.

1.2.3 堿性橙II 的降解效果 在最佳固定化條件下制備并經(jīng)上述響應(yīng)面法試驗(yàn)條件馴化72h 得到藻菌球,之后改變進(jìn)水染料濃度、pH 值和外加光照強(qiáng)度,在進(jìn)水后反應(yīng)10, 24, 34, 48, 58, 72h 時(shí)進(jìn)行取樣,檢測(cè)水體中的堿性橙Ⅱ濃度和總有機(jī)碳(TOC)含量,考察藻菌球在多種進(jìn)水條件下對(duì)堿性橙Ⅱ的處理效果.當(dāng)進(jìn)水染料濃度為100mg/L,pH 值為7.0,外加光照強(qiáng)度為8000lux 時(shí)降解效果較好,因此在該條件下對(duì)試驗(yàn)組出水中的物質(zhì)進(jìn)行測(cè)定紫外-可見光全波長(zhǎng)(UV-vis)掃描和氣相質(zhì)譜聯(lián)用分析(GC-MS)以分析堿性橙Ⅱ的降解過程.

1.3 測(cè)試和分析方法

通過紫外分光光度計(jì)全波長(zhǎng)掃描發(fā)現(xiàn)堿性橙Ⅱ最大吸收波長(zhǎng)為406nm,在此波長(zhǎng)下得到染料濃度與吸光度的線性關(guān)系,由此可得到試驗(yàn)水樣中的染料濃度.利用TOC 測(cè)定儀(V CPN,日本島津)測(cè)定水樣TOC.脫色率和TOC 去除率按照以下公式進(jìn)行計(jì)算:

式中:A0和At分別為進(jìn)水和出水在相應(yīng)波長(zhǎng)下的吸光度.TOC0和TOCt分別為進(jìn)水和出水的TOC 值,mg/L.

活化前后藻菌球的外部和內(nèi)部特征采用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察,采用pH 計(jì)(PHS-3G,雷磁)確定水樣的pH 值.采用便攜式溶氧儀(JPB-607A,雷磁)測(cè)定DO 濃度.

本試驗(yàn)對(duì)每個(gè)指標(biāo)收集3 個(gè)平行樣.采用平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差(μ±σ)的統(tǒng)計(jì)學(xué)結(jié)果進(jìn)行表達(dá),計(jì)算出試驗(yàn)結(jié)果可能達(dá)到的準(zhǔn)確范圍.

2 結(jié)果與討論

2.1 藻菌球制備條件優(yōu)化

以SA 濃度、AC 濃度、菌藻混合物包埋量為考察因素,脫色率為響應(yīng)值,經(jīng)Box-Behnken 試驗(yàn)設(shè)計(jì)共得到17 組實(shí)驗(yàn)點(diǎn).其中,13～17 為中心點(diǎn),共進(jìn)行了5 次,用來(lái)估計(jì)誤差.試驗(yàn)結(jié)果見表3.

表3 響應(yīng)面法試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Results of the response surface experiment

對(duì)結(jié)果進(jìn)行響應(yīng)面分析,得到脫色率(R)與SA濃度(A)、AC 濃度(B)和菌藻混合物包埋量(C)之間的多元回歸方程為:

回歸方程的方差分析見表4.

表4 回歸模型方差分析Table 4 Analysis of variance in regression model

模型的P值<0.0001,達(dá)到非常顯著水平,表明模型可靠;模型的失擬項(xiàng)P值為0.0831,大于0.05,不顯著,說明模型無(wú)失擬因素,在試驗(yàn)范圍內(nèi)擬合情況好.因此,該模型可靠度高,能夠進(jìn)行預(yù)測(cè)分析.

對(duì)回歸方程系數(shù)進(jìn)行檢驗(yàn),對(duì)響應(yīng)值脫色率的影響達(dá)到非常顯著水平的有一次項(xiàng)B、C,二次項(xiàng)A2、B2和C2,影響達(dá)到顯著水平的有交互項(xiàng)BC.因此,SA濃度、AC 濃度和固定化生物量都對(duì)脫色效果具有顯著影響.且AC 濃度和固定化生物量存在顯著的交互影響.通過F值和P值的大小可以判定回歸方程中各系數(shù)對(duì)響應(yīng)值脫色率的影響強(qiáng)弱,F值越大、P值越小,則該系數(shù)的影響越大;模型回歸方程中系數(shù)的絕對(duì)值也能反映該項(xiàng)對(duì)于脫色率的影響強(qiáng)度,絕對(duì)值越大該系數(shù)影響越大.因此,根據(jù)結(jié)果,各單因素的影響排序?yàn)锽≥C>A,即AC 濃度≥固定化生物量>SA 濃度.

固定1 個(gè)因素在中心值,考察其余2 個(gè)因素對(duì)脫色率的交互影響,響應(yīng)曲面圖和等高線圖如圖2所示.圖2a、b 中的響應(yīng)曲面走勢(shì)較平緩,等高線接近圓形,說明SA 濃度和AC 濃度、SA 濃度和固定化生物量的交互影響較弱.圖2c 中的響應(yīng)曲面走勢(shì)較陡,等高線呈橢圓形,說明AC 濃度和固定化生物量的交互影響較強(qiáng),與顯著性檢驗(yàn)的結(jié)果吻合.

圖2 兩因素交互作用對(duì)脫色率的影響Fig.2 Effects of the interaction of two factors on the decolourisation

利用Design Expert 軟件對(duì)二次模型進(jìn)行最優(yōu)值分析,得到最優(yōu)值即脫色率取得最大值時(shí)的最優(yōu)解如表5 所示.在此條件下進(jìn)行3 次驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn),得到脫色率分別為96.99%、98.07%、98.69%,相對(duì)誤差均值<1.5%.因此模型預(yù)測(cè)結(jié)果可靠,具有指導(dǎo)意義.

表5 模型驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Model validation test results

2.2 藻菌球的SEM 分析

由圖3A1 可見,活化前的藻菌球表面局部區(qū)域有球狀團(tuán)聚物.放大后(圖3A2)可以看到藻菌球表面呈現(xiàn)多層次扇形結(jié)構(gòu),具有較大的比表面積,有利于對(duì)堿性橙Ⅱ染料分子的吸附.由圖3B1 可見,活化后的藻菌球表面有多種形態(tài)的微生物附著生長(zhǎng),推測(cè)經(jīng)過一段時(shí)間的活化過程,包埋在小球內(nèi)部的微生物不斷生長(zhǎng)并在尋找合適的氧氣環(huán)境,部分穿過固定化載體并在小球的表面上附著生長(zhǎng).進(jìn)一步放大(圖3B2)發(fā)現(xiàn)微生物與固定化基質(zhì)緊密連接,且觀察到黏性物質(zhì),推測(cè)為藻菌共生系統(tǒng)產(chǎn)生的蛋白、多糖等胞外聚合物(EPS).EPS 一方面增強(qiáng)了包埋效果,有助于維持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性[24].另一方面也有利于藻和細(xì)菌對(duì)堿性橙Ⅱ毒性的抵抗作用.

圖3 活化前后藻菌球外表面SEM 圖Fig.3 SEM images of the outer surfaces of algal–bacteria spheres before and after activation

活化前的藻菌球內(nèi)部呈現(xiàn)為結(jié)構(gòu)致密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(圖4A1),放大(圖4A2)發(fā)現(xiàn)內(nèi)部存在著大量孔隙,允許反應(yīng)底物的傳遞.這些孔隙也保證了藻菌球的透光性,藻能夠正常進(jìn)行光合作用.此外,觀察到藻菌球各層網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)之間存在著絲狀物質(zhì),這可能是由于微生物分泌了EPS,EPS 的官能團(tuán)會(huì)與SA 發(fā)生交聯(lián)作用,改變凝膠球的內(nèi)部形貌[25].由圖4B1 可見,活化后藻菌球內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯的變化,藻和細(xì)菌的增殖生長(zhǎng)使得SA 凝膠中的孔隙被進(jìn)一步填充,結(jié)構(gòu)更為致密,但出現(xiàn)了形狀不規(guī)則的較大的孔洞,有利于污染物、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、氧氣和光照等的傳遞[26].進(jìn)一步放大后(圖4B2)可見,活化后的藻菌球內(nèi)部也存在著大量黏性物質(zhì)EPS,使得整體結(jié)構(gòu)更加緊密和穩(wěn)定.

圖4 活化前后藻菌球內(nèi)表面SEM 圖Fig.4 SEM images of the inner surfaces of algal–bacteria spheres before and after activation

2.3 進(jìn)水條件的影響

2.3.1 進(jìn)水染料濃度 在微生物降解染料的過程中,染料初始濃度對(duì)脫色反應(yīng)過程有較大影響[27-28].如圖5a 所示,進(jìn)水染料濃度從50mg/L 增加到250mg/L,72h 脫色率均達(dá)到90%以上;當(dāng)進(jìn)水染料濃度較低時(shí),脫色可以在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到良好的效果,當(dāng)進(jìn)水染料濃度過高時(shí)脫色效果會(huì)受到影響.如進(jìn)水染料濃度為50mg/L 時(shí),藻菌球在24h 內(nèi)對(duì)其脫色效果達(dá)到了96.5%,幾乎達(dá)到完全脫色,當(dāng)進(jìn)水染料濃度增加到200mg/L 時(shí),48h 內(nèi)脫色率為90%,當(dāng)進(jìn)水堿性橙II 濃度達(dá)到250mg/L 時(shí),雖然72h 脫色率仍有90%,但較之低進(jìn)水濃度脫色率明顯降低.分析認(rèn)為這可能是因?yàn)檩^高濃度的染料會(huì)對(duì)微生物產(chǎn)生更大的毒性,進(jìn)而抑制了微生物的活性,微生物需要更長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)適應(yīng),也可能是因?yàn)槿狈Ω叩纳锪繉?dǎo)致脫色率下降[29].另一方面,在馮曉麗[30]的研究中,固定化產(chǎn)電菌小球處理200mg/L 陽(yáng)離子染料X-GRL 時(shí),48h 脫色率僅為24.2%,意味著本研究制備的藻菌球中的藻類可能對(duì)堿性橙Ⅱ的脫色發(fā)揮了重要作用.藻細(xì)胞內(nèi)含有葉綠素及其他光和輔助色素,葉綠素在光照下會(huì)形成水和電子(eaq-)和電子空穴(Chl+),可與O2作用形成活性氧自由基(ROS)[31].由圖6可見,BQ 和TBA 的加入使得脫色率分別下降了4.87%和4.31%,表明藻在光作用下引發(fā)的·O2-和·OH 在藻菌球降解堿性橙Ⅱ的過程中發(fā)揮了一定的作用.

圖5 不同進(jìn)水染料濃度下脫色率、TOC 去除率、DO 濃度變化Fig.5 Changes in decolourisation rate, TOC removal rate and DO concentration change under different influent dye concentrations

圖6 不同捕獲劑對(duì)堿性橙Ⅱ降解效果的影響Fig.6 Effects of different capture agents on the degradation of basic orange Ⅱ

由圖5b 可見,TOC 濃度在前10h 內(nèi)迅速下降,但在10～24h 里緩慢回升,分析認(rèn)為是由于堿性橙II分解產(chǎn)生的大量小分子中間產(chǎn)物還未來(lái)得及發(fā)生礦化作用,仍然以有機(jī)態(tài)溶解于水中,導(dǎo)致系統(tǒng)TOC濃度上升[32],后文的UV-Vis 掃描和GC-MS 檢測(cè)分析也證實(shí)了此分析;在24～72h 內(nèi)TOC 濃度隨著時(shí)間呈現(xiàn)緩慢下降的趨勢(shì).最終在72h 內(nèi),藻菌球?qū)? 組不同進(jìn)水染料濃度堿性橙Ⅱ廢水的TOC 去除率分別為87.68%、89.31%、85.06%、79.25%.

根據(jù)對(duì)染料降解過程中水中DO 濃度的檢測(cè)(圖5c)可見,試驗(yàn)進(jìn)水DO 為(6.00 ± 0.25),各組試驗(yàn)在10h 后DO 均降到了0.30mg/L 以下,之后一直未超過0.30mg/L.考慮到藻類的存在,幾乎為零的DO濃度實(shí)際上反映了藻類光合作用和細(xì)菌呼吸的緊密耦合,即藻類產(chǎn)生的氧氣被細(xì)菌充分利用,細(xì)菌又為藻類產(chǎn)生CO2,這和Ji 等[33]的試驗(yàn)結(jié)果一致.因此推測(cè)認(rèn)為藻類光合作用產(chǎn)生氧氣使得固定化菌藻球中出現(xiàn)厭氧-好氧多層環(huán)境,這是藻菌球能夠基本實(shí)現(xiàn)中間降解產(chǎn)物徹底礦化,保證良好的TOC 去除效果的重要原因.

2.3.2 進(jìn)水pH 值 實(shí)際情況下偶氮染料廢水成分極其復(fù)雜,其中pH 值是影響微生物脫色效率的重要因素[34].它能通過影響細(xì)胞膜表面電荷性質(zhì)及通透性,干擾微生物對(duì)染料分子的吸收與轉(zhuǎn)運(yùn),限制微生物對(duì)染料的脫色[35].圖7 為不同進(jìn)水pH 值對(duì)堿性橙Ⅱ降解效果的影響,當(dāng)進(jìn)水pH 值在6.0～10.50 范圍內(nèi)時(shí),試驗(yàn)組72h 脫色率無(wú)顯著差異,均保持在97%以上,說明固定化處理在一定程度上提高了微生物對(duì)酸性環(huán)境和堿性環(huán)境的耐受能力,這是由于固定化基質(zhì)的傳質(zhì)屏障作用會(huì)阻礙H+向基質(zhì)中細(xì)胞的運(yùn)輸[36].此外,相比于單一活性污泥系統(tǒng),菌藻共生系統(tǒng)產(chǎn)生的EPS 濃度更高[37],也有助于其對(duì)于惡劣環(huán)境條件的適應(yīng).

圖7 不同進(jìn)水pH 值時(shí)試驗(yàn)組72h 脫色情況及TOC 去除情況Fig.7 Decolourisation and TOC removal in the experimental group at 72h under varying influent pH

TOC 的去除率在 pH 值為 7 時(shí)達(dá)到最高(89.31%),當(dāng)進(jìn)水pH 值分別為6.0、10.50 時(shí),試驗(yàn)組72h TOC 去除率分別降到了78.46%、74.82%,可見酸性或者堿性條件都會(huì)影響藻菌球?qū)OC 的去除.這是因?yàn)椴煌膒H 值會(huì)改變微藻中酶的結(jié)構(gòu)和活性[38],酸性或者堿性脅迫抑制了藻類生長(zhǎng)[39],藻類的光合速率降低,產(chǎn)氧能力下降.使得芳香胺類中間產(chǎn)物的進(jìn)一步降解受到影響.徐怡[40]利用固定化嗜鹽菌-杜氏藻共生系統(tǒng)處理腌制廢水時(shí)也得到類似的結(jié)果,當(dāng)初始pH 值分別為5.0 和9.0 時(shí),脫氮除磷效果較差.

2.3.3 光照強(qiáng)度 在自然條件下,由于白天和黑夜的交替,光照強(qiáng)度會(huì)發(fā)生變化.光通過調(diào)節(jié)營(yíng)養(yǎng)吸收、細(xì)胞原生質(zhì)合成和產(chǎn)物積累在微藻生長(zhǎng)中起著重要作用[41].本試驗(yàn)通過改變?nèi)庾V照燈與厭氧瓶底的距離改變外加光照強(qiáng)度,考察其對(duì)藻菌球降解堿性橙Ⅱ效果的影響,同時(shí)進(jìn)行空白對(duì)照,以探究純光照對(duì)堿性橙Ⅱ的降解作用,結(jié)果如圖8 所示.當(dāng)光照強(qiáng)度分別為2000, 8000, 16000lux 時(shí),試驗(yàn)組72h脫色率分別為93.42%、98.04%、92.76%;TOC 去除率分別為77.23%、89.31%、77.43%.空白組72h 脫色率分別為0.77%、3.34%、6.79%;TOC 去除率接近于0,因此忽略不計(jì).綜合來(lái)看,光照強(qiáng)度對(duì)各組脫色效果無(wú)顯著差異,但是對(duì)于TOC 的去除影響較為明顯.TOC 的去除主要依靠好氧微生物的作用,而藻類通過光合作用產(chǎn)生的氧氣對(duì)好氧微生物的生存至關(guān)重要[42].較低或較高的光照強(qiáng)度會(huì)導(dǎo)致光限制或光抑制現(xiàn)象,從而影響了微藻細(xì)胞的光和產(chǎn)氧[43].鄔容偉等[44]認(rèn)為小球藻光合作用的光飽和點(diǎn)在4217～10126lux 之間,當(dāng)光照強(qiáng)度超過這個(gè)范圍時(shí),藻類的生長(zhǎng)受到了抑制,進(jìn)而影響了好氧菌的活性,導(dǎo)致TOC 的去除率下降.可以看出,藻菌球?qū)A性橙Ⅱ降解的最佳光照強(qiáng)度為8000lux.

圖8 不同光照強(qiáng)度下試驗(yàn)組72h 脫色情況及TOC 去除情況Fig.8 Decolourisation and TOC removal in the experimental group at 72h under different light intensities

圖9 不同光照強(qiáng)度下空白組72h 脫色情況Fig.9 Decolourisation in the blank group at 72h under different light intensities

2.3.4 藻菌球的重復(fù)利用效果 本研究利用固定化藻菌球?qū)A性橙Ⅱ進(jìn)行了5 次重復(fù)降解試驗(yàn),脫色及TOC 去除情況如圖10 所示,材料耗損情況如圖11 所示.在第5 輪試驗(yàn)中,藻菌球的脫色率可以達(dá)到90.02%.TOC去除率可以達(dá)到89.43%,說明固定化藻菌球在5 次循環(huán)利用過程中的脫色和TOC 去除效果較為穩(wěn)定,雖會(huì)有部分損耗,但大部分藻菌球仍可保持較好的結(jié)構(gòu).

圖10 重復(fù)利用時(shí)藻菌球脫色及TOC 去除情況Fig.10 Decolourisation and TOC removal of algae balls during reuse

圖11 重復(fù)利用時(shí)藻菌球耗損情況Fig.11 Consumption of algae balls during reuse

藻菌球中葉綠素a 含量變化如圖12 所示,在循環(huán)利用過程中,藻菌球的葉綠素a 含量持續(xù)增加,說明藻類在偶氮染料廢水中保持了較高的活性,能夠進(jìn)行正常的光合作用并獲得較為理想的葉綠素a 積累.研究表明,藻菌共生系統(tǒng)能產(chǎn)生較高濃度的EPS,能夠有效促進(jìn)微生物的聚集,提高共生系統(tǒng)的穩(wěn)定性[37].

圖12 重復(fù)利用時(shí)兩個(gè)實(shí)驗(yàn)組葉綠素a 含量變化Fig.12 Changes in chlorophyll a content in the two experimental groups during repeated use

2.4 堿性橙Ⅱ的降解過程分析

采用UV-Vis 掃描和GC-MS 檢測(cè)分析堿性橙Ⅱ的轉(zhuǎn)化過程.圖13 為進(jìn)水及反應(yīng)10, 24, 34, 58,72h 出水的全波長(zhǎng)掃描結(jié)果.由圖13 可見,主要含有4 個(gè)吸收峰,分別是250, 340, 406, 449nm.其中,250nm處的吸收峰歸屬于芳烴或多環(huán)芳烴的本征吸收, 350nm 處的吸收峰是芳烴或多環(huán)芳烴與一些生色基團(tuán)相互作用的拓展吸收峰[45],406nm 是堿性橙Ⅱ的最大吸收峰[46],449nm 處的吸收峰歸屬于堿性橙Ⅱ的偶氮雙鍵的生色基團(tuán)及偶氮雙鍵形成的大共軛體系產(chǎn)生的吸收[47].隨著反應(yīng)的進(jìn)行,10h 時(shí)位于406nm 處的堿性橙Ⅱ吸收峰消失,位于449nm 附近的偶氮結(jié)構(gòu)吸收峰高度上升.研究表明,當(dāng)堿性橙Ⅱ溶于水中時(shí),會(huì)與水分子發(fā)生相互作用使其質(zhì)子化,吸收峰會(huì)從406nm 移到449nm[48].24h 時(shí)偶氮結(jié)構(gòu)吸收峰高度顯著下降,說明此時(shí)大量偶氮結(jié)構(gòu)被斷開,這與先前24h 脫色率達(dá)到73.57%相一致.24h時(shí)還出現(xiàn)了位于350nm 附近的降解中間產(chǎn)物的吸收峰,說明偶氮雙鍵斷開后生成了芳烴或多環(huán)芳烴,其環(huán)結(jié)構(gòu)此時(shí)還沒有被完全破壞,這與此時(shí)TOC 去除率僅為48.37%相符.34, 48h 出水中這幾處的吸收峰高度逐漸下降,58, 72h 出水中4 個(gè)的吸收峰幾乎全部消失,這意味著染料分子中偶氮鍵共軛體系以及芳香環(huán)結(jié)構(gòu)均遭到破壞而發(fā)生分解.

圖13 試驗(yàn)組水樣的全波長(zhǎng)掃描圖Fig.13 Full-wavelength scan spectra of water samples

為了進(jìn)一步明確堿性橙Ⅱ的降解中間產(chǎn)物,對(duì)試驗(yàn)組10, 24, 34, 72h 出水取樣進(jìn)行GC-MS 檢測(cè),各時(shí)段出水GC-MS 掃描圖如圖14 所示.由圖14a可見,10h 出水中出現(xiàn)保留時(shí)間分別為 3.04/4.28min、6.91min 的3-氨基苯甲酸和[(E)-甲氧基苯基甲亞基]羥胺,也檢測(cè)到保留時(shí)間為19.90min 的酯類物質(zhì),保留時(shí)間為15.58,16.79,17.94,19.04min 的直鏈烷烴.結(jié)合UV-Vis 掃描圖譜可知,此時(shí)水中同時(shí)存在偶氮結(jié)構(gòu)、苯環(huán)結(jié)構(gòu)及降解中間產(chǎn)物,由此推測(cè)偶氮雙鍵的裂解和中間降解產(chǎn)物的礦化是同步進(jìn)行的.24h 出水中直連烷烴和酯類物質(zhì)的豐度上升(圖14b),這與24h 出水的TOC 濃度回升的情況相吻合.一方面推測(cè)是由于芳香胺類中間產(chǎn)物的進(jìn)一步降解,生成更多分子量較小的脫色產(chǎn)物,這些脫色產(chǎn)物呈現(xiàn)更高的TOC[32].另一方面之前被AC 吸附的降解產(chǎn)物可能還未來(lái)得及被完全降解,又釋放到水體中.34h 出水中保留時(shí)間為6.93min 的芳香胺類物質(zhì)的相對(duì)豐度上升,直鏈烷烴和酯類物質(zhì)的相對(duì)豐度下降(圖14c).這與此時(shí)脫色率上升到94.71%,TOC 去除率僅達(dá)到54.30%相符.盡管72h 出水中仍有少量降解產(chǎn)物存在,各組分的相對(duì)豐度都已明顯降低(圖14d),與72h 時(shí)TOC 去除率為89.31%相符.

圖14 試驗(yàn)組不同時(shí)間水樣的GC-MS 掃描圖Fig.14 GC-MS scanning spectra of water samples at different times in the experimental group

結(jié)合以上分析,得到藻菌球生物降解堿性橙Ⅱ的可能路徑:首先在細(xì)菌和藻類作用下,偶氮雙鍵裂解生成芳香胺類中間產(chǎn)物.由于藻類光合作用產(chǎn)氧,藻菌共生系統(tǒng)中同時(shí)存在厭氧-好氧的微環(huán)境,這些脫色產(chǎn)物得到進(jìn)一步降解,芳香環(huán)結(jié)構(gòu)遭到破壞,生成不穩(wěn)定的直鏈烷烴,以及一些結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的酸類、酯類物質(zhì),進(jìn)而逐漸礦化成CO2和H2O.

3 結(jié)論

3.1 從響應(yīng)面分析結(jié)果可以得出,SA 濃度、AC 濃度和固定化生物量都對(duì)藻菌球的脫色效果具有顯著影響.藻菌球的最佳制備條件為:SA濃度為2.58%,CaCl2濃度為2%,AC 濃度為0.838%,固定化生物量為1.139%,其中泥和藻的質(zhì)量比為2:1,固定化時(shí)間為14h.

3.2 在進(jìn)水染料濃度為50～250mg/L 時(shí),進(jìn)水pH 值在6～10.5 范圍內(nèi),脫色率均可達(dá)到90%以上,TOC 的去除率在74%～90%之間.其中當(dāng)進(jìn)水染料濃度為100mg/L、pH=7.0±0.25,光照強(qiáng)度為(8000±500)lux時(shí),脫色率和TOC 去除率達(dá)到最高,分別為98.07%、89.31%.經(jīng)過5 次循環(huán)利用,藻菌球?qū)A性橙Ⅱ的脫色率和TOC 去除率仍能保持一個(gè)較高水平.

3.3 結(jié)合紫外-可見全波長(zhǎng)掃描和GC-MS 掃描圖譜分析推測(cè),堿性橙Ⅱ首先在細(xì)菌和藻類作用下,偶氮雙鍵裂解生成芳香胺類物質(zhì),然后在好氧環(huán)境下進(jìn)一步分解生成烷烴、酸類、酯類等物質(zhì),最終完全礦化生成CO2和H2O.藻菌球不僅實(shí)現(xiàn)高效脫色,而且最終將堿性橙Ⅱ完全降解.