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高盐条件下偶氮染料兼氧生物降解性能研究

发布日期:2014-05-09 14:10:36  来源:本站整理  将本页收藏至:QQ书签 百度收藏

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高盐条件下偶氮染料兼氧生物降解性能研究

                   高盐条件下偶氮染料兼氧生物降解性能研究
                 仝攀瑞1,雷弢1,陈方方1,王晓艳1,常向东2
    (1.西安工程大学环化学院,陕西西安710048;2.陕西省咸阳市华润印染有限责任公司,陕西咸阳712000)
    摘要:研究活性染料与不同浓度葡萄糖在共基质条件下的兼氧生物降解性能,在此基础上,研究K-2BP在不同盐浓度条件下的兼氧生物降解性能.选择K-2BP作为目标污染物进行静态反应器生物降解试验,结果表明:兼氧微生物在只有K-2BP作为基质时对染料的降解率较低;葡萄糖存在时,能提高兼氧生物对染料的降解能力,葡萄糖为800 mg/L时,6 h染料降解率为64.1%,而葡萄糖浓度为1 000 mg/L时,不利于染料降解,6 h染料降解率为46%,与不投加葡萄糖情况的降解率接近.葡萄糖浓度为800mg/L,盐浓度分别为2,5,10和20 g/L,其一级降解动力常数分别为0.105 78,0.049 47,0.028 69,0.022 75 mg/L·h;半衰期分别为6.99,14.15,22.55,30.21 h.随盐浓度梯度升高,染料的兼氧降解动力学常数逐渐降低,当盐浓度超过2 g/L时,会抑制兼氧微生物对染料的降解.
    关键词:高盐条件;偶氮染料;兼性厌氧;生物降解
    中图分类号:X791文献标志码:A doi:10.3969/j.issn.1671-6833.2012.01.019
    0·引言
    印染废水生物脱色是目前国内外研究的热点.兼氧生物处理过程能有效破坏染料分子中的共轭结构和发色基团,使原染料分子分解成为小分子有机物,而这些小分子有机物质更易被微生物利用,从而达到降解脱色的效果[1].在印染工艺过程中,常以大量的NaCl、Na2SO4、Na3 PO4等无机盐作为固色剂[2],导致印染废水中含盐浓度较高.有研究表明[3],当含盐浓度超过3%时,将抑制微生物的正常代谢,使微生物失去其降解能力.已有学者对耐盐菌在高盐浓度下的厌氧脱色性能进行研究[4],为高盐浓度条件下染料生物脱色提供一定理论数据,但只局限于经过耐盐驯化的单一纯种菌群生物降解脱色.显然,在实际印染废水处理中接种单一纯种菌群是不可行的.兼氧技术较严格厌氧技术具有工艺条件要求不严格、耗能低等特点,越来越广泛地应用于印染废水处理[5].兼氧条件下含盐印染废水生物降解性能的研究尚未见报道[6-8],限制了兼氧生物技术应用于印染废水处理过程的优化设计.咸阳华润印染厂以加工纯棉和涤棉织物为主,年生产能力3.6×107m,使用染料主要为活性染料和还原染料,以印染深色布料为主,活性艳红K-2BP是使用最多的活性染料之一,因此,本研究针对该厂使用的染料情况,选取具有代表性的活性染料K-BP作为目标污染物,进行含盐条件下兼氧生物降解脱色性能研究.
    1·实验材料与方法
    1.1仪器与材料
    实验装置:250 mL锥形瓶.为保证反应器内DO值低于0.2 mg/L,使用磁力搅拌器在常温下进行慢速搅拌,转速为20 r/min.
    紫外可见分光光度计:日本岛津UV-2450,用于全波扫描确定染料最大吸收波长;UV-9100,用于实验过程中吸光度测定.
    接种污泥:取自咸阳某印染厂污水处理站回流污泥,MLSS为6.01 g/L.
    染料组成:活性艳红K-2BP(Reactive brilliantred K-2BP,最大吸收波长为436 nm)结构如图1所示,来自咸阳某印染厂.
    配水组成:葡萄糖,0~1 000 mg/L;NH4Cl,50mg/L;KH2PO4,10 mg/L;CaCl2,5 mg/L;MgSO4,10 mg/L;FeSO4,1.3 mg/L;MnSO4,5mg/L;NaCl,0,2,5,10,20 g/L;染料,5~80 mg/L.
             
    1.2试验方法
    1.2.1测试项目与方法
    用紫外—可见分光光度计(UV-2450)全波扫描确定染料的最大吸收波长;用UV-9100测定水样的吸光度.配制K-2BP浓度为20,40,60,80和100 mg/L的一系列标准溶液,在436 nm处测定吸光度,得到标准曲线.测定水样吸光度值,先由标准曲线转换为活性艳红K-2BP浓度,然后计算活性艳红K-2BP的去除率.
    污泥接种和兼氧驯化:将二沉池回流污泥静置1 d,弃去上清液,然后隔绝空气静置3 d.取600 mL污泥放入1 L烧杯中,倒入400 mL新鲜配水,并放在磁力搅拌器上常温慢速搅拌进行污泥驯化.驯化过程中染料浓度从5 mg/L逐渐增加至80 mg/L.每天抽去上清液,并加入等量新鲜配水.将上清液在12 000 r/min条件下离心10 min后,在436 nm处测定其吸光度.染料去除率达到70%认为驯化完成,驯化历时1个月.
    1.2.2 K-2BP与葡萄糖共基质兼氧生物生物降解试验
    分别向5个250 mL锥形瓶中加入100 mL已驯化成熟的污泥.染料进水浓度固定为80 mg/L,配制含葡萄糖浓度为0,50,200,400,600,800,1 000 mg/L的7种不同配水,各取100 mL分别加入不同锥形瓶中,在磁力搅拌器上以同样速度常温慢速搅拌.
    反应周期为24 h:瞬时进水100 mL→反应12h→静置2 h→抽去上清液→无基质条件下静置10 h.反应过程中定时取样,离心后测定水样吸光度值.
    1.2.3高盐条件下染料兼氧生物降解动力学试验
    根据1.2.2节试验结果,选取对K-2BP降解最有利的葡萄糖投加浓度和染料投加浓度为80mg/L作为本试验的固定因素,选取2,5,10和20g/L 4个水平的NaCl投加浓度进行试验.反应周期与取样方法同1.2.2节.
    2·试验结果与讨论
    2.1 K-2BP与葡萄糖共基质兼氧生物生物降解试验
    试验结果如图2所示.图2中,反应15 min左右,染料浓度骤然下降,而在1 h左右的时候染料浓度出现回升现象,这是因为微生物吸附、解吸的作用.染料与葡萄糖共基质时,由于葡萄糖是易降解基质,能提高兼氧生物的活性,从而促进微生物对染料等难降解有机物的降解作用[9-10].在兼氧条件下,当染料浓度固定为80 mg/L时,葡萄糖浓度升高有利于提高K-2BP的兼氧生物降解率,这说明当K-2BP与葡萄糖共存时,兼氧微生物能够对葡萄糖与K-2BP产生共代谢作用,而且葡萄糖浓度的增高有利于共代谢的进行.随着葡萄糖投加浓度增加,K-2BP去除率随之增加,葡萄糖浓度从0 mg/L提升至800 mg/L,其对应的染料降解率从40%提升为64.1%.当葡萄糖浓度为800mg/L时,染料去除效果最好,6 h时的降解率为64.1%.葡萄糖投加浓度上升为1 000 mg/L的时候,染料去除较差,降解率仅为40%左右,介于不投加葡萄糖和葡萄糖浓度为50 mg/L之间.葡萄糖浓度过高,反而抑制染料的降解.这是因为葡萄糖为易降解基质,当葡萄糖浓度较高,已经能满足兼氧微生物正常代谢情况下,微生物很少利用染料这样的难降解基质作为碳源.
            
    2.2高盐条件下K-2BP兼氧生物降解动力学
    根据2.1节实验数据,葡萄糖投加800 mg/L时,兼氧微生物对K-2BP去除效果最好.所以选取葡萄糖浓度为800 mg/L作为固定参数.在K-2BP浓度为80 mg/L条件下,含盐浓度分别为2,5,10,20 g/L,降解历程如图3所示.染料厌氧降解近似符合一级动力学方程[11],亦有学者认为,偶氮染料的生物降解脱色遵循零级反应动力学模型[12-13].从图3可以看出,投加新鲜废水后15 min内,反应体系中染料残余浓度急剧下降,在含盐浓度条件下,兼氧生物对基质仍具有吸附作用,随着盐浓度升高,兼氧生物对染料的吸附能力逐渐降低.但在反应15 min后,K-2BP的降解随时间变化近似成线性关系,这说明染料兼氧生物降解过程分为两个阶段:第一个阶段为生物表面吸附阶段,使染料浓度迅速下降;第二阶段为微生物利用吸附在生物表面的染料基质进行降解.这与Lourenco Nídia D研究结果相符合[14].本试验选取反应15 min后的试验数据进行K-2BP降解动力学研究,为考察染料生物降解动力学特性,将降解实验数据进行0级、1级和2级动力学模拟,所得数据列入表1中.
             
    由表1中可以看出,含盐条件下K-2BP的兼氧降解动力学近似遵循1级反应动力学,反应速率常数随着含盐浓度升高而降低,反应速率常数从0.108 5 mg/(h·L)下降为0.022 8 mg/(h·L),说明盐对兼氧环境中染料的降解有一定抑制作用.在活性艳红K-2BP的降解过程中,根据所测得染料残余浓度做ln(c/c0)—t图(图4).
    当盐浓度从2 g/L上升为5 g/L时,一级降解速率常数下降约为2 g/L时的1/2,盐浓度提升为10 g/L时,一级降解速率常数较5 g/L时下降幅度同样接近1/2.结合图3可以看出,盐浓度为20g/L的时候,K-2BP降解趋势与10 g/L和基本相同,反应时间为12 h时,降解率为50%左右,其一级降解速率常数K相差不大,分别为0.028 7mg/(h·L)和0.022 8 mg/(h·L).盐浓度为2,5,10和20 g/L 4个不同条件下,其兼氧降解动力学方程见图4中;其半衰期分别为t2g/L=6.99 h、t5g/L=14.15 h、t10g/L=22.55 h和t20g/L=30.21 h.
            
    3·结论
    (1)根据兼氧污泥驯化可知,由于污泥本身取自印染废水处理站的回流污泥,所以驯化过程中污泥能够较快适应高浓度染料,并有效降解活性艳红K-2BP.
    (2)K-2BP在无葡萄糖共基质条件下降解比较缓慢,投加葡萄糖与之共基质,能提高染料降解效率,随着葡萄糖浓度增加,染料的去除率也随之增加,在葡萄糖浓度为800 mg/L时,染料去除率达到最大,而当葡萄糖浓度为1 000 mg/L时,反而不利于染料的降解.
    (3)含盐条件下,在反应15 min后,K-2BP兼氧生物降解动力学方程符合一级反应动力学方程:含盐浓度分别为2,5,10,20 g/L时,其一级降解速率分别为K2g/L=0.105 78 mg/(L·h)、K5g/L=0.049 47 mg/(L·h)、K10g/L=0.028 69mg/(L·h)、K20g/L=0.022 75 mg/(L·h);半衰期分别为t2g/L=6.99 h、t5g/L=14.15 h、t10g/L=22.55 h、t20 g/L=30.21 h. 
    参考文献:略


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作者:佚名
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