高盐条件下染料酸性橙7的生物降解特性

中国环境科学2009,29(6)：640~645ChinaEnvironmentalScience高盐条件下染料酸性橙7的生物降解特性张禄艳,王竞*,吕红,金若菲,周集体(大连理工大学环境与生命学院,辽宁大连116023)摘要：针对偶氮染料废水厌氧-好氧生物处理中的高盐度抑制生物活性和芳香胺自氧化问题,通过多种强化策略,考察了NaCl为100g/L时酸性橙7(AO7)的生物降解特性.结果表明,加入葡萄糖(0.5g/L)、蛋白胨(1g/L)和酵母粉(0.5g/L)有利于高盐条件下AO7的生物降解.进水中加入酸性红B对AO7的脱色有加速作用.耐盐污泥中加入蒽醌形成的蒽醌-污泥自固定化体系可以促进AO7脱色,当蒽醌浓度为100mg/L时,AO7最大脱色率约为92%.以活性炭毡作为生物载体,厌氧和好氧体系均可实现稳定运行,且体系污泥沉降性良好,脱色速率达26.67mg/(L⋅h),且可有效抑制脱色中间产物1-氨基-2-萘酚的好氧自氧化,使COD去除率始终保持在90%以上.关键词：偶氮染料；高盐；氧化还原介体；自氧化；活性炭毡中图分类号：X703文献标识码：A文章编号：1000-6923(2009)06-0640-06BiodegradationcharacteristicsofAcidOrange7underhypersalineconditions.ZHANGLu-yan,WANGJing*,LÜHong,JINRuo-fei,ZHOUJi-ti(SchoolofEnvironmentalandBiologicalScienceandTechnology,DalianUniversityofTechnology,Dalian116023,China).ChinaEnvironmentalScience,2009,29(6)：640~645Abstract：Aimingatintermediateautoxidationandbioactivityinhibitionbyhypersalineinanaerobic-aerobicbiologicaltreatmentprocessesofazodyes-loadingwastewater,biodegradationcharacteristicsofAcidOrange7(AO7)attheNaClconcentrationof100g/Lwereinvestigatedusingsomeenhancementstrategies.Additionofglucose(0.5g/L),peptone(1g/L)andyeastpowder(0.5g/L)waspropitioustothedegradationofAO7underhypersalineconditions.BiodecolorizationrateofAO7couldbeincreasedwhenacidredBwasaddedtotheanaerobicreactor.Anthraquinone-activatedsludgeself-immobilizationsystemcouldenhancethebiodecolorizationofAO7whenanthraquinonewasaddedtothesalt-tolerantsludgeandthemaximaldecolorizationratewasabout92%attheanthraquinoneconcentrationof100mg/L.Additionofactivatedcarbonfeltasbiologicalcarrierallowedstablerunningoftheanaerobicandaerobicreactorswithagoodsludgesettlementanddecolorationrateof26.67mg/(L⋅h),andthattheautoxidationofintermediateproduct1-Amino-2-naphtholunderaerobicconditioncouldbeinhibitedeffectivelyandover90%ofCODremovalwasmaintained.Keywords：azodyes；hypersaline；redoxmediator；autoxidation；activatedcarbonfelt偶氮染料废水是极难处理的高盐工业废水之一,含盐量通常在15%~20%[1-2],目前主要处理技术包括物理法、化学法和生物法(低盐条件下)[3-6].生物法因其经济高效等优点而得到广泛应用[7-9],其中厌氧-好氧法处理效果最好[10-11].但此工艺处理高盐偶氮染料废水通常有2个瓶颈:高盐度严重抑制生物活性[12];脱色产物芳香胺毒性更强,且在后续好氧处理中常常形成更难降解的芳香胺二聚体等自氧化产物[13-16].本研究以酸性橙7为目标偶氮染料,在盐度10%条件下,在厌氧-好氧工艺中加入吸附性载体炭毡,以期进一步强化耐盐微生物的耐盐能力,并有效抑制芳香胺自氧化.1材料与方法1.1材料酸性橙7(AO7)购于天津市胜达化工厂.活性污泥采自大连春柳河污水处理厂、大连陵水河污水处理厂以及开发区污水处理二厂的混合污泥,经低盐到高盐驯化3个月所得.MS培养基:葡萄糖1g/L;磷酸氢二钠4g/L;收稿日期：2008-10-28基金项目：国家自然科学基金资助项目(50578022)*责任作者,副教授,[e-mail]6期张禄艳等：高盐条件下染料酸性橙7的生物降解特性641磷酸二氢钾2g/L;氯化铵1g/L;氯化钠100g/L;微量钙、铁、镁元素;pH7.0.实验用生物载体包括活性炭毡、颗粒活性炭(AC1和AC2)以及聚氨酯泡沫.其中,所用粘交基活性炭毡厚度(δ)为4mm,表面积(S)为800m2/g,购于鞍山深鑫活性炭纤维厂;AC1为商用椰壳颗粒活性炭,型号HN-Y16,碘吸附值1000mg/g,湿度≤10%,强度≥96%,填充密度0.46~0.54g/mL,粒径0.9~1.6mm,pH6.5~8.5;AC2活性炭型号为ROX0.8,购于荷兰NORIT公司;聚氨酯泡沫由大连兰大生物环境技术有限公司提供,型号DW-22,比表面积1.6×105~2.2×105m2/m3,生物负载量18~40g/L.1.2实验方法1.2.1生物载体的预处理将AC1、AC2、剪成0.125cm3的块状聚氨酯泡沫和活性炭毡先用蒸馏水清洗3次,去除其中的水溶性物质和挥发性物质.然后在可调电炉上高温加热煮沸30min,冷却换水.重复以上操作3次,烘干备用.1.2.2脱色培养基的优化在MS培养基中加入不同比例的蛋白胨与酵母粉(表1).初始AO7浓度200mg/L,30℃静置培养24h.表1培养基中蛋白胨与酵母粉的加入量(g/L)Table1Theamountofpeptoneandyeastpowderintheculturemedium(g/L)培养基号蛋白胨酵母粉培养基号蛋白胨酵母粉10041.00.5020.10.0552.01.0030.50.2565.02.50采用4号培养基,初始AO7浓度200mg/L,改变共底物葡萄糖浓度分别为0,0.3,0.5,1.0g/L,30℃静置培养24h,考察葡萄糖浓度对AO7脱色的影响.1.2.3AO7的脱色准确量取10mL驯化后的厌氧污泥加入到含一定浓度AO7染料的血清瓶内,血清瓶体积130mL,加脱色培养基至充满,瓶内最终污泥浓度1.54g/L,然后用硅胶塞密封并摇匀,于30℃培养箱静置.考察生物载体对脱色的影响时,向活性污泥体系中加入生物载体然后挂膜,体系(130mL血清瓶)以SBR形式运行60d,周期24h,进水20min,反应及沉降23.5h,排水10min(排水率92.3%),其中第3~10、29~47d运行周期12h,进水20min,反应及沉降11.5h,排水10min(排水率92.3%).逐渐提高AO7进水浓度(100→150→200mg/L).1.2.4脱色中间产物的矿化采用摇瓶模拟序批式膜生物反应器,以离心代替膜分离,在250mL三角瓶内装入驯化后的好氧污泥13mL,同时加入26cm3预处理过的活性炭毡.进水为100mL染料厌氧脱色后的出水,瓶内最终污泥浓度为7.45g/L.30℃,150r/min摇床好氧振荡.体系连续运行60d,运行周期24h,进水15min,反应23h,沉降30min,排水15min.逐渐提高厌氧工艺的进水染料浓度.1.2.5测定方法取厌氧工艺上清液(血清瓶内),离心(8000r/min,10min)去除菌体,以去离子水为参比,利用JASCOV-560紫外可见分光光度计,在AO7相应的最大吸收波长484nm处测量其吸光度,计算出对应染料浓度.脱色率=(A0-At)/A0×100%(1)脱色速率=(P0-Pt)/t(2)式中:A0为反应初始时刻AO7的吸光度;At为厌氧反应t时间后AO7的吸光度;P0为反应初始时刻的染料浓度;Pt为反应th后的染料浓度.COD测定采用标准重铬酸钾氧化法[17].2结果与讨论2.1脱色培养基的优化2.1.1添加蛋白胨、酵母粉对AO7脱色的影响微生物在高盐条件下降解底物需要营养更丰富的培养基[18].由图1可见,蛋白胨与酵母粉的添加能够提高AO7的脱色率,当蛋白胨与酵母粉的添加量分别超过1.0,0.5g/L时,AO7的24h脱色率83%,是不添加时的1.4倍.2.1.2葡萄糖浓度对AO7脱色的影响葡萄糖能够为偶氮染料的脱色提供电子供体[19],同时葡萄糖浓度对后续好氧工艺COD的去除也有显著影响.采用4号培养基作为脱色培养基,由图2可知,AO7的脱色率随着葡萄糖的浓度增加而增大,当葡萄糖浓度为500mg/L时,AO7的24h脱色率642中国环境科学29卷可达82.66%,继续提高葡萄糖浓度,脱色率无明显提高.因此,优化后的脱色培养基成分为:葡萄糖0.5g/L;蛋白胨1g/L;酵母粉0.5g/L;磷酸氢二钠4g/L;磷酸二氢钾2g/L;氯化铵1g/L;微量钙、镁、铁元素.505560657075808590123456脱色率(%)培养基编号图1蛋白胨和酵母粉的添加量对AO7脱色的影响Fig.1ContentofpeptoneandyeastpowderondecolorizationofAO7506070809000.30.51.0葡萄糖浓度(g/L)脱色率(%)图2葡萄糖浓度对AO7脱色的影响Fig.2EffectofglucoseconcentrationsondecolorizationofAO72.2酸性红B对AO7脱色的影响由于一些酸性偶氮染料的生物还原产物可强化偶氮染料的生物脱色,其中酸性红B的强化效果最为明显[20].实验将150mg/LAO7与50mg/L酸性红B直接混合,考察了其对AO7脱色的促进作用.由图3可见,与不混合酸性红B的体系相比(B、C曲线),混合酸性红B的体系在反应8~12h过程中脱色速率明显稍快(A曲线),表明混合酸性红B的体系脱色效果优于不混合酸性红B的体系.这种加速效应可能是因为混合体系中的酸性红B在8~12h内先脱色,脱色后生成了2-氨基-1-萘酚-4-磺酸基,起到了氧化还原介体的作用,从而加速了偶氮染料的生物脱色[20].543210200400600800吸光度ACBa.4h543210200400600800吸光度ACBb.8h543210200400600800吸光度CBAc.12h波长(nm)图3脱色过程中的紫外全波扫描图谱Fig.3UV-SpectraofbiodecolorizationA.酸性红B50mg/L+AO7150mg/L;B.AO7150mg/L;C.AO7200mg/L2.3蒽醌-污泥体系对AO7的生物脱色作用研究表明,采用海藻酸钙包埋蒽醌作为固定化介体可以加速偶氮染料的生物脱色,但在高盐下随