固定希瓦氏菌生物活性炭处理模拟染料废水研究

湖北农业科学2015年收稿日期：2014-10-17基金项目：湖北省教育厅科学技术研究项目（Q20111612)作者简介：桂震（1986-)，男，湖北黄冈人，硕士，主要从事应用微生物遗传改良研究，（电话)15071416774（电子信箱)[e-mail]；通信作者，蔡亚君（1980-)，女，湖北宜昌人，博士，主要从事应用微生物遗传改良研究，（电话)027-59367343（电子信箱)[e-mail]。第54卷第21期2015年11月湖北农业科学HubeiAgriculturalSciencesVol.54No.21Nov.，2015第54卷第21期2015年11月湖北农业科学HubeiAgriculturalSciencesVol.54No.21Nov.，2015纺织印染行业是中国重要的支柱型民生产业，同时又是耗水耗能大户，其COD排放量在中国39个行业中位居第二，废水排放量为第三。纺织印染废水有机污染物含量高、色度深、碱性大、水质变化大，一直是难处理的工业废水之一[1]。而随着国家对于废水排放标准的提高，对新型高效印染废水处理技术的研究更是关系到其行业可持续发展。生物活性炭作为一种成熟的微污染水处理工艺，在传统印染废水二级生化处理仍不达标的废水深度处理上具有良好的应用前景[2，3]。本研究以印染工业中使用较多的活性染料为研究对象，选取代表性的染料活性艳红X-3B为降解底物，从印染废水中筛选出1株能够高效降解该染料的菌种，并将其挂载于活性炭上构建成生物活性炭，处理类似的活性染料模拟废水，取得了较好的处理效果。1材料与方法1.1高效降解菌的分离及鉴定将印染废水按照1：100加入50mL浓度分别为12.5、25.0、50.0、100.0、200.0mg/L的活性艳红X-3B模拟废水[（活性艳红X-3B50mg/L（浓度据需求加减)，葡萄糖400mg/L，（NH4)2SO4、KNO3、Mg-SO4、NaHCO3、CaCl2、KH2PO4各40mg/L，MnSO47.5mg/L)]中，分别在0、50、100、150、200r/min转速下、30℃进行培养，定期观察培养基中菌体量与溶液颜固定希瓦氏菌生物活性炭处理模拟染料废水研究桂震1，2，姜中1，程聪1，蔡亚君1（1.武汉纺织大学环境工程学院，武汉430073；2.武昌工学院食品工程学院，武汉430065)摘要：分离得到1株对染料活性艳红X-3B具有高效降解作用的菌株，经生理生化鉴定结合16SrDNA分析鉴定为希瓦氏菌属，命名为Shewanellasp.3Y。将该菌固定到活性炭上构建了生物活性炭小试装置，用其处理染料活性艳红X-3B及与其结构类似的7种活性染料模拟废水时，水力停留时间2h，对模拟染料废水COD去除率均在90％以上，对色度去除率在70％以上，大部分达到90％以上，而对UV254的去除率差异较大。关键词：希瓦氏菌（Shewanellasp.）；生物活性炭；活性艳红X-3B；染料模拟废水中图分类号：Q89文献标识码：A文章编号：0439-8114（2015）21-5230-05DOI:10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.21.008Shewanellasp·Strain’sFixingonActivatedCarbonAgainsttheSimulatedDyeWastewaterGUIZhen1，2，JIANGZhong1，CHENGCong1，CAIYa-jun1（1.EnvironmentalEngineeringCollege，WuhanTextileUniversity，Wuhan430073，China；2.SchoolofFoodEngineering，WuchangInstituteofTechnology，Wuhan430065，China)Abstract：AstrainwhichcoulddegradatedreactivebrilliantredX-3BefficientlywasscreenedandidentifiedasShewanellasp.byVitek-32Bacterialidentificationsystemand16SrDNAanalysis，wasnamedShewanellasp.3Y.Thestrainwasfixedontheactivatedcarbon，andtheeffectoftheresultingbiologicalactivatedcarboncolomnagainstseveralsimulateddyewastewaterwerestudied.Over90％ofCOD，70％chroma（over90％mostly)wereremovedin2h，andtheremovementeffi-cientofUV254hadnothingincommonwitheachother.Keywords：Shewanellasp.；biologicalactivatedcarbon；reactivebrilliantredX-3B；thesimulateddyewastewater.第21期色变化。将颜色完全褪去的培养物离心分离菌体，并用去离子水洗涤3次，后悬浮于无菌水中，采用十倍梯度稀释法将其涂布于50mg/L活性艳红X-3B模拟废水固体培养基上，30℃培养，观察水解圈或平板褪色情况。将产生水解圈的菌落挑至5mL50mg/L活性艳红X-3B模拟废水培养基中培养，采用测定活性艳红X-3B特征吸收峰538nm峰值变化检测染料降解效果，选取效果较好的菌进行纯种分离，并通过16SrDNA与生理生化鉴定（通过美国VITEK32全自动细菌鉴定系统)的方法进行菌株鉴定。1.2生物活性炭小试装置的构建与运行活性炭柱的预处理：定制带塞带滤膜玻璃柱装置1套（图1)，将用去离子水浸泡清洗后的活性炭（性质见表1)装填入装置玻璃柱，高度40cm。连接好装置后，用活性艳红X-3B模拟印染废水循环浸泡活性炭，直至活性炭吸附趋于饱和，目测循环水体颜色接近废水原色，不再变浅。挂膜：将筛选到的高效降解菌在灭菌活性艳红X-3B模拟废水中扩大培养。利用封闭循环的方式，将培养液1：1000添加至循环的供试废水中，低速循环挂膜，以便菌体吸附停留在活性炭表面，直至循环水中浑浊的菌体浓度不再减小，视为挂膜结束。放掉循环水，用活性艳红X-3B模拟印染废水静置数小时，查看出水颜色，出水颜色褪去，视为挂膜成功。生物活性炭小试装置的运行：初步摸索活性炭柱运行条件，考察不同溶解氧（DO)、水力停留时间（HRT)对取样效果的影响。取样与测定：采用静置（分批)处理的方法，将50mg/L模拟染料废水倒满小试装置以后，定时取样测定DO、COD、UV254及色度。COD为化学需氧量，本研究用来指示废水中有机物的量，采用HACH-COD快速测定仪测定；UV254（OD254)是样品在254nm波长下的吸光度，在这个波长下，吸光度较大的是芳环、双键共轭体系和一些羟基甲基共轭体系，因此常作为水中有机物测量的一个辅助指标，特定水体中主要指一些难被生物利用的有机物。装置清洗：将活性炭倒出后，可以采用1mol/LNaOH浸泡若干小时，清洗后再用1mol/L盐酸浸泡，仍有部分滤膜堵塞时，可以用10％次氯酸钠浸泡。浸泡完毕清洗干净备用。2结果与分析2.1高效染料降解菌株的分离与鉴定经筛选得到1株对活性艳红X-3B染料具有高效降解脱色效果的细菌，该菌在菌体量107~108CFU/mL、温度30℃时，10h内可使50mg/L以下浓度活性艳红X-3B模拟废水完全脱色，且对其他多种染料也有近似处理效果。该菌纯化以后的形态、生理生化鉴定和16SrDNA序列鉴定结果如下。形态学结果：该菌在LB平板上培养时，菌落表面湿润、光滑，浅黄色，不透明，边缘整齐，呈凝滴状（图2A)，菌体呈短杆状（图2B)。生理生化鉴定：VITEK32细菌鉴定系统鉴定得到的生理生化结果见表2，鉴定结果表明该菌为希瓦氏菌（Shewanellasp.)。表1颗粒活性炭的物理化学性质名称椰壳炭碘值//mg/g1000表观密度//g/L430~530干燥减量//%10粒度//mm2~5图1生物活性炭小试装置曝气头φ=4cm蠕动泵空气输送A菌落形态（×25)B菌体形态（×1000)图2菌株形态表2菌株生理生化鉴定结果反应触酶氧化酶葡萄糖发酵精氨酸赖氨酸鸟氨酸阿拉伯糖乳糖丙二酸盐苯丙氨酸多粘菌素B乳糖麦芽糖甘露醇木糖棉子糖结果++----+-----+---反应三氯新葡萄糖氧化阳性生长控制乙酰氨七叶树苷（七叶灵)植物鸟尿蓝母尿素枸橼酸盐山梨糖蔗糖肌醇侧金盏花醇香豆酸硫化氢b-半乳糖苷酶鼠李糖结果+-+------+------注：“+”表示阳性；“-”表示阴性。桂震等：固定希瓦氏菌生物活性炭处理模拟染料废水研究5231湖北农业科学2015年将该菌的16SrDNA序列提交NCBI数据库，进行BLAST对比发现，该菌与所有希瓦氏菌属（Shewanella)菌株16SrDNA相似性均达到90％以上，与厦门希瓦氏菌（Shewanellaxiamenensis)S4菌株的16SrDNA序列相似性最高，达到98％（图3)，该菌初步可确定为S.xiamenensis，命名为S.xi-amenensis3Y。2.2生物活性炭小试装置对活性艳红X-3B模拟染料废水的处理效果由于本试验的装置微小，使用的WT600-1F蠕动泵最小进水速度20mL/min，依据最小进水速度和最大容水体积折算出，若本装置进行连续运行，其水力停留时间不足半小时，远远不能保证生物活性炭与废水的充分接触，也不能与工业应用保持一致，故采用静置（分批)处理，每0.5h取样1次，检测水力停留时间（HRT)对生物活性炭装置处理效果的影响。由图4可知，0.5h之内COD突降，可能是有解吸附的活性炭的吸附作用。通过预处理试验发现，经过曝气运行处理的生物活性炭与没有曝气运行的静置处理3h后结果差不多，但是曝气运行时出水在处理1h就可以达到最佳，过程大大快于不曝气过程。控制进水溶氧约为7mg/L，测定出水溶氧变化见图5。对比COD变化趋势发现，DO变化趋势与其变化基本保持一致，这表明生物活性炭装置中微生物降解有机物是需氧代谢过程，DO变化可指示微生物活动情况。溶解氧在2h降至最低值，3h开始上升，说明微生物的降解活动主要在2h之内完成，3h之后可能产生次级代谢，实际应用中从代谢角度选择处理2h比较合适。图4生物活性炭柱静置处理活性艳红X-3B模拟废水效果00.51.01.52.02.53.0时间//h400380360340320300280图5生物活性炭柱静置处理活性艳红X-3B模拟废水时COD随DO变化趋势00.51.01.52.02.53.0时间//h4003803603403203002802607.57.06.56.05.55.04.54.0CODOD图3菌株16SrDNA序列系统发育树0.0085232第21期综合对比试验认为，本装置适合曝气、静置分批处理，处理时间控制在2~3h内即可。将活性艳红X-3B模拟印染废水在构建的生物活性炭小试装置中静置处理，每隔1h取样，监测DO、COD、UV254、色度变化及其对应去除率情况（图6)。结果表明，生物活性炭小试装置处理活性艳红X-3B模拟废水效果良好，3h的COD去除率达到90％，色度去除率达97％。但是对UV254去除效果较差，仅能消耗约17％。2.3生物活性炭小试装置对活性染料模拟废水的处理效果高效生物活性炭装置处理7种与活性艳红X-3B结构类似的染料的模拟废水，每处理1h取样检测其COD、UV254、色度变化变化及其对应去除率情况，结果见图7、图8、图9。由图7可知，稳定的生物活性炭装置去除模拟废水COD趋势基本一致。2~3h基本能够将COD降到50mg/L以下，达到COD排放标准。从去除率变化曲线来看，2~3hCOD去除率基本达到90％以上，3h结果相对稳