氧化還原介體對光合細菌偶氮染料脫色的促進作用

發(fā)布時間：2020-05-22 05:22

【摘要】：染料廢水由于具有色度高、毒性大、生物降解性差的特點,成為難處理的工業(yè)廢水之一。光合細菌具有抗逆性強、能處理難降解有機物等獨特的優(yōu)點,因此,光合細菌法可用于染料廢水的處理。本論文以自行研發(fā)的光生物轉(zhuǎn)盤為主體工藝,研究了缺氧光生物轉(zhuǎn)盤(PRBC)-好氧移動床生物膜(MBBR)組合工藝對偶氮染料廢水的處理效能,并對光合細菌純菌株的脫色特性和介體強化染料脫色的機制進行了研究,最后,通過氧化還原介體強化了組合工藝的處理效果。本論文研制了用于染料廢水生物處理的缺氧光生物轉(zhuǎn)盤,該反應器具有光衰減低、不需要進行光合細菌菌體回流等特點。將其與好氧MBBR串聯(lián),形成缺氧光生物轉(zhuǎn)盤-好氧MBBR組合工藝,進而用于偶氮染料廢水的處理。經(jīng)過35d左右光生物轉(zhuǎn)盤啟動成功,此時廢水脫色率和COD去除率均穩(wěn)定在92%左右。成熟的光生物膜分為內(nèi)外兩層,分別由光合細菌和絲狀菌組成,其中,絲狀菌對盤片的吸附在整個生物膜的形成中起關鍵作用。缺氧光生物轉(zhuǎn)盤-好氧MBBR組合工藝適宜的運行條件如下:光生物轉(zhuǎn)盤控制缺氧條件、光照時間≥6h/d、HRT≥10h,相應的MBBR的HRT≥20h。在此條件下,系統(tǒng)脫色率和COD去除率分別達到92%和91%。該組合工藝具有較強的抗染料沖擊負荷能力,在染料負荷高達7.2×105mg/(m3·d)時,脫色率和COD去除率仍可達到86%和90%;其中,光生物轉(zhuǎn)盤對色度的去除起主要作用,后續(xù)的MBBR起到保證出水水質(zhì)的作用。組合工藝要求的共基質(zhì)濃度較低,當染料濃度為100mg/L,共基質(zhì)濃度在1000mg/L時,系統(tǒng)脫色率即可達到90%。變性梯度凝膠電泳及16S rRNA測序分析表明,光生物膜主要包含沼澤紅假單胞菌、萬尼氏紅微菌、泥生綠菌、褐桿狀綠菌以及未培養(yǎng)的藍細菌等光合細菌和其它細菌。硫酸鹽、光照和氧氣對光合細菌群落的影響較大。硫酸鹽是改變紫色細菌和綠色細菌相對優(yōu)勢的致變因子,高濃度硫酸鹽抑制紫色細菌而激活綠色細菌。光照時間和供氧量的增加能夠強化光合細菌的優(yōu)勢地位而不改變紫色細菌和綠色細菌的群落結(jié)構(gòu)。從缺氧光生物轉(zhuǎn)盤中分離到一株高效脫色的沼澤紅假單胞菌W1,該菌株生長和脫色的最佳條件為:pH≤10;以谷氨酸鹽或乳酸鹽為碳源,當選擇乳酸鹽時其濃度應≥500mg/L;以NH4Cl為氮源,濃度應≥100mg/L;鹽度≤5%;活性黑5(RB5)濃度≤700mg/L;有光照。在最優(yōu)條件下,20h內(nèi)RB5的脫色率可大于95%。菌株W1的偶氮還原酶最適pH值為7.0,最適溫度40℃。菌株W1具有較高的蒽醌-2-磺酸鈉(AQS)和2-羥基-1,4-萘醌(lawsone)還原酶活性,而對1,2,7-三氨基-8-羥基-3,6-二磺酸萘(TAHNDS)的還原能力相對較弱。研究了偶氮染料RB5在菌株W1作用下的生物脫色,發(fā)現(xiàn)RB5的脫色代謝物(DM)能夠催化RB5的脫色,表明RB5生物脫色具有自催化作用。在適宜的DM濃度下,RB5在5h內(nèi)脫色率接近70%。RB5的DM還能夠催化其它染料的脫色。優(yōu)化DM濃度后,直接黃11(DY11)的脫色速率與不加DM的空白相比可提高2.2倍。循環(huán)伏安的結(jié)果證實,DM具有氧化還原介體的性質(zhì)。通過對DM的FT-IR和HPLC-MS分析可知,DM中起氧化還原介體作用的物質(zhì)為TAHNDS。在混合染料脫色時,RB5優(yōu)先于AR1降解,釋放的DM可催化AR1的脫色,使AR1的脫色速率提高近一倍。厭氧硫酸鹽還原產(chǎn)生的硫化物能夠經(jīng)由DM的媒介使RB5化學脫色。對于不產(chǎn)生介體的DY11脫色體系,硫化物對脫色無促進作用。硫化物對染料化學脫色后自身轉(zhuǎn)化為單質(zhì)硫,在厭氧條件下單質(zhì)硫能被菌株W1重新轉(zhuǎn)化為硫化物,繼續(xù)還原染料。利用RB5作為內(nèi)源介體強化工藝對AR1的脫色,在進水存在共基質(zhì),酸性紅1(AR1)為100mg/L,RB5濃度為150mg/L的條件下,組合工藝脫色率和COD去除率可分別達到91%和94%。缺乏共基質(zhì)時,RB5抑制AR1脫色。硫酸鹽對RB5廢水的脫色具有促進作用,硫化物還原RB5后形成的硫單質(zhì)在生物膜中沉積;對于不能產(chǎn)生介體的DY11廢水,硫酸鹽對其脫色和COD去除產(chǎn)生抑制作用。投加AQS柱撐類水滑石作介體,在HRT為5h,進水AR1為100mg/L的條件下,組合工藝在18d內(nèi)的脫色率和COD去除率可分別穩(wěn)定在89.9%和90%。此外,AQS柱撐類水滑石促使硫酸鹽還原率從56%提高到90%。
【圖文】：

介體,還原機制,氧化還原,染料