聚氨酯泡沫固定化菌脱色偶氮染料废水的研究

师　奇， 朱　超， 杨　冰

(1.西安工程大学 国际合作与交流处, 陕西 西安　710048； 2.陕西科技大学 资源与环境学院， 陕西 西安　710021)



聚氨酯泡沫固定化菌脱色偶氮染料废水的研究

师奇1， 朱超2， 杨冰2

(1.西安工程大学 国际合作与交流处, 陕西 西安710048； 2.陕西科技大学 资源与环境学院， 陕西 西安710021)

摘要：以水、甲基硅油、二月桂酸二丁基锡、三乙醇胺联合聚酯多元醇等制备的聚氨酯泡沫为微生物固定化载体，考察了异质孔径聚氨酯泡沫载体固定的偶氮染料高效脱色菌对金橙I的脱色性能.实验结果表明，经过一个运行周期，大、小孔径聚氨酯泡沫所构建的微生物固定化系统对金橙I的最优脱色率分别为96.2%和94.8%；向小孔径聚氨酯泡沫固定化系统中添加碳源后，其脱色率最终达到了97.4%.两个系统在运行过程中COD均有不同程度升高，pH均有不同程度降低.该固定化系统在连续式和序批式运行模式下对高浓度金橙I染料的脱色率分别为93.8%和88.9%.

关键词：聚氨酯泡沫； 孔径； 固定化载体； 偶氮染料脱色

0引言

偶氮染料由于合成简单、结构多变、色谱齐全，已广泛地应用于制革、印染、食品等领域，是现阶段应用最广泛的合成染料，其产量已达到染料总产量的50%以上[1].偶氮染料分子通常具备良好的化学稳定性，故其一旦进入环境系统极易造成持久性污染.在有氧条件下，偶氮染料很难降解矿化，而在厌氧条件下，偶氮染料在还原作用下会生成具有致畸、致癌、致突变的“三致”作用的芳香胺[2-5]，对生态平衡以及人类的生存与发展构成了极大的潜在威胁.

生物法是目前应用最广泛的污水处理方法[6-9]，它不仅克服了传统物理法不能对偶氮染料进行根本去除，只对其进行简单的富集或转移，而且避免了化学法的高成本和二次污染问题，在偶氮染料废水处理中具有广阔的应用前景[10,11].然而，在实际操作中，传统生物法却很难满足偶氮染料废水有机物含量高、色度大、水质变化大、pH变化大等特点[12]的需求.

微生物固定化技术是一种新型的生物技术，于20世纪70年代开始应用于污水处理领域.该技术是利用微生物与固定化载体之间的作用(如范德华力、氢键、库仑力等)使微生物吸附在载体表面，从而对微生物进行固定化[13，14].微生物固定化技术在废水处理中增强了优势脱色细菌在染料和废水系统中的竞争性，运行系统具有微生物浓度和活性高、污泥产量低、微生物抗毒性能力强、污泥呈颗粒态等优点[15-17].

近年来，微生物固定化技术研究非常活跃，并且在偶氮染料废水处理工程中得到了初步的应用.海藻酸钙由于成本低，活性高，是目前应用最广泛的固定化载体.然而，经其固定化的微生物脱色效果较低，且在含有多价阴离子(磷酸盐、柠檬酸盐、乳酸盐等)以及高浓度电解质(K+,Na+)溶液中不稳定；Ca2+易脱落、变软、甚至溶解，限制了它的应用.

本研究分别以不同孔径聚氨酯泡沫为固定化载体，以偶氮染料高效脱色菌为被固定化微生物构建微生物固定化系统对模拟偶氮染料废水(金橙I溶液)进行脱色处理，并对相关水质指标进行考察，以开发验证适合偶氮染料废水处理的固定化系统.

1实验部分

1.1　仪器与药品

(1)主要仪器：Optima XPN低温超速离心机(美国库尔特贝克曼公司)；JOYN-3000A低温超声波萃取仪(上海乔跃电子有限公司)；SHZ-B水浴恒温振荡器(上海博讯实业有限公司)；LWY848型控温式远红外消煮炉(四平电子技术研究所)；WFJ7200可见分光光度计(尤尼柯上海仪器有限公司)；YSI professional plus 水质速测仪(美国YSI).

(2)主要药品:本试验中制备聚氨酯泡沫载体所使用药品如表1所示.试验中所使用的菌株为课题组前期工作中采用西安市第五污水处理厂脱水污泥作为脱色偶氮染料的菌群分离源，通过序批式驯化，最终筛选得到的具有脱色偶氮染料的功能菌T-8.使用金橙I染料溶液模拟偶氮染料废水.

表1　制备聚氨酯泡沫载体所用药品

1.2　实验方法

1.2.1异质孔径聚氨酯泡沫载体的制备

按照表1中各药品剂量，将聚酯多元醇、三乙醇胺、水、甲基硅油、二月桂酸二丁基锡以及碾碎后的石墨毡粉末(每次3片3×3 cm)一起超声分散5~10 s后搅拌均匀；加入二苯基甲烷二异氰酸酯MDI，搅拌3~5 s至发白，迅速转移进行自然发泡24 h，制得第一类孔径聚氨酯泡沫.参照上述，制备过程中去除石墨毡粉末即可得到第二类孔径聚氨酯泡沫.将制作好的两类聚氨酯泡沫切成1 cm×1 cm×0.5 cm的长方体，对其孔径进行统计和测量，第一类聚氨酯泡沫的孔径范围为2.74±0.56 mm(记为大孔径)，第二类聚氨酯泡沫的孔径范围为1.18±0.33 mm(记为小孔径).

1.2.2聚氨酯泡沫固定化微生物

将聚氨酯泡沫用蒸馏水清洗数次，并使其完全干燥.配制LB培养基，将聚氨酯泡沫和培养基一同灭菌(100 mL培养基中添加12个长方体块)，冷却至室温后接种需要固定化的菌株T-8[18]，30 ℃，130 rpm振荡培养3 d.将固定化后的聚氨酯泡沫用灭菌去离子水清洗数次待用.

1.3　实验装置

本研究中所采用的实验装置为直径5 cm，长100 cm的有机玻璃柱.在聚氨酯泡沫固定化系统应用试验中，通过调节蠕动泵流速来控制系统运行模式，实验装置如图1所示.

图1　聚氨酯泡沫样品和固定化微生物的脱色装置

1.4　数据测定和分析方法

将制得的两类孔径的聚氨酯泡沫分别用灭菌去蒸馏水清洗数次，并使其完全干燥，对其质量、密度等物理量进行测定；对每个立方体块固定的菌数进行测定；并使用扫面电镜对制得聚氨酯泡沫表面进行表征.

脱色实验方法为，将固定有高效脱色菌[15]的大孔径聚氨酯泡沫装入柱中，然后加入金橙I染料溶液(50 mg/L)至聚氨酯泡沫全部被浸没，如图1所示静置放置.以72 h为一个考察周期，当第一周期脱色完毕后，将反应装置中的溶液倒出，加入新的染料溶液进行第二周期的反应，所有操作均在室温下进行.参照上述，对由小孔径聚氨酯泡沫载体搭建的固定化系统进行考察，但周期时间根据实际脱色情况进行调整，在第三周期时，向反应器中添加混合营养物质(C∶N∶P=100∶5∶1)，其他操作保持不变.对各个反应周期的初始COD、pH、吸光度，以及脱色完毕后的COD、pH、吸光度进行测定，并期记录数据.其中，COD的测定采用快速消解法，pH通过pH计测定，吸光度采用WFJ7200可见分光光度计进行全波长扫描测定，偶氮染料脱色率根据以下公式计算：

式中：c0—偶氮染料液体初始吸光度；c—偶氮染料液体经固定化系统处理后吸光度.

2结果与讨论

2.1　聚氨酯泡沫载体的表征

不同孔径的聚氨酯泡沫用灭菌蒸馏水清洗，完全干燥后，称得所用大孔径聚氨酯泡沫重量为45.984 2 g，每个小块平均质量为0.16 g，则每个小块的平均密度为0.32 g/cm3，另取3个立方体块小心破碎，进行稀释涂布平板，测得每个立方体块固定菌数平均为3.8×106个；测得所用小孔径聚氨酯泡沫重量为44.405 5 g，每个小块平均质量为0.12 g，则小块的平均密度为0.24 g/cm3，测得每个立方体固定的菌数平均为3.2×107个.

(a)放大40倍下聚氨酯泡沫结构图

(c)放大1 000倍下聚氨酯泡沫上菌株定植初期图

(d)放大1 000倍下聚氨酯泡沫上菌株定植后期图

(e)放大5 000倍下聚氨酯泡沫上菌株定植初期图

(f)放大5 000倍下聚氨酯泡沫上菌株定植后期图图2　聚氨酯泡沫结构和菌落定植情况扫面电镜图

图2是聚氨酯泡沫表面的扫面电镜图，其中图(a)和图(b)分别表征的是放大倍数40倍和60倍的情况下聚氨酯泡沫表面的片层结构，可以得到聚氨酯泡沫内部的片层结构完整，且形成空间分割，对水流起到微型折流板的作用，客观上起到增加水力停留时间的作用；图(c)、(d)和图(e)、(f)分别表示放大倍数为1 000倍和5 000倍的情况下聚氨酯泡沫片层上菌株的分布情况和菌株密集程度的分布情况，可以得到构建的微生物固定化系统中，起初附着在聚氨酯泡沫片层上的数量较稀疏(见图2(c)、(e)所示)，但是形态饱满均一，表明菌株生长代谢状况良好，应该处于微生物生长的对数期向静止期过度的时期，经过一段时间运行后，聚氨酯泡沫片层上着生的菌体数量明显增多(见图2(d)、(f)所示)，呈现密集排列，表明系统趋于稳定.

2.2　异质孔径聚氨酯泡沫固定化微生物脱色偶氮染料

2.2.1COD测定结果与分析

表2和表3表明，在每个反应周期内，随着反应时间的增加，经两个固定化系统分别作用下的偶氮染料废水的吸光度均有显著下降，说明固定化微生物对偶氮染料发生了脱色作用，并且小孔径聚氨酯泡沫的脱色周期仅为大孔径的三分之一；另外，随着反应时间的增加，偶氮染料废水的COD值有所上升，这是由于微生物在降解偶氮染料时，一般先发生脱色作用，后发生矿化作用，脱色作用的发生使得一些难溶大分子发生化学变化，逐渐溶解，而在测定COD时常以脱色结束为标准，此时系统中绝大部分发生了脱色作用的偶氮染料分子还未来得及发生矿化作用生成物及物质，仍然以有机态溶解于水中，因此，测得COD随时间增加反而增高.

表2　大孔径聚氨酯泡沫固定化系统中COD变化

小孔径固定化系统在第三周期时添加了葡萄糖(表3)，用以测试外加碳源对脱色的影响，故此周期初始COD较高，周期末COD的降低是外加碳源消耗的结果.

表3　小孔径聚氨酯泡沫固定化系统中COD变化

2.2.2pH测定结果及分析

通过表4和表5可以得出，经过一个反应周期，两个固定化系统的pH均有所下降.这是由于偶氮染料具备一定固有的酸碱度，当系统pH发生改变时，表明原偶氮染料结构可能遭到了破坏，造成系统pH变化的二级产物，可以推断偶氮染料发生生物降解.此外，适当的弱酸性有利于高效脱色菌的生长，并且对偶氮染料的脱色也具有一定的促进作用，加之小孔径聚氨酯泡沫对细菌的富集能力远高于大孔径聚氨酯泡沫，因此，本研究中所构建的两个微生物固定化系统中小孔径聚氨酯泡沫固定化系统对偶氮染料的生物降解性能优于大孔径聚氨酯泡沫固定化系统.

表4　大孔径聚氨酯泡沫固定化系统中pH变化

表5　小孔径聚氨酯泡沫固定化系统中pH变化

2.2.3脱色率的考察

为了考察本固定化系统的实际应用潜力，我们使用连续周期的方式分别使用大小孔径聚氨酯泡沫固定化系统对金橙I废水进行脱色处理，每个周期均为三天(见图3和4所示).

(a)第一周期

(b)第二周期图3　大孔径聚氨酯固定化微生物对金橙I的脱色

对比所有运行周期初始和结束时的扫描图谱可知，处理前溶液中金橙I在波长473~486 nm区域内的特征峰，在出水中均消失，说明金橙I分子发生降解，同时证实本研究条件下孔径大小对于聚氨酯泡沫固定化系统的脱色效果基本没有影响.在不添加碳源的情况下，大孔径聚氨酯泡沫固定化系统对金橙I染料的最高脱色率为96.2%，小孔径聚氨酯泡沫固定化系统对金橙I染料的最高脱色率为94.8%.但是，向在小孔径聚氨酯泡沫固定化系统中添加碳源后，其脱色率可达97.4%.在实际生产废水中，诸如有机污染物等的外源碳源的出现是不可避免的，说明本固定化系统具有实际应用价值.

(a)第一周期

(b)第二周期

(c)第三周期图4　小孔径聚氨酯固定化微生物对金橙I的脱色

2.3　聚氨酯泡沫固定化系统在偶氮染料脱色中的应用

2.3.1聚氨酯泡沫载体对微生物脱色的促进作用

比较聚氨酯泡沫固定化脱色菌和未固定化脱色菌针对高浓度金橙I染料(100 mg/L)溶液的处理效果，结果表明(如图5所示)培养20 h后，经聚氨酯泡沫固定化的菌株较之未固定化菌株对高浓度金橙I有显著的脱色效果，脱色率可达98.39%，说明以聚氨酯泡沫作为固定化载体，促进了定植菌株通过成膜效应增强对高浓度偶氮染料的耐受性，保证了降解偶氮染料的正常代谢功能；而未固定化的菌株由于在生长初期没有载体系统的保护，生长受高浓度偶氮染料的抑制，降解偶氮染料的代谢功能显著弱化，导致菌体数量和脱色率均显著降低.

图5　聚氨酯泡沫固定化菌株与未固定化菌株对高浓度偶氮染料的脱色

2.3.2不同运行模式下聚氨酯泡沫固定化系统对偶氮染料的脱色

图6为以小孔径聚氨酯泡沫为固定化载体，通过调节图1反应装置中蠕动泵流量，在不同运行方式下固定化系统对偶氮染料脱吸光度.结果表明，两个系统运行24 h后，连续式运行的固定化系统对偶氮染料的脱色率可达到93.8%，序批式运行的固定化系统对偶氮染料的脱色率为88.9%.

图6　 不同运行方式下偶氮染料脱吸光度

3结论

本研究以水为发泡剂、甲基硅油为稳定剂、二月桂酸二丁基锡为交联剂、三乙醇胺为催化剂联合聚酯多元醇等制备的聚氨酯泡沫是一种生物毒性小、化学性质稳定、不容易被生物降解以及价格低廉的新型微生物固定化载体.

通过对不同孔径聚氨酯泡沫所构建的固定化系统对偶氮染料废水脱色性能的考察可知，经过一个运行周期，大、小孔径聚氨酯泡沫所构建的微生物固定化系统对偶氮染料废水的最优脱色率分别为96.2%和94.8%；向小孔径聚氨酯泡沫固定化系统中添加碳源后，其脱色率最终达到了97.4%；两系统在运行过程中COD均有不同程度升高，pH均有不同程度降低.该固定化系统在连续式和序批式运行模式下对高浓度金橙I染料的脱色率分别为93.8%和88.9%，具有工业应用的价值.

参考文献

[1] 武海霞，徐炎华，方志，等.高压电弧放电处理偶氮染料废水[J].环境工程学报，2012，33(12)：4 327-4 332.

[2] 柳广飞，周集体.细菌对偶氮染料的降解及偶氮还原酶的研究进展[J].环境科学与技术，2006，29(4)：112-114.

[3] 钟金汤.偶氮染料及其代谢产物的化学结构与毒性关系的回顾与前瞻[J].环境与职业医学，2004，21(1)：58-62.

[4] Papic，Sanja，Peternel，et al.Advanced oxidation of an azo dye and its synthesis intermediates in aqueous solution:Effect of Fenton treatment on mineralization,biodegradability and toxicity[J].Environmental Engineering and Management Journal，2014,13(10)：2 561-2 571.

[5] Umbuzeiro，G.D.A.，Freeman，H.S.，Warren，S.H.，et al.The contribution of azo dyes to the mutagenic activity of the cristais river[J].Chemosphere，2005,60(1)：55-64.

[6] Dos Santos，A.B.，Cervantes，F.，Van Lier，J.B..Review paper on current technologies for decolourisation of textile wastewaters:Perspectives for anaerobic biotechnology[J].Bioresource Technol.，2007,98(3)：2 369-2 385.

[7] Robinson T.，McMullan G.,Marchant R.，et al.Remediation of dyes in textile effluent:A critical review on current treatment technologies with aproposed alternative[J].Bioresource Technol.，2001,77 (3)：247-255.

[8] Bafana A，Devi S S，Chakrabarti T.Azo dyes:Past,present and the future[J].Environmental Reviews，2011，19(1)：350-371.

[9] 陈晗，龚明.水解-接触氧化工艺处理印染废水[J].水处理技术，2006，32(12)：87-89.

[10] Vander Zee F P，Villaverde S.Combined anaerobic-aerobic treatment of azo dyes-A short review of bioreactor studies[J].Water Research，2005，39(8)：1 425-1 440.

[11] Pandey，A.，Singh，P.，Iyengar，L. Bacterial decolorization and degradation of azo dyes[J].Biodeterior. Biodegrad.，2007，59(2)：73-84.

[12] Jun Fan，Haibo Li，Chendong Shuang.Dissolved organic matter removal using magnetic anion exchange resin treatment on biological effluent of textile dyeing wastewater[J].Journal of Environment Sciences，2014，26(8)：1 567-1 574.

[13] 李亚峰，姚静博，郝滢，等.投加聚氨酯泡沫微生物固定化载体的SBBR脱单处理实验研究[J].环境工程学报，2011，32(1)：38-42.

[14] Moreno Gcarrido，Ignacio. Microalgae immobilization:Current techniques and uses[J].Bioresource Technology，2008，99(10)：3 949-3 964.

[15] 王焕英.微生物固定化的发展及在生活污水处理中的应用[J].污染防治技术，2012，25(1)：32-36.

[16] Sun Xiaoran, Shan Zhongjian.Removal of Di-n-butyl phthalate using immobilized microbial cells[J].Chin. J.Chem. Eng.，2007，15 (2)：167-171.

[17] Li，W.Y.， Xu，Y.，Feng,J.Treatment of coking wastewater by using immobilized-microbial-cell anaerobic-aerobic system[J].Energy Sources Part A: Recovery Utilization & Environmental Effects，2009，31： 1 397-1 405.

[18] 解井坤，朱超，花莉.脱水污泥中脱色偶氮染料功能菌群的驯化分离[J].微生物学通报，2014，41(12)：2 432-2 441.

Decolorization of azo dyes by polyurethane foam immobilized bacteria

SHI Qi1， ZHU Chao2， YANG Bing2

(1.International Office, Xi′an Polytechnic University, Xi′an 710048, China； 2.College of Resources and Environment, Shaanxi University of Science &Technology, Xi′an 710021, China)

Abstract:In this study,polyurethane poam, a new microbial immobilization carrier,was prepared with water,dibutyl tin dilaurate (DBTI) and triethanolamine.The decoloration rate and efficiency to golden orange I by the bacterial stains immobilized on polyurethane foam with different pore sizes was tested.Results showed that, after a running period, the decoloration rates of mixed azodyes containing wastewater were 96.2% and 94.8% with large and small pore size polyurethane foam respectively.When having added carbon source to the microbial immobilization system with small pore size polyurethane foam, the decoloration rate was 97.4%.The COD of two systems both increased while pH decreased.The decoloration rates of high concentration of golden orange I were 93.8% and 88.9% with continuous and batch sequencing modes respectively.

Key words:polyurethane foam; aperture; immobilized carrier; decolorization of azo dyes

作者简介:师奇 (1982-)， 男， 陕西西安人，讲师， 硕士， 研究方向：纺织废水处理

基金项目：陕西省教育厅专项科研计划项目(2013JK072)

*收稿日期:2015-08-05

中图分类号：X505

文献标志码：A

*文章编号：1000-5811(2015)06-0027-06