固定希瓦氏菌生物活性炭处理模拟染料废水研究

桂震 姜中 程聪 蔡亚君

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16S rDNA分析鉴定为希瓦氏菌属，命名为Shewanella sp. 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2 h，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（Shewanella sp.）；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）21-5230-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.21.008

Shewanella sp. Strains Fixing on Activated Carbon Against the Simulated Dye Wastewater

GUI Zhen1，2，JIANG Zhong1，CHENG Cong1，CAI Ya-jun1

（1.Environmental Engineering College， Wuhan Textile University， Wuhan 430073， China；2. School of Food Engineering，

Wuchang Institute of Technology， Wuhan 430065， China）

Abstract： A strain which could degradated reactive brilliant red X-3B efficiently was screened and identified as Shewanella sp. by Vitek-32 Bacterial identification system and 16S rDNA analysis， was named Shewanella sp. 3Y. The strain was fixed on the activated carbon， and the effect of the resulting biological activated carbon colomn against several simulated dye wastewater were studied. Over 90% of COD，70% chroma （over 90% mostly） were removed in 2 h， and the removement efficient of UV254 had nothing in common with each other.

Key words： Shewanella sp.； biological activated carbon； reactive brilliant red X-3B； the simulated dye wastewater.

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50 mL 浓度分别为12.5、25.0、50.0、100.0、200.0 mg/L的活性艳红X-3B模拟废水[（活性艳红X-3B 50 mg/L（浓度据需求加减），葡萄糖400 mg/L，（NH4）2SO4、KNO3、MgSO4、NaHCO3、CaCl2、KH2PO4 各40 mg/L，MnSO4 7.5 mg/L）]中，分别在0、50、100、150、200 r/min转速下、30 ℃进行培养，定期观察培养基中菌体量与溶液颜色变化。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50 mg/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5 mL 50 mg/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538 nm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16S rDNA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40 cm。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∶1 000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50 mg/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254 nm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1 mol/L NaOH浸泡若干小时，清洗后再用1 mol/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107～108 CFU/mL、温度30 ℃时，10 h内可使50 mg/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16S rDNA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（Shewanella sp.）。

将该菌的16S rDNA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16S rDNA相似性均达到90%以上，与厦门希瓦氏菌（Shewanella xiamenensis）S4菌株的16S rDNA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. xiamenensis 3Y。

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20 mL/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0.5 h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，0.5 h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3 h后结果差不多，但是曝气运行时出水在处理1 h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7 mg/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2 h降至最低值，3 h开始上升，说明微生物的降解活动主要在2 h之内完成，3 h之后可能产生次级代谢，实际应用中从代谢角度选择处理2 h比较合适。

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2～3 h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1 h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，3 h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1 h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。2～3 h基本能够将COD降到50 mg/L以下，达到COD排放标准。从去除率变化曲线来看，2～3 h COD去除率基本达到90%以上，3 h结果相对稳定，大部分达到最高去除率。但是从时间效率的角度讲，工业应用上采用处理2 h更加经济，当然针对不同水质应区别对待。值得注意的是，本试验采用模拟废水，使用葡萄糖替代有机物，跟实际废水中复杂的有机物不能相比，所以实际废水处理时可能没有这么好的效果。但是结合试运行结果及DO变化趋势分析，COD变化趋势是一致的，在装置水力停留时间范围内变化较大，其后变化取决于微生物活动状态。图中去除率的微小差别是由于不同染料的降解产物不同导致的，可能像酸性橙Ⅱ、活性艳红X-3B等的降解产物不容易被再次降解或利用。

模拟废水的色度主要是染料产生，染料的降解情况直接关系到色度大小，此外出水浊度对色度有一定影响，但是此处浊度情况基本一样，就不予讨论。选取7种以酸性橙为母核的不同染料的模拟废水经添加能高效降解活性艳红X-3B菌种的生物活性炭处理的效果见图8。由于色度测定标准液为铂钴标准液，该方法测定出类似铂钴溶液颜色的样品时结果偏大，故而图中活性橙起始色度超出范围。模拟废水统一染料浓度为50 mg/L，实际染料的摩尔浓度不同，起始颜色深浅不一。由图8可知，2～3 h色度基本达到200倍以下，去除率70%以上。但由于该添加菌降解不同染料的能力不同，导致处理效果差异较大。对于酸性橙、活性橙等结构相对简单的染料去除效果高达97%，而对于活性艳红等也能达到85%（受浊度影响较实际偏小），但对活性红等结构稍微复杂的染料效果就差很多。从最终色度倍数看，只有酸性橙和活性艳红达到100倍以下，其他均达不到回用和排放要求，故要想实际应用，还必须改善装置以提高其色度去除效果。

由图9可知，不同染料的模拟废水起始值差别较大，这是由于染料分子的结构造成的。选取的染料处母核外，侧链差异较大，譬如活性红3BS和活性艳红2K-2G侧链集团较大，UV254值相对高很多，酸性橙Ⅱ等则低得多。最终结果显示的是不能被微生物降解的残余基团，同样还是侧链基团影响最大。由图9可知，活性红3BS起始浓度较大，终浓度也不低，酸性橙Ⅱ起始浓度较低，终浓度也较低，结合它们的结构分析，活性红3BS侧链基团较大，而酸性橙则小得多。同时也印证了微生物的降解活动主要针对该类染料的母核。除活性艳红X-3B外，其他去除率在50%～70%，说明降解产物的影响依然很大。活性艳红X-3B的降解率较低，推测可能与其侧链特殊结构有关。总体来看，UV254去除效果均不好，还需要后续处理。

3 小结与讨论

本研究以实际工业应用为目的，从探索和改良生物活性炭工艺出发，首先针对常用染料代表-活性艳红X-3B筛选了一批能够高效降解该染料的真菌和细菌，然后构建了以获得的高效降解细菌为主要微生物的生物活性炭装置，并对活性艳红X-3B及系列类似染料的模拟废水进行了处理，结果表明该菌在实验室小试中表现优异，值得探索工程应用条件。

模拟废水离实际废水还有一段差距，特别是在有机物成分方面，模拟废水中采用的是容易被微生物利用的葡萄糖，但实际废水中有淀粉浆料等多种复杂成分，甚至还有诸多难降解的有毒成分，因此本研究筛选到的菌株能否在实际废水中生长良好是一个在应用时需要考虑的问题。此外，该菌株对pH条件要求严格，且细菌本身对温度等环境条件都比较敏感，在应用中局限性较大，在开发此类工艺时需要认真考虑。

本研究所用小试装置较简单，在后期的更大规模的试验中，需要认真考虑高径比和水力停留时间等设计运行参数，再结合高效菌种的降解效果，适当添加常用去COD菌种，这样效果将要提高许多。当然必须考虑进水pH和DO。如果出水的难生化性指标仍旧偏高，可以采用臭氧等处理手段[4-6]，增加水质可生化性，然后再稀释进水，可以使难生化指标大大降低，又降低了运行负荷。

本研究筛选到的3Y菌株属于希瓦氏菌属，希瓦氏菌属里包含了超过40个的希瓦氏菌种。希瓦氏菌能将有机物转换成能量，目前逐渐在医学、环境科学、电化学、海洋生物学等多个领域受到重视，尤其是由于其呼吸类型多样性、已经成为了最重要的产电微生物之一，如S. putrefaciens、S. oneidensis、S. xiamenensis等种的某些菌株均发现能产电[7-9]，且倪超等[9]发现S. xiamenensis BC01菌株能同时产电与处理染料。因此，本研究筛选到的S. xiamenensis 3Y菌株虽然对染料的脱色作用不如脱色希瓦氏菌[10]，但存在产电的潜力，对染料废水污染处理同时能源回收再利用具有重要意义。

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