木质素酶法处理含油废水的研究

刘云庆,王兴磊,李强,张艺



木质素酶法处理含油废水的研究

刘云庆,王兴磊*,李强,张艺

污染物化学与环境治理重点实验室, 伊犁师范学院化学与环境科学学院, 新疆 伊宁 835000

本实验研究以模拟含柴油废水为研究对象，研究了木质素酶对含柴油污水中柴油的酶催化氧化降解情况。考察了溶液pH值、催化时间、木质素酶浓度、反应温度、柴油初始浓度等不同要素对酶催化氧化效果的影响。通过正交实验确定最佳实验条件为：柴油初始浓度为0.3 g·L-1，木质素酶浓度为12 mg·L-1，pH值为5.5，反应温度为30 ℃，反应时间为3 h，柴油的去除率可达90.17%。

木质素酶; 含油废水; 催化氧化

目前，石油化工、石油的开采与炼制、煤制油等企业中产生了大量以轻碳氢化合物、重碳氢化合物、燃油、焦油、润滑油类型的含油废水[1,2]。这些含油废水不易降解，有毒有害且严重影响水质。被油污染的水体，其水体中的溶氧量急剧下降，主要原因是油容易在水体表面形成薄油膜，空气中的氧难以进入水体，从而影响水生生物的正常生长，破坏水的生态平衡[3.4]；被油污染的水若进入到地下水系中，会污染地下水源影响农田灌溉[3]，主要原因是油分容易堵塞土壤的空隙，阻止空气透入，使土壤微生物不能正常进行新陈代谢，严重时会造成农作物减产或死亡[5,6]。

酶技术具有催化效率高、作用条件温和、处理速度快和适用范围广等特点，用酶技术处理含油废水已成为污水处理新技术且倍受关注[1]，酶技术与传统的物理化学和生物法处理含油废水相比特点如下[7,8]：（1）使用酶技术能够催化处理难降解有机化合物；（2）使用酶技术处理进程更容易操作且处理速率比传统方法快；（3）酶技术具有较强的抗冲击性；（4）使用酶技术可以有效地减少有毒有机污染物[9]。20世纪80年代初，Klibanov等[10-12]首次将过氧化物酶用于废水中酚类和芳香胺类化合物的处理，研究中发现生物酶处理部分有机物的去除效率很高，现在研究和应用较多的过氧化物酶是辣根过氧化物酶、木质素过氧化物酶及其它酶类。Tien等[13]通过瞬态反应动力学研究，Huang等人[14]研究木质素酶催化氧化反应时均发现可以利用木质素酶处理很多难降解的有机污染物，这种特殊性质在环境工程中有着巨大的应用前景[15]。近年来，左红梅、刘浩等人[16-19]利用生物酶降解有机物的特点处理印染、造纸、钻井液中的废水减少环境污染。

本文研究以模拟含柴油废水为研究对象，以去除水中的柴油为目标，实验分别考察了溶液的pH值、催化时间、木质素酶浓度、反应温度、柴油初始浓度等不同要素对酶催化氧化效果的影响，确定木质素酶处理含油污水的最佳工艺条件。

1 材料与方法

1.1 试剂与仪器

木质素酶（Lip），分析纯，北京百灵威科技有限公司；正己烷，分析纯，西陇化工股份有限公司；乙酸钠，分析纯，北京化学试剂公司；冰乙酸，分析纯，北京化学试剂公司。

PHS-25型pH计，上海仪电科学仪器股份有限公司；ME204E型分析天平，梅特勒—托利多仪器有限公司；HH-600型恒温水浴箱，力辰仪器科技有限公司；752型紫外可见分光光度计，上海光谱仪器有限公司。

1.2 模拟含柴油污染污水与木质素酶溶液的制备

模拟用柴油为市售0#柴油。将0#柴油按实验所需比例与蒸馏水混合，制得模拟柴油污水。

称量木质素酶4 mg于10 mL容量瓶中，加蒸馏水至标线，制得浓度为0.4 g·L-1木质素酶溶液。

1.3 柴油标准工作曲线的制定

1.3.1 柴油标准储备液的配置称取0.5 g 0#柴油于10 mL烧杯中，加入少量正己烷溶解，然后全部移入100 mL容量瓶中，加正己烷至标线，混合均匀。

1.3.2 柴油标准使用液的配置移取2 mL柴油标准储备液于盛有少许正己烷的50 mL的容量瓶中，加正己烷稀释至标线，混合均匀。

1.3.3 柴油标准工作曲线的确立分别移取0、0.25、0.50、0.75、1.00、1.25 mL油标准使用溶液于盛有少许正己烷的10 mL容量瓶中，加入正己烷稀释至标线，混匀。其浓度分别为0、5.0、10.0、15.0、20.0、25.0 mg·L-1油。将溶液移入1 cm石英比色皿，波长225 nm处以正己烷作为标准参照测定其吸光度。绘制出柴油浓度—吸光度标准工作曲线，如图1所示，标准工作曲线的线性方程为：=0.0278/( mg·L-1)+0.0054，相关系数2=0.9994。式中—吸光度值；—柴油浓度mg·L-1)。

图 1 柴油工作曲线

1.4 计算公式

=(-1)/×100%，其中，—柴油的去除率（%）；—油的初始浓度（mg·L-1）；1—为剩余油的浓度（mg·L-1）。

2 结果与讨论

2.1 木质素酶浓度对催化氧化柴油反应的影响

将一组pH值为6.0，模拟废水柴油污染浓度为0.1 g·L-1的溶液中添加木质素酶溶液4 mg·L-1，8 mg·L-1，12 mg·L-1，16 mg·L-1，20 mg·L-1，24 mg·L-1，然后在30 ℃一个恒温振荡器中震荡，催化反应时间为5 h，绘制酶的投加量与柴油去除率曲线，投加不同量的酶剂对模拟柴油污染废水的效果影响[20]。

图 2 木质素酶浓度对除油率的影响

由图2可以看出，柴油去除率先随木质素酶浓度的增加而增大，柴油的去除率最大是酶浓度为8 mg·L-1时，此时可能是当酶浓度为8 mg·L-1时，酶与水样中有机物反应最为充分，可能达到了最佳反应平衡。此后柴油的去除率随酶的浓度增加而下降，说明过高的木质素酶浓度不利于柴油的去除，此时可能将酶包覆在所形成的聚合物中，影响了酶活性的发挥，使酶的催化氧化反应效率降低，从而影响了柴油去除率。乔彤森等[21]也曾有相似的结果[22]。

2.2 反应温度对催化氧化柴油反应的影响

将一组pH值为6.0，模拟废水柴油污染浓度为0.1 g·L-1的溶液中添加8 mg·L-1木质素酶溶液，再分别置于温度为10 ℃、15 ℃、20 ℃、25 ℃、30 ℃、35 ℃的水浴恒温振荡器中反应5 h，反应完后计算柴油去除率。

由图3可见：当温度逐渐上升时，柴油的去除油效率随温度的升高而增大，在反应温度为30 ℃时，柴油的去除率最高；当温度继续上升时，柴油的去除率反而减小，说明木质素酶的适宜降解温度为30 ℃[23]。原因可能是生物酶在一定温度下保持了较高的活性，并且不同的酶有不同的温度界限，当温度超过酶的温度界限后，酶催化反应速率就会明显降低[24]。由图可知木质素酶在20~30 ℃的范围内催化降解柴油的能力且酶活性很好，30 ℃是木质素酶的温度界限，但温度过高时酶易失活，催化降解有机物的能力下降。

2.3 反应时间对催化氧化柴油反应的影响

将一组pH值为6.0，模拟废水柴油污染浓度为0.1 g·L-1的溶液中添加8 mg·L-1木质素酶溶液，然后分别在30 ℃恒温振荡器反应1 h，2 h，3 h，4 h，5 h，6 h，反应后用分光光度法测定柴油中的残留量，计算柴油的去除率。如图4所示。

图 3 反应温度对除油率的影响 响

图 4 反应时间对除油率的影

由图4可见：震荡时间在1~5 h期间，柴油的去除率随着震荡时间的增加而增加，反应达到最佳反应时间5 h时，柴油去除率到达最大值79.81%，之后随着时间增加柴油去除率呈现下降趋势，可能由于随着反应时间增加木质素酶的活力逐渐降低，也可能是反应过程的生成物有对酶活性有抑制作用。鲁时瑛[25]在研究用酶处理有机废水的过程中发现，木质素酶的催化反应有时会受到一些外界物质的影响，降低了木质素酶处理有机废水的效率。当用在实际处理含油污染的废水中继续延长时间，会影响处理效果和增加处理成本，所以本实验选择处理时间为5 h为宜。

2.4 溶液pH值对催化氧化柴油反应的影响

将一组模拟废水柴油污染浓度为0.1 g·L-1的溶液中添加8 mg·L-1木质素酶溶液，然后调节溶液pH值分别为5.5，6.0，6.5，7.0，7.5，8.0，之后置于30 ℃的水浴恒温振荡器中反应5 h，计算柴油去除率，绘制模拟含油污染废水的pH值对柴油去除率效果影响的曲线。如图5所示：

由图5可知：模拟柴油废水的溶液的pH值从5.5增至6.0时，去除率随pH值的增大而逐渐增大，当pH值为6.0时，除油率达到最大值为78.74%；溶液的pH值由6.0增至8.0时，去除率反而逐渐降低，所以本试验的适宜pH值为6.0。这与张建波[26]等人的试验结果有点区别，可能是由于木质素酶的来源不同导致的。如图所示，木质素酶催化反应的pH值范围比较宽，在pH值5.5~7.0范围内除油效率较高。

2.5 柴油初始浓度对催化氧化柴油反应的影响

实验取一组pH值为6.0，浓度分别为0.1 g·L-1、0.2 g·L-1、0.3 g·L-1、0.4 g·L-1、0.5 g·L-1、0.6 g·L-1的模拟含柴油污染的废水50 mL于250 mL锥形瓶中，再分别加入浓度8 mg·L-1的木质素酶溶液，然后置于30 ℃的水浴恒温振荡器中分别震荡5 h，绘制柴油初始浓度与柴油去除率曲线。如图6所示。

图 5 pH值对除油率的影响

图 6 柴油浓度对除油率的影响

图中6显示：当柴油浓度从0.1 g·L-1增加到0.4 g·L-1，柴油的去除率下降，而从0.4 g·L-1到 0.6 g·L-1柴油浓度的增加，柴油的去除率急剧下降，说明柴油浓度越小，柴油的去除率越高，当柴油浓度为0.1 g·L-1时，去除率为72.98%达到最大值。

2.6 木质素酶的最佳催化氧化作用条件的确定

为了确定木质素酶催化氧化对柴油污染废水的优化催化降解条件，考察影响酶催化降解各因素的交互影响，采用酶剂浓度、反应温度、催化时间、溶液pH值和柴油初始浓度五个因素设计了5因素4水平的正交实验。正交实验数据如表1和表2所示。

表 1 正交试验因素水平

表 2 正交试验结果

通过正交试验（结果见表2）确定木质素酶催化降解柴油污染水的优化实验条件为：当柴油初始浓度为0.3 g·L-1，木质素酶浓度为12 mg·L-1，pH值为5.5，反应温度为30 ℃，催化时间为3 h时，处理效果最好，柴油去除率可达90.17%。通过极差分析五个因素对木质素酶催化降解模拟柴油废水的影响程度大小排序为：木质素酶浓度>反应温度>pH值>柴油初始浓度>催化时间。

3 结论

本文研究了以木质素酶为催化剂催化降解模拟柴油废水的污染，取得了较好的效果，考察了实验条件如酶剂浓度、反应温度、催化时间、pH值、柴油初始浓度对酶催化降解的影响，确定木质素酶催化氧化降解含柴油污染废水的优化工艺条件。所得结论如下：

（1）木质素酶可以有效降解水体的柴油污染，并且完全符合绿色化学观念，在反应过程中不会产生二次污染；

（2）以模拟含柴油废水为研究对象，考察各个反应因素对木质素酶催化降解柴油的影响，由结果知：柴油去除率的影响先后顺序为木质素酶浓度>反应温度>pH值>柴油初始浓度>催化时间；

（3）木质素酶催化降解模拟含柴油污染废水优化工艺条件为：柴油初始浓度为0.3 g·L-1，木质素酶浓度为12 mg·L-1，pH值为5.5，反应温度为30 ℃，反应时间为3 h，柴油的去除率可达到最大值90.17%。

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Study on the Method of Ligninolytic Enzymes Disposing of Oily Wastewater

LIU Yun-qing, WANG Xing-lei*, LI Qiang, ZHANG Yi

835000,

The simulated wastewater with diesel as object of this study, we do research on using the ligninolytic enzyme to catalyze oxidation it and get circumstance of diesel degradation. The effects on the catalytic oxidation of the enzyme under the different factors, such as solution pH value, catalysis time, concentration of ligninolytic enzyme, reaction temperature and initial concentration of diesel oil, are investigated. Orthogonal experiments determine the following optimum experimental conditions: initial concentration of diesel oil is 0.3 g·L-1, the concentration of ligninolytic enzyme is 12 mg·L-1, the pH value is 5.5, the reaction temperature is 30 ℃, the reaction time is 3 h, the removal rate of diesel oil is up to 90.17%.

Ligninolytic enzyme; oily wastewater; catalytic oxidation

X5

A

1000-2324(2019)01-0128-05

10.3969/j.issn.1000-2324.2019.01.029

2017-11-09

2017-11-29

污染物化学与环境治理重点实验室项目(2016HJYB12)

刘云庆(1985-),男,硕士研究生,主要从事环境污染治理及废水处理新材料与新技术的研究. E-mail:376947553@qq.com

Author for correspondence. E-mail:1459915250@qq.com