采用电芬顿-磁固定化菌株耦合体系治理苯酚废水的研究

摘要：为实现对苯酚废水治理工艺的优化，针对传统包埋法制备固定化细胞的工艺方法进行改进，选用磁性纳米颗粒制备磁固定化细胞，将其与电芬顿法结合构建耦合体系，利用耦合协同作用实现催化剂的重复利用，并依托微生物的良好降解性能与稳定性提高苯酚降解率，进一步实现对苯酚废水治理工艺的系统优化。

关键词：电芬顿法;磁固定化细胞;耦合体系;苯酚废水

中图分类号：X703.1 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2020）04-0-02

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2020.04.074

Abstract：In order to optimize the treatment process of phenol wastewater， the traditional embedding method was improved to prepare immobilized cells.Magnetic nanoparticles were selected to prepare magnetic immobilized cells，which were combined with the electric Fenton Method to build a coupling system.The coupling synergy was used to realize the reuse of catalyst， and the good degradation performance and stability of microorganisms were used to improve phenol Degradation rate，further realize the system optimization of phenol wastewater treatment process.

Key words：Electrofenton method;Magnetically immobilized cells;Coupling system;Phenol wastewater

苯酚是一種造纸、塑料、炼焦生产行业中的常见有机污染物，具有致癌、致畸的毒性。当前在基于微生物固定方法进行苯酚废水的处理时主要采用包埋法，然而包埋法在实际运用时受质子传递效应的影响，其酶分子空间自由度受到限制，无法实现对工业废水的高效处理，因此急需对其工艺进行改进。

1 材料与方法

1.1 苯酚降解菌制备与培养基

从某污水处理厂中提取活性污泥样品，以苯酚作为唯一碳源和能源，选取500mg/L苯酚添加到样品中，经过1个月后从活性污泥中驯化培养出混合菌群，采用平板涂布法筛选出1株JS菌株作为苯酚降解菌，实现对菌株的分离与纯化，并分别完成无机盐培养基、固体培养基与富集培养基的配制[1]。

1.2 磁固定化细胞的制备

收集JS菌液，将其以8 000r/min的转速离心5min，收集菌体、弃去上清液，利用三羟甲基氨基甲烷将其洗涤3次，用无菌去离子水配制成2g菌悬液。选取0.75g结冷胶溶于65℃以上的37.5mL无菌去离子水中，依次向溶液中加入10mL菌悬液与1.2mg的r-Fe2O3，待将溶液均匀混合后，利用注射器滴入0.2mol/L磁性物质GaCl2中，在4℃温度条件下交联反应120min，即可制备出磁固定化细胞。

1.3 耦合体系的建立与试验

设计进水水质成分包含500mg/L苯酚、7.1g/L硫酸钠、2g/L硫酸铵，曝气量设为0.2L/min，将制备出的磁固定化细胞加入到无电极反应器中，反应器容积为1L，采用高效液相色谱仪测定苯酚浓度，并选取多个时间节点记录苯酚降解率。选取7×4cm的石墨板与7×4cm的不锈钢网分别作为阳极和阴极，将组建好的电极体系放置到反应器中，利用导线将其与直流稳压电源PS-303D相连，分别检测出磁固定化细胞、电芬顿体系与耦合体系的苯酚降解率，并分析电压、温度、pH值等变量对苯酚降解率的影响。待完成反应器试验后，利用磁铁提取出耦合体系中的磁固定化细胞，将磁固定化细胞置入无菌去离子水中洗涤2次，随后重新进水，并针对苯酚降解率进行测定，共循环6次。

1.4 酶活性与菌株浓度的检测

在反应12h后，针对苯酚羟化酶的活性进行检测，将磁固定化细胞置于5%柠檬酸钠溶液中，待充分溶解后离心处理、弃去上清液，利用三羟甲基氨基甲烷将其洗涤3次后悬浮，将悬浮液放入超声破碎仪中破碎0.5h，在4℃条件下以22 000r/min的转速离心0.5h，提取其上清液作为粗酶液，并分别采用紫外-可见分光光度计与qPCR仪完成酶活性与菌株浓度的测定。

2 结果与讨论

2.1 磁固定化细胞的苯酚降解特性分析

为研究耦合体系的苯酚降解率，首要前提是针对磁固定化细胞的苯酚降解特性进行测定，选取游离细胞、非磁固定化细胞与磁固定化细胞作为对照组，记录伴随反应时间推移三种物质的苯酚降解率变化情况。通过观察反应结果可以发现，在反应时间到达15h时，三种物质对苯酚的降解率分别为85.3%、77.6%和90.7%，其中非磁固定化细胞的降解率最低，主要受制于质子传递效应的影响，结冷胶与菌株结合后影响到苯酚在细胞内部的传达效果;游离细胞对苯酚的降解率低于磁固定化细胞，其主要原因是高浓度污染物在接触到游离细胞后将对细胞活性产生抑制作用，削弱其对于苯酚的降解速率;磁固定化细胞对苯酚的降解率最高，主要原因是r-Fe2O3纳米颗粒对于结冷胶与菌株的结合起到了有效的疏散作用，可促使苯酚顺利进入到细胞内部，有效优化苯酚降解效果[2]。

2.2 电压对苯酚降解性能的影响

将反应时间设为12h，电压分别取值为0V、0.5V、1V、1.5V和2V，试分析不同电压条件下苯酚降解率的变化。通过观察试验结果可以发现，在电压为0-1V时，耦合体系的苯酚降解率呈不断提升趋势，待反应到达12h时降解率达到100%;但在电压为1-2V时，耦合体系的苯酚降解率呈逐渐下降趋势，待反应时长为12h时降解率降至53.7%。由此可以推断出，在电压超过一定数值时将削弱磁固定化细胞的降解性能，并且还将增加能耗问题，因此该耦合体系的最佳电压数值应设为1V。

同时，JS菌株中的苯酚羟化酶是促进苯酚生物降解的关键酶，苯酚羟化酶的活性将直接影响到微生物降解效果。通过观察电压对苯酚羟化酶活性的影响结果可以发现，在电压处于0～1V范围内时，苯酚羟化酶的活性增加了0.101U/mg;在电压处于1～2V范围内时，苯酚羟化酶的活性降低了0.208U/mg。由此可以推断出，倘若电压值过高也会对苯酚羟化酶的活性产生抑制作用，该耦合体系在电压为1V时苯酚羟化酶活性达到最大值。

2.3 pH值对苯酚降解性能的影响

在反应时间为12h、电压为1V的条件下，将pH值分别取值为2、2.5、3、3.5、4、4.5、5、5.5、6、6.5和7，试分析不同pH值对于耦合体系的苯酚降解性能的影响。从中可以看出，当pH值为2.5时，苯酚降解率为最低值61.7%;当pH值逐渐升高至3.5时，苯酚降解率增至86.75%;此后在pH值由3.5升至7期间，苯酚降解率始终保持稳定值，无明显变化。由此可以推断出，耦合体系在酸性条件下的降解性能达到最优，但过酸条件下也将限制铁离子参与电芬顿反应、抑制磁固定化细胞的降解效果，因此宜将耦合体系反应的最佳pH值设为3.5。

2.4 温度对苯酚降解性能的影响

在反应时间为12h、电压为1V、pH值为3.5的条件下，将反应温度分别取值为16℃、20℃、24℃、28℃、32℃、36℃、40℃、44℃，試分析不同温度对于耦合体系的苯酚降解性能的影响。从中可以看出，在反应温度由16℃升高至24℃过程中，苯酚降解率处于逐渐攀升趋势;在反应温度处于24～32℃范围内时，苯酚降解率攀升幅度较大;在反应温度由32℃增至44℃期间，苯酚降解率呈下降趋势，并且在温度超过40℃后温度急剧下降。由此可以推断出，温度变化将影响到耦合体系对于苯酚的降解性能，温度过高或较低均会抑制苯酚降解效果，宜将该耦合体系反应的最适宜温度设为32℃。

2.5 其他外缘因素的影响效果

除电压、pH值、温度等反应条件外，培养基的配方也将影响到菌株对于苯酚的降解性能。将酵母粉、蛋白胨、葡萄糖的质量分数设为0.4%，硫酸铜质量分数为0.05%，通过观察试验结果可以发现，以葡萄糖、硫酸铜作为培养基配方时，菌株对于苯酚的降解性能较低;以葡萄糖和重金属铜离子作为培养基配方时，菌株的苯酚降解率分别为85.1%和70.8%;以酵母膏、蛋白胨作为培养基配方时，菌株的苯酚降解率分别为93.3%和99.2%。由此可以推断出，以培养基配方为代表的外缘因素也将影响到耦合体系的苯酚降解性能。

3 结论

本文从活性污泥中筛选出1株JS菌株制备磁固定化细胞，将其与电芬顿体系结合构成耦合体系。试验结果表明，在电压为1V、温度为32℃、pH值为7～7.5的反应条件下，该耦合体系对苯酚的降解率达到最优值，并且随重复利用率的增加，其降解性能呈现出显著提升，可实现对苯酚废水降解效果的有效优化。

参考文献

[1]曹雨.含酚废水处理技术研究进展[J].辽宁化工，2019（5）：415-417.

[2]吴志宇，黎建平，王怡璇，等.三维电解-微电解-电芬顿氧化处理阳极氧化染色废水工艺研究[J].电镀与精饰，2018（7）：14-18.

[3]吴志宇，黎建平，王怡璇，等.三维电解-微电解-电芬顿氧化处理阳极氧化染色废水工艺研究[J].电镀与精饰，2018（7）：14-18.

[4]张雯，苏静静，曹丽琴.苯酚降解菌的筛选及其降解性能研究[J].环境科学与管理，2013，38（02）：89-94+114.

收稿日期：2020-01-09

作者简介：晁夫奎（1984-），男，汉族，本科学历，在读工程硕士，工程师、经济师，研究方向为环境评估与技术咨询，环境污染治理与生态修复。