0前言

据报道,80%～90%的癌症与环境因子有关,而已发现的致癌物中绝大多数是有毒有机化合物。因此,印染废水的脱色和回用成为一个关系生态环境和水资源的重要课题。

处理印染废水常用的方法有物化法和生物法。采用物化处理比较有效,但处理费用高,且会产生大量难处理的污泥,形成二次污染等。也有采用生物氧化法处理印染废水,但合格率不足60%。其主要原因在于废水中的染料大多为人工合成化合物,对生物菌种的生长具有抑制毒性作用。另外,目前自然界中尚缺乏能对这类化合物有效降解的生物菌种。而且,随着染料品种的更换,废水组分频繁变化,对生物菌种的驯化造成冲击。

国内外专家在寻求高效脱色菌种方面已经做了大量的工作,发现混合微生物比纯菌种对难降解的染料有更好的降解作用,这可能是以共代谢为基础的协同作用的结果。目前将共代谢机制用于生物强化系统中的实例还不多见。采用活性污泥法培养印染废水脱色菌,采集印染厂的活性污泥经培养、驯化而获得生物菌,并在污水处理过程中不断地重复接种使用。根据细菌对氧的要求不同,分为好氧菌、厌氧菌和兼氧菌三类。本试验采用好氧菌降解染料。

1试验材料和方法

1.1试验材料

印染厂废水池污泥,兰纳素藏青B 01(Ciba精化公司);无水葡萄糖,氢氧化钠NaOH,硫酸镁Mg2SO4・7H2O(天津市化学试剂三厂);琼脂粉(中国医药上海化学试剂公司);磷酸二氢钠NaH2PO4・2H2O,磷酸氢二钠Na2HPO4・12H2O(天津市化学试剂六厂),蛋白胨(天津市珠江卫生材料厂);黄豆芽

1.2试验仪器

紫外可见分光光度计PC2401(日本岛津);高浊度仪WZS 185(上海精科仪器厂);生化培养箱LRH 150(上海益恒实验仪器有限公司);高速台式离心沉淀机LG10 2.4A(北京医用离心机厂);水浴摇床HZS H(哈尔滨市东联电子技术开发有限公司);电热鼓风干燥箱(天津中环实限电炉有限公司);电子天平LD型(沈阳龙腾电子有限公司);手提式不锈钢蒸汽消毒器YX280B(上海三申)。

1.3试验方法

1.3.1脱色菌的培育

在一定量的活性污泥中放入染料兰纳素藏青B 01(以下“染料”均指兰纳素藏青B 01)的驯化培养液1(驯化培养液成分见表1),在一定温度下振荡培养数天,使对染料耐受力强的降解菌大量繁殖,淘汰对染料不适应的微生物;再继续添加染料至浓度分别为培养液2、培养液3、培养液4(表1),振荡培养,筛选出对染料耐受力强的降解菌。

1.3.2菌种的富集培养和筛选

将驯化后的菌种接入固体培养基和染料固体培养基(其组成见表2和表3)制备的梯度平板培养。方法为,在培养基中加入一定量的染料,形成培养基由厚到薄染料浓度递减的梯度,然后接种、培养和脱色筛选。

将筛选出的菌种接种环移入液体培养基置于水浴摇床中培养,液体培养基成分见表4。

1.3.3脱色试验

用紫外分光光度计对兰纳素藏青B 01进行波长扫描,获得染料在可见光范围内的最大吸光度。将一定量的菌种接种于染料液体培养基中(其组成见表5),在水浴摇床进行脱色。一定时间后,将该菌种培养物高速离心分离,取上层清液,用紫外分光光度计测出可见光范围内的最大吸光度,与不接种菌体的染料溶液进行对比,计算脱色率。以脱色率表示菌株对染料的脱色能力:

脱色率=(A-B)/A×100%

式中:A―――不接种菌液的最大吸光光度;

B―――接种过菌液的染料溶液的最大吸光光度。

2结果与分析

2.1脱色菌种的培养结果

污泥经驯化6d后,可以看到培养液中的染料色度明显降低,说明试验采用的活性污泥可以培养驯化出使染料降解的菌株。

一般的微生物在染料培养基上不能生长,因此染料高效脱色菌株的筛选可用梯度平板法。培养微生物在平板染料浓度不同的部位长成菌落,从而再判定该菌对染料的耐受能力。

经过接种和一定时间的培养,平板上生长的菌落也形成了密度梯度。染料低浓度区形成的菌苔较多;上层培养基厚的部分染料浓度高的区域形成的菌苔稀少,菌落为淡青色,较湿润,较光滑均匀,有一定的透明度,易挑起。

用接种环直接取梯度平板高浓度染料一侧生长出的菌落,分离、纯化、培养,结果在平板培养基上长出三种不同的菌落,称为X1、X2、X3菌株。

2.2菌种的筛选结果

用菌株X1、X2、X3对染料兰纳素藏青B 01进行脱色试验,降解4d后,染料的脱色率测试结果见图1。

由图1看出,在相同的条件下,菌株X3对染料的脱色率最高,是降解效果较好的单株菌。

2.3氧气对菌株X3生长的影响

30℃恒温培养3d后,观察到大部分菌体生长在培养基的表面。这种现象说明菌株X3是好氧型菌株,所以本试验均用液体培养基在水浴型振荡摇床中培养。

2.4培养时间对兰纳素藏青B 01脱色的影响

由图2可以看出,在培养菌脱色24h后,脱色率为13.6%,48h后为24.53%,到60h后脱色印染染料率增长到37.2%,72h达到最大值;继续培养脱色,到96h和108h后,脱色率有所下降,但下降趋势不太明显。这是微生物生长分四个时期的体现:延滞期、对数期、稳定期和衰亡期。当菌种接到新鲜培养基中后,一般不立即生长繁殖,而是要经过一段时间的调整和适应,于是出现了延滞期。

当菌体通过延滞期的准备,微生物适应了新的环境,其生长为对数期,进入大量繁殖的时期。此时菌种迅速分裂,使菌量呈几何级数增加。对数期时间最短,细胞生长速度最高,代谢活力最强。经过对数期的生长,由于营养消耗、供应不足与代谢产物的积累,会有一部分菌死亡,于是菌体进入了稳定生长时期,也是上菌量的最高峰。实际上细菌生长量达到了动态平衡,即一部分死亡,一部分继续分裂,死亡与新生的菌数相等。随着时间的继续延长,由于营养缺乏和代谢产物积累造成的自身中毒,使细胞生长受阻,死亡率明显增加,时间与菌数的对数成反比,这时菌株的生长进入衰亡期。

菌株的生长和对染料的脱色是同步的。随着脱色菌的生长脱色率逐步提高,到72h时菌体印染染料的生长量达到了最大值,此时脱色率也最高;72h后,脱色菌的生长量下降,脱色率也有所降低。由此可见,72h菌体的脱色效果最好。

印染染料

2.5温度对兰纳素藏青B 01脱色的影响

由图3可以看出,在温度30～35℃时,菌株对染料的脱色率为51.5%～65.07%;当温度到达40℃时,脱色率只有4.2%。这可能是由于温度过高,使该菌的酶系统遭到破坏,导致该菌活性下降甚至死亡,而使脱色能力大大下降。从图3可以看出,温度从25℃～33℃,脱色率从31.35%提高到65.07%;而从33℃～40℃,脱色率从65.07%变化到4.2%,其间的跨度要远远大于25℃到33℃的温度变化范围。说明了菌体生长在低于最适温度的低温区范围较宽,而在高于最适温度的高温区范围要窄得多,在最适温度的两侧呈不对称分布。所以,该脱色菌在33℃时脱色能力达到最好,即33℃为该脱色菌对染料脱色的最适温度。

印染染料

2.6pH值对兰纳素藏青B 01脱色的影响

pH值是影响生化反应的重要影响因子。一般微生物要求pH值范围5～9,最适pH值范围较窄,在6.5～7.5。环境pH值的变化引起微生物细胞表面特性的变化,从而引起细胞体生理生化过程的变化,导致微生物代谢与生长的变化。从图4可以看出,当pH值在3～5时,菌对染料的脱色率很低,只有7.73%～9.3%;当pH=6时,脱色率升为16.41%;pH=7时脱色率达最大值;pH=8时脱色率开始下降,pH=9时基本对染料没有脱色作用。本试验中,脱色菌最佳脱色pH值为7。

2.7接种量对兰纳素藏青B 01脱色的影响

如图5所示,当接种量在1.0、2.0、2.5、3.0mL时,脱色率变化不明显;接种量过低或过高时,脱色率有明显的下降,接种量为0.5mL时脱色率较低;当接种量大于3mL时,脱色率有所下降;接种量为5.0mL时,下降最明显。因此,最佳菌液投加量为1mL。

2.8染料浓度对脱色率的影响

从图6可以看出,染料浓度对脱色率有影响。一般情况下,染料浓度越高,毒性越大,因此染料浓度上升,对微生物的毒害作用也增大,从而导致脱色率下降。

3结论

3.1从印染厂采集活性污泥,进行驯化、分离,获得四株不同的菌种,并从中筛选出对兰纳素藏青B 01脱色效果最好的一株菌株X3,属于好氧型菌株。

3.2经脱色培养3～4d,菌株X3对染料的脱色效果最高;33℃是X3菌株脱色的最适温度;X3菌株对pH值较为敏感,最适pH值范围比较窄,在pH=7时脱色效果最好;接种量在较宽的范围内对脱色效果影响不明显,在接种量较高或较低时,脱色率下降。此外,染料浓度等因素对微生物的脱色行为也有一定的影响。