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偶氮染料兼氧生物降解性能新解说

发布时间:05-10 10:18   来源:印染在线  点击:   发表评论

0·引言

印染废水生物脱色是目前国内外研究的热点.兼氧生物处理过程能有效破坏染料分子中的共轭结构和发色基团,使原染料分子分解成为小分子有机物,而这些小分子有机物质更易被微生物利用,从而达到降解脱色的效果[1].在印染工艺过程中,常以大量的NaCl、Na2SO4、Na3 PO4等无机盐作为固色剂[2],导致印染废水中含盐浓度较高.有研究表明[3],当含盐浓度超过3%时,将抑制微生物的正常代谢,使微生物失去其降解能力.已有学者对耐盐菌在高盐浓度下的厌氧脱色性能进行研究[4],为高盐浓度条件下染料生物脱色提供一定理论数据,但只局限于经过耐盐驯化的单一纯种菌群生物降解脱色.显然,在实际印染废水处理中接种单一纯种菌群是不可行的.兼氧技术较严格厌氧技术具有工艺条件要求不严格、耗能低等特点,越来越广泛地应用于印染废水处理[5].兼氧条件下含盐印染废水生物降解性能的研究尚未见报道[6-8],限制了兼氧生物技术应用于印染废水处理过程的优化设计.咸阳华润印染厂以加工纯棉和涤棉织物为主,年生产能力3.6×107m,使用染料主要为活性染料和还原染料,以印染深色布料为主,活性艳红K-2BP是使用最多的活性染料之一,因此,本研究针对该厂使用的染料情况,选取具有代表性的活性染料K-BP作为目标污染物,进行含盐条件下兼氧生物降解脱色性能研究.

1·实验材料与方法

1.1仪器与材料

实验装置:250 mL锥形瓶.为保证反应器内DO值低于0.2 mg/L,使用磁力搅拌器在常温下进行慢速搅拌,转速为20 r/min.

紫外可见分光光度计:日本岛津UV-2450,用于全波扫描确定染料最大吸收波长;UV-9100,用于实验过程中吸光度测定.

接种污泥:取自咸阳某印染厂污水处理站回流污泥,MLSS为6.01 g/L.

染料组成:活性艳红K-2BP(Reactive brilliantred K-2BP,最大吸收波长为436 nm)结构如图1所示,来自咸阳某印染厂.

配水组成:葡萄糖,0~1 000 mg/L;NH4Cl,50mg/L;KH2PO4,10 mg/L;CaCl2,5 mg/L;MgSO4,10 mg/L;FeSO4,1.3 mg/L;MnSO4,5mg/L;NaCl,0,2,5,10,20 g/L;染料,5~80 mg/L.

1.2试验方法

1.2.1测试项目与方法

用紫外—可见分光光度计(UV-2450)全波扫描确定染料的最大吸收波长;用UV-9100测定水样的吸光度.配制K-2BP浓度为20,40,60,80和100 mg/L的一系列标准溶液,在436 nm处测定吸光度,得到标准曲线.测定水样吸光度值,先由标准曲线转换为活性艳红K-2BP浓度,然后计算活性艳红K-2BP的去除率.

污泥接种和兼氧驯化:将二沉池回流污泥静置1 d,弃去上清液,然后隔绝空气静置3 d.取600 mL污泥放入1 L烧杯中,倒入400 mL新鲜配水,并放在磁力搅拌器上常温慢速搅拌进行污泥驯化.驯化过程中染料浓度从5 mg/L逐渐增加至80 mg/L.每天抽去上清液,并加入等量新鲜配水.将上清液在12 000 r/min条件下离心10 min后,在436 nm处测定其吸光度.染料去除率达到70%认为驯化完成,驯化历时1个月.

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1.2.2 K-2BP与葡萄糖共基质兼氧生物生物降解试验

分别向5个250 mL锥形瓶中加入100 mL已驯化成熟的污泥.染料进水浓度固定为80 mg/L,配制含葡萄糖浓度为0,50,200,400,600,800,1 000 mg/L的7种不同配水,各取100 mL分别加入不同锥形瓶中,在磁力搅拌器上以同样速度常温慢速搅拌.

反应周期为24 h:瞬时进水100 mL→反应12h→静置2 h→抽去上清液→无基质条件下静置10 h.反应过程中定时取样,离心后测定水样吸光度值.

1.2.3高盐条件下染料兼氧生物降解动力学试验

根据1.2.2节试验结果,选取对K-2BP降解最有利的葡萄糖投加浓度和染料投加浓度为80mg/L作为本试验的固定因素,选取2,5,10和20g/L 4个水平的NaCl投加浓度进行试验.反应周期与取样方法同1.2.2节.

2·试验结果与讨论

2.1 K-2BP与葡萄糖共基质兼氧生物生物降解试验

试验结果如图2所示.图2中,反应15 min左右,染料浓度骤然下降,而在1 h左右的时候染料浓度出现回升现象,这是因为微生物吸附、解吸的作用.染料与葡萄糖共基质时,由于葡萄糖是易降解基质,能提高兼氧生物的活性,从而促进微生物对染料等难降解有机物的降解作用[9-10].在兼氧条件下,当染料浓度固定为80 mg/L时,葡萄糖浓度升高有利于提高K-2BP的兼氧生物降解率,这说明当K-2BP与葡萄糖共存时,兼氧微生物能够对葡萄糖与K-2BP产生共代谢作用,而且葡萄糖浓度的增高有利于共代谢的进行.随着葡萄糖投加浓度增加,K-2BP去除率随之增加,葡萄糖浓度从0 mg/L提升至800 mg/L,其对应的染料降解率从40%提升为64.1%.当葡萄糖浓度为800mg/L时,染料去除效果最好,6 h时的降解率为64.1%.葡萄糖投加浓度上升为1 000 mg/L的时候,染料去除较差,降解率仅为40%左右,介于不投加葡萄糖和葡萄糖浓度为50 mg/L之间.葡萄糖浓度过高,反而抑制染料的降解.这是因为葡萄糖为易降解基质,当葡萄糖浓度较高,已经能满足兼氧微生物正常代谢情况下,微生物很少利用染料这样的难降解基质作为碳源.

2.2高盐条件下K-2BP兼氧生物降解动力学

根据2.1节实验数据,葡萄糖投加800 mg/L时,兼氧微生物对K-2BP去除效果最好.所以选取葡萄糖浓度为800 mg/L作为固定参数.在K-2BP浓度为80 mg/L条件下,含盐浓度分别为2,5,10,20 g/L,降解历程如图3所示.染料厌氧降解近似符合一级动力学方程[11],亦有学者认为,偶氮染料的生物降解脱色遵循零级反应动力学模型[12-13].从图3可以看出,投加新鲜废水后15 min内,反应体系中染料残余浓度急剧下降,在含盐浓度条件下,兼氧生物对基质仍具有吸附作用,随着盐浓度升高,兼氧生物对染料的吸附能力逐渐降低.但在反应15 min后,K-2BP的降解随时间变化近似成线性关系,这说明染料兼氧生物降解过程分为两个阶段:第一个阶段为生物表面吸附阶段,使染料浓度迅速下降;第二阶段为微生物利用吸附在生物表面的染料基质进行降解.这与Lourenco Nídia D研究结果相符合[14].本试验选取反应15 min后的试验数据进行K-2BP降解动力学研究,为考察染料生物降解动力学特性,将降解实验数据进行0级、1级和2级动力学模拟,所得数据列入表1中.

由表1中可以看出,含盐条件下K-2BP的兼氧降解动力学近似遵循1级反应动力学,反应速率常数随着含盐浓度升高而降低,反应速率常数从0.108 5 mg/(h·L)下降为0.022 8 mg/(h·L),说明盐对兼氧环境中染料的降解有一定抑制作用.在活性艳红K-2BP的降解过程中,根据所测得染料残余浓度做ln(c/c0)—t图(图4).

当盐浓度从2 g/L上升为5 g/L时,一级降解速率常数下降约为2 g/L时的1/2,盐浓度提升为10 g/L时,一级降解速率常数较5 g/L时下降幅度同样接近1/2.结合图3可以看出,盐浓度为20g/L的时候,K-2BP降解趋势与10 g/L和基本相同,反应时间为12 h时,降解率为50%左右,其一级降解速率常数K相差不大,分别为0.028 7mg/(h·L)和0.022 8 mg/(h·L).盐浓度为2,5,10和20 g/L 4个不同条件下,其兼氧降解动力学方程见图4中;其半衰期分别为t2g/L=6.99 h、t5g/L=14.15 h、t10g/L=22.55 h和t20g/L=30.21 h.

3·结论

(1)根据兼氧污泥驯化可知,由于污泥本身取自印染废水处理站的回流污泥,所以驯化过程中污泥能够较快适应高浓度染料,并有效降解活性艳红K-2BP.

(2)K-2BP在无葡萄糖共基质条件下降解比较缓慢,投加葡萄糖与之共基质,能提高染料降解效率,随着葡萄糖浓度增加,染料的去除率也随之增加,在葡萄糖浓度为800 mg/L时,染料去除率达到最大,而当葡萄糖浓度为1 000 mg/L时,反而不利于染料的降解.

(3)含盐条件下,在反应15 min后,K-2BP兼氧生物降解动力学方程符合一级反应动力学方程:含盐浓度分别为2,5,10,20 g/L时,其一级降解速率分别为K2g/L=0.105 78 mg/(L·h)、K5g/L=0.049 47 mg/(L·h)、K10g/L=0.028 69mg/(L·h)、K20g/L=0.022 75 mg/(L·h);半衰期分别为t2g/L=6.99 h、t5g/L=14.15 h、t10g/L=22.55 h、t20 g/L=30.21 h.

参考文献:略


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