奧奈達希瓦氏菌及其固定化小球在處理印染廢水中的應用的製作方法

2023-08-13 17:42:36 1

本發明屬於印染廢水處理
技術領域：
，具體涉及一種奧奈達希瓦氏菌固定化小球及奧奈達希瓦氏菌在處理印染廢水中的應用。
背景技術：
：紡織印染行業是我國用水量大、排放量大的工業部門之一。隨著化學纖維織物的廣泛使用，染料工業的飛速發展，後整理技術也不斷進步，新型助劑、染料、整理劑等被大量使用。據資料統計，2002年我國紡織廢水總排放量為70億噸，其中80％是印染廢水。由於印染廢水排放量大、色度深、含鹽量高、可生化性低，且活性染料水溶性好，因此很難對其進行脫色處理，印染廢水如果直接排放則會對人類健康和生存環境帶來極大危害，廢水中殘存的染料組分即使濃度很低，排入水體後也會造成水體透光率降低，倒是水體生態系統被破壞，造成水資源的浪費。印染廢水的脫色處理一直是印染防止和染料生產所面臨的主要任何，目前印染廢水脫色處理的物理化學方法主要由吸附脫色技術、混凝沉澱技術、化學氧化技術、粒子交換技術、超濾膜脫色技術、光催化技術、高壓脈衝電解技術等等。物理化學方法由於處理費用高、極易產生大量難處理汙泥以及可能造成二次汙染等缺點已越來越難以滿足生產和環保的要求。生物方法成本低、效率高，是印染廢水處理的一大趨勢。如授權公告號為cn103667108b的中國發明專利公開了一種紅球菌菌株在處理印染廢水中的應用，該應用將紅球菌菌株製成菌液或微生物菌劑後應用到印染廢水處理工藝的不同階段中，以達到處理高鹽印染廢水的目的。如公開號為cn101734800a的中國發明專利申請公開了一種採用固定化真菌菌體對印染廢水脫色的方法，該方法將真菌孢子或菌絲段接種於裝有固定化基質材料的液體培養基中，再將覆蓋、固定有菌絲的固定化基質材料投加到印染廢水中，進行脫色處理。目前還沒有將奧奈達希瓦氏菌用於印染廢水脫色中的相關報導。技術實現要素：本發明提供了奧奈達希瓦氏菌在處理印染廢水中的應用，為印染廢水脫色提供了一種新途徑。奧奈達希瓦氏菌(shewanellaoneidensismr-1)在處理印染廢水中的應用。作為優選，所述印染廢水的染料濃度不低於30mg/l。染料濃度過低時，基本不被奧奈達希瓦氏菌所降解，脫色效率極低。當提高染料濃度後，奧奈達希瓦氏菌對印染廢水的脫色效率也逐漸增加。本發明提供了兩種奧奈達希瓦氏菌用於印染廢水脫色中的方法，其中一種應用方法包括：將所述奧奈達希瓦氏菌馴化後製成菌懸液，將所述菌懸液投加到所述印染廢水中；所述印染廢水的溫度為16～22℃，ph為7.5～10。本發明發現，奧奈達希瓦氏菌的懸浮菌體對印染廢水的脫色效率隨環境溫度的升高逐漸降低，在16～22℃下脫色率較佳，其中在16℃下脫色率最高為58.03％；同時奧奈達希瓦氏菌的懸浮菌體在偏鹼性環境下脫色性能較佳，當環境ph為8時脫色率最高達45.2％。作為優選，所述菌懸液的投加量為：投加該菌懸液後，印染廢水中奧奈達希瓦氏菌的初始菌od600為0.50～0.55。另一種應用方法包括：將所述奧奈達希瓦氏菌製成固定化小球，將所述固定化小球馴化後投加到所述印染廢水中；所述印染廢水的溫度為20～37℃，ph為4～9。本發明發現，奧奈達希瓦氏菌固定化小球的適宜脫色溫度較奧奈達希瓦氏菌菌懸液要高，在28℃下脫色率最高達到43.31％；同時，奧奈達希瓦氏菌固定化小球則在偏酸性環境下具有較佳的脫色性能，當環境ph為6時脫色率最高達43.31％。作為優選，所述印染廢水中，固定化小球的投加量為40～60g/l。作為優選，所述固定化小球的製備方法包括以下步驟：(1)將聚乙烯醇加入水中，在80～90℃水浴下攪拌至完全溶解，向溶解液中加入海藻酸鈉，攪拌，混合均勻，獲得pva-sa懸濁液；作為優選，所述pva-sa懸濁液中，聚乙烯醇的質量分數為8％，海藻酸鈉的質量分數為1％，所述聚乙烯醇的平均聚合度為1800±100。試驗發現，當pva-sa懸濁液中聚乙烯醇與海藻酸鈉的質量比為8:1時，最易形成固定化小球，且固定化小球活性高。(2)向奧奈達希瓦氏菌菌懸液中加入活性炭，混合吸附，獲得預處理液；作為優選，混合吸附的時間為至少10min。先採用活性炭進行預先吸附，活性炭的多孔結構不僅可以提高固定化顆粒的載菌量，而且還能增強固定化顆粒的強度，從而提高固定化顆粒的脫色效率，延長其使用壽命。(3)將所述預處理液加入到已冷卻的pva-sa懸濁液中，攪拌，混合均勻，獲得混合菌液；作為優選，所述預處理液與pva-sa懸濁液的質量比為1:5～1:50。若質量比過小，固定化小球中奧奈達希瓦氏菌的濃度較低，酶催化反應速率會變慢，導致脫色率降低；若質量比過大，則奧奈達希瓦氏菌消耗量大，成本會增加。(4)在攪拌條件下，將所述混合菌液滴加到含氯化鈣的飽和硼酸溶液中進行交聯反應，獲得固定化小球。作為優選，所述含氯化鈣的飽和硼酸溶液中，氯化鈣的質量分數為1％，所述含氯化鈣的飽和硼酸溶液的ph為4.0～7.0，溫度為5～15℃。本發明中，含氯化鈣的飽和硼酸溶液作為交聯劑。實驗發現，交聯劑的ph以及其中氯化鈣的質量分數對固定化小球的成球性具有較大影響，當交聯劑的ph為4.0～7.0、氯化鈣的質量分數為1％時，成球操作容易，固定化小球的活性較高。含氯化鈣的飽和硼酸溶液，其本身ph為3.4左右，這種酸性環境不僅會對微生物的生長產生抑制作用，致其活性下降，也會影響pva的凝膠過程。因此本發明中需要將其ph調節至6.5～7.0，以便降低固定化過程中酸性環境對微生物活性的影響。同時，試驗發現，交聯溫度對固定化小球的脫色率也具有較大影響。其中，當交聯溫度在5～15℃(更優選為5℃)時，製得的固定化小球中奧奈達希瓦氏菌的活性較高，脫色率較高，且較低的溫度也有利於交聯反應的進行。滴加混合菌液時，液珠應當是逐滴加入的，液珠與液珠之間不存在連續，否則無法生成固定化小球。同時，攪拌速度應控制在150～200r/min。若攪拌速度過快，由於離心力較大容易造成固定化小球發生拖尾現象；若攪拌速度過慢，則固定化小球之間容易發生粘連。滴加混合菌液的儀器(如注射器)的出液口直徑對固定化小球的大小有直接影響，出液口直徑過小容易造成活性炭粉末堵塞，液珠中活性炭含量少導致固定化小球中菌含量稀少，出液口直徑過大則形成的固定化小球過大，不利於小球微環境內的物質交換，導致細菌生長環境不佳。優選地，滴加混合菌液的儀器的出液口直徑為0.5～0.8mm。獲得的固定化小球用生理鹽水洗滌後，再加少量生理鹽水以使固定化小球表面保持溼潤，再置於4℃下保存、備用。鑑於奧奈達希瓦氏菌在印染廢水脫色中的突出效果，本發明還提供了一種奧奈達希瓦氏菌固定化小球，該奧奈達希瓦氏菌固定化小球由以下方法製備而成：(1)將聚乙烯醇加入水中，在80～90℃水浴下攪拌至完全溶解，向溶解液中加入海藻酸鈉，攪拌，混合均勻，獲得pva-sa懸濁液；(2)向奧奈達希瓦氏菌菌懸液中加入活性炭，混合吸附，獲得預處理液；(3)將所述預處理液加入到已冷卻的pva-sa懸濁液中，攪拌，混合均勻，獲得混合菌液；(4)在攪拌條件下，將所述混合菌液滴加到含氯化鈣的飽和硼酸溶液中進行交聯反應，獲得奧奈達希瓦氏菌固定化小球。與現有技術相比，本發明的有益效果為：本發明首次提出了將奧奈達希瓦氏菌用於印染廢水處理中，奧奈達希瓦氏菌對印染廢水的脫色效率尤為突出，因此本發明將奧奈達希瓦氏菌製成固定化小球，固定化小球不僅有效提高了奧奈達希瓦氏菌的重複利用率，而且大大提高了對印染廢水的脫色效率，脫色效率最高可達43.31％。附圖說明圖1為本發明奧奈達希瓦氏菌固定化小球的外觀圖；具體實施方式下面結合附圖和具體實施方式對本發明的技術方案作進一步的詳細說明。實施例1奧奈達希瓦氏菌固定化小球的製備一種奧奈達希瓦氏菌固定化小球的製備方法，包括以下步驟：(1)稱取8g聚乙烯醇(平均聚合度為1800±100)加到100ml去離子水中，浸泡30min後，在80～90℃水浴下攪拌至完全溶解，然後向溶解液中加入0.5g海藻酸鈉，攪拌，混合均勻，獲得pva-sa懸濁液；(2)將奧奈達希瓦氏菌菌種以挑取單菌落接種在6mllb培養基(氯化鈉，5g；酵母粉，5g；蛋白腖，10g)內，培養約48h；將培養液在3000r/min下離心20min，移去上清液，用質量分數為0.9％生理鹽水清洗，重複操作離心2次後，再加入質量分數為0.9％生理鹽水，配製成奧奈達希瓦氏菌菌懸液；(3)向12ml奧奈達希瓦氏菌菌懸液中加入0.2g活性炭，混合吸附10min，獲得預處理液；(4)將預處理液加入到已冷卻的pva-sa懸濁液中，預處理液與pva-sa懸濁液的質量比為1:20，攪拌，混合均勻，獲得混合菌液；攪拌速度以不產生氣泡為宜；(5)滴管(出液口直徑為0.6mm)滴加20ml含1％氯化鈣的飽和硼酸溶液(硼酸濃度為4％，用nahco3調節ph至6.5，溶液溫度為5℃)，交聯10min，獲得固定化小球，此過程保持磁力攪拌，攪拌速度180r/min；將固定化小球取出，用生理鹽水洗滌2～3次，再加少量生理鹽水以使固定化小球表面保持溼潤，置於4℃下保存、備用。由圖1可見，本實施例製備的固定化小球外觀圓潤，顆粒直徑在2～3mm之間，活性炭顆粒在固定化小球中分布均勻。實施例2～4採用與實施例1相同的方法製備奧奈達希瓦氏菌固定化小球，但步驟(1)的pva-sa懸濁液中，聚乙烯醇和海藻酸鈉的質量分數變為：實施例2：聚乙烯醇2％，海藻酸鈉1％；實施例3：聚乙烯醇4％，海藻酸鈉1％；實施例4：聚乙烯醇6％，海藻酸鈉1％。實施例5：聚乙烯醇10％，海藻酸鈉1％。觀察發現，當所使用的pva-sa懸濁液中pva的質量分數為6～10％(海藻酸鈉為1％)時，可以成球，噹噹pva-sa懸濁液中聚乙烯醇與海藻酸鈉的質量比為8:1(實施例1)時，最易形成固定化小球，固定化小球的成球率最高；而當pva的質量分數過低時，形成的固定化小球彈性差，強度低；當pva的質量分數過高時，pva不易溶解，利用率低。實施例6～10採用與實施例1相同的方法製備奧奈達希瓦氏菌固定化小球，但步驟(4)中，預處理液與pva-sa懸濁液的質量比變為1:5、1:10、1:30、1:40、1:50。實施例11～13採用與實施例1相同的方法製備奧奈達希瓦氏菌固定化小球，但步驟(5)中，含1％氯化鈣的飽和硼酸溶液的溫度為5℃、15℃。實施例14～16採用與實施例1相同的方法製備奧奈達希瓦氏菌固定化小球，但步驟(5)中，飽和硼酸溶液中氯化鈣的質量分數為0.5％、2％、5％。實施例17～20採用與實施例1相同的方法製備奧奈達希瓦氏菌固定化小球，但步驟(5)中飽和硼酸溶液的ph為6.0、7.0、7.5，同時設置不調節ph的對照組。測試例1奧奈達希瓦氏菌固定化小球對模擬印染廢水的處理利用上述實施例製備的奧奈達希瓦氏菌固定化小球對印染廢水進行脫色處理的方法，包括以下步驟：(1)模擬印染廢水的配製：按以下配方配製模擬印染廢水：甲基橙30mg/l，硫酸錳5.7mg/l，葡萄糖800mg/l，硫酸鎂59.3mg/l，硫酸亞鐵0.3mg/l，尿素40mg/l，碳酸氫鈉100mg/l，磷酸二氫鉀47.5mg/l，氯化鈣5.7mg/l，ph7.0。(2)取200μl模擬印染廢水加入到96孔板中，用酶標儀在450nm的吸收波長下進行吸光值測定，並拍照、記錄，重複三次取平均值；(3)在每支試管中加入10ml模擬印染廢水，並將實施例1～18製備的奧奈達希瓦氏菌固定化小球按質量比20:1分別加入試管中，同一實施例的奧奈達希瓦氏菌固定化小球設置三個平行試管，將所有試管放入28℃的生化培養箱密封遮光培養48h；(4)48h後，取出試管，8000rpm/min離心3min，取200μl上清液加入到96孔板中，用酶標儀在450nm的吸收波長下進行吸光值測定，並拍照、記錄，重複三次取平均值；(5)根據以下公式計算脫色率：其中，a0代表了染料的初始吸光度，at是在不同時間點上染料的吸光度。1、實施例1和實施例6～10製備的奧奈達希瓦氏菌固定化小球對印染廢水的脫色率見表1。表1實施例1、6～10製備的奧奈達希瓦氏菌固定化小球對印染廢水的脫色率比較預處理液與pva-sa懸濁液的質量比脫色率(％)實施例6(1:5)33.89實施例7(1:10)37.66實施例1(1:20)43.31實施例8(1:30)39.97實施例9(1:40)34.36實施例10(1:50)26.96由表1可見，隨預處理液與pva-sa懸濁液的質量比逐漸變小，奧奈達希瓦氏菌固定化小球對印染廢水的脫色率也逐漸降低。這是因為預處理液與pva-sa懸濁液的質量比越小，固定化小球中奧奈達希瓦氏菌的含量越低，導致酶催化反應速度變慢。考慮到成本和奧奈達希瓦氏菌的消耗，預處理液與pva-sa懸濁液的質量比優選為1:20。2、實施例1、11～13製備的奧奈達希瓦氏菌固定化小球對印染廢水的脫色率結果見表2。表2實施例1、11～12製備的奧奈達希瓦氏菌固定化小球對印染廢水的脫色率比較交聯溫度(℃)脫色率(％)實施例11(5℃)34.76實施例1(10℃)43.31實施例12(15℃)32.23由表2可見，當交聯溫度控制在5～15℃時，獲得的固定化小球的脫色效率較佳。3、實施例1、13～15製備的奧奈達希瓦氏菌固定化小球對印染廢水的脫色率結果見表3。表3實施例1、13～15製備的奧奈達希瓦氏菌固定化小球對印染廢水的脫色率比較飽和硼酸溶液中氯化鈣的質量分數(％)脫色率(％)實施例13(0.5％)29.60實施例1(1.0％)43.31實施例14(2.0％)35.96實施例15(5.0％)29.49由表3可見，在氯化鈣質量分數在1.0％～2.0％之間，獲得的固定化小球的脫色效率較佳。4、實施例1、17～18製備的奧奈達希瓦氏菌固定化小球對印染廢水的脫色率結果見表4。表4實施例1、16～19製備的奧奈達希瓦氏菌固定化小球對印染廢水的脫色率比較飽和硼酸溶液的ph脫色率(％)實施例16(4.0)8.25實施例17(6.0)25.50實施例1(6.5)43.31實施例18(7.0)27.41實施例19(7.5)24.33由表4可見，通過將含氯化鈣的飽和硼酸溶液(本身ph約為3.4)的ph調節至6.5～7.0，可以降低固定化過程中酸性環境對微生物活性的影響，保證固定化小球的脫色效果。測試例2脫色處理條件對脫色率的影響以實施例1製備的奧奈達希瓦氏菌固定化小球為例，考察脫色處理過程中的參數變化對其脫色率的影響。1、印染廢水組成配製lb培養液100ml(配方：氯化鈉5g/l；酵母粉5g/l；蛋白腖10g/l，ph7.0)，高溫高壓滅菌，待用。設置三種待處理印染廢水：①配製含30mg/l甲基橙的lb培養液，每支試管中分裝10ml，分裝三支試管；②配製含30mg/l甲基橙、59.3mg/l硫酸鎂、5.7mg/l氯化鈣、5.7mg/l硫酸錳、0.3mg/l硫酸亞鐵的lb培養液，每支試管中分裝10ml，分裝三支試管；③與測試例1相同的模擬印染廢水，每支試管中分裝10ml，分裝三支試管。採用與測試例1相同的方法檢測實施例1製備的奧奈達希瓦氏菌固定化小球對上述三種待處理印染廢水的脫色率，結果見表5。表5奧奈達希瓦氏菌固定化小球對三種不同待處理印染廢水的脫色率待處理印染廢水脫色率(％)①79.42②81.68③43.31由表5可見，lb培養液的存在對固定化小球的脫色率有積極作用，而印染廢水中金屬離子的存在則對固定化小球的脫色率有一定的抑制作用。提示在具體應用過程中，可以在向印染廢水投加奧奈達希瓦氏菌固定化小球的同時，向印染廢水中添加適量的細菌培養液，以提高固定化小球的活性。同時，若能在使用奧奈達希瓦氏菌固定化小球前，預先除去印染廢水中的金屬離子將能提高固定化小球的脫色率。2、固定化小球持續使用時間採用與測試例1相同的方法檢測實施例1製備的奧奈達希瓦氏菌固定化小球對模擬印染廢水(該模擬印染廢水的組成與測試例1，下同)的脫色率，但步驟(3)和(4)中，每隔24h測定一次廢水的吸光值，並計算其脫色率，考察固定化小球持續使用時間對脫色率的影響，結果見表6。表6不同時間段內奧奈達希瓦氏菌固定化小球對模擬印染廢水的脫色率固定化小球持續使用時間(h)脫色率(％)2413.084843.317250.5612056.9516859.9733682.2243289.1350492.60由表6可見，在72～168h內，固定化小球對模擬印染廢水的脫色率波動較小。72h時脫色率降低，72h後脫色率有所回升，可能是固定小球降解破裂，導致細菌從中出來，懸浮細菌與固定化細菌同時存在於模擬印染廢水中，造成脫色率出現上升。提示實際應用過程中，當奧奈達希瓦氏菌固定化小球持續使用72h後，應當回收，下次再行投入使用。3、脫色底物濃度採用與測試例1相同的方法檢測實施例1製備的奧奈達希瓦氏菌固定化小球對模擬印染廢水的脫色率，但改變模擬印染廢水中甲基橙的濃度，考察脫色底物濃度對固定化小球脫色率的影響，考察結果見表7。表7不同甲基橙濃度下奧奈達希瓦氏菌固定化小球對模擬印染廢水的脫色率甲基橙濃度(mg/l)脫色率(％)1529.973043.316040.729032.5512027.5915024.22由表7可見，在底物濃度低於100mg/l時，當底物濃度較低時，脫色率也較低。這是因為底物濃度低時，基本上不被光化細菌降解。當底物濃度增加後，脫色率也隨之增加。4、脫色環境溫度採用與測試例1相同的方法檢測實施例1製備的奧奈達希瓦氏菌固定化小球對模擬印染廢水的脫色率，但改變步驟(3)中生化培養箱的溫度，分別考察脫色環境溫度對奧奈達希瓦氏菌固定化小球、奧奈達希瓦氏菌菌懸液(od600＝0.5)的脫色率的影響，考察結果見表8。表8不同溫度下奧奈達希瓦氏菌對模擬印染廢水的脫色率由表8可見，奧奈達希瓦氏菌菌懸液的脫色率隨溫度升高而降低，在20℃時最高為58.03％。而奧奈達希瓦氏菌固定化小球的脫色率在28℃時最高為43.31％。固定化後，奧奈達希瓦氏菌的適宜脫色溫度相對提高了。提示在天氣炎熱的地區或季節，可以使用奧奈達希瓦氏菌固定化小球進行印染廢水脫色；而在氣溫較低的地區或季節，可以使用奧奈達希瓦氏菌菌懸液進行印染廢水脫色。5、脫色環境ph採用與測試例1相同的方法檢測實施例1製備的奧奈達希瓦氏菌固定化小球對模擬印染廢水的脫色率，但改變模擬印染廢水的ph，分別考察脫色環境ph對奧奈達希瓦氏菌固定化小球、奧奈達希瓦氏菌菌懸液(od600＝0.5)的脫色率的影響，考察結果見表9。表9不同ph下奧奈達希瓦氏菌對模擬印染廢水的脫色率由表9可見，奧奈達希瓦氏菌菌懸液在偏鹼性環境下具有較佳的脫色率，在ph為8時脫色率最高達45.2％，高於固定化小球在這個環境下的脫色率；而奧奈達希瓦氏菌固定化小球在偏酸性環境下具有較佳的脫色率，在ph為6時脫色率最高達43.02％，高於菌懸液在這個環境下的脫色率；並且在ph為7～8時固定化小球的脫色率仍較為可觀。6、使用次數將奧奈達希瓦氏菌固定化小球置於模擬印染廢水中培養24h後取出，用生理鹽水衝洗2-3次，投加到相同濃度的模擬印染廢水中，在相同條件下脫色24h後，在重複以上操作數次，直至固定化小球出現降解破裂，計算次數，並測定脫色率，檢測結果見表10。表10重複使用對奧奈達希瓦氏菌固定化小球脫色率的影響使用次數脫色率(％)113.08％27.05％3-2.81％由表10可見，第二次比第一次脫色率高，這說明，重複脫色對固定化小球來說是一個馴化過程，菌體能更好的利用染料作為底物進行生長代謝活動。但第三次比第二次有所下降，這是因為固定化小球開始出現溶脹破解現象，小球內部空間已不能滿足菌體生長所需；重複使用4次後，固定化小球破裂程度增加，廢水中懸浮菌體的數量遠高於固定化小球中的菌體數量，其生長空間充足，在底物仍然充足的情況下，生長沒有受到抑制，因此脫色率有所回升。提示適當增加小球機械強度可提高固定化小球的重複利用率，使其有效運用於實際生產中。當前第1頁12