厭氧微生物與Fe-Ni雙金屬聯合體系對TBBPA去除效率研究.

中國污水處理工程網時間：2018-7-30 9:53:56

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　　1 引言(Introduction)

　　四溴雙酚A(Tetrabromobisphenol A, TBBPA)是溴代阻燃劑的典型代表, 由于其優良的阻燃性能和低廉的價格被廣泛應用于工業生產和日用品中, 包括電子產品、紡織、家具、防火材料、裝飾物、塑料制品等(de WIT, 2002).近年來, 包括TBBPA在內的溴代阻燃劑對環境和人類健康造成的影響和危害正越來越引起人們的廣泛關注.TBBPA在全球各種環境介質、生物體及人體內被廣泛檢出(Li et al., 2011;Wurl and Obbard, 2005;Mckinney et al., 2006;Luo et al., 2009;羅孝俊等, 2008).相關毒理研究表明, TBBPA對動植物細胞深具毒性, 特別對動物顯示出包括甲狀腺激素干擾、神經毒性、肝臟和腎臟毒性、免疫毒性、雌雄性干擾等廣泛的致毒效應(杜青平等, 2012;Decherf et al., 2010;De Wit et al., 2008;Tada et al., 2006).在溴代阻燃劑已經被列入斯德哥爾摩公約中優先監控名單的今日, 盡管有關TBBPA的環境積累量、遷移轉化規律及其生物富集毒性的研究已廣泛開展, 但有關其去除的研究卻明顯滯后(邱孟德等, 2010;He et al., 2006).

　　元素鐵是一種活潑金屬, 具有還原性, 在自然環境中儲量大, 開采利用成本低.近年來, 零價鐵已經被廣泛地用來降解和去除環境中的有機及無機污染物質, 是一種新興的高效經濟修復技術(Kanel et al., 2005;鄭西來等, 2016).與其他物化方法相比, 零價鐵處理法無需耗能且反應迅速, 但鐵表面易被腐蝕鈍化, 且易結塊, 穩定性、耐用性的不足限制了其實際應用(Peng et al., 2017).Fe-Ni雙金屬顆粒通過增加反應表面活性位點提高零價鐵的反應活性, 減少產物對材料的腐蝕以延長鐵的使用壽命, 及加速還原反應的進行等方式改善了Fe處理技術(Parshetti and Doong, 2009;Fang et al., 2011), 并在TBBPA的去除應用方面取得了重要進展(Luo et al., 2012a;Peng et al., 2017).

　　微生物在持久性有機污染物的遷移轉化乃至最終從環境中消失的過程中占有重要的地位.微生物法作為一種具有廣泛適用性的修復技術, 發展相對成熟, 具有經濟、高效且降解徹底的優勢.在TBBPA的微生物去除方面盡管報道了許多研究成果(Gerecke et al., 2006;Peng et al., 2014), 但不管是混合還是純培養系統, 都存在降解緩慢、周期長等不足(鄭政偉等, 2010).鑒于此, 作為開發強化去除典型溴代阻燃劑TBBPA的重要一環, 本研究擬將微生物處理法與鐵還原法兩種修復技術結合, 采用厭氧微生物與Fe-Ni雙金屬聯合體系來強化去除水體中的TBBPA.同時, 對聯合體系的去除效果及其影響條件進行探討, 為TBBPA的去除提供新的思路.

　　2 材料與方法(Materials and methods)

　　實驗采用的微生物來自本實驗室馴化降解TBBPA菌群的反應器, 該反應器于2017年1月從廣州市番禺區前鋒污水處理廠取得活性污泥啟動, 并長期提供含TBBPA的進水對反應器內的微生物菌群進行馴化.對出水中TBBPA的檢測及微生物菌群去除TBBPA的活性顯示, 經過半年的馴化后該反應器內的微生物菌群具有相當穩定的TBBPA降解活性.

　　2.1 主要試劑

　　本實驗過程使用的試劑TBBPA(分析純, 98%)由北京百靈威試劑有限公司生產;還原鐵粉及NiCl2試劑購于天津市永大化學試劑有限公司.厭氧微生物培養基(營養液)配方：1.0 g · L-1 C6H12O6、0.8 g · L-1 NaHCO3、2.6 g · L-1 NH4Cl、0.10 g · L-1 MgCl2 · 7H2O、0.08 g · L-1 NiCl2 · 7H2O、0.75 g · L-1 K2HPO4、0.3 g · L-1 KH2PO4、0.68 g · L-1 Na3C6H5O7 · H2O、0.52 g · L-1 CaCl2、0.125 g · L-1 FeCl3 · 6H2O、0.013 g · L-1 ZnCl2、0.011 g · L-1 CoCl3 · 6H2O、0.022 g · L-1 MnCl2 · 4H2O、0.0044 g · L-1 NaBO3 · 10H2O、0.008 g · L-1 (NH4)6Mo7O24 · 4H2O、0.0065 g · L-1 CuCl2 · 2H2O, pH7.0.本實驗過程中所使用的河水, 其水質經實驗室檢測, 結果如表 1所示.

　　2.2 實驗方法2.2.1 Fe-Ni雙金屬材料的制備

　　Fe-Ni雙金屬材料的制備參照Luo等(2012b)的方法, 利用液相置換法將溶液中的鎳離子置換到鐵表面, 從而形成Fe-Ni雙金屬材料.具體操作如下：

　　將還原鐵粉過100目篩, 稱取1.0 g過篩后的鐵粉于小燒杯中, 用10 mL 5%的鹽酸洗滌5 min, 然后用超純水洗滌5次, 再將其轉移到100 mL血清瓶中, 加入50 mL一定濃度的NiCl2溶液(根據所需要的Ni負載率配置一定濃度的NiCl2溶液), 用膠塞塞好, 通入氮氣5 min, 再轉移到恒溫振蕩器中(30 ℃, 150 r · min-1)振蕩2 h, 然后用超純水洗滌5次, 抽濾回收固體物質, 用無水乙醇洗滌3次, 將制備好的Fe-Ni雙金屬材料置于干燥箱中(60 ℃)干燥9 h, 取出后過100目篩置于干燥器中備用.

　　2.2.2 富集及培養TBBPA降解菌群

　　從前述的馴化反應器中抽取菌液, 將裝有菌液的50 mL離心管進行離心(4000 r · min-1, 4 ℃, 10 min), 棄用上清液并注入20 mL營養液待營養液和底部的污泥混合均勻后轉移到裝有80 mL營養液的125 mL血清瓶中, 再加入TBBPA母液(0.1 mol · L-1 NaOH溶液配制), 使每個血清瓶中的TBBPA初始濃度為10 mg · L-1.封口血清瓶, 利用曝氣針向血清瓶中通入氮氣15 min置換瓶內的空氣.避光于恒溫振蕩器中培養(30 ℃, 150 r · min-1).每天重復離心、更換營養液、添加TBBPA、曝氣等步驟.

　　2.2.3 批次實驗

　　為探究厭氧微生物與Fe-Ni雙金屬材料聯合去除TBBPA的特性和規律, 設計批次實驗.在125 mL血清瓶中加入調好OD600值及pH的菌液100 mL, 加入所制備的Fe-Ni雙金屬材料, 再添加一定量的TBBPA母液使體系TBBPA濃度為指定濃度, 封口血清瓶, 利用曝氣針向瓶中曝入氮氣置換出空氣, 置于恒溫振蕩箱振蕩, 定期取樣, 取樣過程在厭氧箱內操作.每組實驗設置3個平行實驗.

　　2.2.4 HPLC分析

　　TBBPA濃度的測定采用高效液相色譜法, 高效液相色譜儀(LC-20AT, Shimadzu Kyoto, Japan).每次取樣1 mL, 過0.22 μm尼龍66有機濾膜于2 mL棕色樣品瓶, 再加0.5 mL甲醇將濾膜里截留的TBBPA洗下.將樣品置于4 ℃環境下保存待測.高效液相色譜儀檢測器為SPD-20AV, 檢測波長209 nm, 色譜柱采用SHIMADZU VP-ODS C18, 流動相為甲醇/水=90/10(V/V), 流速0.8 mL · min-1, 柱溫40 ℃.

　　2.2.5 統計學分析

　　首先, 對批次實驗結果進行動力學擬合, 方程式為

(1)

　　式中, c0為初始添加的TBBPA濃度(mg · L-1), ct為t(h)時刻對應的體系中TBBPA的剩余濃度(mg · L-1), k為反應速率常數(h-1).

　　響應面分析(RSM)是一種最優化方法, 它將體系的因變量與多個自變量間建立其函數關系, 并應用圖形技術將這種函數關系顯示出來, 以供我們直觀的選擇試驗設計中的最優化條件(Zhou et al., 2011).本實驗利用Design-Expert軟件, 基于Box-Behnken模型設計建立響應曲面模型, 研究影響TBBPA去除率的主要變量間的交互作用, 尋找TBBPA的最佳去除條件(Peng and Jia, 2013).

　　3 結果(Results)3.1 不同體系對TBBPA去除效果的比較

　　設置5組探討不同體系對TBBPA去除效果的實驗, 實驗條件設置如表 2所示.其中活微生物的濃度用OD600指示, 初始值為0.6, 滅活微生物為同等濃度的微生物經高壓蒸汽滅菌(125 ℃, 30 min), Fe-Ni雙金屬材料投加量為10 mg · L-1, 各體系中TBBPA初始濃度均控制為2 mg · L-1, pH調至7.反應6 h后, TBBPA的去除情況如圖 1所示, 結果表明, 厭氧微生物與Fe-Ni雙金屬材料聯合體系(組e)對TBBPA的去除效率最高, 6 h內達到75.50%.單獨的Fe-Ni雙金屬材料(組d)及單獨的活微生物(組b)對TBBPA也有一定的去除效果, 去除率分別可達到60.91%和59.43%.空白對照組(組a)對TBBPA的降解并不明顯, 說明TBBPA的去除確實是由于Fe-Ni雙金屬材料與厭氧活微生物的作用.此外, 滅活微生物(組c)對TBBPA的去除率小于10%, 說明厭氧活微生物是通過代謝作用去除TBBPA, 而非吸附作用.

　　圖 1

　　圖 1不同反應體系對TBBPA的去除效果 (a.空白對照, b.單獨活菌, c.單獨死菌, d.單獨材料, e.活菌+材料)

　　對厭氧微生物與Fe-Ni雙金屬材料聯合體系(組e)、單獨的厭氧活微生物(組b)及單獨的Fe-Ni雙金屬材料(組d)3組實驗結果進行一級動力學擬合(圖 2), 擬合數據結果如表 2所示, 相關系數R2值為0.9097~0.9510, 說明降解過程符合一級動力學模型.單獨的Fe-Ni雙金屬材料及單獨的活微生物對TBBPA的降解速率常數k分別是0.3364 h-1和0.3583 h-1, 半衰期較長, 分別是2.06 h和1.96 h.而當兩者聯合的情況下, 降解速率常數k為2.2917 h-1, 半衰期縮減到0.31 h.說明厭氧微生物與Fe-Ni雙金屬材料聯合對TBBPA的去除具有明顯的促進作用.

　　圖 2

　　圖 2不同體系中的去除TBBPA動力學擬合 (e.活菌+材料, d.單獨材料, b.單獨活菌)

　　3.2 厭氧微生物與Fe-Ni雙金屬材料聯合體系去除TBBPA的影響因素3.2.1 模型擬合

　　應用響應面分析法, 以接菌量、TBBPA濃度、溫度為響應因子, TBBPA的去除率為響應值, 探究其對厭氧微生物與Fe-Ni雙金屬材料聯合體系對TBBPA去除率的影響, 實驗因素及水平如表 3所示.Fe-Ni雙金屬材料投加量的預備實驗顯示, 在10~100 mg · L-1內投加量的增加幾乎不再促進去除率的升高, 故表中不含Fe-Ni雙金屬材料投加量.根據Box- Benhnke的中心組合實驗設計原理, 進行三因素三水平共17組的響應面分析實驗, 實驗設計矩陣及結果如表 4所示.經回歸擬合后, 實驗因子對響應值的影響可用回歸方程(2)表示.

(2)

　　式中, Y為TBBPA去除率, X1, X2, X3分別為初始接菌量(OD600), 溫度(℃), 初始TBBPA濃度(mg · L-1).

　　通過方差分析對方程的統計學意義進行評估(表 5), 模型的F值為889, 意味著此模型顯著可行, 且由于干擾導致模型F值變大的可能性小于0.1%, 也就是說模型(式(2))沒有明顯的擬合誤差.此模型的失擬項不顯著其p值為0.0641(p>0.05), 說明該模型對TBBPA的最大去除率的預測是可信的.在此實驗中, X1(p<0.0001), X3(p<0.0001)說明接菌量和TBBPA初始濃度對TBBPA的去除率影響最大.X1X3(接菌量和TBBPA初始濃度)的p值最小(<0.0001)說明該兩個因素互動程度最大.X12(接菌量和溫度), X2X3(溫度和TBBPA初始濃度)的p值分別為0.0155和0.0161, 均小于0.05, 它們之間的交互影響次之.

　　3.2.2 響應面分析

　　相比傳統的單因素優化實驗, 響應面分析法可以更加經濟快捷的獲取實驗結果(Dritsa et al., 2009).該方法通常是通過繪制響應面曲線(即回歸模型的圖形表現形式)來確定變量的相互作用影響和最佳條件(Dandavate et al., 2009).模型擬合結果式(2)的響應面曲線如圖 3a~3f所示.圖 3a, 3b為X1(初始接菌量)和X2(溫度)對TBBPA去除率的影響, 其中X3(TBBPA初始濃度)為常量(即保持零水平值).從圖可知, 初始接菌量OD600在0.2~0.8范圍內, 隨著初始接菌量的提高, TBBPA去除率逐漸增大.在溫度20~40 ℃范圍內, TBBPA的去除率呈現先增大后減小的變化趨勢, 29 ℃時TBBPA的去除率最大.這是因為溫度對微生物的活性存在一定影響, 溫度過高或過低均不利于厭氧微生物的處理作用.

　　圖 3

　　圖 3兩兩因素交互影響的響應面曲線及對應等高線圖

　　圖 3c, 3d為X1(初始接菌量)和X3(初始TBBPA濃度)對TBBPA去除率的影響, 其中X2(溫度)為常量(即保持零水平值).當初始接菌量提高時, TBBPA的去除率增大, 但增大幅度趨于平緩.初始TBBPA濃度增加, TBBPA去除率先增大然后逐步趨于平緩.雖然初始TBBPA濃度的增加會抑制微生物的活性, 增大其延滯時間(Cycoń et al., 2009), 但增加TBBPA濃度有利于其與Fe-Ni雙金屬材料上活性反應位點的接觸, 因此在一定范圍內增加TBBPA初始濃度有利于增加TBBPA的去除率(戴友芝等, 2008;Debenest et al., 2010).具體聯系污水寶或參見http://www.bnynw.com更多相關技術文檔。

　　圖 3e, 3f為X2(溫度)和X3(初始TBBPA濃度)對TBBPA去除率的影響, 其中X1(初始接菌量)為常量(即保持零水平值).與圖 3a、3b、3c, 3d反應一致, 溫度過高或過低均不利于反應的進行, 29 ℃左右TBBPA的去除率最大.一定范圍內, 增加TBBPA的初始濃度有利于提高TBBPA的去除率.

　　根據響應面實驗結果得到最優TBBPA降解條件.在初始接菌量為0.8, 溫度為29 ℃, TBBPA初始濃度為5 mg · L-1時, TBBPA的去除率最大, 達到77.41%.

　　3.2.3 最優條件驗證

　　根據響應面實驗得到的最佳TBBPA的去除條件進行實驗, 同時檢測溴離子的釋放量.實驗結果如圖 4所示, 6 h TBBPA的去除率達到78.51%, 與響應面預測結果相符, 進一步說明本次響應面分析方法可靠.此外, 隨著TBBPA的去除, 水體中溴離子的含量逐漸增加(圖 5), 說明TBBPA去除過程確實存在脫溴反應.

　　圖 4

　　圖 4 TBBPA去除率驗證實驗 (OD600為0.8, 溫度為29 ℃, 初始TBBPA濃度為5 mg · L-1)

　　圖 5

　　圖 5 TBBPA去除及溴離子釋放

　　3.3 厭氧微生物與Fe-Ni雙金屬材料聯合體系受不同背景溶液的影響

　　自然水體含有許多雜質, 會對材料及微生物去除目標污染物產生不同程度的影響.為研究厭氧微生物與Fe-Ni雙金屬材料聯合體系去除TBBPA受不同背景溶液的影響, 設置3組實驗, 分別是以營養液作為反應體系背景溶液(A)、以河水作為反應體系背景溶液(B)、以添加了5 mg · L-1的腐殖酸的營養液作為反應體系背景溶液(C).其中營養液成分及河水水質見2.1節.

　　實驗結果如圖 6所示, 營養液組(A)去除效果最好, 去除率為75.5%;河水實驗組(B)6 h對TBBPA的去除率為61.66%;添加腐殖酸的營養液實驗組(C)6 h對TBBPA的去除率為65.06%.說明無論是用河水作為背景溶液還是向營養液體系中添加腐殖酸, 厭氧微生物與Fe-Ni雙金屬材料聯合體系對TBBPA的去除效果均受到了一定程度的抑制.這是因為, 一方面河水體系成分復雜, 存在各種無機離子及包括腐殖酸在內的各種有機酸.其中常見的NO2-、NO3-及Cl-等陰離子及腐殖酸等有機酸均會與零價鐵發生氧化還原反應, 與TBBPA競爭Fe-Ni雙金屬材料的表面活性位點, 從而降低材料對TBBPA的脫溴效率和速率(Doong and Lai, 2006;Devlin and Allin, 2005;Xie and Shang, 2007);另一方面, 成分復雜的河水體系及添加的腐殖酸體系對微生物的活性可能存在一定的抑制作用, 從而降低微生物對TBBPA的降解效率和速率.

　　圖 6

　　圖 6不同底液條件下TBBPA的去除情況 (a.營養液, b.河水, c.腐殖酸)

　　4 結論(Conclusions)

　　本研究探討了厭氧微生物與Fe-Ni雙金屬材料聯合對TBBPA的去除.結果顯示聯合體系較單獨的厭氧微生物及單獨的Fe-Ni雙金屬材料去除TBBPA有更高的去除率, 同時其TBBPA去除過程符合一級動力學模型.其次, 響應面分析法明確了TBBPA的最佳去除條件.最后, 受不同背景溶液的影響的實驗結果表明, 自然水體條件或添加腐殖酸干擾情況下, 均會造成厭氧微生物與Fe-Ni雙金屬聯合體系對TBBPA去除率一定程度的降低.(來源：環境科學學報作者：王張娜)