祁丽娟，周燕平，张小娟，2，祁小青

（1. 青海大学 生态环境工程学院，青海 西宁 810816；2. 青海大学 省部共建三江源生态与高原农牧业国家重点实验室，青海 西宁 810816；3. 青海省西宁市环保局，青海 西宁 810008）

在印染工艺中，偶氮染料占染料生产及使用总量的50%以上，由于其生物毒性大、化学稳定性高以及自然降解难等特点，使得偶氮染料一直是印染废水脱色处理的核心问题［1-3］。近年，利用零价铁（ZVI）技术联合微生物处理难降解污染物引起研究者们广泛的关注［4-6］。Li等［7］采用ZVI和厌氧污泥协同处理染料活性蓝-13，发现ZVI的投加明显促进活性蓝-13的脱色效果，并改变了污泥的形态和菌群结构。肖利平等［8］利用ZVI-荧光假单胞菌联合处理偶氮染料直接耐晒黑，提出该体系主要通过断裂偶氮键来实现脱色，能进一步降解含苯环和含萘环结构的中间产物，并有效缩短了脱色时间。Liu等［9］指出在厌氧反应器中投加ZVI可有效增强发酵菌活性，提高产酸率和对染料废水的脱色率。目前，国内对于ZVI联合微生物处理印染废水的研究大多集中于ZVI或微生物的单一吸附作用［10-12］，对于不同细菌与ZVI联合作用或对不同染料的脱色特性研究尚待深入。

本工作从高原地区某藏毯厂印染废水中筛选出对亚甲基蓝溶液具有脱色性能的优势菌种——克雷伯氏菌yl-1，以其为研究菌种，采用单因素实验考察ZVI-脱色菌联合体系对亚甲基蓝溶液的脱色特性，并采用中心组合设计-响应面分析法（CCDRSM法）对该过程的脱色条件进行优化。

1 实验部分

1.1 试剂、材料和仪器

亚甲基蓝：天津市凯通化学试剂有限公司；铁粉（ZVI）：分析纯，天津市凯信化学工业有限公司；其他试剂均为国产分析纯。

不同亚甲基蓝质量浓度的脱色反应液（g/L）：亚甲基蓝适量，甘露醇10，磷酸二氢铵2.5，磷酸二氢钠5.0，磷酸二氢钾2.5，硫酸镁1.0。

克雷伯氏菌yl-1：从某藏毯厂印染废水中筛选、分离、纯化获取。

pHS-3C 型pH计：上海楚柏实验室设备有限公司；TU-1901型紫外-可见分光光度计：上海沪粤明科学仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 不同体系脱色性能的对比

在亚甲基蓝质量浓度为100 mg/L的脱色反应液中，分别考察单独yl-1脱色菌体系、单独ZVI体系和ZVI-脱色菌联合体系的脱色性能。ZVI投加量为3 g/L，菌种接种量为2%（w），初始pH为7，反应温度为（30±2） ℃，密封后在120 r/min振荡速率下反应，间隔一定时间取样测定吸光度，计算脱色率，每个体系做三组平行样。

1.2.2 ZVI-脱色菌联合体系的单因素实验

在菌种接种量为2%（w）、振荡速率为120 r/min、密封反应条件下，针对ZVI-脱色菌联合体系，考察初始pH、ZVI投加量、初始亚甲基蓝质量浓度及反应温度对ZVI-脱色菌联合体系脱色性能的影响。

1.2.3 ZVI-脱色菌联合体系的CCD-RSM法优化实验

在菌种接种量为2%（w）、振荡速率为120 r/min、密封反应条件下，选择4因素4水平梯度，用CCD法设计实验，对ZVI-脱色菌联合体系的反应条件进行优化。利用Design Expert 8.0软件通过响应面法对数据进行处理。

1.3 分析方法

亚甲基蓝质量浓度的测定：在665 nm波长下测定亚甲基蓝溶液的吸光度，根据标准曲线计算亚甲基蓝质量浓度；色度的测定：以溶液在665 nm波长下的吸光度表征色度，根据溶液脱色前后的吸光度计算脱色率。

2 结果与讨论

2.1 不同体系脱色效果的比较

不同体系对亚甲基蓝脱色反应液的脱色效果见图1。

图1 不同体系对亚甲基蓝脱色反应液的脱色效果

由图1可见：3种体系都能对亚甲基蓝脱色反应液进行脱色，并在12 h之后脱色率基本保持不变；在整个脱色过程中，单独ZVI体系的最高脱色率仅为40%左右，且在6 h之后脱色效果基本无变化；而ZVI-脱色菌联合体系的脱色率较单独yl-1脱色菌体系提高了10%左右，脱色率达到80%。这是由于对偶氮染料的降解与克雷伯氏菌的生长有关［13］，克雷伯氏菌为兼性厌氧菌，在厌氧条件下产生偶氮还原酶，对亚甲基蓝表现出较好的降解活性；而ZVI颗粒通过表面活性可直接与染料分子作用，对染料进行降解［14］。ZVI在厌氧条件下与H2O会发生如下反应：Fe + 2H2O→Fe2++ 2OH-+ H2，进而持续不断地释放H2，一方面为克雷伯氏菌脱色提供较强的还原环境，另一方面为克雷伯氏菌的生长供给了电子，增强了菌株对染料的适应和降解性能［15］。

2.2 单因素实验

2.2.1 初始pH的影响

微生物生长环境的pH会明显影响其生长速率及数量。在ZVI投加量为3 g/L、初始亚甲基蓝质量浓度为100 mg/L、反应温度为（30±2）℃的条件下，初始pH对ZVI-脱色菌联合体系脱色性能的影响见图2。由图2可见：在中性偏弱碱性（pH =7～9）条件下，ZVI-脱色菌联合体系对亚甲基蓝脱色反应液的脱色率接近85%；而在初始pH为3或11时，脱色率出现明显下降。这可能是因为微生物处于偏酸及偏碱条件时会引起其细胞表面特性和酶构象的变化［16］，降低了克雷伯氏菌断裂偶氮键的活性［17］；另外，铁在偏碱性条件下也会加速腐蚀形成Fe（OH）3沉淀。因此，初始pH为7～9较适宜。

图2 初始pH对ZVI-脱色菌联合体系脱色性能的影响

2.2.2 ZVI投加量的影响

在初始pH为7、初始亚甲基蓝质量浓度为100 mg/L、反应温度为（30±2）℃的条件下，ZVI投加量对ZVI-脱色菌联合体系脱色性能的影响见图3。

图3 ZVI投加量对ZVI-脱色菌联合体系脱色性能的影响

由图3可见：ZVI投加量由1.5 g/L增至4.5 g/L时，培养10 h后的脱色率增加10%左右；而继续增加ZVI投加量至5.5 g/L时，脱色率反而有所下降。这与郭燕等［15，18］的研究结果一致。低ZVI投加量无法为微生物提供充足的电子供给体，高ZVI投加量又会增加沉淀，影响ZVI产H2的反应活性及微生物活动。ZVI投加量为3.5 g/L和4.5 g/L时的脱色效果相近，因此后续实验中ZVI投加量选择3.5 g/L。

2.2.3 初始亚甲基蓝质量浓度的影响

在初始pH为7、ZVI投加量为3.5 g/L、反应温度为（30±2）℃的条件下，初始亚甲基蓝质量浓度对ZVI-脱色菌联合体系脱色性能的影响见图4。由图4可见，在初始亚甲基蓝质量浓度为100～300 mg/L的范围内，反应14 h后脱色率均在80%以上，但初始亚甲基蓝质量浓度越大所需反应时间越长。这表明随时间的推移，脱色菌菌量不断增加，脱色效率是持续上升的。考虑反应时间的优化，在后续实验中初始亚甲基蓝质量浓度选择200 mg/L为宜。

图4 初始亚甲基蓝质量浓度对ZVI-脱色菌联合体系脱色性能的影响

2.2.4 反应温度的影响

在初始pH为7、初始亚甲基蓝质量浓度为200 mg/L、ZVI投加量为3.5 g/L的条件下，反应温度对ZVI-脱色菌联合体系脱色性能的影响见图5。

图5 反应温度对ZVI-脱色菌联合体系脱色性能的影响

由图5可见：在反应温度为25～35 ℃的范围内，反应温度的升高有助于脱色率的提高；30 ℃和35 ℃下的脱色率均超过了85%，而整个脱色过程中，30 ℃与35 ℃下的脱色率差别很小，表明该联合体系对温度的适应性较好；进一步升温时脱色率增幅不大。因此，在后续实验中反应温度选择30℃为宜。

2.3 CCD-RSM法优化实验

2.3.1 CCD实验设计及结果

CCD实验设计及结果见表1。

表1 CCD实验设计及结果

对实验数据进行多项拟合，得到二次多项回归方程，见式（1）。

式中：η为脱色率，%；A～D分别是CCD设计的4个自变量，即反应温度、初始pH、ZVI投加量、初始亚甲基蓝质量浓度。对拟合的二次多项回归方程进行方差分析，结果见表2。由表2可见：模型项F值为20.9，P＜0.0001，R2=0.9512，说明该模型能够很好的拟合ZVI-脱色菌联合体系对亚甲基蓝溶液的脱色行为。回归方程一次项B、D，交互项AD，二次项A2、B2差异显著（P＜0.01），其他项不显著，说明各个因素对亚甲基蓝降解的影响不是简单的线性关系。

表2 回归方程的方差分析

响应面分析三维图见图6。

由图6可直观地看出：初始pH、反应温度与初始亚甲基蓝质量浓度之间为相互抑制作用，ZVI投加量与初始pH、初始亚甲基蓝质量浓度之间没有明显的相互作用。通过Design Expert 8.0软件求出ZVI-脱色菌联合体系对亚甲基蓝脱色反应液的最优脱色条件为：初始pH 7.99，初始亚甲基蓝质量浓度250 mg/L，ZVI投加量4.0 g/L，反应温度32.91 ℃。为方便实际操作，修正初始pH为8，反应温度为33 ℃。在此条件下，ZVI-脱色菌联合体系对亚甲基蓝脱色反应液脱色率的理论值可达91.85%。

图6 响应面分析三维图

2.3.2 最优条件验证

根据模型确定的最优条件，进行3次重复实验，测得脱色率均值为91.33%，与理论值基本吻合。说明CCD-RSM法优化得到的亚甲基蓝降解脱色工艺参数准确可靠，具有实用价值。与以往的研究相比较［8，19］，ZVI-脱色菌联合体系的脱色时间在12 h左右，有效提高了脱色效率。

3 结论

a）ZVI-脱色菌联合体系对亚甲基蓝脱色反应液的脱色效果明显优于单独ZVI体系及单独yl-1脱色菌体系，脱色率分别提高了40%和10%。

b）应用单因素实验及4因素3水平CCD-RSM法确定的ZVI-脱色菌联合体系对亚甲基蓝脱色反应液的最优脱色条件为：初始pH 8，初始亚甲基蓝质量浓度250 mg/L，ZVI投加量4.0 g/L，反应温度33℃。在此条件下，脱色率均值为91.33%，与模型预测的理论值基本吻合，具有实用价值。

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