印染廢水鐵碳微電解處理技術(shù)

　　鐵碳微電解工藝是在酸性條件下，利用鐵碳電極材料的微觀原電池反應(yīng)降解廢水中的有機(jī)污染物，具有處理效率高、占地面積小、運(yùn)行成本低等特點(diǎn)，適用于多種工業(yè)廢水的處理。許多學(xué)者利用鐵碳微電解工藝處理模擬廢水，取得了較好的處理效果。例如，F(xiàn)atemeh等采用鐵碳微電解工藝處理硝酸鹽廢水，以零價(jià)鐵負(fù)載的斜發(fā)沸石作為填料，在20～60℃時(shí)，可有效去除NO3-N。Samarghandi等采用微電解工藝處理酸性紅14和酸性紅18染料，當(dāng)初始pH為3、反應(yīng)時(shí)間為120min、初始鐵濃度為2g/L時(shí)，酸性紅14和酸性紅18染料的去除率分別為90%和67%。Zhu等采用鐵碳微電解工藝處理日落黃廢水，在球形煤基活性炭粒徑為3～6mm、海綿鐵處理時(shí)間為90min的條件下，日落黃和化學(xué)需氧量(COD)去除率分別為99%與65%。Che等采用鐵碳微電解工藝處理豬場(chǎng)消化廢水，當(dāng)初始pH為7.6、鐵碳投加量為150g/L、通氣速率為6L/h及反應(yīng)時(shí)間為9h時(shí)，COD去除率為52.62%。綜上，鐵碳微電解工藝的研究主要集中在模擬廢水的處理效果方面，關(guān)于鐵碳微電解工藝處理實(shí)際印染廢水的效能預(yù)測(cè)及廢水處理前后生物毒性的變化研究尚少。

　　響應(yīng)面法可綜合表示回歸擬合因素及實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間的函數(shù)關(guān)系，與單因素法及正交實(shí)驗(yàn)法相比，可反映不同影響因素間的交互作用，優(yōu)化工藝設(shè)計(jì)參數(shù)，得到整個(gè)區(qū)域的響應(yīng)值最優(yōu)點(diǎn)。本研究以初始pH、鐵投加量、鐵碳質(zhì)量比及反應(yīng)時(shí)間為變量，構(gòu)建響應(yīng)面模型，優(yōu)化鐵碳微電解處理印染廢水的工藝條件，分析鐵碳微電解工藝處理前后實(shí)際印染廢水的生物毒性變化，為污染物排放控制提供科學(xué)依據(jù)。

　　一、材料與方法

　　1.1預(yù)處理實(shí)驗(yàn)

　　(1)鑄鐵屑預(yù)處理：由于鑄鐵屑表面有氧化膜及油漬等雜質(zhì)，直接使用會(huì)影響鐵碳微電解工藝處理效果，因此需進(jìn)行活化預(yù)處理。將直徑為0.050～0.074mm鑄鐵屑在20%NaOH溶液中浸泡2h，去除表面油污并沖洗至中性，再經(jīng)10%HCl溶液浸泡2h，去除表面氧化物及增強(qiáng)還原性，沖洗至中性烘干備用。

　　(2)活性炭預(yù)處理：將直徑為1.5mm焦油活性炭10kg置于印染廢水中浸泡，使其達(dá)到吸附飽和的狀態(tài)，每隔12h換一次廢水并測(cè)定其COD，減小吸附作用對(duì)該工藝COD去除效果的誤差影響，待COD保持不變時(shí)，取出烘干備用。

　　將預(yù)處理后的鑄鐵屑及活性炭密閉貯存，進(jìn)行后續(xù)鐵碳微電解工藝的實(shí)驗(yàn)。

　　(3)調(diào)節(jié)反應(yīng)器出水pH為9，出水靜置沉淀后取上層清液，測(cè)定大腸桿菌的乳酸脫氫酶(LDH)釋放量、ROS產(chǎn)生水平及生長(zhǎng)曲線，評(píng)價(jià)鐵碳微電解工藝進(jìn)出水生物毒性的變化。用于毒性分析的微生物選用大腸桿菌，革蘭氏陰性異養(yǎng)兼性厭氧型無(wú)芽孢短桿菌，最適生長(zhǎng)溫度37℃，培養(yǎng)基采用LB培養(yǎng)基。利用大腸桿菌檢測(cè)進(jìn)水組、出水組及對(duì)照組的生物毒性變化，對(duì)照組采用正常LB培養(yǎng)基，每組各設(shè)3個(gè)平行樣，實(shí)驗(yàn)結(jié)果取各組平均值。

　　1.2實(shí)驗(yàn)用水

　　實(shí)驗(yàn)用水取自吉林市某毛紡廠，其主要經(jīng)營(yíng)的產(chǎn)品有毛呢、精紡呢絨、毛線等。印染廢水取自該廠漂洗車(chē)間，主要對(duì)毛紡織物進(jìn)行退漿、漂洗及整理等操作，其水質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1。

　　1.3實(shí)驗(yàn)裝置

　　鐵碳微電解反應(yīng)器主體采用有機(jī)玻璃制成，有效容積為20L，高1200mm，內(nèi)徑150mm，壁厚2mm。其頂部設(shè)出水溢流槽，底部設(shè)鐵碳填料承托層。將鑄鐵屑與活性炭置于鐵碳微電解反應(yīng)器中機(jī)械混合(攪拌150r/min)，再由水泵將實(shí)際印染廢水從反應(yīng)器底部進(jìn)入鐵碳填料層，進(jìn)行鐵碳微電解反應(yīng)。鐵碳微電解工藝流程見(jiàn)圖1。

　　鐵碳微電解反應(yīng)器的運(yùn)行周期為24h，剩余活性炭經(jīng)熱再生法處理后，進(jìn)行鐵碳微電解工藝實(shí)驗(yàn)，通過(guò)測(cè)定出水中COD等指標(biāo)的變化發(fā)現(xiàn)，與新生活性炭相比，其對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)去除率的變化均在3%以?xún)?nèi)，因此活性炭可反復(fù)利用，同時(shí)反應(yīng)后的鑄鐵屑以鐵泥形式排出。

　　1.4響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

　　初始pH、鐵投加量、鐵碳質(zhì)量比及反應(yīng)時(shí)間等對(duì)COD去除率的作用如圖2所示。

　　在前期單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選擇中心點(diǎn)及各因素的高低水平，即設(shè)定初始pH為4、鐵投加量為80g/L、鐵碳質(zhì)量比為0.8及反應(yīng)時(shí)間為90min，通過(guò)Design-Expert軟件對(duì)其影響因子進(jìn)行取值編碼，中心點(diǎn)分別用?1、0及1表示低、中及高水平，系統(tǒng)研究各因素間交互作用。以COD去除率為響應(yīng)值，采用Box-Behnken模型整體研究各因素及響應(yīng)值之間的關(guān)系，并進(jìn)行回歸擬合，建立鐵碳微電解法處理實(shí)際印染廢水的工藝數(shù)學(xué)模型。響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)因素及水平設(shè)計(jì)見(jiàn)表2。

　　1.5分析項(xiàng)目與檢測(cè)方法

　　pH采用pH計(jì)(pHSJ-3F型，上海儀電科學(xué)儀器有限公司)測(cè)定。COD、OD600采用紫外可見(jiàn)智能型多參數(shù)水質(zhì)測(cè)定儀(LH-3BA型，蘭州連華環(huán)保科技有限公司)測(cè)定。LDH采用酶標(biāo)儀(MultiskanFC型，ThermoFisherScientific公司)測(cè)定。活性氧物質(zhì)(ROS)采用熒光分光光度計(jì)(RF-5301PC型，日本島津公司)測(cè)定。

　　二、結(jié)果分析與討論

　　2.1響應(yīng)面法

　　2.1.1響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果

　　采用Box-Behnken設(shè)計(jì)29個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)，根據(jù)表2各組實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行鐵碳微電解工藝降解印染廢水實(shí)驗(yàn)，響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)組次設(shè)計(jì)結(jié)果如表3所示。

　　2.1.2方差分析及顯著性檢驗(yàn)

　　對(duì)表3實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，采用二次多項(xiàng)式擬合檢驗(yàn)?zāi)Ｐ惋@著性，檢驗(yàn)結(jié)果與F值呈正相關(guān)，與P值呈負(fù)相關(guān)(P≤0.01為極顯著，P≤0.05為顯著，P>0.05為不顯著)。表4為COD去除率模型方差分析。

　　由表4可知，本模型顯著性檢驗(yàn)結(jié)果為：F=19.12及P<0.0001，說(shuō)明該模型具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。失擬項(xiàng)表示模型與實(shí)驗(yàn)的擬合程度，本模型失擬項(xiàng)值為0.1004>0.05(不顯著)，模型與實(shí)驗(yàn)差異較小，可采用該回歸方程進(jìn)行分析。AdjR-Squared表明響應(yīng)值的90.06%來(lái)自于所選因素，可較好地描述各因素與響應(yīng)值間的關(guān)系。C.V.%值與實(shí)驗(yàn)精確度呈反比，由于該值較低，因此實(shí)驗(yàn)可靠性高。AdeqPrecision為14.761(>4)，表明該模型可用于精確預(yù)測(cè)。初始pH、鐵投加量及反應(yīng)時(shí)間對(duì)COD去除率的影響顯著，同時(shí)根據(jù)F檢驗(yàn)可知，影響程度的大小順序?yàn)椋悍磻?yīng)時(shí)間>初始pH>鐵投加量>鐵碳質(zhì)量比，同時(shí)鐵投加量與反應(yīng)時(shí)間存在極顯著交互作用。

　　COD去除率實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值的對(duì)比如圖3所示。模型預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的線性擬合相關(guān)系數(shù)達(dá)0.9503，因此二次回歸模型對(duì)COD去除率的實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值間有良好相關(guān)性，這表明采用二次回歸模型預(yù)測(cè)鐵碳微電解法處理印染廢水的COD去除效率可行。

　　由圖3可得，回歸模型的實(shí)測(cè)值及預(yù)測(cè)值的殘差正態(tài)概率基本分布于直線附近，這說(shuō)明實(shí)驗(yàn)值及預(yù)測(cè)值差值較小。

　　根據(jù)響應(yīng)面模型分析實(shí)驗(yàn)，COD去除率的二次響應(yīng)面方程為式(1)。

　　式中，Y為COD去除率。A為初始pH。B為鐵投加量。C為鐵碳質(zhì)量比。D為反應(yīng)時(shí)間。

　　2.1.3因素相互作用

　　由圖4可知，在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，攝動(dòng)圖中各影響因子均為負(fù)影響，即響應(yīng)值隨自變量升高而減小，呈負(fù)相關(guān)。初始pH、鐵投加量、鐵碳質(zhì)量比和反應(yīng)時(shí)間的一次項(xiàng)系數(shù)分別為?1.09、0.69、0.51及?1.51，因此，各因素作用大小排序?yàn)椋悍磻?yīng)時(shí)間>初始pH>鐵投加量>鐵碳質(zhì)量比。

　　2.1.4交互作用的響應(yīng)曲面圖

　　根據(jù)二次回歸模型得響應(yīng)面三維圖，分析初始pH、鐵投加量、鐵碳質(zhì)量比及反應(yīng)時(shí)間等因素及因素間交互作用對(duì)COD去除率影響，結(jié)果如圖5所示。

　　在初始pH為3.53、鐵投加量為83.92g/L、鐵碳質(zhì)量比為0.82、反應(yīng)時(shí)間為78.48min的條件下，實(shí)際COD去除率為75.48%，預(yù)測(cè)COD去除率為75.25%(實(shí)際值與預(yù)測(cè)值相差0.23%<2%)。因此，鐵碳微電解工藝處理印染廢水的數(shù)學(xué)模型對(duì)工藝條件優(yōu)化和COD去除率預(yù)測(cè)具有良好的可靠性。

　　2.2生物毒性檢測(cè)

　　實(shí)際印染廢水成分復(fù)雜、毒性大，為了研究印染廢水處理前后的生物毒性變化，減少排放廢水對(duì)環(huán)境的影響，應(yīng)進(jìn)行生物毒性分析。生物毒性檢測(cè)是反映水體污染程度及評(píng)價(jià)水處理技術(shù)有效性的重要手段。通過(guò)分析有毒物質(zhì)對(duì)細(xì)菌的生物轉(zhuǎn)運(yùn)及轉(zhuǎn)化的影響可反映食物鏈中物質(zhì)、能量的傳遞及生物群落的變化。由于細(xì)菌具有生長(zhǎng)繁殖快、對(duì)環(huán)境條件變化敏感及生長(zhǎng)條件簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，因此可用于進(jìn)行生物毒性研究。大腸桿菌作為常見(jiàn)的細(xì)菌，可通過(guò)大腸桿菌的LDH釋放量、ROS產(chǎn)生水平及生長(zhǎng)曲線等，研究印染廢水處理前后的生物毒性變化。

　　2.2.1LDH釋放量

　　LDH又稱(chēng)NAD+氧化酶，存在于細(xì)胞質(zhì)內(nèi)，是參與丙酮酸和乳酸相互轉(zhuǎn)化即糖酵解最后一步的催化酶，隨細(xì)胞受損釋放至細(xì)胞外，因此胞外LDH是檢測(cè)細(xì)胞受損程度的一種標(biāo)志性蛋白，與細(xì)胞破損率呈正比。利用煙酞胺腺嘌呤二核苷酸NAD+/NADH作輔酶，LDH的每一個(gè)亞基分別結(jié)合一個(gè)底物分子及一個(gè)輔酶分子，通過(guò)可逆催化氧化去質(zhì)子化乳酸，生成去質(zhì)子化丙酮酸及H+，同時(shí)NAD+與底物的一個(gè)H+及兩個(gè)e?結(jié)合轉(zhuǎn)化為NADH。反應(yīng)方程式如下：

　　將超純水組作為對(duì)照組，分別接種等量的大腸桿菌，檢測(cè)對(duì)照組、進(jìn)水組及出水組培養(yǎng)基中LDH釋放量的變化，結(jié)果如圖6所示。與進(jìn)水組相比，出水組中LDH釋放量由對(duì)照組的2.13倍下降至1.64倍。進(jìn)水組培養(yǎng)基中LDH釋放量最多，這說(shuō)明進(jìn)水中某些有毒污染物會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞膜損傷及通透性增加。出水組培養(yǎng)基中LDH釋放量下降明顯，說(shuō)明有毒污染物在一定程度上得到降解，細(xì)胞破損率降低。

　　2.2.2ROS產(chǎn)生水平

　　ROS是大腸桿菌體內(nèi)與氧代謝相關(guān)的含氧自由基、易形成自由基的過(guò)氧化物及不以自由基形式存在的高活性中間產(chǎn)物等的總稱(chēng)。在有毒有害的廢水中，細(xì)胞內(nèi)的ROS升高，高濃度的ROS是細(xì)胞產(chǎn)生氧化應(yīng)激的潛在原因之一，若在生物體內(nèi)大量積累則會(huì)造成氧化損傷。損傷位置主要包括以下3個(gè)。

　　(1)生物膜脂質(zhì)。細(xì)胞膜磷脂的主要成分是多聚不飽和脂肪酸，ROS對(duì)其有較高親和力和攻擊力，導(dǎo)致細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)功能發(fā)生改變，影響膜的流動(dòng)性及膜蛋白的活性。

　　(2)蛋白質(zhì)。ROS可與巰基及色氨酸殘基結(jié)合發(fā)生氧化反應(yīng)，使多肽鏈交聯(lián)、聚合或斷裂，造成蛋白質(zhì)的構(gòu)象或活性位點(diǎn)改變，使其功能受損。

　　(3)核酸。DNA雙螺旋外側(cè)的嘌呤和嘧啶受到ROS攻擊，導(dǎo)致堿基被修飾、氫鍵或單雙鏈斷裂，使核酸出現(xiàn)永久性破壞。

　　當(dāng)細(xì)胞內(nèi)有ROS類(lèi)物質(zhì)存在時(shí)，不具有熒光特性的H2DCF會(huì)被氧化成具有熒光特性的DCF，且DCF的熒光強(qiáng)度隨ROS含量升高而增大。在有毒有害的廢水中，細(xì)胞內(nèi)ROS水平會(huì)升高。因此，通過(guò)測(cè)定DCF的熒光強(qiáng)度可推測(cè)細(xì)胞內(nèi)ROS的含量。對(duì)照組、進(jìn)水組及出水組培養(yǎng)基中ROS產(chǎn)生水平見(jiàn)圖7。由圖7可知，與進(jìn)水組相比，出水組中ROS產(chǎn)生水平由對(duì)照組的19.26倍下降至對(duì)照組的4.81倍。進(jìn)水組培養(yǎng)基中ROS產(chǎn)生水平最高，出水組培養(yǎng)基中ROS產(chǎn)生水平下降，說(shuō)明鐵碳微電解工藝去除了部分有毒污染物，降低了大腸桿菌的氧化損傷、衰老及死亡率。鐵碳微電解工藝產(chǎn)生ROS的機(jī)理如式(2)～式(6)。

　　2.2.3大腸桿菌生長(zhǎng)曲線

　　利用大腸桿菌培養(yǎng)液中細(xì)菌的吸光性，在600nm波長(zhǎng)處測(cè)定吸光度值，由于細(xì)菌菌體密度與OD600在一定范圍內(nèi)存在線性關(guān)系，可根據(jù)OD600與時(shí)間關(guān)系推測(cè)培養(yǎng)液濃度，估計(jì)細(xì)菌生長(zhǎng)情況。

　　大腸桿菌在對(duì)照組、進(jìn)水組及出水組中的生長(zhǎng)曲線，如圖8所示。有毒污染物可抑制大腸桿菌生長(zhǎng)，對(duì)照體系的遲緩期、對(duì)數(shù)期分別持續(xù)了約2h、12h，進(jìn)水體系的遲緩期、對(duì)數(shù)期分別持續(xù)了約6h、5h，出水體系的遲緩期、對(duì)數(shù)期分別持續(xù)了約4h、9h。有毒污染物對(duì)大腸桿菌生長(zhǎng)的抑制作用主要表現(xiàn)為縮短對(duì)數(shù)期，促使其較早進(jìn)入穩(wěn)定期及減少穩(wěn)定期細(xì)菌數(shù)。進(jìn)水中菌體的生長(zhǎng)周期影響最大，這可能由于某些有毒污染物抑制細(xì)菌生長(zhǎng)，減少進(jìn)入穩(wěn)定期的活菌數(shù)，消耗營(yíng)養(yǎng)成分越少，菌體利用剩余營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)維持穩(wěn)定期時(shí)間延長(zhǎng)。與對(duì)照組相比，進(jìn)水組與出水組吸光度降低率分別為49.1%及21.8%。

　　大腸桿菌生長(zhǎng)情況是通過(guò)測(cè)定菌液吸光度進(jìn)行推測(cè)，由于吸光度測(cè)定結(jié)果為活細(xì)胞及死細(xì)胞的總和，為了減少誤差，更好地分析體系中活菌生長(zhǎng)情況，需利用平板計(jì)數(shù)法進(jìn)一步評(píng)估水質(zhì)變化對(duì)菌體的影響。由圖9可知，對(duì)照組細(xì)胞數(shù)在0～14h，隨著時(shí)間延長(zhǎng)，菌落數(shù)呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，且在第14h數(shù)量最多，隨后數(shù)量遞減。出水組中細(xì)胞生長(zhǎng)規(guī)律與對(duì)照組相似，菌落數(shù)小于對(duì)照組。進(jìn)水組中細(xì)胞數(shù)量在4～6h間出現(xiàn)小幅度增加，但與其他兩組相比，細(xì)胞數(shù)量大大減少，這說(shuō)明印染廢水毒性較大，導(dǎo)致細(xì)胞出現(xiàn)生長(zhǎng)抑制甚至死亡。

　　鐵碳微電解工藝處理后的印染廢水，有毒污染物的生物毒性明顯減小，大腸桿菌細(xì)胞死亡率由98.1%下降至61.5%，對(duì)數(shù)期由5h延長(zhǎng)至9h，且BOD5/COD從0.151升至0.416，極大地提高了廢水的可生化性。

　　三、結(jié)論

　　(1)采用響應(yīng)面法建立了鐵碳微電解工藝處理印染廢水的數(shù)學(xué)模型，其對(duì)COD降解影響程度大小順序?yàn)椋悍磻?yīng)時(shí)間>初始pH>鐵投加量>鐵碳質(zhì)量比，同時(shí)鐵投加量與反應(yīng)時(shí)間存在極顯著交互作用。

　　(2)響應(yīng)面法得到的最佳工藝條件為：初始pH為3.53、鐵投加量為83.92g/L、鐵碳質(zhì)量比為0.82、反應(yīng)時(shí)間為78.48min，實(shí)測(cè)COD去除率為75.48%，其預(yù)測(cè)值為75.25%，實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值相差0.23%(<2%)。

　　(3)鐵碳微電解工藝出水中LDH及ROS分別下降了77%及25%，細(xì)胞膜破損率及死亡率降低，并延長(zhǎng)了其對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期，因此鐵碳微電解工藝處理實(shí)際印染廢水可減少出水生物毒性，使其達(dá)標(biāo)排放。（來(lái)源：東北電力大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院）