蘇萍萍，柴 濤

（中北大學(xué)化工與環(huán)境學(xué)院，山西 太原 030051）

菌種FS-1降解季銨鹽生產(chǎn)廢水及機(jī)理研究

蘇萍萍，柴 濤

（中北大學(xué)化工與環(huán)境學(xué)院，山西 太原 030051）

采用正交試驗(yàn)法研究了微生物產(chǎn)生菌處理季銨鹽生產(chǎn)廢水的最佳條件，并根據(jù)菌種的過氧化氫酶的性質(zhì)、過濾后的菌液與過濾得到的黏液層等單獨(dú)處理廢水后的CODCr的去除率討論了降解機(jī)理。采用正交試驗(yàn)，以廢水的CODCr去除率為評價(jià)指標(biāo)，優(yōu)化菌種投加量、廢水初始pH值、處理溫度、降解時(shí)間等處理?xiàng)l件。極差分析顯示，影響CODCr去除率的主要因素為菌種投加量，廢水初始pH值對處理效果幾乎沒有影響。在最優(yōu)化條件下，即菌種投加量30mL、降解時(shí)間18h、處理溫度24℃、廢水初始pH值10時(shí)，CODCr的去除率達(dá)到75.27%。

季銨鹽；生產(chǎn)廢水；微生物；正交試驗(yàn)；機(jī)理研究

季銨鹽化合物作為表面活性劑、柔順劑、殺菌消毒劑、勻染劑、抗靜電劑、乳化劑等應(yīng)用于眾多的工業(yè)以及家用領(lǐng)域[1-6]，這些產(chǎn)品的大量使用不僅直接危害水生環(huán)境，而且抑制其它有毒物質(zhì)的降解，導(dǎo)致了嚴(yán)重的水質(zhì)污染。

目前，對季銨鹽生產(chǎn)廢水處理技術(shù)研究的報(bào)道很少，主要有光電催化氧化法[7]、Fenton氧化法[8]、生化組合工藝[9-10]等。雖然這些方法都有一定的處理效果，但是光電催化氧化法存在催化劑的選擇、紫外光源不能普遍使用等缺點(diǎn)。Fenton氧化法在處理難降解有機(jī)廢水時(shí)，具有一般化學(xué)氧化法無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，但H2O2價(jià)格昂貴，單獨(dú)使用往往成本太高,因而在實(shí)際應(yīng)用中受到一定的限制。生化組合工藝法存在處理周期長、運(yùn)行成本高等缺點(diǎn)。這些方法的缺點(diǎn)在一定程度上限制其應(yīng)用。因此適應(yīng)性強(qiáng)、無二次污染、無毒、廉價(jià)、環(huán)保的微生物法成為了處理季銨鹽生產(chǎn)廢水的研究方向。

本實(shí)驗(yàn)利用季銨鹽生產(chǎn)廢水馴化微生物產(chǎn)生菌，篩選出對季銨鹽生產(chǎn)廢水有降解作用的微生物產(chǎn)生菌。運(yùn)用正交試驗(yàn)法，對影響季銨鹽生產(chǎn)廢水中CODCr去除率的4種因素進(jìn)行優(yōu)化，以確定CODCr最佳處理?xiàng)l件組合。并結(jié)合菌種的過氧化氫酶的性質(zhì)、過濾后的菌液與過濾得到的黏液層單獨(dú)處理廢水后的CODCr去除率，討論了廢水的降解機(jī)理。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 菌種來源

從含季銨鹽的生產(chǎn)廢水中篩選分離得到的。

1.1.2 培養(yǎng)基

富集及馴化培養(yǎng)基:牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基作為富集培養(yǎng)基，馴化時(shí)加入一定量的季銨鹽生產(chǎn)廢水。

1.1.3 實(shí)驗(yàn)廢水及水質(zhì)

某廠季銨鹽生產(chǎn)廢水。廢水水質(zhì):CODCr為37200mg·L-1，pH=10.2。

1.1.4 主要儀器

SPX-150-D型震蕩培養(yǎng)箱，BL-50A型立式壓力蒸汽滅菌鍋，721-2000分光光度計(jì)，無菌操作臺，光學(xué)顯微鏡等。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 菌種富集及馴化

將季銨鹽生產(chǎn)廢水接種到富集培養(yǎng)基中，在

30℃，120r·min-1條件下連續(xù)震蕩培養(yǎng)24h，然后從中取2mL培養(yǎng)液再接種到新鮮的富集培養(yǎng)基，重復(fù)3次。最后，從富集培養(yǎng)基中取2mL培養(yǎng)液接種到馴化培養(yǎng)基中，在相同的溫度與轉(zhuǎn)速下連續(xù)震蕩培養(yǎng)24h，當(dāng)廢水濃度增大到35%時(shí)，應(yīng)適當(dāng)延長培養(yǎng)時(shí)間。當(dāng)菌落不再發(fā)生變化時(shí)，停止馴化。

1.2.2 優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，以CODCr（重鉻酸鉀法[11]）為評價(jià)指標(biāo)值，包含四因素三水平，設(shè)計(jì)1個(gè)L9(34）正交試驗(yàn)。各因素具體變化范圍和分布水平見表1。

表1 正交實(shí)驗(yàn)因素水平Table1 Factors and levels of orthogonal tests

測定在各條件下菌種對季銨鹽生產(chǎn)廢水的CODCr值。根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果和極差分析結(jié)果以及操作的實(shí)際情況等，得出各因素最佳水平，從而確定出最佳反應(yīng)條件。

在最佳處理?xiàng)l件下，對同一個(gè)100mL季銨鹽生產(chǎn)廢水進(jìn)行多次投加菌液處理，測定處理后的CODCr，確定最佳的投菌次數(shù)。

1.2.3 實(shí)驗(yàn)機(jī)理研究

通過過濾將菌液與粘液層分離，然后將其分別投入到等量的廢水中，在最佳的處理?xiàng)l件下處理，測定處理后的CODCr，并且將菌種做過氧化氫酶的鑒定。通過以上實(shí)驗(yàn)探討菌種降解廢水的實(shí)驗(yàn)機(jī)理。

2 結(jié)果與分析

2.1 微生物產(chǎn)生菌馴化培養(yǎng)結(jié)果

隨著季銨鹽生產(chǎn)廢水濃度的不斷增大，富集菌種的生長速度逐漸減慢，活化率也下降，當(dāng)增大到55%時(shí)，由于廢水的濃度增大，大多數(shù)菌種不能適應(yīng)這種環(huán)境而生存，所以菌種只存活1種，此時(shí)停止馴化，并選其用于處理季銨鹽生產(chǎn)廢水。

2.2 優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果與分析

2.2.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

對 A、B、C、D這4種因素的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2，對CODCr的去除率進(jìn)行極差分析，得到的結(jié)果見表3。

表2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table2 Orthogonal experiments design and response values

表3 CODCr去除率極差分析Table3 Range analysis of CODCrremoval rate

根據(jù)表3的分析結(jié)果可以得到 R投加量（0.04）＞R時(shí)間（0.0266）＞R溫度（0.02）＞RpH(0.0133)，所以4個(gè)影響因素的主次順序?yàn)?菌種投加量＞降解時(shí)間＞處理溫度＞廢水初始pH值。在正交實(shí)驗(yàn)選取的數(shù)據(jù)范圍內(nèi)根據(jù)各因素各水平實(shí)驗(yàn)結(jié)果的平均值確定各因素的優(yōu)水平為:菌種投加量是水平2，處理時(shí)間是水平 3，處理溫度是水平2，廢水初始pH值是水平2，即確定菌種處理季銨鹽生產(chǎn)廢水的優(yōu)組合為:菌種投加量 30mL、降解時(shí)間18h、處理溫度26℃、廢水初始pH值10。實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)其它因素一定，處理溫度在26℃時(shí)廢水的處理效果確實(shí)要比溫度為24℃時(shí)好，但是考慮到實(shí)際情況、成本以及運(yùn)行問題，將最佳的處理溫度確定為24℃，并且由正交實(shí)驗(yàn)也可以知道處理溫度對廢水處理效果的影響是比較小的，所以把最合適的處理溫度確定為24℃。最終實(shí)驗(yàn)的最佳處理?xiàng)l件確定為菌種投加量30mL、降解時(shí)間18h、處理溫度24℃、廢水初始pH值10。

2.2.2 最佳投菌次數(shù)的確定

對同一個(gè)100mL季銨鹽生產(chǎn)廢水進(jìn)行多次投加菌液，并且在最佳處理?xiàng)l件下進(jìn)行處理。最后測得處理后的CODCr值如圖1所示。

由圖1可以看出，隨著投菌次數(shù)的增加，廢水的

CODCr的去除率也逐漸增加，并且在第3次投菌時(shí)最大，達(dá)到88.18%。繼續(xù)投加菌液，廢水的CODCr去除率逐漸下降。這是因?yàn)榍?次投加菌液時(shí)，廢水中的有機(jī)物能夠被微生物分解利用，并且適合它的生長。但是隨著投加次數(shù)的增多，廢水中的有機(jī)物可能已經(jīng)不存在能夠被微生物利用的碳源和氮源，同時(shí)微生物可能產(chǎn)生不利于其自身生長的代謝產(chǎn)物，從而抑制微生物的生長，最終使微生物衰亡。由于微生物本身含有大量的有機(jī)物，隨著它的衰亡，有機(jī)物被釋放，并且廢水中可能有不利于微生物生長的有機(jī)物存在，最終導(dǎo)致廢水CODCr的去除率下降。

圖1 菌液的投加次數(shù)Fig.1 Bacteria liquid addition times

2.3 實(shí)驗(yàn)機(jī)理研究結(jié)果與討論

2.3.1 過氧化氫酶性質(zhì)研究機(jī)理

菌種進(jìn)行過氧化氫酶實(shí)驗(yàn)證明菌種為過氧化氫酶陽性，所以菌種含有過氧化氫酶，根據(jù)酶具有專一性的特點(diǎn)，說明菌種細(xì)胞體內(nèi)存在過氧化氫。而過氧化氫的產(chǎn)生是通過過氧化氫酶作用于不同的底物的同時(shí)將氧還原成過氧化氫:

過氧化氫酶能夠氧化一些具有毒性的還原性化合物如醛、酚和醇等。然而這些氧化過程需要利用過氧化氫通過以下反應(yīng)來完成:

通過上述生物反應(yīng)將廢水中的有機(jī)物分解成小分子有機(jī)物或徹底分解為CO2和H2O。

2.3.2 菌種黏性分泌物的絮凝作用

將過濾后的菌液與黏液層分別投入到廢水中進(jìn)行處理，測定處理后的CODCr值，結(jié)果見表4。

菌落在培養(yǎng)基中生長分泌很多黏性物質(zhì)，并且附著在培養(yǎng)基表面，隨著時(shí)間的延長，黏液層不斷地向周圍擴(kuò)散。培養(yǎng)基內(nèi)的黏液層經(jīng)過濾分離后，投加到廢水中，在最佳處理?xiàng)l件下處理，測定廢水的CODCr去除率為44.09%。說明黏液層對廢水處理有一定的影響效果。

表4 菌液與粘液層對廢水CODCr去除率的影響Table4 Effect of bacteria liquid and mucus layer on the removal rate of CODCr

在廢水處理過程中，黏液層的分泌物能夠迅速網(wǎng)捕分散在廢水中的污染物質(zhì)結(jié)合成大顆粒，并形成較大的絮凝體繼而沉淀下來；實(shí)驗(yàn)過程中還發(fā)現(xiàn)在投加黏性分泌物后震蕩的過程中，容器壁附近很快就有懸浮顆粒形成，并且迅速凝聚成較大的絮凝體沉淀到容器的底部，根據(jù)這些現(xiàn)象推斷黏性分泌物在廢水處理過程中所產(chǎn)生的絮凝作用主要是通過吸附架橋和沉淀物網(wǎng)捕來完成的。但是微生物絮凝劑的絮凝機(jī)理很難簡單地用一兩種理論來解釋，各種能夠引起絮凝的作用都有可能在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)生，為了能更好地解釋黏性分泌物對廢水的絮凝機(jī)理，還需對絮凝物質(zhì)和廢水的組成、結(jié)構(gòu)、電荷、構(gòu)象及各種反應(yīng)條件做更深入的研究。

2.3.3 微生物的降解作用

將培養(yǎng)基內(nèi)過濾后的菌液投加到廢水中，在最佳處理?xiàng)l件下處理，測定廢水的CODCr去除率為66.67%。說明不含黏液層的菌液對廢水處理有一定的效果。菌種在廢水中的生長曲線見圖2。

圖2 菌種在廢水中的生長曲線Fig.2 The growth curve of the bacteria in the wastewater

圖2為菌種在季銨鹽生產(chǎn)廢水中的生產(chǎn)曲線，可以看出，微生物在廢水中存在生長繁殖。微生物通過分解代謝，將營養(yǎng)物質(zhì)和細(xì)胞物質(zhì)分解并放出能量，通過合成代謝，將營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)榧w組分并吸收能量。而菌種所處的環(huán)境除了季銨鹽生產(chǎn)廢

水，未添加任何其它的營養(yǎng)元素，所以可以確定菌種在生長繁殖的過程所需的必要的營養(yǎng)元素，如碳源、氮源等，均是直接從廢水中攝取。所以廢水中的有機(jī)物便是碳源、氮源的提供者，菌種分解廢水中的有機(jī)物，使之成為其本身的營養(yǎng)物質(zhì)，進(jìn)而進(jìn)行生長繁殖，最終將廢水中的有機(jī)物分解成小分子或徹底分解為CO2和H2O。

3 結(jié)論

1）從季銨鹽生產(chǎn)廢水中富集出具有耐季銨鹽的菌株，經(jīng)過長時(shí)間馴化，篩選出對季銨鹽生產(chǎn)廢水具有較好降解效果的菌株。

2）用正交試驗(yàn)法考察了菌種投加量、廢水初始pH值、處理溫度、降解時(shí)間對季銨鹽生產(chǎn)廢水的處理效果的影響，主要因素為菌種投加量，廢水初始pH值對處理效果幾乎沒有影響。

3）在最佳處理?xiàng)l件下，菌種投加量為30mL、廢水初始pH值為10、處理溫度為24℃、降解時(shí)間為18h時(shí)，廢水的CODCr去除率可達(dá)75.27%。

4）在最佳處理?xiàng)l件下，菌液的最佳投菌次數(shù)是3次。

5）通過對實(shí)驗(yàn)過程中的現(xiàn)象及結(jié)果進(jìn)行分析，初步認(rèn)為是通過菌種體內(nèi)的過氧化氫氧化作用、菌種分泌的黏性分泌物的絮凝作用以及菌種的生命代謝活動(dòng)對廢水中有機(jī)物的降解作用這3條途徑對季銨鹽生產(chǎn)廢水進(jìn)行處理的。

[1] 陳瑞蘭，鄭成，林璟，毛桃嫣，黃武歡，徐運(yùn)歡，陳悅凱.酯基Gemini季銨鹽陽離子表面活性劑的研究進(jìn)展[J].化工進(jìn)展，2013，32(11):2707-2712.

[2] 來肖，郭睿，趙艷艷，韋鵬，孫江.新型紡織柔軟劑酯基季銨鹽的好氧生物降解性研究[J].皮革與化工，201l(2):10-12.

[3] 黃良仙，肖波，楊軍勝，安秋鳳.有機(jī)硅季銨鹽的合及其在織物整理中的應(yīng)用研究進(jìn)展[J].印染助劑，2013，30(10):1-6.

[4] 劉文帥，王春華，侯桂革，孫居鋒.季銨鹽的抗菌活性與應(yīng)用研究[J].山東化工，2013，42(11):49-53.

[5] 陳焜，周向東.超支化聚酯季銨鹽抗靜電劑的合成及其應(yīng)用[J].印染，2013(9):1-4.

[6] 郭祥峰，賈麗華.陽離子表面活性劑及應(yīng)用[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

[7] 王曉囡，滕厚開，謝陳鑫，趙慧.光電催化氧化法降解殺菌劑廢水的研究[J].工業(yè)水處理，2001，31(5):245-246.

[8] 黃煥標(biāo)，尹平河，趙玲.廢水中十六烷基三甲基溴化銨的Fenton氧化降解[J].暨南大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，30(3): 288-292.

[9] 潘碌亭，肖錦，朱云.含高濃度季銨鹽廢水處理工藝研究[J].中國給水排水，2000，16(10):57-58.

[10] 朱云，肖錦，潘碌亭.特種化工廢水的生物毒性、抑制性研究[J].重慶環(huán)境科學(xué)，2000，22(5):48-50.

[11] 奚旦立，孫裕生，劉秀英.環(huán)境監(jiān)測（第3版）[M].北京:高等教育出版社，2004:571-572.

Strains FS-1 Degraded Quaternary Ammonium Salt Production Wastewater and Mechanism Research

SU Ping-ping, CHAI Tao
(College of Chemical Engineering & Environmental, North University of China, Taiyuan 030051, China)

In this study，the optimum conditions of producing strains treated quat ernary ammonium salt production wastewater was investigated by orthogonal test, and degradation mechanism was analyzed by the properties of the strains catalase, f ltered bacterium f uid and mucus layer was obtained by f ltered processed the wastewater separately which valued by the removal rate of CODCr.In orthogonal test, the removel rate of CODCrwas served as an evaluation index, and strains dosage, initial pH of wastewater, treatment temperature and the degradation time were also optimized.Analysis of range showed that the main factor affected the removal rate of CODCrwas strain dosage, and initial pH value of wastewater had almost no inf uence on the treatment eff ciency.Under the optimum conditions∶ bacteria dosage of 30mL, initial pH value of 10, the treatment temperature was 24℃, the degradation time was 18h, the removal rate of wastewater CODCrcould up to 75.27%.

quaternary ammonium salt; production wastewater; microorganism; orthogonal test; mechanism research

X 703

1671-9905(2015)02-00-

蘇萍萍(1986-)，女，漢族，吉林省榆樹市人，在讀研究生，研究方向:污染控制與資源化技術(shù)，手機(jī):18734121595，E-mail: supingping365@126.com

柴濤(1968-)，女，教授，碩士生導(dǎo)師

2014-11-21