磷霉素高效降解菌對磷霉素環(huán)氧廢水降解研究

孫劍平,符 昊,,李 娟,曾 萍

(1.沈陽建筑大學市政與環(huán)境工程學院,遼寧 沈陽 100168;2.中國環(huán)境科學研究院,北京 100012)

制藥廢水是一種具有成分復雜、毒性高、生物降解性差的工業(yè)廢水[1]。磷霉素是一種天然廣譜抗生素,對革蘭氏陰性菌和革蘭氏陽性菌具有良好的抑制作用[2-3]。目前,我國磷霉素生產(chǎn)主要采用化學合成法,以叔丁醇、甲苯、H2、PCl3等為原料,經(jīng)過酯化、催化加氫、環(huán)氧反應、拆分反應、精制、純化等工藝,得到磷霉素純品,同時會產(chǎn)生環(huán)氧廢水、拆分廢水和精制廢水。環(huán)氧廢水包含的主要污染物為有機磷原料、中間產(chǎn)物、副產(chǎn)物等,是一類典型難降解的工業(yè)廢水。在工業(yè)廢水處理方法中,生物處理法具有運行成本低、管理維護方便等優(yōu)點[4]。但磷霉素生產(chǎn)中的環(huán)氧廢水對傳統(tǒng)的活性污泥法中的微生物具有較強抑制作用,使微生物對廢水處理效率低,處理出水水質難以達標。添加高效降解菌可提高難降解目標廢水的降解效率。生物強化技術是指將具有特定降解功能的微生物添加到傳統(tǒng)生物處理技術中,以提高處理系統(tǒng)對目標污染物的降解效果、從而達到提高難降解有機物廢水處理效率的目的[5]。周竹楓等[6]使用磷霉素高效降解菌強化循環(huán)活性污泥處理系統(tǒng)(CASS),經(jīng)高效菌強化后的CASS反應器對出水COD、氨氮和總磷的平均去除率分別達到81.57%、90.67%和85.44%,該結果好于同條件下普通活性污泥凈化效果。李微等[7]利用兩單株反硝化聚磷菌進行水處理實驗,實驗結束后兩株菌對硝態(tài)氮去除率分別為95.83%、96.30%,對總磷去除率分別為88.34%、91.42%;陳佩等[8]使用鄰二甲苯高效降解菌在鄰二甲苯質量濃度高達2 500 mg/L時,對其的去除率在30 h內(nèi)可達到70%;因各菌種間可能存在協(xié)同作用,多株高效菌復配后對特征污染物的降解效果好于單株高效菌。筆者以磷霉素生產(chǎn)中的環(huán)氧廢水為研究對象,比較了3株磷霉素高效降解菌以及其復配菌對環(huán)氧廢水的處理效果,并獲得復配菌處理環(huán)氧廢水的最佳配比。

1 實 驗

1.1 實驗菌種

實驗所用3株磷霉素高效降解菌是將微生物在高濃度磷霉素環(huán)境下馴化后經(jīng)分離純化得到[9],編號分別為P1、P2和P3。另取實驗室存留的3株用于降解磷霉素生產(chǎn)實際廢水中有機溶劑苯乙胺的高效菌做對照實驗,編號分別為N1、N2和N3[10]。

1.2 實驗原水

1.3 實驗藥劑

LB培養(yǎng)基是一種應用最廣泛的細菌基礎培養(yǎng)基,其具體成分及質量濃度為:ρ(NaCl)=10 g/L,ρ(酵母浸粉)=5 g/L,ρ(胰蛋白胨)=10 g/L。無機鹽質量濃度如表1所示。

表1 實驗所用無機鹽成分

1.4 實驗儀器與分析

使用紫外分光光度計測得菌液濃度(OD600);使用TOC分析儀測得總有機碳質量濃度;采用離子色譜儀測得磷霉素質量濃度;使用三維熒光光譜儀測得可溶性有機物質量濃度;使用DELTATOXⅡ儀器測定菌液急性毒性[11-12]。

1.5 實驗方案

1.5.1 單株高效菌對磷霉素生產(chǎn)環(huán)氧廢水降解

分別在6個500 mL錐形瓶內(nèi)投加6株等質量濃度菌液30 mL、無機營養(yǎng)鹽溶液168 mL、環(huán)氧廢水2 m L、反應液定容到200 mL,置于空氣浴恒溫培養(yǎng)箱,設置培養(yǎng)箱溫度為30 ℃,搖床設為轉速120 r/min,pH調(diào)為7。

環(huán)氧廢水加入搖瓶中時記為t=0 h,分別在84 h、108 h和132 h時間節(jié)點取樣,對菌液的OD600數(shù)值、總有機碳(TOC)質量濃度、磷霉素質量濃度及可溶性有機物含量進行測試分析,以得到各單株菌對磷霉素生產(chǎn)環(huán)氧廢水中有機物的降解情況。

1.5.2 復配高效菌對磷霉素生產(chǎn)環(huán)氧廢水降解

通過稀釋使3株菌液的OD600相同,該菌液用于復配實驗。按正交實驗設計9種高效菌復配方案,分別在實驗運行時間為0 h、8 h、16 h、24 h、36 h、48 h、60 h、84 h、108 h、132 h處取樣,并將不同復配比例的高效菌對磷霉素環(huán)氧廢水的降解效果進行對比分析,得到3株菌降解磷霉素生產(chǎn)實際廢水的最佳復配比例。正交實驗表如表2所示。

表2 磷霉素高效菌復配正交實驗設計

在錐形瓶內(nèi)分別投加30 mL按設計比例復配后的菌液、168 mL含無機營養(yǎng)鹽的無菌水及2 mL無菌處理后的磷霉素制藥生產(chǎn)環(huán)氧廢水,置于30 ℃、轉速120 r/min的恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。48 h后分析各搖瓶中磷霉素質量濃度,得到3株菌的復配菌劑處理磷霉素生產(chǎn)環(huán)氧廢水的最佳復配比例。

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2 結果分析

2.1 單株菌對磷霉素生產(chǎn)實際廢水降解

2.1.1 TOC的降解

圖1為各單株菌降解磷霉素環(huán)氧廢水TOC質量濃度變化情況。從圖1可以看出,隨實驗時間的增加環(huán)氧廢水中總有機碳(TOC)的質量濃度明顯下降,表明經(jīng)6株單株降解菌的處理,環(huán)氧廢水中所含的有機物得到有效去除。實驗開始60 h后投加編號為N1、N2的苯乙胺降解菌的搖瓶中環(huán)氧廢水總有機碳(TOC)的質量濃度變化趨于穩(wěn)定,實驗開始84 h后加入編號為N3的苯乙胺降解菌的環(huán)氧廢水總有機碳(TOC)質量濃度變化趨于穩(wěn)定,實驗開始108 h后3株磷霉素高效菌總有機碳(TOC)質量濃度變化穩(wěn)定。從實驗結果來看,3株編號為P1、P2、P3的單株磷霉素降解菌對磷霉素環(huán)氧廢水中TOC降解效果較好,去除率分別可達87.29%、88.62%、85.55%。3株用于降解苯乙胺的菌株對環(huán)氧廢水中總有機碳(TOC)的去除效果相對較差,去除率分別僅為53.55%、65.22%、66.90%。說明磷霉素降解菌對該批次制藥廢水中有機物的凈化效果更好。

圖1 單株菌降解磷霉素環(huán)氧廢水的TOC質量濃度變化情況

2.1.2 磷霉素的去除

圖2為t=0 h和實驗結束時刻t=132 h時各菌液磷霉素質量濃度及磷霉素去除效果。將3株磷霉素單株降解菌P1、P2、P3和3株苯乙胺的單株降解菌N1、N2、N3加入稀釋100倍的磷霉素環(huán)氧廢水,檢測并對比不同時刻制藥廢水中特征污染物磷霉素的質量濃度。降解實驗進行132 h后,投入編號為P2菌株的搖瓶中環(huán)氧廢水的磷霉素質量濃度由t=0 h時間點的983.84 mg/L減少到859.06 mg/L,其對該批次廢水的磷霉素降解率為12.68%。投入編號為P1菌株的搖瓶中環(huán)氧廢水磷霉素質量濃度從t=0 h時間點的894.19 mg/L減少到790.23 mg/L,其對該批次廢水的磷霉素去降解率為11.63%;投入編號為P3菌株的搖瓶中環(huán)氧廢水磷霉素質量濃度從t=0 h時間點的916.05 mg/L減小到828.40 mg/L,其對該批次廢水的磷霉素降解率為9.57%。在磷霉素含量高于890 mg/L的高毒性環(huán)境下,3株磷霉素降解菌對抗生素磷霉素的降解率仍能超過9%,說明磷霉素降解高效菌對抑制微生物生存的磷霉素具有較強的耐受力。用于對照實驗的3株苯乙胺降解菌N1、N2、N3對該批次環(huán)氧廢水中磷霉素的處理效果較差,降解率分別僅為2.27%、4.37%和0.97%,可見磷霉素高效菌對該批次環(huán)氧廢水中磷霉素的去除能力相對更好。

圖2 單株菌降解實驗起止時刻磷霉素質量濃度及去除率

2.1.3 單株菌生長

圖3為磷霉素環(huán)氧廢水降解實驗過程中6株單株菌細菌濃度變化情況。細菌濃度由指標OD600表示,OD600數(shù)值越高細菌濃度越大。由圖3可知,實驗啟動時刻6株單株菌的細菌濃度數(shù)值基本相同,從實驗運行34 h開始3株用于降解苯乙胺的菌株N1、N2、N3的細菌濃度增長速率放緩,此時3株磷霉素降解菌P1、P2、P3的細菌量仍保持較高的增長速度。實驗進行84 h后,3株磷霉素高效菌的細菌濃度幾乎停止增長。在實驗運行108 h、132 h時刻測得的OD600數(shù)值略小于84 h時刻取樣點。這可能由于實驗后期搖瓶內(nèi)缺乏營養(yǎng)物質,或搖瓶中積累過多的細菌代謝產(chǎn)物,抑制了微生物的生長,造成部分細菌死亡、溶解[13-15]

圖3 單株菌在磷霉素環(huán)氧廢水中的生長情況

2.1.4 可溶性有機物的降解情況

三維熒光掃描技術可對水中各組分有機物進行定性和定量分析,適用于測試包括磷霉素制藥廢水在內(nèi)的成分復雜的有機廢水,不同種類水樣能夠繪制出與其特征對應的三維熒光光譜圖。湯久凱等[16]、吳靜等[17]分別使用三維熒光技術檢測并分析了半合成青霉素制藥廢水、某頭孢制藥廢水和某印染廢水的水質特性,得到了理想的實驗效果(見圖4)。圖中EX表示激發(fā)波長,EM表示發(fā)射波長。從圖4(a)可以看出,運用三維熒光技術檢測磷霉素純品所形成的光譜圖無明顯出峰現(xiàn)象,表明磷霉素純品溶液中不存在使光譜圖出峰的可溶性有機物。從圖4(b)可以看出,稀釋后的高濃度磷霉素環(huán)氧廢水在激發(fā)波長處于300～400 nm、發(fā)射波長處于360～480 nm內(nèi)出峰,出現(xiàn)最大峰的位置在EX=340 nm、EM=430 nm處,其峰強度為3 689。

圖4 質量濃度1 g/L磷霉素純品及稀釋100倍磷霉素實際廢水三維熒光光譜圖

圖5為3株磷霉素降解菌降解環(huán)氧廢水前后水樣的三維熒光光譜圖。經(jīng)過稀釋后的磷霉素環(huán)氧廢水和投加單株菌P1、P2、P3后的菌液在實驗起始時刻三維熒光光譜圖熒光峰信息如見表3所示。從表3可知,加入磷霉素降解菌的環(huán)氧廢水樣品的出峰范圍激發(fā)波長EX為300～425 nm、發(fā)射波長EM為360～540 nm。將圖4(b)表示的稀釋后廢水熒光峰出峰范圍包含在內(nèi)。投加P1、P2、P3菌株的樣品最大熒光峰強度分別為4 309、3 957和4 265,均大于稀釋后實際廢水的最大峰峰強3 689。由于實驗運行后菌液中含有與磷霉素環(huán)氧廢水出峰位置相近的可溶性有機物,例如與微生物代謝產(chǎn)物相關的腐植酸、富里酸等,其中腐植酸的出峰EX為300～370 nm,EM為370～500 nm、富里酸出峰EX為237～260 nm,EM為400～500 nm[18-19],該類物質與磷霉素生產(chǎn)環(huán)氧廢水的特征峰相疊加,使投加磷霉素降解菌的環(huán)氧廢水樣品最大峰強度相對更高。

圖5 3株磷霉素降解菌對磷霉素環(huán)氧廢水降解前后三維熒光光譜圖

表3 水樣三維熒光光譜圖熒光峰相關信息

對照同一磷霉素降解高效菌實驗前后的環(huán)氧廢水樣品三維熒光光譜圖可以看出,表示相對較高熒光峰強度顏色的區(qū)域面積在經(jīng)過菌劑降解實驗后明顯縮小。實驗運行132 h后經(jīng)過P1處理的廢水最大峰強度從實驗開始時刻的4 309降低至2 834;經(jīng)過P2處理后的廢水最大峰強度從實驗開始時刻的3 957降低至3 298,經(jīng)過P3處理的廢水最大峰強度從實驗開始時刻的4 265降低至2 741,說明3株磷霉素降解菌均對該批次磷霉素制藥環(huán)氧廢水中可溶性有機物有較好的降解效果。

2.2 磷霉素高效菌降解環(huán)氧廢水復配配比

2.2.1 磷霉素的降解

將3株質量濃度相等的磷霉素降解菌菌液P1、P2、P3分別按表3所設計的菌液體積進行復配實驗,各方案復配菌劑對磷霉素實際廢水的處理結果如表4所示。

表4 不同復配比例下廢水中磷霉素去除情況

從表4可以看出,3株磷霉素降解菌P1、P2、P3按3∶3∶2的體積比進行復配時對實際廢水中磷霉素降解效果最好,該復配比下磷霉素去除率可達45.02%。同時,與P1、P2、P3單株菌降解實驗運行48 h時刻的磷霉素去除率4.44%、4.78%、3.83%相比,9種復配方案對磷霉素的降解效果更好,這與許尚營[20]、楊冠東等[21]等在采用多株高效菌進行復配后處理廢水中目標污染物的實驗中復配菌劑對水樣處理效果好于單株菌的結果相同,表明3株單株磷霉素降解菌之間存在協(xié)同作用。

2.2.2 最佳配比下磷霉素降解菌對環(huán)氧廢水的毒性去除

選擇制藥廢水的水處理技術時,對抗生素制藥廢水等高濃度有機廢水的毒性削減能力也是重要的考慮因素之一。筆者采用海洋發(fā)光弧菌檢測實驗前后水樣的急性毒性指標。水樣毒性越大,海洋發(fā)光弧菌光損失指標數(shù)值越高。最優(yōu)復配比例復配菌劑對環(huán)氧廢水的毒性去除結果如表5所示。

表5 最佳配比下磷霉素降解菌對環(huán)氧廢水毒性的削減情況

實驗起始時刻原水的發(fā)光菌光損失量為61%,實驗運行24 h后為光損失56%,實驗運行48 h后光損失降低為40%,說明復配菌劑有效削減了高濃度磷霉素制藥環(huán)氧廢水的毒性。

2.2.3 有機物的降解

對最佳配比菌劑降解實驗前后的環(huán)氧廢水取樣做三維熒光測試,得到三維熒光光譜如圖6所示。從圖6可知,實驗運行48 h后熒光峰強度相對較高的區(qū)域范圍顯著縮小,最大熒光峰峰強由4 901縮減至4 540?？梢娮罴雅浔葟团浜蟮木鷦┛捎行Ы档土酌顾刂扑幁h(huán)氧廢水中可溶性有機物含量。

圖6 最佳配比下復配菌處理磷霉素環(huán)氧廢水前后三維熒光光譜圖

3 結 論

(1)搖瓶實驗運行132 h后,單株菌P1、P2、P3對總有機碳的去除率分別達到87.29%、88.62%和5.55%,磷霉素的去除率分別為11.63%、12.68%、9.57%,對廢水中可溶性有機物也有較好的處理效果,3株降解菌均對該類磷霉素實際廢水中有機物有較好的降解能力。

(2)在磷霉素質量濃度高于890 mg/L的高毒性、高抗生素濃度的水體環(huán)境中,單株菌P1、P2、P3仍對磷霉素有高于10%的去除率,說明磷霉素降解菌對磷霉素有相當強的耐受力。

(3)當?shù)葷舛攘酌顾亟到饩鶳1、P2、P3按3∶3∶2的體積比進行復配時,復配菌劑對該類磷霉素環(huán)氧廢水的處理效果最好,降解實驗運行48 h后對磷霉素去除率為45.02%。

(4)最佳配比下,實驗運行48 h后水樣可使海洋發(fā)光弧菌的光損失量從61%降低至40%,可見復配菌劑對該類制藥廢水有較強的毒性削減能力。