四溴雙酚A是溴代阻燃劑的典范代表, 因?yàn)槠渚嫉淖枞紮C(jī)能跟低廉的價(jià)格被普遍利用于產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)跟日用品中, 包含電子產(chǎn)品、紡織、家具、防火資料、裝潢物、塑料制品等.近年來(lái), 包含TBBPA在內(nèi)的溴代阻燃劑對(duì)環(huán)境跟人類健康造成的影響跟迫害正越來(lái)越引起人們的普遍關(guān)注.TBBPA在寰球各種環(huán)境介質(zhì)、生物體及人體內(nèi)被普遍檢出.相干毒理研究表明, TBBPA對(duì)動(dòng)動(dòng)物細(xì)胞深具毒性, 特別對(duì)動(dòng)物顯示出包含甲狀腺激素?zé)_、神經(jīng)毒性、肝臟跟腎臟毒性、免疫毒性、雌雄性煩擾等普遍的致毒效應(yīng).在溴代阻燃劑已經(jīng)被列入斯德哥爾摩公約中優(yōu)先監(jiān)控名單的今日, 只管有關(guān)TBBPA的環(huán)境積聚量、遷徙轉(zhuǎn)化法則及其生物富集毒性的研究已普遍發(fā)展, 但有關(guān)其去除的研究卻明顯滯后.
元素鐵是一種活潑金屬, 存在還原性, 在天然環(huán)境中儲(chǔ)量大, 開采利用本錢低.近年來(lái), 零價(jià)鐵已經(jīng)被普遍地用來(lái)降解跟去除環(huán)境中的有機(jī)及無(wú)機(jī)沾染物質(zhì), 是一種新興的高效經(jīng)濟(jì)修復(fù)技巧.與其余物化方法比較, 零價(jià)鐵處理法無(wú)需耗能且反應(yīng)敏捷, 但鐵名義易被腐化鈍化, 且易結(jié)塊, 牢固性、耐用性的不足限度了切實(shí)際利用.Fe-Ni雙金屬顆粒通過(guò)增加反應(yīng)名義活性位點(diǎn)進(jìn)步零價(jià)鐵的反應(yīng)活性, 減少產(chǎn)物對(duì)資料的腐化以延長(zhǎng)鐵的利用壽命, 及加速還原反應(yīng)的進(jìn)行等方法改良了Fe處理技巧, 并在TBBPA的去除利用方面獲得了重要進(jìn)展.
微生物在長(zhǎng)久性有機(jī)沾染物的遷徙轉(zhuǎn)化乃至終極從環(huán)境中消散的進(jìn)程中占領(lǐng)重要的位置.微生物法作為一種存在普遍實(shí)用性的修復(fù)技巧, 發(fā)展絕對(duì)成熟, 存在經(jīng)濟(jì)、高效且降解徹底的上風(fēng).在TBBPA的微生物去除方面只管報(bào)道了很多研究結(jié)果, 但不管是混淆還是純培養(yǎng)體系, 都存在降解緩慢、周期長(zhǎng)等不足.鑒于此, 作為開發(fā)強(qiáng)化去除典范溴代阻燃劑TBBPA的重要一環(huán), 本研究擬將微生物處理法與鐵還原法兩種修復(fù)技巧結(jié)合, 采取厭氧微生物與Fe-Ni雙金屬結(jié)合體系來(lái)強(qiáng)化去除水體中的TBBPA.同時(shí), 對(duì)結(jié)合體系的去除后果及其影響前提進(jìn)行探討, 為TBBPA的去除供給新的思路.
2 資料與方法
實(shí)驗(yàn)采取的微生物來(lái)自本實(shí)驗(yàn)室馴化降解TBBPA菌群的反應(yīng)器, 該反應(yīng)器于2017年1月從廣州市番禺區(qū)前鋒污水處理廠獲得活性污泥啟動(dòng), 并長(zhǎng)期供給含TBBPA的進(jìn)水對(duì)反應(yīng)器內(nèi)的微生物菌群進(jìn)行馴化.對(duì)出水中TBBPA的檢測(cè)及微生物菌群去除TBBPA的活性顯示, 經(jīng)過(guò)半年的馴化后該反應(yīng)器內(nèi)的微生物菌群存在相稱牢固的TBBPA降解活性.
2.1 重要試劑
本實(shí)驗(yàn)進(jìn)程利用的試劑TBBPA由北京百靈威試劑有限公司生產(chǎn);還原鐵粉及NiCl2試劑購(gòu)于永大化學(xué)試劑有限公司.厭氧微生物培養(yǎng)基配方：1.0 g · L-1 C6H12O6、0.8 g · L-1 NaHCO3、2.6 g · L-1 NH4C
L、0.10 g · L-1 MgCl2 · 7H2
O、0.08 g · L-1 NiCl2 · 7H2
O、0.75 g · L-1 K2HPO4、0.3 g · L-1 KH2PO4、0.68 g · L-1 Na3C6H5O7 · H2
O、0.52 g · L-1 CaCl2、0.125 g · L-1 FeCl3 · 6H2
O、0.013 g · L-1 ZnCl2、0.011 g · L-1 CoCl3 · 6H2
O、0.022 g · L-1 MnCl2 · 4H2
O、0.0044 g · L-1 NaBO3 · 10H2
O、0.008 g · L-1 6Mo7O24 · 4H2
O、0.0065 g · L-1 CuCl2 · 2H2O, pH7.0.本實(shí)驗(yàn)進(jìn)程中所利用的河水, 其水質(zhì)經(jīng)實(shí)驗(yàn)室檢測(cè), 結(jié)果如表 1所示.
2.2 實(shí)驗(yàn)方法2.2.1 Fe-Ni雙金屬資料的制備
Fe-Ni雙金屬資料的制備參照Luo等的方法, 利用液相置換法將溶液中的鎳離子置換到鐵名義, 從而形成Fe-Ni雙金屬資料.具體操作如下：
將還原鐵粉過(guò)100目篩, 稱取1.0 g過(guò)篩后的鐵粉于小燒杯中, 用10 mL 5%的鹽酸洗滌5 min, 而后用超純水洗滌5次, 再將其轉(zhuǎn)移到100 mL血清瓶中, 加入50 mL一定濃度的NiCl2溶液, 用膠塞塞好, 通入氮?dú)? min, 再轉(zhuǎn)移到恒溫振蕩器中振蕩2 h, 而后用超純水洗滌5次, 抽濾回收固體物質(zhì), 用無(wú)水乙醇洗滌3次, 將制備好的Fe-Ni雙金屬資料置于干燥箱中干燥9 h, 取出后過(guò)100目篩置于干燥器中備用.
2.2.2 富集及培養(yǎng)TBBPA降解菌群
從前述的馴化反應(yīng)器中抽取菌液, 將裝有菌液的50 mL離心管進(jìn)行離心, 棄用上清液并注入20 mL養(yǎng)分液待養(yǎng)分液跟底部的污泥混淆均勻后轉(zhuǎn)移到裝有80 mL養(yǎng)分液的125 mL血清瓶中, 再加入TBBPA母液, 使每個(gè)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?dú)?5 min置換瓶?jī)?nèi)的空氣.避光于恒溫振蕩器中培養(yǎng).每天重復(fù)離心、調(diào)換養(yǎng)分液、增加TBBP
A、曝氣等步驟.
2.2.3 批次實(shí)驗(yàn)
為摸索厭氧微生物與Fe-Ni雙金屬資料結(jié)合去除TBBPA的特點(diǎn)跟法則, 設(shè)計(jì)批次實(shí)驗(yàn).在125 mL血清瓶中加入調(diào)好OD600值及pH的菌液100 mL, 加入所制備的Fe-Ni雙金屬資料, 再增加一定量的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?dú)庵脫Q出空氣, 置于恒溫振蕩箱振蕩, 按期取樣, 取樣進(jìn)程在厭氧箱內(nèi)操作.每組實(shí)驗(yàn)設(shè)置3個(gè)平行實(shí)驗(yàn).
2.2.4 HPLC剖析
TBBPA濃度的測(cè)定采取高效液相色譜法, 高效液相色譜儀.每次取樣1 mL, 過(guò)0.22 μm尼龍66有機(jī)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(huán)境下保存待測(cè).高效液相色譜儀檢測(cè)器為SPD-20AV, 檢測(cè)波長(zhǎng)209 nm, 色譜柱采取SHIMADZU VP-ODS C18, 流動(dòng)相為甲醇/水=90/10, 流速0.8 mL · min-1, 柱溫40 ℃.
2.2.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)剖析
首先, 對(duì)批次實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)舉能源學(xué)擬合, 方程式為
式中, c0為初始增加的TBBPA濃度, ct為t時(shí)刻對(duì)應(yīng)的體系中TBBPA的殘余濃度, k為反應(yīng)速率常數(shù).
響應(yīng)面剖析是一種最優(yōu)化方法, 它將體系的因變量與多個(gè)自變量間樹破其函數(shù)關(guān)聯(lián), 并利用圖形技巧將這種函數(shù)關(guān)聯(lián)顯示出來(lái), 以供咱們直觀的抉擇實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中的最優(yōu)化前提.本實(shí)驗(yàn)利用Design-Expert軟件, 基于Box-Behnken模型設(shè)計(jì)樹破響應(yīng)曲面模型, 研究影響TBBPA去除率的重要變量間的交互作用, 尋找TBBPA的最佳去除前提.
3 結(jié)果3.1 不同體系對(duì)TBBPA去除后果的比較
設(shè)置5組探討不同體系對(duì)TBBPA去除后果的實(shí)驗(yàn), 實(shí)驗(yàn)前提設(shè)置如表 2所示.其中活微生物的濃度用OD600唆使, 初始值為0.6, 滅活微生物為等同濃度的微生物經(jīng)高壓蒸汽滅菌, Fe-Ni雙金屬資料投加量為10 mg · L-1, 各體系中TBBPA初始濃度均把持為2 mg · L-1, pH調(diào)至7.反應(yīng)6 h后, TBBPA的去除情況如所示, 結(jié)果表明, 厭氧微生物與Fe-Ni雙金屬資料結(jié)合體系對(duì)TBBPA的去除效力最高, 6 h內(nèi)達(dá)到75.50%.單獨(dú)的Fe-Ni雙金屬資料及單獨(dú)的活微生物對(duì)TBBPA也有一定的去除后果, 去除率分辨可達(dá)到60.91%跟59.43%.空白對(duì)比組對(duì)TBBPA的降解并不明顯, 說(shuō)明TBBPA的去除確切是因?yàn)镕e-Ni雙金屬資料與厭氧活微生物的作用.此外, 滅活微生物對(duì)TBBPA的去除率小于10%, 說(shuō)明厭氧活微生物是通過(guò)代謝作用去除TBBPA, 而非吸附作用.
不同反應(yīng)體系對(duì)TBBPA的去除后果
對(duì)厭氧微生物與Fe-Ni雙金屬資料結(jié)合體系、單獨(dú)的厭氧活微生物及單獨(dú)的Fe-Ni雙金屬資料3組實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行一級(jí)能源學(xué)擬合, 擬合數(shù)據(jù)結(jié)果如表 2所示, 相干系數(shù)R2值為0.9097~0.9510, 說(shuō)明降解進(jìn)程合乎一級(jí)能源學(xué)模型.單獨(dú)的Fe-Ni雙金屬資料及單獨(dú)的活微生物對(duì)TBBPA的降解速率常數(shù)k分辨是0.3364 h-1跟0.3583 h-1, 半衰期較長(zhǎng), 分辨是2.06 h跟1.96 h.而當(dāng)兩者結(jié)合的情況下, 降解速率常數(shù)k為2.2917 h-1, 半衰期縮減到0.31 h.說(shuō)明厭氧微生物與Fe-Ni雙金屬資料結(jié)合對(duì)TBBPA的去除存在明顯的增進(jìn)作用.
不同體系中的去除TBBPA能源學(xué)擬合 (e.活菌+資料, d.單獨(dú)資料, b.單獨(dú)活菌)
3.2 厭氧微生物與Fe-Ni雙金屬資料結(jié)合體系去除TBBPA的影響因素3.2.1 模型擬合
利用響應(yīng)面剖析法, 以接菌量、TBBPA濃度、溫度為響應(yīng)因子, TBBPA的去除率為響應(yīng)值, 摸索其對(duì)厭氧微生物與Fe-Ni雙金屬資料結(jié)合體系對(duì)TBBPA去除率的影響, 實(shí)驗(yàn)因素及水平如表 3所示.Fe-Ni雙金屬資料投加量的準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)顯示, 在10~100 mg · L-1內(nèi)投加量的增加多少乎不再增進(jìn)去除率的升高, 故表中不含F(xiàn)e-Ni雙金屬資料投加量.依據(jù)Box- Benhnke的中心組合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理, 進(jìn)行三因素三水平共17組的響應(yīng)面剖析實(shí)驗(yàn), 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)矩陣及結(jié)果如表 4所示.經(jīng)回歸擬合后, 實(shí)驗(yàn)因子對(duì)響應(yīng)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分辨為初始接菌量(OD600), 溫度(℃), 初始TBBPA濃度.
通過(guò)方差剖析對(duì)方程的統(tǒng)計(jì)學(xué)意思進(jìn)行評(píng)估(表 5), 模型的F值為889, 象征著此模型明顯可行, 且因?yàn)闊_導(dǎo)致模型F值變大的可能性小于0.1%, 也就是說(shuō)模型(式
(2))不明顯的擬合誤差.此模型的失擬項(xiàng)不明顯其p值為0.0641(p>0.05), 說(shuō)明該模型對(duì)TBBPA的最大去除率的料想是可托的.在此實(shí)驗(yàn)中, X1(p<0.0001), X3(p<0.0001)說(shuō)明接菌量跟TBBPA初始濃度對(duì)TBBPA的去除率影響最大.X1X3(接菌量跟TBBPA初始濃度)的p值最小(<0.0001)說(shuō)明該兩個(gè)因素互動(dòng)水平最大.X12(接菌量跟溫度), X2X3(溫度跟TBBPA初始濃度)的p值分辨為0.0155跟0.0161, 均小于0.05, 它們之間的交互影響次之.
3.2.2 響應(yīng)面剖析
比較傳統(tǒng)的單因素優(yōu)化實(shí)驗(yàn), 響應(yīng)面剖析法可能更加經(jīng)濟(jì)快捷的獲取實(shí)驗(yàn)結(jié)果(Dritsa et al., 2009).該方法通常是通過(guò)繪制響應(yīng)面曲線(即回歸模型的圖形表示情勢(shì))來(lái)判斷變量的彼此作用影響跟最佳前提(Dandavate et al., 2009).模型擬合結(jié)果式
(2)的響應(yīng)面曲線如a~3f所示.a, 3b為X1(初始接菌量)跟X2(溫度)對(duì)TBBPA去除率的影響, 其中X3(TBBPA初始濃度)為常量(即堅(jiān)持零水平值).從圖可知, 初始接菌量OD600在0.2~0.8范疇內(nèi), 隨著初始接菌量的進(jìn)步, TBBPA去除率逐步增大.在溫度20~40 ℃范疇內(nèi), TBBPA的去除率顯現(xiàn)先增大后減小的變更趨勢(shì), 29 ℃時(shí)TBBPA的去除率最大.這是因?yàn)闇囟葘?duì)微生物的活性存在一定影響, 溫度過(guò)高或過(guò)低均不利于厭氧微生物的處理作用.
兩兩因素交互影響的響應(yīng)面曲線及對(duì)應(yīng)等高線圖
c, 3d為X1(初始接菌量)跟X3(初始TBBPA濃度)對(duì)TBBPA去除率的影響, 其中X2(溫度)為常量(即堅(jiān)持零水平值).當(dāng)初始接菌量進(jìn)步時(shí), TBBPA的去除率增大, 但增大幅度趨于平緩.初始TBBPA濃度增加, TBBPA去除率先增大而后逐步趨于平緩.誠(chéng)然初始TBBPA濃度的增加會(huì)克制微生物的活性, 增大其延滯時(shí)光(Cycoń et al., 2009), 但增加TBBPA濃度有利于其與Fe-Ni雙金屬資料上活性反應(yīng)位點(diǎn)的接觸, 因此在一定范疇內(nèi)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).具體接洽污水寶或參見http://www.dowater.com更多相干技巧文檔。污水處理設(shè)備為使污水達(dá)到排入某一水體或再次使用的水質(zhì)要求對(duì)其進(jìn)行凈化的過(guò)程。污水處理被廣泛應(yīng)用于建筑、農(nóng)業(yè)、交通、能源、石化、環(huán)保、城市景觀、醫(yī)療、餐飲等各個(gè)領(lǐng)域，也越來(lái)越多地走進(jìn)尋常百姓的日常生活。
e, 3f為X2(溫度)跟X3(初始TBBPA濃度)對(duì)TBBPA去除率的影響, 其中X1(初始接菌量)為常量(即堅(jiān)持零水平值).與
A、3
B、3c, 3d反應(yīng)一致, 溫度過(guò)高或過(guò)低均不利于反應(yīng)的進(jìn)行, 29 ℃左右TBBPA的去除率最大.一定范疇內(nèi), 增加TBBPA的初始濃度有利于進(jìn)步TBBPA的去除率.
依據(jù)響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到最優(yōu)TBBPA降解前提.在初始接菌量為0.8, 溫度為29 ℃, TBBPA初始濃度為5 mg · L-1時(shí), TBBPA的去除率最大, 達(dá)到77.41%.
3.2.3 最優(yōu)前提驗(yàn)證
依據(jù)響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)得到的最佳TBBPA的去除前提進(jìn)行實(shí)驗(yàn), 同時(shí)檢測(cè)溴離子的開釋量.實(shí)驗(yàn)結(jié)果如所示, 6 h TBBPA的去除率達(dá)到78.51%, 與響應(yīng)面料想結(jié)果相符, 進(jìn)一步說(shuō)明本次響應(yīng)面剖析方法堅(jiān)固.此外, 隨著TBBPA的去除, 水體中溴離子的含量逐步增加, 說(shuō)明TBBPA去除進(jìn)程確切存在脫溴反應(yīng).
TBBPA去除率驗(yàn)證明驗(yàn) (OD600為0.8, 溫度為29 ℃, 初始TBBPA濃度為5 mg · L-1)
TBBPA去除及溴離子開釋
3.3 厭氧微生物與Fe-Ni雙金屬資料結(jié)合體系受不同背景溶液的影響
天然水體含有很多雜質(zhì), 會(huì)對(duì)資料及微生物去除目標(biāo)沾染物產(chǎn)生不同水平的影響.為研究厭氧微生物與Fe-Ni雙金屬資料結(jié)合體系去除TBBPA受不同背景溶液的影響, 設(shè)置3組實(shí)驗(yàn), 分辨是以養(yǎng)分液作為反應(yīng)體系背景溶液(A)、以河水作為反應(yīng)體系背景溶液(B)、以增加了5 mg · L-1的腐殖酸的養(yǎng)分液作為反應(yīng)體系背景溶液(C).其中養(yǎng)分液成分及河水水質(zhì)見2.1節(jié).
實(shí)驗(yàn)結(jié)果如所示, 養(yǎng)分液組(A)去除后果最好, 去除率為75.5%;河水實(shí)驗(yàn)組(B)6 h對(duì)TBBPA的去除率為61.66%;增加腐殖酸的養(yǎng)分液實(shí)驗(yàn)組(C)6 h對(duì)TBBPA的去除率為65.06%.說(shuō)明無(wú)論是用河水作為背景溶液還是向養(yǎng)分液體系中增加腐殖酸, 厭氧微生物與Fe-Ni雙金屬資料結(jié)合體系對(duì)TBBPA的去除后果均受到了一定水平的克制.這是因?yàn)? 一方面河水體系成分龐雜, 存在各種無(wú)機(jī)離子及包含腐殖酸在內(nèi)的各種有機(jī)酸.其中常見的NO2-、NO3-及Cl-等陰離子及腐殖酸等有機(jī)酸均會(huì)與零價(jià)鐵產(chǎn)生氧化還原反應(yīng), 與TBBPA競(jìng)爭(zhēng)Fe-Ni雙金屬資料的名義活性位點(diǎn), 從而降落資料對(duì)TBBPA的脫溴效力跟速率(Doong and Lai, 2006;Devlin and Allin, 2005;Xie and Shang, 2007);另一方面, 成分龐雜的河水體系及增加的腐殖酸體系對(duì)微生物的活性可能存在一定的克制造用, 從而降落微生物對(duì)TBBPA的降解效力跟速率.
不同底液前提下TBBPA的去除情況 (a.養(yǎng)分液, b.河水, c.腐殖酸)
4 論斷(Conclusions)
本研究探討了厭氧微生物與Fe-Ni雙金屬資料結(jié)合對(duì)TBBPA的去除.結(jié)果顯示結(jié)合體系較單獨(dú)的厭氧微生物及單獨(dú)的Fe-Ni雙金屬資料去除TBBPA有更高的去除率, 同時(shí)其TBBPA去除進(jìn)程合乎一級(jí)能源學(xué)模型.其次, 響應(yīng)面剖析法明白了TBBPA的最佳去除前提.最后, 受不同背景溶液的影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 天然水體前提或增加腐殖酸煩擾情況下, 均會(huì)造成厭氧微生物與Fe-Ni雙金屬結(jié)合體系對(duì)TBBPA去除率一定水平的降落.
