CN103523932B - 生物联合光催化复合降解液态体系在降解苯酚废水中的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种生物联合光催化复合降解液态体系在降解苯酚废水中的应用，包括以下步骤：将初始苯酚废水加入至生物联合光催化复合降解液态体系中，在光照条件下，恒温振荡处理，即完成对体系中苯酚废水的降解。本发明是将生物降解与光催化降解相结合同时降解苯酚废水，具有处理效率高、处理工艺简单、操作方便、成本低等优点。
Description
技术领域
本发明涉及酚类废水处理领域，具体涉及生物联合光催化复合降解液态体系在降解苯酚废水中的应用。
背景技术
含酚废水主要来自焦化厂、煤气厂、石油化工厂、绝缘材料厂等工业部门以及石油裂解制乙烯、合成苯酚、聚酰胺纤维、合成燃料、有机农药和酚醛树脂等生产过程。含酚废水中主要含有酚基化合物如苯酚、甲酚、二甲酚和硝基酚甲酚等，它是水体的重要污染物之一。酚类化合物是一种原生质毒物，对所有生物活性体均能产生毒性，可通过与皮肤、粘膜的接触不经肝脏解毒直接进入血液循环，致使细胞破坏并失去活力，也可通过口腔侵入人体，造成细胞损伤。高浓度的酚液能使蛋白质凝固，并能继续向体内渗透，引起深部组织损伤，坏死乃至全身中毒，即使是低浓度的酚液也可使蛋白质变性。人如果长期饮用被酚污染的水能引起慢性中毒，出现贫血、头昏、记忆力衰退以及各种神经系统的疾病，严重的会引起死亡。酚和其它有害物质相互作用产生协同效应，变得更加有害，促进致癌化。含酚废水不仅对人类健康带来严重威胁，也对动植物产生危害，破坏生态平衡。酚类废水对我们生活的各方面都有很大的影响，酚类废水处理的问题变得更加复杂和迫切。
苯酚是含酚废水中典型的有机污染物之一，苯酚是最简单的酚类有机物，有毒，有腐蚀性，苯酚是一种常见的化学品，是生产某些树脂、杀菌剂、防腐剂以及药物（如阿司匹林）的重要原料。苯酚对皮肤、粘膜有强烈的腐蚀作用，也可抑制中枢神经系统或损害肝、肾功能。美国国家环保局（EPA）制定的关于酚的标准指出，在苯酚的浓度超过2.56mg/L时，会对淡水水生生物产生慢性毒性；3.5mg/L苯酚含量是该类化合物对人体产生危害的最低浓度。
由于含酚废水的组成、酸碱性以及浓度的不同，治理方法也不一样，目前工业上治理含酚废水的方法一般分为物化法、化学法、生化法等三大类。生化法是应用较普遍的含酚废水处理技术，它主要是利用微生物的新陈代谢作用，降解水中的酚类化合物，将其转化为无机物以实现无害化的目的，生化法中主要以活性污泥法的处理效果较好，但一般难达到处理要求。化学法中的光催化法是国内新开发的一种处理含酚废水的技术，光催化法主要是处理共缩聚法回收树脂后的低浓度的含酚废水，在其中加入光催化剂，用光照射（紫外光或阳光）然后加热搅拌通空气两小时后取样测定，含酚量达到排放标准后即可停止反应；利用TiO2等半导体为光催化剂能彻底降解苯酚等有机物，但其要以紫外光激发才能产生·OH氧化有机物，而且使用TiO2超细微粉作催化剂，给污水处理后期的催化剂分离回收带来了极大的不便，因而限制了该技术的工业化应用。并且现有技术中，光催化降解废水基本都需要在紫外光照射或H2O2等氧化剂存在的条件下进行，因此增加了反应成本。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种处理效率高、处理工艺简单、操作方便、处理成本低的生物联合光催化复合降解液态体系在降解苯酚废水中的应用。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种生物联合光催化复合降解液态体系降解苯酚废水的应用，包括以下步骤：将初始苯酚废水加入至生物联合光催化复合降解液态体系中，在光照条件下，恒温振荡处理，即完成对体系中苯酚废水的降解。
作为本发明的进一步改进，
所述生物联合光催化复合降解液态体系包括由微生物降解剂和光催化剂组成的混合液。
所述微生物降解剂为黄孢原毛平革菌（Phanerochaete chrysosporium），所述光催化剂由Fe3O4纳米粒子和黄孢原毛平革菌代谢产生的草酸组成。
所述草酸的摩尔浓度为24.45mmol/L～27.35mmol/L。
所述振荡处理转速为120r/min～150r/min，温度为30℃～37℃，时间为1d～5d。
所述振荡处理的时间优选为3d。
所述振荡处理的光照条件的光源为普通日光灯。
所述初始苯酚废水加入至生物联合光催化复合降解液态体系后体系中的苯酚废水的浓度为20mg/L～120mg/L。
本发明的上述生物联合光催化复合降解液态体系的制备方法，包括以下步骤：
在无菌环境下，将黄孢原毛平革菌孢子悬浮液接种到由Fe3O4纳米悬浮液与液体培养基组成的无菌混合液中，将无菌混合液在光照下振荡培养，得生物联合光催化复合降解液态体系；所述黄孢原毛平革菌孢子悬浮液的接种量为每100ml无菌混合液中接种黄孢原毛平革菌孢子悬浮液2ml～3ml。
所述Fe3O4纳米悬浮液的制备方法为，将FeCl3·6H2O和FeSO4·7H2O与质量分数为38%的浓盐酸混合后加入至去氧超纯水中得到酸性铁盐溶液，其中，Fe3+、Fe2+和浓盐酸的摩尔比为1.8～2∶1∶1，将酸性铁盐溶液逐滴滴加至1.5mol/L的NaOH溶液中，酸性铁盐溶液与NaOH溶液的体积比为1∶5～6，于70℃～80℃下非磁性搅拌30min～45min后自然沉降，去除上层清液得沉淀物并洗涤，将沉淀物重新分散于150ml～200ml去氧超纯水中，即制备得到Fe3O4纳米悬浮液。
所述无菌混合液的制备方法为，将Fe3O4纳米悬浮液添加到含吐温80，pH=4.5～5.5的液体培养基中，每100ml液体培养基中加入0.359ml～5.667ml Fe3O4纳米悬浮液，于105℃～115℃下灭菌30min～45min，再于无菌条件下冷却30min～60min后制得；所述Fe3O4纳米悬浮液的浓度为20.97mg/ml～27.97mg/ml，所述液体培养基中吐温80的体积分数为0.05%～1.0%。
所述的黄孢原毛平革菌孢子悬浮液的制备方法为，将保存于4℃的土豆蔗糖斜面培养基中培养5d～7d的黄孢原毛平革菌菌种，于28℃～30℃活化18h～24h备用，在无菌条件下将活化后的黄孢原毛平革菌菌种转移至灭菌后的超纯水中混合均匀，即得黄孢原毛平革菌孢子悬浮液，调节浊度至16%，所述黄孢原毛平革菌孢子悬浮液中孢子浓度为5.33×105个/ml。
所述振荡培养的温度为30℃～37℃，转速为120r/min～150r/min，时间为2d～3d，所述光照的条件为日光灯。
所述液体培养基为Kirk液体培养基。
本发明所述的Kirk液体培养基组分为：培养基基础溶液（L-1）为：KH2PO42.0g，MgSO4·7H2O0.71g，维生素B10.01g，酒石酸铵0.2g，葡萄糖10g，微量元素液100ml，缓冲溶液为20mmol/L的酒石酸钠缓冲液；微量元素液成分（L-1）为：NaCl1.0g，CoCl2·6H2O0.18g，Na2MoO4·2H2O0.01g，ZnSO4·7H2O0.1g，CaCl20.1g，CuSO4·5H2O0.01g，MnSO4·H2O0.5g，FeSO4·7H2O0.1g，AlK(SO4)2·12H2O0.01g，MgSO4·7H2O3.0g，H3BO30.01g，甘氨酸1.5g。
本发明的草酸摩尔浓度是根据草酸根与三价钛离子可形成黄色配合物，且溶液颜色随草酸浓度的增加而加深，吸光度值随草酸浓度的增加而呈线性增加的原理，用紫外-可见分光光度计来确定草酸用三氯化钛显色后在400nm处的吸光度而计算得到。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明的生物联合光催化复合降解液态体系可应用于苯酚废水的降解过程中，并且能有效降解苯酚废水，具体是将苯酚废水加入至生物联合光催化复合降解液态体系中，通过生物降解和光催化降解联合降解苯酚废水，处理过程操作简单，处理成本低。黄孢原毛平革菌可依靠其胞外过氧化物酶（木质素过氧化物酶LiP和锰过氧化物酶MnP）的催化来降解污染物；在光照下Fe3O4纳米粒子与黄孢原毛平革菌生长过程中分泌的草酸共存时可建立类光Fenton体系，形成一种光催化剂，相比传统光催化工艺，在普通日光灯照射、不加H2O2的情况下即可产生羟基自由基（·OH）氧化降解苯酚有机物，羟基自由基具有较高的氧化还原电位，能无选择地将水中难降解的污染物氧化为H2O、CO2和N2等无机小分子。同时，在苯酚的催化氧化过程中，还可产生草酸，提高对苯酚的去除率，有效去除废水中的苯酚，对苯酚的去除率达到90%以上，在处理含酚废水中有广阔的应用前景。
光催化降解过程中·OH产生的反应方程式如下：
C2O4·-→CO2+CO2·- (4)
CO2·-+O2→CO2+O2·- (5)
O2·-+Fe3+→Fe2++O2 (6)
O2·-+nH++Fe2+→Fe3++H2O2 (7)
Fe2++H2O2→Fe3++OH-+·OH (8)
本发明的生物联合光催化复合降解液态体系包括由微生物降解剂和光催化剂组成的同时具有生物降解和光催化降解作用的混合液，微生物降解剂为黄孢原毛平革菌，光催化剂是由Fe3O4纳米粒子和黄孢原毛平革菌代谢产生的草酸组成，Fe3O4纳米粒子不仅游离于体系中，还包裹于黄孢原毛平革菌外表面，结构特殊、能稳定存在。本发明的生物联合光催化复合降解液态体系的制备方法简单，原料配比科学合理、成本低廉、设备简单、投资少、处理工艺简便、易操作、运行费用低。生物联合光催化复合降解液态体系中的草酸是由黄孢原毛平革菌代谢过程中分泌产生的，草酸摩尔浓度为24.45mmol/L～27.35mmol/L，本发明利用了体系中微生物的代谢产物草酸，降低了制备成本。并且在制备过程中，光照下振荡培养过程时间短，只需要2d～3d，制备过程中原料用量少，每100ml无菌混合液中只需接种黄孢原毛平革菌孢子悬浮液2ml～3ml。
本发明中的黄孢原毛平革菌（BKMF-1767）购自于中国典型培养物保藏中心（CCTCC），保藏号为：CCTCC AF96007，黄孢原毛平革菌的菌种转接保藏在土豆蔗糖斜面培养基上。
附图说明：
图1为实施例1中光照和黑暗条件对苯酚的去除率影响的曲线图。
图2为实施例2中不同体系对苯酚的去除率影响的柱状图。
图3为本实施例5制备的生物联合光催化复合降解液态体系照片。
图4为本实施例5负载Fe3O4纳米粒子后黄孢原毛平革菌的照片。
图5为本实施例5制备的生物联合光催化复合降解液态体系示意图。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
本发明的生物联合光催化复合降解液态体系是由微生物降解剂和光催化剂组成的同时具有生物降解和光催化降解作用的混合液，微生物降解剂为黄孢原毛平革菌，光催化剂是由Fe3O4纳米粒子和黄孢原毛平革菌代谢产生的草酸组成，草酸的摩尔浓度为24.45mmol/L～27.35mmol/L。本发明中的黄孢原毛平革菌（BKMF-1767）购自于中国典型培养物保藏中心（CCTCC），保藏号为：CCTCC AF96007，黄孢原毛平革菌的菌种转接保藏在土豆蔗糖斜面培养基上。本发明的生物联合光催化复合降解液态体系能有效的通过微生物降解和光催化降解作用联合降解苯酚废水。
实施例1：生物联合光催化复合降解液态体系在降解苯酚废水中的应用。
在100ml的生物联合光催化复合降解液态体系中加入6.383ml，苯酚浓度为1000mg/L的初始苯酚废水，即体系中苯酚废水的浓度为60mg/L，分别于光照条件和黑暗条件下恒温振荡处理5d，振荡温度为30℃，转速为150r/min，即完成降解。光照条件下的光源为普通日光灯，每24h取一次样，利用紫外分光光度计测定溶液中剩余的苯酚含量，并计算苯酚的去除率，结果如图1所示。
结果表明，由图1可知，恒温振荡处理5d后，苯酚基本已完全降解。在光照条件下，处理3d后苯酚的去除率已趋于稳定，光照条件较黑暗条件对苯酚的去除速率快，去除率高，且大大缩短了处理时间。
实施例2：生物联合光催化复合降解液态体系在降解苯酚废水中的应用。
分别在100ml含Fe3O4纳米粒子的水溶液、生物联合光催化复合降解液态体系及Fe3O4纳米粒子-草酸的混合液三组体系中加入13.636ml，浓度为1000mg/L的初始苯酚废水，即体系中苯酚废水的浓度为120mg/L。含Fe3O4纳米粒子的水溶液中Fe3O4纳米粒子的浓度为0.5g/L，Fe3O4纳米粒子-草酸混合液中Fe3O4纳米粒子的浓度为0.5g/L、草酸摩尔浓度为4.545mmol/L。将上述三组体系于光照，37℃，150r/min条件下恒温振荡处理3d，即完成降解。每24h取一次样，利用紫外分光光度计测定溶液中剩余的苯酚含量，并计算苯酚的去除率，结果如图2所示。
结果表明，由图2可知，振荡处理3d后，生物联合光催化复合降解液态体系对苯酚的去除率为98.77%，明显高于其他两组体系对体系中苯酚废水的去除率。说明本发明的生物联合光催化复合降解液态体系相比单纯的光催化剂能有效降解体系中的苯酚废水。
实施例3：生物联合光催化复合降解液态体系在降解苯酚废水中的应用。
分别向100ml Fe3O4纳米粒子的水溶液、无Fe3O4纳米粒子的培养基、Fe3O4纳米粒子-草酸的混合液及生物联合光催化复合降解液态体系四组体系中加入6.383ml，浓度为1000mg/L的初始苯酚废水，即四组体系中苯酚度均为60mg/L。Fe3O4纳米粒子的水溶液中Fe3O4纳米粒子的浓度为0.5g/L；无Fe3O4纳米粒子的培养基为接种了2ml孢子浓度为5.33×105个/ml的黄孢原毛平革菌孢子悬浮液的Kirk液体培养基；Fe3O4纳米粒子-草酸混合液中Fe3O4纳米粒子的浓度为0.5g/L、草酸摩尔浓度为4.545mmol/L。将以上加入苯酚废水的四组体系于光照，30℃，150r/min的条件下振荡3d，即完成苯酚废水的处理。然后再利用紫外分光光度计测定处理后溶液中苯酚的含量，并计算苯酚的去除率，结果如表1所述。
结果表明，由表1可知，Fe3O4纳米粒子-草酸混合液相比Fe3O4纳米粒子对苯酚废水的去除率更高，说明草酸与Fe3O4纳米粒子结合后形成的光催化剂能更好的降解体系中的苯酚。生物联合光催化复合降解液态体系降解苯酚废水时，去除率达到了93.41%，明显更高于其他三组体系对苯酚的去除率，说明生物联合光催化复合降解液态体系通过微生物降解和光催化降解协同处理苯酚废水，明显优于单一的微生物降解或光催化降解，能有效去除体系中的苯酚。
表1不同体系对苯酚去除率的影响
| 体系 | 去除率（%） |
| Fe3O4纳米粒子的水溶液 | 4.40 |
| 接种后的Kirk液体培养基 | 41.20 |
| Fe3O4纳米粒子-草酸混合液 | 14.33 |
| 生物联合光催化复合降解液态体系 | 93.41 |
实施例4：生物联合光催化复合降解液态体系在降解苯酚废水中的应用。
分别在100mL生物联合光催化复合降解液态体系中加入苯酚浓度为1000mg/L的初始苯酚废水2.041ml、4.167ml、6.383ml、8.696ml、11.111ml、13.636ml，即体系中苯酚初始浓度分别为20mg/L、40mg/L、60mg/L、80mg/L、100mg/L、120mg/L，在光照、37℃、150r/min下恒温振荡处理3d，即完成降解。再利用紫外分光光度计测定处理后溶液中剩余的苯酚含量，并计算生物联合光催化复合降解液态体系对苯酚的去除率，结果如表2所示。
结果表明，由表2可知，当初始苯酚浓度较低时，随着苯酚浓度的增加，生物联合光催化复合降解液态体系对含酚废水的去除率有逐渐升高的趋势，去除率均高于85%，最高可达98.77%。
表2体系中不同苯酚初始浓度对苯酚去除率的影响
| 苯酚浓度（mg/L） | 20 | 40 | 60 | 80 | 100 | 120 |
| 去除率（%） | 85.81 | 94.47 | 96.24 | 98.12 | 98.36 | 98.77 |
实施例5：生物联合光催化复合降解液态体系的制备方法。
（1）、Fe3O4纳米悬浮液的制备：将9.7936g FeCl3·6H2O和5.5980g FeSO4·7H2O与1.6775ml浓度为12mol/L的浓盐酸混合后加入至50ml去氧超纯水中得到酸性铁盐溶液，称取18g固体NaOH溶解于300ml去氧超纯水中，将上述酸性铁盐溶液逐滴滴加至NaOH溶液中，于70℃下非磁性搅拌30min后自然沉降，去除上层清液得沉淀物，将沉淀物再经去氧超纯水洗涤后，重新分散于150ml去氧超纯水中，即得浓度为27.97mg/ml的Fe3O4纳米悬浮液；
（2）、黄孢原毛平革菌孢子悬浮液的制备：将保存于4℃土豆蔗糖斜面培养基中培养7d的黄孢原毛平革菌菌种转移至30℃恒温恒湿培养箱中活化24h备用，将超纯水于115℃灭菌30min后于紫外灯照射下冷却至常温，然后在无菌条件下用灭菌过的棉签沾取活化后的黄孢原毛平革菌菌种转移至灭菌后的超纯水中混合均匀，即得黄孢原毛平革菌孢子悬浮液，调节浊度至16%，黄孢原毛平革菌孢子悬浮液的孢子浓度为5.33×105个/ml；
（3）、Fe3O4纳米悬浮液与Kirk液体培养基组成的无菌混合液的制备：将0.359ml浓度为27.97mg/ml的Fe3O4纳米悬浮液添加到100ml，pH=4.5，含0.05ml吐温80的Kirk液体培养基中，于115℃下灭菌30min，再于无菌条件下冷却60min后得到Fe3O4纳米悬浮液与Kirk液体培养基的无菌混合液；
（4）、生物联合光催化复合降解液态体系的制备：在无菌环境下，将2ml孢子浓度为5.33×105个/ml的黄孢原毛平革菌孢子悬浮液接种到100ml Fe3O4纳米悬浮液与Kirk液体培养基的无菌混合液，然后在8W的YZ08-T5三基色日光灯管灯照射下，于30℃，150r/min条件下恒温振荡培养3d，即得生物联合光催化复合降解液态体系，如图3、图4所示，图5为生物联合光催化复合降解液态体系的示意图。
结果表明，由图3、图4和图5可知，本实施例制得的生物联合光催化复合降解液态体系包括由微生物降解剂和光催化剂组成的同时具有微生物降解和光催化降解作用的混合液，微生物降解剂为黄孢原毛平革菌，光催化剂由Fe3O4纳米粒子和黄孢原毛平革菌代谢产生的草酸组成，草酸摩尔浓度为24.45mmol/L～27.35mmol/L。
实施例6：生物联合光催化复合降解液态体系的制备方法及处理苯酚废水的应用。
Fe3O4纳米悬浮液与Kirk液体培养基组成的无菌混合液的制备过程中，分别向六组100mlKirk液体培养基中加入浓度为27.97mg/ml的Fe3O4纳米悬浮液0.359ml、1.084ml、1.820ml、2.567ml、3.708ml、5.667ml，即Fe3O4纳米粒子相对于无菌混合液的浓度分别为0.1g/L、0.3g/L、0.5g/L、0.7g/L、1.0g/L、1.5g/L，其他制备步骤与实施例5一致。向制备得到的不同Fe3O4纳米粒子浓度的生物联合光催化复合降解液态体系中加入6.383ml，浓度为1000mg/L的初始苯酚废水，即六组生物联合光催化复合降解液态体系中苯酚浓度均为60mg/L，并于30℃，150r/min，光照和黑暗条件下分别振荡培养3d，即完成降解。然后取样，利用紫外分光光度计测定溶液中剩余的苯酚含量，并计算苯酚的去除率，结果见下表3。
结果表明，光照下，生物联合光催化复合降解液态体系中Fe3O4纳米粒子浓度为0.5g/L时，苯酚的去除率最高，为93.41%，Fe3O4纳米粒子浓度过高或过低都不利于苯酚的去除。此外，表3中光照条件下苯酚的去除率明显高于黑暗条件下的去除率，这主要是由于黑暗条件下复合体系主要是利用生物的吸附和生物降解作用来处理苯酚废水，而光照条件下该复合体系还可有效利用Fe3O4纳米粒子-草酸结合形成的光催化剂进行光催化降解处理，说明光照条件下生物联合光催化复合降解液态体系主要是通过微生物降解和光催化降解作用协同处理苯酚废水。
表3在光照和黑暗条件下不同Fe3O4纳米粒子浓度的生物联合光催化复合降解液态体系对苯酚废水去除率的影响
| Fe3O4纳米粒子浓度（g/L） | 光照下去除率（%） | 黑暗下去除率（%） |
| 0.1 | 65.78 | 12.82 |
| 0.3 | 67.00 | 27.58 |
| 0.5 | 93.41 | 30.61 |
| 0.7 | 43.26 | 40.36 |
| 1.0 | 32.16 | 28.45 |
| 1.5 | 35.80 | 23.75 |
Claims (5)
1.一种生物联合光催化复合降解液态体系在降解苯酚废水中的应用，其特征在于包括以下步骤：将初始苯酚废水加入至生物联合光催化复合降解液态体系中，在光照条件下，恒温振荡处理，即完成对体系中苯酚废水的降解；
所述生物联合光催化复合降解液态体系包括由微生物降解剂和光催化剂组成的混合液；
所述微生物降解剂为黄孢原毛平革菌（Phanerochaete chrysosporium），所述光催化剂由Fe3O4纳米粒子和黄孢原毛平革菌代谢产生的草酸组成；
所述振荡处理的光照条件的光源为普通日光灯。
2.根据权利要求1所述的生物联合光催化复合降解液态体系在降解苯酚废水中的应用，其特征在于：所述草酸的摩尔浓度为24.45 mmol/L～27.35mmol/L。
3.根据权利要求1或2所述的生物联合光催化复合降解液态体系在降解苯酚废水中的应用，其特征在于：所述振荡处理转速为120r/min～150r/min，温度为30℃～37℃，时间为1d～5d。
4.根据权利要求3所述的生物联合光催化复合降解液态体系在降解苯酚废水中的应用，其特征在于：所述振荡处理的时间优选为3d。
5.根据权利要求1或2所述的生物联合光催化复合降解液态体系在降解苯酚废水中的应用，其特征在于：所述初始苯酚废水加入至生物联合光催化复合降解液态体系后体系中的苯酚废水的浓度为20mg/L～120mg/L。
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| 王磊等.以光催化氧化与生物降解一体式反应器处理苯酚的研究.《上海师范大学学报(自然科学版)》.2009,第38卷(第3期),摘要及1.6.3光催化氧化与生物降解同步降解苯酚. * |
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