CN109652389A - 利用漆酶处理印染废水的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种利用漆酶处理印染废水的方法，可以处理连续流出的印染废水，包括以下步骤：漆酶固定化和利用连续流动填充床固定化漆酶反应器进行废水处理；一共提供了三种方法制备固定化漆酶，分别是活性炭颗粒固定化、树脂固定化和环氧化PVA固定化法，利用得到的固定化漆酶处理印染厂排出的印染废水。本发明所述方法处理印染废水，脱色率可达72%以上，COD去除率高于50%，并且可降低废水毒性。
Description
技术领域
本发明涉及白腐真菌漆酶在印染废水处理方面的应用，属于固定化技术领域和废水处理领域。
背景技术
我国是纺织业大国，在纺织工业中会产生各种废水，尤其是印染废水，占工业废水总排放量的1/10。我国每年约有6.5亿吨的印染废水被排出，其中含有大量的残留染料、油剂、化学助剂、重金属离子和有毒物质，且化学需氧量高、色度高、成分复杂、可生化性差，有些染料及其代谢产物可能有致畸、致癌、致突作用，对生态环境和人类健康造成严重的危害，是当前最主要的水体污染源之一，因此治理印染废水成为一个迫切需要解决的问题。过去的研究中，用于处理印染废水的方法有很多，如絮凝沉淀法、吸附法、膜分离法、高级氧化法、活性污泥法等。常规物理化学法往往不能有效去除致突变物，甚至可能产生毒性更强的副产物。生物酶法被认为是一种二次污染小，环境友好的处理方法。其中，漆酶对印染废水的脱色、脱毒处理广受关注。
漆酶（EC1.10.3.2）属于含铜氧化酶家族，广泛分布于细菌，真菌和植物中。漆酶具有较宽的底物谱，可以氧化多种酚类及非酚类化合物，且仅使用氧作为最终的电子受体，是一种高效、绿色环保的生物催化剂。另外，漆酶的催化效率高、氧化条件温和、能耗低，不需要添加H2O2，不产生二次污染，对多种污染物有脱毒效果，并可提高废水的可生化性，因此在废水处理和生物修复中的潜力巨大。
然而，在大规模应用漆酶时受到了酶的经济性和效率的限制。例如，在实际应用中漆酶容易失活，且处理连续的流出物时，游离漆酶会不断流失。这些阻碍了漆酶在环境修复中的应用，增加了操作成本。酶的固定化被认为是一种可以解决这些限制的方法。固定化酶是指利用物理或者化学的手段固定在载体上或者束缚在一定区域内、同时保持了催化活性、并能连续反应和反复使用的酶制剂。通过固定化，能够提高酶的稳定性、抗逆性、应用效果和可回收性，降低运行成本。酶的固定化方法包括包埋法、吸附法、交联法、共价结合法及这几种方法的组合。不同的固定化方法各有利弊，需要根据实际应用条件与目的进行选择及优化。酶活回收率是反映固定化酶成本的重要指标，同时还需要考虑制备成本、催化效率、酶学性质和使用稳定性等因素。因而，寻找到高效，稳定的固定化载体及固定方法，有助于扩展漆酶在印染废水处理方面的应用。
到目前为止，已有很多将漆酶利用于染料溶液脱色的实验室研究，但是染料溶液成份简单，与印染废水有着本质不同。本发明将漆酶反应器应用于实际印染废水的处理。
发明内容
本发明的目的在于提供利用漆酶对印染污水处理的方法，制备不同形式的漆酶并对污水进行处理，可以处理连续流出的印染废水，脱色率可达72%以上，且COD去除率高于50%，提高了对印染废水的脱色率和降解率。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
1、制备Cerrena sp. HYB07所产漆酶
①对于漆酶发酵，所使用的Cerrena sp. HYB07菌株在马铃薯葡萄糖琼脂平板上培养4天，取周边区域的5个菌丝体块（直径1 cm），接种于50 mL马铃薯葡萄糖肉汤（PDB）种子培养基中，在30 ℃和200 rpm条件下培养2天，得到一级种子培养物；
②以8％（v / v）的比例将一级种子培养物转移到第二个PDB培养基中，在相同条件下再培养2天，得到二级种子培养物；
③按8％（v / v）的比例将二级种子培养物接种到发酵培养基中，培养条件不变，发酵6天后，以8000 g/min离心发酵液并收集。
发酵培养基中含有（1 L）：麦芽糖糊精60 g；蛋白胨10 g；酒石酸铵1.6 g；KH2PO4 6g；MgSO4·7H2O 4.14 g；CaCl2 0.3 g；NaCl 0.18 g；CuSO4·5H2O 0.0625 g；ZnSO4·7H2O0.018 g和维生素B1 0.015 g。
2、固定化漆酶的制备：
（1）活性炭颗粒固定化漆酶的制备
①活性炭颗粒的预处理：将活性炭颗粒过筛以获得0.3-0.5 mm的颗粒，用大量蒸馏水洗涤除去细颗粒，并在100 ℃下干燥24小时后备用。
②吸附：将活性炭颗粒分散在酶活为11-132 U/mL的漆酶粗酶液中，在室温下静置0.5-24 h；
③回收：漆酶与活性炭混合物经固定化处理后，过滤，用蒸馏水多次洗涤，至洗出液检测不到酶活，分别收集上清液和固定化酶。
（2）树脂固定化漆酶的制备
①树脂的预处理：将树脂D380加入无水乙醇中，浸泡12 小时去除树脂中的有机物质，使用蒸馏水反复冲洗，后用浓度为5wt%的盐酸浸泡，去除无机物质，后用大量蒸馏水冲洗，再用2 wt% NaOH溶液浸泡，用蒸馏水冲洗，干燥，其中无水乙醇、HCl和NaOH溶液的液面高度与树脂高度相同。
②载体的制备：将树脂加入0.4wt%-1.4wt%的戊二醛溶液，混合均匀，放入恒温振荡器在20-60 ℃条件下振荡2-10小时，抽滤收集载体，用蒸馏水反复冲洗。将交联后的载体与漆酶和磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲液（pH 3-8）混合，使混合液中漆酶酶活为0.4-16 U/mL，在20 ℃-50 ℃条件下振荡3-8小时，抽滤收集固定化酶和上清液，用蒸馏水洗涤，直至洗出液检测不出酶活。
（3）环氧化PVA固定化漆酶的制备
①载体制备：称取一定质量10 wt%的PVA水溶液，按2：1-20：1 g/mL的质量体积比加入25 wt%戊二醛溶液，用盐酸调节PVA水溶液pH为l-2，搅拌均匀至溶胶态，置于60 ℃水浴中反应3小时。随后将凝胶研碎，用大量蒸馏水冲洗。取PVA颗粒加入环氧氯丙烷和二甲基亚砜，调pH为碱性，在30 ℃-70 ℃条件下恒温振荡3-8小时，用HCl调至中性，再用水洗。
②称取环氧化PVA颗粒，加入漆酶和磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲液（pH 4-9），使混合液中漆酶酶活为0.4-16 U/mL，在20-50 ℃条件下恒温振荡3-8小时，抽滤收集固定化漆酶和上清液，多次洗涤直至洗出液检测不出酶活，低温干燥。
3、印染废水脱色
在烧杯中加入印染废水和pH值为4-8的磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲液，加入固定化漆酶，使其终浓度为0.1-1.5 U/mL，置于20-45 ℃恒温水浴摇床振荡反应0.5-12 h，取反应后上清液进行全波长扫描和化学需氧量测定，计算反应前后的脱色率。
4、连续流动填充床固定化漆酶反应器
①连续流动填充床固定化漆酶反应器的构建：该反应器由集液器，调节流速的蠕动泵和酶反应器组成。酶反应器内填充一定量的活性炭颗粒固定化漆酶、树脂固定化漆酶或环氧化PVA固定化漆酶，反应器的顶部和底部安装片状石英砂以减弱冲击压力，防止固定化酶泄露，外部采用硅胶管连接。
②将待处理印染废水加入集液器装置中，设置流速1-5 mL/min，每隔0.5 h监测一次集液器中印染废水的全波长峰面积，计算脱色率。
5.重铬酸钾法化学需氧量测定
根据国标法（GB 11914-89）测定漆酶降解印染废水前后的化学需氧量（COD）。
6.细胞毒性试验
利用贝博CCK-8细胞增殖-细胞毒性检测试剂盒检测处理前后印染废水细胞毒性，将100 μL人主动脉细胞悬液添加到96孔板，置于37 ℃、5% CO2恒温箱中培养至细胞铺满板底80%，每孔加入10 μL漆酶处理前后的印染废水，以去离子水为对照，在37 ℃、5% CO2恒温箱中培养24 h，之后每孔加入10 μL的CCK-8溶液，放入37 ℃、5% CO2恒温箱中反应4 h，以只含有CCK-8溶液和培养基的孔为空白，在450 nm波长下测吸光值，每组设定5个平行。
本发明的优点在于：（1）本发明提供了简便的利用漆酶处理印染废水的方法，所采用的固定化酶通过自然沉降即分离，分离过程也无需添加任何压力；（2）本发明提供的制备固定化漆酶的制备方法过程简单，可以多次重复利用；（3）对印染废水的处理效果好，有较高的降解能力；（4）可以处理连续流出的印染废水，固定化酶保留率高。
附图说明
图1为循环模式酶反应器流程图a-集液器，b-蠕动泵，c-酶反应器；
图2为利用树脂固定化漆酶处理印染废水全波长扫描图；
图3为利用环氧化PVA固定化漆酶处理印染废水全波长扫描图；
图4为利用活性炭颗粒固定化漆酶处理印染废水全波长扫描图；
图5为活性炭颗粒固定化漆酶填充反应器循环模式三批次脱色结果，A:第一批次进样；B:第二批次进样；C:第三批次进样；数据表示为平均值±标准偏差(n=3)。
具体实施方式
游离漆酶酶活测定方法：采用邻苯二酚为底物，反应体系2.0 mL，其中含0.9 mL0.05 mol/L HAc-NaAc缓冲液、1.0 mL 5 mmol/L 邻苯二酚溶液和100 µL适当稀释的酶液。恒温水浴锅中准确反应一段时间后，测定反应体系在400 nm处吸光值的变化量ΔOD400。以灭活的酶液作为空白。计算公式：游离漆酶酶活力（U/mL）=
式中，N：酶液的稀释倍数；ΔOD400：400 nm处反应体系增加的吸光值；ξ：邻苯二酚在400nm处的氧化态摩尔吸光系数1260 L·mol-1·cm-1；t ：反应时间。
固定化漆酶酶活测定方法：取适量固定化酶加入上述反应体系中，在相同条件下反应，测定在400 nm处吸光度的增加值ΔOD。计算公式：固定化漆酶酶活力（U/g）= ΔOD×V×l03/（ξ×t）/M 0
式中：ΔOD为反应体系在400 nm处吸光度增加值；V为反应体系体积（mL）；ξ为邻苯二酚氧化态的摩尔吸光系数1260 L·mol-1·cm-1；t为反应时间，M 0为固定化酶的质量。
固定化酶活回收率（%）=固定化酶的总活力/加入的酶总活力×100%
固定化率（%）=（加入的酶总活力-上清液的酶总活力）/加入的酶总活力×100%
脱色率用全波长扫描法测定，取固定化漆酶处理前后的印染废水上清液，在波长200~800 nm下进行波长扫描。
脱色率（%）=（1－脱色后全波长扫描的峰面积/脱色前全波长扫描的峰面积）×100%
细胞活力（%）=（加样细胞OD-空白OD）/（对照细胞OD-空白OD）×100%
制备Cerrena sp.HYB07所产漆酶
①对于漆酶发酵，所使用的Cerrena sp.HYB07菌株在马铃薯葡萄糖琼脂平板上培养4天，取周边区域的5个菌丝体块（直径1 cm），接种于50 mL马铃薯葡萄糖肉汤（PDB）种子培养基中，在30 ℃和200 rpm条件下培养2天，得到一级种子培养物；
②以8％（v / v）的比例将一级种子培养物转移到第二个PDB培养基中，在相同条件下再培养2天，得到二级种子培养物；
③按8％（v / v）的比例将二级种子培养物接种到发酵培养基中，培养条件不变，发酵进行6天后，以8000 g/min离心发酵液并收集。
发酵培养基中含有（1 L）：麦芽糖糊精60 g；蛋白胨10 g；酒石酸铵1.6 g；KH2PO4 6g；MgSO4·7H2O 4.14 g；CaCl2 0.3 g；NaCl 0.18 g；CuSO4·5H2O 0.0625 g；ZnSO4·7H2O0.018 g和维生素B1 0.015 g。
实例1 利用树脂固定化漆酶处理印染废水
①树脂的预处理：称取10 g树脂D380，加入无水乙醇中浸泡12小时后使用蒸馏水反复冲洗，然后用浓度为5 wt%的盐酸浸泡12小时，使用大量蒸馏水冲洗，再用2 wt% NaOH溶液浸泡12小时，用蒸馏水冲洗，抽滤收集干燥，其中无水乙醇、HCl和NaOH溶液的液面高度与树脂高度相同。
② 载体的制备：称取1 g树脂，加入20 mL浓度为0.8 wt%戊二醛溶液，混合均匀，放入30 ℃恒温振荡器振荡6小时，蒸馏水反复冲洗。
③酶固定：将交联后的载体，加入漆酶和pH6的磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲液，25 ℃振荡3 h，4 ℃静置，蒸馏水洗涤，干燥，所得固定化酶酶活回收率可以达到32.6%。
④对印染废水进行脱色，在反应体系内加入树脂固定化漆酶，终浓度为0.6 U/mL，10 mL印染废水和90 mL pH5的磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲液，在30 ℃摇床以200 rpm的转速振荡，脱色反应4小时，取上清液，进行全波长扫描（325 nm-800 nm）和化学需氧量（COD）测定，经测定，全波长扫描结果如图2所示，COD检测结果如表1所示，经树脂固定化漆酶处理后，印染废水脱色率为79.6%，COD去除率为58.2%。
实例2 利用环氧化PVA固定化漆酶处理印染废水
①载体制备：称取10 g 10wt%的PVA水溶液，加入3 mL 25wt%戊二醛溶液，用HCl调节PVA水溶液pH为1-2，搅拌均匀至溶胶态，将凝胶放入60 ℃水浴中反应3小时。随后将凝胶研碎，PVA颗粒再经水洗。取PVA颗粒加入环氧氯丙烷和二甲基亚砜，调pH为碱性，60 ℃振荡6小时，用HCl调至中性，再用水洗。
②酶固定：称取1 g环氧化PVA颗粒与磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲液混合，加入游离漆酶，终浓度为4 U/mL（总体积10 mL），在30 ℃条件下振荡，得到固定化漆酶，固定化酶酶活回收率可达28.9%。
③对印染废水进行脱色，在反应体系内加入环氧化PVA固定化漆酶，终浓度为0.4U/mL，10 mL印染废水和90 mL pH5的磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲液，在30 ℃摇床以200 rpm的转速振荡，脱色4小时，取上清液，进行全波长扫描（325 nm~800 nm）和化学需氧量（COD）测定，经测定，全波长扫描结果如图3所示，COD检测结果如表1所示，经环氧化PVA固定化漆酶处理后，印染废水脱色率为73.6%，COD去除率为53.7%。
实例3 利用活性炭颗粒固定化漆酶处理印染废水
①活性炭颗粒的预处理：将活性炭颗粒过筛以获得0.3 mm的颗粒，用大量蒸馏水洗涤除去细颗粒，并在100 ℃下干燥24小时后备用；
②酶固定：称取0.05 g活性炭颗粒分散在1 mL酶活为44 U/mL的漆酶粗酶液中，室温下静置12小时后将混合物过滤，用蒸馏水多次洗涤，至洗出液检测不到酶活，抽滤收集上清液和固定化酶，固定化率为82.6%。
③在试管中分别加入2 mL印染废水和pH值为6的磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲液2 mL，加入活性炭颗粒固定化漆酶，终浓度为0.5 U/mL，置于35 ℃恒温水浴摇床振荡反应12小时，取反应后上清液进行全波长扫描（200 nm-800 nm）和化学需氧量测定，经测定，全波长扫描结果如图4所示，COD检测结果如表1所示，经活性炭颗粒固定化漆酶处理后，印染废水脱色率为77.2%，COD去除率为69.17%。
表1 游离漆酶和固定化漆酶的COD去除率
实例4 利用连续流动填充床活性炭固定化漆酶反应器处理印染废水
①活性炭颗粒的预处理：将活性炭颗粒过筛以获得0.3 mm的颗粒，用大量蒸馏水洗涤除去细颗粒，并在100 ℃下干燥24小时后备用；
②酶固定：称取0.05 g活性炭颗粒分散在1 mL酶活为44 U/mL的漆酶粗酶液中，室温下静置12小时后将混合物过滤，用蒸馏水多次洗涤，至洗出液检测不到酶活，抽滤收集上清液和固定化酶，固定化率为82.6%。
③连续流动填充床固定化漆酶反应器的构建：该反应器由集液器，调节流速的蠕动泵，一个内径1 cm、有效长度10 cm的聚丙烯管酶反应器组成，聚丙烯管酶反应器内填充1g的活性炭颗粒固定化漆酶，聚丙烯管顶部和底部安装片状石英砂以减弱冲击压力和防止固定化酶泄露，外部采用硅胶管连接；
④印染废水脱色：将100 mL印染废水加入集液器装置，设置流速3 mL/min，每隔0.5 h监测一次集液器中印染废水的全波长峰面积，进样三批次，经测定，结果如图5所示，在第一批次降解3 h后，脱色率达到80.18%，第二批次在降解6 h后，脱色率达到81.09%。而第三批次进样降解12 h后，脱色率可达到76.31%。
⑤细胞毒性检测：利用贝博CCK-8细胞增殖-细胞毒性检测试剂盒检测处理前后印染废水细胞毒性，将100 μL人主动脉细胞悬液添加到96孔板，置于37 ℃、5% CO2恒温箱中培养至细胞铺满板底80%，每孔加入10 μL固定化酶处理前后的印染废水，以去离子水为对照，在37 ℃、5% CO2恒温箱中培养24 h，之后每孔加入10 μL的CCK-8溶液，放入37 ℃、5%CO2恒温箱中反应4 h，以只含有CCK-8溶液和培养基的孔为空白，在450 nm波长下测吸光值，每组设定5个平行。结果如表2所示。
表2 印染废水及其降解产物的细胞毒性试验结果
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (7)
1.一种利用漆酶处理印染废水的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）发酵制备漆酶；
（2）固定化漆酶的制备；
（3）利用连续流动填充床固定化漆酶反应器处理印染废水。
2.根据权利要求1所述的利用漆酶处理印染废水的方法，其特征在于，步骤（1）所述的漆酶是由Cerrenasp.HYB07菌株发酵制得的。
3.根据权利要求1所述的利用漆酶处理印染废水的方法，其特征在于，步骤（2）所述的固定化漆酶，包括活性炭颗粒固定化漆酶、树脂固定化漆酶和环氧化PVA固定化漆酶中的一种。
4.根据权利要求3所述的利用漆酶处理印染废水的方法，其特征在于，活性炭颗粒固定化漆酶的制备包括以下步骤：
①活性炭颗粒的预处理：将活性炭颗粒过筛以获得0.3-0.5 mm的颗粒，用大量蒸馏水洗涤除去细颗粒，并在100 ℃下干燥24小时后备用；
②吸附：将活性炭颗粒分散在酶活为11-132 U/mL的漆酶粗酶液中，在室温下静置0.5-24 h；
③回收：漆酶与活性炭混合物经固定化处理后，过滤，用蒸馏水多次洗涤，至洗出液检测不到酶活，分别收集上清液和活性炭颗粒固定化漆酶。
5.根据权利要求3所述的利用漆酶处理印染废水的方法，其特征在于，树脂固定化漆酶的制备包括以下步骤：
①载体的制备：将树脂加入0.4 wt%-1.4 wt%的戊二醛溶液，混合均匀，放入恒温振荡器在20-60 ℃条件下振荡2-10小时，抽滤收集载体，用蒸馏水反复冲洗，将交联后的载体与漆酶和pH3-8磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲液混合，使混合液中漆酶酶活为0.4-16 U/mL，在20℃-50 ℃条件下振荡3-8小时，抽滤收集树脂固定化漆酶和上清液，用蒸馏水洗涤，直至洗出液检测不出酶活。
6.根据权利要求3所述的利用漆酶处理印染废水的方法，其特征在于，环氧化PVA固定化漆酶的制备包括以下步骤：
①载体制备：将10 wt%的PVA水溶液，按2：1-20：1 g/mL的比例加入25 wt%戊二醛溶液，用盐酸调节溶液pH为l-2，搅拌均匀至溶胶态，置于60 ℃水浴中反应3 h，随后将凝胶研碎，用大量蒸馏水冲洗，取PVA颗粒加入环氧氯丙烷和二甲基亚砜，调pH为碱性，在30 ℃-70 ℃条件下恒温振荡3-8小时，用HCl调至中性，再用水洗；
②称取环氧化PVA颗粒，加入漆酶和pH 4-9磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲液，使混合液中漆酶酶活为0.4-16 U/mL，在20 ℃-50 ℃条件下恒温振荡3-8小时，抽滤收集环氧化PVA固定化漆酶和上清液，多次洗涤直至洗出液检测不出酶活，低温干燥。
7.根据权利要求1所述的利用漆酶处理印染废水的方法，其特征在于，步骤（3）所述的利用连续流动填充床固定化漆酶反应器处理印染废水，包括以下步骤：
①连续流动填充床固定化漆酶反应器的构建：该反应器由集液器，调节流速的蠕动泵和酶反应器组成，酶反应器内填充一定量的固定化漆酶；
②将待处理印染废水加入集液器中，设置流速1-5 mL/min。
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2019
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