四溴雙酚A是溴代阻燃劑的典范代表, 因為其精良的阻燃機能跟低廉的價格被普遍利用于產(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, 包含TBBPA在內(nèi)的溴代阻燃劑對環(huán)境跟人類健康造成的影響跟迫害正越來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對動動物細胞深具毒性, 特別對動物顯示出包含甲狀腺激素煩擾、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)境中儲量大, 開采利用本錢低.近年來, 零價鐵已經(jīng)被普遍地用來降解跟去除環(huán)境中的有機及無機沾染物質(zhì), 是一種新興的高效經(jīng)濟修復技巧.與其余物化方法比較, 零價鐵處理法無需耗能且反應(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際利用.Fe-Ni雙金屬顆粒通過增加反應(yīng)名義活性位點進步零價鐵的反應(yīng)活性, 減少產(chǎn)物對資料的腐化以延長鐵的利用壽命, 及加速還原反應(yīng)的進行等方法改良了Fe處理技巧, 并在TBBPA的去除利用方面獲得了重要進展.
微生物在長久性有機沾染物的遷徙轉(zhuǎn)化乃至終極從環(huán)境中消散的進程中占領(lǐng)重要的位置.微生物法作為一種存在普遍實用性的修復技巧, 發(fā)展絕對成熟, 存在經(jīng)濟、高效且降解徹底的上風.在TBBPA的微生物去除方面只管報道了很多研究結(jié)果, 但不管是混淆還是純培養(yǎng)體系, 都存在降解緩慢、周期長等不足.鑒于此, 作為開發(fā)強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技巧結(jié)合, 采取厭氧微生物與Fe-Ni雙金屬結(jié)合體系來強化去除水體中的TBBPA.同時, 對結(jié)合體系的去除后果及其影響前提進行探討, 為TBBPA的去除供給新的思路.
2 資料與方法
實驗采取的微生物來自本實驗室馴化降解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, 并長期供給含TBBPA的進水對反應(yīng)器內(nèi)的微生物菌群進行馴化.對出水中TBBPA的檢測及微生物菌群去除TBBPA的活性顯示, 經(jīng)過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
本實驗進程利用的試劑TBBPA由北京百靈威試劑有限公司生產(chǎn);還原鐵粉及NiCl2試劑購于永大化學試劑有限公司.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.本實驗進程中所利用的河水, 其水質(zhì)經(jīng)實驗室檢測, 結(jié)果如表 1所示.
2.2 實驗方法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100目篩, 稱取1.0 g過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, 通入氮氣5 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氣15 min置換瓶內(nèi)的空氣.避光于恒溫振蕩器中培養(yǎng).每天重復離心、調(diào)換養(yǎng)分液、增加TBBP
A、曝氣等步驟.
2.2.3 批次實驗
為摸索厭氧微生物與Fe-Ni雙金屬資料結(jié)合去除TBBPA的特點跟法則, 設(shè)計批次實驗.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氣置換出空氣, 置于恒溫振蕩箱振蕩, 按期取樣, 取樣進程在厭氧箱內(nèi)操作.每組實驗設(shè)置3個平行實驗.
2.2.4 HPLC剖析
TBBPA濃度的測定采取高效液相色譜法, 高效液相色譜儀.每次取樣1 mL, 過0.22 μm尼龍66有機濾膜于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.高效液相色譜儀檢測器為SPD-20AV, 檢測波長209 nm, 色譜柱采取SHIMADZU VP-ODS C18, 流動相為甲醇/水=90/10, 流速0.8 mL · min-1, 柱溫40 ℃.
2.2.5 統(tǒng)計學剖析
首先, 對批次實驗結(jié)果進舉能源學擬合, 方程式為
式中, c0為初始增加的TBBPA濃度, ct為t時刻對應(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, 以供咱們直觀的抉擇實驗設(shè)計中的最優(yōu)化前提.本實驗利用Design-Expert軟件, 基于Box-Behnken模型設(shè)計樹破響應(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TBBPA去除后果的比較
設(shè)置5組探討不同體系對TBBPA去除后果的實驗, 實驗前提設(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TBBPA的去除效力最高, 6 h內(nèi)達到75.50%.單獨的Fe-Ni雙金屬資料及單獨的活微生物對TBBPA也有一定的去除后果, 去除率分辨可達到60.91%跟59.43%.空白對比組對TBBPA的降解并不明顯, 說明TBBPA的去除確切是因為Fe-Ni雙金屬資料與厭氧活微生物的作用.此外, 滅活微生物對TBBPA的去除率小于10%, 說明厭氧活微生物是通過代謝作用去除TBBPA, 而非吸附作用.
不同反應(yīng)體系對TBBPA的去除后果
對厭氧微生物與Fe-Ni雙金屬資料結(jié)合體系、單獨的厭氧活微生物及單獨的Fe-Ni雙金屬資料3組實驗結(jié)果進行一級能源學擬合, 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, 說明降解進程合乎一級能源學模型.單獨的Fe-Ni雙金屬資料及單獨的活微生物對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, 分辨是2.06 h跟1.96 h.而當兩者結(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.說明厭氧微生物與Fe-Ni雙金屬資料結(jié)合對TBBPA的去除存在明顯的增進作用.
不同體系中的去除TBBPA能源學擬合 (e.活菌+資料, d.單獨資料, b.單獨活菌)
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, 摸索其對厭氧微生物與Fe-Ni雙金屬資料結(jié)合體系對TBBPA去除率的影響, 實驗因素及水平如表 3所示.Fe-Ni雙金屬資料投加量的準備實驗顯示, 在10~100 mg · L-1內(nèi)投加量的增加多少乎不再增進去除率的升高, 故表中不含F(xiàn)e-Ni雙金屬資料投加量.依據(jù)Box- Benhnke的中心組合實驗設(shè)計原理, 進行三因素三水平共17組的響應(yīng)面剖析實驗, 實驗設(shè)計矩陣及結(jié)果如表 4所示.經(jīng)回歸擬合后, 實驗因子對響應(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.
通過方差剖析對方程的統(tǒng)計學意思進行評估(表 5), 模型的F值為889, 象征著此模型明顯可行, 且因為煩擾導致模型F值變大的可能性小于0.1%, 也就是說模型(式
(2))不明顯的擬合誤差.此模型的失擬項不明顯其p值為0.0641(p>0.05), 說明該模型對TBBPA的最大去除率的料想是可托的.在此實驗中, X1(p<0.0001), X3(p<0.0001)說明接菌量跟TBBPA初始濃度對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)說明該兩個因素互動水平最大.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)化實驗, 響應(yīng)面剖析法可能更加經(jīng)濟快捷的獲取實驗結(jié)果(Dritsa et al., 2009).該方法通常是通過繪制響應(yīng)面曲線(即回歸模型的圖形表示情勢)來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TBBPA去除率的影響, 其中X3(TBBPA初始濃度)為常量(即堅持零水平值).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, 29 ℃時TBBPA的去除率最大.這是因為溫度對微生物的活性存在一定影響, 溫度過高或過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)面曲線及對應(yīng)等高線圖
c, 3d為X1(初始接菌量)跟X3(初始TBBPA濃度)對TBBPA去除率的影響, 其中X2(溫度)為常量(即堅持零水平值).當初始接菌量進步時, 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.誠然初始TBBPA濃度的增加會克制微生物的活性, 增大其延滯時光(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)備為使污水達到排入某一水體或再次使用的水質(zhì)要求對其進行凈化的過程。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、餐飲等各個領(lǐng)域，也越來越多地走進尋常百姓的日常生活。
e, 3f為X2(溫度)跟X3(初始TBBPA濃度)對TBBPA去除率的影響, 其中X1(初始接菌量)為常量(即堅持零水平值).與
A、3
B、3c, 3d反應(yīng)一致, 溫度過高或過低均不利于反應(yīng)的進行, 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步TBBPA的去除率.
依據(jù)響應(yīng)面實驗結(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, TBBPA的去除率最大, 達到77.41%.
3.2.3 最優(yōu)前提驗證
依據(jù)響應(yīng)面實驗得到的最佳TBBPA的去除前提進行實驗, 同時檢測溴離子的開釋量.實驗結(jié)果如所示, 6 h TBBPA的去除率達到78.51%, 與響應(yīng)面料想結(jié)果相符, 進一步說明本次響應(yīng)面剖析方法堅固.此外, 隨著TBBPA的去除, 水體中溴離子的含量逐步增加, 說明TBBPA去除進程確切存在脫溴反應(yīng).
TBBPA去除率驗證明驗 (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), 會對資料及微生物去除目標沾染物產(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組實驗, 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).
實驗結(jié)果如所示, 養(yǎng)分液組(A)去除后果最好, 去除率為75.5%;河水實驗組(B)6 h對TBBPA的去除率為61.66%;增加腐殖酸的養(yǎng)分液實驗組(C)6 h對TBBPA的去除率為65.06%.說明無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TBBPA的去除后果均受到了一定水平的克制.這是因為, 一方面河水體系成分龐雜, 存在各種無機離子及包含腐殖酸在內(nèi)的各種有機酸.其中常見的NO2-、NO3-及Cl-等陰離子及腐殖酸等有機酸均會與零價鐵產(chǎn)生氧化還原反應(yīng), 與TBBPA競爭Fe-Ni雙金屬資料的名義活性位點, 從而降落資料對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TBBPA的去除.結(jié)果顯示結(jié)合體系較單獨的厭氧微生物及單獨的Fe-Ni雙金屬資料去除TBBPA有更高的去除率, 同時其TBBPA去除進程合乎一級能源學模型.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驗結(jié)果表明, 天然水體前提或增加腐殖酸煩擾情況下, 均會造成厭氧微生物與Fe-Ni雙金屬結(jié)合體系對TBBPA去除率一定水平的降落.
