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铬复合染料的生物修复及修复过程中产生的污泥的处理

摘要

人工合成溶液和实际工业废水中铬复合染料的生物修复是使用在分批和连续生物反应器中生长的曲霉菌（Aspergillus tamarii）进行的。以酸性棕45和酸性蓝158染料为原料的合成溶液（100 mg／L），在批处理条件下，得到了最大去除率（90.00 plusmn; 0.20 and 74.00 plusmn; 0.10%）和铬（94.00 plusmn; 0.10 and 77.50 plusmn; 0.10%）。 使用响应面法（RSM）进行工艺参数（如染料初始浓度，pH和时间）的优化，。通过TEM和GC-MS分析生物修复过程中染料的生物吸附，生物累积和生物降解。在220h HRT下，使用酸性棕45和酸性蓝158染料的溶液（100mg / L），分别在连续模式下，获得最大脱色率（64.50plusmn;0.10和45.00plusmn;0.10％）和铬（67.00plusmn;0.10和49.00plusmn;0.10％ 。以实际工业废水为例，在间歇和连续两种模式下分别去除了0.10%（86.00plusmn;0.1 0.10和65.00plusmn; 0.20%）和Cr（100.00 plusmn; 0.10 和81.00 plusmn; 0.10%）。 与积极生长的生物相比，使用解吸和死生物只能获得较低的去除值。使用鹰咀豆的种子进行植物毒性试验，以检查生物修复前后染料溶液的毒性作用。 残留物的厌氧消化（染料生物修复后）表明，第16天甲烷产量最高，达41.00plusmn;0.20％。

1.简介

在纺织和皮革工业中，各种金属络合染料（铬，钴，铜和镍复合染料）是广泛使用的着色剂（Aksu和Balibek，2010; Li和Guthrie，2010）。这些行业排放的污水存在与重金属有关的合成染料，因而会对环境，植物和动物造成致命的毒害（Akar和Tunali，2006; Ghosh and Das，2014，2015a）。有许多物理化学技术用于处理染料和金属污染的污水，但是却有很多缺点（Jia et al。，2002; Deng et al。，2003; Sheng et al。，2004; Banerjee and Dastidar， 2005; Malaviya and Rathore，2007）。各种微生物（细菌，藻类，真菌，酵母等）从水溶液中分别除去不同的重金属和染料的方法已见报导（Saǧ和Kutsal，2000; Mehta和Gaur，2001; Wang and Chen，2006; Bishnoi et al。，2007; Chhabra et al。，2008; Ranjusha et al。，2010; Sinha et al。，2012）。然而，用微生物从金属络合物染料的合成溶液中同时去除金属和染料的报导却很少（Kalpana等，2011）。微生物污染物的生物修复通常通过生物吸附，生物降解和生物蓄积进行（Dursun等，2003; Yadav等，2012; Carro et al。，2013）。细胞壁上的官能团如羧基，胺，羟基，磷酸酯和巯基，负责结合细胞表面的污染物（Ghosh等，2015b）。 与其他微生物相比，真菌对染料和金属具有更高的抗性，更高的表面积和更高的生物量产量（Kalpana等，2011）。并且由于存在各种氧化还原酶（过氧化物酶，锰过氧化物酶，木质素过氧化物酶和漆酶），真菌对染料的生物降解是高效的（Anastasi等人，2010; Ghosh等人，2015b）。此外，在一些条件下，染料生物降解后形成的复合物似乎是非常有毒的（Phugare等人，2011; Kabra等，2011）。 因此，需要深入研究真菌的金属络合染料的生物修复。

此外，为了减少常规分批过程中的重复实验，减少总体成本，响应面方法可用于优化各种工艺参数（Jain等，2011）。 因为污染物浓度较高，生物修复过程中产生的污泥处理十分重要，。 许多研究人员报道了固体和半固体有机废物的水解，酸化和甲烷生成阶段的厌氧消化（Ali和Sreekrishnan，2000; Lastella et al。，2002; Sreekrishnan et al。，2004; The melis and Ulloa，2007; Khalid et al。，2011; Gupta et al。，2015）。然而，在染料和金属生物修复后，缺乏对真菌残留物的厌氧消化研究。焚烧也是处理危险废物的普遍处理技术（Beylot和Villeneuve，2013）。在本研究中，在批次和连续操作模式下，使用有活力的曲霉曲霉（Aspergillus tamarii），从铬络合染料（酸性棕45和酸蓝158）的合成溶液中同时去除颜色和铬。并使用RSM进行染料初始浓度，pH和时间等参数的优化。 进行植物毒性试验以确定染料溶液（生物修复之前和之后）对鹰嘴豆的生长的毒性作用。使用不同的洗脱剂进行染料污染的生物质的解吸研究，然后将解吸的生物质机械破坏。 使用溜曲霉的解吸和死生物量进行生物吸附研究。 为了确保污泥的安全处理，染料和废水合成溶液生物处理后产生的污泥需要被厌氧消化，最后焚化。

2.材料和方法

2.1. 染料和污水

酸性棕45，酸蓝158和实际流出物从印度德里国家首府当地纺织业收集。这两种染料在正常室温下都是水溶性的。酸蓝158的化学结构可在Pub Chem，NCBI网站查到，而酸性棕45的化学结构在任何地方都没有报道。 因此，本研究尝试通过FTIR和AAS分析来确定染料的结构基团，铬和铜含量。工业废水为深黑色，pH值为3.8。 流出物中铬和铜的浓度也由AAS分析。 流出物的TDS和TSS通过重量法测定。

2.2. 微生物和培养条件

从实验室以前保存的纺织工业的污泥中分离真菌曲霉，并通过18S rRNA基因测序的核型分型来表征。该微生物的最大生长速率在pH5.0时，早期报道发现它能去除不同的铬复合染料，如酸性橙86，酸性橙80和酸性黑52（Ghosh等，2014; Ghosh等，2016a; 2016b）。培养基的化学成分如下：葡萄糖：10g / L; K2HPO4：0.5g / L; NaCl：1g / L; MgSO 4：0.1g / L; NH4NO3：0.5g / L，酵母提取物：5g / L（Ghosh等，2014）。在250mL烧瓶中加入培养基（100mL），高压灭菌后用菌株接种，然后在27℃和110rpm下有氧培养。将所需量的染料分别加入到培养基中以制备用于生物修复研究的不同初始浓度染料的溶液。 用0.1（N）HCl或0.1（N）NaOH溶液调节生长培养基的pH。 使用用于实验的分析级化学品。

2.3.批量修复

2.3.1. 细胞培育

在本研究中，在不同的初始染料浓度（50-2000mg / L）和pH5.0下进行分批实验以确定真菌的耐受水平。生物修复实验中使用的菌株在染料存在的环境下不耐受。在生长期间，除去颜色和铬，在确定的时间间隔取出样品，并测定染料和铬的特异性去除和生物质浓度，以4000rpm离心10分钟（分钟）。监测此生物修复50 h。 通过GC-MS，EDX和TEM分析进一步研究了染料的生物修复。 此外，分批生物修复研究扩展到包括在pH 5.0至50小时的间歇生物反应器中被金属络合物染料污染的工业废水。确定COD以找出染料溶液和流出物中存在的总可氧化含量。 植物的生长对有毒物质高度敏感。为了检查染料生物修复后溶液中是否还存在有毒成分，使用在自来水中发芽的鹰嘴豆种子进行植物毒性研究（Kalpana等，2011; Almeida and Corso，2014）。生物修复过程后，将染料溶液与真菌生物质分离，并测试植物毒性。 在生物修复前后的染色溶液（100mg / L）中分别播种10株鹰嘴豆，以比较根和茎的长度和发芽种子的干重。

2.3.2. 解吸和死亡生物量

铬复合染料（100mg / L溶液）生物修复之后，将其在60℃下干燥12小时。 使用双蒸水和酸性洗脱剂，在振荡条件下，将生物质（1g）解吸至少2小时。 在解吸生物质洗涤后，机械破碎并测试铬含量。研究了铬复合染料合成溶液中脱色生物质去除颜色和铬的再利用潜力。此外，真菌生物质最初在没有任何染料的培养基中生长。 收集生物量，在60℃下干燥12小时，借助研钵和研杵处理，筛分尺寸0.5至1.0mm之间，并储存在气密瓶中用于吸附实验。对于非生活条件下的脱附生物量和生物量进行比较研究，每1g用于从培养基中的100mg / L合成染料溶液中除去颜色达4小时。

2.4.连续模式下的生物修复

将连续搅拌釜反应器（CSTR）（5L体积，2L工作体积）通过入口处的蠕动泵（型号No-D4X-01，AcuFlow，Design Innova，India）连接到新鲜介质容纳槽，在出口处收集液体。通过与温度控制模块连接的加热带从外部加热，CSTR的温度保持在27-30℃。CSTR在底部装有充气机。 CSTR先使用含有酸性棕45和酸性蓝158染料（在分离的反应器中）的无菌培养基进行分批模式，直至溜曲霉的指数生长期。然后以连续模式开始操作，并在所需时间（HRT）下向反应器中提供新鲜的介质。在稳态条件下，使用100mg / L染料溶液在pH 5下，在28至220小时的不同HRT下监测CSTR长达14天。 类似地，使用连续模式的实际工业废水进行生物修复研究。

2.5. 生物修复后污泥的处理

2.5.1. 厌氧消化

把染料生物修复后的污泥用网眼大小为0.60mm的不锈钢筛风干。 将葡萄糖（2.00g）和风干的研磨残渣（15.00g）加入到1000mL反应器中的300mL蒸馏水中。 反应器通过气密连接方式与两个容器连接。 排水法收集容器中的气体。将牛粪（体积浓度10％）用作接种物。 通过加入1（N）NaOH溶液，将浆料的pH值保持在7.0plusmn;7.5，在37℃下反应32天。反应器的浆液和气体样品用于分析挥发性脂肪酸（VFA） ，pH和甲烷（CH4）。 厌氧消化前后的液体样品经酸消化分析后，用以确定铬的浓度。

2.5.2. 焚烧

在厌氧消化之前和之后获得的污泥在马弗炉中焚烧,以减少污泥的体积。 并测试灰分残留物的铬含量。

2.6. 分析方法

使用Systronics数字pH计（型号802）和印度Systronics的pH电极测量pH。 使用FTIR（Nicolet-6700，美国）找出染料分子的结构基团。 在干燥60℃后，对生物质进行重量分析。将离心后获得的上清液用酸消化，然后使用AAS（Perkin-Elmer AAnalyst 200，Singapore）测定总铬和铜的浓度。使用UVeVis分光光度计（Model No 117，Systronics，India）在200-900nm的波长范围内进行染料溶液的全波长扫描。 扫描到酸性蓝158的吸收峰为574.0nm，，酸性棕45为474.4nm。生物修复后染料溶液的光密度就可以通过测定最大吸光度下的吸光度来推算。

生物修复后的脱色率和金属去除率用下式（1）表示：

去除率%={（C₀-C₁）/C₀}*100 （1）

其中，C₀为初始浓度（mg / L），C₁为染料或金属的残留浓度（mg / L）。

所有计算都是使用Excel 2010（Microsoft）软件进行。 GCeMS（QP-2010 Plus，Shimadzu Company，U.S.）技术用于了解生物修复过程中是否发生生物降解。 NIST和Wiley图书馆用于鉴定在GC-MS分析中获得的化合物。 通过使用能量色散X射线系统（Model QuanTax 200，Bruker，Germany）的EDX分析确定生物量中元素的存在。生物质在60℃下在热空气烘箱中干燥12小时，并进行EDX分析。 将用于EDX分析的干生物质样品放在不锈钢短棒上，在真空条件下涂覆薄碳（Ghosh等，2016b）。 然后通过显微镜分析样品。 通过使用Morgagni 268D透射电子显微镜（Fei公司，荷兰）的TEM分析研究了真菌的内部细胞结构。对于TEM分析，先将溜曲霉活细胞在4℃在0.1（M）磷酸缓冲液中浸泡10-12h，并切成小片。 使用1％OsO 4溶液固定碎片，并使用无水酒精干燥（Ghosh等，2016a）。 然后用透射电子显微镜（TEM）观察样品。 通过开放回流法研究染料溶液的COD（APHA，1989）。使用RSM分别找出酸性棕45和酸性蓝158染料溶液的去除参数的最佳条件。 设计专家版本7.0.0（Stat-Ease，USA）用来参数优化和评估变量的影响和复杂的相互作用。 对于响应面优化，酸性棕45和酸性蓝158染料的颜色去除参数范围为pH4-6，初始染料浓度为200-500mg / L，时间为35-50h。每个实验一式两份进行。 颜色去除是系统因变量。 对于植物毒性测试，重量测定发芽种子的重量。 确定沼气组成，气相色谱仪（AIMILNUCON，新德里，印度，系列5700）按照Gupta等人报道的方法使用。（2015年）。收集液体样品并以12,000rpm离心10分钟，并使用气液色谱仪（AIMILNUCON，NewDelhi，India，Series 5765）（Gupta等，2015）分析确定VFA的浓度。 马弗炉抽真空，在450℃下测定1g生物质7分钟挥发物质。 最后，850℃下焚烧1g生物质25分钟。 焚化后，灰分含量以重量测定。 使用炸弹量热计（Rajdhani pvt。Ltd.，India）分析污泥的热值。

3.结果与讨论

3.1.染料和污水

通过FTIR技术测定的两种染料的结构基团,观察到均为芳香族不对称苯，S] O，N] N，CeO和OeH基团。 酸性棕

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