四溴双酚A是溴代阻燃剂的典范代表, 因为其精良的阻燃机能跟低廉的价格被普遍利用于产业生产跟日用品中, 包含电子产品、纺织、家具、防火资料、装潢物、塑料制品等.近年来, 包含TBBPA在内的溴代阻燃剂对环境跟人类健康造成的影响跟迫害正越来越引起人们的普遍关注.TBBPA在寰球各种环境介质、生物体及人体内被普遍检出.相干毒理研究表明, TBBPA对动动物细胞深具毒性, 特别对动物显示出包含甲状腺激素烦扰、神经毒性、肝脏跟肾脏毒性、免疫毒性、雌雄性烦扰等普遍的致毒效应.在溴代阻燃剂已经被列入斯德哥尔摩公约中优先监控名单的今日, 只管有关TBBPA的环境积聚量、迁徙转化法则及其生物富集毒性的研究已普遍发展, 但有关其去除的研究却明显滞后.
元素铁是一种活泼金属, 存在还原性, 在天然环境中储量大, 开采利用本钱低.近年来, 零价铁已经被普遍地用来降解跟去除环境中的有机及无机沾染物质, 是一种新兴的高效经济修复技巧.与其余物化方法比较, 零价铁处理法无需耗能且反应敏捷, 但铁名义易被腐化钝化, 且易结块, 牢固性、耐用性的不足限度了切实际利用.Fe-Ni双金属颗粒通过增加反应名义活性位点进步零价铁的反应活性, 减少产物对资料的腐化以延长铁的利用寿命, 及加速还原反应的进行等方法改良了Fe处理技巧, 并在TBBPA的去除利用方面获得了重要进展.
微生物在长久性有机沾染物的迁徙转化乃至终极从环境中消散的进程中占领重要的位置.微生物法作为一种存在普遍实用性的修复技巧, 发展绝对成熟, 存在经济、高效且降解彻底的上风.在TBBPA的微生物去除方面只管报道了很多研究结果, 但不管是混淆还是纯培养体系, 都存在降解缓慢、周期长等不足.鉴于此, 作为开发强化去除典范溴代阻燃剂TBBPA的重要一环, 本研究拟将微生物处理法与铁还原法两种修复技巧结合, 采取厌氧微生物与Fe-Ni双金属结合体系来强化去除水体中的TBBPA.同时, 对结合体系的去除后果及其影响前提进行探讨, 为TBBPA的去除供给新的思路.
2 资料与方法
实验采取的微生物来自本实验室驯化降解TBBPA菌群的反应器, 该反应器于2017年1月从广州市番禺区前锋污水处理厂获得活性污泥启动, 并长期供给含TBBPA的进水对反应器内的微生物菌群进行驯化.对出水中TBBPA的检测及微生物菌群去除TBBPA的活性显示, 经过半年的驯化后该反应器内的微生物菌群存在相称牢固的TBBPA降解活性.
2.1 重要试剂
本实验进程利用的试剂TBBPA由北京百灵威试剂有限公司生产;还原铁粉及NiCl2试剂购于永大化学试剂有限公司.厌氧微生物培养基配方：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.本实验进程中所利用的河水, 其水质经实验室检测, 结果如表 1所示.
2.2 实验方法2.2.1 Fe-Ni双金属资料的制备
Fe-Ni双金属资料的制备参照Luo等的方法, 利用液相置换法将溶液中的镍离子置换到铁名义, 从而形成Fe-Ni双金属资料.具体操作如下：
将还原铁粉过100目筛, 称取1.0 g过筛后的铁粉于小烧杯中, 用10 mL 5%的盐酸洗涤5 min, 而后用超纯水洗涤5次, 再将其转移到100 mL血清瓶中, 加入50 mL一定浓度的NiCl2溶液, 用胶塞塞好, 通入氮气5 min, 再转移到恒温振荡器中振荡2 h, 而后用超纯水洗涤5次, 抽滤回收固体物质, 用无水乙醇洗涤3次, 将制备好的Fe-Ni双金属资料置于干燥箱中干燥9 h, 取出后过100目筛置于干燥器中备用.
2.2.2 富集及培养TBBPA降解菌群
从前述的驯化反应器中抽取菌液, 将装有菌液的50 mL离心管进行离心, 弃用上清液并注入20 mL养分液待养分液跟底部的污泥混淆均匀后转移到装有80 mL养分液的125 mL血清瓶中, 再加入TBBPA母液, 使每个血清瓶中的TBBPA初始浓度为10 mg · L-1.封口血清瓶, 利用曝气针向血清瓶中通入氮气15 min置换瓶内的空气.避光于恒温振荡器中培养.每天重复离心、调换养分液、增加TBBP
A、曝气等步骤.
2.2.3 批次实验
为摸索厌氧微生物与Fe-Ni双金属资料结合去除TBBPA的特点跟法则, 设计批次实验.在125 mL血清瓶中加入调好OD600值及pH的菌液100 mL, 加入所制备的Fe-Ni双金属资料, 再增加一定量的TBBPA母液使体系TBBPA浓度为指定浓度, 封口血清瓶, 利用曝气针向瓶中曝入氮气置换出空气, 置于恒温振荡箱振荡, 按期取样, 取样进程在厌氧箱内操作.每组实验设置3个平行实验.
2.2.4 HPLC剖析
TBBPA浓度的测定采取高效液相色谱法, 高效液相色谱仪.每次取样1 mL, 过0.22 μm尼龙66有机滤膜于2 mL棕色样品瓶, 再加0.5 mL甲醇将滤膜里截留的TBBPA洗下.将样品置于4 ℃环境下保存待测.高效液相色谱仪检测器为SPD-20AV, 检测波长209 nm, 色谱柱采取SHIMADZU VP-ODS C18, 流动相为甲醇/水=90/10, 流速0.8 mL · min-1, 柱温40 ℃.
2.2.5 统计学剖析
首先, 对批次实验结果进举能源学拟合, 方程式为
式中, c0为初始增加的TBBPA浓度, ct为t时刻对应的体系中TBBPA的残余浓度, k为反应速率常数.
响应面剖析是一种最优化方法, 它将体系的因变量与多个自变量间树破其函数关联, 并利用图形技巧将这种函数关联显示出来, 以供咱们直观的抉择实验设计中的最优化前提.本实验利用Design-Expert软件, 基于Box-Behnken模型设计树破响应曲面模型, 研究影响TBBPA去除率的重要变量间的交互作用, 寻找TBBPA的最佳去除前提.
3 结果3.1 不同体系对TBBPA去除后果的比较
设置5组探讨不同体系对TBBPA去除后果的实验, 实验前提设置如表 2所示.其中活微生物的浓度用OD600唆使, 初始值为0.6, 灭活微生物为等同浓度的微生物经高压蒸汽灭菌, Fe-Ni双金属资料投加量为10 mg · L-1, 各体系中TBBPA初始浓度均把持为2 mg · L-1, pH调至7.反应6 h后, TBBPA的去除情况如所示, 结果表明, 厌氧微生物与Fe-Ni双金属资料结合体系对TBBPA的去除效力最高, 6 h内达到75.50%.单独的Fe-Ni双金属资料及单独的活微生物对TBBPA也有一定的去除后果, 去除率分辨可达到60.91%跟59.43%.空白对比组对TBBPA的降解并不明显, 说明TBBPA的去除确切是因为Fe-Ni双金属资料与厌氧活微生物的作用.此外, 灭活微生物对TBBPA的去除率小于10%, 说明厌氧活微生物是通过代谢作用去除TBBPA, 而非吸附作用.
不同反应体系对TBBPA的去除后果
对厌氧微生物与Fe-Ni双金属资料结合体系、单独的厌氧活微生物及单独的Fe-Ni双金属资料3组实验结果进行一级能源学拟合, 拟合数据结果如表 2所示, 相干系数R2值为0.9097~0.9510, 说明降解进程合乎一级能源学模型.单独的Fe-Ni双金属资料及单独的活微生物对TBBPA的降解速率常数k分辨是0.3364 h-1跟0.3583 h-1, 半衰期较长, 分辨是2.06 h跟1.96 h.而当两者结合的情况下, 降解速率常数k为2.2917 h-1, 半衰期缩减到0.31 h.说明厌氧微生物与Fe-Ni双金属资料结合对TBBPA的去除存在明显的增进作用.
不同体系中的去除TBBPA能源学拟合 (e.活菌+资料, d.单独资料, b.单独活菌)
3.2 厌氧微生物与Fe-Ni双金属资料结合体系去除TBBPA的影响因素3.2.1 模型拟合
利用响应面剖析法, 以接菌量、TBBPA浓度、温度为响应因子, TBBPA的去除率为响应值, 摸索其对厌氧微生物与Fe-Ni双金属资料结合体系对TBBPA去除率的影响, 实验因素及水平如表 3所示.Fe-Ni双金属资料投加量的准备实验显示, 在10~100 mg · L-1内投加量的增加多少乎不再增进去除率的升高, 故表中不含Fe-Ni双金属资料投加量.依据Box- Benhnke的中心组合实验设计原理, 进行三因素三水平共17组的响应面剖析实验, 实验设计矩阵及结果如表 4所示.经回归拟合后, 实验因子对响应值的影响可用回归方程
(2)表示.
(2)
式中, Y为TBBPA去除率, X1, X2, X3分辨为初始接菌量(OD600), 温度(℃), 初始TBBPA浓度.
通过方差剖析对方程的统计学意思进行评估(表 5), 模型的F值为889, 象征着此模型明显可行, 且因为烦扰导致模型F值变大的可能性小于0.1%, 也就是说模型(式
(2))不明显的拟合误差.此模型的失拟项不明显其p值为0.0641(p>0.05), 说明该模型对TBBPA的最大去除率的料想是可托的.在此实验中, X1(p<0.0001), X3(p<0.0001)说明接菌量跟TBBPA初始浓度对TBBPA的去除率影响最大.X1X3(接菌量跟TBBPA初始浓度)的p值最小(<0.0001)说明该两个因素互动水平最大.X12(接菌量跟温度), X2X3(温度跟TBBPA初始浓度)的p值分辨为0.0155跟0.0161, 均小于0.05, 它们之间的交互影响次之.
3.2.2 响应面剖析
比较传统的单因素优化实验, 响应面剖析法可能更加经济快捷的获取实验结果(Dritsa et al., 2009).该方法通常是通过绘制响应面曲线(即回归模型的图形表示情势)来判断变量的彼此作用影响跟最佳前提(Dandavate et al., 2009).模型拟合结果式
(2)的响应面曲线如a~3f所示.a, 3b为X1(初始接菌量)跟X2(温度)对TBBPA去除率的影响, 其中X3(TBBPA初始浓度)为常量(即坚持零水平值).从图可知, 初始接菌量OD600在0.2~0.8范畴内, 随着初始接菌量的进步, TBBPA去除率逐步增大.在温度20~40 ℃范畴内, TBBPA的去除率显现先增大后减小的变更趋势, 29 ℃时TBBPA的去除率最大.这是因为温度对微生物的活性存在一定影响, 温度过高或过低均不利于厌氧微生物的处理作用.
两两因素交互影响的响应面曲线及对应等高线图
c, 3d为X1(初始接菌量)跟X3(初始TBBPA浓度)对TBBPA去除率的影响, 其中X2(温度)为常量(即坚持零水平值).当初始接菌量进步时, TBBPA的去除率增大, 但增大幅度趋于平缓.初始TBBPA浓度增加, TBBPA去除率先增大而后逐步趋于平缓.诚然初始TBBPA浓度的增加会克制微生物的活性, 增大其延滞时光(Cycoń et al., 2009), 但增加TBBPA浓度有利于其与Fe-Ni双金属资料上活性反应位点的接触, 因此在一定范畴内增加TBBPA初始浓度有利于增加TBBPA的去除率(戴友芝等, 2008;Debenest et al., 2010).具体接洽污水宝或参见http://www.dowater.com更多相干技巧文档。污水处理设备为使污水达到排入某一水体或再次使用的水质要求对其进行净化的过程。污水处理被广泛应用于建筑、农业、交通、能源、石化、环保、城市景观、医疗、餐饮等各个领域，也越来越多地走进寻常百姓的日常生活。
e, 3f为X2(温度)跟X3(初始TBBPA浓度)对TBBPA去除率的影响, 其中X1(初始接菌量)为常量(即坚持零水平值).与
A、3
B、3c, 3d反应一致, 温度过高或过低均不利于反应的进行, 29 ℃左右TBBPA的去除率最大.一定范畴内, 增加TBBPA的初始浓度有利于进步TBBPA的去除率.
依据响应面实验结果得到最优TBBPA降解前提.在初始接菌量为0.8, 温度为29 ℃, TBBPA初始浓度为5 mg · L-1时, TBBPA的去除率最大, 达到77.41%.
3.2.3 最优前提验证
依据响应面实验得到的最佳TBBPA的去除前提进行实验, 同时检测溴离子的开释量.实验结果如所示, 6 h TBBPA的去除率达到78.51%, 与响应面料想结果相符, 进一步说明本次响应面剖析方法坚固.此外, 随着TBBPA的去除, 水体中溴离子的含量逐步增加, 说明TBBPA去除进程确切存在脱溴反应.
TBBPA去除率验证明验 (OD600为0.8, 温度为29 ℃, 初始TBBPA浓度为5 mg · L-1)
TBBPA去除及溴离子开释
3.3 厌氧微生物与Fe-Ni双金属资料结合体系受不同背景溶液的影响
天然水体含有很多杂质, 会对资料及微生物去除目标沾染物产生不同水平的影响.为研究厌氧微生物与Fe-Ni双金属资料结合体系去除TBBPA受不同背景溶液的影响, 设置3组实验, 分辨是以养分液作为反应体系背景溶液(A)、以河水作为反应体系背景溶液(B)、以增加了5 mg · L-1的腐殖酸的养分液作为反应体系背景溶液(C).其中养分液成分及河水水质见2.1节.
实验结果如所示, 养分液组(A)去除后果最好, 去除率为75.5%;河水实验组(B)6 h对TBBPA的去除率为61.66%;增加腐殖酸的养分液实验组(C)6 h对TBBPA的去除率为65.06%.说明无论是用河水作为背景溶液还是向养分液体系中增加腐殖酸, 厌氧微生物与Fe-Ni双金属资料结合体系对TBBPA的去除后果均受到了一定水平的克制.这是因为, 一方面河水体系成分庞杂, 存在各种无机离子及包含腐殖酸在内的各种有机酸.其中常见的NO2-、NO3-及Cl-等阴离子及腐殖酸等有机酸均会与零价铁产生氧化还原反应, 与TBBPA竞争Fe-Ni双金属资料的名义活性位点, 从而降落资料对TBBPA的脱溴效力跟速率(Doong and Lai, 2006;Devlin and Allin, 2005;Xie and Shang, 2007);另一方面, 成分庞杂的河水体系及增加的腐殖酸体系对微生物的活性可能存在一定的克制造用, 从而降落微生物对TBBPA的降解效力跟速率.
不同底液前提下TBBPA的去除情况 (a.养分液, b.河水, c.腐殖酸)
4 论断(Conclusions)
本研究探讨了厌氧微生物与Fe-Ni双金属资料结合对TBBPA的去除.结果显示结合体系较单独的厌氧微生物及单独的Fe-Ni双金属资料去除TBBPA有更高的去除率, 同时其TBBPA去除进程合乎一级能源学模型.其次, 响应面剖析法明白了TBBPA的最佳去除前提.最后, 受不同背景溶液的影响的实验结果表明, 天然水体前提或增加腐殖酸烦扰情况下, 均会造成厌氧微生物与Fe-Ni双金属结合体系对TBBPA去除率一定水平的降落.
