固定漆酶与游离漆酶对造纸废水深度处理的研究

Posted 2023-01-12 漆酶

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用固定漆酶和游离漆酶对造纸废水进行深度处理，重点分析了两种不同状态的酶在不同反应时间、温度、pH值下对造纸废水的CODCr和色度的去除率。结果表明：游离漆酶在处理废水时，最佳反应时间为8h，最佳反应温度为55℃，最佳反应pH为5；固定态漆酶在处理废水时，最佳反应时间为6h，最佳反应温度为50～55℃，最佳反应pH为4；通过对废水处理的效果对比，固定漆酶的优点在于达到最佳效果的反应时间短，酶的稳定性高，温度耐受性强，pH适应性显著增强。
目前，国内大部分工厂处理造纸废水都采用一级沉淀、二级生化处理的工艺，但传统生物法如氧化塘法、活性污泥法并不能去除造纸废水中的木素衍生物以及漂白过程中产生的氯酚类物质，这便成为造纸废水达标排放的重大障碍，因此，对制浆造纸废水进行深度处理势在必行。
对造纸废水的处理，固定化的漆酶相比游离漆酶具有反应时间短、酶的稳定性高、温度耐受性强、pH适应性强、操作简单以及处理效果好等优点[3，4]。
本文通过在不同条件下固定化漆酶与游离漆酶对造纸废水CODCr、色度去除率的比较，得出固定化漆酶以及游离漆酶处理废水的最佳工艺条件。
1.实验
1.1原料和仪器
原料：实验水样(陕西某纸厂二沉池出水，CODCr228mg.L-1)；游离漆酶(Novozym51003，酶活为1000U.mL-1)；固定漆酶(实验室制得)；介体1-羟基苯并三唑(HBT)、硫酸、硫酸银、硫酸汞、重铬酸钾、硫酸亚铁铵，均为分析纯。
仪器：消解仪、DR/2010分光光度计、PB-10数字式酸度仪、BL310电子天平。
1.2实验方法
1.2.1固定漆酶的合成
交联聚乙烯醇经羧基化、酰胺化制成一种活性固定化酶载体，在反应温度40℃、pH值3.2、时间12h、介体浓度0.05mol.L-1的条件下制得固定漆酶。
1.2.2工艺条件
漆酶用量10U.(100mL)-1废水，通过改变反应时间、温度、pH，讨论两种不同状态的漆酶对造纸废水色度、CODCr去除率的影响。
2.结果与讨论
2.1反应时间对废水色度、
CODCr去除率的影响控制反应温度50℃、pH5.0、时间10h，在反应过程中每隔2h取水样测定相关水质指标，考察反应时间对处理效果的影响，结果如图1、图2所示。

实验结果表明，游离酶处理废水的最佳反应时间为8h，固定酶处理废水的最佳反应时间为6h。游离酶处理废水时废水色度和CODCr去除率先逐渐降低，反应时间2h时达最低点，随后去除率逐渐上升，反应进行到8h时CODCr去除率为28.5%，色度去除率为23.8%，随后废水处理效果又开始下降；固定酶处理废水时，废水色度和CODCr的去除率先逐渐上升，反应6h时达最高点，CODCr去除率为51.82%，色度去除率为53.85%，随后废水处理效果开始下降。
游离酶与废水反应中，反应时间小于2h时CODCr和色度不降反升，去除率出现负值，原因是废水中存在一些大的稳定的木素基团，在漆酶的催化氧化作用下这些基团开始分解，出现了酚羟基和醛基等还原性中间产物，导致废水中的CODCr和色度上升；随着反应时间的增加，漆酶又将这些中间产物继续降解，使废水的CODCr和色度下降；反应时间大于8h后，漆酶又与结构更稳定的非酚型木素反应，导致CODCr和色度的去除率下降。从图中可以看出，固定酶与游离酶对废水的处理效果有着明显的差异，这并不违背游离酶处理的原理，因为固定酶的载体表面有很多细小微孔，对木素基团、发色基团有着很强的吸附力，再加上酶处理的作用，反应开始废水的CODCr和色度去除率便随时间的增加而上升，反应时间为6h时废水处理效果达到最佳值，载体的吸附也达到饱和，随着反应的继续，废水的处理效果开始下降。
2.2反应温度对废水色度、CODCr去除率的影响
控制反应pH5.0，游离漆酶反应时间8h，固定漆酶反应时间6h，分别在35℃、40℃、50℃、55℃、60℃水浴条件下处理废水。考察温度对废水处理效果的影响，结果如图3、图4所示。

实验结果表明：随着反应温度的升高，固定酶和游离酶对废水的处理效果先升高后下降。温度的总效应就是这两个相反效应之间的平衡。在较低温度下，酶的失活作用往往可以忽略不计，只能观察到催化反应，随着温度的升高，酶的失活反应的竞争作用越来越明显。温度的升高能增加酶底物分子的热能，从而增加反应速率，对废水的处理效果也变好；但较高的温度也会增加构成酶本身蛋白质结构的分子热能，也就是增加了维系整个酶的三维结构的非共价键的断裂，导致酶变性，对废水处理效果下降。
游离酶处理废水的最佳温度为55℃，废水CODCr的去除率可以达32.7%，色度去除率可达27.3%；固定酶处理废水的最佳温度为50～55℃，废水CODCr的去除率可以达51.82%，色度去除率可达53.85%。两者比较，固定酶的稳定性高，温度耐受性强，CODCr和色度去除率大。
2.3反应pH对废水色度、
CODCr去除率的影响控制反应温度50℃，游离漆酶反应时间8h，固定漆酶反应时间6h，分别在pH值3.5、4、4.5、5.0、5.5、6.0条件下处理废水，考察pH值对废水处理效果的影响，结果如图5、图6所示。

实验结果表明，反应pH能够影响漆酶对木素解离的效果，同时也能影响漆酶的活性，从而影响其对废水处理的效果。游离酶在反应pH为5时对废水的处理效果最好，反应pH小于5或者大于5时处理效果都有明显的下降；固定酶在反应pH为4时，处理效果最好，当pH下降或上升时，处理效果都有所下降，但下降幅度比较平缓。一般情况下，pH在4.5时，漆酶对含羰基或者羧基的复合物的解离活性最大，与游离酶相比，固定酶的pH适应性显著增强。pH过高或过低时对漆酶的活性有很大影响，失活的漆酶自身也会作为CODCr出现在溶液里，从而导致废水处理效果和色度的下降。两者比较，固定漆酶在废水中适应性比游离漆酶强，稳定性高，处理效果好。固定漆酶对处理偏酸性的工业废水更有优势。
2.4固定漆酶与游离漆酶最佳工艺条件处理废水时的情况
游离漆酶在处理废水时，最佳反应时间8h，最佳反应温度55℃，最佳反应pH5。固定漆酶在处理废水时，最佳反应时间6h，最佳反应温度50～55℃，最佳反应pH4。结果如表1所示。

实验结果表明，固定漆酶对造纸废水CODCr和色度的去除率都优于游离漆酶。
3.结论
3.1 游离漆酶在处理废水时，最佳反应条件为反应时间8h、反应温度55℃、反应pH5。
3.2 固定漆酶在处理废水时，最佳反应条件为反应时间6h、反应温度50～55℃、反应pH4。
3.3 通过固定漆酶与游离漆酶对废水COD
Cr和色度处理效果比较，固定漆酶稳定性高，温度耐受性强，pH适应性广，处理效果好，反应时间短。