摘 要: 本實(shí)驗(yàn)研究以模擬含柴油廢水為研究對(duì)象，研究了木質(zhì)素酶對(duì)含柴油污水中柴油的酶催化氧化降解情況。考察了溶液pH值、催化時(shí)間、木質(zhì)素酶濃度、反應(yīng)溫度、柴油初始濃度等不同要素對(duì)酶催化氧化效果的影響。通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)確定最佳實(shí)驗(yàn)條件為：柴油初始濃度為0.3 g·L-1，木質(zhì)素酶濃度為12 mg·L-1，pH值為5.5，反應(yīng)溫度為30 ℃，反應(yīng)時(shí)間為3 h，柴油的去除率可達(dá)90.17%。

關(guān)鍵詞: 木質(zhì)素酶;?含油廢水; 催化氧化

目前，石油化工、石油的開(kāi)采與煉制、煤制油等企業(yè)中產(chǎn)生了大量以輕碳?xì)浠衔?、重碳?xì)浠衔?、燃油、焦油、?rùn)滑油類(lèi)型的含油廢水[1,2]。這些含油廢水不易降解，有毒有害且嚴(yán)重影響水質(zhì)。被油污染的水體，其水體中的溶氧量急劇下降，主要原因是油容易在水體表面形成薄油膜，空氣中的氧難以進(jìn)入水體，從而影響水生生物的正常生長(zhǎng)，破壞水的生態(tài)平衡[3.4]；被油污染的水若進(jìn)入到地下水系中，會(huì)污染地下水源影響農(nóng)田灌溉[3]，主要原因是油分容易堵塞土壤的空隙，阻止空氣透入，使土壤微生物不能正常進(jìn)行新陳代謝，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成農(nóng)作物減產(chǎn)或死亡[5,6]。

酶技術(shù)具有催化效率高、作用條件溫和、處理速度快和適用范圍廣等特點(diǎn)，用酶技術(shù)處理含油廢水已成為污水處理新技術(shù)且倍受關(guān)注[1]，酶技術(shù)與傳統(tǒng)的物理化學(xué)和生物法處理含油廢水相比特點(diǎn)如下[7,8]：（1）使用酶技術(shù)能夠催化處理難降解有機(jī)化合物；（2）使用酶技術(shù)處理進(jìn)程更容易操作且處理速率比傳統(tǒng)方法快；（3）酶技術(shù)具有較強(qiáng)的抗沖擊性；（4）使用酶技術(shù)可以有效地減少有毒有機(jī)污染物[9]。20世紀(jì)80年代初，Klibanov等[10-12]首次將過(guò)氧化物酶用于廢水中酚類(lèi)和芳香胺類(lèi)化合物的處理，研究中發(fā)現(xiàn)生物酶處理部分有機(jī)物的去除效率很高，現(xiàn)在研究和應(yīng)用較多的過(guò)氧化物酶是辣根過(guò)氧化物酶、木質(zhì)素過(guò)氧化物酶及其它酶類(lèi)。Tien等[13]通過(guò)瞬態(tài)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究，Huang等人[14]研究木質(zhì)素酶催化氧化反應(yīng)時(shí)均發(fā)現(xiàn)可以利用木質(zhì)素酶處理很多難降解的有機(jī)污染物，這種特殊性質(zhì)在環(huán)境工程中有著巨大的應(yīng)用前景[15]。近年來(lái)，左紅梅、劉浩等人[16-19]利用生物酶降解有機(jī)物的特點(diǎn)處理印染、造紙、鉆井液中的廢水減少環(huán)境污染。

本文研究以模擬含柴油廢水為研究對(duì)象，以去除水中的柴油為目標(biāo)，實(shí)驗(yàn)分別考察了溶液的pH值、催化時(shí)間、木質(zhì)素酶濃度、反應(yīng)溫度、柴油初始濃度等不同要素對(duì)酶催化氧化效果的影響，確定木質(zhì)素酶處理含油污水的最佳工藝條件。

1材料與方法

1.1 試劑與儀器

木質(zhì)素酶（Lip），分析純，北京百靈威科技有限公司；正己烷，分析純，西隴化工股份有限公司；乙酸鈉，分析純，北京化學(xué)試劑公司；冰乙酸，分析純，北京化學(xué)試劑公司。

PHS-25 型pH 計(jì)，上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司；ME204E 型分析天平，梅特勒—托利多儀器有限公司；HH-600 型恒溫水浴箱，力辰儀器科技有限公司；752 型紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)，上海光譜儀器有限公司。

1.2 模擬含柴油污染污水與木質(zhì)素酶溶液的制備

模擬用柴油為市售0#柴油。將0#柴油按實(shí)驗(yàn)所需比例與蒸餾水混合，制得模擬柴油污水。

稱量木質(zhì)素酶4 mg 于10 mL 容量瓶中，加蒸餾水至標(biāo)線，制得濃度為0.4 g·L-1 木質(zhì)素酶溶液。

1.3 柴油標(biāo)準(zhǔn)工作曲線的制定

1.3.1 柴油標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液的配置 稱取0.5 g 0#柴油于10 mL 燒杯中，加入少量正己烷溶解，然后全部移入100 mL 容量瓶中，加正己烷至標(biāo)線，混合均勻。

1.3.2 柴油標(biāo)準(zhǔn)使用液的配置 移取2 mL 柴油標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液于盛有少許正己烷的50 mL 的容量瓶中，加正己烷稀釋至標(biāo)線，混合均勻。

1.3.3 柴油標(biāo)準(zhǔn)工作曲線的確立 分別移取0、0.25、0.50、0.75、1.00、1.25 mL 油標(biāo)準(zhǔn)使用溶液于盛有少許正己烷的10 mL 容量瓶中，加入正己烷稀釋至標(biāo)線，混勻。其濃度分別為0、5.0、10.0、15.0、20.0、25.0 mg·L-1 油。將溶液移入1 cm 石英比色皿，波長(zhǎng)225 nm 處以正己烷作為標(biāo)準(zhǔn)參照測(cè)定其吸光度。繪制出柴油濃度—吸光度標(biāo)準(zhǔn)工作曲線，如圖1 所示，標(biāo)準(zhǔn)工作曲線的線性方程為：A=0.0278C/( mg·L-1)+0.0054，相關(guān)系數(shù)R2=0.9994。式中A—吸光度值；C—柴油濃度mg·L-1)。

1.4 計(jì)算公式

E=(C-C1)/C×100%錯(cuò)誤!未找到引用源。，其中，E—柴油的去除率（%）；C—油的初始濃度（mg·L-1）；C1—為剩余油的濃度（mg·L-1）。

2 結(jié)果與討論

2.1 木質(zhì)素酶濃度對(duì)催化氧化柴油反應(yīng)的影響

將一組pH值為6.0，模擬廢水柴油污染濃度為0.1g·L-1的溶液中添加木質(zhì)素酶溶液4 mg·L-1，8 mg·L-1，12 mg·L-1，16 mg·L-1，20 mg·L-1，24 mg·L-1，然后在30 ℃一個(gè)恒溫振蕩器中震蕩，催化反應(yīng)時(shí)間為5 h，繪制酶的投加量與柴油去除率曲線，投加不同量的酶劑對(duì)模擬柴油污染廢水的效果影響[20]。

由圖2可以看出，柴油去除率先隨木質(zhì)素酶濃度的增加而增大，柴油的去除率最大是酶濃度為8mg·L-1時(shí)，此時(shí)可能是當(dāng)酶濃度為8 mg·L-1時(shí)，酶與水樣中有機(jī)物反應(yīng)最為充分，可能達(dá)到了最佳反應(yīng)平衡。此后柴油的去除率隨酶的濃度增加而下降，說(shuō)明過(guò)高的木質(zhì)素酶濃度不利于柴油的去除，此時(shí)可能將酶包覆在所形成的聚合物中，影響了酶活性的發(fā)揮，使酶的催化氧化反應(yīng)效率降低，從而影響了柴油去除率。喬彤森等[21]也曾有相似的結(jié)果[22]。

2.2 反應(yīng)溫度對(duì)催化氧化柴油反應(yīng)的影響

將一組pH 值為6.0，模擬廢水柴油污染濃度為0.1 g·L-1 的溶液中添加8 mg·L-1 木質(zhì)素酶溶液，再分別置于溫度為10 ℃、15 ℃、20 ℃、25 ℃、30 ℃、35 ℃的水浴恒溫振蕩器中反應(yīng)5 h，反應(yīng)完后計(jì)算柴油去除率。

由圖3 可見(jiàn)：當(dāng)溫度逐漸上升時(shí)，柴油的去除油效率隨溫度的升高而增大，在反應(yīng)溫度為30 ℃時(shí)，柴油的去除率最高；當(dāng)溫度繼續(xù)上升時(shí)，柴油的去除率反而減小，說(shuō)明木質(zhì)素酶的適宜降解溫度為30 ℃[23]。原因可能是生物酶在一定溫度下保持了較高的活性，并且不同的酶有不同的溫度界限，當(dāng)溫度超過(guò)酶的溫度界限后，酶催化反應(yīng)速率就會(huì)明顯降低[24]。由圖可知木質(zhì)素酶在20.30 ℃的范圍內(nèi)催化降解柴油的能力且酶活性很好，30 ℃是木質(zhì)素酶的溫度界限，但溫度過(guò)高時(shí)酶易失活，催化降解有機(jī)物的能力下降。

2.3 反應(yīng)時(shí)間對(duì)催化氧化柴油反應(yīng)的影響

將一組pH 值為6.0，模擬廢水柴油污染濃度為0.1 g·L-1 的溶液中添加8 mg·L-1 木質(zhì)素酶溶液，然后分別在30 ℃恒溫振蕩器反應(yīng)1 h，2 h，3 h，4 h，5 h，6 h，反應(yīng)后用分光光度法測(cè)定柴油中的殘留量，計(jì)算柴油的去除率。如圖4 所示。

由圖4 可見(jiàn)：震蕩時(shí)間在1.5 h 期間，柴油的去除率隨著震蕩時(shí)間的增加而增加，反應(yīng)達(dá)到最佳反應(yīng)時(shí)間5 h 時(shí)，柴油去除率到達(dá)最大值79.81%，之后隨著時(shí)間增加柴油去除率呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，可能由于隨著反應(yīng)時(shí)間增加木質(zhì)素酶的活力逐漸降低，也可能是反應(yīng)過(guò)程的生成物有對(duì)酶活性有抑制作用。魯時(shí)瑛[25]在研究用酶處理有機(jī)廢水的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，木質(zhì)素酶的催化反應(yīng)有時(shí)會(huì)受到一些外界物質(zhì)的影響，降低了木質(zhì)素酶處理有機(jī)廢水的效率。當(dāng)用在實(shí)際處理含油污染的廢水中繼續(xù)延長(zhǎng)時(shí)間，會(huì)影響處理效果和增加處理成本，所以本實(shí)驗(yàn)選擇處理時(shí)間為5 h 為宜。

2.4 溶液pH 值對(duì)催化氧化柴油反應(yīng)的影響

將一組模擬廢水柴油污染濃度為0.1 g·L-1 的溶液中添加8 mg·L-1 木質(zhì)素酶溶液，然后調(diào)節(jié)溶液pH 值分別為5.5，6.0，6.5，7.0，7.5，8.0，之后置于30 ℃的水浴恒溫振蕩器中反應(yīng)5 h，計(jì)算柴油去除率，繪制模擬含油污染廢水的pH 值對(duì)柴油去除率效果影響的曲線。如圖5 所示：

由圖5 可知：模擬柴油廢水的溶液的pH 值從5.5 增至6.0 時(shí)，去除率隨pH 值的增大而逐漸增大，當(dāng)pH 值為6.0 時(shí)，除油率達(dá)到最大值為78.74%；溶液的pH 值由6.0 增至8.0 時(shí)，去除率反而逐漸降低，所以本試驗(yàn)的適宜pH 值為6.0。這與張建波[26]等人的試驗(yàn)結(jié)果有點(diǎn)區(qū)別，可能是由于木質(zhì)素酶的來(lái)源不同導(dǎo)致的。如圖所示，木質(zhì)素酶催化反應(yīng)的pH 值范圍比較寬，在pH 值5.5.7.0 范圍內(nèi)除油效率較高。

2.5 柴油初始濃度對(duì)催化氧化柴油反應(yīng)的影響

實(shí)驗(yàn)取一組pH 值為6.0，濃度分別為0.1 g·L-1、0.2 g·L-1、0.3 g·L-1、0.4 g·L-1、0.5 g·L-1、0.6 g·L-1的模擬含柴油污染的廢水50 mL 于250 mL 錐形瓶中，再分別加入濃度8 mg·L-1 的木質(zhì)素酶溶液，然后置于30 ℃的水浴恒溫振蕩器中分別震蕩5 h，繪制柴油初始濃度與柴油去除率曲線。如圖6 所示。

圖中6 顯示：當(dāng)柴油濃度從0.1 g·L-1 增加到0.4 g·L-1，柴油的去除率下降，而從0.4 g·L-1 到 0.6g·L-1 柴油濃度的增加，柴油的去除率急劇下降，說(shuō)明柴油濃度越小，柴油的去除率越高，當(dāng)柴油濃度為0.1 g·L-1 時(shí)，去除率為72.98%達(dá)到最大值。

2.6 木質(zhì)素酶的最佳催化氧化作用條件的確定

為了確定木質(zhì)素酶催化氧化對(duì)柴油污染廢水的優(yōu)化催化降解條件，考察影響酶催化降解各因素的交互影響，采用酶劑濃度、反應(yīng)溫度、催化時(shí)間、溶液pH值和柴油初始濃度五個(gè)因素設(shè)計(jì)了5因素4水平的正交實(shí)驗(yàn)。正交實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1和表2所示。

通過(guò)正交試驗(yàn)（結(jié)果見(jiàn)表2）確定木質(zhì)素酶催化降解柴油污染水的優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件為：當(dāng)柴油初始濃度為0.3 g·L-1，木質(zhì)素酶濃度為12 mg·L-1，pH值為5.5，反應(yīng)溫度為30 ℃，催化時(shí)間為3 h時(shí)，處理效果最好，柴油去除率可達(dá)90.17%。通過(guò)極差分析五個(gè)因素對(duì)木質(zhì)素酶催化降解模擬柴油廢水的影響程度大小排序?yàn)椋耗举|(zhì)素酶濃度>反應(yīng)溫度>pH值>柴油初始濃度>催化時(shí)間。

3 結(jié) 論

本文研究了以木質(zhì)素酶為催化劑催化降解模擬柴油廢水的污染，取得了較好的效果，考察了實(shí)驗(yàn)條件如酶劑濃度、反應(yīng)溫度、催化時(shí)間、pH值、柴油初始濃度對(duì)酶催化降解的影響，確定木質(zhì)素酶催化氧化降解含柴油污染廢水的優(yōu)化工藝條件。所得結(jié)論如下：

（1）木質(zhì)素酶可以有效降解水體的柴油污染，并且完全符合綠色化學(xué)觀念，在反應(yīng)過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生二次污染；

（2）以模擬含柴油廢水為研究對(duì)象，考察各個(gè)反應(yīng)因素對(duì)木質(zhì)素酶催化降解柴油的影響，由結(jié)果知：柴油去除率的影響先后順序?yàn)槟举|(zhì)素酶濃度>反應(yīng)溫度>pH 值>柴油初始濃度>催化時(shí)間；

（3）木質(zhì)素酶催化降解模擬含柴油污染廢水優(yōu)化工藝條件為：柴油初始濃度為0.3 g·L-1，木質(zhì)素酶濃度為12 mg·L-1，pH值為5.5，反應(yīng)溫度為30 ℃，反應(yīng)時(shí)間為3 h，柴油的去除率可達(dá)到最大值90.17%。