（微生物学专业论文）白腐菌细菌协同处理硝基苯类废水研究.pdf

河南农业大学学位论文 v 黝删 y 18 1 ：；i | i ：i 1 攀 独创性声明、使用授权及知识产权归属承诺书 学位论学位 文题目 白腐菌一细菌协同处理硝基苯类废水研究硕士 级别 学生学科导师 王斐微生物学吴坤 姓名专业姓名 学位论文 罚 是否保密 怨 如需保密，解密时间 冲年6 月锣日 独创性声明 本人呈交论文是在导师指导下进行的，研究工作及取得的研究成果，除了文中特j | l , j l m 以标注和致谢的地方外，文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包括为获 得河南农业大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料，指导教师对此进行了审定。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明，并表示了谢 意。 研究生签名：王型l 虢科 师签名：芬：矽l 彳 日期：3 孑年彭月2 6 日日期：o 矿年厂月2 日 学位论文使用授权及知识产权归属承诺 本人完全了解河南农业大学关于保存、使用学位论文的规定，即学生必须按 照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存提交论文的印刷本 和电子版本，并提供目录检索和阅览服务，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。本人同意河南农业大学可以用不同方式在不同媒体上发 表、传播学位论文的全部或部分内容。 本人完全了解河南农业大学知识产权保护办法的有关规定，在毕业离开 河南农业大学后，就在校期间从事的科研工作发表的所有论文，第一署名单位为 河南农业大学，试验材料、原始数据、申报的专利等知识产权均归河南农业大学 所伺，笛则，糸强相胆削仫佯员仕。 宇吴 注：保密学位论文在解密后适用于本授权书。 研究生签名： o 唑导师签名：缓彬矽 学院领导签名印建 一，| 、卯、 1 日期：吁，年汨2 庐日期：叫7 年月加日期：硒8 年占月习日 致谢 本文是在我的导师吴坤教授悉心指导下完成的，从论文实验的设计、实验方 案的实施到论文的撰写、修改，无不倾注着导师的心血。在三年的学习生活中， 吴老师敏锐的思维、渊博的学识、求实创新的精神、坚韧不拔的科学态度以及独 具匠心的教育培养使我受益匪浅，更是我永远学习的榜样。必将对我今后的工作 和生活产生深远的影响。在此，谨向始终给我教诲和帮助的导师表示最衷心的感 谢! 在实验过程中，贾新成教授、陈红歌副教授、邱立友教授、宋安东副教授、 徐淑霞老师就实验中出现的问题提出过不少建议，使得试验能顺利按时完成! 感 谢赵柏叶老师、赵玉萍老师、胡渝老师的热心帮助! 感谢本实验室田建军、王慧琴、史小利、王艳颖、褚长斌、宋小峰等研究生 在我攻读硕士学位期间给以的帮助，是你们营造了良好、积极向上、轻松活跃的 实验室气氛，使我度过了一段愉快又难忘的岁月! 值论文完成之际，我要感谢我的父母和家人在我漫长的求学生涯中给予我这 么多年的关怀和支持，他们的默默付出和支持是我永远的精神后盾! 最后，在此向所有给予过我帮助、支持的人们表示最真挚的感谢以及最美好 的祝福：一生平安、家庭幸福、事业有成! 王斐 2 0 0 8 6 微生物学硕士论文白腐菌一细菌协同处理硝基苯类废水研究 目录 摘要1 l 文献综述2 1 1 硝基苯类化工废水处理的研究现状3 1 1 1 物理法3 1 1 2 化学法：4 1 1 3 生物法5 1 1 3 1 厌氧消化法5 1 1 3 2 活性污泥法5 1 2 白腐菌在废水治理中的应用7 1 2 1 白腐菌的特点7 1 2 2 白腐菌的降解机理7 l ：2 3 白腐菌的降解优势8 1 2 4 白腐菌在废水治理中的应用9 1 2 5 白腐菌的固定化9 1 2 5 1 白腐菌细胞的固定化方法1 0 1 2 5 2 固定化白腐菌技术在废水处理中的应用1 0 1 2 5 3 固定化白腐菌的应用前景1 l 1 2 6 白腐菌的反应器1 2 1 3 本课题研究的目的和内容1 3 i 3 1 本课题研究的目的和意义1 3 1 3 2 研究的内容1 3 2 材料与方法1 4 2 1 实验材料1 4 2 1 1 菌种1 4 2 1 - 2 活性污泥1 4 2 1 3 水样：1 4 2 1 4 培养基1 4 2 1 5 主要的化学药品及试剂1 4 2 1 6 主要的实验仪器1 5 2 2 实验方法1 6 微生物学硕士论文白腐菌一细菌协同处理硝基苯类废水研究 2 2 1 分析方法1 6 2 2 1 1 废水染菌情况的测定1 6 2 2 1 2 废水c o d c r 的测定：1 6 2 2 1 3 废水硝基苯浓度的测定1 7 2 2 2 孢子悬浮液的制备1 8 2 2 3 黄孢原毛平革菌的驯化1 8 2 2 4 菌种的扩大培养1 9 2 2 5 试验条件对黄孢原毛平革菌降解的影响1 9 2 2 6 黄孢原毛平革菌降解硝基苯类废水的试验1 9 2 2 7 黄孢原毛平革菌细菌协同降解硝基苯类废水的试验2 0 2 2 7 1 活性污泥的驯化2 0 2 2 7 2 活性污泥对经黄孢原毛平革菌处理后废水的降解试验2 0 2 2 8 黄孢原毛平革菌细菌协同处理的工艺试验2 0 2 2 8 1 黄孢原毛平革菌作为前处理的工艺试验2 2 2 2 8 2 黄孢原毛平革菌作为后处理的工艺试验2 2 3 结果与分析2 3 3 1 黄孢原毛平革菌降解废水试验条件的确定2 3 3 2 黄孢原毛平革菌对废水染菌情况的影响2 4 3 3 黄孢原毛平革菌对废水c o d c r 的降解2 5 3 4 黄孢原毛平革菌对废水硝基苯类化合物的降解2 6 3 5 细菌( 活性污泥) 对经黄孢原毛平革菌处理后废水的降解2 7 3 5 1 活性污泥的驯化结果2 7 3 5 2 污泥对经黄孢原毛平革菌处理后废水c o d c r 的降解2 9 3 6 两种工艺对废水处理效果的比较3 0 3 6 1 工艺一对废水处理效果的影响3 0 3 6 2 工艺二对废水处理效果的影响3 2 4 结论和讨论3 4 4 1 结论3 4 4 2 讨论3 4 参考文献3 7 a b s t r a c t 2 i ：1 2 微生物学硕士论文 白腐菌一细菌协同处理硝基苯类废水研究 摘要 硝基苯类化合物是一类高毒性的有机化合物，其性质稳定，极难被生化降解，因此，含有 此类有机化合物废水的治理已成为人们研究的热点。本文利用白腐菌的典型菌种黄孢原毛 平革菌( p h a n e r o c h a e t ec h r y s o s p o r i u m ) 对硝基苯类有机化合物的非专一性降解作用来部分取代 物化预处理，将难以被活性污泥降解的稳定有毒物质降解成易被污泥分解的小分子物质，部分 改变硝基苯类化合物的分子结构，降低其浓度，减弱废水的毒性，提高废水的可生化性，再针 对出水c o d c r 过高的问题结合活性污泥后处理，探索出白腐菌细菌协同处理硝基苯类化合 物废水的一条新路子。并从白腐真菌的工业化应用角度出发，在菌体细胞的固定化和反应器方 面做了尝试，进一步验证白腐菌细菌这种处理组合的可行性和高效性。 在摇床实验中，采用培养驯化好的黄孢原毛平革菌，在最佳实验条件：废水硝基苯浓度 8 0 0 m g l 、菌体添加量3 0 9 l 、反应温度3 0 c 和p h 6 0 情况下，生化降解废水7 2 h ，其中废水染菌 的数量和速度都大幅提高，硝基苯类化合物降解率达到8 5 ，极大地提高了废水的可生化性。 而后针对处理后c o d c r 仍然偏高的情况，与驯化好的活性污泥混合液相结合，使废水c o d c r 在 4 8 h 后去除率达到8 0 ，处理后c o d c r 维持在11 0 m g l 以下，基本达到排放标准。 在反应器实验中，将黄孢原毛平革菌菌丝固定生长在碎木条上，而后将其填充入特制的玻 璃反应柱中，在无需外加通气的情况下，使废水以一定流速通过填充柱到达下一级污泥处理柱， 这种白腐菌和细菌降解系统的有机结合取得了较好的处理效果。在保持进水c o d c r l 0 0 0 m g l 的 情况下，出水c o d c r 最低值可以达到1 5 0 m g l ，其降解率可达8 5 以上。利用该二级生物反应装 置处理硝基苯类化工废水，无需添加外源营养物质，启动时间短，降解效率高，运行相当稳定。 并且在保证出水c o d c r 的降解效果的情况下，日处理量可达3 6 l ；硝基苯类化合物的降解率可达 9 0 以上。 这种白腐菌与细菌处理系统的有机结合，相比较传统的物化预处理，即经济高效又减少了 二次污染，并为以后的工业化应用奠定了坚实的理论基础。简单的开循环使整个的真菌细 菌处理系统的工业化应用成为可能，探索出了一种简单的反应器雏形，具有一定的实际应用价 值。 关键词：黄孢原毛平革菌活性污泥 硝基苯类化合物废水生物降解 微生物学硕士论文自腐菌细菌协同处理硝基苯类废水研究 1 文献综述 水是人类赖以生存的自然资源，也是人类生产和经济活动的前提。然而随着工业的迅猛发 展以及以往社会对环境的忽视，目前越来越严重的环境污染问题逐步受到人们的重视。众所周 知，水体污染在环境污染中占据着重要地位，对人们的身体健康和国民经济已构成了严重的威 胁。根据世界卫生组织( w h o ) 的资料，全世界大约有8 0 的疾病是由于饮水或卫生不良引起的， 在我国，8 0 的疾病、1 3 的死亡均与饮水水质有关。水体中的大量污染物不仅严重威胁着人 类自身的健康，而且造成了巨大的经济损失，据国家环保局估计，中国环境问题所造成的总损 失将占国民生产总值的1 0 。如果不对其进行有效的综合治理，必将造成严重的环境污染与生 态破坏，危害人们身体健康，阻碍经济的进一步可持续发展。 尤其是改革开放以来，为国民经济腾飞做出重要贡献的化工行业发展迅速，其排放出的大 量工业废水构成了水污染的重要来源之一，约占废水排放总量的6 0 7 0 。工业废水成分复杂， 性质各异，它们所含的好氧有机物质、化学毒物、重金属物质、固体悬浮物、酸、碱及其病原 体等均可对环境造成严重污染。根据2 0 0 2 年全国环境统计公报，全国废水排放总量为4 3 9 5 亿吨， 比上年增加1 5 。其中工业废水排放量2 0 7 2 亿吨，占废水排放总量的4 7 1 ；废水中化学需氧量 排放量3 6 7 万吨，其中工业废水中化学需氧量排放量5 8 4 万吨，占化学需氧量排放总量的4 2 7 。 而化工行业排放的废水已占全国工业废水排放总量的2 0 以上，位居第一，随着有机化工的不 断发展，通过各种途径合成的有机物急剧增加，废水产量逐日增加，其成份也逾加复杂，大多 都是结构复杂、有毒有害和生物难以降解的物质。因此，化工废水处理的难度较大，备受国内外 学者的关注1 2 1 。 化工废水的基本特征是 ：( 1 ) 水质成分复杂，副产物多，反应原料常为溶剂类物质或环 状结构的化合物，增加了废水的处理难度；( 2 ) 废水中污染物含量高，这是由于原料反应不完全 和原料、或生产中使用的大量溶剂介质进入了废水体系所引起的；( 3 ) 有毒有害物质多，精细化 工废水中有许多有机污染物对微生物是有毒有害的，如卤素化合物、硝基化合物、具有杀菌作 用的分散剂或表面活性剂等；( 4 ) 生物难降解物质多，可生化性差；( 5 ) 废水色度高。 近年来我国化工行业的环境污染防治工作取得了较大进展，废水治理率、排放达标率逐年 增长。但目前化工行业废水排放达标率仍不高，这主要是由于目前的处理技术和工艺尚难满足 生产要求，因而对高效、低成本的处理化工废水新工艺、新技术的研究，已经成为世界各国科 学家和工程师研究的重点之一。 硝基苯类化合物废水又是化工废水中的重中之重，处理难度更大。硝基苯类化合物( 如硝基 苯胺、硝基苯、硝基氯苯及多硝基芳香烃类等) 都是重要的基础化工原料之一，是合成染料、医 药、炸药、农药、橡胶及塑料助剂、人造革和有机合成等工业生产上的直接和半直接原料，其 2 微生物学硕士论文白腐菌一细菌协同处理硝基苯类废水研究 品种之多，范围之广，堪称化工行业之最。硝基苯类化合物结构稳定，不易分解、转化，种类 多而复杂，硝基苯类化合物之所以性质稳定，主要是由于苯环的存在。苯环容易发生亲电取代， 但不易发生氧化反应，因而在一般情况下，要想利用氧使芳环破裂而达到使硝基苯类化合物分 子裂解是不容易的。从近代的分子结构理论可知，在苯环中均存在大靠键，由于苯环中兀电子 的离域作用，使环的作用变的很牢固。通俗地讲，也就是这些离域的丌电子使苯环变得更紧凑， 对外界氧的进攻有更强的抵抗力，因此苯环不易被氧攻克而破裂。但在合适条件下，硝基苯类 化合物可以被还原成苯胺、亚硝基化合物、偶氮苯、氢化偶氮苯等物质，进而可改善它们的可 生物降解性能h ”。 硝基苯类化合物不仅性质稳定，而且对生物的毒性很大，通常该类化合物都是高毒性、强 致癌性物质，毒性一般为其他化合物的2 0 3 0 倍。它们对人体的主要毒性是引起血红蛋白变质， 慢性接触可引起神经功能改变外，还可导致肝脏损害。该类化合物广泛存在于水体和土壤中， 造成严重的环境污染，当前对人类身体构成严重威胁的心脑血管疾病、恶性肿瘤等就与环境中 化学物质过高有着密切的关系，不容忽视m 1 。因此，国家对硝基苯类化合物在废水中的浓度有 严格的控制，规定其最高允许排放浓度为：一级标准2 0m g l ，二级标准3 0m g l ，三级标准5 0 m g l 【1 0 1 。 然而目前大部分化工企业生产工艺落后，生产效率低下，副反应复杂，造成三废污染严重， 已经到了刻不容缓亟待解决的地步。根据国外相对成功的实践经验，开发和尽量采用少废、无 废新技术，改革工艺，建立尽可能无废水排放的相对循环水闭路系统，将污染控制在生产过程 中，是控制此类化工污染的最根本、最有效途径陋1 。这也恰恰与时下国内提倡的“清洁生产” 的宗旨相吻合。然而从实际情况来看，要想从工艺上根治此类污染决不是一朝一夕的事，这需 要相当长的时间来摸索和实践，需要进行大量的科学研究。因此，对含硝基苯类化合物废水的 综合治理的研究就具有重要意义。 1 1 硝基苯类化工废水处理的研究现状 目前，国内外对该类化合物的处理方法很多，可分为三类：物理法、化学法和生物法1 副。 1 1 1 物理法 物理法主要有吸附法、萃取法、混凝沉淀法、蒸馏法和超滤法等。 吸附法主要处理用生化法难于降解的有机物或用一般氧化法难于氧化的溶解性有机物，包 括卤素、木质素或硝基取代的芳烃化合物、杂环化合物、洗涤剂等。吸附剂在对此类废水处理 的过程中，不但能够吸附这些难于降解的有机物，降低c o d e r ，还能使废水脱色、去臭，将废 水处理到可回用的程度。常用的吸附剂有活性炭、硅藻土、铝矾石、矿渣和树脂等，其中活性 3 微生物学硕士论文白腐菌一细菌协同处理硝基苯类废水研究 炭较为常用。r a j a g o p a l 等人n 引用颗粒状活性炭作为吸附剂处理硝基苯废水，并建立了一个预测 吸收的动力学模型，处理量较大。但由于传统的颗粒状活性炭存在材料机械强度低，使用寿命 短等缺陷，许中其等人n 训采用活性碳纤维处理硝基苯废水，结果表明该材料具有吸附容量大， 吸附速度快的优点。 萃取法是采用与水不相溶的有机溶剂做萃取剂，利用污染物在水和溶剂中不同的分配比分 离和提取污染物，从而净化废水。林中祥瞳叫采用三辛胺一煤油做萃取剂处理间二硝基苯生产废 水，在p h = 1 0 ，废水：萃取剂：煤油为1 0 0 ：1 0 ：3 0 的条件下，经三级萃取，废水的c o d e r 去除率达 9 5 以上，硝基物去除率达9 8 以上，萃取剂经n a o h 处理后可循环利用。萃取法处理硝基苯类 废水的优点是周期短、处理量大，但总的来说，萃取剂回收困难，因此用这种方法处理硝基苯 类化工废水的过程中易造成二次污染。因此，该法在实际应用中受到很大限制。 除此之外还有混凝沉淀法、蒸馏法和超滤法等。如对于成分复杂的硝基苯类生产废水经常 采用聚合硫酸铁与生石灰配合使用效果好，但要沉淀较长的时间u 引；对于沸点较低的硝基苯类 化合物可用蒸馏法去除。 物理法虽然可暂时去除废水中的有害物质， 来二次污染，同时还存在成本高的问题，因此， 术的进步，与之相对应的价格和再生成本下降， 1 1 2 化学法 但并不能使这些物质得到根本的处理，还会带 效果并不十分理想。当然随着科学的发展，技 物理法完全会有广阔的应用前景。 与物理法相比，化学法具有处理彻底且二次污染少的优点。化学氧化法是应用最多的一种 处理硝基苯类化合物废水的方法，目前，高级氧化技术( a o p s ) 作为一种新的较有效的处理难 降解有机废水的化学氧化技术，己取得了显著的进展，也是废水处理中的一个热点。该技术主 要是利用高活性的自由基在特殊环境条件下氧化降解废水中的有机物，在短时间内实现对有机 物的完全矿化，且不受废水的种类、成分、浓度的限制。 该法主要有f e n t o n 试剂法、电化学氧化法、臭氧组合氧化法、超临界水氧化法等晗卜竹1 。 f e n t o n 试剂是一种很强的氧化剂，朱秀华等晗钊利用f e n t o n 试剂预处理硝基苯废水，可使废水 的可生化值( b o d c o d ) 有较大幅度的提高。近年来电化学法作为生物处理的有效预处理方法， 同样引起了人们越来越大的兴趣：杨丽心利采用铁炭内电解法对苯胺生产废水中硝基苯进行预处 理，再经s b r 生化法处理，可有效除去废水中的有机污染物。臭氧组合处理法作为一种有效的氧化 剂在废水处理中具有广泛的应用。但是单独使用具有利用率低、氧化能力不足和臭氧含量低等 缺点，因此，近年来臭氧与其他方法组合使用得到了较快的发展。超临界氧化法是一种快速、 高效去除污水中有毒、有害有机物的方法，一些用其它方法不能有效去除的污染物，用此法能 够有效深度处理，使之生成无毒、无害的c 0 2 和h 2 0 等，因此超l f 缶界水氧化技术在处理有机废水 4 微生物学硕士论文白腐菌一细菌协同处理硝基苯类废水研究 领域具有时间短、耗能少、效率高及无害副产物少等优点，但应用此法需解决高压反应器腐蚀 和盐沉积较严重等的问题。 化学法是治理生物难降解有机有毒污染物的主要手段，对硝基苯类废水有较好的处理效果， 具有高效、彻底、快速、二次污染少和对有机物降解无特殊选择性等优点。但是，该法的运转 费用和成本过高、反应条件苛刻、企业不堪重负是目前存在的主要问题，这在一定程度上使得 该法在实际应用中受到一些限制。 1 1 3 生物法 鉴于以上两种方法存在二次污染和处理成本较高的问题，局限性较大，而相对而言生物法 处理成本低也无二次污染，且微生物又具有较强的可变异性及适应性，因此已成为目前国内外 处理此类废水的理想方法n 引。生物法多种多样，形式各异，但原理基本相同，就是在微生物 的作用下，以它们分泌的各种酶为催化剂，使苯环活化而发生氧化裂解( 厌氧消化除外) ，再 加上其他措施，使废水处理后无害排放。大致可分为厌氧消化法和好氧活性污泥法等。 1 1 3 1 厌氧消化法 该法主要是利用各种微生物在厌氧条件的共同作用使有机物分解并生成c h 4 和c 0 2 。在厌氧 条件下，硝基苯类化合物中的硝基被还原为胺基，生成的胺类化合物又进一步被降解。虽然厌 氧条件下，硝基苯类化合物可转化成易降解的中间产物，但不能使其最终矿化，因而后续工艺 常采用好氧的方法，从而达到完全降解的目的。任源等幢83 采用厌氧一好氧处理硝基苯废水，研 究表明，进水硝基苯浓度为3 0 0 8 0 0 m g l ，c o d 为15 0 0 - 3 0 0 0 m g l ，经厌氧处理2 4 h ，硝基苯转化 率 9 0 ，c o d 去除率为2 0 3 0 ，好氧处理1 2 h 后，总c o d 去除率达6 0 7 0 0 0 。曾苏等人他们通 过接种硝基苯降解菌于厌氧序批式反应器，研究静态试验条件下和厌氧序批式工艺对硝基苯的 降解规律，研究表明，在初始浓度为1 2 0 5 2 m g l 的条件下，经过一个周期，硝基苯的去除率达 8 3 8 9 。 1 1 3 2 活性污泥法 该法是一种应用甚为广泛的好氧生物处理法，主要由曝气池和沉淀池组成。活性污泥是以 好氧细菌为主体所形成的绒粒，混杂着污水中的有机性和无机性悬浮物质及胶体物质，并在其 表面上附聚着种种不同的原生动物等。因此，活性污泥是一种很复杂的物质，良好的污泥从外 观上来看，一般呈茶褐色，几乎没有臭味并稍有泥土的气味。 自1 9 1 4 年活性污泥的概念被提出以来，经过9 0 年的发展，活性污泥法己克服了传统的毒物 5 微生物学硕士论文白腐菌一细菌协同处理硝基苯类废水研究 承担能力低、不适应冲击负荷、曝气负荷低、污泥产生量大等缺点，在实际应用中常加以改良 或采用与其它方法相结合的手段。冯晓西等m 1 采用氧化还原、a c s b r 生化处理硝基苯废水， 取得了明显的降解效果；b e l l 等b “利用f e 一好氧工艺处理硝基苯废水，粒状的铁单质把硝基苯 还原成苯氨，由好氧工艺进一步处理，处理效果达到理想程度。p a r t h as a r a t h im a j u m d e r 等j k 啪1 利用生物滤池一活性污泥工艺降解硝基苯废水，在水利停留时间为2 9 5 5 h 的条件下，硝基苯去 除率为9 7 9 3 。 张键等口3 1 采用f e n t o n 试剂一微电解一厌氧滤池( a f ) 一序批式活性污泥法( s b r ) 工艺处理高 浓度硝基苯类废水。连续运行结果表明，该处理工艺对此类高浓度硝基苯类废水处理效果良好， 在进水c o d c r 质量浓度为1 1 2 4 0 m g l 时，c o d c r 的总去除率大于9 9 ，出水水质的各项主要指 标达到污水综合排放标准( g b8 9 7 8 - - - - 1 9 9 6 ) 中的一级排放标准，操作运行稳定，是处理高浓 度硝基苯类废水的有效方法之一。 然而一般含硝基苯类化合物废水有很高的毒性，且硝基苯类化合物难以生化降解，因此如 何提高硝基苯类化合物废水的可生化性是解决问题的关键( 废水的可生化性是直接反映废水中 污染物可生物降解的程度，它又间接反映出废水中可快速生物降解污染物的多少，所以它既是 影响硝化、脱氮和污染物去除的首要因素，同时也是影响处理工艺工况条件、基建费用和处理 成本的关键因素) 。 采用物理化学预处理法与生物法联合作用，通过预处理来改变硝基苯类化合物的分子结构， 降低废水的毒性，提高废水的可生化性，然后采用生物法处理，是去除废水中硝基苯类化合物 的有效途径。如有人采用“混凝一电化学还原一中和沉淀一厌氧水解一生物接触氧化一生物炭” 工艺处理含硝基苯类化合物废水，研究结果表明，物化预处理大大提高了废水的可生化降解性， 为后续的生物处理创造了条件，废水中各类污染物的去除率均能达到9 0 以上，出水水质达到 了二级排放标准，实现了硝基苯类化合物废水污染的有效控制。有人采用微电解与生物工艺结 合处理硝基类废水，废水的c o d c r 总去除率为8 6 ，硝基苯的去除率达到9 9 。有人采用f e n t o n 试剂法预处理，厌氧好氧工艺处理硝基苯废水，硝基苯降解率达9 9 ，c o d c r 总去除率达 6 5 7 0 ，色度去除率大于7 0 。 安立超副先用混凝的方法进行前处理，去掉部分污染物，减轻后续处理单元的负荷。而后 采用化学氧化，催化氧化，电化学还原等方法破坏或改变污染物的分子结构，使其向易生物降 解的分子结构转变。在一定条件下，最大限度地提高了废水可生物降解性，降低毒性，才能保 证高效率地利用微生物来降解有机污染物。这就为生物降解处理方式提供了基础。李海燕，黄 廷等人n 6 1 采用“混凝一电化学还原一中和沉淀一厌氧水解一生物接触氧化一生物炭”工艺处理 含硝基苯类化合物废水，对处理机制进行了探讨，结果表明，物化预处理对各污染物有一定程 度的去除，且大大提高了废水的可生化降解性，为后续的生物处理创造了条件。经该工艺处理 6 微生物学硕士论文 白腐菌一细菌协同处理硝基苯类废水研究 后，废水中各类污染物的去除率均能达至u 9 0 以上，出水水质达到了二级排放标准，实现了硝 基苯类化合物废水污染的有效控制。杨丽晗引采用铁炭内电解法对苯胺生产废水中硝基苯进行预 处理。再经s b r 生化法处理，可有效除去废水中的有机污染物。 硝基苯类化合物具有高毒性和难降解性，它们结构稳定，不易分解转化，种类多而复杂。 对于硝基苯类化合物而言，由于硝基的吸电子性使得苯环上的电子云密度下降，从而使氧化酶 的亲电子行为受阻，导致了硝基苯类化合物极难生化降解u 引。目前，利用白腐菌处理硝基苯类 化合物废水受到了人们的关注。 1 2 白腐菌在废水治理中的应用 1 2 1 白腐菌的特点 近年来越来越多的研究表明，白腐菌能降解其它微生物无法或很难降解的污染物，尤其是 能降解某些含有芳香环的和毒性较大的污染物，被认为是环境保护的一支奇兵m3 5 1 。以目前国 内外研究最多的白腐菌的典型菌种黄孢原毛平革菌( p h a n e r o c h a e t e c h r y s o s p o r i u m ) 为例，它 是一类丝状真菌，属担子菌亚纲中的菌覃类，它能腐生在木材和树木上，降解木材中的木质素 使之呈现出白色腐朽。其原因在于该菌产生的胞外酶木质素过氧化物酶( l i g i np e r o x i d a s e ， 简称l i p ) ，锰过氧化物酶( m n - - - d e p e n d e n tp e r o x i d a s e ，简称m n p ) 和以及在菌体内分泌的漆酶 ( 1 a c c a s e ，简称l a c ) 等。它们都是降解木质素的主要酶类，其降解过程包括木质素碳水化合 物结合体的分解，苯基丙烷的分解，侧链分解以及芳香环结构的开裂。l i p 的活性较高，它可利 用电子传递过程将底物由酶的表面迁移至酶的活性中心部位，使底物与酶活性中心部位的血红 素辅基发生作用，因此l i p 可将酶表面的高分子底物直接氧化，还可将木质素的主要构造非 苯酚结构的链断裂旧”驯。 白腐菌的生物学特性决定了它除了降解木质素外，还对一些含有芳香环结构的和有较大毒 性的污染物，特别是毒性很强的难降解有机物如多环芳烃类化合物，氯代芳烃化合物以及各种 农药等有着独特的降解能力和广阔的应用前景口引。 1 2 2 白腐菌的降解机理 白腐菌对各种环境污染的降解过程，是生物学机制和一般化学过程的有机结合。目前研究 人员认为自腐菌降解有机污染物的过程分为细胞内和细胞外过程旧5 删。在细胞内过程中，主要 合成白腐菌降解有机污染物需要的一系列酶。首先是细胞内葡萄糖酶和细胞外乙二醛氧化酶， 它们在分子氧( 外界曝气供给) 参与下氧化污染物并形成h 2 0 2 ，激活过氧化物酶而启动酶的催化 循环，与此同时，合成重要的木质素过氧化酶。在细胞外过程，木质素过氧化酶作为一种高效 7 微生物学硕士论文白腐菌一细菌协同处理硝基苯类废水研究 催化剂参与反应，先形成高活性的酶中间体，将化学物质r h ( 如多环芳烃：染料、t m 等) 氧化成 自由基r ，继而以链反应形式产生许多不同的自由基，促使底物氧化。这种自由基反应是高度 非特异性和无立体选择性的，使得白腐菌与底物之间并非酶与底物的一一对应关系，故对污染 物的降解呈现广谱特性。 1 2 3 白腐菌的降解优势 白腐菌对污染物的独特降解机理决定了它具有其他生物修复技术所无法拟比的优点 鞠1 。 ( 1 ) 降解底物的非专一性。与其它微生物不同，自腐菌是通过l i p 和m 1 1 p 与h 2 0 2 作用产生o h 自 由基引发对芳香化台物的降解过程，自腐菌具有对所有芳香化合物直接或潜在的降解能力； 白腐菌的非专一性降解机制使其能降解甚至矿化多种成分复杂的化合物，相比之下，细菌 对降解底物专一性较强，只有在多菌种的共同作用下，才能达到相似的降解效果。 ( 2 ) 不需要经过特定污染物的预条件化。用细菌降解污染物时，细菌必须先置于一定有效浓度 的污染物中才能诱导合成所需的降解酶。这将导致细菌只能将污染物降到有效水平，而白 腐菌的降解酶合成与降解底物的多少无关，它是靠营养限制( 主要是n 源限制) 来启动整个降 解过程的，因此它对污染物浓度几乎没有要求，并且可以将其降到相当低的水平。 ( 3 ) 影响因素的单一性。决定芳香化合物能否被白腐菌降解取决于芳香化合物分子本身的i p 值， i p 值7 7 5 e v 的芳香化合物都能够被l i p 通过单电子氧化途径直接降解，i p 值7 7 5 e v 的 芳香化合物在一定条件下如通过脂肪过氧化途径或共代谢途径也能够被白腐茵降解口4 1 。 ( 4 ) 细胞外降解特征。白腐菌降解系统的核心组成部分位于细胞外，这使得白腐菌的降解系统 可以产生非常强的有效氧化性物质而不构成对细胞的毒害，因此它们能降解不溶性的化学 物质和其他环境污染中的毒性物质。酶催化系统的关键组分即过氧化物酶分泌到细胞外面， 并在细胞外对污染物进行催化氧化。使白腐真菌不受污染物溶解性和毒性的限制：催化氧 化反应的非特异性使其能适应污染物成分和浓度的变化。 ( 5 ) 对其他微生物有较强的拮抗作用。白腐菌的最佳生长p h 较低，生长温度较高，产生降解酶 系往往需要限氮或限碳培养基，不利于其他微生物的生长，易在微生物菌群中保持较大的 份额。在低p h 值，氮和碳限制条件这些逆境中其他微生物生长不好，但这些逆境却促进自 腐菌降解芳香化合物酶系的产生和活性的提高；并且白腐菌能产生象o h 这样的氧自由基， 氧化其他微生物的蛋白质、d n a ，导致它们死亡，因此白腐菌能在竞争上保持一定的优势。 ( 6 ) 对营养物要求不高。白腐菌对营养物的要求不高，可以利用废弃物中的木质纤维等廉价的 物质，如木屑、各类加工剩余物等作为营养源来培养，成本低。而且，白腐菌能在固、液 两种体系中生存，既适用于土壤污染的治理，也适用于水体污染的治理，因此白腐菌可广 泛的在土壤污染和水污染体系中起到降解作用。 8 微生物学硕士论文 白腐菌一细菌协同处理硝基苯类废水研究 ( 7 ) 白腐菌降解芳香化合物的产物主要转变为c 0 2 和生物量本身，不会诱发二次污染。 1 2 4 白腐菌在废水治理中的应用 将白腐菌应用于环境污染治理的最初和最多的实践，是在废水污染控制领域。 八十年代初t i e n 和g o l d 等人因首次从白腐真菌分离到两类与降解活动有关的过氧化物酶而 震动了生物界和工业界。随着这类菌所能降解的污染物种类的逐渐增多，对降解原理的深入揭 示，今天这种震动己波及化学化工界、环境工程界，并越来越强烈。因其广泛的应用前景，在 国外白腐菌被列为2 0 世纪9 0 年代的高科技产品。印染工业和染料生产工业的有色废水、制浆造 纸工业废水、军工废水、化学工业废水、农药废水等，都可以利用白腐菌进行处理。这主要是 因为白腐真菌对各种异生物质的有效降解能力。白腐菌能够有效地降解多种难降解的污染物， 其独特的细胞外解毒机制使得它能承受并降解相当浓度的有毒物质。除此之外，白腐菌在难降 解硝基苯类化合物废水的治理中也显示了其较强的降解能力。白腐菌在降解废水中其他有机物 的同时，能迅速将硝基苯类的苯环打开氧化1 。 有文献报导m 3 ，白腐菌是降解芳香化合物能力最强的微生物。王庆生h 等利用白腐菌对硝 基苯类化工废水进行好氧生化降解实验研究中，在常温( 2 5 ) 、p h 值为7 ，进水c o d 为2 0 0 0m g l 、 硝基苯类进水质量浓度为1 0 0m g l 、停留时间为6 0h 的条件下，c o d 降解率达至u 9 9 。林鹿等旧1 在研究中发现，白腐菌培养7 d ，硝基苯类化合物去除率可达8 4 6 。由于这种独特的优势，近年 来备受世界各国包括科学界及工业界在内的高度重视。对白腐菌生化治理其它含苯环的有机废 水的研究中人们发现，白腐菌能把废水中的苯环打开，并最终使废水矿化，这一发现给白腐菌 处理有机废水提供了广泛的应用前景。1 9 9 1 年，美国应用与环境微生物杂志报道了白腐菌 将难降解物质t n t 中的苯环打开，t n t 降解率达3 0 ，引起国内外研究者的兴趣。此后国外报 导了白腐菌治理t n t 红水的文章，取得了一定进展4 5 1 。白腐菌在处理含硝化甘油、d n t 废水的 应用中也产生了较好的效果1 。f e m a n d ot u d o r 等m 利用1 4 c 标志的t n t 及黑索今分析了白腐菌 降解t n t 及黑索今的矿化过程。在3 0 天内白腐菌可以将废水中5 0 8 d ：3 2 的h ct n t 转变为 1 4 c 0 2 ，且只有2 8 的t n t 被回收。同时可将6 6 6 ：k 4 1 的1 4 cr d x 转变为4 c 0 2 ，且只有4 的r d x 被回收。土壤中，有6 3 ：k o 6 的h ct n t 被矿化，7 6 0 士3 9 的1 4 cr d x 转化为1 4 c o z 。这表明 白腐菌可用于降解被t n t 污染的废水及土壤。林锦美，唐婉莹等f 4 刊利用白腐菌处理黑索今废水也 取得了显著的效果。 1 2 5 白腐菌的固定化 固定化的白腐菌对很多种化工废水的降解作用更为明显。微生物固定化技术是指通过化学 或物理的手段将游离细胞定位于限定的空间区域，使之保持生物活性并能反复利用的方法。固 9 微生物学硕士论文 白腐菌一细菌协同处理硝基苯类废水研究 定化细胞技术由于可以固定高效微生物菌群、优势菌种或能降解特殊污染物的基因工程菌，生 物处理构筑物中的微生物浓度远远高于传统生物处理法，因此显著提高了化工废水中有毒、难 生物降解污染物的生物降解能力；固定化载体所形成的好氧区、兼氧区、厌氧区，为硝化菌、 反硝化菌以及各种微生物的生长提供了适宜的微环境，使硝化、反硝化过程同时进行，提高了 生物脱氮的效率。用载体结合法固定高效微生物菌群，处理难降解的煤气厂焦化废水、高氨氮 和高含硫综合废水的中试及工业化试验的成功，使固定化细胞技术与其他的生物处理技术相比 的优越性初现端倪陋5 1 1 。 固定化微生物能表现出更高的降解有毒化合物的能力。5 引。固定化细胞具有细胞密度大、 反应速度快、微生物流失少、产物容易分离、反应过程控制较容易等优点，与游离细胞相比， 优势明显哺。 1 2 5 1 白腐菌细胞的固定化方法 白腐菌细胞的固定方法一般分为吸附法、包埋法。吸附法主要是由于菌丝与载体接触时易 于自然吸附，所用载体范围较广，从具有高度吸附能力的活性炭、硅胶、煤渣、氧化铝、多孔玻 璃、石英砂到聚氨酯、聚乙烯、尼龙等人工合成物。吸附法操作简便，成本低，可反复利用，因此 在实际生产中广泛应用。但菌体与吸附剂结合不牢固，细胞易脱落，反应稳定性差。包埋固定法 是将微生物菌丝或孢子悬浮液与固定化载体溶液混匀，在冷冻或其他条件下使其形成凝胶并制 成球形或其他形状的颗粒。包埋载体包括天然高分子多糖类的海藻酸钠、海藻酸钙、k 一卡拉胶、 九一卡拉胶。它们具有固化成形方便，对微生物毒性小的特点，但它们抗微生物分解性能差，机械 强度低，活力和传质性能下降。同时包埋载体还包括聚丙烯酰胺、聚氨酯、光硬化树脂、聚乙烯 醇等合成高分子化合物，它们具有抗微生物性能好，机械强度高，化学性能稳定，但聚合物网络形 成条件剧烈，成形多样性和可控性不好等特点哺。 1 2 5 2 固定化白腐菌技术在废水处理中的应用 自7 0 年代中期采用固定化细胞技术处理含氰废水后，国内外学者在固定化微生物处理各类 废水方面作了大量的研究。由于各种化工废水的难处理性而白腐菌对此类废水处理具有独特优 势，就促使白腐菌成为近年来研究热点，而为提高处理效果采用固定化技术的研究也日趋活跃。 赵德清等人1 以煤渣作为吸附载体，将白腐菌菌丝体固定吸附在煤渣表面，底部通入压缩 空气，用循环水泵将废水从贮存池连续不断地泵入反应器，在不添加任何外源营养物条件下， 脱墨废水有较好的处理效果。 m e s s n e r 等人池1 应用生物滴滤器原理开发f l 勺m y c o p o r 反应器，将白腐菌p c h r y s o s p o r i u m 固定在多孔的载体填料上，废水从顶部滴到载体上，通过后就被净化。经过6 - - 。1 2 h 处理，可去除 l o 微生物学硕士论文白腐菌细菌协同处理硝基苯类废水研究 8 7 、8 0 和4 0 的色度、a o x 和c o d 。 王双飞隋3 1 等研究利用以煤渣为填料吸附固定白腐菌p c h r y s o s p o r i u m 处理苇浆漂白混合废 水，发现其充氧性能好，启动挂膜快，脱膜更新易，很快进入稳定运行状态。连续运行2 个月效果稳 定，c o d c r 去除率6 5 - - 8 5 ，b o d 5 去除率8 9 9 2 ，t o c i 去除率5 8 - 6 2 ，进一步用石灰水 处理可达到排放标准。 s p a l l e r l a 等人旧1 利用聚氨酯固定t v e r s i c o l o r 于流化床反应系统对硫酸盐浆漂白废水进 行处理，初级阶段主要由聚氨酯吸附脱色，吸附饱和后由包埋菌体对废水中有机物进行降解脱 色，效果理想。 g o r d o n 等人4 1 用海藻酸钠包埋白腐菌p c h r y s o s p o r i u m 连续处理二氯酚，降解率可高达 9 6 。l i v e m o c h e 呻剐等人研究发现，用海藻酸钠包埋白腐菌c o r i o l u sv e r s i c o l o r 处理混合漂白废水， 色度在头两天内降解迅速，经3 d 处理色度下降8 0 。而处理e l 段废水，头两天色度下降迅速至原 废水色度的7 5 ，3 一4 d 处理脱色率高达8 0 ，而不用包埋处理脱色率只有6 0 。另外在原废水 稀释条件下，3 d 处理脱色率可高达9 0 ，而原废水脱色6 5 。在通氧情况下含活菌的包埋体重 复使用仍能脱色8 0 。 1 2 5 3 固定化白腐菌的应用前景 固定化白腐菌技术以其独特的优点近年来在漂白废水处理领域中引起了人们的广泛关注， 并进行了大量的实验研究，但在实验室到工业化应用中还存在着诸多问题需要解决协m 1 。 ( 1 ) 选择合适的载体材料以提高处理能力，关于载体对细胞浓度、活性的影响及其传质阻力 的研究有待深入。另外固定化载体的成本及使用寿命是决定其经济可行性的关键，开发研制低费 用、低传质阻力、高强度的固定材料以及开发和设计适合于固定化微生物的生化反应器是固定 化技术的重要课题。 ( 2 ) 硝基苯类废水处理是十分复杂的生物反应过程，用单一菌株固定化处理难达到要求，因 此对废水处理，是采用混合菌株固定化处理，还是采用单一菌株固定化分级处理，或与化学物理 方法处理相结合有待于进一步研究。 ( 3 ) 由于目前还不能精确测定固定化载体中的微生物浓度，因此适用于传统生物处理法的 设计、运行管理和最佳控制的动力学不能用于固定化微生物系统。因此需找出精确测定载体中 的细胞浓度的方法和较佳的动力学处理法，系统管理优化设计，降低成本。 ( 4 ) 白腐菌为丝状真菌，其在固定化颗粒内部的分布不匀，同时白腐菌在降解过程中需提供 氧气，颗粒表面的菌丝接触到氧代谢快，在颗粒表面易成膜，将阻氧气和其他营养物的传递，限制 其对废水处理的效果，因此需通过选择适当的接种量以及限制菌丝膜的形成，包埋载体的选择， 添加量，浓度以及成形形状的控制来减少颗粒体积，增加比表面积，增加氧和营养传递以提高处 微生物学硕士论文 白腐菌一细菌协同处理硝基苯类废水研究 理效果。 通过从以上方面对该技术研究的不断深入以及不断克服目前该技术所存在的问题，必将使 固定化白腐菌技术在硝基苯类化工废水的工业化应用成为可能。 众所周知，白腐菌是在次生代谢阶段产生各种降解酶的1 ，而采用固定化技