（市政工程专业论文）功能白腐菌特性及处理造纸黑液研究.pdf

丫5 7 7 5 1 7 摘要 碱法制浆黑液是一种高浓度、高p h 、 有毒性的工业废水， 给坏境带来严重的 污 染。其中的主要污染物有木质素、纤维素和半纤维素、有机酸、无机盐类等，木质 素，纤维素等难生物降解，单宁等有毒性，所以黑液用生物降解方法处理很困难。 而针对中小造纸企业，现有的碱回收、膜分离等方法都存在较大的缺点。本文的_ l 作旨 在通过筛选出的白腐菌处理黑液的初步研究， 探寻碱法制浆黑液的处理新工艺， 进行了以下几方面的研究工作: 1 、 采用摇瓶中批次培养和间歇补料培养的方式初步研究白腐菌s i b的生理特性 和产酸机制。s i b表现出短的适应期，较长的世代时间，持续的产酸能力。其产酸 最可能是以草酸为主， 可能的合成途径是t c a循环中草酞乙酸的水解和乙醛酸循环 中乙醛酸的氧化。 2 、 白 腐菌s i b处理碱法制浆黑液的各种影响因素的研究， 采用在摇瓶中批次培 养方式。驯化有助于 s i b更快的适应黑液这种恶劣的生长环境，产酸启动稳定。受 黑 液中 的 毒 物 质抑 制， s i b 不 适于 处 理 较浓的 黑 液， c o d负 荷1 0 0 0 0 - - 1 3 0 0 0 m g / l 为 宜。 s i b有较宽的p h适应范围， 但较高的p h有利于产酸。 温度低于2 5 不利于 s i b 对黑 液的 处 理。 较 低的 氧 传 递 有 利于s i b 对黑 液的 处 理。 m g . f e z + , m n z + , z n 2 + . c a 2 + 等 儿 种 金 属 离 对s i b 处 理黑 液的 有 利 影响 不明 显。 外加 碳 源对s i b 产酸 和 菌丝增殖影响明 显， 但出 水c o d升高。 n h + ,p 对s i b处理造纸黑液有不利影响。 3 、 在开放体系下白腐菌s i b处理黑液的研究， 采用摇瓶和气升式反应器两种方 式。s i b通过以生物酸析为主的复合反应去除黑液中的木质素，高的菌丝体负荷有 利于s i b 优势地位的 保持。 气升式反 应器应控制 进水c o d 浓度 在1 1 0 0 0 - 1 3 0 0 0 m g / l , 温度在2 5 - 3 5 c ; 氧总转移系数k l a 取1 . 52 . 5 ; 菌丝体浓度在3 - 5 留 l 的范围内; 无 需加碳源、营养盐、金属离子。 4 、 设计了以s i b 为主要处理单元的碱法制浆黑液处理工艺， 采用s i b 酸析一c d 4 调节一厌氧水解一接触氧化一内电解的工艺，各处理单元的设计水力停留时间依次 宋经会 一 份、 导;邢 心 ;t 勿全文公布 为7 2 小时、 2 4小时、 4 小时、 2 4 小时、 0 .5 小时， 各处理单元的设计c o d去除率依 次为 6 0 % - 7 0 % , 1 0 %, 1 0 % - - 2 0 %, 8 0 % , 6 0 % - 7 0 % , s艺总的设计 c o d去除率 9 7 .% - - 9 8 % 。 经接触氧化单元后c o d达标。 经内电 解脱色单元后， 色度达标。 研究结果对于指导白腐菌s i b进一步应用的研究和中试具有一定的意义。 关键词:白 腐菌 黑液 产酸 气升式反应器 厌氧水解 接触氧化 ab s t r a c t b l a c k l i q u o r o f a l k a l i p u l p in g i s a k i n d o f t o x i c i n d u s t r i a l w a s t e w a t e r w i t h h i g h c o n c e n t r a t i o n a n d h i g h p h . i t b r o u g h t f e a r f u l p o l lu t i o n . t h e m a i n c o n t a m i n a t i o n i n c l u d e s l i g n i n , c e l l u l o s e , h e m i c e l l u l o s e , o r g a n i c a c i d s a n d a b i o s a l t s . s o m e o f t h e m d i f fi c u l t t o b e b i o d e g r a d e d s u c h a s l i g n i n , c e l l u l o s e a n d h e m i c e l l u l o s e , p a rt s a n ds o me p a rt s t h e m a r e t o x ic s u c h as t a n n i c a c i d , s o i t i s d i ff i c u l t t o b e t r e a t e d b y b i o d e g r a d e . t o t h e s m a l l a n d m e d i u m s i z e p a p e r m a k i n g m i l l s , t h e c u r r e n t t r e a t m e n t m e t h o d s s u c h a s a l k a l i r e c o v e r y a n d m e m b r a n e s e p a r a t i o n h a v e s o m e l i m i t a t i o n s . t h e a i m o f t h e r e s e a r c h w o r k i s t r y i n g t o g e t a n e w t r e a t m e n t m e t h o d a s r e s e a r c h t h e t r e a t m e n t o f b l a c k l i q u o r b y w h i t e r o t f u n g u s . t h e s u m m a ry o f t h e w o r k i s a s f o l lo w s : 1 , s e l e c t e d b a t c h c u l t u r e a n d f e d - c u l t u r e i n s h a k i n g fl as k t o r e s e a r c h t h e b i o l o g i c a l c h a r a c t e r s a n d t h e a c i d - p r o d u c i n g m e c h a n i s m o f th e w h i t e r o t f u n g u s s i b . s i b h a s s h o rt a d a p t a t i o n p e r i o d a n d l o n g g e n e r a t i o n in t e r v a l a n d a b i l i t y o f c o n t i n u o u s a c i d p r o d u c i n g . t h e a c i d p r o d u c e d b y s i b h a s b e e n s h o w n t o m o s t p r o b a b l y b e o x a l i c a c i d . t h e b i o s y n t h e s i s o f i t o r i g i n a t e s m o s t p r o b a b l y fr o m i n t e r m e d i a t e s o f t h e t r i c a r b o x y l i c a c i d ( t c a ) c y c l e i n v o l v i n g t h e h y d r o l y t ic c l e a v a g e o f o x a l o a c e t a t e t o o x a l a t e a n d a c e t a t e a n d t h e g l y o x y l i c a c i d c y c l e i n v o lv i n g t h e o x i d a t i o n o f g l y o x y l a t e t o o x a l a t e . 2 , s e l e c t e d b a t c h c u l t u r e i n s h a k i n g fl a s k t o r e s e a r c h s o m e i m p o r t a n t e f f e c t s w h e n s i b w a s b e u s e d t o t r e a t b l a c k l i q u o r . we f o u n d t h a t d o m e s t i c a t i o n w a s h e lp i n g i t t o a d a p t i n g b l a c k l iq u o r m o r e q u i c k l y a n d i m p r o v e t h e s t a b i l i t y o f a c i d p r o d u c i n g . t h e f i t t e s t c o n c e n t r a t i o n r a n g e o f c o d w as 1 1 0 0 0 m g / l t o 1 3 0 0 0 m g / l b e c a u s e t h e t o x i c i t y th a t b o o s t u p w i t h t h e c o d r e s t r a i n e d s i b . t h e h i g h p h p r o m o t e d t h e a b i l i t y o f a c i d p r o d u c i n g w h i l e t h e p h w as in t h e w i d e l y f i t t in g r a n g e . t h e t e m p e r a t u r e u n d e r 2 5 0c w a s h a r m f u l b u t t h e l o w o x y g e n tr a n s f e r a m o u n t w a s h e lp f u l t o t h e t r e a t m e n t b y s 1 b . m g t + , f e e + , m n 2 + , z n 2 + , c a 2 + h a d n t d is t i n c t h e lp f u l e f f e c t t o th e tr e a t m e n t b y s 1 b . a d d i ti o n a l m c a r b o n r e s o u r c e s i m p r o v e d t h e a c i d p r o d u c i n g a n d p r o l i f e r a t e h a d h i g h e r c o d th a n w i t h o u t i t . n h + a n d p w e r e h a r m f u l t o t h e o f m y c e l i a b u t t h e e f fl u e n t t r e a t m e n t b y s i b . 3 , s e l e c t e d b a t c h c u l t u r e i n s h a k i n g fl a s k a n d f e d - c u l t u r e i n a i r l i f t b i o r e a c t o r t o r e s e a r c h th e t r e a t m e n t o f b l a c k l i q u o r b y s i b i n o p e n s y s t e m . i t w a s s h o w t h a t a g o o d r e s u l t o f l i g n i n r e m o v e h a d b e e n a c h i e v e d b y a m u i lt - b i o r e a c t o f w h i c h b i o - a c i d a t i o n p r e c i p i t a t i o n o f l i g n i n w a s t h e p r i n c i p a l p a rt . t h e h i g h e r m y c e l i a m a s s l o a d w a s h e l p f u l t o k e e p t h e d o m i n a n c e i n o p e n s y s t e m . w e f o u n d o u t t h e f o l l o w i n g c o n d i t i o n s a r e t h e m o s t s u it a b le i n a i r li ft b i o r e a c t o r : t h e c o d o f i n fl o w f r o m 1 1 0 0 0 m g / l t o 1 3 0 0 0 m g / l , t h e t e m p e r a t u r e f r o m 2 5 c t o 3 5 0c , t h e k l a o f o x y g e n t r a n s f e r f r o m 1 .5 t o 2 .5 a n d t h e m y c e l i a m a s s l o a d fr o m 3 g / l t o 5 岁 l . a d d i t i o n a l c a r b o n r e s o u r c e s , n u t r i t i o n a l s a lt a n d a d d i t i o n a l m e t a l e l e m e n t w e r e n o t n e c e s s a r y . 4 , t h e p r o c e s s w a y w a s d e s i g n e d t o t r e a t b l a c k l i q u o r o f a l k a l i p u l p i n g , w h i c h p r i n c ip a l u n i t w a s t r e a t m e n t b y s i b . i t i n c l u d e d 5 u n i t s s u c h a s s i b t r e a t m e n t , c d 4 tr e a t m e n t , a n a e r o b i c h 川r o l y z e , c o n t a c t o x i d a t i o n a n d m i c r o e l e c t r o l y s i s , a n d t h e h r t s o f t h e s e u n i t s w e r e 7 2 h o u r s、2 4 h o u r s , 4 h o u r s , 2 4 h o u r s , 0 . 5 h o u r s i n t u rn, a n d t h e d e s i g n e d c o d r e m o v a l r a t e s o f t h e s e u n i t s w e r e 6 0 % 7 0 %, 1 0 %, 1 0 % - 2 0 %, 8 0 %, 6 0 % - 7 0 % i n t u rn. t h e t o t a l d e s i g n e d c o d r e m o v a l r a t e s o f t h e p r o c e s s w a y w a s 9 7 % - 9 8 %. t h e c o d a ft e r c o n t a c t o x i d a t i o n u n i t m e t t h e d i s c h a r g e s t a n d a r d . t h e c o l o r o f m i c r o e l e c t r o l y s i s u n it m e t t h e d i s c h a r g e s t a n d a r d . t h i s s t u d y i s c o n s i d e r e d t o b e h e l p f u l f o r t h e f a rt h e r r e s e a r c h a n d t h e p i l o t - s c a l e r e s e a r c h . k e y w o r d s : w h i t e r o t f u n g u s ; b l a c k l i q u o r ; a c i d p r o d u c in g ; a i r l i ft b i o r e a c t o r ; a n a e r o b i c h y d r o l y z e ; c o n t a c t o x i d a t i o n 1 绪论 1 . 1 造纸工业废水污染现状 造纸工业以植物纤维为主要原料，生产过程水量消耗大，产生的污染物多。造 纸工业是对环境污染较严重的行业之一， 其主要污染来自 制浆过程产生的各种废水， 以蒸煮黑液为最。废水中含有大量的纤维素、木质素以及化学药品等，化学耗氧量 大，是世人所注目的污染源，它能引起整个水体污染和生态环境的严重破坏。美国 将造纸废水列为公害之一。据联合国环境组织估计，全世界造纸工业每年所排的废 水超过2 7 4 亿吨，悬浮性固体5 9 4万吨，硫化物 1 0 0 万吨。美国造纸工业废水占工 业废水总量 1 5 %以上，日本占6 0 %，瑞典和芬兰造纸工业废水排入水源的b o d 5 量 约占 全部工业废水b o d 5 总量的8 0 % 以 上 u 我国造纸工业虽然在总产量上已跃居世界第三位，但存在着原材料短缺、资源 与能源消耗高、企业生产规模小、总体技术与装备落后等问题。我国麦草浆的年产 量约6 0 0 -7 0 0 万吨，化学木浆年产量 1 0 0 多万吨，芦苇浆约6 0 万吨，蔗渣浆约6 0 万吨。 木、 苇、 蔗渣三个重点浆种年产量的总和还不及麦草浆的一半2 7 。 麦草浆仍是 我国造纸原料的支柱。当今，世界上越来越限制森林的砍伐，我国也开始限制原始 森林的砍伐。木材原料的价格将会逐年上扬。麦草年年新生，且价格低廉，不会有 太大的波动，麦草制浆的成本有竞争的优势。在短期内或是一段时期内，麦草浆仍 将是我国造纸的主要原料，如何做好麦草碱法制浆废水的治理是我国造纸行业的重 中之重。 能否解决好我国造纸工业的水污染问题，不仅关系到造纸行业自身的生存与发 展，也关系到我国生态环境质量的改善。据中国轻工部的初步统计，我国约近万家 大大小小的造纸厂，遍布全国城乡各地。我国造纸废水排放量大，每生产 1吨成品 纸，耗水量2 0 0 4 0 0 吨，1 9 9 9 年排放造纸废水约为1 7 亿吨，约占工业废水总排放 量的1 6 .4 %， 约占 全国 废水总排放量的i 1 % 13 1 ， 仅次于化工、 钢铁工业， 排放量超过 了制糖、印染、制革、油脂、洗涤剂等轻工业，可谓废水大户。造纸废水污染严重， 一个纸厂往往可污染整条河流，严重的危害着人们的健康，已经引起社会的极大关 注 。 1 . 2 草碱法制桨黑液的产生 目前国内造纸工业普遍采用碱法制浆，特别是文化用纸的生产，蒸煮过程中按 纸浆需要适当地除去原料中的木素， 使得纤维之间的结合力下降， 促使其解离成浆， 同时使原料中的脂肪等皂化除去，也不可避免地有纤维素、半纤维素的降解。在蒸 煮过程中，脱木素反应是最重要的反应，反应的结果是木素大分子裂开，生成碱木 素，使之从原料中溶解出来，产生大量的污染物，形成黑液。 och 个凸叨丫 o c h 3 h s col l hc0h l h coh ri自脚 十0h h a间丫 x c o x + o hc coh hh气 00.，.we穿 。c1心1八b甲10 hh/卜卜、-i l hc -0 1 h c- 0 王 1 o c h s oh 一 一争 十 oh 。 ，。 : 。 ia! l och. och. ooh. 一、1.入且 ic.刃1、a护|0 ih了“11、 oh 图1 一1 碱法制浆过程中木素的尽 一 芳基醚键的断链反应 n a o h与木素的作用， 主要是裂开木素结构中的酚醚键及木素与碳水化合物之间 的键， 使木素大分子碎裂成较小的分子溶于碱液中。 在木素大分子中大部分是/- 一芳 基醚键连接， a 一芳基醚的裂开是木素用碱处理时主要碎裂反应。 图1 -1 为0 芳基 醚的裂开反应:1 4 1 醚键的裂开导致产生新的酚轻基，酚轻基具有弱酸性，增加了对碱的溶解性。 而且酚醚键裂开使木素大分子变小而逐步溶于碱液中。同时，还发生有纤维素和半 纤维素的剥皮反应、 终止反 应( 即 稳定反应) 和碱性水解， 使得一些木聚糖， 葡萄糖尾 酸基，甲氧基脱出来，溶解到碱液里面。用碱法制浆的黑液中的污染物，由有机物 与无机物两部分组成，有机物包括:植物纤维原料溶出的木素、半纤维素和纤维素 的降解物及有机酸等，无机物包括:游离的氢氧化钠、硫化钠、碳酸钠、硫酸钠以 及与有机物化合的钠、二氧化硅等。 1 .3 麦草碱法制浆黑液的性质 表 1 - 1 备料方式 用碱鱿/( %， 慈酉 r 用量/ % 液化比 麦草 碱法制浆造纸现场采集的黑 液的 _ 1 艺条 件、 组成与理化 指标 以na o h) 全程蒸煮时间/ m i n 成浆硬度 ( 卡伯值) 残碱 耸/ ( g .l : i ) p h值 黑液浓度 ( 2 0 0c ) / b e 司 形 物含量 / off oo s i0 : 含 最 / ( g -l - ) s 1 0 2 含量/ % 有效 碱/ ( g .l i ) 有效碱/0/0 有机物/ 无机物 发 热 星 / ( k j -g - ) 酸 析 木 质 素 /( g l - i) c o d c r / ( m g - l - ) b o d s / ( m g l - ) 数据为多次测量平均值 表示该组分占总固形物 千法 1 4 . 2 - 1 4 . 7 0 . 0 5 1:2 . 7 1 8 0 - 2 1 0 1 1 - 1 4 9 . 1 - 1 2 1 3 . 2 9 7 . 2 4 8 . 8 7 3 . 1 5 5 . 2 5 4 . 8 0 2 . 2 0 1 0 . 3 1 2 6 4 1 2 0 0 0 0 3 4 5 0 0 ( t s )的百分含量 1 . 4 麦草碱法制浆黑液现有的处理工艺及特点 近儿年来随着造纸工业的迅速发展，科学技术的不断进步，综合利用率的逐步 提高，黑液的治理也取得了一定的进步。其终端治理技术主要有碱回收法、酸析法、 生物法、化学絮凝法、膜分离法。 1 ) 碱回收法 将高浓度提取的黑液再蒸发浓缩，利用黑液中的有机物 ( 以及外加助燃成份) 燃烧时产生的热量，使得黑液里面的木质素钠盐等转化为无机钠盐，无机钠盐 ( 和 其他无机物) 在高温下呈熔融状态从炉内 流出，溶解到水或者稀碱液里面，即形成 绿液，用石灰与绿液中的无机钠t hrt n 反应生成氢氧化钠，得到可以用于蒸煮的碱液， 苛化后沉淀的碳酸钙 ( 白泥)可以再利用。 目前，国内外造纸工业普遍采用碱法制浆，多年来，国内外科学家们一直在致 力于寻找经济有效的黑液治理和资源化技术技术。己被普遍采用的是碱回收技术和 相配套的污水处理系统，尤其是在欧美国家，浆种多以木浆为主，生产规模大多在 年产量 5 万吨以上，生产工艺也较为先进，碱回收技术被广泛使用并在技术上不断 更新。能收到较好的经济效益和环境效益。大型木浆厂碱回收率己达 9 0 %，非木原 料纸浆厂碱回收率约7 0 % ， 草浆厂碱回收率在5 0 % 6 0 % t5 l 。 现在工业应用成熟的 碱 回收技术是黑液浓缩燃烧法，目 前实验室碱回收技术研究方向有混合焙烧碱回收技 术、直接碱回收技术，发展到闪速热解汽化碱回收技术。碱回收的主要优点: 燃烧黑液中的固形物 ( 主要是有机物) 产生热能，此热量可完全循环利用在 碱回收或者造纸过程中。 碱回收的主要产品 烧碱 ( n a o h )出路直接，可回用本厂蒸煮车间。 碱回收主要缺点: 碱回收技术投资大、能耗高、工艺复杂，对备料、黑液的提取以及除硅要求很 高。特别是我国大部分造纸厂使用草料作为原料，产生的黑液含硅量极大，固形物 热值低， 使用传统的 碱回收技术时， 浓缩设备和燃烧喷嘴的 硅结垢问 题难解决6 1 l 1 燃烧时通常需要加入燃油助燃，使得碱回收不经济，且连续运行变得十分困难。因 此，在目前或今后相当长一段时间内，很难做到国内年产量在一万吨以上的碱法浆 厂都上碱回收工程18 1 ， 更不用说中小 造纸厂了。 2 ) 化 学 a * 法 9 10 在混凝剂的作用下， 通过压缩微颗粒表面双电 层，降低界面 右电 位、电中和等 电化学过程，以及桥联、网捕、吸附等物理化学过程，将废水中的悬浮物一 胶体和可 絮凝的其他物质凝聚成“ 絮团， ，再经沉降设备或者过滤设备的絮凝后的废水进行固 液分离，“ 絮团” 成为泥浆，清液则为色度和浊度较低的清水。清液再进行生物处理。 这种方法的优点:设备投资比较低，操作简便。 缺点:构筑物单元多，体积大，占地面积大，运行费用特别是药剂费用过高， 会产生大量污泥，存在二次污染问题。 3 ) 酸析法 木质素是一种具有复杂结构的多 l 基酚类化合物 ， 蒸煮后木素与碱反应生成碱 钠木素， 也可表示为r o n a o 黑液中 碱钠木素呈胶束结构， 表面带正电 荷， 当 用酸酸化， 羚基 和 酚基 上的n a 被h + 取 代， 变为 不溶于 水的 酸 ( 又 称酸 析 木素 ) ， 并带负电 荷， 具 有 很强的吸附 性， 可吸附带正电的 碱钠木素构成木素钠盐析。用无机酸将碱性的黑液调 到p h 4 . 0 以 下， 木质素有9 0 % 以 上的 从黑液中 沉淀析出， c o d去除率可达7 0 % 左右 1 1 1 2 1 酸析法也是一种资源化综合利用技术。将黑液中的木质素提取出来，可能利用 到许多领域，比如成熟的工艺是将木质素磺化后制成木质素磺酸盐，具有较好的分 散性和较低的表面张力，可用于混凝土减水剂，粘接剂，分散剂等，用途十分广泛。 但由于酸析时无机酸的加入量较大，增加了二次污染，清液呈强酸性。并且形 成的木质素沉淀呈胶体状态，过滤速度慢，不容易沉降，木质素的分离成本较高， 因此l5 方法受到一定的限制。 4 ) 膜处理技术 用膜技术处理制浆造纸工业废水的大规模工业应用目 前还不多，原因是设备投 资大， 成污染 运行动力成本高。且这类方法对进液条件要求高，若预处理不当，易对膜形 膜通量将迅速下降，处理能力不足 3 。 5 ) 生物法 常用的生物处理方法有活性污泥法，仄氧法，生物膜法，稳定塘法等。对制浆 黑液，早期使用生物法较多，主要是厌氧和稳定塘工艺，采用生物法，先对黑液做 预处理，然后用生物法作进一步处理，单独使用生化法的做法很少。但是常规生物 治理技术在治理黑液时 存在如下缺陷:1 ,黑液的p h较高， 需要先调节p h后才能 进入生物处理单元; 2 , 黑液中的n a + 对细菌有毒害作用， 如产甲 烷菌: 3 , 黑液中含 有单宁等对微生物有毒性的物质，生物法只能处理稀释或脱毒后的黑液; 4 、碱法蒸 煮溶解的木质素难降解，而细菌不能降解利用木素;5 、黑液的可生化性差，污泥增 长 差 14 15 1 自 然界可降解木质素的微生物主要为放线菌以 及白 腐菌( w h i t e - r o t f u n g i ) , 褐腐菌 ( b r o w n - r o t f u n g i ) 、 软 腐菌 ( s o ft - r o t f u n g i ) ， 其中 最为主 要的 是白 腐菌。国 际 上 研究最 多并表现出高效降解能力的是担子菌纲的白 腐菌，在造纸废水处理方面极有友展前 景。 1 . 5 白 腐菌环境应用研究现状 1 .5 . 1 白腐菌的基本研究状况 白腐菌因为其极强的降解能力和特殊的代谢类型成为近年来国内外研究的热 点。 2 0 世纪8 0 年代初， ( s c i e n c e 首次报道白 腐菌p h a n e r o c h a e t e c h ry s o s p o r i u m ( 黄 饱原 毛 平 革 菌 ) 的 降 解作 用 ( 16 便引 起了 环 境 界的 广 泛 关 注， 随 后 对白 腐 真 菌 生 物 学 特 性、降解规律、生化原理、酶学、分子生物学、工业化生产及环境工程实际应用等 方面进行了大量的研究。 白 腐菌的基础研究现在主要集中在以下几个方面:1 、白腐菌的酶系分泌，2 , 白腐菌对木质素等芳香族化合物的作用方式，3 、营养，无机盐，金属离子对白腐菌 产酶的调控。 白 腐菌的应用研究现在主要集中在以下几个方面: 1 )白 腐菌在畜牧业方面的应用，如利用白 腐菌降解木质素，发酵粗饲料。 在轻化工方面的应用， 如利用白腐菌作生物制浆和纸浆漂白前的预处理。 在食品工业方面的应用，如膳食纤维的开发。 在废水处理方面的应用， 如造纸漂白废水， 染料废水， t n t废水的处理。 白腐菌在环境生物修复方面的应用。 1、11、1 zrj4j 1 . 5 . 2 白 腐菌对木质案的降解机理 白 腐菌主要通过以下机制降解木质素:通过分泌到胞外的l i p 或 m n p与 h 2 0 2 作用产生-o h 自由基，然后-o h 自由基攻击芳香化合物，产生正碳离子自由基，接 着发生一系列反应，包括取代基的脱除、侧链氧化、苯环羚基化、脱) ilk , i酮的形成 及芳香环开裂，如多环芳烃通过两步继发性的单电子转移，导致醒的形成;在这些 反应过程中， o : 还可与自由基中间体反应，导致氧气的插入与氧的活化，氧被还原 成超氧离子， 然后通过h a b e r - w i s s 途径反应生成 h 2 o : 与0 2 ， 在这个过程中实现了 酶的催化循环。尤其特别的是木质素氧化酶的产生是在白 腐菌次生代谢过程中产生 的， 在菌丝生长阶段没有l i p 和m n p 产生， 只有在菌丝停止生长时才出 现u p 活性。 很多的 研究 表明， 氮限 制 ( 2 .4 m m o v l ) 或碳限 制 ( x 1 .0 1 m o l / l ) 是 l i p 和 m n p 产生 的 重 要 条 件 ; 18 1 。 因 此，白 腐 菌 降 解 木 质素 具 有以 下 特点 : i )非专一性:与其它微生物不同，白 腐菌是通过l i p 和 mn p与h 2 0 2 作用 产生 o h自由 基引发对芳香化合物的降 解过程，白 腐菌对所有芳香环结构的化合物 具有直接或潜在的降解能力; 2 )适用范围广: 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，但这些逆境却促进白腐菌降解芳香化合物酶系的产生和活性的提高;而h - 木 质素氧化酶是胞外酶，对芳香性化合物的降解在细胞外进行，降低了废水中有害物 质对生物体的毒害作用，这样白 腐菌对降解处理毒性较大的造纸黑液具有不可比拟 的优势。 3 )白腐菌降解芳香化合物的产物主要是c 0 2 和生物量木身，不会诱发二次 污染。 1 . 5 . 3 白 腐菌在废水处理方面的研究成果 自腐菌在废水处理领域的研究集中在对具有苯环结构的芳香族衍生物所形成的 污染物降解上 面。集中研究的废水是:染料废水，t n t废水，漂白废水，以及在相 关的废水处理工艺中反应器的形式研究。 染料通常属于高稳定性的有机分子，其污染物的共同特点是以具有苯环为基础 的 杂环、 稠环结构。 据报道的文献， 白 腐菌可以降 解脱色的染料范围 很广， p a s z c z y n s k i 认 为白 腐 菌 使 染 料 脱 色的 机 理 是lip ( 木质 素 过 氧 化 物 酶) p 9 和m n p锰 过 氧 化 物 酶) 2 0 的直接氧化作用。 在白 腐菌处理染料废水的反应方式上，有研究者使用有机废料 作吸附剂吸附去除废水中的染料，然后使用白腐菌在此吸附材料上生长的方式去除 染 料 2 11 ; 有 研究 者 通 过 搅 拌 获 得具 有 吸附 作 用的 菌 球 去 除 污 水中 的 染 料12 2 1 . z h a n g f m 等人试用了连续流固定床，间歇加料流化床，连续流流化床等三种生物反应器，都 获得了 长期稳定运行的 数据2 3 。范伟平还作了 用稻草末固定白 腐真菌用于染料废水 处理的 研究， 认为稻草末载体的 加入有利于提高白 腐菌的稳定性2 4 1 t n t废水是一种高毒的废水。其中的三硝基甲 苯和亚硝酸盐，磺酸盐等形成的 多种难生物降解物。黄俊和张景来等利用白 腐菌对 t n t装药废水和t n t红水进行 处理的研究， 都取得了 不错的效果2 s 2 6 。同济大学何德文等认为，白 腐菌在处理高 毒性的t n t废水比活性污泥法更好的原因是其独特的木质素酶系降解机理和酶作用 的非特异性， 以 及白 腐菌更强的 抗毒性12 7 1 . t s a i 发现， 使用u v预处理对于白 腐菌的 处 理 很 有 利 2 8 1 造纸工业漂白废水所含中污染物是含氯漂剂与木质素发生氯化反应和氧化反应 所得有机氯化物，都是难降解的芳香族化合物及其氯代物 ( 木质素和变性木质素) ， 白 腐菌对这些难降解物有很好的去除作用， 文献报道的研究成果相当多。 e a t o n 采用 p . c h r y s o s p o r i u m膜式反应器处理污染最严重的e 段废水， 脱色率8 0 % 2 1 1 。 林鹿， 王 双飞等利用p v a小球和工业煤渣吸附固定白 腐菌处理c e h漂白废水， 工业煤渣吸附 固定的白 腐菌处理漂白 废水最大脱色率9 1 .2 % c o d去除率8 8 .7 % 3 0 1 。另外，使用 多孔泡沫填料，海藻酸钠包理等白腐菌固定化技术得到了广泛的实验研究。 1 . 6 白腐菌用干碱法制浆黑液处理的可行性 1 . 6 . 1 白腐菌应用干造纸黑液处理的初步研究 相对于染料废水和漂白 废水来说，白腐菌用于蒸煮黑液的处理的研究更少， m a r w a h a 等人分别采用黄麻绳， 棉花， 小麦等作为p . c h r y s o s p o r i u m的载体， 在厌氧 条件下 消化黑液， 在4 0 0c ， 外加葡萄糖浓度为1 0 克每升的条件下连续运行2 1 天3 1 1 0 m i t t a 等 人 还发 现， p . c h ry s o s p o ri u m在灭菌的 黑 液中 驯化后 处理能 力增强， 驯 化 后处 理未经预处理的造纸黑液，脱色率可以达到5 5 . 7 %，并且伴随着b o d和c o d的去 除 1 o wo o d a r d等人利用锯末作为载体，处理木质素含量在 1 0 0 0 毫克/ 升的造纸废 水， 木质素去除率达9 0 %, c o d去除达8 0 %，色度去除率达9 8 % 13 3 1 。王宏勋等利用 自己 筛选的4 株菌株研究了白 腐菌在碱性环境下处理造纸黑液，发现产酸菌株可以 发挥产酸与降解的双重功能，c o d去除率可以达到7 5 % 3 a 1 。吴娟等利用几种白腐菌 处理石灰法制浆黑液， 用自 选的白 腐真菌a h 2 8 - 2 菌株处理黑液废水， 分别添加0 . 2 % 纤维二糖和。 .0 2 % 天冬酞胺， c o d去除率达6 2 .4 5 %和6 8 .6 0 %。 但是其处理的黑液浓 度不 高， 原 废水c o d 只 有3 5 0 0 m g / l 3 s 1 。 吕 镇 梅 将自 己 分 离 培 养的白 腐 菌 处 理 黑 液， 分析了 几种可能的影响因素，认为该白 腐菌对木质素的去除是菌丝体吸附和降解两 方面的 共同 作用3 6 1 。林鹿等作了自 己 筛选的云芝属菌株处理硫酸盐木素的 研究， 发 现3 0 0 0 - 5 0 0 0 ( k d )分子量的木质素更容易去除，并且随3 0 0 0 - 5 0 0 0 ( k d )分子量的 木质素分子的减少，小于1 0 0 0 ( k d )分子量的木质素在增加，说明白腐菌有将大木 质素分子分解为小木质素分子的过程3 7 1 1 . 6 . 2 白 腐菌群的筛选工作的成果 华中科技大学生命科学学院环境资源微生物实验室在国家 8 6 3计划资助下，参 与 应用于造纸黑液治理的工程白 腐菌群构建的研究工作， 主要通过耐碱基因的克隆， 获得具有高碱性耐受能力的高效降解菌株。承接多项湖北省科技攻关项目 和武汉市 科委资助项目，先后采集、收集、分离了大量白 腐菌，对获得的白腐菌菌株进行分 离，选育，评价，研究白腐菌产生木质素酶的规律及动力学特征，比较不同白腐菌 的性质和对不同污染物的去除效果，针对碱法制浆黑液的特点，形成了以产酸白l 菌群和木质素降解白腐菌群为主的白腐菌体系。其中云芝属白腐菌s i b在黑液中表 现出良好的产酸性能，能够通过以酸析为主的复合反应大幅度去除黑液木质素和 c o d ，极具研究价值。 1 . 7 本章小结 1 .7 . 1 当前造纸黑液的污染十分严重，黑液中含有多种污染物，生化环境恶劣， 其中木质素是难生物降解物。常用的几种碱法制浆黑液的处理工艺各有优缺点，生 物化学方法处理制浆造纸黑液的研究很有意义。 1 .7 . 2 国内外近年来对白腐菌的应用研究以及本实验室的相关成果较多，木实验 室分离筛选的白 腐菌用于造纸黑液处理具有研究价值。 2 实验研究 2 . 1 项目 来源、作者主要工作和创新点 项目 来源:项目 源于华中科技大学生命科学与技术学院张晓显副教授与环境科 学与工程学院章北平教授合作申请的湖北省“ 十五” 科技攻关项目 造纸黑液高效生 物资源化及工艺设备开发 ，编号 ( 2 0 0 1 a a 3 1 2 b 0 4 ) ; 作者的主要工作: 研究产酸白腐菌的特性。 产酸白 腐菌对碱法制浆黑液的处理效果。 探寻影响处理效果的因素并优化白腐菌处理碱法制浆黑液的工艺条 件。 白腐真菌处理造纸黑液的开放和扩大运行。 研究以产酸白腐菌处理为主要工艺的工艺路线以及和相关前后处理 工艺配合。 创新点:资源化综合利用是处理草浆蒸煮废液的有效途径之一。通过对白腐菌 处理造纸黑液的研究，获得白腐菌处理造纸黑液的工艺模式，在治理的同时进行资 源化。主要有: 针对造纸黑液的碱性， 使用产酸白 腐菌调 节黑液p h o 利用木质素在酸性环境下 析出的特性， 使用白腐菌酸析大幅度去除黑 液中难降解的木质素，c o d大幅削减。 充分利用黑液中的糖类等微生物可利用物。 利用产酸白腐菌产生的酸性环境， 抑制杂菌的滋生， 保证产酸白 腐菌 在体系中占据优势。 白腐菌体吸附木质素颗粒后沉降， 其混合污泥是一种良 好的有机缓释 肥，有资源化利用前途。 2 .2 实验研究和分析方法 2 . 2 . 1材料与设备 黑液:取自武汉晨鸣造纸厂制浆车间，晨鸣造纸厂采用碱回收工艺，此蒸煮黑 液为蒸煮原浆真空吸滤所得，主要性质参数与表1 - 1 大致相同。 漂白 废水:取自 武汉晨鸣造纸厂漂白车间，采用三段氯漂工艺。 常规 种子培 养基: 土 豆2 0 0 g( 湿重) 切碎， 加水1 0 0 0 m 1 煮 沸2 0 分钟， 两层纱 布 滤去土豆渣，土豆汁加入2 % 葡萄糖，制成液体种子培养基。 驯化种子培养基:常规种子培养基与黑液按体积比黑液:培养基=1 : 1 0 配制。 常规黑液培养基:用自 来水按体积比黑液:水= 1 : 1 0 稀释浓黑液，制成常规黑 液培养基。 综合黑液培养基:按体积比黑液:漂白 废水:自 来水= 1 : 3 . 5 : 6 . 5 稀释浓黑液， 制成综合黑液培养基。 生物培养装置:普通摇床，中国科学院武汉仪器厂 恒温摇床，中国科学院武汉仪器厂 气升式反应器，自 制柱式气升反应器 常规液体种制备: 斜面菌株活化后， 接入液体种子培养基中， 3 0 0c , 1 5 0 r / m i n , 培养4 天，按1 0 %转接种在l 0 0 m 1 的种子培养基中 ( 2 5 0 m 1 摇瓶) ，3 0 0c , 1 5 0 r / m i n 培养5 天，作为种子液