（环境工程专业论文）高效活性丝状真菌gx2吸附染料的机理及各染料的解吸条件研究.pdf

1前言 1 . 1 染料生产度水简介 根据 染料索引记载， 有七千多种染料和颜料，其中各国经常生产的品种也 在两千种左右，这就造成了 染料废水数目 较多， 成分复杂， 危害性大的 特点。 染料 生产投入的原料大部分是芳烃化合物和杂环化合物， 生产工艺复杂， 副反应多，产 量少，工艺流程长，产品更换频繁，导致收率低，一般产品收率仅为3 0 % 左右:污 染物排放量大，并且成分复杂， 物质多，浓度高， 色度深， 难降解.大量染料及其 染料中间体流入废水中， 使染料废水中含有毒性很大的带有磺酸基、硝基、 氨基、 氯等的 芳香 衍生物，同 时 还含有 酸、 碱、 无机盐以 及重金属汞、 铬、 锅、 锌等 1 l 因 此废水的c o d c r 高， 色度大， 且多数废水生物降 解性差， 甚至完全不能被微生物 降 解， 与一般的染料废水相比， 治理难度更大。 这些染料工业在生产中所排放的 废 水如果不加以处理而直接排放，势必会对水源、土壤等环境造成污染，有时也会浪 费掉其中所含的有用物质。同时，由于染料的品种越来越多，并且朝着抗光解、抗 氧化、 抗生物降解的方向发展， 使的这些废水越来越难以 用一般的方法处理2 1 含染料废水所面临的一个重大的环境问题就是色度的去除，因为即使水体中的 染料只有极低的浓度， 也会造成强烈的视觉冲击和美学损害，影响受纳水体的正常 功能 3 1 。 而且由 于染料对太阳 光的 吸收，导 致水体 透光率降 低， 抑制水体中 光合作 用的自 然过程，并进而影响到各级消费者的生长， 使整个水生生态系统的多样性下 降 4 .5 1 从总体来讲，染料虽不象农药那样具有很强的急性毒性作用，但部分染料也表 现出较强的毒性作用，如葱酮染料s b b 对月芽藻属藻类的生长抑制毒性e c 5 。 为 2 .4 m g / l 16 1 ; 而 咕吨 染 料 p h l o x i n e b 对 d . p u le x n e o n a t e s 的 毒 性 更强， 其 4 8 小时 l c 5 0 ( 9 5 % f l ) 是 0 .4 2 3 ( 0 .3 7 6 0 .4 7 7 ) m g 1 l 17 1 ; 更 加 严 重 的 是， 无 论 在 偶 氮 染 料 、 葱 酿 染料， 还是三苯甲 烷染 料中 都己 发 现具 致突变性和致癌作用的 品 种(8 ,9 ) ， 而偶氮染 料 的还原降解产物芳香胺更是大家早己熟知的致癌物。 染料作为一种结构稳定的有机 化合物， 具 有 抗酸、 抗 碱、 抗光、 抗 微生 物特性， 在环 境中 有较长的 滞留 期 1 1 0 1 ， 因 此染料对环境的负面效应不仅在于它的色度和c o d，而且在于它的潜在的健康危 害。近年来，各国都制定了更为严格的染料废水排放标准。此外，1 9 9 8 年数字统计 f i l l ， 仅 在中 国 每 年 就 有超 过1 .6 x 1 夕 吨的 废水 未 经任 何处 理 而直 接 排入 受 纳 水 体， 给整个水生生态系统带来破坏性后果。因此， 染料废水治理仍然是环境工作者面临 的一项重要而艰巨的任务。 1 .2染料生产度水目 前的 处理方法工艺简介 1 . 2 . 1含 染料 康 水 处 理 和 脱 色 的 常规 方 法 染 料废水的 处理方法很多， 可 分为 物理化学法处 理和生 物法处 理n 2 ) 。 从原理、 设备、 工艺及工程各方面考虑，中 和、 混凝沉淀、 气浮、 砂滤等是水工工程的常用 物化方法，固体吸附剂吸附、萃取、汽提、蒸馏、高温深度氧化等方法都属于化工 工程的物化方法.实际水处理工程常常是多种方法组合，以便取得最佳的效果。 利用微生物氧化、分解、吸附废水中有机物从而净化废水的方法称之为废水的 生物处理。 废水生物处理的方法主要分为好氧法和厌氧法。 好氧生物处理是在有氧 的情况下，废水中的有机物通过活性污泥吸附、氧化、还原、分解过程，把有机物 氧化成简单的无机物。 好氧法处理效率高， 速度快，比 较经济， 是染料废水处理的 主要方法。 厌氧法是厌氧条件下， 通过微生物对有机物进行酸性发酵和碱性发酵两 个阶段的厌氧分解，完成代谢过程。 厌氧法代谢速度缓慢，停留时间长， 容器的体 积大， 消化过程复杂， 影响因素多， 对过程参数控制严格， 有安全问 题， 工程造价 高， 而且厌氧代谢受氢体是有机物及硫酸盐、硝酸盐等含氧化合物， 容易还原，有 机物氧化不完全， 处理水质不够稳定，一般用于有机污泥或高浓度废水的处理1 1 3 ) 1 . 2 . 2新方法 、新工艺简介 由于常规用于含染料废水处理和脱色方法的局限和不足，而各国对于含染料废 水的排放水质， 尤其是色度的要求越来越严，因此国内外环保专家仍在努力研究和 开发在技术经济上更加有效的含染料废水的处理和脱色方法。 现将主要的研究方向 简介如下: t i 氏催 化的 光降 解 脱 色。 在 紫 外 光 照 射 下， 使 催 化 剂 t i 仇受 到 激 发 并 引 发 链式 反应， 产生具有强 氧化作用的 氢氧自 由 基， 借助氢氧自 由 基与染料分子的氧化反应 使 染料脱色并 矿化2 6 - 3 0 1 。 但由 于人 工紫 外光 源需要 消耗大量电 能， 费 用高 且不稳定， 已 有研究者尝试用可见光代替紫外光。虽然在可见光照射下，染料最先被激发，然 后引发t i 0 2 的激发并产生包括氢氧自由基在内的多种自由 基，反应机理与紫外光照 射明显不同， 但也能使染料降 解脱色并矿化( 14 , 1 5 1 f e n t o n 试剂法。 f e n t o n 试剂是由 h 2 0 2 溶液与f e s 0 4 溶液按一定摩尔比 混合而成的 一 种氧 化性 极强的 药剂， 借 助 f e e + - - h 2 0 2 的 链 式 反 应 产生的 氢 氧自 由 基氧 化目 标染 料并导 致其降解脱色。 该 法对可溶 性染料 和不 溶性 染料 均有效(1 6 ,1 7 , 18 1 。 有人用铁粉 代替 f e e 十 ， 研究了 h 2 0 2/ 铁粉系 统中 染料的 脱 色 动力学 和反 应机理后 发现， 虽 然 f e n t o n 反应也是该过程的主 要脱色机理， 但由 于铁粉的不断溶解和染料在铁粉上的吸附， h 2 0 2 1 ao 粉系 统 较 之 f e n to n 试 剂系 统 具 有更 好 的 脱 色 能 力 (1 9 1 u v , u v / h 2 0 2 或 u v / f e 3 / h 2 0 2 光 化 学反 应。 该 法也 是 利 用 在 紫外 线照 射下 所产 生的 氢氧自 由 基和其 他自 由 基的 氧化作用 导致染料 分子降 解脱色 2 0 ,2 11 超声波处理。在氧气饱和的水溶液中， 用超声波处理后，激发的氢氧自由基氧 化降解目 标染料并导 致其矿化脱色2 2 ,2 3 1 用于 染料废水处 理的高 效 而 廉价的 吸附 剂或絮 凝剂的开发 2 4 ,2 5 ,2 6 1 多 种方法 和 手 段的 联 合处 理。 如 厌 氧 一 好 氧 体 系 11 1,2 8 1 , i d e a - t i o 2 光催 化 一 滤 膜体 系 2 9 1 以 及絮 凝 一 臭 氧 联 合 作用 13 0 等。 一 些电 化 学方 法， 如 应用 新型 a c f 电 极 13 1 1 、 脉 冲电 晕放电 3 2 1 、内电 解法 3 3 等也引 起人们的注意。 1 . 2 . 3 生 物 强 ， 七技 术 应 用 日 二 含 染 料 废 水 处 理 和 月 兑色 的 s 开 究 除了以上所提的理化方法外，生物强化处理技术，即利用特定微生物对常规生 物处理方法不能去除的污染物的特殊去除能力而发展起来的新型处理方法， 在实际 污染处理， 尤其是土 壤的生 物 修复中己 得到 较为 广 泛的 应用3 4 1 。 将生 物强化 技术 应 用于传统的活性污泥法难以 处理的含染料废水的处理， 即利用具有高效降解或吸附 性能的特定微生物菌株用于含染料废水的处理和脱色，被认为是一种经济、高效、 安全、环境友好、易于操作和适于大规模废水处理的技术，更是受到人们的极大关 注， 成为国际上染料废水处理和脱色研究的热点。 生物强化技术和高效生物反应器 作为国家 “ 十五”期间8 6 3 项目 水污控技术研究开发的重要内容，己 受到国内的高 度重视。 1 . 生物降解 筛选或构建针对特定染料具有降解或同 化作用的菌株，并确定它们的作用条件 和反应机理，是含染料废水生物处理和脱色研究的主要内容之一。 污染物的生物降解可分为以 下4 个层次: 污染物的分子空间结构发生变化， 从而失去某些特性， 在测试时不能发现该 物质的存在; 污染物分子结构中的某些基团发生变化; 有机物发生裂解; 降解性微生 物发生作用， 有机污染物矿化为c 0 2 . h 2 o 等物质。 我们把生物参与处理而污染物质又不发生以上4 种或处理周期内 不发生转变的 过程称为非降解性生物处理， 如生物絮凝、生物吸附等等。因为污染物的生物降解 是 个 耗时的 过 程2 8 1 ， 而 且 降 解 产 物的 毒 性 有 时 要 大 于 本 底 化合 物( 如 偶 氮 染 料降 解 产物芳 香胺的毒性要远大于 偶 氮化合 物3 5 1 ; 并 且这些降 解技术只是通过破坏染料 分子的发色团或者结构实现对染料废水的单一脱色处理， 而忽视了在高浓度下对废 水中染料进行回收的可能性。 所以研究染料废水的非降解性生物处理有一定的意义 和必要性。 2 . 生物絮凝 由于传统的化学絮凝脱色法易产生大量污泥，造成二次污染，二十世纪7 0 年代 以来以日 本学者为首， 对生物絮凝剂产生菌开展了大量研究，生产出成本较低，无 二次污染的 生 物絮凝剂， 并 用于自 来水处 理及从废水中 脱除悬浮物3 6 . 3 7 . 3 8 。 但用 生物絮凝剂脱除染料废水色度， 国内 外都处于初级尝试阶段。 但要使生物絮凝剂真 正应用到染料废水脱色中，还必须在生产成本降低、高效絮凝剂开发、絮凝机理研 究等方面开展大量工作。 3 ， 生物吸附 利用具有富集或吸附染料能力的 特定微生物用于染料废水的脱色，是生物法脱 色的又一形式。生物吸附不会产生有毒的代谢产物，而且还有可能为含染料废水的 大规模处理和回收提供一条经济可行的途径， 许多学者正尝试用生物吸附的方法脱 除染料废水色度。 但是， 这些研究大部分用死的 微生物体作为吸附剂，而且虽然研 究 显 示 它 们 对 低 水 溶 性 染 料 具 有 很 高 的 吸 附 去 除 效 果， 对 于 高 水 溶 性 的 染 料 如 活 性 染料的去除效果却相对较差。在本论文中，我们利用自 行筛选的吸附菌g x 2 c p . t e r r e s t r e s p . ) 对多 种不同 类型的 染 料， 即 活 性染料、 酸性 染料、 分散染料和直接染 料，在吸附 特性、吸附机理和应用等3 方面进行了深入的研究。 1 . 3生物吸附用于污染治理的 研究 1 . 3 . 1吸 附 现 象 与 吸 附 的 类 裂 在两相界面上，一相中的物质或溶解在其中的溶质向另一相转移和积聚，使两 相中 物质 浓 度 发 生 变 化的 过 程 称为 吸附 。 吸附 可以 发 生 在液 一固 、 气 一固 等的 界 面 上，因此， 吸附可以 看成是一种表面现象。 污染控制领域最常用的吸附是活性炭对 溶于水中的污染物的吸附， 活性炭被水包围的区域是一个界面， 在这个界面产生吸 附。 根据固体表面吸附力的不同，吸附可分为物理吸附、化学吸附和离子交换吸附 等三种类型3 9 i物理吸附 吸附剂和吸附质通过范德华力产生的吸附称为物理吸附。这是最常见的一种吸 附现象，与吸附剂的表面积、细孔分布有密切的关系。发生物理吸附时，一种吸附 剂可以吸附多种物质，但由于吸附质性质的不同，吸附的量有所差别。由于吸附在 固体表面的分子， 对再碰撞上去的分子仍存在范德华引力， 所以物理吸附不但可以 在表面上吸附一层分子，也可形成多分子层。同时，由于这类吸附的作用力较弱， 解吸 ( 脱附) 也较容易进行，所以物理吸附是可逆的，在吸附的同时被吸附的分子 由于热运动还会离开固 体表面。 物理性吸附的吸附热较小， 一般是2 0 .9 -y 4 1 .9 k .1 / m o t, 因此在低温条件下即可进行吸附。 2化学吸附 产生化学吸附的作用力是化学键力。 在化学吸附的过程中，可以发生电 子的转 移 、 原 子 的 重 排 、 化 学 键 的 破 坏 与 形 成 等 过 程 ， 吸 附 剂 的 表 面 化 学 性 质 和 吸 附 质 的 化学性质对化学吸附 有直接的影响。 此类吸附有明显的选择性， 即某一种吸附剂只 对某些物质才会发生吸附作用。由于此类吸附的作用力是化学键力， 故为单分子层 吸附.化学吸附与一般在固体表面上发生的化学反应很类似，放出的热量很大，一 般约在4 2 - -4 2 0 0 / m o l 范围内， 和化学反应热的数量级差不多，而且被吸附的物质在 固体表面比 较稳定， 不易解吸。当温度升高时可加快化学吸附的速度，故化学吸附 常在较高的温度下进行。 3交换吸附 一种物质的离子由于静电引力积聚在吸附剂表面的带电点上。在吸附过程中， 吸附一个被吸附质的离子，吸附剂同时要放出一个等量的离子，即离子交换。离子 的电荷是交换吸附的决定因素。 1 . 3 . 2 生 物 吸 附极 述 生物吸附是指物质通过共价、 静电或范德华力的作用吸附在生物体表面的现象， 如大气中的尘埃、 细菌、 重金属等能被吸附在植物叶片上;水体中的颗粒物及一些 污染物也能被水草、藻类和鱼贝类所吸附。生物吸附作用也与表面积有关，细微的 细菌、藻类等相对表面积最大，其吸附能力也最强。 需要指出的是， 生物吸附并非是与物理吸附、化学吸附、 交换吸附并列的一类 概念。 仅从现象而言， 我们可以将吸附分成生物吸附和非生物吸附两类，而如果究 其吸附机理，生物吸附亦将分属于上述三种吸附类型的一种或几种。同时，也有必 要将生物吸附与生物学领域的另外几个概念如生物积累、生物富集、生物放大等区 别开来。 生物在其整个代谢活跃期内都在通过各种途径从周围环境中蓄积某些元素 或难分解的化合物:一是各种藻类、 菌类和各种原生动物等， 主要依靠体表直接吸 收:二是高等植物，主要靠根系吸收:三是大多数动物，主要靠吞食。这三种行为 从微观角度看都是一种吸附， 生物的这种生理行为己在污染控制和防治领域得到广 泛应用。 1 .4生物吸附 技术研究进展 生物吸附是指微生物体对特定化学物的摄取和积累，应用生物吸附剂的这一特 性 用于 水中 重金 属 的 去 除， 国 内 外己 有 大 量 研究 报 道4 0 1 。 近 年来， 运用生 物吸附 去 除 水中 有毒有机 物， 尤 其是农药的研究也有不少报道4 i . 4 2 1 。 由 于生 物吸附不象生 物 降解， 不会产生有毒的 代谢产物， 而且还有可能为含染料废水的大规模处理和回收 提供一条经济可行的途径，因 此越来越引 起环保专家的注意， 各国 研究者也己 开始 尝试用生物吸附的方法脱除染料废水色度， 尤其是水溶性染料如酸性和活性染料的 色度去除。 1 . 4 . 1t 金 属 和 有 机 物 生 物 吸 附 近年来利用微生物对金属离子的生物吸附作用来处理废水是国内外新兴的一个 研究 领 域。 多 种 微生 物 具 有从 外界 环 境 吸附 重金 属离 子及 放 射 性 元 素的 能力 4 3 1微 生 物 对 金 属 离 子 的 吸 附 具 有 速 度 快、 选 择 性高、 吸附 容 量 大 等 优点 4 4 1， 因 此，可以 弥 补传统的废水处理的不足。国内外对微生物吸附重金属的研究多集中在细菌和丝状 真菌 ， 且多限于非生长微生物 ( 即死菌体 ) 的研究 ， 而对酵母菌尤其是活菌体吸附 c d 2 + , c u 2 , n i 2 + 的 报 道 较少。 国内 外对重金属的生物吸附始于生物对水中放射性元素吸附的研究4 5 1 。 七十年 代 初， 一种基于青 霉菌菌 丝 体的 生物吸附 剂问 世4 6 1 。 该吸附剂由 服甲 醛树脂与 青 霉 菌菌丝混合而成， 通过离子交换、鳌合及吸附作用对被放射性元素污染的水体中的 金属进行吸附去除，并且它对铀 ( u )和镭 ( r a )的去除效果远远优于一般的离子 交 换剂。 r a u c h 等 4 7 】 的 研究 证实 一 种m n 0 2 激活的生 物吸附 剂 ( 由白 腐真菌制成) 在两个小时之内对镭的吸收达9 9 %。 随着生物吸附的进一步发展， 研究逐步深入到 生 物吸附 剂 对放射性 元素吸附 机理的 探询。 c h i u , y i s h u 等4 8 1 通过研究 铀的 吸附等温 线初步得出 生 物去除 铀的 最佳条 件: t s e z o s 等4 9 1深入解 释了 根霉菌吸附 铀过 程中 几 丁质甲壳质的作用， 并指出了p h值和同离子效应对生物吸附有的影响，进而通过 光谱分析和平衡实验验证了 前期的吸附机理。 进入二十世纪八十年代中 后期， 放射性元素的生物吸附向综合实用方向发展。 大量有关活性污泥吸附铀、 镭、牡的文章陆续发表。由于活性污泥中含有大量微生 物， 研究其吸附放射性元素的机理对放射性元素的废水治理及回收利用具有极其重 要 的 意 义 。 b y e r l e g , j . j等 5 0 1深 入 研 究 了 由 链 霉 菌 、 根 霉 菌 、 酵 母 菌 、 小 球 藻 对 活 性污 泥吸附 含铀废水的 热力学 机理。 他们由l a n g m u i r 等温曲 线得出了 吸附 平衡常 数， 并指出活性污泥的吸附量比同 质量的单种根霉菌高出将近一倍。 近年来， 因为 死的微生物比活的更易保存， 重金属生物吸附剂逐渐从活的微生物向死的微生物发 展。 用于吸附 c u e 十 的 微生 物有细菌、 霉菌、 酵母 等。 死的 微生 物是通过化学 或加 热处 理使细 胞失 活 后， 可以 采 用固 定化或本身天然形态进行c u e 十 吸附 有机 物的生 物 吸附研究。 进入二十世纪八十年代初， 开始研究生物吸附水体中 有机污染物。 国内外很多研究者就活性污泥絮体对有机污染物的吸附作用进行了 研究 ， 但由 于试验条件的差异 ， 尤其是污泥絮体中成分及含量的差异 ， 很多研究者得出了 不同 的 结 果。 高 桥等15 1 以 用c ) 4 标记的 甘氨酸作 底物， 用通过c u 2 + 处理后的 和未处理 的活性污泥进行对比 试验， 结果表明，其吸附率在 i m i n和 1 h 后都为 7 0 % 左右 ， 几乎没有变化， 说明吸附是在极短时间内进行的。 此外， 对活性污泥无论是用二硝 基酚抑制吸 收， 还是 用 c 了十 灭活， 吸附率只降 低 1 0 % 左右， 因 此他们认为 初期降 解主 要 为 物理吸 附 过 程. 高 野 等 5 2 1研究 发 现活 性 污 泥中 分 离出的 产 气杆 菌 对葡 萄 糖 及醋酸钠的降解过程中，初期降解不受叠氮化钠和二硝基酚的抑制;在主动输送完 全停止的 0 条件下， 或在5 0 下处理 2 o m i n 后， 仍能具有较高的初期降解率， 将 菌体用溶菌酶加以破坏，用细胞碎片进行试验，醋酸钠的降解率并不降低等，都证 明初期降解的大部分为物理吸附作用。另外一些研究者则得 出了相反的结 论 ，r u c h h o ft l等15 3 进 行了 活性 污 泥吸附 葡 萄 糖的 试 验， 当 温 度 上 升到4 5 以 上 和降 到低温时，降解速度均下降 ， 且不注入空气时也会下降，据此，他们认为活性污泥 对葡萄糖的初期降解速度是以酶促反应作为基础的，因此初期是生物吸附过程。 1 . 4 . 2 染 料 生 物 ， 3 t 附 从现有资料看，具有高效吸附染料特性的菌株在细菌、酵母菌和真菌中均有分 布. h u 15 4 1 报道从纺织工 厂土壤中 分离的 一 株 a e r o m o n a s s p . 对红色染料r g 表 现出 很 强的吸附脱色能力， 吸附 量达 2 7 .4 1 m g / g ， 而且吸附 等温线 符合f r e u n d l i c h 模式，主 要吸附位点存在于细胞壁上。 在此基础上， h u 又考察了 包括 a e r o m o n a s s p .在内的3 株 g r a m - n e g 细 菌 和 2 株g r a m - p o s 细菌 对活 性 染 料的 吸 附 脱 色 作 用， 发 现4 e r o m o n a s sp . 具有最大的吸附脱色活性。而且g r a m - n e g 菌的死体表现出比 活体更高的吸附性能。 另 外 还 发 现 ， 随 着 p h 的 降 低 ， 染 料 的 吸 附 量 不 断 上 升 15 5 1脚e r o m o n a s s p .外 ， 马 克 斯克鲁维氏 醉母菌对多种染料也表现出 很高的亲和力，而且在所试的5 种染料中， 有 3 种 染 料 的 吸 附 符 合 l a n g m u ir 模 式 15 6 1 。 真 菌 中 具 有 吸 附 脱 色 能 力 的 菌 株 则 相 对 较 多。 在研究白 腐真菌 ( 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 ) 对染料的 生物降 解过 程中， 就 有不少学者观察到白 腐真菌对染料的吸附脱色行为 5 刀 。 另外，小克银汉霉属 ( c u n n in g h a m e l l a p o ly m o r p h a ) 对分散染 料也表 现出 广 谱的吸附 脱色能 力， 在1 2 0 h 内 可 使1 7 种受 试分 散 染 料的 平均 脱色 率达 到 9 3 % ; 在5 0 0 m 叭下， 可使分 散 绿 6 0 的 脱色率达9 0 % l l 。肉 色拟层孔菌则对阳离子染料表现出 卓越的吸附性能， 对所试的 3 种阳 离子染料的饱和吸附量分别达o r b g 5 0 3 . 1 m g / g , o b g 5 4 5 .2 m g / g , o r g t l 6 4 3 .9 m g / g ， 而 且 随 着 p h 的 下 降， 吸 附 量 也 下 降 15 9 1黑 色曲 霉( a s p e r g il l u s n ig e r ) 对活性偶氮染料p r o c i o n b l u e m x - g 的吸附作用更强， 在1 2 0 h 的平衡时间内和酸性条 件下可 得到 9 9 % 的 脱 色率 16 0 1 。 为了 进一步了 解微生 物吸附 剂对染 料的 吸附 机理， g a l l a g h e r k a 等 【6 3 1 对 丝 状真 菌 米根 霉( r h iz o p u s o ry z a e 2 6 6 6 8 ) 对 合成染 料 活 性 l e v a f i x b r i l l i a n t r e d e - 4 b a 的吸附脱色作用进行了研究，发现吸附行为可以用 f r e u n d l i c h 和 l a n g m u i r 方 程 进 行 描 述 16 4 ) ， 这 说 明 吸 附 是 一 种 复 合 机 制 并 进 入一 个 多 相 表面。 用高 压处 理、 0 . 1 m o l / l n a o h 处理和 c a z 十 加入都 促进了 吸附。 孔隙率 和表面积 测定证实高压处理增加了表面积和单层体积，因此增加了染料的吸附。用n a o h 处 理增加吸附容量则是由于菌体的几丁质/ 脱乙酸几丁质暴露的结果。 扫描电镜则显示 了菌体开放的孔隙和多相结构 等 6 2 通过静态和动态吸附实验 所 有 这 些 结 果 都 表 明 吸附 属 于 物 理 性 吸 附 6 11 . p a g g a 对水溶性不同的几种染料在不同条件下所发生的吸 附过程进行了研究， 得出如下结论: 染料种类对吸附的影响。分子量较大，溶解度不高的分散染料易发生吸附， 而小分子的酸性染料则不易发生吸附; 染料浓度的影响。一般来说，浓度越低，脱色率越高; 受试时间的影响。受试时间最长的实验为6 天，时间对脱色影响不明显，但 如果出现几天后的脱色率突然上升，则一定是发生了生物降解; 无机介质硬度的影响。水的硬度增加能 够促进吸附的 进行。 对于 染料的 生 物 吸附， 庄 源益 等 (6 5 . 6 6 6 7 1 早 在1 9 9 8 年就开 始了 研究. 他 们 着眼 于含葱醒染料废水的生物处理和脱色， 选择4 种不同类型的慈醒染料， 即葱酿型染 料中间体澳氨酸， 活性艳蓝k n r ， 分散蓝2 b l n和酸性葱酿蓝作为目 标染料， 从受 污土壤中筛选出多株高效脱色菌，并对包括吸附澳氨酸的三株吸附菌g x 2 , c x 4 , z d 2 0 在内的1 7 株脱色菌进行了 鉴定。 考察了 碳源浓度、 染料浓度和盐度对3 株吸 附菌g x 2 , c x 4 和z d 2 0 对葱酿染料吸附脱色的影响。 研究表明， 为了达到最佳的 脱色效果，碳源应有一个最低浓度:但过高的碳源浓度并不能更有效地提高 z d 2 0 对酸性慈酮蓝和c x 4 对澳氨酸的吸附 脱色能力。 染料浓度对其吸附 脱色的影响随菌 株和染料的不同而不同。染料浓度对g x 2 对活性艳蓝k n r和c x 4 对澳氨酸的吸 附脱色表现出较为明显的抑制作用: 但对z d 2 0 对酸性葱醒蓝的脱色效果影响不大。 盐度对染料脱色的影响也因菌株的不同而不同。盐度抑制z d 2 0 和c x 4 菌的生长; 而且在高盐度下， z d 2 0 和c x 4 菌体由 吸附性能良 好的颗粒状变成吸附性能很差的 粉末状。但盐度对 g x 2的生长却表现出一定的促进作用，并使颗粒状菌体的直径 变小，比表面积增大，更有利于 g x 2对染料的吸附脱色。为了为吸附染料的回收 提供理论依据，还考察了被z d 2 0 吸附的酸性蕙醒蓝在不同有机溶剂中的解吸速率 和解吸率。研究显示甲醇是最好的解吸剂，可以用于酸性蕙酮蓝的回收。为了探讨 吸附菌对葱酮染料的吸附机理，考察了颗粒大小、盐度、酸度、甲醇和服的加入对 g x 2粉状生物吸附剂对 k n r 吸附发生于其表面; 在低p h下 而甲醇和脉的加入显著减弱了 的吸附性能的影响。研究显示生物吸附剂对 k n r的 k n r由 离子态变成非离子态， 促进了 它的吸附 脱色; g x 2的 吸附性能。 对吸附 过程热力学参数的计算也 显示吸附是物理性吸附。 1 . 5本论文的主要研究内 容 本论文结合国家自 然科学基金项目 和国家水环境重点实验室开放基金项目 开展 工作，重点研究高效吸附性丝状真菌g x 2 对包括活性、直接、分散及酸性、弱酸性 等各种不同类型染料的吸附情况以及解吸情况。并且考察了在完全不灭菌的开放体 系中g x 2 菌的成球条件以 及其菌丝球对一类代表性葱酮染料一活性艳蓝k n r 的吸 附作用特性，为下一步建立以高效的吸附菌为反应核心的、能够用于染料生产废水 的处理和回收， 形成连续的小型处理装置以及开发出真正的可利用于大规模实用的 染料废水处理的新型生物处理方法和工艺提供理论基础。 1 .吸附菌g x 2 对不同 类型染料的 脱色作用研究 为了了 解吸附菌g x 2 对不同类型的染料的吸附脱色情况， 本章重点考察了 在g x 2 的最佳生长条件下，该菌对活性染料、 直接染料、酸性染料、弱酸性染料以 及分散 染料、碱性染料的吸附情况，初步探讨了 g x 2 吸附各种染料的机理。 2 . g x 2 菌丝球对活性艳蓝k n r 的吸附特性研究 在实际染料废水处理中， 一个至关重要的问 题是保持高效吸附菌的优势生长， 为了给实际废水处理提供良 好的参数， 本章重点研究了在开放体系中，高效吸附性 丝状真菌g x 2 对活性艳蓝k n r 的脱色效果。 通过调节培养液的酸碱度、调整抱子悬 液的接种量、 碳源浓度、盐度以及调节培养过程中的通风状况， 得到接种抱子悬液 在不同条件下的处理效果; 研究了活菌体连续吸附的脱色情况;并且比较了两种不 同接种情况的优劣。 3 . g x 2 菌的成球条件研究 丝状真菌的成球对于实际染料废水的处理具有极其重要的意义。实验表明，相 应的培养条件对于菌丝体的成球影响重大，本章重点考察了在完全开放的体系中， 各种物化因素如p h 、盐度、接种量培养方式等对g x 2 成球的影响. 4 . g x 2 菌丝球吸附染料的 解吸条件研究 为了提高染料的回收率， 本章重点着重于不同实验条件下染料解吸情况的探讨。 通过比较不同的解吸剂， 改变染料在解吸时的平衡温度，在解吸剂中加入酸、碱调 节p h 值， 在解吸的过程中加搅拌提高染料分子的 扩散速度， 以 及在解吸前对含有染 料分子的菌体颗粒进行不同的预处理等方式， 试图找出能够提高染料解吸率的最佳 实验条件。 月! 吸附菌 对不同 类型染料的脱色作用研究 2吸附 菌g x 2 对不同 类 型染 料的 脱 色作用研究 寻找染料生产和印 染过程所排放废水的高效脱色剂一直是废水处理的研究方向 之一。 各国 研究者也己开始尝试筛选或构建针对特定染料具有特定吸附作用的微生 物生长菌体并用于染料废水的脱色处理。 生物吸附为从染料废水、尤其是含有较高 浓度的染料生产废水中回收染料提供了有利条件。 本章选择了不同种类的染料作为 处理对象，重点考察了丝状真菌 g x 2的生长菌体对不同结构的染料的吸附效果， 对影响染料 ( 活性染料、 碱性染料、 酸性染料和直接染料) 在吸附菌中吸附的一些 因素和条件进行了 初步研究，以了 解 g x 2在实际废水处理中的 应用前景，并为染 料生产废水生物处理单元的设计以及废水中染料在处理中的工艺流程和操作参数 提供一定的技术基础。 2 . 1实脸部分 2 . 1 . 1 培 养 基 用改 进的 马 丁氏 培养 基。 其 组成为: 葡萄糖 5 g ; ( n h 4 ) 2 s 0 4 1 9 ; k h 2 p 0 4 1 g ; m g s 0 4 7 h 2 0 0 . 5 g ; 染料 1 2 0 m g ; h 2 o 1 0 0 0 m l ; p h 5 . 5 士 0 . 1 。 2 . 1 . 2 培 养 方 法 将在冰箱保存的斜面菌种取出活化后，用无菌水冲洗 液，再用5 %的接种量接种于预先配好的4 0 m l 培养液中， ) 。 制成一定浊度的抱子悬 摇床培养 ( 1 2 0 r / m i n , 3 0 吸附菌g x 2对不同 类型染料的脱色作用研究 2 . 1 . 3染 料 脱 色 的 侧 定 每隔2 4 小时取培养液上清液1 m l ， 在1 0 0 0 0 r / m i n 下离心1 5 m in 后， 在各染料最 大吸收波长处测定上清液的吸光度值，以 反映溶液中染料浓度的变化。如果染料浓 度过高， 用去离子水稀释后使吸光度值在0 . 1 - 1 .0 之间， 最终的染料吸光度为稀释倍 数与实际测得吸光度值的乘积。 2 . 1 . 4曹 体 干 ! 的 in9 定 脱色实验结束后， 3 0 0 0 r / m i n 离心1 5 m in 收集菌体并用去离子水洗涤6 次， 置于 5 0 烘箱中烘至恒重，用电子天平测菌体的千重。 2 . 2结果与讨论 2 . 2 . 1菌 体 生 长 曲线 和 染 料 b 但因为 起始染料浓度较低 ( 1 2 0 m g / l ) , 远未达到生长菌体的最大吸附量，因此没有出现染料的解吸。 表2 - 1染料吸光度和菌体千重随时间的变化 时间( h ) 02 44 87 29 61 2 0 菌体干重( m g ) 07 . 1 63 7 . 5 58 2 . 4 57 2 . 4 06 3 . 1 2 活性艳蓝k n r 吸光度1 . 4 1 61 . 2 5 60 . 1 3 20 . 0 0 80 . 0 0 40 . 0 0 4 活性艳蓝k n r 分子结构如下图所示: c 2 h 4 o s o 3 n a 吸附菌 对不同类型染料的脱色作用研究 皆侧十雄佃 n00 0叶6八 - - * -k n r 的吸光度 ， 叫 卜 -菌体干重 0 2 4 4 8 7 2 9 6 时间 ( h ) -* 01 2 0 卜匕，只通n 11.ln00 侧采咨 图2 - 1染料脱色和菌体生长的对应关系 2 . 2 . 2染料 分子 农 w 所 带 电荷 对 生 长 菌 体 吸 附 染 料 夕 文 果 的 影 响 在浓 度 均为 4 0 m g / l 的 活 性 和 碱 性 染 料 溶液 中， 培 养生 长 菌体 g x 2， 各 染料 的 脱 色 情 况示于表2 - 2 和图 2 - 2 。由图 2 - 2 的曲 线比 较可看出，活性艳红x - 3 b( 带有可通过离解产 生负电 荷的 磺 酸 基) 在 菌体 上的 吸 附 率比 碱性 染料高; 而 带 有正电 荷的 碱 性品 红吸 附 率 相对很低。 这是由于吸附菌g x 2 菌体本身带有正电荷， 与带正电荷的碱性染料发生排斥 作用， 带有正电荷的染料分子不能很好的接触吸附菌， 因而g x 2 对碱性染料得吸附性较 差; 而对于带有负电 荷的染料分子由于异性相吸的作用， 使得二者更容易接近而吸附在 一起。 表2 - 2染料所带电荷对其吸附率的影响 时间 ( h ) 02 44 87 29 6 活性艳红x - 3 8(%) 0 . 0 06 5 . 2 391 . 2 49 4 . 1 69 4 . 7 8 碱性品红 (%) 0 . 0 02 . 1 35 . 9 02 0 . 1 73 5 . 3 2 吸 附 菌g x 2 对 不 同 类 型 染 料 的 脱 色 作 月 1 f 窒 活性艳红x - 3 b 碱性品红 八un们nunu 01hu六b通且 承瓣主彭 2 0 4 0 6 0 8 0 10 0%it m ,(h 12 0(h ) 图2 - 2染料所带电荷对其吸附率的影响 2 . 2 . 3染 料 的 吸 附 1 .活性染料的吸附 选取多组结构上有相似性的活性染料进行吸附实 验， 从而定性地考察菌体对染 料的吸附与染料结构之间的关系，摸索染料生物吸附的机理。 ( 1 ) 几种高活性染料的吸附实验 选用四 种l g公 司生 产的 活性染料进 行吸附 实 验， 这四 种染料是新产品， 为 高活性染料，水溶性高并且着色效果良 好，具有一定的应用范围。本实验重点考 察了菌体对活性染料的吸附情况。从表2 - 3可以看出，g x 2对给出的四种染料都 具有良 好的脱色效果， 在9 6 小时后， 脱色率几乎都达到了接近百分之百。说明本 菌种对于这种类型的染料具有极高的特异性。 表2 - 3 l g公司活性染料吸附 率随时间的 变化 时间 ( h )02 44 87 29 6 活性红h b( %)0 . 0 0 9 8 . 4 49 8 . 7 09 9 . 3 19 9 . 4 8 活性红 3 b s( %) 0 . 0 09 3 . 8 79 8 . 3 29 9 . 5 49 9 . 5 4 活性蓝n r( %) 0 . 0 09 4 . 2 09 6 . 5 99 8 . 2 99 8 . 4 6 活性深蓝h b( %) 0 . 0 09 2 . 5 89 6 . 5 29 6 . 6 39 7 . 3 6 吸附菌g x 2 对不同 类型染料的脱色作用研究 - 闷 卜 一 活性红h b - . 卜 - 活性蓝n r 一一活性深蓝h b 一活性红3 b s n曰nu们nuc户八们 n林卜匕六od通n乙 岁)哥扣盔 时间 ( h ) 图2 - 3 l g 公司活性染料脱色率随时间变化 ( 2 ) 磺酸基数目 不同的活性染料的吸附 磺酸基是影响有机物电负性的重要基团，在分子其他结构相同的情况下， 磺 酸基越多水溶液中所带正电荷越多。 在下表列出的四种染料中，从酸性葱酿蓝至活 性艳红 k - 2 g磺酸基的个数逐个递增，可是它们在 g x 2 下的最终脱色率并没有呈现 明显的趋势性变化。 在菌体吸附的前期 ( 2 4 h 之内) ， 染料的吸附率随着染料分子所 带磺酸基的个数的增加而增加。因此推断，在菌体对染料的吸附中，染料分子所带 负电荷的多少影响g x 2 最初对染料分子的吸附速度， 染料分子所带的负电荷越多， 被菌体吸附的越快;但是电荷的多少并不能影响染料的最终吸附率，随着吸附时间 的增加， 染料将最终达到吸附平衡。因此，染料所带的负电荷是吸附的诱因，却不 是决定因素。一个分子所带电荷的多少对染料的最终吸附率的影响并不是很大，而 决定染料吸附率的关键在于染料分子所带电荷的正负。 实验用四种染料的结构式如下: 酸性蕙酿蓝: 吸附菌gx2对不同类型染料的脱色作用研究 活性艳红x - 3 b : 牙n飞 )n - n na 3 n a 活性艳红k - 2 b p : n二 二 二n s o , w0 3 s 溉 人 活性艳红k - 2 g : 1卜 0 3 n a n a o 3 s n a 0 3 ss 0 3 n a 表2 - 4含不同数目 成酸基的染料的吸附率随时间的变化 时间 ( 小时) 02 44 87 29 6 酸性葱酉 9 蓝 ( 1 s ) 0 . 0 02 3 . 6 99 2 . 1 29 2 . 3 09 5 . 0 0 x- 3 b ( 2 s )0 . 0 06 5 . 2 39 1 . 2 49 4 . 1 69 4 . 7 8 k - 2 b p ( 3 s )0 . 0 08 1 . 6 49 1 . 3 49 5 . 0 79 5 . 3 7 k- 2 g ( 4 s )0 . 0 09 2 . 2 89 2 . 3 29 2 . 3 69 2 38 吸附菌g x 2 对不同类型染料的脱色作用研究 叫 卜 一活性艳红k - 2 g - w - - 活性艳红k - 2 b p ， - 活性艳红x - 3 b 一 钢 卜 . 酸性葱醒蓝 0080604020 霹)释曰盔 图 2 一 含不同磺酸基染料脱色率随时间变化 ( 3 ) 具有不同侧链的活性染料的吸附 含有不同的侧链将影响到分子的疏水性，一般情况下，分子中多一个苯环 其疏水性将大大增强。 本实验通过选择主链相同而侧链含苯环的染料进行吸附 对比 确定g x 2 对染料的吸附率与染料分子疏水性之间的关系。 实验选用两种结构相近的染料，如下: 活性艳橙k - g n n a 0 3 f 、 、 护 活性艳橙x - g n n a 0 3 s 羚 nh j oh ci 吸 附 菌g x z 对 不 同 类 型 染 料 的 脱 色 作 用 塑 窒 由于两种活性橙染料均带有 3个以 上的磺酸基， 使得c x z 对它们的吸附速 度都很快。 活性艳橙k 一 gn较x 一 gn在侧链上多了 一个苯磺酸基， 疏水性较强， 从图 2 一 5可以看出，其吸附率稍大一些，但是同时由于其上的磺酸基增加了染料分子的 水溶性，使得两者的前期吸附速率和最终9 6h吸附率几乎相近。 表2 一 5 两种具有不同 琉水侧链的活性染料吸附率随时间的变化 时间伪 ) 0 2 44 87 29 6 活性橙x 石n( %) 0 . 0 09 2 乡69 3 . 0 79 3 .2 8 9 42 4 活性橙k 心n ( %) 0 . 0 01 0 0 刀01 0 0 . 0 01 0 0 . 0 0 1 0 0 . 0 0 nu八曰nun orlbd 巴并切盔 2孩性染料的吸附 实验选取三种碱性染料进行吸附实验，从实验结果看， 菌体对碱性染料几乎 不吸附。虽然碱性染料的水溶性相对较低， 但是 g x z对三种染料的吸附效果却十 分不理想。主要是由于 g x z菌体本身表面带有正电 荷，而其对染料的吸附首先需 要静电力进行诱导，因而在溶液中带正电荷的碱性染料与菌体之间互斥， 尽管其疏 水性较强，仍不能顺利的吸附。 表2 一 6 g xz 生长菌体处理的 三种玻性染料吸 光度随时间的 变化 时间 ( h )02 44 87 29 6 碱性品红4 . 6 8 04 . 5 8 04 . 4 0 43 . 7 3 63 . 0 2 7 碱性艳蓝3 . 5 6 03 . 5 6 035 6 03 . 5 6 03 . 5 6 0 碱性紫3 . 1 6 83 . 1 6 83 . 1 6 83 . 1 6 83 . 1 6 8 g x 2 对 三 种枯 性染 料的 最终 吸附 率 染料 碱性品红 碱性艳蓝 碱性紫 附率 ( %) 3 5 . 3 2 0 . 0 00 . 0 0 3酸性染料吸附: 一 4 8 图2 一 6 j性qn乙 侧兴咨 g x 2 生长菌体对三种碱性染料的吸附去除 ( 1 ) g x 2 对具有不同侧链的酸性染 料的吸附: 本实验选取两种主链相同而侧链略差异的酸性染料进行实验，以 探讨菌体对染 料的吸附与染料结构的关系. = n 一 /i n a qs 、 护 酸性红a酸性橙 n 表2 - 7两种酸性染料脱色率随时间变化情况 时间 ( h )02 44 87 29 6 酸性红a( %)0 . 0 01 0 0 . 0 0 1 0 0 . 0 01 0 0 . 0 01 0 0 . 0 0 酸性橙1 1 ( %)0 . 0 03 1 . 9 5 9 3 . 4 99 9 . 2 39 9 . 2 3 吸 附 菌g x 2 对 不 同 类 型 染 料 的 脱 色 作 用 of塞 求铸切翅 图2 - 7两种具有不同疏水侧链的酸性染料的吸附脱色对比 酸性红a 分子中包含两个蔡环， 酸性橙1 1 分子中有一个蔡环， 一个苯环， 前者疏 水性较强， 在2 4 h 后脱色率就达到1 0 0 % ， 而酸性橙i i 只有3 2 % 。 这表明前者被菌 体吸附的速率比后者快。 但是. 9 6 h后二者脱色率都可达