（环境工程专业论文）微生物絮凝剂及细胞融合技术处理焦化废水中酚氰的研究.pdf

摘要 摘要 焦化废水是典型的难降解废水，成分复杂，水质多变，含有氰化物、挥发 酚等有毒有害物质，处理成本高且难以达标排放。本研究力图在构建高效复合 菌群的基础上利用细胞融合技术对复合菌群进行改造，降解处理焦化废水中的 苯酚和氰化物。 从南钢焦化厂和新钢焦化厂曝气池中筛选到8 株具有酚氰降解效果的菌株， 两两复合得到2 8 种复合菌群，综合考虑絮凝率和降解率，选取最优复合菌群命 名为f h 一1 。复合菌群f h 1 及其所产m b f 处理焦化废水，氰化物和苯酚含量分 别降至0 5 7 6 m g l 和1 0 2 5m e , l 。 在优化复合菌群f h 1 的基础上采用p e g 细胞融合技术对f h 一1 进行改造， 通过原生质体灭活筛选到一株稳定的融合子r h 1 。 r h 1 废水应用实验表明：r h 1 所产m b f 处理焦化废水，氰化物和苯酚的 降解率分别为6 9 7 5 和7 3 4 6 。去除氰化物和苯酚的动力学方程分别为： 1 c ，( 氰化物) 2 c o ( 氰化物) ( 卜云面鬲1 丽) ( 愕l ) 1 e ( 糊2 c 衅酚) ( 1 一面万蒜( r a g l ) r h 1 处理m b f 絮凝后的焦化废水，氰化物和苯酚去除率分别为9 1 0 3 和 9 8 4 8 。降解动力学方程分别为： c f ( 氰化物) = c o ( 氰化物) p _ o 0 3 17 ( m g l ) c f ( 苯酚) 2c o ( 苯酚) p _ o 。5 4 4 ( m g l ) 采用r h 1 及其所产m b f 联合使用处理焦化废水，氰化物含量从11 6 1 0 m g l 降至0 315 m g l ，苯酚含量从3 31 18 m g l 降至1 3 4 m g l ，氰化物含量达到钢铁 工业水污染物一级排放标准( g b l 3 4 5 6 9 2 ) ，苯酚含量达到三级标准。 以a 1 2 ( s 0 4 ) 3 为改性剂，对天然钠基膨润土进行改性处理，并将其用于处理 摘要 经融合子菌株及其所产m b f 处理后的焦化废水。在p h 为9 0 ，改性膨润土投加 量为2 0 9 l ，搅拌时间为2 0 m i n 的条件下，苯酚去除率为6 6 2 ，苯酚含量降为 0 4 5 m g l ，达到钢铁工业水污染物排放标准( g b l 3 4 5 6 9 2 ) 的一级排放标准。 关键词：复合菌群；微生物絮凝剂；细胞融合；改性膨润土；焦化废水 i i a b s t r a c t a b s t r a c t c o k i n gw a s t e w a t e ri so n ek i n do fat y p i c a lr e f r a c t o r yw a s t e w a t e r ，w h i c hi s c h a r a c t e r i s t i co fc o m p l i c a t e dw a t e rq u a l i t ya n dv a r i a t i o n a lw a t e rq u a l i t y , i n c l u d i n g c y a n i d e ，p h e n o la n do t h e rp o i s o n s ，t h e s ec h a r a c t e r i s t i c sm a k ei th a r dt ot r e a ta n dt h e c o s ti st o oh i 曲i nt h i st h e s i s ，o nt h eb a s i so fb m l d i n gh i g h l ye f f i c i e n tm u l t i p l e m i c r o o r g a n i s m s ，c e l lf u s i o nt e c h n o l o g yw e r eu s e dt oc o n s t r u c tt h ef u s a n ta n dt r e a t t h ep h e n o la n dc y a n i d ei nc o k i n gw a s t e w a t e r e i g h ts t r a i n s 、析t ha b i l i t yo fp h e n o la n dc y a n i d ed e g r a d a t i o nw e r es c r e e n e df r o m t h ea e r a t i o nt a n ko fc o k i n gp l a n ti nt h en a n c h a n ga n dx i n y us t e e lp l a n t t w oa r b i t r a r y s t r a i n sw e r em i x e da n dc u l t i v a t e dt ob u i l dm u l t i p l em i c r o o r g a n i s m s ，2 8k i n d so f b a c t e r i aw e r e o b t a i n e d c o m p r e h e n s i v e l y c o n s i d e r e dd e g r a d a t i o nr a t ea n d f l o c c u l a t i n gc a p a c i t y , ab e s to n eh a sb e e nc h o s e na n dn a m e df h - 1 t r e a t e db yf h - 1 a n dt h em i c r o b i a lf l o c c u l a n t p r o d u c e db yf h 一1 ，t h ec y a n i d ed r o p p e d t o 0 5 7 6 m g l t h ep h e n o ld r o p p e dt o10 2 5 m g l o nt h eb a s i so f m u l t i p l em i c r o o r g a n i s m s ，p e gp r o t o p l a s tf u s i o nt e c h n o l o g yh a s b e e nu s e dt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ff h 一1 t h r o u g ht h ei n a c t i v a t i o no fp r o t o p l a s t ， as t a b l e l ef u s a n tn a m e dr h 1w a so b t a i n e d r h - 1a p p l i c a t i o ne x p e r i m e n ts h o wt h a tt r e a t e db ym b f p r o d u c e db yr h 一1 ，t h e r e m o v a lr a t eo fc y a n i d ea n dp h e n o li s6 9 7 5 a n d7 3 4 6 t h ek i n e t i ce q u a t i o n so f c y a n i d ea n dp h e n o lr e m o v a le f f i c i e n c yw e r e ： q ( 氰2 c 螈( 1 一面丽赢( m g l ) g ( 苯酚) 2 c 。( 苯酚) ( 1 一t 虿乏百歹孟( m g l ) a f t e rf l o c c u l a t e db ym b f ，r h - 1h a su s e dt ot r e a t e dt h ec o k i n gw a s t e w a t e r , t h e r e m o v a lr a t eo fc y a n i d ea n dp h e n o li s91 0 3 a n d9 8 4 8 t h ek i n e t i ce q u a t i o n so f c y a n i d ea n dp h e n o ld e g r a d a t o nw e r e ： c f ( 氰化物) = c o ( 氰化物) p _ o 。3 1 7 ( r a g l ) i i i ：! ! 望! ! ! ! ! ! ! 一 _o-_-_-_-_-i-_l_-_-_o-_l_i。_-。o。-。_。-_。oo-o_1010。o。oo。o。一一一 c f ( 苯酚) = c o ( 苯酚) 一黼( r a g l ) t r e a t e db yr h 一1a n dt h em b fp r o d u c e db yr h 一1 ，t h ec y a n i d ec o n c e n t r a t i o n d r o p p e df r o m11 610 m g lt o0 315 m g l ，a n dt h ep h e n o lc o n c e n t r a t i o nd r o p p e df r o m 3 31 18 m g lt o1 3 4 m g l t h ec y a n i d ec o n c e n t r a t i o nh a dr e a c h e dt h ef i r s tr e q u e s to f i r o na n ds t e e li n d u s t r yd i s c h a r g es t a n d a r d ( g b13 4 5 6 9 2 ) t h ep h e n o lc o n c e n t r a t i o n h a dr e a c h e dt h et h i r dr e q u e s t n a t u r a ls o d i u mb e n t o n i t eh a sb e e nm o d i f i e db ya 1 2 ( s 0 4 ) 3 c o k i n gw a s t e w a w e r w h i c hh a db e e nt r e a t e db yf h 一1a n dt h em b fp r o d u c e db yr h 1w a st r e a t e db y m o d i f i e db e n t o n i t e u n d e rt h e s ec o n d i t i o n s ：p h 9 0 ，a n q o u n to fm o d i f i e db e n t o n i t e 2 0 9 l ，s t i r r i n gt i m e2 0 m i n ，t h er e m o v a lr a t e o fp h e n o li s6 6 2 ，t h ep h e n o l c o n c e n t r a t i o nd r o p p e dt o0 4 5 m g l ，h a dr e a c h e dt h ef i r s tr e q u e s to fi r o na n ds t e e l i n d u s t r yd i s c h a r g es t a n d a r d ( g b 13 4 5 6 - 9 2 ) k e yw o r d s ：m u l t i p l em i c r o o r g a n i s m s ；m i c r o b i a lf l o c c u l a n t s ；p o l y e t h y l e n eg l y c o l c e l lf u s i o n ；m o d i f i e db e n t o n i t e ；c o k i n gw a s t e w a t e r i v 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南昌大学或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名( 手写) ：响奴 签字日期：沙3 年r z 月，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解南昌大学有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权南昌大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编本学位论文。同时授 权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名( 手写) ：席1 欢 签字日期：沙争年i z 月几日 刷噬名( 手写儿犏艮 签字日期：夕修产年，月日 第1 章文献综述 第1 章文献综述 1 1 引言 水是人类生活和生产活动不可缺少的重要资源，是经济社会可持续发展的 基础。据估计，全球陆地上水资源总量为1 3 1 8 6 亿k m 3 ，其中有9 6 5 4 是不能 直接用于生活、工业、农田灌溉的海水，与人类生活息息相关的淡水量仅为1 0 4 7 亿k m 3 ，占总水量的0 3 4 【l 】。水的需求随人口的增加和经济的发展而迅速增长。 从1 9 4 0 一1 9 9 0 年，在5 0 年时间内，全球总用水量增加了4 倍。1 9 9 5 年全球用 水总量已达3 6 0 0 0 亿m 3 ，人均用水6 2 8 m 3 ，约占易用淡水资源量的2 7 3 0 。 水资源在地球上的分布是很不均匀的，有的地方多，有的地方少。据联合国调 查，全球约有4 6 亿人生活在用水高度紧张的国家或地区内，还有1 4 人口即 将面临严重用水紧张的局面【2 1 。 我国是一个严重干旱缺水的国家。我国的淡水资源总量为2 8 0 0 0 亿m 3 ，占 全球水资源的6 ，仅次于巴西、俄罗斯和加拿大，名列世界第四位。但是，我 国的人均水资源量只有2 3 0 0 m 3 ，仅为世界平均水平的1 4 ，是全球人均水资源最 贫乏的国家之一。扣除难以利用的洪水径流和散布在偏远地区的地下水资源后， 中国现实可利用的淡水资源量则更少，仅为1 1 0 0 0 亿i n 3 左右，人均可利用水资 源量约为9 0 0m 3 ，并且分布极不均衡。到2 0 世纪末，全国6 0 0 多座城市中，已 有4 0 0 多个城市存在供水不足问题，其中比较严重的缺水城市达1 1 0 个，全国城 市缺水总量为6 0 亿立方米。 据统计，2 0 0 6 年我国工业废水和城镇生活污水年排放总量已达到5 3 6 8 亿 吨。而其中大部分未经处理就直接排入了江河湖海。环境污染已成为制约我国 经济社会发展的重要因素，迫切需要得到高度重视和妥善处理。但是废水治理 的发展远远赶不上工业的发展。特别是一些难降解废水的处理难以达到排放标 准。焦化废水是一种典型的难降解废水，废水水量大，成分复杂，水质多变， 除酚及高浓度氨氮外，还含有多种难降解有毒有害杂环化合物、多环芳烃和氰 化物等。 中国是煤炭生产大国，同时也是焦炭生产、消费和出口大国。特别是近年 来，随着国民经济的迅猛发展，钢铁产量的大幅度提高，中国的焦化工业得到 第1 章文献综述 了长足的发展。2 0 0 5 年世界焦炭产量达4 7 亿吨，我国焦炭产量占全球总产量 比重约为5 3 。2 0 0 6 年全球及我国经济继续向好，在全球经济加快增长、钢铁 等产业高需求的拉动下，2 0 0 6 年成为全球焦炭最高消费年。2 0 0 6 年1 1 0 月份， 我国规模以上炼焦企业累计生产焦炭2 2 6 2 1 万吨。随着我国工业化、城镇化、 新农村建设的加快，钢铁需求还会增加，进而拉动焦炭需求的增加和焦炭业的 发展。焦化行业的持续发展使得焦化废水的污染问题日益突出。 1 2 焦化废水的特点和处理技术概述 1 2 1 焦化废水的来源及性质 焦化厂、城市煤气厂等在炼焦和煤气发生过程中产生的污水称为焦化废水 3 1 。焦化厂生产的主要任务是进行煤的高温干馏炼焦，以及回收处理在炼焦 过程中所产生的副产品，整个生产过程分为选煤、炼焦及化工三部分。焦化废 水则产生于炼焦、制气过程，其水质复杂，产生量较大【4 】。产生的废水主要包括 以下几个部分： ( 1 ) 剩余氨水( 或经蒸氨后的废水) ：由装炉煤中的外在水分、煤在炼焦过程 中形成的化合水以及焦炉上升管喷射的蒸气中的水分组成。该污水含酚约 6 0 0 1 2 0 0 m g l ，c o d 约3 0 0 0 m g l ，含n h 3 约2 0 0 3 0 0 m g l ； ( 2 ) 煤气终冷循环水排污水：在进行煤气最终冷却时，煤气中一定数量的酚、 萘、氰化物、硫化物及吡啶盐基等进入冷却水。为保证煤气的终冷温度和减轻 脱苯蒸馏设备的腐蚀，终冷循环水需部分用新水更换，而排出一定量的含酚、 氰化物污水。该污水含酚约1 5 0 m g l ，氰化物约8 0 1 5 0 m g l ，c o d 约3 0 0 0 m g l ， 油约2 0 0m g l ，并有少量硫化物； ( 3 ) 化学产品分离水：在化学产品粗、精制加工过程中的水蒸气冷凝水和化 学产品沉降分离产物，以及各种贮槽定期和事故排出的污水。该废水主要含芳 烃类、酸、碱、盐等，废水含有一定的酸性； ( 4 ) 焦油车间废水：焦油车间根据有机物的沸点不同，用蒸馏法初步分离各 种产品，再经酸碱洗涤分离出粗苯、吡啶等产品。废水主要是间断地排出含油、 含酸的高浓度废水。这部分废水一般经溶剂脱酚通过蒸氨塔后才能进入生物处 理装置： ( 5 ) 古马隆废水：从酚、油、重苯中提取古马隆，要经过蒸馏、碱洗、酸洗、 2 第1 章文献综述 中和及水洗，排除含酚、吡啶、油等污染物的废水。 焦化厂废水量的排放随炼焦工艺的不同有较大的变化，同时炼焦原料煤成 分的变化也可导致焦化废水的化学组成及各种污染物的含量有很大的不同。尽 管各焦化厂排放废水所含污染物相差甚远，但焦化废水却有以下共同的特点【5 】： ( 1 ) 废水成分复杂，含有数十种无机、有机化合物。其中无机化合物主要含 有大量铵化物、硫化物、氰化物等，有机化合物主要有酚类，单环及多环芳香 族化合物，同时也含有氮、硫、氧等杂环化合物； ( 2 ) 废水中污染物浓度高，难于降解。由于焦化废水中氮的存在，致使生物 净化所需的氮源过剩，废水中n h 3 n 浓度、c o d 浓度、酚、氰的含量高，由于 污染物浓度高，给处理达标带来了较大困难； ( 3 ) 废水排放量大。每吨焦炭用水量大于2 5 t ，一般设计能力4 0 1 0 4 t a 的 焦化厂所排废水量将超出1 0 0 0 t d ； ( 4 ) 危害大。焦化废水中多环芳烃不但难以降解，通常还是强致癌物质，不 但会对环境造成严重污染，同时也将直接威胁到人类健康。 1 2 2 焦化废水处理技术 焦化废水的处理，一直是国内外污水处理领域的一大难题。废水中污染物 成份复杂，含有挥发酚、多环芳烃和氧硫氮等杂环化合物，属较难生化降解的 高浓度有机工业废水。目前，焦化废水一般要通过预处理( 一级处理) 、二级处理 ( 一般采用生化处理) 和深度处理才能排放。在国内，焦化厂的废水处理系统主要 分为一级处理和二级处理，采用三级处理的还很少。 预处理常用的方法：稀释和气提，混凝沉淀，气浮和高级氧化技术等。 ( 1 ) 稀释和气提 稀释和气提是利用蒸馏对挥发性物质进行提取的方法，在气提过程中，被 处理的挥发性物质由液相传递到气相【卅，气提法在焦化废水的预处理中用于提取 其中的氨氮。 ( 2 ) 混凝沉淀 沉淀法是利用水中悬浮物的可沉降性能，在重力作用下下沉，以达到固液 分离的过程。其目的是除去悬浮的有机物，以降低后续生物处理的有机负荷。 魏在山【7 】利用自制的p f a s s i 絮凝剂对焦化废水进行了混凝沉淀研究，结果表明： p f a s s i 在用量低的同时，效果也优于其他絮凝剂。 3 第1 章文献综述 ( 3 ) 气浮法 气浮是将空气以微小气泡的形式通入水中，使微小气泡与在水中悬浮的颗 粒或油滴粘附，形成水一气一颗粒( 油滴) 三相混合体系，颗粒粘附于气泡上 浮至水面，从水中分离出去，形成浮渣【8 】。因过多的油类会影响后续生化处理 的效果【9 j ，气浮法焦化废水预处理的作用是除去其中的油类并回收再利用，此外 还起到预曝气的作用。 ( 4 ) 高级氧化技术 高级氧化技术是在废水中产生大量的h o 自由基，h o 自由基能够无选 择性地将废水中的有机污染物降解为二氧化碳和水。高级氧化技术可以分为均 相催化氧化法、光催化氧化法、多相湿式催化氧化法以及其他催化氧化法。 徐金球【l o 】利用超声空化技术预处理焦化废水后，再经过湿式催化氧化处理， 焦化废水的c o d c r 去除率达9 5 7 。张秋波等】利用湿式催化氧化法对煤气化 废水的研究表明，在合理的处理时间内酚、氰和硫化物的去除率接近1 0 0 ， c o d c r 去除率达6 5 一9 0 。曹曼等【1 2 】用光催化氧化法处理焦化废水，加入催化 剂后，经过紫外光照射1 h ，可将废水中所有的有机毒物和颜色全部除去。 对于预处理后的焦化废水，国内外一般采用好氧、厌氧生物法处理，但由 于焦化废水中的多环和杂坏类化合物，如萘、喹啉、吡啶等难以生物降解。好 氧生物法处理后出水中的c o d c r 、氨氮等指标远远不能达标。为了解决上述问 题，近年来出现了一些新的处理方法，如p c t a 法、生物铁法、p s n 光合细菌 菌体) 活性污泥法、厌氧生物法、厌氧一好氧生物法等。 ( 1 ) p c t a 法 p c t a 法是在活性污泥曝气池中投加活性炭粉末，利用活性炭粉末对有机物 和溶解氧的吸附作用，为微生物的生长提供食物，从而加速对有机物的氧化分 解能力，活性炭用湿空气氧化法再生。国外的研究及应用表明，该法去除效果好， 投资费和运行费低【1 3 。1 4 】。 ( 2 ) 生物铁法 铁的化合物对悬浮物、胶体物质和微生物的吸附作用能够生成易于沉淀的 絮团，同时铁还是微生物生长的必要元素【1 5 1 。因此在活性污泥中加入一定量的 铁化合物后，可使活性污泥变得密实，提高曝气池的污泥浓度，加速生物氧化， 而且在铁化合物和微生物的协同作用下，使吸附作用和絮团作用更加有效地进 行。 4 第1 章文献综述 f 3 ) p s b 活性污泥法 p s b 活性污泥法是将光合细菌菌体固定在活性污泥上，对焦化废水进行处 理。p s b 活性污泥法对温度、p h 的适应范围较广，用于处理含酚较高的焦化废 水时有较高的酚去除率，而且可减少菌体的流失。但其缺点是c o d e r 、b o d 的 去除率不理想，出水需作进一步的处型1 6 】。 h ) 厌氧生物法 一种被称为上流式厌氧污泥( u a s b ) 的技术用于处理焦化废水。该法所用的 反应器是由荷兰的c j l e t t i n g a 等于1 9 9 7 年开发成功的，废水自下而上通过底部 带有污泥层的反应器，大部分的有机物在此被微生物转化为c h 4 和c 0 2 。在反 应器的上部设有三相分离器，完成气、液、固三相的分离f 1 7 1 。陈常洲确定了该 法处理焦化废水的工艺参数：进水c o d e r 质量浓度为2 0 0 0 m g l 以上，p h 6 0 7 6 ， 温度3 0 - - 3 5 c ，c o d e r 负荷1 0 1 5 k g ( m 3 m ，停留时间3 - - 1 2 h t l 8 1 。在此条件 下，c o d e r 的去除率为8 0 8 5 ，最高达到9 0 以上。另外，活性炭厌氧膨胀 床技术也被用于处理焦化废水，该技术可有效地去除废水中的酚类和杂环类化 合物。 ( 5 ) 厌氧一好氧联合生物法 单独采用好氧或厌氧技术处理焦化废水并不能够达到令人满意的效果，厌 氧和好氧的联合生物处理法逐渐受到研究者的重视。赵建夫等【1 9 1 采用厌氧酸化 一好氧法处理焦化废水的研究发现，焦化废水经过厌氧酸化处理后，废水中有 机物的生物降解性能显著提高，使后续的好氧生物处理c o d e r 的去除率达9 0 以上。其中较难降解的有机物萘、喹啉和吡啶的去除率分别为6 7 6 ，5 5 6 和 7 0 9 ，而一般的好氧处理这些有机物的去除率不到2 0 。鞍山焦耐院和一些 单位合作，采用厌氧固定膜一好氧生物法处理焦化废水也得到了比较满意的效 果。 焦化废水经生化处理后，出水的c o d e r 、氨氮等浓度虽有极大的下降，但 由于难降解有机物的存在，使得出水的c o d e r 、氨氮等指标仍未达到排放标准， 因此，生化处理后的出水仍需迸一步的处理。深度处理的方法主要有离子交换 法、氧化塘法、吸附法和光催化氧化法等。 ( 1 ) 离子交换法 离子交换法是一种借助于离子交换剂上的离子和废水中的离子进行交换反 应而除去废水中有害离子的方法。具有去除效率高，设备简单，易于操作控制 5 第1 章文献综述一一 等优点。缺点是离子交换剂的再生及再生液的处理难度较大、费用较高。离子 交换法可以用来处理氰化物浓度较低的焦化废水。 ( 2 ) 氧化塘法 氧化塘法对污水的净化过程与自然水体的自净过程类似，是一种利用天然 净化能力处理污水的生物处理法。污水进入塘中，水中的污染物与塘中的细菌、 藻类和原生动物等发生一系列复杂的生物、物理、物理化学变化，从而达到去 除污染物的目的。吴红伟等【2 0 l 用氧化塘法处理焦化废水，在p h 6 8 ，温度2 5 - - 6 0 的条件下c o d 。，和氨氮均可达标排放，而且该研究还发现，若在焦化废水 中混入生活污水，c o d 盯和氨氮的去除率均有所提高。 ( 3 ) 吸附法 由于固体表面有吸附水中溶质及胶质的能力，当废水通过比表面积很大的 固体颗粒时，水中的污染物被吸附到固体颗粒( 吸附剂) 上，从而去除污染物质。 白玉兴等【2 1 1 用焦炭一活性炭双级吸附法深度处理济南钢铁公司某焦化厂的生化 车间出水，其结果表明，本法对c o d 。，和悬浮物的去除效果较好，对氨氮的去 除率较低。张昌鸣等【2 2 】用粉煤灰作为吸附剂处理山西焦化厂的生化车间出水， 处理后的最终出水水质良好，除氨氮偏高外，其余指标达到了国家对一级新厂 的标准要求，而且水质符合农田灌溉水质标准。上述文献报道表明，生化法仍 是国内大多数焦化废水处理工程中关键的一步，由于焦化废水中的有毒有害物 质较多。成分复杂，一些物质对微生物的生长有抑制作用，导致焦化废水的可 生化性较差。如何提高焦化废水的可生化性，除了上述文献中提到的各种预处 理外，另一种方法就是生物强化技术。 生物强化技术，就是为了提高废水处理系统的处理能力，而向该系统中投 加从自然界中筛选的优势菌种或通过基因组合技术产生的高效菌种，以去除某 一种或某一类有害物质的方法。投入的菌种与底质之间的作用主要包括直接作 用和共代谢作用1 2 3 j 。 生物强化技术产生于2 0 世纪7 0 年代中期，由于它能在不扩充现有的水处 理设施基础上，提高其水处理的范围和能力，因此近年来在现代废水治理中的 应用日益受到重视。针对目前我国焦化废水处理现状，将生物强化技术与普通 生化工艺技术相结合是一种比较实用的思路。 6 第1 章文献综述 1 3 复合菌群 1 3 1 复合菌群的定义和内容 在一般的生物处理中通过投加优势菌种以迅速降解目标去除物的生物强化 技术产生于2 0 世纪7 0 年代中期，8 0 年代以后得到广泛的研究和应用，并显示 出其独特的作用，在用活性污泥处理城市污水的过程中，人们认识到不同的菌 群在废水处理上扮演了不同的角色，降解能力也各有所异【2 4 1 。为了获得更好的 处理效果，通常采用优势菌种复合使用处理废水。 复合微生物群是由两种或两种以上的微生物共同培养、相互作用、相互影 响，最终达到发挥其最大群体优势的微生态系统。复合菌群通过发酵合成和复 合发酵使污水中的污染物质分解，从而达到净化水质的目的。高效复合菌群技术 目前已经广泛应用于污水生物降解、水体环境修复等环境保护的多个领域【2 5 - 2 6 1 。 1 3 2 复合菌群在环境保护中的应用 随着工业的发展，工业废水的排放量不断增长，废水中难以微生物降解的 物质也越来越多。传统的活性污泥法等生化处理手段已不能满足环境保护的要 求。复合菌群以其操作简便、投资低、处理效果好等优点在环境保护中得到了 越来越广泛的应用。 朱艳彬，马放等人f 2 7 】采用纤维素降解菌和絮凝菌组成复合型生物絮凝剂产 生菌菌群，发现f 2 和f 6 组合絮凝活性最佳，且均优于单菌。张自强，林波等 人【2 8 】由2 株产低效絮凝剂产生菌构建出产高效絮凝剂的复合菌群一复合1 。实 验表明，复合1 能在啤酒废水培养基中生长良好，并产生絮凝活性为9 6 8 的 m b f 。中国环境科学研究院李捍东【2 4 】等人报道了用复合菌群处理广西南宁的某 污水塘，通过实验看出复合菌群处理后池塘水质中的主要污染指标c o d ，b o d 5 ， t n ，t p 等的去除效果显著，对池塘的水质具有很好的处理能力。中南林学院孟 范平【2 9 】等人系统评价了复合菌群在污水三类常见污染物( c o d m 氨氮和磷) 的去 除情况，不同的复合菌群投加量对三种污染物的去除效率影响较大，应根据实 际应用中应根据需要选择适当的投加量。高云超，田兴山等人【3 0 】对广州市城市 污水处理厂和钟落潭猪场污水处理站的微生物区系进行筛选并制备了复合微生 物制剂。该菌剂对猪场污水的处理效果表明，复合微生物制剂对高浓度污水具有 较好的处理作用。复合微生物制剂和活性污泥对污水的处理效果分别为6 9 7 和 7 第1 章文献综述 6 2 6 ，比活性污泥的处理效果高7 1 个百分点。 1 4 微生物絮凝剂 絮凝剂是一类可使液体中不易沉降的悬浮颗粒凝聚沉淀的物质，广泛应用 于工业废水处理、生活污水处理以及食品生产和发酵等工业【3 1 _ 2 1 。传统的絮凝 剂主要分为：( 1 ) 无机絮凝剂；( 2 ) 人工合成有机高分子絮凝剂；( 3 ) 天然有机高分 子絮凝剂。传统絮凝剂在使用中存在很多缺点。无机絮凝剂使用过程中存在着 较大的不安全性和潜在的二次污染问题【3 3 1 。人工合成有机高分子絮凝剂中使用 较多的聚丙烯酸胺，因其单体具有强烈的神经毒性和致癌性，所以使用受到了 限制。此外，大部分天然有机高分子絮凝剂存在絮凝活性较弱和使用成本较高 等缺点【3 4 - 3 7 1 。微生物絮凝齐t j ( ( m i c r o b i a lf l o c c u l a n t s ，m b f ) ) 是由微生物产生的可使 液体中不易沉降的固体悬浮颗粒、菌体细胞及胶体颗粒等凝聚沉淀的特殊高分 子物质，主要成分有糖蛋白、胞外多糖、蛋白质、纤维素和核酸等【加_ 4 1 1 。m b f 具 有高效、无毒、可生物降解等特点，逐渐成为研究热点。 1 4 1 微生物絮凝剂的研究进展 文献报道中，最早发现的具有分泌絮凝剂能力的微生物，即絮凝剂产生菌， 是1 9 3 5 年b u t t e r f i e l d 4 2 i 从活性污泥中筛选得到的。1 9 7 1 年，z a j i c 和k n e t t n i g 从 煤油中分离出一株棒状杆菌，该菌可产生对泥水有絮凝作用的多聚物【4 引。1 9 7 6 年，n a k a m u r a 等人【删从霉菌、细菌、放线菌和酵母菌等2 1 4 种菌株中，筛选出 1 9 种具有絮凝能力的微生物，以酱油曲霉a j 7 0 0 2 产生的絮凝剂最好。1 9 8 6 年， 日本的仓根隆一郎等人【4 5 】从旱田土壤中分离筛选得到红平红球菌，并将菌株产 生的微生物絮凝剂n o c 1 作用于大肠杆菌、酵母、泥浆水、河水、粉煤灰水、 活性炭粉水、膨胀污泥和纸浆废水等，均有极好的絮凝和脱色效果，是目前发 现的最好的微生物絮凝剂。在此之后的研究中，比较有代表性的是1 9 9 7 年 s u b h h 等人发现的d p l 5 2 絮凝剂m 】，因其是首次发现杆状细菌也能产生絮凝 剂。我国对微生物絮凝剂的研究起步较晚，自2 0 世纪9 0 年代中期以来，国内 有关微生物絮凝剂的报道也日渐增多。 江苏微生物研究所的陆茂林【4 7 】从土壤和污泥中筛选除两株絮凝活性较高的 诺卡氏菌。马放等【4 8 】从活性污泥和土壤中分离筛选出的4 株絮凝率较高的菌株， 经鉴定均为芽抱杆菌属。把其中任意两株混合培养之后，发现f z 和f 6 发酵液 8 第l 章文献综述 的絮凝率较原来的单菌株均有提高。张志强等【4 9 】从筛选到的絮凝剂产生菌中构 建出能比单一菌群产生更高絮凝活性的复合菌群，并尝试用啤酒废水替代葡萄 糖做为培养基中的碳源和能源而且获得成功。游映玖【5 0 】从含大量微生物菌群的 土壤中筛选出了具有产絮效果的y 5 菌液。比较不同培养条件下y 5 菌液的絮凝 率得出：菌液絮凝性能是其中3 种复合菌株共同作用的结果。 总之，目前国内对m b f 的研究，大多处在菌种筛选和菌株培养对废水处理 的实验小试阶段。要使m b f 在我国真正地应用于水处理，还需要做大量的，进 一步的试验和研究。 1 4 2 微生物絮凝剂的特点及絮凝机理 微生物絮凝剂主要是微生物代谢过程中产生的各种多聚糖类。有些生物絮 凝剂是蛋白质( 或多肽) ，或者是含有蛋白质( 或多肽) 。另外，一些絮凝剂中还含 有无机金属离子，如c a 2 + 、m 孑+ 、a 1 3 + 和f e 3 + 等【5 1 1 。它与传统无机和有机絮凝剂 相比，具有独特的优势【5 2 l ：( 1 ) 易被生物降解，无毒无害，安全性高；( 2 ) 无二次 污染；( 3 ) 使用范围广，效果好；( 4 ) 生产和使用成本低；( 5 ) 有的还具有受p h 影 响小，热稳定性好，用量小等特点。 微生物絮凝剂的作用机理较为复杂，目前还不十分清楚，主要原因是不同 微生物分泌的微生物絮凝剂性质不同。目前，絮凝理论主要有荚膜学说、菌体 外纤维素纤丝学说、电性中和学说、疏水学说和胞外聚合物架桥学说等f 5 3 5 引。 荚膜学说认为细胞在生长过程中形成了粘性荚膜，粘连颗粒使之形成絮体；纤 维素纤丝学说认为菌体外的纤丝直接参与了絮凝，纤丝把颗粒联结到一起，形 成絮团；疏水学说认为颗粒与细胞表面的疏水作用对细菌的粘附至关重要；胞 外聚合物架桥学谢5 9 1 认为细菌体外的聚合物与颗粒表面相互作用，从而导致絮 凝的发生。 1 4 3 微生物絮凝剂在环境保护中的应用 微生物絮凝剂主要是提高对油、无机超微粒子的净化效果、提高脱色效果。 目前的除油方法主要集中于生物除油，一般的化学絮凝剂在不同程度上抑制微 生物降解作用的发挥。而微生物絮凝剂则不同，它不但具备絮凝作用，且有降 解性能，可提高油的去除效果。在乳化液的油水分离实验中，用a l c a l i g e n u e sl a t u s 培养物，可以很容易地将棕榈酸从其乳化液中分离出来，在细小均一的乳化液 9 第1 章文献综述 中即形成明显可见的油滴，下层清液的c o d 去除率达4 8 ，远高于无机絮凝剂 和高分子絮凝剂的絮凝效果【鲫，s h i m i z i u l 6 1 】筛选的菌株a l c a l i g e n e sl a t u s 所产生 的絮凝剂，能够处理焦化废水，使废水中s s ( 悬浮颗粒物) 的去除率达到7 8 0 。 在含有可溶性着色物质的黑墨水、面包酵母生产过程中排出的培养基、糖蜜废 水、糖蜜发酵生产酒精过程中精馏后的酒精发酵母液、造纸碱性黑液，颜料废 水等有色废水中，加入微生物絮凝剂n o c 1 ，经絮凝沉淀后，可得到无色透明 的上清液。 1 5 细胞融合 细胞融合技术是将遗传性质不同的两个细胞融合为一个新细胞的一项技 术。这种在细胞水平上的遗传操纵属于细胞工程，是现代生物技术的一个分支。 此技术应用于植物和微生物时要去掉细胞壁后进行融合，所以称之为原生质体 融合技术1 6 2 j 。 1 5 1 细胞融合的发展 早在五十年代已有大量酶法制备微生物原生质体的报导。1 9 5 3 年w e i b u l l 首次用溶菌酶获得巨大芽抱杆菌的原生质体；1 9 5 7 年e d d y 等首次甩蜗牛酶得到 酵母菌原生质体；1 9 5 8 年e m e r s o n 等用蜗牛酶加半纤维素酶从丝状真菌得到原 生质体，这就为原生质体的实验系统奠定了基础。1 9 7 4 年，高国楠【6 3 】发现聚乙 二醇( p e g ) 和c a 2 + 的存在可促进植物原生质体融合，并显著提高其融合率，这项 重大发现加速了原生质体融合技术的基础研究和应用研究。1 9 7 5 年f e r e n c z y 报 导p e g 促进真菌融合。随后，在酵母菌、霉菌、放线菌、细菌的种内、种间乃 至属间均形成了原生质体融合实验系统。由于微生物具有繁殖迅速、周期短的 特点，此技术发展迅猛。1 9 7 8 年第三届国际工业微生物遗传学讨论会上把原生 质体融合作为一种新的基因重组手段提出来，引起全世界的关注。进入8 0 年代， 又发展了电融合法、电磁融合法、激光融合法等技术，使原生质体融合技术进 入了成熟的发展阶段。1 9 9 6 年，程树培噼】等首次报道了原核细菌球形红假单胞 菌细胞与真核酿酒酵母细胞间的跨界原生质体融合，填补了跨界融合领域的空 白，并获得了预期效果。其后，2 0 0 1 年，吴伟【6 5 】等进行了诺片式菌和假丝酵母 的跨界原生质体融合，获得了兼双亲优良性状于一体的杂合子代。原生质体融 合技术在工农业微生物育种过程中得到了新的发展。 1 0 第1 章文献综述 1 5 2 细胞融合育种的特点 细胞融合技术的特点是不依赖微生物自身的结合能力，而是将杂交的两个 亲株通过酶解作用剥除细胞壁，在高渗环境中释放出只有原生质膜包被着的球 状原生质 6 6 1 ，然后在特定的条件下促使其互相融合，并进而使两个亲株的遗传 物质之间发生接触、交换以产生重组体，并通过使原生质体再生细胞壁获得重 组子。应用原生质体融合技术构建新菌株能有效克服菌株种间、属间的遗传障 碍，实现远缘杂交w 7 1 。原生质体融合技术具体说来有以下几个个方面的优点： ( 1 ) 杂交频率高。由于原生质体融合时，作为微生物细胞间进行物质交换的 主要障碍之一的细胞壁已经除去，而且加入了融合促进剂聚乙二醇，所以杂交 频率明显高于常规的杂交方法。如霉菌和放线菌的融合频率为1 0 一一1 0 ，天蓝 色链霉菌的种内重组率可达到2 0 ，细菌、酵母菌的融合频率也达到1 0 缶一1 0 - 3 。 ( 2 ) 受结合型或致育性限制较小。原生质体融合时，两个原生质体处于 相等的地位，任何一方都可能起遗传物质受体或供体的作用，因而有利于不同 种属间微生物的杂交。另外，原生质融合是和性无关的杂交，所以受结合型或 致育性限制比较小。 ( 3 ) 遗传物质的传递更完整。由于原生质体融合是两个亲株的细胞质和细胞 核进行类似合二为一的过程，因此，遗传物质的传递更为完整。 ( 4 ) 重组体种类较多。由于原生质体融合后，两个亲株的整个基因组之间发 生相互接触，有利于发生多次交换，产生各种各样的重组体；参与融合的亲株 不限于两株，这是常规杂交所达不到的。 ( 5 ) 可采用灭活原生质体融合以提高选育效率。可采用温度、药物、紫外线 等理化手段钝化一方亲株的原生质体，然后再与另一亲株的原生质体进行融合， 这样就可以在筛选过程中排除一方亲株的干扰，从而提高筛选效率【6 8 l 。 ( 6 ) 可与其他育种方法结合使用。可以通过原生质体融合的方法，把通过诱 变、基因工程等手段获得的优良性状组合到一个工程菌株中，使其集中发挥优 势效应。 1 5 3 原生质体融合的主要步骤和方法 首先是出发菌株的选择。作为出发菌株，生产中需要考虑它们的优势互补 与高产性，在科研中则更看重菌株的标记性，这对于融合子的再生方法及融合 子的鉴定都是非常重要的。选定出发菌株后，就是酶解液的选择。选择什么样 第1 章文献综述 的酶制备原生质体主要决定于细胞壁成分。由于不同的微生物其细胞壁结构与 组分不同，所需要的酶系也有所差别。然后就是原生质体的融合，原生质体融 合有两种情况：一种为自发融合，这种现象非常罕见；另一种为诱导融合，即 通过人工诱导方法促使原生质体发生融合。人工诱导方法主要有化学因子诱导 融合、电融合和激光诱导融合。 ( 1 ) 化学因子诱导融合w p e g 结合c a 2 + 、p h 诱导法 亲本原生质体制备好后，即可进行融合。在自然条件下虽然也可融合，但 融合几率极低，无应用价值，所以要人为促进融合。旱期曾用过离心的方法， 使原生质体紧密接触，或在冷的渗透稳定液中使之凝集融合。自从1 9 7 4 年k a o 和m i c h a y l u k 用p e g ( 聚7 , - - 醇) 诱导大麦等植物原生质体融合后，p e g 也就很快 被用于微生物细胞的原生质体融合。因其融合效率高，适用范围广，至今仍在 各类微生物细胞原生质体的融合中广泛使用。p e g 本身是一种特殊的脱水剂， 它以分子桥形式在相邻原生质体膜间起中介作用，进而改变质膜的流动性能， 降低原生质膜表面势能，使膜中的相嵌蛋白质颗粒凝聚，形成一层易于融合的 无蛋白质颗粒的磷脂双分子层区。在c a 2 十存在下，引起细胞膜表面的电子分布 的改变，从而使接触处的质膜形成局部融合，出现凹陷，构成原生质桥，成为 细胞间通道并逐渐扩大，直到两个原生质体全部融合。 该