（环境工程专业论文）白腐真菌染料废水脱色及其包埋技术研究.pdf

堡主堡塞 鱼堕塞堕銎型堕查壁鱼丝茎塾些垫查堕窒 摘要 实验对黄孢原毛平革茵和杂色云芝的染料废水脱色性能及其包埋技术进行了研 究。分别确定了两利，菌对酸性品红和亚甲基兰脱色的基本参数，筛选了适合杂色云芝 的液体限氮培养基并确定_ r 最佳接种量，研究了不同染料结构对真菌脱色的影响。实 验结果表明：两种菌都能耐受一定浓度的染料，在脱色处理前利用低浓度易降解的染 料进行诱导，处理效果从时州f ，来说是经济的，杂色云芝在p h = 2 5 1 0 5 比较宽的区 间内保持了稳定的高脱色二鍪，而且其适合用于间歇性染料废水的处理，这几点对于工 程应用具有实际意义。对比评价了七种不同包埋体系的各项性能指标，并且运用正交 试验优化九硇种器卒包埋体系的基础参数。初步摸索j ，曲种菌在包埋条件r 明小i 司特 一i ，杂色云芝适合酸度低的固化条件，而黄孢原毛平革菌则更适应酸度高的同化条件。 利用对实际废水的脱色验证了实验结论的有效性。 关键词：黄孢原毛平革菌，杂色云芝，染料废水，脱色，包埋 硕士论文 自腐真菌染料废水脱色及其包埋技术研究 _一一 a b s t r a c t t h e s t u d y o n c a p a b i l i t y o fd e c o l o r i z a t i o no fp h a n e r o c h a e t ec h l y s o s p o r i u ma n d t r a m e t e sv e r s i c o l o j t od y ew a s t e w a t e ra n dt e c h n o l o g y o fe m b e d m e n tw a sc a r r i e do u t t h e b a s i cp a r a m e t e r so fd e c o l o r i z a t i o nt oa c i df u c h s i na n dm e t h y l e n eb l u eu s i n gt w ok i n d so f w h i t er o tf u n g u sw e r ec o n f i r m e ds e p a t a t e l y t h en i t r o g e nl i m i t e dm e d i u ma d a p t i n gt o t r a m e t e sv e r s i c o l o rw a s f i l t e r e da n dt h e o p t i m a lq u a n t i t y o fi n o c u l a t i o nw a s a s c e r t a i n e d t h ee f f e c to nd e c 0 1 0 r i z a t i o nj na c c o r d a n c ew i t hd i f f e r e n ts t r u c t u r eo f d y ew a s r e s e a r c h e d t h e s ef u n g ic a nb e a rh i g hc o n c e n t r a t i o no fd y et os o m ee x t e n t t h ee f f e c to f t r e a t m e n ti se c o n o m i c a la f t e rd e c o l o r i z a t i o ni na d v a n c eb yd y eo tl o wc o n c e n t r a t i o na n d h i g hb i o d e g r a d a t i o na c c o r d i n g t ot i m e t r a m e t e sv e r s i c o l o rh a s s t r o n ga d a p t a b i l i t yw i t hp h o fw a s t e w a t e r ，h o l d i n gs t a b l eh i g he f f i c i e n c yo fd e c o l o r i z a t i o ni nr a n g eo f2 5t o1 0 5 a c c o r d i n g t o p h i t s u i t st ot r e a ti n t e r m i t t e n t d y e w a s t e w a t e r t h e s ef e a t u r e s a b o v e m e n t i o n e dh a v ep r a c t i c a lm e a n i n gi na p p l y i n gt oe n g i n e e r i n g t h ei n d e x e so fs e v e n d i f f e r e n tk i n d so f s y s t e mo f c m b e d m e n tw e r ec o m p a r e da n de v a l u a t e d i nt h em e a n t i m e ， t h eb a s i c p a r a m e t e r s o ft w ok i n d so f e l e m e n t a r ys y s t e m o fe m b e d m e n tw e r e o p t i m i z e d d i f f e r e n tc h a r a c t e r i s t i c so f t w ok i n d so fw h i t er o tf u n g u si ne m b e d m e n tw e r e g r o p e d f o rb ye x p e r i m e n t s t r a m e t e sv e r s i c o l o ra d a p t st ol o wa c i d i t yi ne m b e d m e n t ，o n t h e c o n t r a r y ，p h a n e r o c h a e t ec h r y s o s p o r i u ma d a p t s t o h i g ha c i d i t y t h ev a d i l i t y o f c o n c l u s i o nw a sv a d i l a t e db yd e c o l o r i z a t i o no f p l a c t i c a la y e w a s t e w a t e l k e y w o r d s ：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 ，t r a m e t e sv e r s i c o l o r ，d y e w a s t e w a t e r d e c o l o r i z a t i o n ，e m b e d m e n t 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：军毳亟l e ) 年7 月f 6 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：鞋 妒l ，年7 月j 6 日 硕士论文 白腐真菌染料废水脱色及其包埋技术研究 1 引言 水是生命的源泉，水污染已经成为造成我国环境日益恶化的关键性因素，从预防 和治理的角度而言，t 业废水毒性大、难降解、成分复杂，处理起来需要投入很大的 人力和物力。其中，染料废水的排放量逐年增加，而且，由j ：技术含量不高，很多中 小型企业涉足其间，出于成本的考虑以及相关法律制订的滞后和地方环保部门的行政 执法水平参差不齐，染料废水的治理成为水污染治理巾的重点课题。 与产生染料废水密切相关的两个最主要的行业分别是染料工业和纺织印染工业， 染料工业是典型的精细化一l ：行业，而纺织印染工业是染料的最大用户，而且是用水大 户，占整个纺织工业的8 0 以上【1 】。染料生产废水和印染废水在性质i 二比较类似，一 般说来，染料工业废水色度要高于印染废水。 目前，世界染料年产量约为8 x 1 0 59 x 1 0 5 t ，我国年产量已达到1 5 x 1 0 5 t ，位居世 界前列【2 】。其中约有1 0 1 5 的染料随废水排入环境，对环境影响很大i ”。废水中含 有多种具有生物毒性的有机物，而废水中残存的染料组分即使浓度很低，排入水体也 会造成水体透光率降低，导致水体生态系统的破坏。 近年来，随着化工工业的迅速发展，染料品种在不断增加。从结构上看，染料分 子所包含的苯环数目不断增加，碳链不断加长，新的染色基团也不断被开发和研制出 来，从染料使用的角度，提高了产品质量，满足了用户的特定需求，但是，同时电使 得染料废水的b o d 5 c o d c 。值下降，可生化性下降。另一方面，为了适应市场的需要， 新的染料品种都提高了其抗光、抗药物、抗化学氧化等性能，这样实际上就提高了染 料抗降解性能，传统意义上有效的常规方法对这类新的染料的去除也显得无能为力。 对于染料废水来说，己经成熟的治理技术一般都采用混凝沉淀、氧化等物理化学 方法，而且在工程得到了大规模的实际应用。采用物理化学方法对染料废水的色度去 除率虽然比较高，但是c o d 去除率比较低，而且还存在着处理费用高、可能引起二 次污染的问题。相比之下，生物法是一种经济而有效的处理方法州。目前发现能降解 染料的微生物种类很多，主要有真菌、细菌和藻类三种。细菌脱色大多是在厌氧条件 下进行的，对染料的微生物降解不完全，生成的中间产物往往毒性较大，不利于后续 工序的正常进行，使其应用受到一定限制围。经过多年研究，自腐真菌能在好氧条件 下降解多种难降解有机物，对于结构各异的染料。特别是近年来日益增加的人工合成 的染料新品种，具有独特的降解能力，在环境保护领域显示出了良好的应用前景。 第1 页共6 2 页 硕士论文 白腐真菌染料废水脱色及其包埋技术研究 2 相关理论基础 2 1 染料废水特点及处理难点 2 1 1 染料废水特点 染料工业具有产品品种多、批次生产数量不大、品种更换频繁、，“率低等特点， 生产所产生的废水成分复杂、色度深、有异味、有机物和无机盐含量高( 2 1 5 ) ， 并且含有对微生物有抑制性的中间体。主要包括：( 1 ) 有色含盐的有机废水无机盐 浓度在1 5 2 5 ，主要是n a c l ；( 2 ) 氯化或溴化废水；( 3 ) 含有c u 、p b 、c r 、m n 、 h g 等金属离子的有机废水；( 4 ) 含硫的有机废水。 染料工业流程长，从原料到成品往往伴随有硝化、还原、氯化、缩合、耦合等单 元操作过程，副反应多，收率低，所以废水中的有机物含量比较高，成分非常复杂， 高浓度染料废水，c o d 高达数十万毫克升，有机磷达数百到数千毫克升。 纺织、印染和染色泼水，水量大、色度高、成分复杂，废水中含有染料、浆料、 助剂、油剂、酸碱、纤维杂质及无机盐等，染料结构中的硝基和胺基化合物及c u 、 z n 、c r 、a 5 等重金属元素具有较大的生物毒性，严重污染环境。印染废水污染物按 来源可以分为两类，一类来自纤维原料本身的夹带物，另一类是加工过程中所用的浆 料、染料、助剂、油剂等，其生产废水呈碱性，特别是p v a 浆料和新型助剂的使用， 使难生化降解的有机物含量大大增加。此外，还存在着水质水量的波动，对于大量使 用还原染料、硫化染料、冰染染料的废水，化学凝聚效果比较差旧。 2 1 2 染料废水处理难点 从染料废水的主要特点可以看到，染料废水的处理是目前工业废水处理的一个难 点。由于其成分复杂，所含的物质对微生物的抑制作用大，可生化性比较差。在对染 料废水进行处理时有两大难点：一是c o d 浓度高，难降解；二是色度高，脱色困难， 而后者是衡量废水处理效果的重要指标。单纯采用物化方法进行处理，能够达到预期 的效果，但是投资较大，药剂费等运行费用也较高。而如前所述，采用成本相对低廉， 运行管理相对简单的生物处理方法又受到这种废水特点的抑制。因此，染料废水的处 理成为关注的重点，如何才能找到合适的优势处理菌种及其相应的处理工艺，而且， 又要达到商效、低廉、简便的要求，需要做进一步的研究工作。 染料废水处理最受关注的就是色度的去除问题，大部分染料为人工合成的大分子 芳香烃化合物，其颜色取决于其分子结构。染料分子的发色基团中含有不饱和共轭键， 化合物分子吸收了一定波长的光量子的能量后，发生极化并产生偶极矩，使价电子在 不同能量级间跃迁而形成不同的颜色。一般来说，染料分子结构中共轭链越长，颜色 越深；分子结构平面性好，颜色越深；苯环增加，颜色加深；相对分子质量增加，特 别是共轭暇键数增加，颜色加深；n 电子活性增加，颜色加深；形成络合物颜色加深。 第2 篼共6 2 页 硕士论文 白腐真菌染料废水脱色及其包埋技术研究 用白腐真菌进行染料脱色，就是利用白腐真菌产生的特殊酶系来催化氧化染料分子 破坏其不饱和共轭键，改变其分了结构或空间构型1 5 l 。 2 2 染料废水目前的主要处理工艺 染料废水处理方法很多，除生物法处理外的其他方法都可以认为是物理化学法处 理，其脱色机理概括有两种：( 1 ) 富集发色物质再分离去除；( 2 ) 破坏发色物质的发色 基团，以达到脱色和降解有机物的目的。 主要的物理化学脱色技术有吲： l 、吸附法是目前工业上处理染料废水的主要方法之一，包括活性炭吸附、硅藻 土吸附等，煤渣、树脂及。一些新型吸附剂也用于染料废水的脱色处理中，实践表明脱 色率可达8 0 以上”l 。 2 、混凝法对去除分散染料、还原染料、硫化染料等疏水性染料特别有效，一般 脱色率7 0 8 0 ，可分为混凝沉淀或混凝气浮两类方法，而对于酸性、阴离子等可 溶性染料，可在废水中加入高度分散的无机吸附剂( 如膨润土等) 进行吸附气浮。 3 、氧化法主要采用臭氧，通过亲核或亲电作用或 o h 与污染物反应，使染料发 色基团中的不饱和键断裂，从而达到脱色和降解的目的。此外，h ：o ：也是经常使用 的氧化剂，f e 2 + 与h 2 0 2 合称为f e l o n 试剂，兼有氧化和混凝作用，对染料废水的脱色 是有效的，但费用高。 4 、电极反应的产物具有很高的化学还原活性降】，在偏酸性废水中，电极反应产 生的新生态h 能与染料等有机物和无机组份发生氧化还原反应，从而达到脱色目的。 随着对染料废水脱色机理的研究不断深入，物理化学法脱色技术有了新的进展， 如：臭氧一紫外光照法和氯气一紫外光照法1 9 1 ，微电解氧化法n o l ，高压脉冲电解法， 湿式催化氧化法【1 1 】等，这些技术逐步应用到废水处理中去，收到了较为明显的效果。 目前典型的做法为生化物化组合法，这是考虑到投资控制的问题，通常采用多 种技术的组合，以达到预期的效果。与物化法相比，生物法处理从反应器结构设计、 优势菌种的选育、新型工艺路线的选择等多方面入手，一般采用曝气生物滤池、酸性 水解接触氧化、b 法等比较新型的工艺进行。 2 3 白腐真菌特点及其在废水处理中的应用 2 3 1白腐真菌的微生物学特征 木腐真菌寄生或腐生在木材上，能释放降解性酶降解木质素、纤维素，导致木材 腐朽，根据腐朽后海绵状团块的颜色分为白腐真菌和褐腐真菌【1 2 1 。白腐真菌分解本质 索而剩下纤维素，多为担子菌纲( b a s i d i o m y c e t e s ) ，中国真菌志记载了4 6 属1 3 7 种1 1 ”。白腐真菌菌丝体为多核，少有隔膜，无锁状联合。多核的分生孢子常为异核， 但孢子却是同核体，存在同宗配合和异宗配合两类交配系统i 。d ek o k c r 等从南部 非洲原始森林、桉树经济林、松树种植林中分离得到6 0 0 株担子菌，鉴定出1 2 0 株， 第3 页共6 2 页 硕士论文 白腐真菌染料废水脱色及其包埋技术研究 发现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 是自然状态下木屑上的优势种1 1 “。 白腐真菌的培养特性为 1 “： 1 、培养温度：除黄孢原毛平革菌为3 7 。c 5 , b ，其它白腐真菌的培养一般在3 0 。c 。 2 、培养p h 值：所有的白腐真菌适宜的培养p h 值为4 5 5 0 之间。 3 、营养物质：除了葡萄糖等常规碳源外，白腐真菌还可以利用木质素、染料、 t n t 、玉米棒以及锯屑等物质做为其独特的碳源。 4 、分子氧含量：白腐真菌的脱色及降解活性依赖r 高含氧环境。 5 、抑制性物质：主要有硫脲、叠氮化钠、氰化物等。 6 、搅拌或者振动：一般认为剧烈振动将严重地抑制木质素过氧化酶等的产生， 但适当的搅拌和振动有利于物质之间的传递，从而促进其脱色和降解效果。 7 、培养时间：自腐真菌只有在次生代谢时，才能产生较多的木质素过氧化酶和 锰过氧化酶等酶类，其中锰过氧化酶出现得比木质素过氧化酶要晚d t l 。 碳素在环境中的循环，概括地可分为生物循环和地质循环。白腐真菌作为唯一能 彻底降解木质素的生物，成为它们之间联系的更要环节，其特殊位置及重要性是不言 而喻的f l s l 。 2 3 2白腐真菌降解有机物的特点 用于污染物降解的白腐真菌技术，有着其它生物处理系统所不具备的优点眇1 。 l 、不需经过特定污染物的预条件化 细菌必须预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，而白腐 真菌降解酶的产生与降解底物无关，它是靠营养限制( 主要是n ) 来启动降解过程的。 这样白腐真菌既能降解环境中某些低浓度污染物，又能将其降到几乎测不出的水平。 2 、动力学优势 细菌对化学物的降解多属酶促转化，细菌对所降解的异生物质从本质上是排斥 的，这决定其降解过程的不彻底性或不充分性。相反，白腐真菌是通过自由基过程实 现化学转化的，遵循的一般是准一级动力学，催化启动初始氧化反应的酶对底物无真 正意义上的k 。值，这就意味着白腐真菌能将污染物降至近于零的水平。 3 、对其他微生物的拈抗 白腐真菌对营养物的要求不高，利用象木屑、木片、剩余谷物、农业废弃物等这 样廉价的营养源就可有效地培养，而其他微生物是不能利用这些生长基质的，这样白 腐真菌较易在自然的微生物菌落中确立生长优势。白腐真菌产生象 o h 这样的自由 基，氧化其他微生物的蛋白质、d n a 。真菌还能利用质膜上的氧化还原系统，调节 所处环境达到低p h 值，所以一旦在微生物体系中导入白腐真菌后，那些与其有不同 的最佳p h 值的微生物就不能生长，白腐真菌因此保持竞争上的优势。 4 、细胞外降解特征 第4 页共6 2 页 硕士论文 白腐真蒲染料废水脱色及其包埋技术研冗 白腐真菌降解系统的关键组分存在于细胞外，这使系统可以产生非常强的有效氧 化性物质( 如v a 和o h ) ，而不构成对细胞的毒害。另外，有毒污染物也 i 必先进入 细胞再代谢。这样真菌既可降解不溶性化合物，也可降解有毒污染物。如氰化物是呼 吸氧化酶的强抑制剂，一般代谢酶存在于细胞内，细菌必须首先吸收氰化物，这又严 重抑制细菌生长。实验数据表明：仅4 p p m 浓度的氰化物就足以抑制市政污水处理系 统内微生物生长，而白腐真菌的细胞外系统使其能忍受荠矿化高浓度的氰化物直到 2 6 0 p p m 才表现出明显的抑制。 5 、降解底物的非专一性 白腐真菌的非专一性降解机制，使它们不仅能降解各种结构不同的化学物，甚至 连杂酚油、氯代芳香烃这样的污染物混合物也能一直降解至c o ：，而同样降解这类混 合物需要多种细菌合作。由于实际环境中是以多种污染物混合共存的方式居多，白腐 真菌的这种非专。一眭降解特点，无疑具有更大的实用性。 6 、适用于固、液两种体系 白腐真菌能在固体、液体培养中生长，在固液两种系统中均可采用白腐真菌技术。 大部分微生物系统都只能被用于水溶液中可溶性底物的处理，但许多污染物是不溶的 ( 如d d t ) ，也不易被吸收到颗粒性的物质上，从而限制了微生物对底物的攻击，白 腐真菌却可广泛地在土壤污染与水污染体系中起降解作用。 2 3 3 白腐真菌在废水处理中的应用可行性 从上述的种种优点看，白腐真菌集多种优越性于一身，其降解功能表现出高效、 低耗、广谱、适用性强等特点，它们有别于一般微生物，在环境治理方面不失为是有 希望有前途的技术与工具，这是白腐真菌走向工业化的个活跃的方面。 随着对白腐真菌研究的不断深入。在白腐真菌分泌的木质素降解酶系具有生物漂 白作用的基础上，启发了人们用白腐真菌处理漂白废水，用于去除氯代木质素及各种 氯代芳香化合物 2 1 1 。同时经过研究发现白腐真菌对许多化合物，如多环芳烃、d d t 、 酚类、染料、农药等含有芳香结构的污染物都有较强的降解能力。黄孢原毛平革菌通 过生物吸附和生物降解作用能有效地处理各类染料废水，经过3 0 天处理，低质量浓 度( 1 0 m g l ) 的刚果红、活性翠蓝k n g 的脱色率达9 2 一9 9 ，高质量浓度( 5 0 m g l ， l o o m g l ) 的脱色率达8 5 ，降解率可达7 0 以上，1 8 种染料废水中有1 1 种降解率超 过5 0 m 。何德文伫3 1 等认为采用白腐真菌生化法与其它处理方法结合，是彻底去除 难降解有机污染物的最佳处理方法，其成本也低，易于管理。 美国犹他州立大学a u s t 教授将白腐真菌技术转让给i n t e c h o n e - - e i g h t yc o r p ， 利用白腐真菌处理被t n t 、d d t 等严重污染的土壤。蒙大拿州的m y c o t e c h 公司则开 展石油烃补救，为治理重油、多芳香烃、四氯苯酚的污染设点，取得良好效果，与石 油工业界建立联系。英国b i o t a l 公司投资5 2 2 万美元，利用该菌治理受多氯联苯等 第5 页共6 2 页 硕士论文 白腐真菌染料废水脱色及典包埋技术研究 污染的土壤，处理后多氯联苯浓度从2 0 0 m g k g 降至l m g k g 以下。 对白腐真菌的研究，引起了7 2 , 1 k 界的重视，3 2 _ , 1 k 界的投资及实际问题的解决，反 过来又促进了研究下作向纵深发展，形成了研究与应用、学术界与工业界相结合、相 互促进的良性循环。 2 4白腐真菌处理染料废水的机理 2 4 1白腐真菌降解染料的相关酶系 白腐真菌降解染料的活动只发生在次生代谢阶段，其降解能力取决于木质素降解 系统，该系统只有在一些主要营养物( 如氮、碳、硫) 限制时才能形成，产生木质素降 解系统的这种营养限制称为木质素降解条件。 白腐真菌在对营养限制作应答反应时形成如下一套酶系统【2 4 i ： 1 、产生h 2 0 2 的氧化酶，主要是细胞内葡萄糖氧化酶和细胞外乙二醛氧化酶，它 们在分子氧参与下氧化相应底物而形成h ：o ：，激活过氧化物酶，启动酶钓催化循环。 2 、需氧的过氧化物酶，主要是木质素过氧化物酶( “p 请日锰过氧化物酶f m n p ) ， 它们均在细胞内合成，然后分泌到细胞外，以h 2 0 2 为最初氧化底物，可催化降解酚 类、胺类及染料等。 3 、其他参与反应的还有漆酶、还原酶、甲基化酶、蛋白酶等。 2 4 2 染料降解的机理 白腐真菌降解染料的酶系，即木质素降解体系，在降解过程中起关键作用的是诱 导产生过氧化物酶，主要为l i p 和m n p 。 对于大部分染料，l i p 降解染料的机理主要为直接氧化。直接氧化的第一步是过 氧化物酶( 含f e l i i 离子) 由h 2 0 2 激发形成失去两个电了的氧化型中问体l i pi ( 含f e v 离子) ，l i pi 和染料分子反应，将其转变成自由基，自身得到一个电子变成l i p i i ( 含 f e n 离子) ，l i p i i 再和藜芦醇( u 反应，得到一个电子还原成原酶，完成一个催化 循环。直接氧化可导致c _ 一c 键断裂、芳环开环、苄基醇化、去甲基化、羟基化、二 聚化等。藜芦醇是黄孢原毛平革菌的一种次生代谢产物，己经证实藜芦醇为合成l i p 的诱导物。研究发现藜芦醇对降解染料具有很大的促进作用1 。 m n p 的作用机理与“p 类似，也生成两个酶中间体m n pi 和m n p i i ，见图2 4 1 s l 。 在合成m n p 过程中，m n ! + 的作用至关重要。b o n n a r m e 等人【2 6 i 研究了m n ! + 对m n p 合 成的调节作用，发现培养基中不加m n 2 + 几乎不会合成m n p ，m n 2 + 的浓度在0 - 4 0m g l 之间时，浓度越高越有利于m n p 的合成。 第6 页共6 2 页 硕士论文 白腐真菌染料废水脱色及其包埋技术研究 r m。+。：i：；7。_m“9 图2 4 1m a p 降解染料的机理 以上可以看出，l i p 以藜芦醇为中间电子递体，m n p 以m n 2 + 为中间电了递体。 由1 ：过氧化物酶只提供电子的转移而不是直接与化合物结合，使该菌的使用具有广泛 性而且不易受化合物毒性的影响，何德文等1 2 7 1 也发表了相类似的看法。到目前为止， 对于碳氮浓度与木质素过氧化酶活性的关联性以及脱色作用与其他酶的关联性的研 究都还不太充分伫8 】。 从总体上看，白腐真菌的降解机制是：依赖由细胞产生分泌的细胞外降解体系， 需氧并靠自身形成的h z 0 ：激活，由酶触发启动一系列自由基链反应，实现对底物无 特异性的氧化降解。 2 5 固定化理论基础 2 5 i固定化技术的发展及基本定义 固定化微生物技术( i m m o b i l i z e d m i c r o o r g a n i s m s ) 是2 0 世纪6 0 年代直接从固定 化酶技术发展起来的一项新技术，目前已成为生物工程领域的重要分支。自8 0 年代 初开始研究在废水处理领域中的应用以来，国内外不断出现获得优良处理效果的报 道，大多虽处于实验室研究阶段，但据报道在日本已有利用聚乙二醇为载体固定化硝 化菌用于处理能力为1 1 3 0 0 0 m 3 d 的工业装置 2 9 1 ，这表明了固定化微生物技术具有进 行大规模工业化应用的前景。 固定化细胞技术就是采用物理或化学的方法将微生物固定于载体之上，使微生物 细胞不溶于水并保持良好的生物活性。利用固定化技术对生物量及活性酶的有效截 留，有效实现了水力停留时间与固体停留时间的分离，创造了生物群体所组成的微生 态系统的生境的多样化，从而加强了微生物乃至整个处理工艺的功能 3 0 1 。 相对于传统的污染物生物治理技术，固定化微生物技术存在着一系列优点：( 1 ) 在相对小的空问尺度范围内长期维持比较高的微生物浓度，保留降解有机物的特性 酶，同时具有良好的吸附性能，有助于微生物对难降解有机物进行生物降解，因此处 理效率高。以生物膜法为典型代表的固定化方法已有成型技术，并且实际应用于很多 第7 页菇6 2 页 硕士论文白腐真菌染料废水脱色及其包埋技术研究 废水处理工程，实践证明运行稳定；( 2 ) 崮定化微生物技术适用范围广，技术曰益成 熟，相对传统处理方法，处理成本有了很大的降低，从而具有竞争优势；( 3 ) 水力停 留时间与固体停留时间的有效分离，使得微生物相对在构筑物中停留的时问大大延 k = ，这特别有利于世代时问长的微生物存留，有利于筛选新的菌种，发展新的生物处 理技术；( 4 ) 通过固定化，微生物位置相对固定，随出水流失的几率大大下降，实际 处理当中产生的剩余污泥量小，而且通过反应器结构的有效研究，固液分离非常方便。 2 5 2 固定化的分类比较、影响因素及载体选择 固定化微生物目前国内外还没有一个统一+ 的分类标准，方法也多种多样川，固定 化技术常用的固定方法有吸附法、交联法、共价结合法和包埋法等。其中吸附法简单， 但细胞膜易于脱落：交联和共价结合法操作复杂，对细胞活性影响也较大；包埋法简 单易行，对细胞活性影响较小，为很多研究者所采用p 2 i 。 吸附法可分为物理吸附法和离子吸附法两种。前者使用具有高度吸附能力的硅 胶、活性炭等吸附剂将细胞吸附到表面上使之固定化，操作简单，反应条件温和，载 体可以反复利用，但结合不牢固，细胞易脱落。后者根据细胞在解离状态下可因静电 引力而固着于带有相异电荷的离子交换剂上，如d e a e 一纤维素、c m 一纤维素等。 共价结合法是细胞表面上功能团( 如氨基、羧基、硫基或羟基等1 和固相支持物表 面的反应基团之间形成化学共价键连接，从而成为固定化细胞。该法细胞与载体之问 连接牢固，不会发生脱落，稳定性良好，但反应条件激烈，操作复杂，控制条件苛刻。 交联法与共价结合法一样，都是靠化学结合的方法使细胞固定化，但交联法所采 用的载体是非水溶性的。如采用戊二醛或双偶联苯胺等带有两个以上的多官能团交联 剂与细胞进行交联，可形成固定化细胞，但反应条件比较激烈，对细胞活性影响大。 包埋法是细胞固定化最常用的方法，可分为凝胶包埋法和微胶囊法，即将细胞包 裹于凝胶的微小格子内或半透膜聚合物的超滤膜内。该法操作简单，对细胞活性影响 较小，强度较高，目前已被广泛地利用于废水处理p ”。 影响微生物周定化的三大因素是：微生物自身的性质、所使用载体的性质和环境 特征，具体见表2 5 1 p o j 。 表2 5 1影响微生物固定化效果的因素 固定化细胞技术所采用载体的物理化学性质直接影响到所固定细胞的生物活性 第8 页共6 2 页 硕士论文 白腐真菌染料废水脱色及其包埋技术研究 和体系传质性能，微生物固定化的理想载体应具备以下特性1 3 4 i ：( 1 ) 制作过程简单易 行：( 2 ) 对细胞无毒害作用：( 3 ) 传质性能良好；( 4 ) 不易被微生物分解：( 5 ) 性质稳 定；( 6 ) 强度高，寿命长；( 7 ) 价格便宜。可供选择的载体多种多样，各有其优缺点， 寻找合理有效的载体是微生物固定化研究成败的关键因素之一。目前常用的载体有： 活性炭、硅胶、多孔陶瓷、聚丙烯酰胺凝胶( a c a m ) 、海藻酸钙、p v a 等。 固定化载体的类型分以下两大类州”： 1 、无机类载体：沙子、碳酸盐类、各种玻璃材料、沸石类、陶瓷材料、碳纤维、 矿渣、活性炭等，这类载体机械强度高，化学性质稳定。 2 、有机类载体：p v c 、p e 、p s 、p p 、各类树脂、塑料、纤维以及明胶等，其中 有机高分子类载体材料适用于悬浮态完全混合反应器工艺，而塑料态载体多适玎于固 定床或混合型工艺。 2 5 3 固定化技术实用化需要解决的问题 固定化微生物技术以其独特的优点近年来在废水处理领域中引起了人们的普遍 关注并获得了广泛的研究，但要实用化还有许多问题需要解决阁。 l 、实际废水是一个非常复杂的混合体系，用单一菌种处理一般很难达到要求。 因此对于实际废水，固定化混合菌还是单一高效菌分级处理，有待于进一步研究。 2 、包埋固定化微生物不能除去原废水中的悬浮物，因此，必须先将悬浮物分解 或除去，它也不能除去悬浮在反应器中的微生物细胞( 来自从载体中泄漏出来的细胞 的增殖) ，因此，出水仍有一定的浑浊度。 3 、包埋载体对基质( 特别是氧气) 和产物存在扩散阻力，因此，需要高效曝气和 混合设备才能使固定化细胞处于良好的微环境中，发挥其高效作用。 4 、由于目前尚不能精确测定固定化载体中微生物浓度，因此，使用于传统的生 物处理法的设计、运行管理及最佳控制的动力学处理法不能用于固定化微生物系统。 5 、固定化载体的成本和使用寿命是决定其经济可行性的关键，开发和设计适合 于固定化微生物的生化反应器也是一个亟待解决的问题。 3 国内外研究进展及论文的主要研究内容 3 。l 白腐真菌处理染料废水的研究进展 染料的结构共性是以苯环为核心的稠环、杂环分子，这与白腐真菌的天然降解底 物木质素在结构上非常相似，同时，白腐真菌与被降解对象的关系并非是酶与底物的 一对应关系，而是与一类乃至于多类底物的关系，具有很好的广谱性能，使得白腐 真菌技术具有适用于降解组分复杂的染料废水的优点。国内外的众多研究者围绕着这 个课题从多个角度开展研究，并取得了一定的经验。 第9 页共6 2 页 硕士论文 白腐真菌染料废水脱色及其包埋技术研究 3 】1 国外的相关研究进展 从国外的研究成果来看，由于实验设备先进，研究者基本上都是从微生物学甚至 是分子遗传学的角度去研究降解机理，测定酶活性，做得比较深入，对于影响降解及 脱色的主要因索考虑得比较全面，探索得到的一些结论，值得国内研究苦去参照和借 鉴。而且，在固定化方面，国外的研究主要侧重于不同吸附载体的研究，因为吸附法 简便易行，已有比较成熟的可以参考的经验，并且可以通过填料的研究结合到反应器 的实际扩大应用当中。 真菌技术的核心问题是如何最大限度地发挥其作用及高效地进行降解反应，创造 有利条件。白腐真菌降解体系的特殊机制，与细菌或其它类型微生物降解染料废水有 很大区别，白腐真菌所处的环境条件及菌种的生理状态，对于降解酶系统的产生、释 放及活性、降解效率等起着决定性作用。另外，基于低耗、高效等经济性的考虑，对 一些重要的营养及生理组分、工艺参数等也有必要进行比较试验和优化筛选。温度、 d h 、缓冲体系、藜芦醇、培养方式、氧的供应和传递及有效利用、表面活性剂的作 用、营养元素的配比、菌种的差异等等，都在具体的降解反应的条件下，存在各自优 化和互相组合的问题闻。 y u x i n g w o n g 等1 3 7 1 对白腐真菌t r a m e t e sv e r s i c o l o r 降解染料进行了研究，认为这 类真菌在降解中漆酶起重要作用，而且与染料的结构关系密切，部分非底物染料在媒 介底物的作用下同样能够达到比较好的降解效果。并且，指出了限制白腐真菌实际应 用的原因在于：一是实际废水的c 、n 量比较丰富，对于菌种的次生代谢产酶影响比 较大；二是需要藜芦醇和h 2 0 2 的量大，实际成本较高。y a s u m ia k a m a s t u 等哪! 对不 同氨基酸对于m n p 活性影响进行了研究，通过对比实验，发现苯丙氨酸对 二m a p 活 性的抑制作用最强。n i g a m 等【3 9 1 用三种农业废弃物麦秆、木屑和玉米捣碎物吸附单一 和混合染料，麦秆和玉米捣碎物能在室温下从5 0 0 r a g l 染料中去除7 0 7 5 以上， 吸附后的残渣是白腐真菌的良好底物。m t e k e r e 等【帅1 通过对多种t r a m e t e s 的研究， 指出杂色云芝在降解染料过程中起作用的是m n p 和漆酶。不同种之间的适宜温度有 着很大不同，范围比较宽，可以在实际当中根据需要选用。 f u m i n gz h a n g 等【4 ”详细研究了各种因素对于白腐真菌降解染料废水的影响，认 为菌种的耐冷藏性能和对于廉价碳源的利用程度是实现商业化必须要解决的重要问 题。同时，还进行了白腐真菌与普通活性污泥的联合降解染料废水实验，证明经过白 腐真菌的预处理，染料废水的可生化性得到了提高。 d o n g m e il i 等【4 2 1 从分子生物学的角度对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 菌产生 m n p 、l i p 和漆酶进行了研究，通过实验考察了酶的热稳定性，试图从根本上解释白 腐真菌的降解机理，这条研究思路将是今后的重要发展方向，对于研究的进一步深入 和工程化应用起到了奠定基础的作用。 第1 0 页共6 2 页 硕士论文 白腐真菌染料废水脱色及其包埋技术研究 真菌技术生物反应器的设计与建立，是工、l k 化应用的又一关键环节。国外的科学 家已试验了如流化床、生物转盘、生物滤池等多种反应器o4 3 1 。f u m i n gz h a n g 等“1 对 多种反应器进行了研究，连续流化床、连续固定床和问歇进料流化床中，最后一种反 应器形式最适合染料o r a n g ei i 的脱色( 在1 0 0 m l 进废水的条件下，一天的脱色率达 到9 7 ) ，而且，活性颗粒在1 2 个月后再次使用仍然保持较高的活性。m i e l g oi 【4 5 】 利用气相扰动床反应器对白腐真菌降解p o l y _ 4 7 8 进行了研究，脱色率在6 5 一8 0 之间，但是整个系统稳定运行达9 0 天，并且给出了适宜的工艺参数。k a s i n a t h a 4 6 i 在固定床反应器中用聚酯泡沫塑料和松木作为吸附质培养白腐真菌i r p e xl a c t e u s ，发 现产酶量明显高于传统的液体培养基，同时，聚酯泡沫塑料上自腐真菌的m n p 产量 是松木上的5 倍，但活性一致。 3 1 2国内的相关研究进展 从国内的研究成果来看，受实验手段的局限，普遍集中在对白腐真菌生理条件和 初步的工艺参数的对比研究上，在固定化、反应器和反应动力学等方面也做了一定的 探索，总体而言，还处于起步阶段，与国外的研究水平相比，无论从深度还是广度上 来说，都还存在着一定差距。但是，我们也应该看到，国内的研究者，结合实际污染 源的治理开展研究，针对性比较强，有着自己的特点，有利于将有限的研究资金用在 关键之处，在有效参考国外先进成果的基础上，做好消化和吸收。目前尚未见报道有 自腐真菌大规模实际应用的成功范例，这就给国内研究者提供了施展的空间。 白腐真菌的典型种黄孢原毛平革菌能降解的染料范围很广。陈燕春等m 1 用黄孢 原毛平革菌对五大类5 1 种染料进行脱色实验，发现该菌对这些染料均具脱色能力而 无选择性。其能降解的染料见表3 1 1 。 袁3 1 1 黄孢啄毛平革菌能降解的染料 染料类别染料名称 偶氮类 三苯甲烷类 杂环类 聚合染料 葸醌类 酸性黄9 ，酸性橙1 2 ，甲基橙，橙i ，橙i i ，金莲橙o ，分散黄，分散橙 3 ( 以上单偶氮) ，刚果红( 双偶氮) 结晶紫，副品红，甲酚红，溴酚兰，亮绿，孔雀绿 天青b ，亚甲基兰 p o l yb - 4 1 1 ，p o l yr - 4 8 1 p o l yy - 6 0 6 ，p o l yr ，p o l ys ，p o l y t 雷玛唑亮兰 唐婉莹等1 用白腐真菌处理还原染料和蒽醌染料废水时，效果相当明显。何德文 等1 发现白腐真菌在处理分散染料废水时，c o d 呈波浪式下降，合理的解释恰恰说 明了白腐真菌将难氧化的物质降解为易氧化、结构简单的物质并进一步降解。张朝晖 s o l 进行l i p 降解偶氮染料卡布龙红的动力学研究，推导出酶反应速率动力学方程，建 第l l 页共6 2 页 硕士论文 白腐真菌染料废水脱色及其包埋技术研究 立了酶液分批降解卡布龙红的过程模型，模型计算值与实验数据符合良好。李慧蓉等 5 1 , 5 2 研究了黄孢原毛平革菌对多种染料的降解，观察到染料降解过程巾培养液的最大 吸收波长向短波方向显著移动，说明有新的有色中间产物形成。 固定化方面，国内研究人员在吸附和包埋两个主要方面都做了很多实际工作。李 慧蓉等| 5 3 - 5 5 1 利用聚乙烯泡沫小块、玉米芯块等多孔材料进行试验证明载体结合法是 简单而有效的固定方法，并且试验了p 、冷冻法、p 、海藻酸钙改良法、共包埋 小球( 在包埋剂中添加活性剂等物质，以改善包埋小球的性能) 等方法。现有的固定化 技术都是在以细菌为包埋对象的基础上发展起来的，而白腐真菌是丝状真菌，其生长 规律、生理特性等完全区别于细菌，因此，固定化的技术条件有待进步研究。范伟 平等【删建立微电解一白腐真菌生物降解絮凝沉淀联合处理系统，对活性染料生产废 水进行处理c o d c ，去除率达9 0 以上，色度由1 2 8 0 0 倍降到8 0 倍，达到排放标准。 3 2 论文的主要研究内容 从目前国内外的研究成果来看，白腐真菌对染料废水的脱色降解还主要处于实验 室研究阶段，对于菌种的培养，处理废水的适宜： 艺条件，降解脱色的机理等等正处 于逐步积累基础数据的过程当中，掌握了一些表层的规律性特性。但是，对于白腐真 菌降解有机废水的实质性机制，起主要作用的酶系的运行机制及调控条件，工程化运 行的手段和模型等尚有争议。同时，从查阅的参考文献可以明显地看到，将白腐真菌 的特殊生理机能应用于废水尤其是染料废水的脱色降解这一难度较大的课题当中，具 有良好前景和可以预见的价值。 论文要解决的主要问题是确定白腐真菌特定菌种对模式染料的脱色降解的主要 技术条件，在此基础之l ，对不同包埋体系下白腐真菌对染料降解脱色进行比较研究， 优化基本包埋体系的工艺参数。 所选用的菌种为黄孢原毛平革菌( 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 ) 和杂色云芝 ( t r a m e t e sv e r s i c o l o r ) ，考虑到对文献中对偶氮类染料的研究比较多，所以选用的主要 模式染料为三苯甲烷类染料酸性品红和杂环类染料亚甲基兰，对这两类染料目前所做 的工作还相对较少。 在先期完成文献查阅，消化吸收的基础上，整个论文分两个大的阶段进行，第。一 阶段：研究e c 菌和杂色云芝对单一模式染料的脱色降解基础工艺条件，经过筛选， 确定选取生物处理温度、染料进水浓度和体系p h 值为主要研究参数，同时参考文献 资料，对杂色云芝的液体营养限制培养基和具体接种方法做对比研究，通过实验，确 定基本参数。在单一染料研究的基础上，按照确定的基本参数，对人工配置的模拟混 合废水进行脱色降解实验，以验证参数的可行性。第二阶段