（环境工程专业论文）苯酚降解菌的筛选及特性研究.pdfVIP

重庆人学硕十学位论文中文摘要 摘要 工业技术的发展促进了社会生活水平的提高，许多的发明改变了我们的生活。 但同时也造成污染并破坏了生态环境。工业和农业生产产生的毒素，例如芳香族 化合物由于其毒性以及难生物降解性，能对环境造成重大污染并危及人类健康。 微生物修复就是利用细菌的新陈代谢过程来降解这些有毒物质以达减轻污染的目 的。 基于苯酚属于环境中一种有代表性的芳香族化合物，本试验将苯酚选为目标 污染物进行研究。传统处理含酚工业废水工艺常用物理化学方法，但这些方法不 仅工艺复杂而且价格昂贵，并有可能造成二次污染。微生物处理技术则没有这些 问题。 本研究从污水处理厂的活性污泥中筛选分离得到降酚菌株j f j 0 0 1 、j f j 0 1 4 与 j f j 2 ，这些菌均能在以苯酚为唯一碳源的培养基中生长，在7 2 h 内将初始浓度 8 0 0 m g l 的苯酚降解完全。检测所得菌株的1 6 sr d n a 序列，然后在g e n e b a n k 中 与已发现的菌株进行同源性比对。结果表明，j f j 0 0 1 、j f j 0 1 4 、j f j 2 分别可能属于 h a l o b a c i l l u ss p 、p s e u d o m o n a ss p 、r h o d o c o c c u ss p 。外加乙酸钠与葡萄糖作为第 二碳源时可提高酚去除率，而蔗糖作用相反。外加氮源对降酚影响不明显。 菌株均能以苯酚作为唯一碳源生长，并对其进行代谢。菌株降酚效果随接种 量增加而变好，菌株对去除焦化废水c o d 也有效果。选择m o n o d 与h a l d a n e 作为 j f j 0 0 1 降酚动力学模式，分析得到j f j 0 0 1 的动力学模型。 关键词：生物降解，苯酚，降酚菌，动力学 重庆大学硕十学位论文 英文摘要 a b s t r a c t d e v e l o p m e n ti nt e c h n o l o g yh a v eu n d o u b t e d l yi m p r o v e do b rs t a n d a r do fl i v i n g m a n yo ft h ed i s c o v e r i e st h a th a v eb e n e f i t e do u rl i v e s h o w e v e r , h a v ea l s o l e dt o c o n t a m i n a t i o na n dd e s t r u c t i o no ft h en a t u r a le n v i r o n m e n t i n d u s t r i a la n da g r i c u l t u r a l t o x i n ss u c h 鹊c h l o r i n a t e da n dh y d r o x y l a t e da r o m a t i cc o m p o u n d sc a u s es i g n i f i c a n t e n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o na n dh e a l t h p r o b l e m s ，d u e t ot h e i rt o x i c i t ya n do v e r a l l r e c a l c i t r a n c et om i c r o b i a ld e g r a d a t i o n u t i l i z i n gt h em e t a b o l i cp r o c e s s e so fb a c t e r i at o d e g r a d et h e s et o x i na t ac o n t a m i n a t e ds i t ei st h eu l t i m a t e g o a lo fm i c r o b i a l b i o r e m e d i a t i o n t or e a l i z et h i sg o a l ，o n em u s tu n d e r s t a n dt h ep h y s i o l o g i c a lr e s p o n s eo f b i o d e g r a d i n gb a c t e r i at oc o m m o n l ye n c o u n t e r e de n v i r o n m e n t a lt o x i n s i nt h i ss t u d y , p h e n o lw a sc h o s e na sm o d e lc o m p o u n ds i n c ei ti sat o x i ca r o m a t i c c o m p o u n do fe n v i r o n m e n t a li n t e r e s t ， a n db i o d e g r a d a t i o ni n f o r m a t i o ni s r e a d i l y a v a i l a b l ef o r m i c r o o r g a n i s m s p h e n o l h a s t r a d i t i o n a l l y b e e nr e m o v e db y p h y s i c o c h e m i c a lm e t h o d sw h i c hc a l lb ec o m p l e xa n de x p e n s i v e ，w h i l eb i o l o g i c a l t r e a t m e n td o n t th a v et h e s ep r o b l e m s i nt h i ss t u d y , s t r a i n sj f j 0 01 ，j f j 014a n dj f j 2w e r ei s o l a t e df r o ma na c t i v a t e d s l u d g et r e a t e dc o k i n g - p l a n tw a s t e w a t e r t h e s eb a c t e r i aa r ea b l et ou s ep h e n o la ss o l e c a r b o ns o u r c ea n dc a l lc o n s u m p t i o nt h ep h e n o li n i t i a lc o n c e n t r a t i o n8 0 0 m g lu p 16 s r d n as e q u e n c er e s u l t ss h o w sj f j 0 0 1 、j f j o1 4 、j f j 2m a yb ean o v e ls p e c i e so f h a l o b a c i l l u ss p 、p s e u d o m o n a ss p 、r h o d o c o c c u ss p t h eb e s te n v i r o n m e n t a l c o n d i t i o n sf o rj f j 0 0 1 、j f j 0 1 4a n dj f j 2 锄eo ft h ep h 8 ，7 ，8 i n18 0 r m i ns p e e da n do n t e m p e r a t u r eo f3 5 s o d i u ma c e t a t ea n dg l u c o s e 船as e c o n dc a r b o ns o u r c ec a n i n c r e a s et h ep h e n o lr e m o v a lr a t e ，w h i l et h eo p p o s i t ee f f e c to fs o u r o s e t h ee f f e c to f n i t r o g e ns o u r c ew a sn o to b v i o u s s t r a i n sa r ea b l et ou s ep h e n o la st h es o l ec a r b o ns o u r c e t og r o w t h t h ee f f e c to fp h e n o lr a t i oi n c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s en u m b e ro fb a c t e r i a c o dr e m o v a li sa l s oe f f e c t i v e m o n o da n dh a l d a n em o d e lw a ss e l e c t e d 嬲j f j 0 01 s k i n e t i cm o d e l k e yw o r d s ：b i o d e g r a d a t i o n ，p h e n o l ，p h e n o l d e g r a d a t i o ns t r a i n ，k i n e t i c s i l 学位论文独创性声明 本 人 声。盟，所 呈 銮 的 辇鳢聋缉蕴丕缘鑫錾螳醯一 三处 士 学位论文 是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作暑签名：j 参缸 签字日期：2 7 劈乡 导师签名： 学位论文使用授权书 本人完全了解重庆大学有关保留、使用学位论文的规定。本人完全同意中 国博士学位论文全文数据库、 下简称“章程”) ，愿意将本 提交中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社( c n k i ) 在中国博士学位论文全文数 据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库以及重庆大学博硕学位论文全文 数据库中全文发表。中国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论 文全文数据库可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版，并同意编入c n k i 中国知识资源总库，在中国博硕士学位论文评价数据库中使用和在互联 网上传播，同意按“章程 规定享受相关权益和承担相应义务。本人授权重庆大 学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公开论文的全部或部分内 容。 作者签名：导师签 备注：审核通过的涉密论文不得签署_ 授权书一， v 锄 彳生月 f 阳 j 该论文属于涉密论文，其密级是，涉密期限至： 年一月一日。 说明：本声明及授权书兰崾装订在提交的学位论文最后一页。 学位论文使用授权书 本人完全同意 ：中国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全 文数据库出版章程( 以下简称“章程 ) ，愿意将本人的硕士学位论文苯酚 降解菌的筛选及特性研究提交中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社( c n k i ) 在 中国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库以及重 庆大学博硕学位论文全文数据库中全文发表。中国博士学位论文全文数据库、 中国优秀硕士学位论文全文数据库可以以电子、网络及其他数字媒体形式公 开出版，并同意编入c n k i 中国知识资源总库，在中国博硕士学位论文评价 数据库中使用和在互联网上传播，同意按“章程规定享受相关权益和承担相 应义务。 作者签名：j 芝趁 导师签名 论文题目：叠趁超叠塑渤趣堕趣咝砬整 论文级别：博士口硕士回 所属学院：越超丝蔓翦生叠星垂线鎏 毕业院校：重庆大学毕业年月：年月 作者联系电话：f 还经空纽2 互 作者通信地址( 邮编) ： 作者e _ m a i l ：以! 之工盈f 矗丕：盟妇 研究生学号： 泷垒臼丕泄趁 备注：本人承诺该学位论文不涉密，否则后果自负。 说明：本授权书堕夏一式三份，由学校研究生管理部门、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社和作者本人各保存一份。 c n k i 联系电话：0 1 0 - 6 2 7 9 1 9 5 1 、6 2 7 9 3 1 7 6 、6 2 7 9 4 9 9 4 传真：0 1 0 - 6 2 7 9 1 8 1 4 网址：w w w c n k i n e t，嗍c h in a j o u r n a l n e t c n 通信地址：北京清华大学邮局8 4 - 4 8 信箱采编中心邮编：1 0 0 0 8 4 重庆人学硕+ 学位论文1 绪论 1 绪论 1 1 含酚废水的危害 1 1 1 酚污染对环境的影响 酚类对环境的影响 芳香烃苯环上的一个或几个氢原子被羟基取代后的生成物属酚类。根据分子 中含羟基的数目，酚类可分为一元酚、二元酚、多元酚。酚类有致癌、致畸与致 突变的潜在毒性，近年来引起了环境研究者的重视。 在环境中，酚类化合物的污染主要表现在三个方面，水的污染、土壤、底泥 的污染以及气体污染。水的污染主要是工业排放的废水污染。含酚废水可能来自 炼焦、炼油、木材防腐、煤气制造和用酚作为原料的其他相关工业。土壤、底泥 的污染主要表现在水体中的酚类化合物在一定条件下可能被泥土吸附，尤其是某 些多取代酚如三氯酚和五氯酚，在水中溶解度有限，很容易吸附在底泥上，并且 不容易降解。气体污染主要来自石油化工的废气排放。汽车尾气和香烟烟雾中也 含有微量酚。 水体污染酚类化合物的各类污染中最为普遍，受到最广泛的关注。天然水中 一般不含有酚类化合物，生活污水中只有微量酚。但由于许多工业生产和农业活 动排放物中都有酚类化合物，酚类物质是水体中常见的污染物。含酚废水不仅对 人类健康带来严重威胁，也对动植物产生危害。水中酚可能导致鱼类出现中毒症 状，甚至引起鱼类大量死亡。酚及其衍生物对鱼的毒性及嗅味影响见表1 1 【i 】。若 用含酚废水灌溉农田，则会使农作物减产或枯死。含酚废水的毒性还可抑制水体 中其它生物的自然生长速度，破坏生态平衡【z 】。 表1 1 酚及其衍生物对鱼的毒性及嗅昧影响 t a b l e1 1i m p a c to fp h e n o la n di t sd e r i v a t i v e s0 1 1t h et o x i c i t yo ff i s ha n ds c e n t 重庆人学硕士学位论文1 绪论 酚类化合物属原型质毒物，对所有生物活性体均能产生毒性，可通过与皮肤、 粘膜的接触不经肝脏直接进入血液循环，致使细胞破坏并失去活力，也可通过口 腔侵入人体，造成细胞损伤。高浓度的酚液能使蛋白质凝固，并能继续向体内渗 透，引起深部组织损伤，坏死乃至全身中毒，即使是低浓度的酚液也可使蛋白质 变性。人如果长期饮用被酚污染的水能引起慢性中毒，出现贫血、头昏、记忆力 衰退以及各种神经系统的疾病，严重的会引起死亡。酚口服致死量为5 3 0 m g k g ( 体 重1 左右，甲基酚和硝基酚对人体的毒性更大。酚类化合物还可能和其它有害物质 相互作用产生协同效应。近年来的研究表明烷基酚( a l k y l p h e n o l c o m p o u n d s ，a p s ) 、 双酚a 等具有内分泌干扰活性，称为酚类环境雌激素，对哺乳动物和水生生物的 生殖和发育均会造成不同程度的影响【3 】。 苯酚对环境的影响 苯酚的用途相当广泛，随着其用量的与日俱增，含酚废水污染环境的程度也 愈来愈严重，对人类所造成的伤害也日渐加深。苯酚接触到皮肤会造成皮肤软化 和变白，接着会引起疼痛的灼伤；皮肤若长久与酚溶液接触，则会引起皮肤炎； 若经皮肤迅速吸收会导致头痛、昏睡、呼吸困难和急促。苯酚的蒸汽会刺激呼吸 系统和眼睛；呼入高浓度的酚蒸汽或大量的酚液溅到皮肤上可引起急性中毒，如 不及时抢救，可在3 8 小时内因神经中枢麻痹而致死。酚若由口吞食引起食道灼 伤、腹痛、呕吐和胃场损伤；酚的慢性效果则会引起消化障碍、神经失常、皮肤 出疹、肝和肾脏受损等症状，中毒现象有呕吐、腹泻、食欲不振、头晕、贫血及 各种神经系统疾病。苯酚可诱导c y p 2 e 1r a sic l c l 基因型的个体c y p 2 e 1 酶活 力及d n a 损伤效应1 4 j 。 于二次世界大战上，苯酚亦用于纳粹灭绝营中以处决囚犯。集中营当局采用 注射的方法对病人进行“特别处理”，是因为这种方法简便、省钱、快速。被送的囚 犯，一进门就被护士扒光衣服；随后逐个被带进死刑注射室，由党卫军的医生们 给他们进行静脉注射。注射用的药剂是3 0 的苯酚溶液，经过注射后，受害者需 要经过2 0 多分钟才会死亡。集中营当局认为这种杀人的方法速度仍然较慢，不能 适宜大屠杀的需要，因而医生们改进了杀人技术：他们用带有超长针头的注射器， 刺人受害者的心脏部位进行苯酚注射。从此，接受注射者进入注射室后，就被接 在类似牙科手术椅的注射专用椅上，由两名囚犯护士把他的双手分别摁在椅子扶 手上，另一个护士用毛巾蒙住他的眼睛，并用力固定住他的头。这时，党卫军医 生走过来，将长针用力刺进受害者的心脏，再把针剂推进去。受害者马上就失去 知觉，不到一分钟就断气。 苯酚对水生生物及农作物都有定的毒害。酚的生化需氧量相当高，容易耗 2 重庆人学硕士学位论文i 绪论 尽水中的溶解氧。研究表明，当水中苯酚浓度达1 2 6 m g l 时，中华鲟2 4 h 内死亡 率达8 0 ，在5 4 h 内全部死亡【5 1 。苯酚对剑尾鱼核稀有觞鲫的毒性属于高毒【6 1 。罗 非鱼在苯酚浓度0 0 2 m g l 的水环境中生长3 1 0 天，其肝细胞功能明显受到破坏， 并且会贮存于机体，干扰正常代谢，影响其机体功能【7 】。低浓度苯酚含量对藻的生 长具有促进作用【s 】，苯酚含量增加到一定计量使藻细胞生长缓慢甚至负生长，当 浓度达到4 0 0 m g l 时，斜生山藻【9 1 和蛋白核小球藻都无法生长【l o 】。 1 1 2 酚类化合物 酚类的性质 酚类化合物是一类重要的化学工业原料，广泛地用于生产石油、农药、炸药、 肥料、油漆、橡胶、石棉制品、木材防腐、合成树脂、纺织物、酚醛涂料等方面。 在医药上可以用作止痒剂、消毒剂、烧灼剂、灭虫剂等【l 。 酚类化合物种类繁多，有苯酚、甲酚、氨基酚、硝基酚、蔡酚、氯酚等，而 以苯酚、甲酚污染最突出。本课题的研究是以苯酚为底物。酚是一种有毒的有机 化工原料，也是很多工业企业生产的副产物，其来源比较广泛，炼焦、炼油、冶 金、塑料、化纤、绝缘材料、酚醛树脂、制药、炸药、农药等工业都会有较高浓 度的含酚废水。如不严格控制其排放，对环境将造成极大的污染。 苯酚的来源、性状及其应用 1 ) 来源与生产 苯酚( p h e n 0 1 ) 俗称石碳酸，是德国化学家龙格( r u n g ef ) 于1 8 3 4 年在煤焦 油中发现的【1 2 】。 苯酚最早是从煤焦油回收，目前绝大部分是采用合成方法。到2 0 世纪6 0 年 代中期，开始采用异丙苯法生产苯酚、丙酮的技术路线，已发展占世界苯酚产量 的一半，目前采用该工艺生产的苯酚已占世界苯酚产量的9 0 以上。其他生产工 艺有甲苯氯化法、氯苯法、磺化法。我国的生产方法有异丙苯法和磺化法两种。 由于磺化法消耗大量硫酸和烧碱，我国也将只保留少数磺化法装置，逐步以异丙 苯法生产为主。 2 ) 性状 苯酚分子式c 6 h 6 0 ，分子量9 4 1 1 ，c a s 号为1 0 8 9 5 2 【1 3 】。苯酚为无色针状结 晶或白色结晶熔块，可燃，腐蚀力强。有毒。不纯品在光和空气作用下变为淡红 或红色，遇碱变色更快。与大约8 水混合可液化。可吸收空气中水分并液化。有 特殊臭味和燃烧味，极稀的溶液具有甜味。相对密度1 0 5 7 6 ，凝固点4 l ，熔点 4 3 ，沸点1 8 1 。7 c ( 1 8 2 ) ，折射率1 5 4 1 7 8 ，闪点7 9 4 4 ( 闭杯) ，8 5 ( 开 杯) ，自燃点7 1 5 c ，蒸气密度3 2 4 ，蒸气压0 1 3 k p a ( 4 0 1 ) ，蒸气与空气混合 物燃烧极限1 7 8 6 。l g 苯酚溶于约1 5 m l 水( 0 6 7 ，2 5 加热后可以任何比 3 重庆大学硕士学位论文1 绪论 例溶解) 、1 2 m l 苯。易溶于乙醇、乙醚、氯仿、甘油、二硫化碳、凡士林、挥发油、 固定油、强碱水溶液。几乎不溶于石油醚。苯酚水溶液p h 值约为6 0 。 3 ) 应用 苯酚可用作制取酚醛树脂、己内酰胺、双酚a 、苯胺、水杨酸、苦味酸、五 氯酚、2 ，4 d 、己二酸、酚酞n 乙酰乙氧基苯胺等化工产品及中间体，在化工原料、 烷基酚、合成纤维、合成橡胶、塑料、医药、农药、香料、染料、涂料和炼油等 工业中有着重要用趔1 4 1 。此外，苯酚还可用作溶剂、实验试剂和消毒剂。 1 2 含酚废水的处理技术 含酚废水主要是指含有一元酚为主的工业废水。含酚废水主要来自焦化厂、 煤气站、绝缘材料厂、化工厂、炼油厂、制药厂等。酚类为原生质毒，属高毒物 质，对环境有严重危害，所以对含酚废水的有效治理具有重要意义【l5 1 ，酚类物质 对人体十分有害它们在焦化等行业排放的废水中含量较高称为含酚废水。含酚废 水的组成一般说来非常复杂，除了有酚类物质外还有不饱和烃类及多环、杂环化 合物，其中含有多种具有致癌、致畸、致变作用的有机优先污染物，含酚废水毒 性强危害大【i6 】。焦化企业在生产过程中产生的废水，习惯上也称为含酚废水，焦 化废水中含有大量的酚、氰、氨、硫化物等污染物。 各国对水体中酚的浓度的有关规定见表1 2 。 表1 2 各国水体中酚的极限浓度 t a b l e1 2t h el i m i tc o n c e n t r a t i o no fp h e n o li ns e v e r a ls t a t e s m g l 4 重庆大学硕七学位论文1 绪论 1 2 1 含酚废水脱酚处理技术的研究现状 按含酚浓度分类 目前工业上处理含酚废水的方法很多，常用的方法为生化法、吸附法、萃取 法、液膜分离法、氧化法等。由于工业废水中酚浓度有相当宽的范围，其酚含量 不等，酚的处理方法也根据废水中酚的浓度有所不同，通常分为高浓度、中等浓 度和低浓度含酚废水的处理。 解决含酚废水的途径，一是改革工艺，降低废水含酚浓度，或循环用水以减 少废物量并提高废水中含酚浓度，便于回收；二是回收利用和处理。一般说来， 含酚浓度在1 0 0 0 m g l 以上的废水应先考虑酚的回收，再加破坏处理以达到无害排 放。含酚浓度低于此浓度以下，则要进行无害处理。 1 ) 高浓度含酚废水处理 高浓度含酚废水( 高于5 0 0 r a g l ) 进行回收处理一直是引人瞩目的方法，采用 与水不相溶的有机溶剂萃取废水中的酚，回收率可高达9 8 - - 9 9 。但是，即使有 这么高的效率，处理后的出水中还留有相当数量的酚。而且由于有机溶剂在废水 中有轻微的溶解度，从而导致有机溶剂的损失，同时，溶解在废水中的有机溶剂 会增加废水中有机物的含量，造成对环境的二次污染。 高浓度含酚废水还可以通过吸附法进行回收处理，吸附剂可采用活性炭或粘 土。但如果废水中酚的浓度比较高，则吸附柱很快会被酚所穿透，而且存在活性 炭再生及吸附酚的降解等问题，所以吸附法处理的成本比较高。 2 ) 中等浓度含酚废水处理 浓度在5 - - 5 0 0 m g l 的含酚废水称为中等浓度含酚废水。中等浓度含酚废水的 处理工艺主要为降解，处理工艺包括生物法、活性炭吸附法及化学氧化法等。在 无高浓度有毒物质或预先脱除有毒物质的情况下，对中等浓度的含酚废水来说生 物处理法是目前应用最广泛的处理方法，生物处理工艺包括氧化塘、氧化沟、生 物滤池等。但生物法所能处理的含酚废水一般要求酚含量在l o o m g l 以下，对其 他污染物也有一定的要求。而在工业废水中，往往存在着对微生物具有抑制和杀 害作用的有毒物质，这些物质使细胞的正常结构遭到破坏、菌体内的酶变质并失 去活性。活性炭吸附法对于中等浓度的含酚废水也有较好的处理效果，但存在着 与高浓度含酚废水活性炭吸附法相同的缺点。 化学氧化法对中等浓度含酚废水的处理具有较好的效果，采用的氧化剂包括 高锰酸钾、氯、二氧化氯、次氯酸钠、臭氧及过氧化氢等。使用氯的不足之处在 于有形成氯酚化合物的风险，以及过剩的氯会与废水中的其他组分缔合生成有机 氯化合物。而臭氧需要较高的投资以及购黄臭氧发生器。高锰酸钾需要固体进料 装黄，而且单元氧化能力的消耗量较大。在亚铁离子催化剂存在下，过氧化氢可 5 重庆人学硕十学1 ：i 7 ：论文1 绪论 将酚充分氧化。过氧化氢过量时含酚废水处理的最终产物是二氧化碳、水和无机 离子。当亚铁离子浓度高至3 0 0 m g l 时，整个处理过程可以在5 分钟内基本完成， 但是反应最佳的p h 值为3 0 - - - 4 0 ，p h 稍高或稍低均会导致脱酚效率的急剧下降。 且对于酚的单一溶液，每脱除l m g 酚需消耗3 0 - - 4 0 m g 的过氧化物，处理成本高。 3 ) 低浓度含酚废水的处理 低浓度含酚废水的处理通常有生物法、化学法及物化法等。生物处理通常能 将酚的浓度降至0 5 m g l 以下，除非迸水浓度偏高。通过生物法处理的废水，还可 用臭氧或过氧化氢进一步处理，使酚的浓度降至0 0 3 m g l 。同时活性炭吸附法作 为第三级处理工艺对于痕量的有机物脱除也是非常有效的。 但是许多含酚废水，特别是氯酚、硝基酚类物质，其生物降解性差，有的还 具有生物毒性，采用常规生物方法处理，很难达到污水综合排放标准。 按处理工艺原理分类 含酚废水的处理方法很多，常见的分为物理法、化学法、高级氧化技术与生 物法四种处理方法。 1 ) 物理法 包括萃取法、吸附法、蒸汽蒸馏法等。 目前使用较多的传统型萃取剂有苯、重苯、n 一5 0 3 煤油、醋酸乙脂、异丙醚、 苯乙酮、磷酸三丁酯( t b p ) 等。新研制的萃耿剂如上海大学z “等合成的n 一 辛酰毗咯烷( o p o d ) 1 7 】，对苯酚的萃取性能好，脱酚效率高，萃取分配比高达 4 0 0 以上。采用甲基异丁基酮( m i b k ) 作为萃取剂处理煤气化含酚废水，废水含 酚量5 0 0 0 m g l ，c o d 值2 0 0 0 0 m g l ，p h 值1 0 。随着络合萃取剂的研究开发，络 合萃取技术已在工业含酚废水的治理上得到广泛应用。使用络合萃取剂为2 0 t b p 煤油溶液，与酚形成l ：l 的络合物，对酚浓度为3 0 0 0 m g l 的碱渣废水单级萃 取率超过9 0 ，有效降低了碱渣废水对后续生化处理的冲击。化工部连云港研究 院采用自行开发的新型萃取剂处理水杨酸生产中含酚量高达6 0 0 0 - 1 2 0 0 0 m g l 的 离心废水，萃取率高于9 9 5 ，反萃取率高于9 9 ，分配比达1 0 0 以上，而且溶 解度小，消耗量小，分层速度快。x u 等【1 8 】应用新型同定相络合萃取剂q h 1 的研 究结果显示，当相比为l ：1 4 ：l ，转速为2 5 0 0 4 0 0 0 r m i n ，苯酚的单级萃取效 率高于9 5 ，用1 5 n a o h 反萃再生效率可达9 9 ，该法应用于单级或多级固定 床中可以除去较宽浓度范同的含酚废水，具有操作范围广、容易再生、处理效果 好等特点，是具有价格优势、高效、可靠的新型络合萃取剂。 吸附法是一种传统的含酚废水处理方法。较广泛使用的吸附剂有固体活性炭、 活性碳纤维、磺化煤、膨润土以及吸附树脂等。固体活性炭的吸附容量大，对高、 低浓度废水均有较好的去除效果，但其再生有一定的困难。而活性碳纤维( a c f ) 6 重庆人学硕+ 学位论文l 绪论 相比于粉末或颗粒状活性炭，具有吸附容量大，吸附及解吸速率高，再生条件温 和等优点，近年来在水处理中的应用研究逐渐增加，x 。q u 采用0 3 - - a c f 联用技 术【1 9 】，使a c f 比表面积增加，孔数增加，孑l 径减小，酚处理效果大大增加，对于 1 0 0 m g l 酚水，酚和c o d 去除率分别可达9 9 和9 5 。 汽提法也称为蒸汽脱酚法，根据挥发性酚可与水蒸汽形成共沸物，利用苯酚 在两相中的平衡浓度的差异，在强烈对流中，挥发性苯酚由水相转为气相，从而 使废水得以净化，再利用碱液洗涤含酚的蒸汽，回收粗酚。本法主要用于处理高 浓度的含酚废水，回收酚的质量好，不带进其他污染物，有利于废水的回收利用。 高浓度的含酚废水用汽提法处理，去除率达到8 0 - - 8 5 蒸汽中的苯酚也可用氢氧 化钠溶液在泡罩塔中吸收，其回收率为9 0 。废水中的苯酚还可以用共沸蒸馏法。 如添加一些助剂，可提高去除率。 2 ) 生化法 在目前的科学研究领域中，处理酚的技术种类繁多，主要分为化学法、生物 法。有时为了达到较好的处理效果，可以将化学法和生物法结合。化学法存在很 多弊端，不仅处理效率低，而且会造成严重的二次污染，而生物法就不同了。实 施生化处理，培养驯化活性污泥微生物是降低废水中酚氰等有害物质的重要一环 【2 0 】 o 生物化学法是利用微生物净化废水的方法。细菌、丝状菌、放线菌、高霉菌、 真菌等可降解苯酚。通常采用好氧生化法。含酚废水在工业上用生化法处理是非 常成功的和重要的，而其中尤其以活性污泥法的处理效果较好。生化处理法适合 于处理中等浓度( 5 - 5 0 0 r a g l ) 的含酚废水。从经济观点来看，这种浓度的苯酚看 来没有必要进行回收。在无高浓度的毒性物质或这些物质已经预先被去除的条件 下，广泛采用生化处理法来处理中等浓度的含酚废水。生物法包括有氧化塘、氧 化沟、滴滤池和活性污泥。苯酚虽属于生物可降解物质，但其降解速率属于中等 较慢的一类，因此在处理前必须先做些必要的预处理，并提供一定的微生物生 长条件。如果用特种活性污泥处理，其处理效果会更好。在好氧条件下，酚类的 生化降解主要是先在芳环上引入氧，然后再发生开环氧化。在厌氧条件下，苯酚 先还原成环己酮，然后水解成正己酸，并依次做进一步降解而产生甲烷，因此其 厌氧途径与好氧途径是完全不同的。首先需要保证微生物生长的环境条件，如 b o d 、毒物量、营养物质、温度、氧氯含量及p h 值等。影响生化处理含酚废水的 因素主要有： a 菌种 在生化降解苯酚的过程中，菌种是个关键问题，普通菌种常常不能得到好的 效果。筛选并分离出对降解苯酚有特殊选择性的菌种亦是本试验的主要目的之一。 7 重庆大学硕十学位论文1 绪论 b 抑制物质的影响 在苯酚的生物降解过程中，往往因为有抑制活性污泥的物质存在而受到影响。 在含酚废水处理中，还经常遇到氰根和硫氰酸根的共存。一般讲，能降解氰根或 硫氰酸根的微生物难于降解酚；而容易降解酚的微生物则不容易降解氰根或硫氰 酸根。因此，在生物处理前应设法作些预处理。一般经过驯化的污泥，其降解苯 酚的能力往往要比未经过驯化的大，因而，经过以苯酚作为基质驯化的微生物可 以有效地降解废水中的苯酚。 c - 高级氧化技术 对于许多含酚废水而言，采用现有常规方法处理，很难达到污水综合排放标 准。光催化氧化、超声降解、湿式氧化等高级氧化技术具有彻底氧化、无二次污 染等优点，并且声、光、磁、电等高级氧化技术具有彻底氧化降解有机污染物， 易于控制且无二次污染等优点，近年来也有很多学者在对这些技术进行深入研究。 1 2 2 含酚废水脱酚处理技术的生物学研究趋势 自从活性污泥法成功的用于废水处理后，微生物在废弃物的处理上已经扮演 着举足轻重的角色。生物强化技术早在1 9 世纪就应用于酿酒工业。而在废水处理 上的应用，则始于1 9 5 1 年，其方法是将干燥生物制剂添加于废水系统中，然后又 发展出系列的应用于活性污泥及洒滴滤池的生物强化技术。自1 9 7 0 年趔2 1 】，除 使用从自然界筛选的菌株外，人们也运用诱变及基因工程技术制备生物制剂。生 物制剂的使用范围逐渐扩大，包括城市下水管道中的油脂堵塞的清理，石油衍生 物的分解，c 0 2 排放的控制，b o d 去除率的提高，系统突增负荷冲击的处理及废 水处理生物系统的启动等等。 活性污泥法是利用一群天然存在的微生物，来分解或降解废弃物中的有机物， 以达到净化废弃物的目的。因为生物处理法的去除率高，操作成本低，不会产生 严重的二次污染，故最常用来处理含酚废水。近年来，由于生物强化技术的提出， 利用生物强化技术处理含酚废水，可提高水质水量负荷，缩短介质的停留时间， 提高酚的去除率。生物技术处理含酚废水有了显著的发展。人们的研究己经拓展 到了细胞分子水平。例如，固定酶法处理含酚废水，利用基因重组改良微生物处 理含酚废水都有一定的发展。理论上，任何污染物皆可透过基因重组技术后的微 生物，考虑到其安全性仍不能随意排放到大自然环境中，因此，基因重组技术应 用在废水处理上仍属试验阶段。但是，可预测的是以基因重组为主的新生物技术。 无疑是未来工业污染防治的主流，通过驯化、筛选及诱变等方法，找出适当的微 生物来分解废水中的污染物，就可达到高度净化废水的目的。 目前的生物处理技术中，投菌法被应用于难降解物质的处理。这种方法是针 对所要去除的污染物质，利用特别培养的优势菌种对其进行有效降解的方法。投 重庆人学硕十学位论文l 绪论 菌法己在美国、德国、日本等国采用，以改善常规活性污泥法的处理效果，去除 c n ，s c n ，纤维素，聚乙烯醇等，尤其适用于难降解有机废水的治理。实施该技 术的前提是获得作用于目标污染物的高效菌株。对于自然界中固有的化合物，通 过筛选，培育，诱变获得相应的降解菌株。这些降解菌株大多数在纯培养体系中 表现出高活性，但对于投加到生态环境复杂的生物处理系统中的效果，尚待进 步研究。优势菌应满足几个要求，如添加后必须保持优势菌体活性，能以较快的 速度降解污染物，在系统( 如曝气池) 中不仅能竞争性生存，而且可维持相当高 的数量等。投菌法目前尚处于研究初期阶段，但己显示出许多优越性，具有很好 的应用前景。 投加的微生物来源于原来的处理系统，经过驯化、富集、筛选、培养使其达 到一定数量，也可以利用外源的微生物。于是国内外研究人员开始研究把这项技 术即生物强化技术用于工业废水、地表水及地下水中难降解的有毒有害物质的治 理或用于改善提高废水处理效果。生物强化技术与一般生物治理技术相结合，在 废水治理中己显示其独特的作用。 生物强化技术是在原有的活性污泥法基础上发展起来的。比一般的生物处理 废水的方法，更能提高对b o d 5 、c o d 、有机毒物的去除效果。而且能改善污泥性 能，减少污泥产量，缩短系统的启动时间，增强耐冲击负荷的能力和系统的稳定 性。基于以上特点，选用生物强化技术来处理含酚废水，在原有工艺的基础上， 筛选高效菌株，制成生物强化剂通过投加的方式，提高含酚废水的处理效率。并 且，生物强化剂的研究应用前景非常广阔。s h i n o d a 从酚富集接种1 ，一- - 3 年的培养 物中分离到两株酚降解反硝化细菌，它们需要铁离子才能生长。1 6 sr d n a 系统发 育分析表明厌氧降解苯酚的菌株与m a g n e l o s i p i r i l l u ms p 亲缘关系较近，为变形细 菌中的a 亚类哗j 。 在以往的污水处理中，从事污水处理的技术人员坚信种所谓“普遍存在理 论”，认为细菌无处不有，在某种特定环境中只要给子足够的空间，就会自然产生 适应这种环境的菌群，并成为在这种环境下生存的优势菌。投菌法理论则认为， 在某特定环境中，自然生成的菌群虽能很好适应这种环境，但并不一定是这种环 境中的优势菌。因此，有必要投加经过筛选的具有特殊分解能力的菌种。 在微生物生长的环境受到污染物污染的过程。些特异的微生物在污染物的 诱导下能产生分解污染物的酶系，进而将污染物进行降解。由于在自然条件下， 能降解难降解性有机污染物的微生物数量少且活性低，因此在污水处理的实际工 艺中，通常是先将这部分细菌筛选出来，通过添加营养、控制条件进行专门的富 集和驯化，然后把它们加到难降解性有机物的污水处理系统中以强化处理效果。 当生物体遇到的基质需要另外的酶或代谢途径来代谢时需驯化。微生物体对某些 9 重庆人学硕十学位论文1 绪论 毒性物质表现出惊人的可驯化能力。同样浓度和剂量有毒有害物质对未经驯化生 物体可能是完全抑制的，而对经过适当驯化的生物体却不会引起活性的下降。驯 化能够减轻或消除毒性物质对菌群的抑制作用。可见，驯化是稳定和有效处理有 毒物质废水的关键。 1 3 苯酚降解途径 1 3 1 好氧途径 苯酚的微生物有氧降解也分为间位和邻位两种开环途径。苯酚好氧降解途径 见图1 1 。 ， 厂”z 一雄签袖保暇盐z 一乳风- 4 - 吗苯酚 半缩醛水解酶烯酸水合酶 i 2 一羟基粘糠酸 l2 _ 羟一2 ，4 一二烯 4 一羟基2 氧 毒。篓釜笑尸k 上融hq 。乜坚。h l 。孛鼻。舭h 邻奉二酚4-,羟基2氧代戊 i 酸盐醛缩酶l i e , l 弋裂v h 3 。 硼酸盐继 顺粘康酸盐 图1 1 苯酚好氧降解途径 f i g 1 1t h ep r o p o s e dp h e n o ld e g r a d a t i o np a t h w a yu n d e ra e r o b i cc o n d i t i o n s 好氧菌一般是经过问位开环降解途径，通过苯酚羟化酶基因使苯酚从两个羟 基间开环，将苯酚转化为邻苯二酚，邻苯二酚进一步开环裂解为三羧( t c a ) 酸 循环产物，进而进入物质和能量的代谢。 而邻苯二酚的开环裂解是在不同酶的作用下，经过不同的降解途径实现的。 邻苯二酚2 ，3 双加氧酶( c 2 3 0 ) 催化的开环途径称为间位裂解途径，邻苯二 酚通过问位开环产生黄色的2 羟基粘糠酸半醛以及a 酮基己二酸中间产物。假单 胞菌主要通过这个途径降解苯酚。 l o 重庆人学硕士学位论文1 绪论 邻苯二酚l ，2 加氧酶( c a t a ，c 1 2 0 ) 催化的开环途径称为邻位裂解途径，邻 苯二酚邻位开环裂解产生粘康酸，以及内脂和琥珀酸等无色的中间产物。醋酸不 动杆菌主要通过这个途径降解苯酚。 问位开环降解途径存在于一些p s u d o m o n a ss p 对苯酚和甲酚的降解中【2 3 2 4 1 ， p s u d o m o n a ss p c f 6 0 0 可降解苯酚、甲酚和3 ，4 二甲基酚( 3 ，4 d r o p ) ，它的代谢基因 位于质粒p v i l 5 0 上，编码将苯酚转化为邻苯二酚的多组分羟化酶的基因为 d m p k l m n o p 2 熨，而d m p b 、d m p c 和d m p d 编码的酶和一些芳香化合物代谢的问 位开环途径的酶相似。d m p b 、d m p c 和d m p d 的基因顺序和t o l 代谢途径的相似 基因排列顺序相同，且多肽产物大小相近1 2 6 j 。d m p b 编码的开环酶2 ，3 双加氧酶可 将苯酚转化为2 羟基粘糠酸半缩醛。2 ，3 双加氧酶的编码区位于d m p p 下游3 5 0 b p 左右，氨基酸序列与t o l 和n a h 7 萘代谢的2 ，3 双加氧酶分别有8 3 和8 7 的同 源性【27 1 ，d m p c 和d m p d 基因编码m e t a 开环降解途径分支的第一个酶。d m p b 、c 、 d 基因间各相隔3 8 和1 1 b p t 2 8 1 。d m p e f g h i 编码m e t a 开环降解途径的其它酶，将 底物代谢为乙酞辅酶a f 2 9 1 。苯酚降解基因通常成簇排列，位于大质粒上 3 0 , 3 1 】一些 位于染色体上。 1 3 2 厌氧途径 国外关于苯酚的厌氧降解已经有许多报道【3 2 - 3 5 1 。 重庆大学硕十学位论文l 绪论 在反硝化菌k 1 7 2 中苯酚激活酶从某未知的底物转移磷酸盐到苯酚，生成苯酚 磷酸盐然后进一步新陈代谢 3 6 , 3 7 。研究最多的苯酚厌氧降解途径为苯酚被降解为 塞酚d 阻 羟丞苯甲酸1 一羟瑟苯甲 哀甲 酰辅骛、 酰辅骑a 鼠造 连入 径炭 甲 馥 厌 笨甲酸 图1 2 苯酚厌氧降解途径 f i g 1 2t h ep r o p o s e dp h e n o ld e g r a d a t i o np a t h w a yu n d e ra n a e r o b i cc o n d i t i o n s 4 羟基苯甲酸，再通过4 羟基苯甲酰辅酶a 连接酶与4 羟基苯甲酰辅酶a 还原酶 对其进行降解。4 一羟基苯甲酸促进苯酚脱羧酶在苯酚厌氧转化为4 羟基苯甲酸过程 中起着重要作用。苯酚厌氧降解途径如图1 2 示。 1 4 研究的意义与主要内容 1 4 1 研究意义 根据环保部 2 0 0 7 年中国环境质量状况公报可知，0 7 年我国年污水排放量 为5 5 6 7 亿吨，其中工业废水占2 4 6 5 亿吨，并有逐年增加的态势。工业废水的处 理率以及处理后是否达到国家排放标准成为许多学者专家研究的重点。寻找到良 好、方便的处理方法，正是可以在原有处理设备的基础上，提高处理效率的有效 途径。随着我国环保法规的逐年完善，国家对污水的排放逐渐向国际接轨，要求 越来越严。若原有污水设备的2 0 进行技术改造，需要提高处理效果的工业废水 量约4 9 3 亿吨，以每吨污水投加强化菌3 - - 5 克计，则对菌剂产品的需求量在1 4 7 9 吨以上，按每年投加5 - 一8 次计，则菌剂的产值每年可达数亿元以上。由此可见， 生物强化技术的应用前景是十分可观的。 故研究对含酚废水的处理具有重要的理论价值和实际价值。 1 2 9 t 裳游 一丞筑鹭一羟髋原一竖 0 0 茇垮 犯螂酶一 羟脆撞一扣甲连一 伽 一