（环境工程专业论文）萘磺酸盐类废水的生物降解研究.pdf

武汉理i ：大学硕十学位论文 摘要 在矿石浮选过程中，产生的废水溶有残留的多种浮选药剂( 有机物及无机物) 和大量选别后的悬浮物，其c o d e r 、b o d 、s s 、p 等严重超出国家规定的工业 废水排放标准。萘磺酸甲醛缩合物( n a p h t h a l e n e s u l f o n a t e f o r m a l d e h y d e c o n d e n s a t e s ，以下简称n f c ) 是种化工业副产品，在矿业中常作为矿石浮选药剂， 该药剂由于难生物降解、有毒，对环境会造成很大危害。为了对残留在浮选废 水中的萘磺酸甲醛缩合物进行生物降解，本文通过大量的实验研究工作，首次 对萘磺酸盐废水进行高效降解菌的驯化、分离与生长繁殖特性、降解性能及模 拟试验等进行了初步研究，为提高萘磺酸盐废水的处理效果提供理论依据。 通过大量的紫外扫描实验发现n f c 在紫外区有强吸收，最大吸收波长在 2 9 8 n m 处。其1 0 0 m g j l 范围内可绘制标准曲线得到回归方程 y = 0 0 1 4 6 x 一0 0 0 3 7 ，相关系数r = 0 9 9 9 。试验结果证明用紫外分光光度计法测 定萘磺酸甲醛缩合物含量操作简单，测定迅速，结果准确。 在高效菌种的分离筛选过程中，筛选到3 株对n f c 降解菌种，其中s 3 相 比s 1 和s - 2 降解率比较高，接下来对单菌株和混合菌种降解能力做了比较， 发现混合菌种比单菌株对n f c 具有更好的降解能力，混合菌种的最适培养条件 为3 5 ，p h 7 6 ，底物浓度为5 0 0 m g l ，微量元素溶液浓度为0 1 时和接种量 为l o 时的降解效率最佳，可以达到6 0 左右。 采用生物强化处理系统，对n f c 进行模拟运行实验，采用工艺混凝厌氧 好养的处理系统，并投加具有高效降解率的混合菌种，在这些强化因子的作用 下，生物降解去除率可达到6 5 以上。 利用紫外可见光谱对菌株降解$ 7 1l 的机理进行了研究，实验证实，绝大 多数高分子量多环芳烃有机物降解都是以共代谢方式进行的。微生物共代谢的 反应中产生的既能代谢转化生长基质又能代谢转化目标污染物的非专一性酶， 是微生物共代谢反应发生的关键，它为其他微生物所进行的共代谢或其他微生 物降解铺平道路，以共代谢方式使难降解污染物经过一系列微生物的协同作用 而得到彻底分解。 关键词：萘磺酸盐类废水；高效菌种；处理工艺；降解机理 武汉理。i ：人学硕十学位论文 a bs t r a c t i no r ef l o t a t i o np r o c e s s ，av a r i e t yo fd i s s o l v e dr e s i d u ef l o t a t i o nr e a g e n t ( o r g a n i c a n di n o r g a n i c ) a n dal a r g en u m b e ro fs u s p e n s i o mi nt h eg e n e r a t e dt h ew a s t e w a t e r ， s u c h 邪t h ec o d e r , b o d ，s s ，p ，e t c s e r i o u s l ya c c e s s e dt h es t a t ee m i s s i o ns t a n d a r d s o fi n d u s t r i a lw a s t ew a t e r n a p h t h a l e n e s u l f o n a t e - f o r m a l d e h y d ec o n d e n s a t e s ( a f l e r r e f e r r e dt o 硒n f c ) i sac h e m i c a lb y - p r o d u c t s ，o f t e n 嬲f l o t a t i o nr e a g e n ti nt h eo r e m i n i n gi n d u s t r y , b e c a u s eo ft h i sf l o t a t i o nr e a g e n ti sd i f f i c u l tb i o d e g r a d a b l e 、t o x i c a n dc a nc a u s eg r e a th a r mt oe n v i r o n m e n t i no r d e rt ob i o d e g r a d en f ct h a t r e m a i n i n gi nt h ef l o t a t i o nw a s t e w a t e r , t h r o u g ht h em a s s i v ee x p e r i m e n t a ls t u d yw o r k o ft h i sp a p e r , f o rt h ef i r s tt i m et oc o n d u c t e dt h ep r e l i m i n a r ys t u d yt h a th i g h l y e f f e c t i v ed e g e n e r a t i o nb a c t e r i a 多d o m e s t i c a t i o n ，s e p a r a t i o n ，t h eg r o w t hr e p r o d u c t i o n c h a r a c t e r i s t i c sa n dd e g e n e r a t i o np e r f o r m a n c ea n dt h er e a l i s t i cs i m u l a t i o ne x p e r i m e n t w a s t e w a t e ro fn f c t h r o u g h t h em a s s i v eu l t r a v i o l e t s c a n n i n ge x p e r i m e n t d i s c o v e r e dt h a t n a p h t h a l e n e s u l f o n a t e - f o r m a l d e h y d ec o n d e n s a t e sh a st h es t r o n ga b s o r p t i o ni nt h e u l t r a v i o l e t ，m a x i m u ma b s o r p t i o nw a v e l e n g t ha t2 9 8m ：1 1 i ni t s10 0m g ls c o p ec a l l b ed r a w ns t a n d a r dc u r v er e g r e s s i o ne q u a t i o ny 2 0 0 1 4 6 x 一0 0 0 3 7 ，c o r r e l a t i o n c o e 伍c i e n tr = o 9 9 9 t h et e s tr e s u l t sp r o v e dt h a tt h em e t h o do fd e t e r m i n i n gc o n t e n t s o fn f cw i t ht h eu l t r a v i o l e ts p e c t r o p h o t o m e t e ri sq u i c ka n da c c u r a t e i nt h ep r o c e s so fi s o l a t i n ga n ds c r e e n i n gh i g l l l ye f f i c i e n ts t r a i n s ，s e l e c t e df r o m t h r e ep a i r so fn f ci sa ne f f i c i e n td e g r a d a t i o nr a t eo ft h eb a c t e r i a , o n eo fs - 3 c o m p a r e dt os la n ds - 2d e g r a d a t i o nr a t ei sr e l a t i v e l yh i g l l ，f o l l o w e db ys i n g l e s t r a i n sa n dm i x e ds t r a i n sk i n d so fd e g r a d a t i o na b i l i t yt om a k eac o m p a r i s o na n d f o u n dt h a t m i x e d - s p e c i e s t h a ns i n g l e - s t r a i nh a sb e t t e rd e g r a d a t i o na b i l i t y , d e g r a d a t i o ne f f e c tc a l lb ei n c r e a s e db y10 a l s or e s e a r c h e dt h em i x e ds t r a i n so f o p t i m a lc u l t u r ec o n d i t i o n s ，t h em i x e ds t r a i n so fo p t i m u mg r o w t hc o n d i t i o n sf o r 3 5 ，p h7 6 ，s u b s t r a t ec o n c e n t r a t i o no f5 0 0m e g l ，t r a c ee l e m e n t s s o l u t i o n c o n c e n t r a t i o no f0 1 w h e nt h ev a c c i n a t i o nq u a n t i t yo f10 o fn f cc o m p o u n dt h e i l 武汉理i ：人学硕十学位论文 b e s te f f i c i e n c yd e g r a d a t i o n ，c a l lr e a c ha r o u n d6 0 u s e dt h eb i o l o g i c a ls t r e n g t h e n i n gw i t hb i o l o g yi n t e n s i 伽n gf a c t o rp r o c e s s i n g s y s t e m f o rn f cw a s t e w a t e rs i m u l a t i o ne x p e r i m e n t s ，t h eu s eo fc o a g u l a t i o n p r o c e s s e s - a n a e r o b i c - a e r o b i cs y s t e m ，a d d e d m i x e ds t r a i n sw i t ha l le f f i c i e n t d e g r a d a t i o nr a t e , i nt h e s e c i r c u m s t a n c e st o s t r e n g t h e n t h er o l eo ff a c t o r , b i o d e g r a d a t i o nr a t ec o u l dr e a c h6 5 m e c h a n i s mo fs t r a i nd e g r a d a t i o no nn f ch a v eb e e ns t u d i e db yt h eu l t r a v i o l e t - o b v i o u ss p e c t r u m ，t h ei n f r a r e da n a l y s i sm e t h o d ，e x p e r i m e n t sc o n f i r m e dt h a tt h ev a s t m a j o r i t yo fp o l y c y c l i ca r o m a t i ch y d r o c a r b o n s ( p a h s ) t h a th i g hm o l e c u l a rw e i g h ta s c o m e t a b o l i s mm a n n e rt od e g r a d a t i o n t h ek e yo fm i c r o b i a lc o - m e t a b o l i s mr e a c t i o n h a p p e n e di sn o n - s p e c i f i c i t ye n z y m e sw h i c ht h a tb o t hc a l lt r a n s f o r mg r o w t ha n db e a b l et oc o n v e r s et a r g e tp o l l u t a n t si nt h em i c r o b i a lc o - m e t a b o l i s mr e s p o n s e , w h i c h f o ro t h e rm i c r o o r g a n i s m sw e r ec a r r i e do u tb ym i c r o b i a lm e t a b o l i s mo ro t h e r d e g r a d a t i o np a v et h ew a yt oc o m e t a b o l i s mm a m l e rr e f r a c t o r yp o l l u t a n t st h r o u g ha s e r i e so fm i c r o b i a ls y n e r g yh a sb e e nc o m p l e t e l yd e c o m p o s e d k e y w o r d s ：n f cw a s t e w a t e r ；e f f i c i e n tb a c t e r i a ；t r e a t m e n te x p e r i m e n t s ； d e g r a d a t i o nm e c h a n i s m ! 1 1 独创性声明 本人声明，所呈交的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。据我所知，除了文中特另l j j j t 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 获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一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 的说明并表示了谢意。 研究生签名：雠日期译上7 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以 公布论文的全部内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生签名：鲻翕l 一导师签名：日期巡上7 武汉理i ：大学硕十学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 我国磷矿资源丰富，储量约1 4 g t ，仅次于美国、摩洛哥，居世界第三位；是 世界上重要的磷化工产品生产国：年产量近9 m t ( 以p 2 0 5 含量计) 【l 】。我国磷 矿资源主要有以下特点：( 1 ) 资源丰富，但分布过于集中；( 2 ) 中低品位磷矿多、 富矿少；( 3 ) 难选矿多，易选矿少；( 4 ) 较难开采的倾斜至缓倾斜、薄至中厚矿体 多，适宜于大规模高强度开采的少。由于以上原因致使磷矿的开发和利用需要 进行选别。 碳酸盐类矿物、硅酸盐矿物的抑制剂是国内药剂研究的重点。早在2 0 世纪 7 0 年代后期，我国就己开始采用硝基腐殖酸钠、木素磺酸钙、磺化酚焦油甲醛 缩合物等作为碳酸盐矿物、硅酸盐矿物的抑制剂【2 】。我国已合成多种单宁的类 似物作抑制剂应用在选矿工业中，目前主要有s - 8 0 8 、s 7 1 l 、s - 2 1 4 、s - 2 1 7 、 s - 8 0 4 、s - 7 2 1 等。s 系列抑制剂主要成分为萘、粗菲、苯酚的磺化物分别与甲 醛综合反应物。 s 8 0 8 是目前公认的效果较佳的抑制剂，已成功地用于王集磷矿的反浮选 流程中。但该药毒性大，导致废水处理费用和难度较大，现已推出它的代用品 s 7 1 1 类，并在王集磷矿、宜昌磷矿进行了选矿试验，获得了与s - 8 0 8 相近的选 矿指标。 萘磺酸甲醛缩合物的使用所产生的废水具有排放量大，悬浮固体、有机物 含量高，酸度大，含盐量高，有害成分多，特别是残存在废水中的有机药剂， 大多系人工合成的多环芳烃类化合物，具有一定毒性并较难自然降解，是危害 环境的重要污染物，属于极难治理的有机工业废水之一。目前，国内外处理此 废水有物理法、化学法、生物法。生物法与其他两种方法比较具有成本低、处 理效果好、环境友好等优点而被广泛研究。利用微生物对选矿废水处理是条 值得探讨的新途径。 武汉理t ：大学硕七学位论文 1 2 磷矿浮选药剂废水对环境的危害 1 2 1 选矿废水的产生 选矿过程是排放废水的主要环节，这是因为在选磷矿的过程中要求磨矿细 度高，药耗大，需要大量的工业清水和产生大量工业废水( 尾矿水) ，而且选磷 废水中溶有残留的多种浮选药剂( 有机物及无机物) 和大量选别后的尾矿固体颗 粒悬浮物，是具有一定稳定性的多相分散体系【3 1 ，其c o d e r 、b o d 、s s 、p 等 严重超出国家规定的工业废水排放标准，废水的硬度也较大。原成都科技大学磷 复肥室开发的弱酸脱镁工艺可使矿中m g o 含量降到o 5 以下，但该工艺每 处理i t 磷矿约产生4 t 含m g o 、c a o 、p 2 0 5 、s 0 3 、f e 2 0 3 、a 1 2 0 3 和f 的 废水【4 1 。 国内的磷矿资源主要分布在中南和西南地区，各选矿厂对当地的水环境或 多或少产生影响。以湖北省为例，矿山多且主要集中分布在宜昌、保康、荆襄、 神农架等长江上游水系的鄂西北地区，其矿山开发不仅影响本地区的环境，而 且影响到长江中下游广大地区【5 】。因此，处理磷矿选矿废水是一项意义重大的 工程。 1 2 2 选矿废水对环境的危害 矿石的多样性决定了选矿废水的复杂性。一般而言，选矿浮选废水的p h 、 c o d c r 、s s 、p 、s 、f 等大大超出了国家工业废水二级标准( p h ：6 - 9 ，c o d e r ： 1 5 0m g l ，s s - 2 0 0m g l ，t p ：1 0 m g l ，s ：1 0m e , l ，f ：1 0m g l ) 【6 1 。 废水的p h 值通常大于9 0 ，直接排入水体会使其p h 值发生变化，抑制细菌和 微生物的生长，妨碍水体自净，严重者还腐蚀船舶和水工建筑物，破坏正常的 生态循环。所用的调整剂( 包括起泡剂和抑制剂等) 有的是含有苯环的化合物， 在水中残存时间长，不易被自然的微生物所降解，对水体微生物极其有害；捕 收剂主要是脂肪酸类物质，具有油性，直接排放会阻碍空气进入水体，使水体 缺氧恶化；浮选时加入了n a 2 c 0 3 等作为抑制剂，与原矿中的c a 2 + ，m g + ， c 0 3 卜会使水质硬化；此外，废水中还含有f e 、a 1 、m g 等少量金属化合物而 产生金属污染；p 的存在也会导致水体产生富营养化【7 1 。 再加上我国许多矿山地区水资源并不丰富，工业用水与农业用水经常发生 2 武汉理1 ：大学硕十学位论文 矛盾。因此，选矿废水如果不加以处理而直接排入水体，会对矿山地区的水质 产生非常恶劣的影响，并进而影响矿山地区的社会效益和经济效益。 由于上述种种原因，如何处理与回收利用选矿浮选废水，已引起诸多环保 专家的密切关注并进行了相关的研究。 1 3 萘磺酸甲醛缩合物( nf c ) 简介 1 3 1 结构及理化性质 萘磺酸甲醛缩合物是以工业萘为原料，经过与浓硫酸磺化再与甲醛缩合而 得，其产品由化工部化工矿山设计研究院研究。该产品发明后，使我国胶磷矿 选矿取得了突破性进展【叭。其结构通式如下： 夕飞 以 。n a 0 3 s h 它不易挥发，易溶于水，而不溶或微溶于非极性的有机溶剂。同一萘磺酸 因其所含结晶水分子数不同，其熔点也不相同。萘磺酸有很强的吸水性，常含 有结晶水，故较难得到无水的纯品。与羧酸不同，不但萘磺酸的钠盐、钾盐溶 于水，而且萘磺酸的钙、钡和铅盐也溶于水( 或温水) 。因此在有机化合物分子 中引入磺基，可显著的改进有机物的水溶性，这在染料及表面活性剂等工业中 有一定的实用意义。 1 3 2 萘磺酸甲醛缩合物的污染及危害 萘磺酸甲醛缩合物易溶于水，其废水的主要特征表现在以下几个方面【9 , 1 0 】： 1 ) 污染物的水溶性大、浓度高、成分复杂 萘系有机生产废水中的萘环化合物带有亲水性的磺酸基、羟基和氨基，故 其水溶性大。废水中的有机物浓度可达几千至几万毫克升，通常含有多种有机 物及其异构体，并含有大量的无机盐，c o d 高达几万毫克升。 3 武汉理i ：人学硕十学位论文 2 ) 色泽深 萘磺酸系有机生产废水一般都呈棕色至红褐色，色度为5 0 0 1 2 0 0 倍。 3 ) 毒性大 萘系化合物属于稠环芳烃，对人体有较大的危害。例如1 萘胺和2 萘胺均 已证明为强致癌物质；萘酚对皮肤粘膜具有强烈的刺激作用，吞咽或皮肤吸收 具有高毒性。因此，这类废水如未经处理直接排放将严重污染环境，危害人体 健康。 4 ) 不易生物降解 由于萘环是由1 0 个碳原子组成的离域共扼键，结构相当稳定，难以降解。 这类废水，生化性差，且对微生物有毒性，难以用一般的生化方法处理。 随着我国石油化工、轻工、纺织、食品等工业的迅速发展，有机废水的排 放量同益增加。化学工业在全国各工业中处于重要地位，但农药、染料、医药、 香料、助剂等行业排放的高浓度有机废水，污染十分严重。其废水和废物在土 壤和水体中的排放导致了生态环境的日趋恶化，对人类健康造成严重威胁。因 此开展这类废水的治理和综合利用己成为当代环境科学和化学工业亟待解决的 重要课题。 1 4 选矿废水处理的国内外研究现状 对于那些难选的矿石，一般的浮选药剂很难取得满意的分离效果，有的需 要添加长链甚至含苯环的有机抑制剂，这样就给选矿废水的处理带来了相当大 的难度，如何去除其中难处理的有机抑制剂是一个需要深入研究的课题。目前 磷矿废水处理技术主要有一下几种： 1 4 1 物理法 物理法处理废水最为直接，在萘磺酸类废水的处理方面得到广泛的研究， 主要包括：萃取法、离子交换法、吸附法、膜技术等。 1 ) 吸附法 利用吸附剂如活性炭、高岭土、改型的天然沸石、膨润土等无机非金属矿 物吸附的方法进行去除，目前主要采用活性炭吸附法。但活性炭吸附后清洗因 难，成本高，且对某些大分子吸附力不够，它不能氧化废水中的有机物，只能 4 武汉理 ：大学硕七学位论文 进行吸附处理，而且还存在吸附剂再生的难趔l l j 。 2 ) 离子交换法 大孔吸附树脂是内部呈交联网络结构的高分子珠状体，具有优良的孔结构 和很大的比表面积，故可从水中吸附有机溶质，从而实现废水中有机溶质的富 集、分离。李长海、石宏仁、唐洪宇等人【1 2 】研究了利用弱碱性树脂处理b 萘磺 酸废水，确定出d 3 0 1 r 树脂具有较高的吸附容量并进行吸附分离研究 3 ) 乳化液膜法 乳状液膜分离技术是膜分离技术中有效处理高浓度含酚废水的方法之一， 具有效果好、费用低等优点。张莉，陆晓华【1 3 】研究了乳化液膜法处理含有机萘 磺酸类工业废水的分离技术，分析了萃取过程中表面活性剂种类和浓度、内相 浓度、外相p h 等因素对膜稳定性的影响。 4 ) 萃取法 溶剂萃取法是利用难溶于水的萃取剂如胺类化合物与废水接触，使废水中 磺酸类物质与萃取剂进行物理或化学的结合，实现物质的相转移。邓兵，王云 祥【1 4 】研究出以三烷基胺( 7 3 0 1 ) 与煤油组成的萃取体系可以高效率地提取废水中 的萘磺酸类物质，废水经一级萃取后，其c o d 去除率接近9 6 。 1 4 2 化学法 1 ) 化学混凝法 是化学法中最普遍的方法，本着“以废治废”的原则，可以在废水中加入含 酸性物质的废水进行中和沉淀。此外，加入一些常用的絮凝剂，如聚合硫酸( 亚) 铁、聚合氯化铝等无机铁盐和铝盐【1 5 】，运用混凝法处理选矿废水存在絮凝剂的 选择、用量等问题，并且它难以去除废水中含长链和苯环的物质，一般只作为 废水的预处理方法。 2 ) 电化学法 以电解法处理选矿废水的原理是这样的：根据铁、铝阳极在溶解过程中生 成氢氧化物，对水中杂质、悬浮物、有机物等进行絮凝，且通直流电后，阳极 产生氧，阴极产生氢，形成大量气泡逸出，将絮凝物等夹带浮至水面而被去除， 没有浮出水面的可通过静沉法去除。阳极所产生的初生态氧，对温水中的有机 物有较好的氧化作用【1 6 1 。 5 武汉理1 ：大学硕十学位论文 除了化学混凝法、电化学氧化法以外，电渗析法、f e n t o n 试剂法、超临界 氧化法【1 7 舶】等各类方法对选矿废水均有一定的处理效果，但是又都存在不足之 处。以上方法处理萘磺酸类等难降解污水的特点是：有机物的去除率高、设备 占地小、操作简便，但装置昂贵、技术要求高，而且能耗较大，能量利用率不 高。若要真正投入实际运行，还需进行大量的研究工作。 1 4 3 生物法 生物处理技术是目前应用得最广泛的、最重要的废水处理方法。传统的生 物处理技术分为好氧和厌氧两大类。概括其作用机理，就是通过微生物产生的 酶氧化分解有机物，从而使废水得到净化。在废水生物处理系统构成中，微生 物是以活性污泥和生物膜的形式存在并起作用的。活性污泥就是由细菌、原生 动物等微生物与悬浮物质、胶体物质混杂在一起，形成的具有很强的吸附分解 能力的絮状体颗粒【z o j 。 传统的生物处理有机废水主要有以下几种：活性污泥法、生物膜法、生物 接触氧化法、生物流化床等。废水生物学处理方法由于具有效率高、效果好、 使用范围广、成本低、运转管理费用小、处理水量大和方法成熟等优点，是生 活污水和工业污水处理的主要手段。但该方法的缺点是不耐冲击，废水中污染 物的浓度变化，会对活性污泥中微生物的生理活动造成显著影响，对其降解能 力产生抑制，也不适用于高浓度有机废水的降解。 1 5 难降解有机物处理研究进展 难降解有机物指的是被微生物分解时速度很慢，分解不彻底的有机物( 也包 括某些有机物的代谢产物) ，这类污染物易在生物体内富集，也容易成为水体的 潜在污染源，一般微生物对其几乎没有降解效果，如果这些物质不加治理地向 环境排放，势必严重地污染环境和威胁人类的身体健康。 有毒难降解污染物的毒性大小及难降解程度与其本身结构密切相关。对于 这类污染物的处理，一直是环境治理方面的一个难点，也是环境科学工作研究 的热点，构成化合物难于降解的原因除了其自身化学组成和结构这个内因，还 存在阻止其降解的环境因素，如物理条件( 湿度、压力等) 、化学条件( 化合物浓 度、p h 值、金属成分、其他化合物的协同及拮抗效应等) 、生物条件( 适合微生 6 武汉理i ：火学硕十学位论文 物生长的条件、适当的微生物菌种等) 。从这个角度来看，难降解性并不是化合 物所固有不变的特性，而是在定环境中表现的结果；改变了环境条件，难降 解的有机化合物可能会变得容易降解。近年来，对降解有毒化合物的研究正是 以此为依据展开的【2 。 近年来，为适应难降解有机物的处理要求，生物处理方法得到不断的改进、 提高和扩展，对废水中的有毒有机物、抑制性有机物和顽固性的有机物，已取 得了较好的降解效果。根据不同的机理，形成了许多技术路线，包括共代谢技术、 缺氧反硝化技术、高效菌种技术、细胞固定化技术、厌氧水解酸化预处理技术 等。 1 5 1 共代谢技术 共代谢是微生物为了适应复杂的生存环境而长期进化形成的一种特性。在 共代谢过程中，微生物利用一种基质的同时还能够分解另外一种基质。微生物 利用一种易于摄取的基质作为碳和能量的来源，称为第一基质，同时共代谢基 质或者称为第二基质被微生物分解。第二基质的共代谢产物通常不能直接作为 营养被转化为细胞质。第二基质的共代谢是需能反应，能量来自第一营养基质 的产能代谢1 2 引。共代谢存在于各种各样的微生物中，包括好氧微生物、厌氧微 生物和自养微生物。 共代谢是微生物为了适应复杂的生存环境而长期进化形成的一种特性【2 甜。 大部分有毒有机物的降解是通过共代谢途径进行的，在共代谢过程中，微生物利 用一种基质的同时还能够分解另外一种基质。s t e f f c n s c n 2 4 】等研究了生物降解苯 胺时无机营养物的作用，结果表明，如果介质中不加入无机营养物磷，则苯胺 根本不能被矿化；如果介质中有1 1 0 。7 m o l l 的磷，则底物就能被降解。 1 5 2 缺氧反硝化技术 在缺氧条件下，反硝化菌可以利用有机碳源作为反硝化过程的电子供体， 而以硝酸盐氮( n o 。3 - n ) 或亚硝酸盐氮( n o 。2 - n ) 作为电子受体进行厌氧呼吸，因 此，反硝化过程可以在脱氮的同时去除有机碳。缺氧反硝化降解难降解有机物 就是在缺氧条件下，为反硝化菌提供适当比例的氮源，使反硝化菌对有机物进 行降解。目前缺氧反硝化技术在处理焦化废水中的难降解有机物的研究中已经 7 武汉理丁大学硕十学位论文 取得了很好的效果。有研究表明对焦化废水中几种主要的含氮杂环有机物( 吡 啶、吲哚、喹啉、异喹啉、2 甲基喹啉) 在缺氧条件下都可以降解，其中吡啶的 缺氧生物降解速率最快【2 5 之7 1 。 1 5 3 厌氧水解酸化预处理技术 厌氧水解酸化预处理过程通常要经过水解和酸化阶段。第一阶段为水解阶 段，大分子有机物或不溶性有机物质，经过微生物胞外酶的水解催化作用可水 解为小分子或可溶性有机物，如葡萄糖、氨基酸和甘油等；第二阶段为酸化阶段， 在厌氧或兼性厌氧的条件下，葡萄糖通过e m p 途径生成丙酮酸，氨基酸生成 乙酸、不饱和脂肪酸、丙酮酸等，甘油生成丙酮酸。 水解酸化技术不必控制严格的好氧或厌氧条件，只要保持厌氧或兼厌氧条 件，即可达到很好的效果。厌氧水解酸化预处理技术对于处理含难降解有机物 的废水是一种有效的手段。它能将大分子难降解的有机物转化为小分子易降解 的有机物，改善废水的可生化性，为后续好氧生化处理创造条件。同时，经水 解酸化预处理，出水水质稳定，减小了原水负荷变化对后续生化处理系统的冲 ；匕【2 8 ，2 9 】 山o 1 5 4 细胞固定化技术 细胞固定化技术是通过物理、化学手段使游离细菌固定在载体上，它是生 物工程领域中的一项新兴技术。用于污水处理，按照细胞的制备方法可分为载 体结合法、交联法和包埋法。固定化载体对细胞起一种保护作用，细胞经固定 化后，在载体与细胞之间建立了某种物理或化学联系，增加了细胞膜的稳定性。 固定化细胞所处的微环境与游离细胞不同，这种微环境的变化可能会引起细胞 的形态结构、生理特性及代谢活性的改变。 细胞固定化技术在难降解有机污染物治理中的应用研究十分广泛。用于处 理难降解有机污染物的固定化技术主要有p v a 包埋，海藻酸钙包埋及各种载体 的吸附等p 。 1 5 5 高效菌种技术 许多学者研究，投加经过筛选的具有特殊分解能力菌种的方法，称这些筛 武汉理。i ：大学硕十学位论文 选出来的菌为高效菌。对于某一种或几种难降解有机物，当针对它们筛选出的 高效菌浓度达到一定值时，难降解有机物便不难降解了。高效菌的获得，其一 是从自然水体以及水处理装置中经过分离获得，研究者从受污染物长期污染的 土壤、河水、底泥和海水以及废水生物处理装置中筛选分离出能对难降解污染 物进行降解转化的高效降解微生物；其二是利用诱变、原生质融合，基因工程 等高科技手段创建高效菌。 表l l过去被认为不能生物降解，现己能不同程度降解的一些有机物 t a b l e1 - 1t h ep a s ts h o u l dn o tb ec o n s i d e r e db i o d e g r a d a b l e ，s o m eo r g a n i ch a sn o w d e g r a d e dt ov a r y i n g d e g r e e s 类别举例 芳烃 直链烃 酚类 非均环烷类 烃类 氯化直链烷 氯化芳烃 苯、甲苯 十六烷 吡啶 甲酚 石油类、脂肪类、柴油类 三氯甲烷、二氯甲烷 二氯化苯并 对于自然界中固有的化合物，都能通过筛选、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，但对于投加到环境 复杂的生物处理系统中效果，尚待进一步研究。有效的菌剂应满足几个要求， 如添加后必须保持其高菌体活性，能以较快的速度降解目标污染物，在系统( 如 曝气池) 中不仅能竞争性生存，且可维持相当的数量等【3 1 - 3 3 】。针对废水中影响生 物降解的主要成分，一旦找到适当的优势降解菌株，就有可能使此种废水得到 有效的降解。表1 1 t 3 4 1 n 出了一些过去被认为不能生物降解，但现在己能生物 降解的有机物。 生物处理技术是污染物治理中最完全和清洁的技术，通过微生物代谢实现 对污染物的去除，不会造成二次污染。目前对难降解有机废水处理的研究十分 活跃，新的工艺流程和方法不断问世，每一种有机废水根据其自身特点和水量 大小等条件，都有其适用的、经济有效的处理方法。因此应该继续致力于难降 解有机物的生物处理技术研究，将生物技术手段与污染物处理工艺相结合，实 9 武汉理t 大学硕十学位论文 现对难降解有机物的有效处理【3 5 】。 1 5 6 萘磺酸降解微生物的选育 高分子量的多环芳烃，由于其自身的结构和特性，在环境中较稳定，难于 降解，能矿化多环芳烃并以其作为唯一碳源和能源的细菌的研究报道很少。许 多四环或多环高分子量多环芳烃的降解是以共代谢( e o m e t a b o l i s m ) 的方式进行 的。研究表明，大多数细菌对四环或多环芳烃的矿化作用一般以共代谢的方式 开始；真菌对三环以上的多环芳烃的代谢也多属共代谢【3 6 3 9 】。 利用人工变异的假单孢属短杆菌类降解含有萘磺酸盐类选矿废水未见应用 报道。此外，利用氧化铁硫杆菌和硫化硫杆菌的氧化特性处理磷矿选矿废水中 的有机物也已经实现。国外的选矿快报上报道过一篇文章，罗杰斯和沃尔 弗拉姆通过研究表明用活性细菌选别法从一些磷酸矿石中回收p 0 4 卜是完全可 能的，从选磷废水中吸附p 0 4 卜是能够实现的【4 0 小】，国内对于该项研究尚停留 在初级阶段。 生物法几乎已经用于处理各种废水，但用在选磷废水中的报道不多，对于 选矿废水有机抑制剂萘磺酸甲醛缩合物的生物降解尚未见报道，本文从活性污 泥中分离出驯化、筛选和分离出能降解萘磺酸甲醛缩合物的微生物，以期为有 机抑制剂的生物降解机理与途径研究提供优势菌株。 1 6 本课题研究目的、路线及内容 1 6 1 研究目的 通过对选矿过程中产生废水的有机浮选药剂进行生物降解规律研究，通过 对浮选药剂特效微生物菌种筛选、培养，分离出特效微生物降解菌，为选矿工 业废水生物处理方法、工艺技术路线等提供参考，为选矿废水处理设计提供技 术参数。 1 6 2 研究路线 1 0 武汉理i ：大学硕士学位论文 t 驯化 叫堕堡堕堕望i 厂 1 6 3 研究内容 上 达标排放 图1 1n f c 生物降解研究路线 f i g 1 - 1b i o d e g r a d a t i o nr o u t eo f n f c 1 ) 对萘磺酸甲醛缩合物废水进行检测，找出合适的测试方法。 2 ) 从污水处理厂不同的构筑物中获取三种不同的污泥，包括好氧、厌氧 生化污泥。对污泥进行驯化、培养得到对n f c 具有一定降解作用的复合菌群： 3 ) 用平板稀释法和革兰氏染色法对驯化污泥中的微生物进行形态观察和 菌种鉴定，并对驯化污泥中的微生物和原污泥中微生物的降解性能进行比较， 初步鉴定复合菌种中的优势菌种； 4 ) 模拟活性污泥法处理工艺，将优势菌种投加到工艺中，研究活性污泥法 对废水的处理效果，使其达标排放。并通过处理过程中出水浓度、p h 值和溶解 氧的变化情况，进一步研究废水的处理途径并使工艺稳定运行。 武汉理r 大学硕十学1 1 7 ：论文 2 1 实验材料 第2 章实验仪器和研究方法 2 1 1 实验药品 本实验所用主要药品规格、产地如下表2 1 所示，实验药品均为分析纯， 实验所用水为超纯水和纯水。 表2 1 实验所用药品清单一览表 t a b l e2 - 1l i s to fm a i nc h e m i c a lr e a g e n t s 1 2 武汉理i i 大学硕士学位论文 2 1 2 实验设备 本实验所用主要仪器、设备如下表2 2 所示。 表2 2 实验所用设备、仪器一览表 t ；l b l e2 2l i s to fm a i ni n s t r u m e n t sa n df a c i l i t i e s 1 3 武汉理：大学硕士学位论文 2 2 培养和驯化过程所用的培养液 培养液配方： 表2 3 实验所用培养液配方 t a b l e2 - 3f o r m u l ao fc u l t u r em e d i u mu s e di nt h ee x p e r i m e n t a l 物质浓度( g l )物质 浓度( l ) 物质 浓度( g l ) 酵母膏 0 0 5n a c l0 5ao 0 3 n a 2 h p 0 4 4b0 5co o l k h 2 p 0 4 2 m g s 0 4 0 1 c u s 0 4 5 x1 0 5 z n s 0 4 5x1 0 5d 5 x1 0 5 2 3 紫外吸收光谱法测n f c 的含量 目前萘磺酸甲醛缩合物含量的测定方法主要是色谱法，而紫外分光光度法 测定尚未见报道【4 “引。紫外吸收光谱是一种重要的分析手段，它广泛应用于有 机化合物的结构解析和定量分析，目前已经广泛应用于制药、精细化学品生产、 石油化工及环境检测等领域。 紫外分光光度法是用来进行在紫外区有吸收峰的物质的鉴定及结构分析， 定性并定量的分析萘磺酸甲醛缩合物【4 弘5 1 】。因萘磺酸甲醛缩合物在紫外区有强 吸收，可以用紫外分光光度法进行定量分析，本文采用紫外吸收光谱对萘磺酸 甲醛缩合物进行定量分析的方法进行了探讨，并建立了用紫外分光光度法测定 萘磺酸甲醛缩合物含量的方法，该方法具有操作简便，灵敏度高，快速等优点， 是测定萘磺酸甲醛缩合物含量的简单实用的方法。 2 3 1 实验仪器 h a c hd r 4 0 0 0 u 紫外可见分光光度计；b s2 2 4s 电子分析天平；萘磺酸 甲醛缩合物( 某焦化公司) ，超纯水。 1 4 武汉理i ：大学硕十学位论文 2 3 2 标准溶液的配制 准确称取0 1 0 0 0g 萘磺酸甲醛缩合物，用超纯水溶解，定容至l 升，得到 浓度为lg l 的萘磺酸甲醛缩合物标准溶液。 2 3 3 紫外可见吸收光谱的扫描 用h a c hd r 4 0 0 0 u 紫外可见分光光度计对萘磺酸甲醛缩合物进行分析检 测。波长扫描范围：1 9 0 1 1 0 0n n l ，扫描步长：ln n l 。 准确吸取2m l 萘磺酸缩合物标准溶液于1 0 0m l 容量瓶中，稀释至刻度， 摇匀。得到浓度为0 0 2g l 的稀释液。用1c l t i 的石英比色皿，以超纯水作参比， 扫描溶液的吸收光谱。由图2 1 可见萘磺酸甲醛缩合物在2 9 6 3 0 0i i l n 处有明显 吸收峰，最大吸收峰出现在2 9 8h i l l 。 2 5 2 0 1 5 正 1 0 0 5 0 0 x ( n m ) 图2 - 1n f c 在紫外可见光区的吸收谱图 f i g 2 - 1 u v - v i sa b s o r p t i o ns p e c t r u mo fn f c 2 3 4 测量波长的选择 一般选择最强吸收带的最大形式波长( k ) 为测定波长。因为在k x 处，待 测组分每单位浓度所改变的吸光度最大，即有最大的测量灵敏度。并且在k 1 5 武汉理i ：人学硕十学位论文 附近，吸光度随波长的变化最小，可以得到最佳的测量精度。 图2 1 表明，萘磺酸甲醛缩合物在2 9 8n n l 处有最大吸收峰，故测定波长 选在2 9 8n l n 。 3 3 5 测量范围的选择 根据吸光度测量误差可知，吸光度在o 1 一1 5 范围内，吸收测定的精密度 较好。再低的浓度也能检测出来，可是精密度有时满足不了定量分析要求。因 此，应把被测组分的浓度控制在其吸光度o 1 1 5 。 首先配制浓度为0m g l ，1 0 0m g l ，2 0 0m g l ，4 0 0m g l ，8 0 0m e r l e ， 10 0 0m g l ，2 0 0 0m g l ，3 0 0 0m r d l ， 缩合物溶液，于最大波长2 9 8a m 处， 4 0 0 0m g l ，5 0 0 0m g l 的萘磺酸甲醛 以浓度为横坐标，吸光度为纵坐标绘制 标准曲线如图2 - 2 。由图可见，萘磺酸甲醛缩合物溶液在1 0 0 m g l 范围内成较 好线性关系，根据前述测量范围的选择方法，取溶液浓度在0 1 0 0m g l 范围内 做标准曲线。 3 2 5 2 善