（市政工程专业论文）产酸白腐菌处理造纸黑液的工艺研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ；= = = = = = = = 摘要 碱法造纸黑液是一种高浓度、高p h 值的工业废水，目前针对中小造纸企业 所排黑液的处理方法，都有一定的局限性。本文针对此现象，利用华中科技大学 生命科学院环境资源微生物技术研究室筛选的产酸白腐菌株进行造纸黑液的处 理，进行了以下五方面工作的研究：不同工艺条件对产酸自腐菌处理造纸黑液的 影响、不同培养基对白腐菌产酸连续特性的影响、造纸黑液工艺路线的优选、产 酸白腐菌一厌氧水解接触氧化工艺处理造纸黑液的运行及微电解的脱色。 r l1 ) 在白腐菌的筛选工作及其生物特性的研究后，我们承担着白腐菌反应设备 t 的开发与利用，因此其工艺条件的研究显得相当重要。经过反复实验，得到产酸 白腐菌处理造纸黑液的适宜条件为：初始p h 值在7 以下，黑液负荷在1 3 1 0 4 m g l 以下，接种量为2 0 3 0 ，保持微氧状态，反应时间为3 天，温度在2 5 2 9 之间，色度与c o d 的去除率保持在6 0 以上。 2 ) 产酸白腐菌处理造纸黑液的关键是白腐菌能够在黑液中实现连续的产酸性 能，在实验中，我们利用了三种不同的培养基：土豆培养基、土豆黑液培养基及 黑液培养基。在以上三种培养基中，白腐菌都表现出了一定的连续产酸能力，但 总的来说，产酸强度在三种培养基中呈下降趋势，在同一种培养基中呈现出产酸 能力逐渐减弱的趋势，这既为以后的进一步放大试验及中试研究提供了可能，也 为以后的工作提出了很大的要求。实验发现白腐菌不能降解自己的代谢产物，而 代谢产物的不断积累对产酸白腐菌连续产酸是一种抑制。 3 ) 为实现对造纸黑液的彻底处理，在实验中设计了8 组工艺路线供选择，经 过对以上8 组路线的实验分析，确认产酸白腐菌厌氧好氧工艺为最佳。对白腐 菌处理造纸黑液进行了开放体系下放大实验研究，在设计的反应器中运行，结果 发现，开放体系下白腐菌可以产酸，但连续运行能力较差，但可以在间歇式反应 器中运行。 4 ) 对产酸白腐菌厌氧水解接触氧化整套工艺运行进行了研究，实验在恒温 华中科技大学硕士学位论文 培养间中完成，结果表明，此工艺对于处理造纸黑液效果非常明显，连续处理2 0 天以上，c o d 的去除率达到9 1 5 9 6 5 。在运行中，分析了工艺的最佳运行参 数，应控制进水c o d 浓度在1 o 1 0 4 m g l 以下，白腐菌反应器的停留时间为3 天，厌氧水解4 h ，接触氧化停留2 4 h ，温度控制在2 5 2 9 c 。接触氧化出水用微 、一 电解进行脱色与c o d 的去除，最终达到排放标准。 7 关键词：白腐亩7产亩7造纸黑菠厌氧水赢接触寂花 反应器 微电解 i i 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = # = = = = = = = ；= = = = = = = = = = = = = = = ；= = = = = 一 a b s t r a c t b l a c kl i q u o ro fa l k a l ip a p e r m a k i n gi sak i n do fi n d u s t r yw a s t e w a t e rw i t hh i g h c o n c e n t r a t i o na n dl l i g hp h a l lt h ec u r r e n tt r e a t m e n tm e t h o d s a p p l i e d t ot r e a tt h eb l a c k l i q u o rd i s c h a r g e db ys m a l la n dm e d i u m s i z ep a p e r m a k i n gm i l l sh a v es o m el i m i t a t i o n s i nt h e l i g h t o ft h e s i t u a t i o n ，b yu s i n ga c i d p r o d u c i n gw h i t er o tf u n g u s ( a w r f ) s c r e e n e db yt h ec o l l e g eo fl i f es c i e n c eo fh u a z h o n gu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n d t e c h n o l o g y t ot r e a tt h eb l a c k l i q u o r , is t u d i e d t h ef o l l o w i n gf i v es u b j e c t s ：t h ei n f l u e n c e e x e r t e db yd i f f e r e n tc o n d i t i o n so nt h et r e a t m e n to fu s i n ga w r ft ot r e a tt h eb l a c k l i q u o r ；t h ei n f l u e n c ee x e r t e db yd i f f e r e n tk i n d so f c u l t u r em e d i u m so nt h ef e a t u r e so f c o n t i n u o u s l yp r o d u c i n ga c i dw i t ha w r f ；t h es e l e c t i o no ft h e b e s tt e c h n o l o g i c a l p r o c e s s t ot r e a tt h eb l a c k l i q u o r ；t h ea p p l i c a t i o n o fa w r f a n a e r o b i c c o n t a c t o x i d a t i o n t e c h n o l o g y t ot r e a tt h eb l a c k l i q u o r ；t h e d e c o l o r i s a t i o nw i t h m i c r o e l e c t r o l y s i s t h ed e t a i l sa b o u tt h es t u d yo na b o v ef o u rs u b j e c t sa l e ： w eu n d e r t o o kt h et a s ko f d e v e l o p i n ga n du t i l i z i n gw h i t er o tf u n g u sr e a c t o ra f t e r h a v i n go b t a i n e dw h i t e r o tf u n g u sa n ds t u d i e di t sb i o l o g i c a lc h a r a c t e r s t h es t u d yo ni t s t e c h n o l o g i c a lc o n d i t i o n s i sv e r y i m p o r t a n t f o ru s t h r o u g h m a n ye x p e r i m e n t sw e f o u n d t h a tt h ef o l l o w i n gc o n d i t i o n sa l et h em o s ts u i t a b l ef o ra w r ft ot r e a tt h eb l a c kl i q u o r ： p h = 6 7 ，b l a c kl i q u o rl o a d 6 0 t h ek e yf o ra w r ft ot r e a tt h eb l a c kl i q u o ri st h a tw h i t er o tf u n g u sc a n c o n t i n u o u s l yp r o d u c ea c i di ni t i ne x p e r i m e n t sw eu t i l i z e dt h r e ed i f f e r e n tk i n d so f c u l t u r em e d i u m s ：p o t a t oc u l t u r em e d i u m ，p o t a t oa n db l a c kl i q u o rc u l t u r em e d i u m ，a n d b l a c kl i q u o rc u l t u r em e d i u m t h o u g ha w r f w e r ea b l et op r o d u c ea c i dc o n t i n u o u s l yi n i i i 华中科技大学硕士学位论文 = = = ；= = = = = = = = = ；= = = = = = ；= 一 t h ea b o v ed i f f e r e n tc u l t u r em e d i u m s ，t h e i r s t r e n g t ht od os o ，g e n e r a l l ys p e a k i n g ，t e n d e d t od e c r e a s eg r a d u a l l y i tw a sa l s ot h ec a s ei ns a t r t ek i n do fc u l t u r em e d i u m t h i sn o t o n l y m a d ei tp o s s i b l ef o rf u l t h e re x p e r i m e n t , b u ta l s op u tf o r w a r dm o r ed e m a n d sf o ri t e x p e r i m e n tp r o v e sa w r f c a n n o td e g r a d et h e i ro w nm e t a b o l i t e ，a n dt h eu n c e a s i n g a c c u m u l a t i o no f m e t a b o l i t ec a l lr e s t r a i n t a w r ff r o m p r o d u c i n g a c i dc o n t i n u o u s l y i ne x p e r i m e n t sw ed e s i g n e de i g h tg r o u p so fp r o c e s sr o u t e st ot r e a tt h eb l a c k l i q u o ro f a l k a l ip a p e r m a k i n g a f t e re x p e r i m e n t a la n a l y s i so fa l lt h ep r o c e s sr o u t e s ，w e f o u n dt h a tt h ep r o c e s sr o u t eo fa w r f - a n a e r o b i c c o n t a c ta e r o b i ci st h eb e s t w ea l s o s t u d i e do na w r f t r e a t i n gb l a c kl i q u o ri no p e ns y s t e m i na w r f r e a c t o r , w ef o u n d a w r fc a n p r o d u c ea c i di no p e ns y s t e m b u tt h e yc a n n o td o t h a tc o n t i n u a l l ya n dc a n o n l yo p e r a t ei ns b r w es t u d i e dt h ew h o l ep r o c e s sr o u t eo fa w r f a n a e r o b i c - c o n t a c ta e r o b i c t h e e x p e r i m e n t sw e r em a d ei n c o n s t a n tt e m p e r a t u r ec u l t u r ee n v i r o n m e n t t h er e s u l t s s h o w e dt h a tt h ep r o c e s sr o u t ew a sv e r yg o o dt ot r e a tt h eb l a c kl i q u o r a f t e rt h eb l a c k l i q u o rw a s t r e a t e df o r2 0d a y s c o dr e m o v a lr a t er a n g e df r o m9 1 5 t o9 6 5 w e a l s of o u n dt h ef o l l o w i n gc o n d i t i o n sa l et h em o s to p t i m a lt or u n t h ep r o c e s sr o u t e ：b l a c k l i q u o rl o a d 1 0 t h o u s a n dm g l ；t h ep e r i o do fa w r f - 7 2h o u r s ，t h a to fa n a e r o b i c 2 4 h o u r s ，a n dt h a to f c o n t a c to x i d a t i o n ；2 4h o u r s ；t = 2 5 n 2 9 c 。t h ee f f l u e n ti st r e a t e db y m i c r o e l e c t r o l y s i st e c h n o l o g y f i n a l l y t h ec o l o ra n dc o da c h i e v et h ee m i s s i o n s t a n d a r d k e y w o r d ：w h i t e r o tf u n g u s a c i d - p r o d u c i n g b l a c k l i q u o ro f p a p e r m a k i n g a n a e r o b i cc o n t a c to x i d a t i o n r e a c t o r m i c m e l e c t r o l y s i s 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = = = = = ；= = = = ；= = = = = = = = = = = = = ：= 1 绪言 1 1 造纸黑液处理现状与发展 1 1 1 造纸废水污染现状 造纸工业废水中含有大量的纤维素、木质素与化学物质，其排放量大，耗氧 量大，污染严重令世界瞩目。美国将造纸工业废水列为六大工业公害之一，日本 列为五大工业公害之一。据联合国环境组织估计，全世界造纸工业每年所排的废 水超过2 7 4 亿吨，其中b o d 5 5 8 5 4 万吨，s s 5 9 4 万吨，硫化物1 0 0 万吨。美国造 纸废水占工业废水的1 5 以上，日本占6 0 。瑞典和芬兰造纸工业对水源污染的 负荷，以b o d 5 量计，约占全部工业废水b o d 5 的8 0 以上i ”。 据中国轻工部的统计，目前遍布全国约有近万家造纸厂，尚无一家厂的废水 达到排放标准。我国造纸工业的废水排量大，一般耗水量为4 0 0 - - - 6 0 0 m 3 t ，最高可 达1 0 0 0 m 3 t ，年排放总量为1 7 亿m 3 【2 】，约占工业废水总排放量的1 0 【3 1 ，仅次 于化工、钢铁工业。排放量超过了制糖、印染、制革、油脂、洗涤剂等轻工业。 据统计，我国9 0 以上的造纸企业为年产5 0 0 0 t 以下的小草浆厂，这些草浆 厂多采用碱法制浆。通常每生产1 t 纸浆，产生1 0 m 3 左右浓黑液，总固体含量达 1 3 0 9 l ，其中有机物占7 0 ，主要是碱木素以及半纤维索的水解产物，无机物占 总固形物的7 0 左右，主要是n a o h ，n a 2 s 0 4 ，n a 2 s 等。 造纸废水污染严重，一个纸厂往往污染一条河流，严重破坏生态环境，已经 引起社会的极大关注。 1 1 2 造纸生产工艺过程 造纸工业的原料有：棉花、木材、竹片、稻草、龙须草、麦杆、芦苇、甘蔗 渣、麻、破布等各种植物纤维。将原料注入蒸煮球，蒸煮时投加碱性化学药品作 蒸煮液，在蒸煮压力0 4 - - 0 6 m p a 下、蒸煮4 5 小时，原料中的木质素等溶解成为 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = ；= = = = = = ；= = = = = = = = = = ；= = = = = ；= = = t = 黑液，黑液排出后，纤维被分离出来。分离出水纤维被制成纸浆，经洗涤、漂自、 稀释打浆后，再送入造纸机烘干、制出纸张。 大中型纸厂常用氢氧化钠与硫化钠的混合液作蒸煮液，称为硫酸盐法造纸。 小型纸厂多用氢氧化钠溶液作蒸煮液，称为碱法造纸。也有使用亚硫酸铵作蒸煮 液，称为亚铵法造纸。造纸的基本工艺过程如图1 1 所示： 原 化学药品 废水废水废水废水 j r l j 黑液中段 图1 1 碱法造纸的基本工艺过程 1 1 3 造纸废水的分类及其特征 废水 0 白水 纸 碱法造纸工艺，造纸厂的废水由排出的黑液、中段水、白水三部分废水组成， ( 1 ) 黑液 碱法制浆蒸煮时，从蒸煮球下洗料池排出的即为黑液。草类纤维在高温、强 碱的作用下，约有5 0 - - 6 0 的木质素和半纤维物质溶解于蒸煮液中，成为含有这 类有机污染物质的黑液。黑液呈褐色、碱性高、具有水量小而污染浓度高、色度 高的特点。p h 值为1 1 1 3 ，b o d ：3 4 5 0 0 4 2 5 0 0 m g l ，c o d ：1 0 6 0 0 0 1 5 7 0 0 0 m g l ， s s ：2 3 5 0 0 2 7 8 0 0 m g l ，b o d c o d - - 0 2 3 加- 3 。在常规条件下大部分有机物难以 生物降解。 ( 2 ) 中段水 蒸煮后含有部分黑液的粗浆，进一步洗筛、漂白、打浆，此过程产生的废水 以及全厂排放出的生产废水即为中段废水，也称打浆废水。其成分与黑液相同， 只是浓度稍低，废水量大，p h 值介于8 9 ，s s 和b o d 值高，c o d 值通常为 1 0 0 0 1 5 0 0 m g l ，b o d 与c o d 的比值约为0 2 5 0 ，可生化性较差。此外，中段废 2 华中科技大学硕士学位论文 水呈深黄色，色度也较大。 ( 3 ) 白水 造纸机下面湿部排放的废水又名抄纸废水，因呈灰白色，而被称作造纸白水。 每生产1 吨纸排出3 0 0 , - - 4 0 0 吨白水，占造纸废水总量的8 0 。自水中主要含有纸 料和大量细小纤维、填料( 高岭土等) 、溶解性胶体物质( 松香等) 与为量甚少的 有机物，白水的b o d 5 2 0 - - 5 0 m g l ，s s 4 0 0 - 1 2 0 0 m g l ，p h 值介于7 6 - - 8 0 。 1 1 4 造纸黑液的处理方法 由于受投资及原材料限制，我国存在大量的碱法麦草制浆造纸企业，其生产规 模较小，年造纸能力一般在l o k t 以下。据不完全统计，目前我国生产的纸张中有8 0 是由这种小型纸厂生产的。众所周知，制浆造纸是一个以高浓度有机废水为主的 重污染行业，且其中主要污染因子为c o d 。以麦草碱法制浆造纸为例，每生产i t 纸 将产生1 5 t c o d ，而造纸企业所产生的c o d 大部分来自蒸煮黑液。因此，对蒸煮 黑液进行有效治理是造纸企业治污及水环境保护的关键( 4 ，5 】。 由于环境污染加剧，环境保护作为我国的一项基本国策受到高度重视，在水 资源保护方面也加大了执法力度。继1 9 9 5 年关停年造纸能力5 k t 以下纸厂之后， 2 0 0 0 年底以前关停年造纸能力1 0 k t 以下的纸厂。按照目前常规方案及产业政策 要求，1 0 k - t a 以下纸厂如欲继续生存，必须扩建至3 4 k t a 的造纸能力，并配套建 设1 0 0t 碱回收设施。因其投资巨大，大多数企业无力承受【6 】。黑液碱回收技术 是通过蒸发燃烧黑液而结晶回收其中的碳酸钠，经苛化后的碳酸钠作为造纸原料 再利用，其工艺较复杂、能耗较大、回收产品价值也较低。最重要的是在碱回收 过程中将大量的有机物质焚烧，造成了资源浪费。目前已建的碱回收设施的运行 情况表明，碱回收设施基本上仅能保本运行【7 1 。 上述表明，碱回收处理黑液是小造纸厂生存的障碍，于是，国外致力于研究 开发非碱回收和改良碱回收技术，如溶剂萃取和直接碱回收法等，但尚在研究或 工业试验阶段【9 】。国内轻工系统力图突破简易碱回收，但“八五”国家攻关所列 碱回收专题未能达到预期目标。近几年来提出的一些“物理化学”法或絮凝沉淀 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 一一 法、碱析木素法，有的已建了多项工程，但均未能成功运行；获得国家环保局“八 五”攻关优秀成果的造纸黑液资源化全回收技术，虽实现了工业运行成功，但由 于新产品市场开发难度大，也尚难推广 1 0 , 1 1 】。 碱回收技术投资大，能耗高、工艺复杂、运行费用昂贵。经验证明，此法不 宜用于中小型纸厂。中小型纸厂大多为草浆厂，所产生的黑液热值低、硅含量高 1 2 1 ，造成碱回收系统运行困难，多年来水处理专家积极探索其黑液处理。 碱析法主要是利用碱性条件下碱析剂中高价金属阳离子与钠木质素进行反应 后通过分离加以去除。由于碱析剂价格低廉，而且黑液经碱析后碱性增强有利于 碱回收，因而该工艺很有应用前景。但钠木质素碱析后黑液的粘度非常大，不能 自然沉降，影响的该工艺的进一步推广【5 4 】。 酸析法一是应用商品酸，二是采用烟道气。前者成本高，后者价格低廉，分 离木质素后的n a 2 c 0 3 经过苛化后，可回用于制浆工段。如果烟道气中s 0 2 浓度 高时，木质素提取率可达8 5 以上，c o d 去除率在7 5 左右，经济效益会较好。 但是烟道气在通常情况下是不容易获得的。 目前我国内5 0 0 0 1 0 0 0 0 t a 造纸废水的治理工程大多采用占地面积小，处理 效果稳定的酸析木质素、混凝沉淀等物化方法。酸析处理后的c o d 值为 2 0 0 0 3 0 0 0 m g l ，b o d c o d - - - - 0 5 左右，可生化性较好，适于后续的生物处理。 由于环保和产能的双重要求，厌氧工艺在制浆黑液处理方面的发展迅速。目 前国内外已有六种厌氧反应器及其组合形式，在多种制浆黑液处理的生产型和中 间试验中获得成功。这六种反应器是：厌氧反应池、厌氧接触反应器、u a s b 反 应系统、a f 系统、a f b 系统和组合型二相厌氧系统【1 3 2 0 】。 上述六种类型的厌氧反应器已成功地应用于造纸制浆黑液的处理。其中用得 最多的是u a s b 反应系统。 发达国家近年来应用膜分离技术处理造纸废水，不但防止了污染，保护了环 境，而且大大的降低了能耗，减少了投资，同时还大量地回收了有用的资源和水。 采用膜技术处理制浆造纸工业废水，既可浓缩、回收废水中的有用物质。又可回 收黑液中的水，应用于造纸工艺，节约水资源，避免环境污染。 华中科技大学硕士学位论文 由于黑液中的某些物质，易对膜形成污染，若预处理不当，膜通量将迅速下 降，且缩短使用寿命。因此，膜技术在造纸废水处理的大规模工业应用中还很少 见。 1 2 白腐真菌在废水处理中的应用 1 2 1 研究的背景 造纸黑液常用的处理方法主要为碱回收法、碱析法、酸析木素法、s 0 2 酸化 全回收法、生物化学法、混凝沉淀法、膜技术。目前，只有大中型造纸厂用碱回 收法解决了纸浆黑液污染问题。由于碱回收投资大、能耗高、工艺复杂、运行费 用昂贵，对规模大、以木材为原料的碱法制浆厂黑液污染问题的解决效果良好， 经验证明此种方法不适于中小型纸厂；碱析后黑液的粘度非常大，难以分离；酸 析木素法运行费用昂贵，且存在木素产品销路的问题；生化法存在占地面积大、 负荷较低、基建投资费用高等问题；生物物化和s 0 2 酸化法工艺复杂：混凝沉 淀法一般以制浆造纸综合废水为处理对象，对高浓度制浆黑液不适用，经处理后 的废水c o d 含量难以达到排放要求；用膜技术处理纸浆造纸工业废水的大规模 工业应用目前还不多，因为这类排放液条件苛刻，易对膜形成污染，若预处理不 当，膜通量将迅速下降。总之，以上方法不利于治理工程的长期稳定运行。 纵观上述方法，各有利弊，但都不利于治理工程的长期稳定运行。如何面对 大多数中小型草浆厂，研制出一种工艺简单、投资省、处理周期短、适应性较广、 无二次污染、能源消耗少、运行费用低的适合我国国情的废水治理方法，将是一 项意义重大的课题。 1 2 2 研究热点白腐真菌 近年来，生物学界陆续发现许多微生物具有特殊的降解功能和不同的代谢类 型，围绕着降解功能应用于实际，作了大量的探索，逐步形成了一系列研究应用 热点，这是充分利用自然资源处理难降解有机物的有效途径。白腐真菌因为其极 强的降解能力和特殊的代谢类型成为近年来国内外研究的热点。 华中科技大学硕士学位论文 白腐真菌对木质素具有广谱的降解作用，而许多人工合成的染料、农药等与 木质素具有相似的结构，因此白腐真菌降解这类污染物的研究倍受人们关注，其 在生物制浆、生物漂白、造纸废水治理等方面的应用是目前研究的热点之一。 1 2 3 白腐真菌在造纸废水中的应用 我国造纸行业每年排放废液近2 4 亿吨，废液中c o d 占总排放量的4 1 8 。 造纸废液中因含有大量木质素( 包括木质素衍生物) 和有毒有机物而成为一种难 以生物降解的工业废水，而使常规的物理、化学及生物处理方法难以达到理想的 治理效果。近年来，白腐真菌以其对木质素的显著降解效果而逐渐为人所关注。 白腐菌是一类存在于自然界中具有强降解木质纤维素能力的大型真菌，因其分泌 的降解木质素的酶系具有非特异性的特点，对多环芳烃( p a h ) 、多氯联苯( p c b ) 等持久性有机污染物( p o p ) 同样具有很强的降解能力而成为环境生物治理中的 重要微生物菌群。 近几年来，人们发现白腐菌对纸浆漂白废水有着明显的脱色和消除毒性的作 用，其原因是白腐菌能进一步降解漂白废水的氯化木素分子，而氯化木素及其氧 化产物是漂白废水颜色和毒性的主要来源。可见，研究白腐菌这种自然资源用于 造纸废水的处理是有很大潜力可挖的，也能解决造纸废水处理难的实际问题。 这方面报道很多，j o y c e 等采用pc h r y s o s p o r i u m 为优势微生物的新型生物转 盘m y c o r 反应器处理纸厂漂白废水，优化条件下能去除2 0 0 0 色素单位( l d ) ， 同时去除c o d 和b o d ，并使氯化木素脱氯【2 l 】。b o s c o 等研究e c h r y s o s p o d u m 在 滴滤池中表面流速对胞外木质素氧化酶产生的影响，结果表明，氧、葡萄糖传质 和水力剪切对木质素氧化酶的产生和活性起到重要作用【捌。m a r w a h a 等人分别采 用黄麻绳、棉花和小麦作为e c h r y s o s p o r i u m 生长载体，在厌氧条件下消化造纸黑 液，以黄麻绳为载体时，脱色效果和c o d 去除率最佳，最优运行参数为温度4 0 c ，菌丝体负荷3 4 0 r a g ，p h 5 5 ，葡萄糖浓度1 ( w v ) ，停留时间7 2 h ，固定床连 续运行了2 1 d t ”j 。 综上所述，各国已经对白腐真菌技术在环境工程中的应用做了大量的研究， 6 华中科技大学硕士学位论文 取得了许多令人鼓舞的成果。但是，到目前为止，国外的研究报道较多，这些报 道也仅对少数进行研究，大规模应用的实例还不多。 1 3 白腐菌处理造纸黑液的基本原理 白腐真菌( w l l i t er o tf u n g i ) 胜物界中一类专性丝状真菌。它们对各种异生物 质的独特降解能力和降解机制，多年来一直受到世界各国科学界及工业界的高度 重视。它们及其相关技术在环境保护领域正显示强大的作用潜力，并在生物补救 方面具有广阔的应用前景。 1 3 1 前言 白腐真菌属于担子菌纲( b a s i d i o m y c e t e s ) ，腐生在树木或木材上，因引起木质 白色腐烂而得名。p h a n e r o c h a e t ec h r y s o s p o f i u mb u r d s a l l 是其典型种，中文名黄孢 原毛平革菌，普遍分布于北美，我国尚未发现。其菌丝体为多核，少有隔膜，无 锁状联合。多核的分生孢予常为异核，担孢子却是同核体。存在同宗配合和异宗 配合两类交配系统吲。 白腐真菌靠降解木质素一纤维素材料的能力穿入木质，侵入木质细胞腔内， 释放降解性酶，导致木质腐烂成为淡色的海绵状团块白腐。 1 3 2 白腐真菌对异生物质的降解能力 除了能降解木质素外，白腐真菌对异生物质有很强的分解能力，决定了其在 环境科学中的重要地位和作用。 异生物质( x e n o b i o t i c s ) ，即非生物系统的物质，指人工合成的、非自然界固有 的和生物体所必需的一类物质。其异生性意味着它们的结构不易被现存的生物降 解性酶所识别，导致在生物体及环境中的积累。 异生物质的微生物降解，被认为是一项通过生物补救( b i o r e m e d i a t i o n ) 过程， 从环境中清除污染物的有效方法。许多微生物具有代谢异生物质的能力，而白腐 真菌是其中的佼佼者。白腐真菌能降解非常广谱的有害物质。表l - 1 所列是 华中科技大学硕士学位论文 = = 毫= = 墨= = = 皇= 皇；= = 穹= = = = = = = 之皇= = ；= 罱= 鲁= 号搴= = 昌薯= = 葺= = = = ： p h a n e r o c h a e t e e h r y s o s p o r i u m 降解的有代表性的化学物p 3 1 。 耋! ：!皂堕塞堕些竺竺! 塾呈! 生! 塾蟹! 翌2 曼兰巴匪堡盟堡垫盈鲞塑 类别污染物 多环芳族化苯并芘茚并芘苯并嗍萤葸苯并哟萤蒽荧蒽菲葸芴 合物p a h s芘葸油噻嗯杂酚油煤焦油重油 氯化芳族化多氯联苯( p c b s ) 五氯苯酚( p c p ) 四氯苯酚2 ，4 ，5 - 三氯苯酚2 ， 合物4 氯苯酚( p c p ) 4 - 氯苯胺3 ，4 氯苯胺三氯二苯2 ，4 ，5 - 三氯 苯氧乙酸3 ，4 ，5 t 二恶英二氯二苯并二恶英 农药d d t 高丙体六六六毒杀芬氯丹氨基三唑 染料偶n 染料杂环染料聚合染料三苯甲烷染料等碱性亚甲基蓝 橙i i金莲橙o 刚果红天青蓝酸性品红直接蓝直接黄 溴酚蓝乙基紫结晶紫孔雀绿亮蓝甲酚蓝 军火三硝基甲苯( t n t ) 二硝基甲苯( d n t ) 环三亚甲基三硝基胺( r d t ) 环四亚甲基四硝胺( h m x ) 其他氟化物叠n 化合物四氯化碳二氧芑氯化木质素漂白工厂 排出液b p e 白腐真菌降解对象的这种无专一性或非特异性，是与其独特的降解机制直接 相关的。 1 3 3 自腐真菌对环境污染物的降解原理 白腐真菌对各种环境污染物的降解原理，既包含生物学机理，又有一般的化 学过程，是两者的有机结合。 科学家们经过十几年系统的探索，已从整体上对白腐真菌的降解机制作了阐 述。其主要规律及相关概念如下： ( 1 ) 降解启动条件：白腐真菌的降解活动只发生在次生代谢阶段，与降解过 程有关的酶只有当一些主要营养物，如氮、碳、硫限制时才形成。产生酶的这种 营养限制称为木质素降解条件( l i g n i o l y t i ec o n d i t i o n ) 。 ( 2 ) 降解的主要酶系统：白腐真菌在对营养限制作应答反应时形成一套酶系 统，产生h 2 0 2 的氧化酶，细胞内葡萄糖氧化酶和细胞外乙二醛氧化酶。它们在 华中科技大学硕士学位论文 分子氧参与下氧化相应底物而形成h 2 0 2 一激活过氧化物酶，启动酶的催化循环。 需h 2 0 2 的过氧化物酶：木质素过氧化物酶( l i g n i n p e r o x i d a s e ，l i p ) - - 催化非酚类 芳香族底物，锰过氧化物酶( m a n g a n e s e p e r o x i d a s e ，m n p ) 一催化酚类、胺类及染 料等依赖m n 的氧化。均在细胞内合成，分泌到细胞外，以h 2 0 2 为最初氧化底物。 漆酶、还原酶、甲基化酶、蛋白酶及其他酶。上述酶共同组成白腐真菌降解系统 主体。 ( 3 ) 降解是以自由基为基础的链反应过程，过氧化物酶是反应启动者，先形 成高度活性的自由基中间体，继而以链反应方式产生许多不同自由基，促使底物 氧化。这种自由基反应是高度非特异性和无立体选择性的，致使菌与降解对象并 非是酶与底物的一一对应关系，而是与一类乃至于多类底物的关系。 ( 4 ) 降解活动是细胞外进行的细胞学定位表明：降解发生在细胞外。这种细胞 外降解系统为巨大的，不可水解的、异质的、结构复杂乃至有毒的污染物提供了 一个更易被处置的调节环境。所以从总体上看白腐真菌的降解机制是：依赖于一 个主要由细胞产生分泌的酶系统组成的细胞外降解体系，需氧并靠自身形成的 h 2 0 2 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。 1 3 4 白腐真菌技术的优点 用于污染物降解的白腐真菌技术，有着其它微生物补救系统，特别是细菌所 不具备的优点。 ( 1 ) 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才能诱导合成所需的降解酶。这导 致细菌：一不能降解低浓度的有机污染物，二只能将污染物降至有限水平。白腐 真菌的降解酶的诱导与降解底物的多少无关，它是靠营养限制( 主要是n ) 来启动 降解过程的。这样白腐真菌即能降解环境中某些低浓度污染物，又能将其降到几 乎测不出的水平口5 1 。 ( 2 ) 动力学优势 细菌对化学物的降解多为酶促转化，因此，降解遵循的是米氏动力学，所以 9 华中科技大学硕士学位论文 用细菌进行生物补救时必须考虑各种降解酶对污染物的k 。值( 米氏常数) 。而细菌 对所降解的异生物质从本质上是排斥的，低亲和的( 高k 。值) ，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，化 学物降解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，这就有利于氧化产物的形成，意味着白腐真菌能将污染物降至 近于零的水平。 ( 3 ) 对其他微生物的拮抗 白腐真菌对营养物的要求不高，利用像木屑、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。而其他微生物是不可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繁殖生长。白腐真菌产生像o h 这样 的氧自由基，氧化其他微生物的蛋白质、d n a ，致使它们死亡。真菌还能利用质 膜上的氧化还原系统，调节所处环境达低p h 值，所以一旦在微生物区系中导入 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 保持着一种竞争上的优势。 ( 4 ) 细胞外降解特征 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 效氧化性物种( 如v a ”和o h ) ，而不构成对细胞的毒害。另外，有毒污染物也 不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，_ 般代谢酶存在于细胞内，细菌必须首先吸 入氰化物，这又严重抑制细菌生长。实验数据表明：仅4 p p m 浓度的氰化物就是 以抑制市政污水处理系统内微生物生长，但白腐真菌的细胞外系统使其能忍受并 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、芳氯物这样的混合物也能一直被降解至c 0 2 【3 6 】。 而同样降解这类混合物需要多种细菌合作，如美国科学家发现在哈得孙河的 淤泥中，厌氧细菌有效地将多氯联苯脱卤为一氯联苯，然后好氧细菌再将其降为 i o 华中科技大学硕士学位论文 c 0 2 。因为多数污染物在环境中实际上是以多种污染物混合共存的方式存在的， 白腐真菌的这种非专一性降解特点，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，这样固液两种系统中均可采用白腐真 菌技术。而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。 上述可见，白腐真菌的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，在环境治理方面具有广泛的前途。 1 4 研究项目的来源及创新性 本课题来源于我校生命科学与技术学院张晓昱副教授与环境科学与技术学院 章北平教授合作申请的湖北省“十五”科技攻关项目“造纸黑液高效生物处理资 源化及工艺设备开发”，编号2 0 0 1 a a 3 1 2 8 0 4 。 目前国内从事自腐菌应用研究的仅有华南理工大学等几家单位，这几家主要 从事的是白腐菌对染料废水的脱色、造纸中段废水及漂白废水的处理【2 4 剐】，而对 于直接应用白腐菌处理造纸黑液的研究，目前在国内还未见报道，在国外也只有 少数的几位专家在做相关的研究。 因此本研究将白腐菌处理造纸黑液与厌氧、好氧生物处理工艺结合，实现对 造纸黑液的生物处理及资源化利用，具有独创性。 1 5 碱法造纸黑液的来源 本课题实验的造纸黑液取自武汉晨鸣造纸厂碱法造纸的黑液，该黑液水质特 征：p h 值为1 1 1 3 ，b o d 3 4 5 0 0 4 2 5 0 0 m g l ，c o d ：1 0 6 0 0 0 1 5 7 0 0 0 m g l ， s s ：2 3 5 0 0 2 7 8 0 0 m g l ，b o d c o d = 0 2 3 o _ 3 。 华中科技大学硕士学位论文 ；= ；= = = = = = = = = = = = ；= = = = = = = = = = = = = = = = 一： 2 1 实验材料 2 实验研究的材料与方法 黑液：取自武汉晨鸣造纸厂。 白腐菌( 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 ) 菌株：华中科技大学生命科学与技术环 境、资源与微生物实验室筛选，云芝属，编号为s ( c o n o l u sv e r s i c o l o r ) 。 白腐菌培养基：土豆培养基、土豆黑液培养基、黑液培养基。 2 2 实验装置( 包括仪器和设备) 实验装置包括c o d 测定仪、普通摇床、恒温摇床、空气压缩机，p h 精密酸 碱度计、电动搅拌器、电子天平、分光光度计、无菌操作台、高压灭菌锅、白腐 菌反应器、电炉、水银温度计、移液管、容量瓶、锥形瓶、滴定管、干燥箱、高 温炉、烧杯、量筒、表面皿、漏斗、吸管、水浴锅、玻璃滤器、广口瓶等。 2 3 分析方法 2 3 1 c o d 测定 ( 1 ) 所需溶液的配制 1 ) 标准c o d 溶液的配制 取1 0 5 一l i o 。c 烘干两小时的邻苯二甲酸氢钾( a r ) 4 2 5 2 9 溶于蒸馏水中， 稀释至1 0 0 0 m l ，其标准c o d 值为5 0 0 0 m g l 。 2 ) k 2 c n 0 7 标准溶液的配制 q o 0 2 5 0 n 的k z c r z 0 7 测试c o d 含量为o - - 5 0 m g d l 的样品。 0 2 5 0 0 n 的k z c r z 0 7 测试c o d 含量为5 0 - - 5 0 0 m g l 的样品。 o 4 0 0 0 n 的k 2 c r z 0 7 测试c o d 含量为5 0 0 - - 2 0 0 0m g l 的样品。 3 1h 2 s 0 4 a 9 2 s 0 4 溶液的配制 于4 5 0 m l 浓硫酸中溶解4 5 9a 9 2 s 0 4 的固体。 华中科技大学项士学位论文 4 ) c o d 消化液的配置 将配好的h 2 s 0 4 - a 啦s 0 4 溶液缓慢的倒入溶解了3 6 7 5 9 k 2 c r 2 0 7 固体的4 0 0 m l 水中，混匀，静置过夜。 5 ) 氯掩蔽剂 称取2 0 9 h g s 0 4 ( a r ) 溶于1 0 0 m li ：1 0 的稀硫酸中 ( 2 ) 标准曲线的绘制 为了作图的方便，分别选取c o d 为1 5 0 0 ，2 0 0 0 ，2 5 0 0 ，3 0 0 0 ，