（环境工程专业论文）光合细菌法和类fenton法处理染料废水的研究.pdf

光含细菌法和类f e n t o n 法处理染料废水的研究 摘要 随着染料工业的迅速发展，染料的品种和数量也随之不断增加，染料废水对水环 境的污染问题也日益严重。对染料废水的脱色及降解的研究已成为世界性的难点和热 点，也是当今环保科研的重要课题。染料废水具有有机物成分复杂且浓度高、色度高、 废水量大、毒性大及处理难度大等特点，它们很难直接被好氧生物降解，而且在厌氧条 件下，它们可能被还原为具有致癌作用的芳烃胺类。传统的吸附、絮凝，以及生物氧化 技术通常不能达到净化的目的。 本文以甲基橙废水作为研究对象，分别采用紫色非硫光合细菌法和 f e ( i i ) e d t a h 2 0 2 电催化法对其降解特性进行了研究，并对降解效果进行分析。主要研 究内容如下： ( 1 ) 以某污水处理厂的活性污泥为原料，将光合细菌筛选出来，分离纯化得到光合 细菌纯种后以其为基础进行扩大化培养，再对光合细菌进行驯化培养，并研究了温度、 溶解氧、光照、p h 、不同碳源等因素对光合细菌生长繁殖的影响，培养出一种对染料废 水有特定降解效果的混合菌种。研究表明光合细菌( 初步鉴定为紫色非硫光合细菌) 的 生长稳定期在培养后的第二天和第三天，且能在6 9 的p h 范围内生长，其最适生长p h 值为6 8 ，其能利用多种碳源生长，但是不能利用碳酸氢钠作为生长碳源，而添加葡萄 糖有利于其生长。 ( 2 ) 对传统的f e n t o n 法进行改进，用类f e n t o n 试剂f e ( i i ) e d 咖2 0 2 结合电催化 方法对经上述光合细菌法处理后的废水进行处理，去除废水的c o d 和色度，从而提高 废水处理降解的效果。并探讨f e ( i i ) e d t a h 2 0 2 结合电催化体系处理染料废水的氧化特 性，为研究类f e n t o n 试剂在中性或碱性条件下催化降解其它染料和指示剂体系奠定理论 基础o 结果表明：f e ( i i ) e d t a h 2 0 2 催化降解甲基橙模拟废水的适宜p h 值为6 5 ，在 e d t a f e 2 + = 2 ：l ( 摩尔比，f e 2 + = 4 0 0 m m o l l ) ，h 2 0 2 = 4 8 0 m m o l l ，电解初始浓度为2 6 0 m g t l 甲基橙溶液9 0 m i n ，甲基橙的脱色率可达7 8 o ，c o d c r 可降至8 0 0 m g l 。结果还表明 f e ( i i ) e d t a h 2 0 2 电催化降解甲基橙废水破坏了甲基橙分子结构中的特征官能团，试验 中e d t a 既是催化剂也是反应物，有效地避免了e d t a 带来二次环境污染的可能性，扩 展了类f e n t o n 试剂的应用范围，具有广泛的应用前景。 关键词：染料废水；光合细菌；类f e n t o n 法；电催化 硕l 二学位论文 a b s 仃a c t w i t hr a p i dd e v e l o p m e n to fd y e s t u f fi n d u s t r y , t h ev a r i e t ya n dq u a n t i t yo fd y e sa r e c o n t i n u o u s l yi n c r e a s i n g ，w h i c hl e a d st oi n c r e a s i n g l ys e v e r i t yo nt h ep o l l u t i o np r o b l e mo f a q u a t i c e n v i r o n m e n t i tb e c o m e saw o r l d w i d ed i f f i c u l t ya n dh o t s p o tt or e s e a r c ht h e d e c o l o r a t i o na n dd e g r a d a t i o no fd y ew a s t e w a t e r , w h i c hi sa l s oa ni m p o r t a n ts u b j e c ti n e n v i r o n m e n tp r o t e c t i o nr e s e a r c h t h ed y ew a s t e w a t e r , w h i c hf e a t u r i n gc o m p l i c a t e do r g a n i cm a t t e r s ，h i g hc o n c e n t r a t i o n ， h i g hc h r o m a v a s tq u a n t i t y , h e a v yt o x i c i t ya n dl a r g ed i s p o s a lh a r d n e s s ，i s d i f f i c u l tt ob e d e g r a d e db ya e r o b ea n dm a yb ed e o x i d i z e di n t oc a r c i n o g e n i ca r o m a t i ch y d r o c a r b o na m i n e sa t a n a e r o b i cc o n d i t i o n s c o n v e n t i o n a lm e t h o d s ，s u c ha sa d s o r p t i o n ，f l o c c u l a t i o na n db i o l o g i c a l o x i d a t i o nt e c h n o l o g y , g e n e r a l l yc a nn o ta c h i e v et h eg o a lo fp u r i f i c a t i o n i nt h i sr e s e a r c h ，t h em e t h o do fp u r p l en o n s u l f u rp h o t o s y n t h e t i cb a c t e r i aa n dt h a to ff e ( i i ) e d t a h 2 0 2e l e c t r o c a t a l y s i s a r et a k e n r e s p e c t i v e l y t o i n v e s t i g a t e t h e d e g r a d a t i o n c h a r a c t e r i s t i co fm e t h y lo r a n g ew h i c hi st a k e na st h er e s e a r c ho b j e c t t h em a i ni n v e s t i g a t i o n c o n t e n ti sa sf o l l o w s ： ( 1 ) t a k ea c t i v es l u d g ef r o ms o m es e w a g et r e a t m e n tp l a n ta st h em a t e r i a l ，s c r e e no u tt h e p h o t o s y n t h e t i cb a c t e r i aa n dg e tt h ep u r ec u l t u r eb yp u r i f i c a t i o n ，t h e n t a k ew h i c ha st h e f o u n d a t i o nf o re x p a n d e dc u l t i v a t i o n w i t hd o m e s t i c a t i o nc u l t i v a t i o n ，f a c t o r st h a ta f f e c tg r o w t h a n dp r o p a g a t i o no ft h e p h o t o s y n t h e t i cb a c t e r i as u c ha st e m p e r a t u r e ，d i s s o l v e do x y g e n ，p h o t o i l l u m i n a t i o n 。p ha n dd i f f e r e n tc a r b o ns o u r c e sw e r es t u d i e d ，a n das o r to fa s s o c i a t es t r a i nt h a t h a ss p e c i f i c a l l yd e g r a d a t i o ne f f e c to nd y ew a s t e w a t e rh a sb e e nb r o u g h tu p t h es t u d y i n d i c a t e st h a tt h es t a t i o n a r yg r o w t hs t a g eo fp u r p l en o n - s u l f u rp h o t o s y n t h e t i cb a c t e r i ai so n t h en e x ta n dt h i r dd a y f u r t h e r m o r e ，t h e s eb a c t e r i ac a nl i v ei nt h ep hr a n g eo f6t o9 ，a n d6 8 t h eb e s t t h e yc a nu t i l i z ev a r i o u sk i n d so fc a r b o ns o u r c e sb u ts o d i u mb i c a r b o n a t e ，w h i l e g l u c o s ei sb e n e f i tf o rt h e i rg r o w t h ( 2 1c o n v e n t i o n a lf e n t o nm e t h o dw a si m p r o v e d t h ew a s t e w a t e rd e a l tw i t ht h ea b o v e m e t h o do fp h o t o s y n t h e t i cb a c t e r i aw a sd i s p o s e db yf e n t o n l i k er e a g e n tc o m b i n e dw i t h e l e c t r o c a t a l y s i sm e a n s ，a n dt h ec o d a n dc h r o m ao fw h i c ha r ew i p e do f fs ot h a tt h ee f f e c to n w a s t e w a t e rd e g r a d a t i o nw a sa d v a n c e d b e s i d e st h a t ，t h eo x i d a t i o nc h a r a c t e r i s t i co ff e ( i i ) e d t a h 2 0 2c o m b i n e dw i t he l e c t r o c a t a l y s i ss y s t e mf o rd i s p o s i n gd y ew a s t e w a t e r w a s a p p r o a c h e d ，w h i c he s t a b l i s h e dt h et h e o r e t i c a lb a s i sf o rr e s e a r c h i n gt h ee f f e c to ff e n t o n l i k e r e a g e n to nc a t a l y z i n ga n dd e g r a d i n go t h e rd y ea n di n d i c a t o rs y s t e mi nn e u t r a lo ra l k a l i n e c o n d i t i o n s t h er e s u l ti n d i c a t e st h a tt h ea p p r o p r i a t ep hv a l u ef o rc a t a l y z i n ga n dd e g r a d i n g i l i 光合细菌法和类f e n t o n 法处理染料废水的研究 m e t h y lo r a n g es i m u l a t e dw a s t e w a t e rb yf e ( i i ) e d t a h 2 0 2i s 6 5 i nt h ec o n d i t i o nw i t h e d t a f e 2 + o f2 ：1 ( m o l a rr a t i o ，w i t hf e 2 + o f4 0 0 m m o l l ) ，h 2 0 2o f4 8 0 m m o l la n di n i t i a l c o n c e n t r a t i o no f2 6 0 m g l ，a f t e r9 0m i n u t e se l e c t r o l y s i sf o rt h em e t h y lo r a n g es o l u t i o n ，t h e d e c o l o r a t i o nr a t eo fm e t h y lo r a n g ec a nr e a c h7 8 0 a n dt h ec o d c r t o8 0 0 m g l w h a t sm o r e ， t h er e s u l ti n d i c a t e st h a tt h ec h a r a c t e r i s t i cf u n c t i o n a lg r o u p si nm e t h y lo r a n g e sm o l e c u l a r c o n s t i t u t i o na r eb r o k e ni nt h ep r o c e s so fe l e c t r o c a t a l y s i sa n dd e g r a d a t i o nf o rm e t h y lo r a n g e w a s t e w a t e rb yf e ( i i ) e d t a h 2 0 2 e d t ai nt h ee x p e r i m e n t a t i o ni st h ec a t a l y z e ra sw e l la st h e r e a c t a n t ，w h i c he f f e c t i v e l ya v o i d st h ep o s s i b i l i t yo fs e c o n d a r ye n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o nb y e d t aa n ds p r e a d st h ef i e l do fa p p l i c a t i o no ff e n t o n - l i k er e a g e n t e d t aa p p r o a c h e st o c o m p r e h e n s i v ep o t e n t i a la p p l i c a t i o nc o n s e q u e n t l y k e yw o r d s ：d y ew a s t e w a t e r ；p h o t o s y n t h e t i cb a c t e r i a ；f e n t o n l i k em e t h o d ；e l e c t r o 。c a t a l y s i s i v 光合细菌法和类f e n t o n 法处理染料废水的研究 插图索引 图1 1p s b 处理有机废水的工艺流程一8 图3 1 甲基橙生长过程中吸光度的变化2 5 图3 2 光学显微镜下观察光合细菌形态2 6 图3 3 在电子显微镜下观察细菌形态2 7 图3 4 不同温度下光合细菌的生长情况2 8 图3 5 不同溶解氧溶度下光合细菌的生长情况2 9 图3 6 不同p h 下光合细菌的生长情况2 9 图3 7 不同光照强度下光合细菌的生长情况3 0 图3 8 光合细菌对甲基橙废水的c o d 的降解3 2 图4 1 甲基橙分子结构3 4 图4 2e d t a 投加对甲基橙模拟废水降解的影响3 6 图4 3e d t a f e 2 + 投加量对甲基橙模拟废水降解的影响3 6 图4 4 电解与非电解状态下甲基橙模拟废水的降解3 7 图4 5 过氧化氢投加量对甲基橙废水降解的影响3 7 图4 6 电解质浓度对甲基橙模拟废水降解的影响3 8 图4 7p h 值的变化对甲鸯橙废水降解的影响3 9 图4 8 甲基橙脱色降解前后的紫外可见吸收谱图4 0 图4 9e d t a 催化电f e t o n 试剂降解甲基橙模拟废水4 0 图4 1 0f e e d t a 在氧化过程中的紫外吸收谱图4 l 图4 1 l 不同方法处理染料废水的不同降解效果4 1 v i i i 硕 ：学位论文 附表索引 表2 1 试验所用主要药剂列表2 0 表2 2 试验所用主要仪器与设备2 0 表3 1 光合细菌生长过程中不同碳源的影响3 l 表3 2 染料的添加对光合细菌生长的影响3 2 i x 硕十学位论文 1 1 研究背景 1 1 1 染料废水概述 第1 章绪论 随着工业的迅猛发展，水环境污染问题也日趋严重。当前，水资源污染是世界各 国普遍面临的急需解决的问题之一。染料工业是我国纺织、轻工、化工等领域的重要组 成部分。目前，我国染料的年产量和贸易量都居世界第一位，其中7 0 - 8 0 是偶氮染料。 随着染料工业的迅速发展，染料的品种和数量也随之不断增加。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。众所周知，染料及染料行业所产生的大量未处理或 处理未达标外排废水至今仍是造成我国江河湖海水体污染严重的主要祸首【l 弓j 。据统计， 每吨染料平均用水在3 0 0 3 5 0 1 1 屯，实际全行业废水年排量高达5 8 亿吨左右，而治理率不 到3 0 ，治理合格率仅5 7 6 ，且运行成本较国外高。 染料废水主要来源于染料及染料中间体生产行业，由各种产品和中间体结晶的母 液、生产过程中流失的物料及冲刷地面的污水等组成。我国染料工业具有小批量、多品 种的特点，且大部分是间歇操作，废水间断性排放，水质水量变化范围大，染料生产流 程长，产品收率低，废水组分复杂、色度深【2 】。废水中的有机组分大多以芳烃及杂环化 合物为母体，并带有显色基团( 如n = n ，n = o ) 及极性基团( 如o h 、n h 2 ) 。废水中还含 有较多的原料和副产品，如卤化物、硝基物、苯胺、酚类等，以及无机盐如n a c l ，n a 2 s 0 4 ， n a 2 s 等。由于染料生产品种多，并朝着抗光解、抗氧化、抗生物氧化方向发展，从而使 染料废水处理难度加大o 1 1 2 染料废水的分类 染料工业废水主要可分为： ( 1 ) 含盐有机物有色废水。其中无机盐浓度在1 5 - - - 2 5 ，主要是氯化钠，少量硫酸 钠、氯化钾及其他金属盐类； ( 2 ) 氯化或溴化废水； f 3 ) 含有微酸微碱的有机废水； ( 4 ) 含有铜、铅、锰、汞等金属离子的有色废水； ( 5 ) 含硫的有机物废水。 光合细菌泫和类f e n t o n 泫处理染料废水的研究 1 1 3 染料废水的特点 ( 1 ) 有机物成分复杂且浓度耐4 巧】 由于染料生产流程长，从原料到成品往往伴随有硝化、还原、氯化、偶合等单元 操作过程，副反应多，产品收率低。且染料生产过程损失率约2 ，染色过程损失率约 1 0 ，所以废水中有机物和含盐量都比较高，成分非常复杂。同时废水中含有较多的原 料和副产品，如染料浆料、助剂、油剂、酸碱，纤维杂质及无机盐。高浓度染料有机废 水中，c o d 值高达数十万。 ( 2 ) 废水量大，色度高，毒性大【6 】 染料工业以水为溶剂，分离、精制、水洗、抽滤等工序排出大量的废水。染料废 水中的有毒物质可以分为无机物和有机物。无机有毒物质主要是铜、铬、锌、锅、汞等 重金属，此外，还包括砷、硒、嗅、碘等非金属。有机有毒物主要是酚类化合物、取代 苯类化合物等。由于染料中间体生产基本原材料是苯类有机物，芳香族化合物苯环上的 氢被卤素、硝基、胺基取代以后生成的芳族卤化物、芳族硝基化合物、芳族胺类化合物、 联苯等多苯环的取代化合物，毒性都较大。染料废水中的主要污染物有：悬浮物：纤维 屑粒、浆料，整理加工药剂等；b o d ；有机物：如染料、浆料、表面活性剂醋酚，加工 药剂等；c o d ；染料、还原漂白剂、醛、还原净水剂，淀粉整理剂等；重金属毒物：铜、 铅、锌、铬、汞离子等。 ( 3 ) 排放的间歇、多变性 我国染料工业具有小批量、多品种的特点，每年要生产十几种甚至几十种产品， 而且产品制造大部分是间歇操作，所以废水间断性排放，水质水量随时问变化较大，变 化范围也很大。这就给废水处理工程设计、运行管理增加许多困难。 ( 4 ) 处理难度大 由于染料生产品种多，并朝着抗光解、抗氧化、抗生物氧化方向发展。其中芳香 环染料等还原性染料废水，由于色度大、浓度高及可生化性差，处理难度更大。据许多 文献报道，对染料废水一般采用中和、混凝、活性炭吸附等方法处理，但处理成本高， 效果差，难以达到国家规定的排放标准。 因此，染料废水是一类成分复杂、高浓度、高c o d 值、高色度、难降解的废水， 很难用单一的模式、一劳永逸地解决问题。 1 1 4 染料废水的处理现状及发展 染料废水净化处理，最突出的问题是脱色与难降解有机物的去除。目前处理技术 遵循两条基本思路：( 1 ) 将发色物质与其他难降解的有机物富集后进行分离；( 2 ) 直接破 坏发色物质与其他难降解的有机物，使其最终矿物化。对于染料废水的处理方法，主要 有物理法、物化处理法、化学处理法和生物法。 ( 1 ) 物理法 2 硕 ：学位论文 在物理处理法中应用最多的是吸附法，吸附法主要有活性炭吸附、生物活性炭吸 附、粉煤灰吸附和硅藻土吸附等。活性炭比表面积大，有很强的吸附脱色性能，目前， 国外主要采用活性炭吸附法。 ( 2 ) 物化处理法 有机染料是一大类化学性质稳定、难以降解的化学品，一般的物化处理法，即常 规物理、化学方法，常常达不到对染料废水进行有效脱色的目的。至今所报道的较为有 效的物化处理法【7 捌，主要有辐射法、吸附一萃取法、磁分离法、沉降法等。 ( 3 1 化学处理法 化学处理法是利用化学反应的原理及方法来分离回收废水中的污染物，或是改变 它们的性质，使其无害化的一种处理方法。在染料废水处理中常用的有混凝法、氧化法、 电化学法等【1 0 - 1 3 。 ( 4 ) 生物法 生物处理法有好氧法、厌氧法、微生物固定法等1 4 。9 】。好氧法处理效率高、速度 快、比较经济，是废水处理的主要方法；厌氧法因代谢速度慢、停留时间长、容器体积 大、等不利因素，般用于有机污泥或浓度特高的废水处理。实践表明，影响因素多、 处理成本高的传统的生物法【2 0 之2 1 并不能对纺织、染料废水中的有机染料起到有效的降解 作用。因此必须选择一种合适的技术来有效地处理染料废水。 1 2 光合细菌在有机废水处理中的应用 光合细菌( p h o t o s y n t h e t i cb a c t e r i a ，简称p s b ) 是一大类可进行不放氧光合作用的细 菌，它能利用光能进行光合作用而生长发育，并且在自然界分布极广，几乎在所有有光 能可利用的地方均可发现。光合细菌属自养微生物，可分类为红螺菌科、着色菌科、绿 菌科，在无氧条件下利用简单有机物进行光合作用，在黑暗厌氧条件下进行发酵作用， 在黑暗中微量好氧和好氧的条件下进行氧化代谢【2 m 9 】。 由于光合细菌的生物特性在有机污水处理方面具有巨大潜力，而且细菌细胞富含 蛋白质和b 族维生素，不存在污泥处置的难题。自2 0 世纪6 0 年代以来，日本、韩国相继 建成了一批日处理几十、几百甚至上千吨高浓度有机污水大中型实用系统，澳大利亚、 美国等也进行了这方面的研究，我国在运用p s b 处理有机污水方面也取得了一定成绩。 1 2 1 光合细菌的生理特性及其功能 1 2 1 1 光合细菌的生理特性 光合细菌是革兰氏阴性菌，菌体有球形、椭圆型、半坏型，也有杆状和螺旋状。 有些菌种的细胞形态还会随培养条件和生长阶段的不同而发生变化。光合细菌在l o 4 5 范围内均可生长繁殖，最佳温度在3 0 4 0 。适合绝大多数光合细菌生长的最佳 p h 值范围在6 5 8 5 之间。钠、钾、钙、钴、镁和铁等是光合细菌生理代谢中的必需元 3 光含细菌法和类f e n t o n 、法处理染料废水的研究 素。不产氧光合细菌是代谢类型复杂、生理功能最为广泛的微生物类群。各种光合细菌 获取能量和利用有机质的能力不同，它们的代谢途径随环境变化可以发生改变。光合细 菌从营养类型看包括光能自养型、光能异养型及兼性营养类型；从呼吸类型看包括好氧、 厌氧和兼性厌氧型。 1 2 1 2 光合细菌的生物学功能 ( 1 ) 净化水体功能 池塘中施用光合细菌后，由于光合细菌进行独特的光合作用直接消耗了水中的有 机物、氨氮及硫化物，并通过反硝化作用除去了水中的亚硝酸铵等，因而能使池塘内的 残饵及鱼虾贝等生物排泄物完全分解并被光合细菌加以吸收利用。从而大大降低了水中 有机物质的含量，使水中溶解氧得以提高而化学耗氧量、氨氮、硫化物则降低【3 蚴】。 ( 2 ) 营养功能 有研究表明，光合细菌的菌体无毒，营养丰富，蛋白质含量高达6 4 5 - - 6 6 0 ， 而且氨基酸组成齐全，含8 种有机体必需的氨基酸，各种氨基酸的比例也比较合理 3 0 - 3 2 】。 p s b 菌体还含有丰富的b 族维生素及较高浓度且种类繁多的类胡萝素。迄今已从光合细 菌中分离出8 0 种以上的类胡萝卜素，并不断有新的报道。除此之外，细菌内还含有碳素 储存物质糖原和聚b 一羟基丁酸、辅酶q 、抗病毒物质和生长促进因子，具有很高的饲料 价值，在养殖业上有广阔的应用前景。 ( 3 ) 生物转化功能 光合细菌在厌氧光照条件下，能利用低级脂肪酸、多种二羧酸、醇类、糖类、芳 香族合物等低分子有机物作为光合作用的电子受体，进行光能异养生长。在黑暗条件下 能利用有机物作为呼吸基质进行好氧或异养生长。光合细菌不仅能在厌氧光照下利用光 能转化c 0 2 ，而且还能在某些条件下进行固氮作用和在固氮酶作用下产氢。另外，有些 菌种在黑暗厌氧条件下经丙酮酸代谢系统作用也可产氢。光合细菌还能利用许多有机物 质如有机酸、醇、糖类转化某些有毒物质如h ：s 和某些芳香族化合物等。光合细菌通过 生物转化，可合成无毒、无副作用且富含各类营养物质的菌体蛋白，不仅改善了生态环 境，还为养殖业提供了高质量的饲料原料。 ( 4 ) 抗氧化功能 光合细菌细胞内存在以细胞膜内折形成的囊状载色体，其中包含细胞色素和色素。 色素主要有细菌叶绿素和多种类胡萝b 素。类胡萝卜素具有广泛用途，在水产畜牧业中 除能用作水产品、畜产品增色剂外，它还可与蛋白质结合，在机体免疫和健康方面表现 出明显的作用。最近研究发现，d 胡萝卜素和番茄红素是天然抗氧化性营养素。番茄红 素抗氧化性是维生素e 的1 0 0 倍，是p 胡萝卜素的两倍。光合细菌抗氧化活性不仅是菌体 内的抗氧化活性剂( 如类胡萝b 素、嘌啉类化合物等) 对脂质过氧化有直接抑制作用，而 且具有促进抗氧化酶活性的功能。两者协同作用下，增强其抗氧化活性。 ( 5 ) 预防疾病、提高成活率、促进生长功能 4 硕1 j 学位论文 光合细菌菌体中对动物生长有促进作用的维生素b 1 2 、生物素、类胡萝卜素、叶绿 素以及与造血、血红蛋白形成有关的叶酸的含量远高于一般微生物，还含有人工不能合 成的生物素。这些物质在动物机体内都具有显著生理活性，如维生素b 1 2 与叶酸能促进 胆碱与核酸的合成；光合细菌中的一些未知物质能提高动物机体的抗病力。另外，p s b 中还含有极为丰富的辅酶q ，其干品中辅酶q 含量1 7 7 4 - 一3 3 9 9 1 x g g ，它是与光合系统及呼 吸系统两种电子传递都有关的一种物质，近年国外报道辅酶q 具有多种生理功能，包括 明显提高人和动物的免疫能力。在饲养试验中也证明，光合细菌作为饲料添加剂达到了 预防疾病、提高成活率、促进生长的目的。 1 2 2 光合细菌的应用 由于光合细菌能利用太阳能合成光合产物，吸收二氧化碳，固定分子氮；能分解利 用许多有机物如：有机酸、醇糖类及某些芳香族化合物；能分解转化某些有毒物质，如硫 化氢、非离子态的氨氮、亚硝态氮等，使之成为动植物可利用的无机盐类，所以决定了 它是当今世界上最具发展前景的净化环境的生物种群。 光合细菌在环保上的运用主要包括以下几个方面 3 3 - 4 3 ： ( 1 ) 用作大范围污染水体的净化处理。 ( 2 ) 可用作废水处理剂，广泛处理含有机废物及某些无机物的工业废水，如啤酒、 肉联厂、味精厂、柠檬酸厂、制药厂、粮食深加工等的有机废水，不仅避免这些废水对 江河湖泊的污染，同时废水处理后大部分是光合细菌的菌体，可开发为家畜、家禽的高 档饲料添加剂，从而使微生物肥料达到废物利用的目的，成本低，效果好。 ( 3 ) 可用于对人粪尿、家畜粪尿的集中处理和综合利用。 ( 4 ) 广泛用于大型垃圾场、城镇菜市场等对生活垃圾( 主要是有机部分，如菜叶、瓜 皮等) 的现场处理。 光合细菌在其他方面的运用主要包括以下几个方面： ( 1 ) 光合细菌在水产养殖中的应用 目前国内外水产养殖方式以高密度集约化养殖为主，大量鱼虾贝等水产动物的排 泄物及残饵积聚池底，使养殖水环境恶化，养殖动物的生长受到抑制。传统上采用换水 来解决此类问题，但频繁换水不易保持水中最适生物区系，而且成本较高，不利于水产 养殖的持续发展。现已普遍采用p s b 广泛用为海水、淡水鱼类、虾类和贝类等的养殖和 育苗的饵料和水质净化和保持剂，无论是成活率还是产量和质量上都有显著提高。 p s b 菌体无毒，营养非常丰富。p s b 是一类营养成分高且种类比较全的微生物，作 为水产养殖生物的开口饵料和饵料添加剂，具有明显的增产效果。孵化后第二天的鲤鱼 苗，只投给p s b 的冻结品和活菌饲育，2 周后体长增长约为投喂干松鱼和面粉组的3 倍。 p s b 能吸收利用有机质和水体中的氮磷等物质，降解硫化物，减少水体污染物，减少有 毒物质分解的机会。p s b 能够改善水产养殖体系的水质，提高溶氧。防治病害，提高产 光合细菌法和类f e n t o n 法处理染料废水的研究 品的质量，生产无公害的绿色水产品，因此光合细菌在水产养殖中的应用越来越广泛。 p s b 能够防治病害，主要采取预防为主防治结合的原则。传统的方法是通过向池塘中泼 洒生石灰来消毒( 每1 5 - - 2 0 天一次) ，在饵料中要加拌土霉素进行预防，化学品容易残留在 环境中，抗生素容易使病原菌产生抗药性。与化学药品和抗生素相比，p s b 中含有q 和 抗病毒物质，能提高动物的免疫力。光合细菌在养鱼生产中既可作饵料添加剂，又可作 水质改良剂。光合细菌对鱼类疾病防治作用主要在于：一是有效地改善了养殖池的生态 环境，减少或阻止了病原体对鱼类的感染；二是有效地改善了养殖环境，减少了病害的 发生；三是荚膜红假单胞细菌细胞壁中所含的多糖类为广谱的非特异性免疫激活剂，增 强了鱼的体质和抗病力，起到了预防疾病的作用。 ( 2 ) 光合细菌在种植业中的应用 。近年来，由于大量的无机肥料和化学农药的使用，造成土壤残留农药的毒害，土 壤盐化、板结现象比较严重，土壤肥力趋于衰竭。p s b 被证明是一种优质的有机肥料， 又能增强植物的抗病能力。首先，它能促进土壤物质的转化，改善土壤结构，提高土壤 肥力，促进作物生长。p s b 大多具有固氮能力，能提高土壤的氮素水平，并促进有害物 质的转化。此外，p s b 还具有抗细菌、抗病毒的物质，这些物质能钝化病原菌的致病能 力，抑制病原体的生长，增强植物的抗病能力。p s b 既是一种优质的生物肥料，又能增 强植物的抗病能力。光合细菌喷洒到苹果树、梨树和葡萄树上，不仅果实鲜艳，而且坐 果率和产量大增，同时还提高了果实的糖分、维生素b 和维生素c 的含量。光合细菌作 为生物肥料使用可以提高番茄、黄瓜的产量，改善作物品质，提高作物叶绿素的含量， 降低蔬菜中亚硝酸盐的含量，延长作物的保存期。 ( 3 ) 光合细菌在畜养业中的应用 p s b 可作为畜禽饲料的添加剂，不仅能够提高产品的产量，而且能够提高产品的质 量。p s b 可处理畜禽的粪尿，净化环境。p s b 中的荚膜红假单胞细胞壁中含有的多糖类 物质，是广谱的非特异性免疫激活剂，能提高畜禽血清中免疫球蛋白的含量，增强畜禽 对外来病源侵扰的应答反应，起到防治病害的作用。 ( 4 ) 光合细菌在新能源生产中的应用 能源问题已成为全球性问题，世界各国都在研究开发新能源，氢作为一种理想而 又无污染的新能源，同益受到关注。生物制氢是开发新能源的一个方向，许多p s b 在代 谢过程中都能释放氢气，且具有产氢速率高、产氢纯度高等特点。p s b 只含有光合色素 系统i ，电子供体或氢供体是有机物或还原态硫化物，因此光合作用不产生0 2 ，故工艺 简单。它可利用太阳能，降解转化有机物或有机污染物生产氢，且副产物可迸一步开发 为诸如生物可降解塑料等高附加值产品，不会造成二次污染。 ( 5 ) 光合细菌在色素和饵料方面的应用 随着人们认识到合成色素对人具有致癌性，天然色素的开发已备受关注。p s b 菌体 细胞含有丰富的菌绿素和类胡萝b 素，这两类色素无毒，容易提取，是天然色素的新资 6 硕十学位论文 源，提取的色素可用于黄油、冰淇淋、干酪的着色及作为食品的添加剂等。p s b 可以作 为生物的开口饵料，广泛应用于水产养殖，也可以作为饲料添加剂来增强生物的抗病性。 p s b 和微藻混合培养轮虫，轮虫增殖率明显高于藻类、酵母单独作为饵料培养轮虫的速 度：p s b 还可提高卤虫卵的孵化率；用p s b 培养的水蚤、轮虫，其氨基酸、蛋白质的含 量都明显提高。 ( 6 ) 在保健方面的应用 自2 0 世纪7 0 年代以来，日本、美国、德国、英国等广泛开展了光合细菌的研究开 发，因其含有丰富的营养成分和生物活性物质而被开发成多种保健食品。光合细菌能够 增强动物的抗氧化能力，经动物实验表明其具有延缓衰老、免疫调节的作用。据美国商 务部透露，仅1 9 9 2 年，美国保健品中约有5 5 6 5 的品种加有不同比重的光合细菌 菌液。美国太空署曾拨款3 2 0 0 万美元，开发研制在宇宙飞船内制造光合细菌食品的新技 术，为宇航员长期滞留太空提供食品保障。其中最具代表性的当属新奥尔良贝鲁斯潘 有限公司投产的p g h 浓缩液，富含维生素、人体所需的微量元素、氨基酸等营养成分， 可调节内分泌，提高机体自身的免疫力。在日本，光合细菌饮料也因具有延缓衰老的作 用以及在防止心脏病、脑梗死、癌症等方面的神奇功效而备受青睐。日本生物化学工业 公司生产的一种“紫色光合细菌保健食品还申请了专利。我国已经有人将光合细菌和 其他益生菌一起制成e m ( e f f e c t i v e m i c r o o r g a n i s m s ，有益微生物群) 菌剂，并进行了相关 报道。此光合细菌制剂能够减少x 射线引起的白细胞减少及染色体变异，能够增加小鼠 的巨噬细胞吞噬量，具有非常明显的保健治疗作用。 本世纪6 0 年代以来，许多科学家先后证实了光合细菌能显著降低有机废水中的 b o d 和c o d 。1 9 7 8 年，小林正泰等介绍用光合细菌处理有机废水的工艺及设想，先后成 功地对粪尿和食品、淀粉等用光合细菌进行了处理。美、澳、英、法、德、丹麦等国使 用此类生物技术处理城市污水，已经取得十分可喜的效益。我国虽起步较晚，但积极开 展了不少工作，我国对光合细菌进行了多方面的科研工作，取得了一些成绩，在处理高 浓度合成脂肪酸废水方面取得了成功，在肉类废水处理试验中进展较快，对豆制品、洗 毛、牛粪、尿废水处理，也己取得了显著成效。同时国内专家建议先用光合细菌方法处 理污水后，再在水中养殖螺、蚌、虾、鱼等水生生物，以消耗生物菌净化污水时繁殖的 微生物，促进水体的良性循环，这样可以恢复污染水体原有的生物种群，可使污染资源 化。 1 2 3 光合细菌处理有机废水的机理 p s b 是一种细菌微生物，广泛存在于水中，一般情况下废水中溶解性的有机污染物 被微生物吸附和吸收，渗透过细胞膜，在细胞内通过酶的作用进行分解。p s b 之所以在 有机废水处理中起作用，是与其细胞结构和物质能量代谢分不开的，尤其是细菌，其细 胞内有能进行光合作用的载色体，载色体颗粒中含有菌绿素和类胡萝卜素，能进行光合 光合细菌法和类f e n t o n 法处理染料废水的研究 磷酸化反应和光氧化还原反应，在好氧条件下细胞内缺少这种载色体，但只要将其置于 光照条件下就很快形成。在好氧黑暗条件下，此类细菌通过三羧酸循环来实现有机酸的 代谢。在厌氧光照条件下，三羧酸循环被抑制，这类细菌能迅速转变代谢途径，并能把 有机酸异化与同化的氧化还原反应紧密相联，这种具有多重代谢方式的特性，使得p s b 既不象好氧菌那样受溶解氧的限制，自身可利用光能进行高效的基质代谢，又不象专性 厌氧菌对0 2 那样敏感，即使环境中0 2 增加，其降解活性也不受影响，可通过氧化磷酸化 取得能量。p s b 在厌氧、好氧条件下均可降解有机化合物的特性，正是其应用于污水处 理的原因。 1 2 4 光合细菌处理有机废水的方法 p s b 污水处理法正是基于上述机理而建立的一个有机废水处理的人工生态系统，其 工艺流程见图1 1 。 图1 1p s b 处理有机废水的工艺流程 有机废水经初沉池进入可溶化处理阶段，在微生物作用下，大分子物质转变为小 分子物质，供p s b 禾i j 用，p s b 处理槽出水经沉淀池进入氧化塘处理后排放，也可以不经 过氧化塘直接排放。沉淀池中的菌体污泥一部分可以补充至i j p s b 处理槽，其余可以进行 综合利用。在这个系统中不同微生物在不同的阶段有效地发挥作用，从而使废水中的高 浓度有机物能高效率地得到降解。 1 2 5 光合细菌处理废水的优点 光合细菌处理废水的优点表现在：( 1 ) 光合细菌既能在好氧、黑暗条件下生长又 能在厌氧、光照下生长，在高浓度废水处理中表现为废水无需稀释、氧的需求不高、动 力消耗大大降低；( 2 ) 光合细菌能有效地利用醋酸、丙酸、丁酸、琥珀酸、乳酸、苹果酸 等挥发酸m 彤j ；( 3 ) 光合细菌处理段可获得大量光合成污泥，这种污泥已被证明含有大量 菌体蛋白，具有很大的应用前景【4 6 】；( 4 ) 光合细菌中的一些种类具有反硝化活性和积磷的 特性1 4 h 引，因此可以获得较好的脱氮和除磷效果；( 5 ) 设备规模小，占地面积小，一次性 硕，l j 学位论文 投资费用少；( 6 ) 除氨效果好，耐盐能力强；( 7 ) 管理简易，受季节影响小，且不会产生 活性污泥那样的膨胀现象。 光合细菌法处理废水存在以下不足之处【4 9 5 0 】：( 1 ) 需要不断地添加新鲜菌体来保持 光合细菌的优势地位；( 2 ) 由于菌体细胞自然沉降困难，需要离心机或加絮凝剂沉淀分离， 因此使费用增加；( 3 ) 8 - 至p s b 处理的废水最终b o d 值在2 0 0 m g l 左右，一般不能达到排放 标准，还要配合其他方法进一步处理，才能排放【5 1 1 。 1 3 高级氧化法概述 近几十年来，国内外在难降解持久性有机污染废水处理方面开展了较多的研究， 高级氧化法以其巨大的潜力以及独特的优势在过去二十多年中脱颖而出，与其它传统水 处理方法相比，高级氧化法最显著的特点是以h o 自由基为主要氧化剂与有机物发生反 剧5 2 1 ，。反应中生成的有机自由基可以继续参加h o 的链式反应，或者通过生成有机过氧 化