（环境工程专业论文）酸性偶氮染料还原产物催化强化偶氮染料生物脱色.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 随着染料与印染工业的发展，染料废水已成为当前最主要的水体污染源之一。染料 作为环境重要污染源，具有污染量大的特点，另外染料种类多、结构复杂，难以降解。 偶氮染料在染料工业中占有很大比重，偶氮染料废水的处理是染料废水处理的重点。本 文介绍了偶氮染料的性质以及偶氮染料废水的处理方法，对比各种方法的利弊，提出厌 氧好氧工艺是处理该类废水的最有效方法之一，利用偶氮染料废水中的醌类物质可以 强化其厌氧脱色效率。 本论文的研究目的是利用本实验室富集的高效醌还原菌群，探索偶氮染料废水中能 够高效强化偶氮染料生物脱色的醌类物质，实现以废( 偶氮染料废水) 治废( 偶氮染料 废水) 。研究内容包括比较偶氮染料废水中醌类的生物强化偶氮染料生物脱色性能，选 择高性能的醌化合物，研究其对不同的难以脱色的偶氮染料的生物脱色特性，并且研究 其化学结构，对其强化偶氮染料生物脱色的机理进行分析。 实验选取了酸性红b 、酸性大红g r 、酸性大红3 r 和酸性橙a 0 7 三种酸性偶氮染 料的生物还原产物，比较了四种偶氮染料在厌氧生物脱色后的产生的醌类对活性艳红 k e 3 b 的脱色的促进作用，结果发现，其强化效果为酸性红b 酸性大红3 r 酸性大 红g r 酸性橙a 0 7 ，含有0 2 m o l l 酸性红b 的生物还原产物的活性艳红k e 3 b 在8 小时后的生物脱色率达到7 4 ，而空白对照样品只有5 5 。利用酸性红b 的生物还原 产物对活性艳红k 2 g 和活性艳红k - 2 b p 等其他偶氮染料的生物脱色也有很好的强化作 用，另外酸性红b 的生物还原产物还有自催化作用，加速酸性红b 的生物脱色，并且 利用高效液相色谱质谱对酸性红b 生物还原产物迸行分析，推测起氧化还原介体作用 的物质是2 氨基1 萘酚4 磺酸基。实验还研究了酸性大红3 r 的生物还原产物对偶氮染 料脱色的强化作用。 从本实验室富集的醌还原菌群中筛选了一株高效醌还原菌，对其生理生化特性进行 了研究，其生长的最适温度为4 0 ，最适p h 为7 1 0 ，研究其对活性艳红k e 3 b 等偶 氮染料的生物脱色特性，并且对其1 6 s r d n a 进行了全序列分析。 关键词：醌还原苗；酸性红b ；偶氮染料；氧化还原介体；脱色 酸性偶氮染料还原产物催化强化偶氮染料生物脱色 e n h a n c e d b i o l o g i c a ld e c o l o u r z a t i o no f a z od y e sb yp r o d u c t s r e d u c e df r o ma c i da z od y e s a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ed y ei n d u s t r y , d y ew a s t ew a t e rb e c a m ev e r yi m p o r t a n t p o l l u t a n t i t sq u a n t i t ya n dk i n d sa l en u m e r o u s s t r u c t u r e sa r ed i v e r s i t ya n dd i 伍c u l tt ob e d e g r a d e d a z od y e st o o ka ni m p o r t a n tp a r ti nd y ei n d u s t r y , w h i c hi st h ev i t a lp o l l u t a n ti nt h e d y ew a s t ew a t e r t l l i sa r t i c l ei n t r o d u c et h em c t h o d so ft r e a t i n gt h ed y ew a s t ew a t e r w i t h c o m p a r i s o no ft h e m 。i ti sc o n c l u d e dt h a t ot e c h n i q u ei st h em o s te f f e c t i v ew a y a n dr e d o x m e d i a t o re n h a n c e dt h eb i o l o g i c a ld e c o l o r i z a t i o no f t h ea z od y e s 1 1 1 ep u r p o s eo ft h i sp a i e l i st of i n dt h ee f f e c t i v es u b s t a n c e sw h i c he n h a n c e dt h e b i o l o g i c a ld e c o l o r i z a t i o no ft h ea z od y e si nt h ed y ew a s t ew a t e r , u s et h ew a s t et od e a lw j t l l t h ew a s t e i ti n e l u d e st h ee o m p a r i s i o no ft h eq u i n o n ei nt h ew a s t ew a t e r , c h o o s et h em o s t e f f e c t i v eo n ea n ds t u d yt h ec h a r a c t e ro ft h eb i o l o g i c a lp r o c e s si na n a e r o b i cc i r c u m s t a n c e ， a n dt r yt of i n dt h em e c h a n i s mo f t h e m i nt h i se x p e r i m e n tw ec h o s et h ep r o d u c t sr e d u c e d6 鲫a c i dr e db 、a c i ds c a r l e tg r 、 a c i ds c a r l e t3 r 、a c i do r a n g e7a st h er e d o xm e d i a t o r s ，t h r o u g he o m p a r i s i o nw ef i n d p r o d u c t sr e d u c e df r o ma e i dr c dbi st h em o s te f f e c t i v ei nt h eb i n l o g i e a ld e c o l o t i z a t i o no f r e a c t i v er e dk e - 3 b w j t l lo 2m o l lp r o d u c t sr e d u c e df r o m a c i dr e db t h ed e c o l o r i z a t i o n r a t i ow a s7 4 w h i l et h es a m p l ew i t h o mi tw a so n l y 5 5 田l i ss u b s t a n c ew a sa b l et o n h a n c 圮t h eb i o l o 五c a ld e e o l o r i z a t i o nr a t eo fm a n yo t h f i ra z od y e ss u c ha sr e a c t i v er e d k 2 ga n dr a l c t i v er e dk 2 b p i th a da u t oc a t a l y s i se f f e c ti nt h eb i o l o g i e a ld e c o l o r i z a t i o n p r o c e s so fa c i dr e db a c c o r d i n gt ot h eh p l c m sr e s u l t s , i ti sc o n c l u d e dt l l a t 2 - a m i n c | 1 - n a n p h n o l - 4 s u l p h a t et o o kt h ee f f e c to f r e d o xm e d i a t o r 1 1 1 ee f f e c to f t h ep r o d u c t s r e d u c e df r o ma c i dr e d3 rw a sa l s oi n c l u d e d a q u i n o n er e d u e i n gb a c t e r i aq r z - iw a ss e l e c t e d , a n dt h ep h y s i o l o 每c a lc h a r a c t e rw a s i n v e s t i g a t e d , t h ep r o p e rt e m p e r a t u r ew a s4 0 p hw a s7 1 0 t h ed e c e l o r i z a t i o no f r e a 硝v er e dk e 3 bw i t hs t r a i nq r z - 1w a ss t u d i e d , a n dt h e1 6 s r d n as e q u e n c ew a s g a i n e d k e yw o r d s ：q u i n o n e - r e d u c i n gc o m m u n i t y ；, a c i dr e db ：a z od y e ；r e d o xm e d i a t o r s ； d e c o l o u r i z a t i o n 一1 i 一 独创性说明 作者郑重声明：本硕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已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名： 猛睦 日期： 迦2 ：! 三：少 人连理工大学硕- i = i j f 究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和t - t - 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：筮! 童 导师签名：曼鱼 盟年上月盟日 大连理工大学硕士学位论文 引言 世界上每年生产1 0 染料，它们被广泛的应用于印染和纺织工业，据估计，每年 约有1 0 4 0 的染料随水排入环境【i 】。它们结构复杂、化学稳定性好，难以降解、大多 数染料具有。三致”作用，是环境的重要污染物。 染料废水的处理方式多种多样，主要分为物理法、化学法和生物法。物理和化学方 法包括化学沉淀、絮凝、离子萃取、芬顿反应、活性炭吸附、臭氧氧化等技术。但是染 料废水的生物处理方法因其经济性受到广泛的重视。对于可生化性较高的染料废水采用 好氧法处理对b o d 5 的去除率较高，去除率一般可达8 0 左右，但色度和c o d 的去除 率不高f 2 一。厌氧既能去除部分有机物，又能降解结构复杂的有机物，提高其可生化性， 有利于后续的好氧处理。因此，通常采用的染料的生物处理方法有厌氧工艺，好氧工艺 和厌氧好氧工艺，其中，厌氧好氧工艺是最为有效的处理工艺【2 1 。在偶氮染料的处理 过程中，该工艺中厌氧过程使偶氮键断裂成为相应的芳香胺，好氧过程降解芳香胺【3 1 。 但是，厌氧工艺过程缓慢，是偶氮染料完全生物降解的瓶颈。 许多文献报道醌还原菌能够利用2 , 6 - - - - 磺酸基葸醌( a q d s ) 等氧化还原介体加速偶 氮染料的厌氧生物脱色过程 4 - 7 1 。但是，在实际的应用中，由于醌类物质成本高，难以 降解，它随出水排出，会造成二次污染；另外，醌类化合物的固定化不易实现，且固定 化后的醌类被微生物利用的效率降低【8 】。以上因素限制了醌类物质作为氧化还原介体的 应用。本研究发现一些偶氮键邻位上带有羟基结构的酸性偶氮染料的生物还原产物能够 加速偶氮染料的生物脱色，并且这种生物还原产物能够在后续的好氧过程中完全矿化， 不造成二次污染，实现了以废治废，降低了处理成本。 本文对酸性偶氮染料生物还原产物加速偶氮染料生物脱色过程以及脱色条件、机理 进行了研究，并且利用酸性偶氮染料生物还原产物和筛选出的醌还原菌用于强化活性 污泥对偶氮染料的厌氧生物脱色。 酸性偶氮染料还原产物催化强化偶氮染料生物脱色 1 绪论 1 1 染料的分类、结构和生色机理 1 1 1 染料的分类 染料是指能在水溶液或其他介质中，使纤维染成各种颜色的有色有机化合物，染料 可以按照结构分为：偶氮染料、葸醌染料、三苯基甲烷染料、二苯基甲烷染料、硝基染 料、亚硝基染料、吖啶染料、靛蓝染料、花青染料等。其中偶氮染料、蒽醌染料、三苯 基甲烷染料是目前使用较广的3 大类染料，偶氮染料在染料工业中占有很大比重，是一 种重要的环境污染物。 也可以按照染料的使用方法分为直接染料、硫化染料、还原染料、酸性染料、酸性 络合染料、活性染料、纳夫妥染料( 冰染染料) 、氧化染料、分散染料和阳离子染料等。 根据染料的结构分离筛选出的脱色微生物可以使微生物作用于染料的有效基团和 价键，从而起到更好的脱色效果。 1 1 1 染料的发色机理 理论认为，染料的颜色与其结构有密切的关系。1 8 7 6 年出现染料发色团说，认为染 料颜色是由双键引起的，含双键的基团称为发色团。关系如下： ( 1 ) 在共扼双键体系中，共扼双键增长，电子活动性增高，激化能随之减少，吸收的 光线波长愈长，产生不同的深色反应。 ( 2 ) 共扼体系两端若存在极性基团，颜色加深。 ( 3 ) 分子离子化后，如果给电子基的给电子性或吸电子基的吸电子性加强，电子活动 性增大，分子的激化能降低，分子颜色加深。反之，则变浅。 ( 4 ) 分子平面性对颜色的影响：在共扼双键体系中，只有原子和原子团在同一个平面 时才具有最大的共扼效应。电子的活动性与分子的共平面性有关，如果分子的共平面性 遭到破坏，共扼双键体系也会被破坏，电子的活动性降低，颜色变浅。 ( 5 ) 染料共扼系统中的原子或原子团与金属原子形成配位键时，电子云分布状态发生 变化，从而影响共扼体系的流动性，引起颜色变化。 染料的结构与生色机理对判断微生物染料脱色具有重要的理论分析意义。 大连理工大学硕士学位论文 1 。2 偶氮染料废水的危害及处理进展 1 2 1 偶氮染料的危害 在染料的生产和使用中约有1 0 1 5 随废水排入环境，染料废水排放量约占工业 废水排放量的1 1 0 ，偶氮染料是染料中品种和数量最多的一类，约占有机染料总量的 8 0 1 1 】。绝大部分偶氮染料是芳香胺经重氮化后与酚类、芳香胺类具有活性的亚甲基化 合物偶合而成，具有以下特点：废水色度大，有机物浓度高，组分复杂；难生物降解物 质多；含有大量的无机盐、硫化物等，属于难处理的工业废水。染料分子为在水环境以 及光照和有氧化剂的条件下稳定存在，设计有复杂的芳香烃分子结构而更加难于去除。 更为严重的是相当一部分染料及其代谢产物为有毒难降解有机物，化学稳定性强，具有 致癌、致畸、致突变的“三致”作用。另外，废水中残存的染料组分即使浓度很低，也 会造成水体透光率降低，导致水体生态系统的破坏。 1 2 2 偶氮染料的处理方法 传统的水处理方法包括物理吸附法、化学氧化、絮凝以及生物处理方法，对于偶氮 染料废水的处理方式也可如此分类。 ( 1 ) 物理法 应用最为光泛的物理方法是吸附法。利用吸附剂如活性炭、硅聚物、高岭土吸附废 水中的染料的方法，不同的吸附剂对染料吸附具有选择性。目前主要还是采用活性炭吸 附法。此法适用于可溶性染料，不需要设备投资，c o d 。b o d 去除效果也不错，但活性 炭吸附后清洗困难，成本高，且对某些大分子染料吸附力不够。张建英等人【2 】利用复合 膨润土对印染废水脱色，废水中的苯系偶氮分散染料可在酸性条件下用活性白土处理， 脱色率可以达到9 8 蚶珂。另外，工业废料，如煤渣、粉煤灰等以及植物秸秆如玉米棒、 木屑对印染废水具有一定的吸附作用。 阎存仙等利用粉煤灰吸附去除活性艳蓝x b r ，取得较好的效果【4 】。 另外，磁分离法作为一种新的水处理技术已经走向应用，可以工业化应用的磁化技 术有磁性团聚法、铁粉法、铁氧体法和铁盐共沉淀法等。韩虹等【5 】利用高梯度h g m s 磁滤分离技术处理高浊度的印染废水，能够将色度为9 0 0 倍，c o d 约为5 9 5 m g l ，s s 约 为5 0 0 m g l 的印染废水的出水达到国家二级标准。该技术具有过滤快，占地少的优点【1 1 。 膜分离技术也是一种有效的染料废水处理技术，始于2 0 世纪7 0 年代初期，偶氮染 料的处理主要采用超滤和反渗透技术。超滤主要是一种筛滤作用，用于分散染料的处理， 反渗透是旌加一定的压力在推动染料与水在半透膜上的分离。王振余等f 6 j 队多孔炭膜处 理染料水溶液的实验表明，炭膜可有有效的分离染料和水，其截流率为9 5 9 9 ，水 酸性偶氮染料还原产物催化强化偶氮染料生物脱色 的渗透速率介于6 5 2 0 0 l ( m 2 h m p a ) 之间。h w c n z d 等人采用表面电荷聚砜纳滤膜对 含活性染料有很高的截留率和通量 7 1 。i m n o e l 等人采用d s 5 纳滤膜，研究活性黑5 染 料和n a c i 混合液纳滤膜截留特性，证明了纳滤膜用于染料废水处理是可行的【8 1 。 ( 2 ) 化学法 通过加入化学品的法将特殊污染物转化成不可溶解的形式而吸附在不可溶的固状 物上；或者将污染物氧化成可生物降解的化合物；或在一定条件下，甚至将污染物完全 转化成c 0 2 和水。主要有电解，光催化以及湿式过氧化氢氧化法。 三维电极法处理染料废水是一种新型的电化学反应器，又叫粒子电极( p a r t i c l e d c c t r o d c ) 或床极( b e dd c c t r o d e ) 。它是在传统的二维电解槽电极间装填粒状或者其他碎屑 状工作电极材料，由主电极供给电流，使装填的粒子工作电极材料表面带电，成为新的 复极电极，从而大大增加工作电极表面积，提高水处理效率。李明玉等1 9 】比较了三相三 维电极流化床反应器和二维电解槽对酸性大红模拟废水的降解脱色作用，发现在相同条 件下，三相三维电极流化床反应器壁二维电极电解槽的处理脱色速度快和处理效率增 加，不仅可以对酸性大红3 r 的生色基团进行脱色，而且对萘环不饱和供轭体系也具有 破坏降解作用。周元祥掣9 】采用微电解法研究了染料脱色效率与染料结构之间的关系， 当铁炭比为2 ：l 时，处理效果最好，对1 0 0 m g l 的模拟染料废水处理1 h 后，脱色率可 以达到9 0 以上。 光催化氧化技术是近2 0 年来新兴的一种环境净化技术，是利用光催化剂在光照条 件下能够产生强氧化性的自由基，该自由基能彻底降解几乎所有的有机物。因其可以将 难降解有机污染物降解为对环境无害的化合物，甚至完全矿化，不存在二次污染，已经 受到广泛关注。刘萍等【1 0 】利用二氧化钛纳米管阵列光催化酸性橙染料降解，在染料初始 浓度为2 0 m g l 紫外光照射条件下3 h 内对酸性橙的脱色率可达到5 6 。 湿式空气氧化法( w a o ) 是在高温( 1 5 肌3 5 0 ) 和高压( o 5 2 0 m p a ) 下，以空气或纯氧 为氧化剂将有机污染物按湿式燃烧原理氧化分解为无机物或小分子的有机物的化学过 程f 1 1 1 。雷乐成掣1 2 荆用湿式氧化法处理高浓度活性染料废水，发现湿式双氧水氧化法处 理活性染料废水具有较高的t o c 、c o d c r 和色度去除率。在1 5 0 、理论双氧水加入 量、反应3 0 r a i n 废水t o c 、c o d c r 去除率均达到8 0 以上，色度去处率大于9 0 。周 书天等【”1 利用湿式过氧化氢氧化处理高浓度甲基橙废水，实验结果表明，该工艺c o d 和色度的去处率分别高达8 5 和9 0 。但是湿式过氧化氢氧化处理过程受温度、双氧水 投加量影响比较大。另外，湿式氧化对反应压力的要求也比较高，限制了它的应用。 但若化学法处理不当，则会产生如a o x 的二次污染，而达不到治污的最终目的。 采用无机、有机化学絮凝剂，如碱式氯化铝( p a c ) 和聚丙烯酞胺( p a m ) 等，水解产生的 大连理工大学硕士学位论文 胶体吸附染料，适用于难溶及不溶性染料，其原料来源广泛，制备简单，投资少，经济 实用，对c o d b o d 去除率也较高，但会产生化学污泥的二次污染，色度去除率也不尽 如人意。 ( 3 ) 生物法 生物法是目前普遍采用的方法，它利用微生物的新陈代谢作用，对废水中污染物进 行转化和降解，从而起到净化环境的目的。生物法具有成本低，无二次污染等优点，目 前人们已经筛选到了多种能够使偶氮染料脱色的菌株，主要来源于污水处理厂，受污染 的河流土壤等以下着重介绍生物技术。 1 3 偶氮染料生物处理研究进展 1 3 1 偶氮染料生物处理概述 印染废水处理方法中，目前国内外仍以生物法为主【1 4 】。在污水的生物处理过程中， 微生物利用水中的碳、氮、磷以及其他元素进行自身的新陈代谢，导致污水处理的不断延 续进行。水的生物处理是一个包括物理、化学、生命等过程的复杂体系，有些微生物降解 有机物的机制至今尚不十分清楚，但和微生物的多酶体系与有机物间的系列催化氧化还 原反应有关。因此微生物的运动、生长、微生物酶活性以及微生物细胞内的传递特性在很 大程度上会影响水处理效率。利用生物方法处理污染物质可以将其无害化，生物处理法 相对其它处理方法运行成本要低、且无二次污染，在印染废水的处理中得到广泛的应用。 传统的生物处理方法根据微生物及其与氧的关系，分为好氧生物处理法、厌氧生物 处理法、好氧厌氧联合处理法【l ”。 ( 1 ) 好氧生物处理法主要有活性污泥法和生物膜法两大类。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。但是，好氧处理因其供氧能耗大，色度去除率 低等限制一般只适用于中、低浓度有机废水的处理。对于可生化性较高的染料废水采用 好氧法处理对b o d 5 的去除率较高，去除率一般可达8 0 左右，但色度和c o d 的去除 率不耐1 6 1 。 ( 2 ) 厌氧生物处理法厌氧法因代谢速度慢、停留时间长、容器体积大、影响因素多、 造价高等不利因素，一般用于有机污泥或浓度特高的废水处理。厌氧生物处理法既适用 于高浓度有机废水，又适用于中、低浓度有机废水及好氧处理过程中所产生的剩余有机 污泥。有些染料对好氧生物处理法来说是难降解的，但对厌氧生物处理是可降解的，如 着色剂葸醌和某些偶氮染料等。厌氧生物处理可以提高废水的可生化性，但处理效果不 够理想，出水往往达不到排放标准，需要进一步处理，故一般在厌氧处理后串联好氧处 理。 酸性偶氮染料还原产物催化强化偶氮染料生物脱色 厌氧处理主要是使印染废水中可生化性较差的一些高分子物质发生水解、酸化，变成 较小的分子，或者改变难降解有机物的分子结构，从而改善废水的可生化性，为好氧处理创 造条件同时好氧阶段产生的剩余污泥也可全部回流到厌氧池。由于厌氧阶段有足够长的 固体停留时间( s r ，污泥可以得到彻底的厌氧消化，从而使整个系统基本上没有剩余污 泥排放【1 耵。 ( 3 ) 厌氧好氧联合处理法 在印染废水处理中，厌氧好氧工艺具有的这种独特降解机理引起国内的广泛关注， 并得到了深入的研究和应用，取得了明显的效果。其中各种高效生物反应器如生物接触 氧化池、流化床、u a s b 反应器等均有应用，如厌氧好氧接触生物反应器，厌氧膜固定 流体床好氧悬浮床活性污泥反应器，厌氧好氧旋转鼓反应器等【1 9 】。 杨虹等【刎比较了厌氧预处理好氧联用工艺和单独好氧工艺在处理印染废水的特 点，发现染料脱色主要发生在厌氧阶段，而且生化需氧量( b o d ) 与c o d 之比从o 1 5 提 高到0 3 7 ，色度处理结果表明，厌氧预处理增加了好氧阶段的可生化降解性。t a n 等【2 l 】 在实验室中对4 苯基偶氮苯酚( 4 p a p ) 和媒染黄1 0 ( m y l 0 ) 2 种偶氮染料的模拟废水处理 进行了研究，结果表明在厌氧好氧状态下，厌氧好氧工艺系统中的厌氧反应器的h r t 仅为4 1 2h ，发生水解酸化作用。难降解染料分子及其助剂在厌氧菌的作用下水解、酸 化而分解成小分子有机物。然后被好氧微生物分解成无机小分子物质。厌氧颗粒污泥分解 的芳香胺化合物和好氧污泥可完全降解偶氮染料。 除了传统的生物处理法，生物方法处理偶氮染料废水还得到了进一步的发展。新兴 的生物技术如生物强化技术、固定化微生物技术、膜生物反应器技术、以及以基因工程 为主导的构建基因工程菌等技术。这些技术为快速有效地解决目前出现的日益严重且复 杂的染料污染问题提供了强有力的支持，其应用研究也有了很大的进展。应用白腐真菌 强化印染废水脱色的研究报道很多阎，已知的真菌脱色作用主要是由于3 种酶的存在： 木质素过氧化氢酶( l i g n i np e r o x i d a s c ) ，锰过氧化氢酶( m a n g a n e s ep e r o x i d a s e ) 以及漆酶 ( l a c c a s e ) 。在赵大传等 2 3 1 采用一个串联柱状反应器装置，用核桃壳颗粒作载体，进行了固 定化优势菌处理模拟印染废水的运行研究，并对实际水样进行了测试，结果表明，出水 c o d 质量浓度 b r c i h - n h 3 o c h 3 c h 3 - c o o h o h ，另外，同一个碳原子上 取代基数量越多，生物降解性难度越大。偶氮键附近电子云密度越高，偶氮键就越牢固 不易切断，偶氮键附近电子云密度越低，就越容易被切断。 ( 2 ) 染料芳环上相同取代基的数量对其降解作用的影响：染料芳环上的羟基和氨基的 数量越多，其对染料的促进作用就越明显，染料就越易被降解。相反，染料芳环上磺酸 基的数量越多，则对其降解的抑制作用越强，染料就越不易被降解。 ( 3 ) 染料芳环上取代基的位置对其降解作用的影响：含羧基的偶氮染料，邻位 间位 对位；含羟基和磺酸基的偶氮染料，对位 间位 邻位；含硝基的偶氮染料其脱色率 则不受其硝基位置的影响。 ( 4 ) 染料的分子量对其降解作用的影响：染料在基本结构相似的情况下其分子量越 大，染料就越不容易被降解；其分子量越小就越容易被降解。在结构变化较大的情况下， 则难以单纯地从分子量大小的角度判断染料的生物可降解性，尽管它们都属于偶氮染 料。 孙红文等郾】利用藻类研究偶氮染料的降解及定量结构生物降解性的关系发现，不 同结构偶氮染料的生物降解性存在很大差别，脱色率为9 1 8 9 8 ，偶氮染料分子中 偶氮键的最低未占据轨道能量是控制染料降解的主要因素，而染料的分子量与其脱色率 无关。 董永春等1 2 9 1 发现，在偶氮染料分子量与染料分子中磺酸基数目的比值、芳香环数目、 染料分子中偶氮基数目、无机性值与有机性值的比值四个因素中，染料分子量与染料分 子中磺酸基数目的比值和偶氮基数目对脱色率的贡献显著，芳香环数目并不是影响脱色 率的显著因素。 1 3 3 偶氮染料脱色菌的筛选 传统的污水处理系统对于非异生型化合物通常具有较稳定的处理效果，而对于染料 这类难降解的人工合成的异生型化合物的处理效率较差。物化法的运行成本通常较高， 酸性偶氮染料还原产物催化强化偶氮染料生物脱色 且容易产生二次污染。微生物具有繁殖速度快，适应性强等特点，利用高效脱色微生物进 行环境污染整治不仅成本低，且可减少二次污染的产生，因此，采用生物法对染料污染进行 整治越来越受到人们的青睐【3 0 】。 自7 0 年代未发现某些肠道细菌可降解偶氮染料以来越来越多的学者致力于染料微 生物脱色、降解研究。目前已分离到的偶氮脱色菌主要包括芽孢杆菌、黄单胞菌、克雷 伯氏菌等十几个菌属。最近，同济大学乐毅全等【3 1 】分离到一株偶氮染料脱色菌，经生理生 化鉴定为s h e w a n e l l ap u t r e f a c i e n s 。x u 等从印染废水处理系统的活性污泥中分离到一株 对多种偶氮染料和蒽醌染料均具有高效脱色能力的希瓦氏菌新种脱色希瓦氏菌 ( s h e w a n e l l d e e o l o r a t i o n i s ) s 1 2 。张金平等 3 h 从印染厂废水处理系统的曝气池池水中筛选 得到以下菌，菌属及其脱色率如表所示 表1 1 具有偶氮染料脱色活性菌株 ! 皇垒：! ：! 缝! 塑垫坐堂竺垫璺璺塑! 迪! 堂垒翌塑 菌属脱色率 芽孢杆菌属b a c i l l u s )对直接黑绿的脱色率可达8 0 4 对直接湖蓝脱色率可达9 7 2 6 库特氏菌属( k u e t h i a ) 沙门氏菌属( s a l m i n e l l a ) 对活性艳红x 一3 b 的脱色率可达8 6 1 4 对活性艳红x 一3 b 的脱色率可达8 9 1 3 对直接大红g b e 脱色率可达7 6 8 5 对活性艳红x 一3 b 的脱色率可达9 0 6 2 对活性艳红x 一3 b 的脱色率可达9 0 7 2 对酸性黑n g 的脱色率可达8 6 7 另外，还有红螺菌属( r h o d o s p i r i l l i u m ) 、醋杆菌属( a e e t o b a c t e r ) 、殴文氏菌属 ( e r w i n i a ) 、假单孢菌属( p s e u d o m o n a s ) 、产碱杆菌属( a l c a l i g e n e s ) 、埃希氏菌属( e s e h e r i e h i a ) 、 邻单孢菌属( p l e s i a m o n a s ) ，也能够使偶氮染料很好的脱色【3 3 1 。 1 3 4 偶氮还原酶还原机制 偶氮染料降解的第一步也是最关键的一步就是偶氮键的打开，生成芳香氨化合物。 这一步是由一类还原酶催化完成的，这类酶叫偶氮还原酶( a z o r e d u e t a s e ) 。在有氧条件下， 偶氮还原是由特异性的偶氮还原酶直接催化完成；在厌氧条件下，这一反应通常是由非 特异性的还原酶催化一类氧化还原中间体再由此还原了的氧化还原中间体还原偶氮键。 大连理工大学硕士学位论文 对于在有氧条件下的细菌偶氮还原，现在基本认为是由特异性的酶催化完成的。这 些偶氮还原酶，在有氧条件下，都能降解多种偶氮染料，但每一种酶对染料的特异性是 不同的。到目前为止，仅有6 个在有氧条件下作用的偶氮还原酶被纯化、特征分析并得 至目其基因序列( 表1 2 ) 。从表中可以看出，这些酶都有一个n a d ( d h 结合位点，表明都以 n a d ( p ) h 作为辅酶，但对n a d h 和n a d p h 的k m 值有很大的不同例。 表1 2 有氧条件下作用的偶氮还原酶 t a b l e1 2a z o r e d u c t a s e sa c t i n gu n d e ra e r o b i cc o n d i t i o n 1 3 5 依赖氧化还原介质的偶氮还原机制 对嗜热鞘氨醇杆菌s x e n o p h a g a b n 6 菌偶氮还原酶的定位实验表，细胞中存在两套 偶氮还原酶系统。一套是位于胞质中的黄素氧化还原酶；另外一套是位于细胞膜上的与 呼吸链有关的n a d h ：泛醌氧化还原酶。 早期的研究表明，胞质黄素还原酶催化产生的还原型黄素在兼性厌氧菌的非特异性 的偶氮还原过程中发挥重要作用【4 1 1 。近来，在不同的菌株中重组表达黄素还原酶，充分 证明了黄素还原酶具有偶氮还原酶活性。但是，由于极性偶氮染料不易透过细胞膜进入 细胞内部，胞质黄素还原酶在完整细胞的厌氧偶氮还原中可能发挥较小的作用。 a n d m a sk c c k 等【4 2 】发现，s p h i n g o m o n a ss p s t r a i nb n 6 可以利用萘磺酸的好氧降解产 物作为氧化还原介体加速酸性苋菜红的脱色，并且通过对s x e n o p h a g a b n 6 的另外一套 厌氧偶氮还原系统的研究，提出了一个不同的非特异性的细菌偶氮还原模型。这一模型 不要求偶氮染料或还原型黄素通过细胞膜。添加不同的氧化还原介体，例如萘醌2 磺酸 盐，2 羟基1 ，4 萘醌等能显著提高厌氧偶氮还原率。这表明，在这个系统里，醌作为氧 酸性偶氮染料还原产物催化强化偶氮染料生物脱色 化还原中间体被s x e n o p h a g a b n 6 菌体细胞的酶催化还原，还原型的醌再还原偶氮复合 物，这是一个纯化学氧化还原过程，如图1 1 。而细胞裂解实验表明，醌氧化还原酶活 性定位在细胞膜上 4 1 4 2 】。 图1 1 氧化还原介体参与的偶氮染料的还原过程 f j 9 1 1g e c h a n _ l s m sf o r t h er e d o xm e d i a t o rd e p e n d e n tr e d u c t i o no fa z od y e s 由图1 1 分析，细菌在厌氧条件下发生的偶氮还原是在非特异性还原酶作用下的电 子传递过程。偶氮复合物作为末端电子受体，接受从电子氧化还原介质传来的电子而被 还原。由此推测，偶氮复合物可能在细菌的厌氧呼吸过程中作为末端电子受体接受电子 而被还原，所以厌氧偶氮还原过程也是厌氧偶氮呼吸过程，细菌可能在这一过程中获得 生长所需的能量。 1 4 介质强化偶氮染料脱色研究进展 1 4 1 氧化还原介体及其还原菌的研究概况 表1 3 列出了氧化还原介体的研究概况，看以看出，氧化还原介体大多含有醌，羰基 结构，这种醌，羰基结构的氧化还原性质或状态在电子传递中起着重要的作用。在腐殖酸 中和一些染料的生物还原产物中也含有醌类，能够利用醌类还原醌类的微生物种类很 多。 1 4 2 生物还原醌类化合物的影响因素 ( 1 ) 微生物的种类及浓度 醌类化合物的还原与菌体细胞膜上的醌还原酶相关。醌氧化还原介质作用的前提是 细胞膜上存在与醌还原相关的酶。而环境中广泛存在呼吸醌类的微生物，如 e c o l i ，p r o p i o n i b a c t e r i u ms y n t r o p h o b a c t e f f u m a r o x i d a n , d e s u l f o v i b d o g 1 1 ， d e s u l f i t o b a c t e r i m nd e h a l o g e n a n s 、m c t h a n o s p i l l i u mh u n g a t e ij f l 、g c o b a c t c rs u l f u r r e d u c c n s ， 大连理工大学硕士学位论文 s p h i n g o m o n a ss p s t r a i n b n 6 等等【4 2 4 5 1 。不同的菌种对醌化合物的还原能力不同。但是在 反应器中如果醌还原菌群浓度或活性低，则生物反应速率低。可见，醌浓度和醌还原菌 群的还原能力是介体强化过程的关键因素。 表1 3 氧化还原介体及其相关还原菌的研究情况 ：! ! ! ：! ：! ：! 坠堡燮! ! i ! 型塑垡型! ! 坐四i ! ! ! 堡磐! 堂坐g 堕塑塑 利用醌类的微生物氧化还原介体的种类脱色对象 参考文献 ( 2 ) 醌环的结构及醌环上取代基的性质 醌类化合物中，苯醌类化合物的还原反应一般比较容易进行。萘醌类化合物的还原 反应速度比苯醌类化合物要慢一些，如含有长的烷基侧链的萘醌类化合物，基本上检测 不到还原产物。在还原反应过程中，p h 的变化很小，基本上保持在5 5 6 0 左右。此 条件下，葸醌类化合物只有醌环上的两个羰基能够还原，分子中其他的羟基和甲基等都 不会受到影响。因此，醌环的还原反应可以从其紫外光谱的变化反映出来。 ( 3 ) 培养基的组成 培养基的温度和p h 对微生物的生长有着重要的影响，是微生物的重要生存因子。 在适宜的温度范围内，温度每升高1 0 1 2 ，酶促反应的速度将提高l 2 倍，微生物的生 长和代谢速率均可相应的提高。大多数细菌、藻类和原生动物的最适 p h 在6 5 7 5 ，它们的p h 适应范围在4 l o 之间。细菌一般要求中性或偏碱性m 。 酸性偶氮染料还原产物催化强化偶氮染料生物脱色 根据微生物与分子氧的关系，将微生物分为好氧微生物( 包括专性好氧微生物和微 量好氧微生物) 、兼性厌氧( 或者成为兼性好氧微生物) ，及厌氧微生物。 培养基中的氧的溶解度对于微生物的生长和代谢有着重要的影响，间接的影响着醌 的还原。 氧化还原电位( e h ) ，氧化环境具有正电位，还原环境具有负电位。氧化还原电位 受氧分压的影响，氧分压高，氧化还原点位高，氧分压低，氧化还原电位低。可以用一 些还原剂来控制培养基中的氧化还原电位，使微生物体系中的氧化还原电位维持在低水 平上，微生物在代谢过程中产生的h 2 s 可以将氧化还原电位降低至3 0 0 m v 4 6 。 f j c e r v a n t e s 等f 4 7 】也发现在含有黄素作为氧化还原介体的情况下，硫酸盐能够使r 0 1 4 的脱色速率增加。 1 4 3 酸性橙a 0 7 的自催化 f p v a nd e cz e e i 删在研究偶氮染料的脱色动力学过程中发现，硫化物对于偶氮染料 的脱色有促进作用，并且通过对偶氮染料a 0 7 脱色结果的计算表明，自催化作用明显。 进一步研究证实，酸性橙的偶氮键断裂后形成的1 氨基- 2 萘酚对酸性橙a 0 7 脱色起到 了促进作用，原因是1 氨基2 萘酚可以可逆生成1 氨基2 萘醌。1 氨基2 萘酚可逆生 成的1 氨基2 萘醌起到了氧化还原介体的作用，它可以将电子在细胞与偶氮染料之间传 递，提高偶氮染料生物脱色的效率。这种氧化还原介体广泛的存在于酸性偶氮染料废水 中，利用这种氧化还原介体可以实现以废治废。 苷n 一舀一n 公z + 南 图1 2 酸性橙a 0 7 生物脱色反应 f i 9 1 2b i o d e c o l o r i z a t i o no f a c i do r a n g e7 _ t d 一一也 图1 32 氨基1 ，萘酚生成醌的可逆反应 f i 9 1 3f _ 4 u i l i b r i u m b e t w e n 2 - a m i n o - 1 - n a p h t h o l a n d i t s q u i n i n e 大连理工大学硕士学位论文 1 5 生物强化技术研究进展 高效降解菌的开发是目前针对难降解有机污染物废水生物处理最具发展潜力的研 究方向之一m 】，它具有无二次污染，操作简便，具有提高废水处理效率和成本，强化污 染物降解效果的特点。生物强化技术就是向废水处理系统中投加从自然界中筛选的优势 菌种或通过基因组合技术产生的高效菌种，以去除某一种或某一类有害物质的方法。它是 通过向自然菌群中投加具有特殊作用的微生物来增加生物量，改善难降解有机物生物处 理效果。 s h a p i r 等报道。在受到除草剂莠去津( a t r a z i n e ) 污染的土壤中投加 p s e u d o m o n a s s p a d p 进行生物强化可使莠去津达到9 0 1 0 0 的完全矿化率，而依靠土 壤本身的微生物降解作用，虽然能够降解一部分莠去津，但其矿化率只有1 。本实验室采 用s p h i n g o m o n a sx c n o p h a g aq y y 强化活性污泥对溴氨酸的好氧生物降解，与活性污泥 的投加比例为9 0 7 ，在2 4 h 可以将5 2 0 m g l 的溴氨酸降低至5 0 m g l 以下。 1 6 本论文的研究目的、内容及技术路线 1 6 1 本论文的研究目的 随着染料工业的发展，印染废水的处理已经成为一个严重的问题。生物方法因其经 济性和高效性得到广泛的应用，厌氧好氧工艺是染料生物处理的最有效的方法。传统 工艺的厌氧处理法对染料废水的色度去除率贡献较大，好氧处理对c o d c r 、b o d 的去 除率贡献较大。厌氧生物处理可提高其后续好氧生化性，但由于厌氧微生物代谢速率缓 慢，是偶氮染料完全生物降解的瓶颈。 许多文献报道醌还原菌能够利用2 , 6 - - - 磺酸基蒽醌( a q d s ) 等氧化还原介体加速偶 氮染料的厌氧生物脱色过程 4 - - q 。但是，在实际的应用中，由于醌类物质成本高，难以 降解，它随出水排出，会造成二次污染；另外，醌类化合物的固定化不易实现，且固定 化后的醌类被微生物利用的效率降低【引。以上因素限制了醌类物质作为氧化还原介体的 应用。本论文的研究目的在于利用偶氮染料废水厌氧脱色过程中的产物作为氧化还原介 体，该介体无需固定化，而且可以在后续的好氧过程中矿化，实现以废治废。