（环境科学专业论文）白腐真菌生物反应器降解染料的效果及机理分析研究.pdf

华东师范大学2 6 年申请硕士学位论文：白腐真菌生物反应器降解染料的效果及机理分析研究 为主要中间降解产物之一。 ( 6 ) 膜白腐真菌生物反应器对染料具有一定的降解能力，但降解效果不及 纯培养条件下。低浓度染料更容易被降解去除，高浓度染料对白腐真菌具有较高 的生物毒性，对p c 菌利用营养源有明显影响，去除效果不明显。结合前面实验 结果，三种染料脱色率从高到低依次为：橙黄 活性艳红x 3 b 偶氮苯。中空 超滤纤维膜的使用可以一定程度提高出水水质，保证了出水的稳定性。 ( 7 ) 低浓度染料在加入反应器初期对m n p 活性有一定的诱导作用。较高浓 度的染料在加入初期对酶活有抑制作用，但随着培养时间的延长，抑制作用有所 缓解，酶活有所恢复。 ( 8 ) 膜白腐真菌生物反应器连续运行时取得良好的降解效果，处理效果与 菌体生长过程有很好的对应。 关键词：白腐真菌：膜白腐真菌生物反应器；染料废水；脱色；降解；中间降 解产物 n 华东师范大学2 0 0 6 年申请硕士学位论文：白腐真菌生物反应器降解染料的效果及机理分析研究 a b s 7 i r a c t s i n c e1 9 9 ( ) s ，p e o p l eh 勰p a j dm o r ca t t e n t i o nt ot h ef a c tt h a tw h i t er o tf u n 目d u sc a n d e f a d ep o p se 蚯d e n y nh 髂b e e np m v e d t h a tw h i t cm tf i l n g o u si se 虢c t i v eo n d e l 耐z a t i o n 如dd e 掣a d a t i o nf o rd y e s t u 丘w 舔t e w a t e r m b ri s 越i 衄o v 砒i v ew a s t c w a t c rt i 弓a t n l e mt c c h n o l o g y 诎h m b i n c s m e m b 瑚es c p a r a t i 蛆db i o r c a c t o i 。t e c b n o l o g y m b rp r c s c n t sa d v 粕t a g e ss u c ha s h i g hm i c r o b el o a d ，p r o l o n g e dm i c i o b er e t t i t i l n e ，s m a l lf 0 h 0 l p f i n tr e q u i r c d ， r e d u c c i o ni nc o s t s ，r e d u c e dc x c c s ss l u d 咎p r o d u c t i o i l ，e a s yr c a d o r 叩e m t i o i la n d c o n h d l a c c o r d i n gt ot h e s ep 0 s 坩v e 勰p c c t s ，m b rh 鹊b e e na p 怫i e dt ov a r i o u s w a s t e w a t e rt r e a t m e m s _ ht h i st h e s i s ，t h es t n l c t u r eo ft 1 1 e k e yi n t e 吼e d i a t e ，p r o d u c e dd u r i n gt h e d e g r a d a t i o no fd y e s t u 丘w 勰i v e s t i g a t e db y 璐i n gc ：b e m i c a l 卸db i o c h e m i c a l ( j 【e y e n z y m e )m e t h o d s ，i n d u d i n g m o d e mi n s t m m 朋t a l t e c h n i q u e t h e e f e c to f m 锄b r a n e _ w h i t c “) tf i l n g o u sb i o r e a c 幻ro t h cd e 擎a d a t i o no fd y 髂t l l 扛w 鹤d i s c i l 鹤e d b ya l l a l 咖gt h et 锄p a l 如ds p a t i a lv a i i a t i 叩o ft h ek c yc n z y m ea c t a 髓r 时o y e a r s e x p e r i m e n t s ，也ec o n c l u s i o n sw e 北o b t a i n e da sf 0 u a w i n g ： ( 1 ) 1 n h ep 0 s s i b m t yo fd y e s t u 舾d e 伊a d a t i o nb yp cd e p e l l d s 叩t l l e i rs m l c t i l m s h lg e n e r a l ，t h ed y e s t u 拄w j t hs i m p l em o l e c l l l cs t 埘c t u r cc o u l dd e 胂d em o r ee 髂i l y n ed e 酽a d a t i o nm t ew a sq u i c k e ri ft h ed y e s t u 簋c t a i n s c 蠲i l yd g r a d a b l e s u b s t i t l l e n t s u n d c rt h ep u r cc i l l t i l r ec o n d i t i o n ，t l l e 姗d y c si n d u d i n g 配0 b e n z e n e ， h a b ，o r a n g ei ia n dr 髓c t i v eb r i l l i a n tr e dx - 3 bc o u l db ed e c o l o r i z c db yp c 0 r a n g ei ia n dr e a c t i v cb i ! i m 锄tr e dx - 3 bw e r cd e c o l o r i z e do v e r9 0 i n7 2h o u r s w h i l et h eo t h e r s0 v e r8 0 ( 2 ) p c 缸垮h a de 氐c i v ed e g m d a t i o nt ot 1 1 ea z o b e i l z e n ed y e 咖正s a t i s 丘e d r e 蚰l t sw e r eo b t a i n e db yr e g u l a t i i l gn i t m g e ns o 吣u n d e rt 1 1 ec o n d i t i o n o fn o c x t c i m lc a r b o ns o u r c ea 玎dl i m i t e dn i t i o g c n ( 0 2 9 ，l 瑚o n i u mt 州埘e ) ，o rn o n i 纳g e n ，t h ed y e s t u f fw a s t e 曙t e rc o 删i g 缸o b e n z e n e u l db ed e c o l o r i z e db yp i c f i l n 舀 ( 3 ) w i 也o rw “h o u tc u l t i l r em e d i 啪，p cf i l n 西c o u l dd c c o l o r i z eo r a n g ei i j i i 华东师范大学2 6 年申请硕士学位论文：白腐真菌生物反应器降解染料的效果及机理分析研究 a n dx - 3 bd y e s t u f fe 如c t 主v e l y n ev a l 嘲o fc o d 髓d1 d ci nn l ce m u e n tw a t c f 妇髂e dw i t ht h ei n c r e a s i n go ft i m e ( 4 ) w j t hc u n u r cm e d i u m ，t h ed e g r a d a t i o nm t eb a d9 0 0 dr e l a l i o n s h i pw i t ht h e a c t i v i t yo fm n pe 皿y m c ，w h i c hs h o w e dt l i a tw h i t er a l 缸n g o u sk e ye m 可m ep l a y e da k e ym l ei i lt h ed e 舯d a d 叫o fd y c s t u 正 ( 5 ) “l i n ew 雒d e t e c t e di t h ed e 笋a d e ds o l u t i o n so f 北0 b e 皿e 卸d o l 乙a n g e nc o u l db e n d u d e dm a tt h eb m k c n 配ob o n dj nt h em o l e c u l e so f 北o b c 皿锄ea n d0 】地n g el id y e s t u f fb yp cf l l n 百l e dt on 坨d e f a d a t i o n a n i l i n ei s 觚i m p o n a i l ti n t e m e d i a t ed u 渤gd e 掣a d a t i o n ( 6 ) 1 1 l ed y c 丽t l ll a w e r n n t r a t i o n u l db er 锄o v e dm o r ce 嬲i l y 1 k w a s t e w a t e rw i t hh i g hc o n c e n t r a t i o no fd y em a yh a v eh i g ht o x i c i t y0 nw h i t er o tf u n 百， w h i c hd e c r c 踮e dt h e e 伍d e c y o ft h e r c m o v a l a c f d i n g t 0t h er e s i l l t s ，t h e d e c o l o r i z a t i o nr a t ed e 黜越e d 勰f o l l o 丽n g ：o 刚m g ei i r c a c c i v eb r i i l i 衄tr c dx 3 b a z o b e n z e n e t 1 l eq u a l i t ya n ds t a b i l i t yo fe 用u e n tw e r ei m p r o v e d b yu s i i l gh o l l o w h ”e 击l t r a t i o nf i b m u sm e 瑚【b r a n e ( 7 ) t h ed y e s t u 熄w i t hi o w0 0 n c e n t r a t i o n u l di n d u c et h ea d i v i l yo fm n pa t t h eb e 西m l i n go fr c t i o n ，w l l i l et h ed y e s n l f e 、v i t hh i g h 咖o c n t 珀t i 衄h a di n h i b i t i f i l n c t i o n w i t ht h ei n c r e a s i go ft i n ”，t h ee n z y m ea c t i v i t yr e v 鲫e d 舯d u a l l y ( 8 ) m e m b r a n e w l l i t er o tf 1 1 n g o u sb j o r c t o rs h a w e d 明t i s f i e de 饪b c to n d e g r a d a t i o nw h e ni tmc o m i n u o u s l y t h e r ew 嬲9 0 0 dr e l a t i o 璐h i pb e t w e e n 恤 e 伍c i e n c yo f t r e a 舡n e n t a n d t h e 孕o w t ho f 缸舀 k e y w o r d s ：w h i t em tf l l n g l l s ；m e m b m e - w 硫em tf i l n g o u sb i o r e a c t o r ；d y e s t i l f f w 鸱t e w a t e r ；d e c o l o r a t i o n ；b i o d e g m d e ；l t e r m e d i a t ed e 粤m d a t i o np m d u c l 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名； 至叁：聱 日期： 学位论文授权使用声明 。一6 1 本人完全了解华东师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版。有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论 文进入学校图书馆被查阅。有权将学位论文的内容编入有关数据库进 行检索。有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在 解密后适用本规定。 学位论文作者签名： 瘩竿 日期：塑! ： 导师签名； 日期： w6 j 譬 华东师范大学2 0 0 6 年申请硕士学位论文；自腐真菌生物反应器降解染料的效粜及机理分析研究 第一章前言 1 研究目的与意义 以合成染料为代表的有机高分子化合物对物理、化学及生物降解( 转化) 具 有强烈的抗性，这些难降解性污染物会引发一系列的环境与生态问题。其中染料 化工废水具有色度高、c o d 高、盐度高、毒性高、b c 低的“四高一低”基本特 点，经济有效地处理染料化工废水一直是国内外环保工作者的研究热点和急需攻 克的技术难题。活性染料是新型染料的重要类别，其产量逐年增加。与其他合成 染料相比，活性染料废水的处理难度更大，因此活性染料废水处理是染料化工污 染治理的重中之重，研发并应用高效、经济的处理技术已经成为当务之急【1 删。 自2 0 世纪9 0 年代以来，白腐真菌对持久性有机污染物的高效降解特性引起 了环保界的浓厚兴趣和广泛关注。国内外已有许多实验研究报导证实白腐真菌对 染料生产废水具有良好的脱色、降解效果。 开放式白腐真菌生化反应器处理染料废水过程中，受外源调控等因素的影响 其微生物多样性、关键酶的组成及活性、污染物转化途径及效率都可能会发生变 化。研究这三种变化及其与影响因子( 外源调控条件) 之间的关系，成为了解白腐 真菌生化反应器处理染料废水的内部本质进而优化调控条件的关键所在。 染料成分的复杂以及现有分离与分析测试技术条件限制了对染料降解机理 和历程的研究。而现代仪器分析技术在工业废水处理中的应用则突破了这一限制 1 9 l 。国外常常以结构简单的染料为对象，运用h p 【c ，g a m s ，翔】旧m s 和h 1 r 等方法对染料降解的中间产物和终产物进行分析，来研究染料降解机理和历程 1 1 0 1 1 】。国内一般仅仅通过测定色度、c o d 、t o c 和c 0 2 等无机离子产物来表现 处理方法的效果与可行性，而对染料降解历程的深入研究还很少 协1 4 l 。 本论文以常规的理化( 水质) 和生化( 关键酶) 分析手段，结合现代仪器分析技 术为研究手段，通过对染料降解过程中主要中间产物的物质结构分析结合关键酶 活性的时空变化，研究了白腐真菌生物反应器降解染料的效果及初步产物分析。 期望本研究能对白腐真菌处理染料废水的工程化应用具有实际指导价值，对 外源调控与染料废水脱色、降解内在关系的分析具有较重要的理论意义。 本论文研究是国家自然科学基金项目白腐真菌生化反应器处理染料废 水及调控( 5 0 2 7 8 0 3 4 ) 研究工作的一部分。 华东师范大学2 6 年申请硕士学位论文：白腐真菌生物反应器降解染料的效果及机理分析研究 2 国内外研究现状综述 2 1 染料废水危害性及其处理方法简介 目前，世界每年生产的染料有1 0 0 ，0 0 0 种，产量为7 0 0 ，0 0 0 吨【1 5 1 。中国 是染料生产大国，其每年生产的染料达1 5 0 ，0 0 0 吨f 圳。染料在生产过程中大约 有1 0 1 5 会随废水的排放而流失【翔。据报道，某些染料在自然水体中的浓度 超过1 g l 时，就会影响水体的透明度、破坏水体的景观、降低水体的溶氧量， 许多台成染料( 如偶氮染料) 还具有较高的生物毒性1 1 8 - 2 0 】。所以，未经妥善处理的 染料废水进入水体将会造成严重的环境污染和生态破坏。 从染料化工企业排放出的染料废水具有“四高一低”的特点，因此，与许 多其他有机工业废水相比，染料废水的处理难度更大、技术更复杂、工艺流程更 长。处理染料废水的方法主要有物理法、化学法、生物法三大类【2 1 删。 其中物理法、化学法处理技术有吸附、混凝沉淀、化学氧化、离子交换、 超滤膜、电化学等技术( 参见表1 1 ) 。生物处理技术主要有活性污泥法、生物膜 法及厌氧生物法等。 表1 1 染料废水的处理方法 物理法吸附法、沉淀法、浮选法、絮凝法、凝结法、泡沫分馏法、反渗透法、超滤法、 电离辐射法、焚化法 化学法 化学中和法、化学还原法、氧化法、电解法、离子交换法、臭氧氧化法 生物法稳定池、氧化塘、滴滤池、活性污泥法、厌氧消化法 虽然这些方法通过长期的应用和实验证明对染料废水的处理的确具有一定 的效果，但它们各有利弊，均不能称为最佳方法，如物理法的费用太高：化学法 存在较明显的二次污染等；与之相比，生物法则是经济有效、可被广泛接受的环 保处理方法，不仅价廉，而且二次污染少，符合可持续性发展的需要。但传统的 生物处理法由于染料的可生化性差且存在较强的生物毒性，不能或很难被生物完 全降解，且生成的中间产物结构复杂，往往具有毒性或致癌性，从而使其处理染 料废水效果不佳。因此，寻求一种更安全、更有效、更彻底，也更价廉的染料废 水处理技术则成为当务之急。 白腐真菌是一类对包括染料在内的持久性有机污染物有高效降解作用的功 能性微生物。白腐真菌处理染料废水技术是近年来国内外环保界关注的热点。它 2 华东师范大学2 0 0 6 年申请硕士学位论文：白腐真菌生物反应器降解染料的效果及机理分析研究 能通过白腐真菌所分泌的特殊的降解酶系或其他机制将各种人工合成的染料彻 底降解为c 0 2 和h 2 0 ，对脱色具有良好的效果。许多研究结果表明，白腐真菌 对其他许多结构不同、高毒性、危险的、难降解的有机化合物也有良好的降解功 能，可用来处理含有这些有机物的造纸污水、t n t 废水等【2 5 啦】。 2 2 白腐真菌降解染料的研究 研究表明，白腐真菌对染料的降解主要是由其分泌的酶系共同作用的结果。 自2 0 世纪8 0 年代以来，人们相继从白腐真菌中分离出木质素降解酶( 简称木素 酶，下同) 。目前，研究得较多，并认为最为重要的木素酶有3 种，即木质素过 氧化物酶( u 弘i np e m x i d a ，简称u p ，下同) 、锰依赖过氧化物酶( m a g 蛆鹪e p c f o x i d 硒e ，简称m n p ，下同) 和漆酶( l a c c 硒e ，简称l a c ，下同) ，分别代表一 系列的同功酶。不同白腐真菌其木质素降解酶系的组成有很大的差异，它们大体 可分为3 种类型f 2 蚓：( 1 ) 木质素过氧化物酶一锰过氧化物酶，如p n 竹e r d c 口b 把 c 叫m 妒r f 聊z ；( 2 ) 漆酶一锰过氧化物酶，如上棚嘲舡口鲥棚胁，n 押淞如而l 淞； ( 3 ) 木质素过氧化物酶一锰过氧化物酶一漆酶，如c 口r f d h gv e 昭 ”，p 捌口 阳踟招。但是这种划分并非绝对，不同营养源和一些诱导物的加入等均会在3 种酶的产生上发生不同的扶抑作用。 除了上述3 种重要的酶外，其它如细胞内的葡萄糖氧化酶和细胞外的乙二醛 氧化酶，它们在分子氧的参与下氧化污染物并形成h 2 0 2 ，激活过氧化物酶而启 动酶的催化循环。此外，还有芳醇氧化酶、酚氧化酶、葡萄糖氧化酶、过氧化氢 酶及还原酶、甲基化酶、蛋白酶等，这些酶也是白腐真菌降解系统的重要组成【3 1 】。 国内外研究者探索了黄孢原毛平革菌对各种染料的降解能力。b u m p u s 3 2 】和 g o s z c y l l s 虹【3 3 l 等人分别利用黄孢原毛平革菌降解结晶紫和自制磺化偶氮染料，获 得了良好的效果。y h 一3 4 l 等人在固定薄膜反应器中使用固定化黄孢原毛平革菌 处理分散红5 3 3 ，使用这种系统，每次脱色的过程可连续地进行1 0 2 0 d 或者更长 时间，而且脱色率保持在8 0 以上( 最初染料浓度为1 0 0 2 5 咖1 9 ，l ) 。 z h 锄g 等【3 5 l 利用3 种生物反应器( 连续流固定床生物反应器和间歇加料流化 床生物反应器、连续流流化床生物反应器) 处理含1 0 0 0m g l 橙i i 的废液，发现间 歇进水流化床处理效果最好，且固定化白腐菌1d 脱色率就达9 7 ，菌体可持续 性利用两个月。p a l i n a 等【3 6 】用白腐真菌和厌氧细菌联合构建脉冲固定床生物反应 华东师范大学2 6 年申请硕士学位论文：自腐真菌生物反应器降解染料的效果及机理分析研究 器，对聚合染料p o l y r 一4 7 8 的降解率为7 0 ，菌体可持续利用1 0 0 d 【3 7 】。 在白腐真菌对染料的脱色过程中，尽管菌丝体的吸附脱色、木质素降解酶的 降解脱色同时存在，但许多实验研究结果表明：菌丝体吸附作用去除的染料色度 仅占有很小的一部分，黄孢原毛平革菌对染料的降解主要是靠木质素降解酶的降 解作用完成的。虽然u p 和m n p 都可以对染料进行脱色，但这两种酶的脱色性 能有所差异。p a s t i 【3 8 】分别测定了黄孢原毛平革菌产生的u p 和m n p 对2 2 种偶氮 染料的降解速率，发现针对不同染料两者的降解能力各有优劣。大多报道认为染 料的脱色是多种酶共同作用的结果，u p 和m n p 所代表的是一系列的同功酶。 在o i p p s 等p 9 】的实验里也发现，当分别用黄孢原毛平革菌的培养液和纯u p 的 粗酶液对染料脱色时，培养液的脱色效果明显好于粗酶液，说明染料脱色过程中 其它酶也起到了降解作用。 w o n g 等【柏】认为m 坍d 部v e 邶 口，所产漆酶对不同染料的降解机制取决于 染料的结构，蒽醌染料可直接被酶氧化，而靛青染料和偶氮染料则是通过一些小 分子的代谢产物参与酶和染料之间的反应：而h 由n 崦等【4 1 l 从研e ，妇h 如糟口幽s 缸 和脓“，口f l 坫盯 豇发酵液中获得一种不同于珊曲缃曲口e 据曲御d r f “m 产生 的m n p s ，它不需要n 缸2 + 就可氧化芳香族化合物及某些染料类，发酵液中加入藜 芦醇也不促进脱色，反之，m n 2 + 的加入还会抑制脱色；另外，v y a s 等 4 21 利用麦 秆进行p 妇r o n 啊砸打即n 蜉发酵时，产生一种r c m 北o l 亮蓝( r b b r ) 脱色酶，它 不同于其他木质素降解酶类，不需要m n “和藜芦醇，并具有一个金属催化中心， 可被许多氧化酶抑制剂所抑制。 一般来说，限氮培养有利于染料脱色。c 却p s l 3 9 】发现限氮培养的脱色速度明 显比富氮培养快。而且菌种本身对染料的脱色效果有很大影响。勋a p p 等i 叫用黄 孢原毛平革菌的7 株不同菌株对多种染料进行脱色，发现不同菌株对同种染料的 脱色能力不同。他们研究了7 种不同真菌对4 种不同染料的脱色情况，发现虽然艳 黄和大黄酚有几乎相同的结构，但是艳黄却比大黄酚容易脱色得多，他们认为很 小的结构差别在脱色效果上就可以引起很大的差异，这可能与染料的电子分布、 电荷密度及空间构形有关，并且发现脱色效果并不取决于染料的发色基团及特征 性结构，而是取决于助色基团。染料的浓度也对色度的去除有一定的影响， z h 柚g 【6 5 垮发现随着染料浓度的增加，脱色率有降低的趋势。y o u g 和y u l 6 6 l 也报 4 华东师范大学2 0 0 6 年申请硕士学位论文：白腐真菌生物反应器降解染料的效果及机理分析研究 道了较高的染料浓度可以使脱色降低。 国内对黄孢原毛平革菌处理染料废水的研究还处于起步阶段。唐婉莹等j 用黄孢原毛平革菌处理分散染料废水，发现该菌对染料废水的水质变化适应能力 强，脱色效果好，但对c o d 的去除率不高，所以还需与絮凝等物化方法相结合。 何德文等1 4 5 】发现黄孢原毛平革菌在处理分散染料废水时c o d 呈波浪式下降，推 测是因为废水中含多种芳香族化合物，不能被完全氧化而显示出较低的c o d 值， 随着生化降解逐步进行，大分子葸醌开环、断链生成易被氧化的链状物质，测得 的c o d 值升高，接着链状物质逐渐被氧化，测得的c o d 值也随之下降。张朝 晖m 用含有木质素过氧化物酶的酶液进行酶降解酸性卡布龙红的动力学研究， 推导出酶降解卡布龙红的反应速率方程式为有底物抑制的双底物乒乓动力学方 程，同时证明菌丝体也有一定的脱色能力。李慧蓉等【4 7 l 研究了黄孢原毛平革菌 对多种染料的降解，考察了各种培养参数对染料的脱色和降解的影响，包括菌种、 培养方式、染料类型、缓冲液种类和藜芦醇浓度等。并且观察到染料降解过程中 培养液的最大吸收波长向短波方向显著移动，说明有新的有色中间产物形成。 2 3 白腐真菌生物反应器降解活性染料的研究 2 3 1 生物膜技术 以活性污泥挂膜的生物膜及其特性的研究已经取得了大量的研究成果 【柏，4 9 】，并在环境治理中已经获得了瞩目的应用效果。白腐真菌处理染料的研究可 以结合白腐真菌生物技术的特殊性f 主体微生物不同以白腐真菌为主i 删、微 观构造不同以丝状微生物为主例、关键酶体系不同以木素酶为主【5 1 j 2 l 、 催化反应类型与性质不同_ 胞外的f c n c o n 化学反应1 5 3 。5 5 】、要求的环境条件不 同【蹦2 j 等) 和废水处理生物膜研究成果进行综合研究。 2 3 2 膜一生物技术 膜生物反应器( m b r ) 是一项膜分离技术与生物反应器相结合的新型污水处 理技术，该工艺与传统废水生物处理工艺相比，具有出水水质好、设备占地面积 小、活性污泥浓度高、剩余污泥产率低和便于自动控制等优点，在污水阐用和难 降解有机废水处理领域有很好的应用前景【5 6 】。 膜生物反应器最早用于制取生物酶制剂工业中。膜技术在传统生物处理装置 中的应用提高了废水处理效果，膜一生物反应器的优点已经水处理界的认同，并 5 华东师范大学2 0 0 6 年申请硕士学位论文：白腐真菌生物反应器降解染料的效果及机理分析研究 在难降解有机工业废水的处理中获得了良好的效果。吴志超等曾采用分置式好氧 m b r 研究了对巴西基酸生产废水的处理效果，并和常规生物工艺进行了对比阳， 结果表明，m b r 有着产泥量少，污泥活性好，能有效提高难降解有机物的去除 效率等优点。韩怀芬等人采用管式惦r 处理造纸废液，原水c o d 为9 0 0 1 3 0 0 m 虮。，通过混凝沉淀后进入反应器，出水可达一级排放标准【5 舯。同时，有 学者研究了厌氧船r 对工业废水的处理效果。例如，何义亮等对高浓度食品废水 进行处理f 5 9 1 。管运涛对造纸黑液配制废水进行处理，这些研究都是基于m b r 中 膜的无选择性截留的特性，膜组件使反应器内活性污泥一直保持高水平。提高了 处理效率( 污染物的负荷率和去除率) ，同时膜的截留作用使大分子有机物和难 降解有机成分能在生物反应器内有足够长的停留时间，保证了出水的质量和稳定 性。 膜一生物技术在白腐真菌处理染料废水中的应用可望获得如下结果： 膜能够有效地分离去除反应器出水中的致浊物质( 主要是真菌的孢子和 菌丝片段【剐1 ，以获得优质出水： 可以根据白腐真菌菌体生长、产酶( 需要诱导条件，关键酶主要分布在 胞外) 、酶促反应( 需要介体) 的特异性，通过膜材料的选择将白腐真菌的生长、 产酶与酶促反应在空间上进行分隔构建膜一白腐真菌反应器并进行调控优化，可 望优化废水处理效果。类似做法已经应用于生物制浆，并行之有效。 宏观共代谢技术 序贯式厌氧一好氧生物处理系统将生物膜的不同微区( 表层好氧一内层厌氧) 在宏观上进行分离以优化共代谢体系的构建，被证明是一种有效的做法，在膜一 白腐真菌反应器处理染料废水时可以借鉴这些成功的研究经验。 如上所述，膜一白腐真菌生物反应器处理活性染料废水的研究已经具备相关 的研究基础和技术手段。膜一自腐真菌生物反应器体现了白腐真菌生物技术( 对难 降解有机污染物的高效转化效果，耐毒性强) 、生物膜技术( 对不良环境条件抗性 较高，生物量大，自身构成内源共代谢体系，有利于白腐真菌产酶，微生物固着 生长有利于沉泥分离和克服悬浮生长时真菌孢子对出水质量的影响) 、膜分离技 术( 将菌体、关键酶和高分子有机物阻留在反应器局部空间有利于提高污染物的 转化效果，最大限度地提高出水质量) 、现代仪器分析技术( 突破了染料成分的 6 华东师范大学2 0 0 6 年申请硕士学位论文：白腐真菌生物反应器降解染料的效果及机理分析研究 复杂性对染料降解机理和历程的研究限制) 四方面的优点，这种新型生物反应器 还可以采取灵活的组合运行方式以达到优化染料废水处理效果的目的。另外，活 性染料的某些生产原材料和反应过程的中间体( 氨基萘酚磺酸、芳二胺、三聚氯 氰、丁酸、二元胺、间乙酰氨基苯胺、吡唑啉酮、尿素、氨基苯磺酸) l 椰j 都有可 能充当白腐真菌关键酶的诱导物或酶促反应的介体。可以预见膜一白腐真菌生物 反应器处理实际活性染料废水在前期工作基础上可望取得预期的研究结果。 3 研究内容和拟解决的关键问题 3 1 研究内容 出水水质常规理化指标( 脱色率、t o c 、c 0 d 、t n ) 及其动态变化分析； 木素酶活性及其动态变化分析； 探索并完善样品的萃取分离方法； 染料降解过程中主要中间产物的物质结构分析： 进行u v _ s 分析研究，依据特征性吸收峰的位移及峰值变化分析染料的降 解效果； 进行g c 、h p l c 技术研究，分析可能的降解产物； 采用g c m s 联用仪分析处理后的中间降解产物； 结合其他研究结果进行综合分析。 3 2 拟解决的关键问题 考察白腐真菌生物反应器对染料降解的效果及酶活性变化； 建立一套针对白腐真菌生物反应器中考查染料降解历程的研究方法； 初步分析白腐真菌生物反应器处理染料废水过程中染料降解可能的动态变化 规律，探讨这种变化与微生物代谢之间的相互关系。 7 华东师范大学2 0 0 6 年申请硕士学位论文：白腐真菌生物反应器降解染科的效果及机理分析研究 4 技术路线和实验方案 8 华东师范大学2 0 0 6 年申请硕士学位论文：白腐真菌生物反应器降解染料的效果及机理分析研究 第二章白腐真菌生物反应器构建及染料废水处理预研究 l 引言 通过本阶段的研究，研究新型白腐真菌生物反应器的构建及试运行方法，综 合降解效果确定实验用染料种类，为进一步开展染料废水的处理效果及降解机理 研究做好准备工作。 2 染料的筛选 不同浓度的染料对黄孢原毛平革菌的降解功能可能有一定的影响。一般来 说，浓度低的染料较易被降解【1 ，删，6 1 6 2 1 。已经报道的实验研究也都集中在低浓 度染料废水的脱色降解处理4 7 j 3 j 4 4 1 ，吲。黄孢原毛平革菌对各种类型的染料降 解难易程度也各不相同。一般来说，结构简单的染料比结构复杂的易降解( 如单 偶氮比双偶氮易降解) 。染料分子结构中如果含有一些易降解的取代基则降解速 度也较快。偶氮染料脱色降解的最初步是偶氮键的断裂，其难易程度决定于芳香 环区域的作用基团的均一性、数量和位置以及由此引起与偶氮键相关的相互作 用。偶氮染料的进一步降解包括芳香环的断裂，这依赖于更大范围降解所产生的 酚基、氨基酸和2 甲氧基苯酚的存在下的环形替代物的均一性【1 捌。 本节通过研究黄孢原毛平革菌摇瓶纯培养体系下对不同染料的降解效果，以 确定研究用染料种类。 2 1 材料与方法 2 1 1 试剂 均为国产分析纯级试剂。 2 1 2 试验用染料 偶氮苯，其分子式为c 1 2 h 1 0 n 2 ，分子量1 8 2 2 2 ，最大吸收峰为3 2 0 玎m ，结构 式如下： 恻囝 对羟基偶氮苯，其分子式为c 1 2 h 1 0 n 2 0 ，分子量1 9 8 2 2 ，最大吸收峰为3 5 0 n m ， 结构式如下： 毋恻心。h 9 华东师范大学2 0 0 6 年申请硕士学位论文：白腐真菌生物反应器降解染料的效果及机理分析研究 活性艳红x 3 b ( r e a c t i v e c 1 9 h l 0 0 7 n 6 s 2 a 2 n a 2 ，分子量6 1 5 3 3 ， n = n n a 0 3 s b r i l l i a mr c dx 一3 b ) ，其分子式为 最大吸收峰为5 4 0 衄，结构式如下： 橙黄( o i 认n g ei i ) ，其分子式为c 1 6 壬1 1 1 0 4 n 2 s n a ，分子量3 5 0 3 2 ，撮大 吸收峰为4 8 5 姗，结构式如下： 峨s 心恻弼 2 1 3 主要仪器 分析天平 t o c v c p h ，c 州 y p l 2 0 型电子天平 m 卜一1 踟b 型霉菌培养箱 d h z d a 型冷冻恒温振荡器 y p w i 型翅转式恒温调速摇瓶柜 u 2 8 1 0 型紫外一可见扫描分光光度计 c a r v l 0 0 型紫外一可见扫描分光光度计 2 1 4 菌种及培养条件 2 1 4 1 菌种 北京赛多利斯天平有限公司 日本京都s 卸 m a d z u 公司 上海精科天平厂 上海跃进医疗器械厂 江苏太仓市实验设备厂 上海通特电讯设备厂 日本东京日立高科技公司 澳大利亚l i i 如有限公司 黄孢原毛平革菌( 胁n 缃曲口e 把c ，) 晦d 耻 d r f “小，p c 菌) ，由所在实验室保 存。接种至s p d a 培养基，3 7 培养5 天，4 保存。 2 1 4 2 基本培养基 p d a 固体培养基( l 1 ) ：马铃薯2 0 0 9 ，葡萄糖2 0 9 ，k h 2 p 0 43 9 ，m g s 0 4 7 h 2 0 1 5 9 ，维生素b l0 0 1 9 ，琼脂2 0 9 ，p h 自然a 液体培养基( l - 1 ) ：葡萄糖1 0 9 ，酒石酸铵o 2 9 ，苯甲醇0 5 4 9 ，k h 2 p 0 42 5 6 9 ， m 醉0 4 7 h 2 00 7 1 9 ，维生素b l0 0 0 1 9 ，微量元素液7 0 m l ，1 0 n l m o 札醋酸醋酸 1 0 华东师范大学2 0 0 6 年申请硕士学位论文：白腐真菌生物反应器降解染科的效果及机理分析研究 钠缓冲液调节p h 至4 5 。 微量元素液( l _ 1 ) ：氨基乙酸0 6 9 ，m n s 0 4 h 2 00 5 9 ，n a c l l g ，f e s 0 4 7 h 2 0 o 1 9 ，c o a 2 h 2 0o 1 9 9 ，c a c l 2 2 h 2 01 5 6 9 ，z n s 0 4 7 h 2 0o 1 9 ，c l l s 0 4 5 h 2 0o 1 9 ， k a l ( s 0 4 ) 2 。1 2 h 2 00 0 1 9 ，h b 0 30 0 1 9 ，n a 2 m 0 0 4 2 h 2 00 0 1 9 。 2 1 4 3 孢予液的制备：平板内注入少量无菌水，以推棒刮下孢子粉，经过4 层擦 镜纸过滤，滤去菌丝体。所得滤出液用血球计数板计数。 2 1 4 4 基本摇瓶培养条件：5 0 0 匝l 三角瓶装液量2 0 0 m l 孢子液接种量1 1 0 6 个孢子m l j 培养温度3 7 ，转速1 5 0 r m i n 。 2 1 5 脱色方法 p c 菌摇瓶培养5 天时加入染料，以加入染料的瞬时为0 h ，每隔2 4 h 取样， 经滤纸过滤后取上清液进行紫外一可见光波段扫描，连续检测1 2 0 h 。 2 1 6 分析方法 2 1 6 1 紫外可见光扫描：c a r y l 0 0 型紫外一可见扫描分光光度计。 2 。1 6 2 脱色率的测定：出水经过过滤，在各染料的最大吸收波长下测定起始吸光 值a 1 ，每隔2 4 h 取样测定吸光值a 2 。 根据公式：染料脱色率( ) = 【( a 1 a 2 m 1 】1 0 0 2 2 结果与讨论 2 2 1 紫外一可见光谱图 2 雹田_嚣口哪l 卸 5 岛口 v t v e i e 耻t h ( r 岫) 图2 1l op p m 偶氮苯降解的紫外一可见光谱图 1 1 华东师范大学2 0 0 6 年申请硕士学位论文：白腐真菌生物反应器降解染料的效果及机理分析研究 7 2 m v a v e le n e t h ( 埘_ ) 图2 21 0 p p m 对羟基偶氮苯降解的紫外- 可见光谱图 j 朋啪5啊口l 口口 w 口l 4 h 【n m 】 图2 35 0 p p m 活性艳红x 3 b 降解的紫外一可见光谱图 华东师范大学2 0 0 6 年申请硕士学位论文：自腐真菌生物反应器降解染料的效果及机理分析研究 3 0 04 5 印0 v a m l e n c t h 妇) 7 图2 4卯聃橙黄i i 降解过程的紫外一可觅扫描光谱图 由紫外一可见光谱图可知，降解过程中四种染料废水的最大吸光值显著下 降，且特征性吸收峰发生明显位移，说明p c 菌对活性染料产生了明显的降解作 用，并有可能出现新的中间有色产物。 2 2 2 脱色率变化曲线 坌 一 粹 翘 嚣 o2 44 87 29 6 时间( h ) 图2 5 偶氮苯脱色率随时间变化曲线 圬衢：佰巧衢而巧衢0 z 乞 l l 吼8 仉 鲁：伯如加加o 华东师范大学2 0 0 6 年申请硕士学位论文：白腐真菌生物反应器降解染料的效果及机理分析研究 謇 一 糌 蛆 簦 02 44 87 2 9 61 2 0 时间( h ) 图2 6 对羟基偶氮苯脱色率随时间变化曲线 02 44 87 29 61 2 0 时间( h ) 图2 7 橙黄i i 脱色率随时间变化曲线 1 4 鲫伯印如m 0 ( ) 辟羽鬻 舌；伯如册加o 华东师范大学2 0 0 6 年申请硕士学位论文：白腐真菌生物反应器降解染料的效果及机理分析研究 s 铸 衄 翟 o2 44 87 29 61 2 0 时间( h ) 图2 8 活性艳红x 一3 b 脱色率随时间变化曲线 实验表明四种染料均有很好的脱色降解效果，其中橙黄i i 和活性艳红x 3 b 脱色率7 2 h 时可高达9 0 r 以上，另外两种也可达8 0 。考虑结构简单的染料易 于检测分析的因素，结合本课题组前期的研究工作瞄脚】本研究拟选用具有代表性 的偶氮苯、橙黄i i 和活性艳红x - 3 b 三种染料作为研究对象加以分析研究，考 查黄孢原毛平革菌处理染料废水的过程机理。 3 膜一白腐真菌生物反应器的构建和试运行 3 1 膜一白腐真菌生物反应器的构建 膜一生物反应器的构型确定：根据生物反应器与分离膜组件的关系分为：分 体式膜生物反应器和合体式膜生物反应器等。按照膜组件的类型又可以分为中空 纤维、管筒式、板式和卷式等。 分离膜的类型和材料选择：按照分离膜的孔径大小，膜材料分为微滤膜、超 滤膜和纳滤膜及反渗透膜等；依据分离膜的合成物质，膜材料有有机膜和无机膜。 微生物挂膜载体选择：按照载体材料，载体有无机载体和有机载体两种；按 照载体微观形状，常用载体有颗粒状、纤维状、网状、环状等基本类型。本实验 最终确定以组合填料为挂膜填料。 许多学者应用多种反应器( 包括搅拌式反应器、转盘式反应器、鼓泡式反应 器和气升式反应器等) 开展实验研究，考察反应器型式和反应条件对白腐真菌产 酶量及活性的影响。结果表明，有些反应器中不能合成木质素降解酶或得到的酶 伯蓦加0 华东师范大学2 0 0 6 年申请硕士学位论文：白腐真菌生物反应器降解染料的效果及机理分析研究 活很低，有些虽然能获得较高的酶活，但反应器结构较复杂p 4 椰1 ，6 7 珈l 。本论文 在前期工作川和文献调研【珏7 哪基础上拟分别对分体式和合体式生物反应器构型 进行研究，本实验以管筒式中空纤维束作为分离膜。 关于黄孢原毛平革菌降解染料的研究主要采用共培养方式，在培养开始或至 木质素降解酶活性达到最大时将染料加入培养体系共同培养，本章研究也采用这 样的实验方法，本实验系统的核心装置是由白腐真菌生物膜反应器和中空超滤纤 维分离膜组件两部分组成( 如图2 9 和图2 1 0 所示) 。 3 2 膜一白腐真菌生物反应器的试运行 本研究的实验装置拟采取连续式和序批式两种方式运行。 根据操作压力情况，膜生物反应器可以采取抽吸式、加压式和重力淹没式 运行。本研究拟采用抽吸式。 根据膜表面流动特征情况，膜生物反应器可以采取错流过滤、两相流超滤 和脉冲流