（环境工程专业论文）盐单胞菌株在高盐染料废水处理中的应用研究.pdf

大连理工大学硕士研究生学位论文 摘要 高含盐偶氮染料废水生物脱色过程中的2 个瓶颈：1 高盐度常会导致细胞失活或者 胞浆分离，造成传统的好氧和厌氧生物处理方法只有较低的c o d 去除率；2 偶氮染料 的厌氧生物还原耗时长，需要长时间的反应。因此，开拓能够耐受高盐而且可以快速降 解偶氮染料的生物处理系统就成为染料废水处理中亟待解决的问题。 本论文的研究目的是考察1 株新分离的盐单胞菌属菌株g t w ( h a l o m o n a ss p g t w ) 对高盐染料废水的降解特性，并对菌株进行生理生化及1 6 sr d n a 分子鉴定，考察其生 长特性及降解偶氮染料的特性；同时，利用该菌株和氧化还原介体构成的系统，探究一 种耐盐微生物和氧化还原介体联合操作的新方法，对溴氨酸和固定化葸醌对偶氮染料生 物脱色的促进作用进行了研究。 耐盐菌株g t w 是高效的偶氮染料降解菌，结合中国科学院微生物所的生理生化鉴 定及本实验对菌株g t w 的形态观察、1 6 sr d n a 序列分析，菌株g t w 归属h a l o m o n a s 菌株。菌株g t w 已作为专利菌种保存于中国普通微生物菌种保藏中心，注册编号为 c g m c c1 5 2 7 。 实验中首先考察了g t w 的生长和降解偶氮染料k - 2 b p 的基本特性。菌株g t w 对 链霉素和卡那霉素不敏感，具有抗性，对其它所试抗生素均无抗性。菌株g t w 可以在 盐度为o 5 3 0 条件下生长，在盐度为1 5 条件下最适宜生长条件为：温度3 0 ，p h 值为7 2 7 5 。g t w 对偶氮染料脱色最适宜温度为3 0 ，p h 为7 2 7 5 。在高盐条件下 不仅对k 一2 b p 具有较高脱色效果，对其它所选的1 2 种染料也具有较好的脱色效果。同 时对耐盐菌在复合高盐条件下对偶氮染料生物脱色进行了研究，主要考察n a 2 s 0 4 的加 入对脱色反应的影响以及对反应体系中氧化还原电位o r p 的影响，结果表明：n a 2 s 0 4 的加入使脱色反应更易进行；生物对偶氮染料的厌氧脱色过程中，o r p 是一个很重要的 参数，只有o r p 下降到一定程度，才发生脱色现象，且脱色过程维持在一定范围内。 由于染料分子较低的氧化还原电位，复杂的结构和空间阻碍使得还原断键反应成为 偶氮染料整个矿化过程的限速步骤。还原供体从最初电子供体( 共代谢物) 到最终电子 受体的传递( 偶氮染料) 通常是厌氧偶氮染料还原的控制步骤，降解时间较长。人工氧 化还原介体的加入可促进偶氮染料厌氧生物脱色。实验中考察了氧化还原介体溴氨酸对 偶氮染料的生物促进作用，并首次进行了非水溶性蒽醌固定化技术对偶氮染料生物降解 促进作用研究。结果表明：溴氨酸和固定化葱醌投入反应系统，可提高偶氮染料生物厌 氧脱色速率1 5 - 5 倍和降低偶氮染料脱色过程氧化还原电位一1 0m v 到一2 5m v ，且对偶 田存萍：盐单胞菌株在高盐染料废水处理中的应用研究 氮染料脱色的促进作用有一定的广谱性。实验结果已经表明这种氧化还原介体和耐盐菌 生物联合处理偶氮染料的新技术在废水处理中有着广泛的应用前景。 关键词：高盐废水：盐单胞菌：染料脱色：氧化还原电位；氧化还原介体 大连理工大学硕士研究生学位论文 d e c o l o r i z a t i o no f d y ew a s t e w a t e rw i t hh i g hs a l tc o n c e n t r a t i o nb y h a l o m o n a ss p g t w a b s t r a c t e v a l u a t i o no ft h el i t e r a t u r eo na n a e r o b i c a e r o b i ct r e a t m e n to fa z od y e sr e v e a l e sp o s s i b l e b o t t l e n e c k s ：( i ) h i 曲s a l i n i t yo ft h ed y ew a s t e w a t e r su s u a l l yc a u s e sp l a s m o l y s i sa n d o rl o s so f a c t i 、i t vo fc e i l s a n ds o m et r a d i t i o n a la e r o b i c a n da n a e r o b i c - b i o l o g i c a lt r e a t m e n t si nl o w c o dr e m o v a lp e r f o r m a n c e ；a n d ( i i ) a n a e r o b i ca z od y er e d u c t i o ni sat i m e c o n s u m i n gp r o c e s s ， r e f l e c t e db yt h er e q u i r e m e n to fl o n gr e a c t i o nt i m e s h e n c e ，t h e r ei sc l e a r l yan e e df o ra s a l t - t o l e r a n ta n de f f i c i e n tb i o t r e a t m e n ts y s t e mf o rt h er e m o v a lo fd y ew a s t e w a t e r sw i t hh i 吐 s a l tc o n c e n t r a t i o n t h ep u r p o s eo ft h i sd i s s e r t a t i o ni st oi n v e s t i g a t ec h a r a c t e r i s t i c so fan e w l yi s o l a t e d h a l o m o n a ss p g t ww i t ht h ea b i l i t yt od e g r a d ed y ew a s t e w a t e ra th i 曲s a l tc o n c e n t r a t i o n t h ep h y s i o b i o c h e m i c a la n d1 6 sr d n am o l e c u l a ri d e n t i f i c a t i o na r ec a r r i e do u t t h e c h a r a c t e r i s t i c so fs t r a i ng t wg r o w t ha n da z od y e sa i - ea l s oi n v e s t i g a t e d m e a n w h i l e ，t h e e x p e r i m e n t sa r ec o n d u c t e dt oe x p l o r et h en e wi n c o r p o r a t i o nb i o t r e a t m e n tt e c h n o l o g y “o fb a a n di m m o b i l i z e da n t h a n q u i n o n ea st h ea l t e r n a t i v er e d o xm e d i a t o rt od e g r a d ea z od y e sb y h a l o m o n a ss p g t w s t r a i ng t wi sa ne f f i c i e n ta z od y e s d e g r a d i n gs t r a i n i ti si d e n t i f i e da sh a l o m o n a sb a s e d o r lm o r p h o l o g i c a la n dp h 5 7 s i o b i o c h e m i c a lc h a r a c t e r i s t i c sa n d16 sr d n as e q u e n c ea n a l y s i s s t r a i ng t wi sd e p o s i t e da sap a t e n ts t r a i ni nc h i n ag e n e r a lm i c r o o r g a n i s mc u l t u r ew i t ht h e a c c e s s i o nn u m b e rc g m c c l5 2 7 t h ec h a r a c t e r i s t i c so fs 仃a i ng t wg r o w t ha n dk 一2 b pd e g l a d 【a t i o na r ei n v e s t i g a t e di n o r d e rt o l a y af o u n d a t i o nf o rn e x t e x p e r i m e n t s s t r a i ng t wi sr e s i s t a n tt o s t r e p t o m y c i n c a n a r n y c i na n ds e n s i t i v et oo t h e ra n t i b i o t i e s s t r a i ng t wc a nt o l e r a t et h e c o n c e n t r a t i o no fo 5 3 0 n a c lb yt h ea c e l i m a t i z e dp r o c e d u r ea n dd e c o l o r i z et h e13s e l e c t e d d y e sw a s t e w a t e rw i mh i m ls a l tc o n c e n t r a t i o ni na n a e r o b i cc o n d i f i o n s t h eo p t i m a lc o n d i t i o n s f o rb e t hg r o w t ha n dd e g r a d a t i o na t1 5 s a l tc o n c e n t r a t i o na r ea sf o l l o w s ：p h7 2 7 5 t e m p e r a t u r e3 0 m e a n w h i l e t h i sw o r ki sc o n d u c t e dt os t u d yt h ed e c o l o r i z a t i o no fk 2 b p b yg t w a td i f f e r e n tn a c ia n dn a 2 s 0 4c o n c e n t r a t i o n s ，a n dt h ec h a n g ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e o x i d a t i o n r e d u c t i o np o t e n t i a l s ( o r p ) 惭mt h ed e c o l o r i z a t i o no fk 一2 b pa td i f f e r e n tm i x e ds a l t c o n c e n t r a t i o n sa r ea l s os t u d i e d t h er e s u l t ss u g g e s tt h a tg t h a sag o o da b i l i t yt ol b e d e c o l o r i z a t i o no f k 2 b pa td i f f e r e n tm i x e ds a l tc o n c e n t r a t i o n s a n dt h eo r pi se l e v a t e dw h e n 田存萍：盐单胞菌株在高盐染料废水处理中的应用研究 n a 2 s 0 4i sa d d e dt ot h es y s t e m f u r t h e r m o r e ，a z od y e sa r er e d u c e db ym i c r o o r g a n i s m so n l y w h e nt h eo r pv a l u e sd e c r e a s et h ec e r t a i nl i m i t sd u r i n gt h ed e c o l r i z a t i o np r o c e s s e s t h ec l e a v a g eo ft h eo z ob o n di st h ei i m i t e ds t o ft h em i n e r a l i z a t i o np r o c e s s e sb e c a u s e o ft h el o wo x i d a t i o n r e d u c t i o np o t e n t i a l sa n dc o m p l e xs t r u c t u r e t h e n ，t h es h u t t i n ge l e c t r o n s f r o mt h eb i o l o r g i c a lo x i d a t i o no f p r i m a r ye l e c t r o nd o n o r so rf r o mb u l ke l e c t r o nd o n o r st ot h e e l e c t r o n a c c e p t i n ga z oa y ei st h ec o n t r o l l e dr e a c t i o no fa n a e r o b i ca z oa y er e d u c t i o n ，w h i c h c a u s e st h ep r o c e e d sr e l a t i v e l ys l o w h o w e v e r ，t h i sp r o b l e mc a r lb eo v e r c o m eb yu s i n gt h e a r t i f i c i a lr e d o xm e d i a t o rw h i c hs p e e d su pt h er e a c t i o nt r i t e t h ee x p e r i m e n t si n v e s t i g a tt h e a c c e l e r a t i n ge 仃e c to fb aa n di m m o b i l i z e da n t h a n q u i n o n e a sar e d o xm e d i a t o ri nt h e b i o d e c o l o r i z a f i o n i ti so b s e r v e d1 h a t 血ea r t i f i e i a lr e d o xm e d i a t o rb aa n di m m o b i l i z e d a n t h r a q u i n o n ea r ef o u n dt ob ee x t r e m e l yp o w e r f u lc a t a i y n s ，c a p a b l eo fr a i s i n gt h e1 5 2f o l d r e a c t i o nr a t e t h es t a b i l i z e do r pv a l u e sw i mb aa n di m r n o b i l i z e da n t h r a q u i n o n ea r el o w e r a r o u n d 一1 0 一2 5m vt h a nt h ec o n t r o l s i ti sa l s od e m o n s 仃a t e dt h a tt h ea d d i t i o no f t h eb aa n d i m m o b i l i z e da n t h a n q u i n o n ei n c r e a s e dt h er e d u c t i o nr a t e so fa l la z od y e st e s t e d t h e r e f o r e t h e n e wi n c o r p o r a t i o nb i o t r e a t m e n tt e c h n o l o g yo fb aa n di m m o b i l i z e da n t h a n q u i n o n ea st h e n t e r n a t i v em e d i a t o r 诵t ht h es a l t - t o l e r a n tb a c t e r i ai sag r e a ti m p r o v e m e n ti nt h eb i o - t r e a t m e n t t e c h n o r g yo f d y ew a s t e w a t e r k e yw o r d s ：h y p e r s a l i n ew a s t e w a t e r ；h a l o m o n a s ：d y ed e c o l o r l z a t i o n ；o x i d a t i o n - r e d u c t i o np o t e n t i a l ( o r p ) ；r e d o xm e d i a t o r i v 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：显出蟊 日期：塑：兰：些 大连理工大学硕士研究生学位论文 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电子版，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：旆作者签名：型堂! 圣盥 导师签名：闼宴! 盔 塑年且月止日 大连理： 大学硕士研究生学位论文 1 文献综述 人工合成的染料品种繁多、结构复杂、化学稳定性好，生物可降解性差，多数染料 具有“三致”作用，是重要的环境污染物。染料和印染废水排放入水体，不但造成水环境 的严重污染，而且由于渗透或淋溶作用，会对地下水及地表水造成次生污染，引起农业 生态环境的破坏i 更为严重的是，污染物可通过饮用水或土壤一植物系统，由食物链进 入人体，直接危及人类健康。随着环境法制力度的加强，越来越多的企业力求有效的废 水修复技术。而有关染料废水有效处理及其对环境、人体影响的研究则成为许多环保工 作者的重要课题。染料和印染废水是最难处理的工业废水之一，其脱色和降解成为研究 的难点和热点。 在实际使用的染料中，偶氮染料是重要的一种，其数量比例在5 0 以上，因此在染 料降解和脱色研究中，偶氮染料的研究备受重视【”。近年来，生物法处理偶氮染料废水 备受重视。但是在染料生产盐析工艺和染色过程中，用到大量的无机盐诸如硝酸钠、硫 酸钠和氯化钠等，而且氢氧化钠也被广泛用来调节p h 值，因此造成染料废水中含盐量 高达1 0 2 0 【2 】，是典型的高含盐工业废水之一。高盐会造成细胞原生质分离细胞失活， 而且对于传统生物处理系统，高盐进水必须脱盐或稀释到不影响微生物活性方可操作， 但用淡水稀释也会增加废水体积。因此，研究耐盐微生物对偶氮染料生物降解技术具有 广阔的应用背景和前景 3 ，”。同时耐盐菌和嗜盐菌在自然界的存在，为生物法处理高含 盐废水提供了理论和实际应用的可能。 但是，由于染料分子较低的氧化还原电位，复杂的结构和空间阻碍使得还原断键反 应成为偶氮染料整个矿化过程的限速步骤【5 1 。还原供体从最初电子供体( 共代谓 物) 到 最终电子受体的传递( 偶氮染料) 通常是厌氧偶氮染料还原的控制步骤，降解时间较长 【6 。因此寻求一种在高盐条件下快速降解偶氮染料的系统就成为亟待解决的问题。 田存萍：盐单胞菌株在高盐染料废水处理中的应用研究 1 1 高盐废水的来源及其处理技术研究进展 1 1 1 高盐废水的来源 废水是由水和各种杂质组成的一种成分复杂的混合分散体系，其性质可通过水质指 标来表征。其中，水中所含溶解性盐越多，离子强度愈大。高盐废水是指含有有机物和 至少3 5 的总溶解固体物t d s ( t o t a ld i s s o l v e ds o l i d l 的废水【7 ，在这些废水中除了含有 有机污染物外，还含有大量的无机盐，如c 1 。、s 0 4 、n a + 、c a 2 + 等。高含盐废水包括生 活污水和高盐工业废水，主要来源于以下几个方面： ( 1 ) 来源于海水应用于工农业生产和生活所带来的高盐废水。目前，许多国家，特 别是一些干旱地区和沿海地区，水资源短缺问题日趋严重，为了缓解淡水资源日益紧缺 的局面，一些沿海地区已经推行海水直接利用于工业生产和生活用水： 用作工业冷却水，广泛应用于电力、化工、钢铁、机械、食品等行业。现在， 日本沿海绝大多数企业的工业用水量的4 0 一5 0 为海水，美国工业用水的1 5 为海水， 西欧六国到2 0 0 0 年海水利用量将达到2 5 0 0 x 1 0 8m 3 i s , 9 】。我国海水年利用量约为6 0 x 1 0 8 m 3 ，大大落后于日美等先进国家 1 0 】。 用作工业生产用水。在建材、印染、化工等行业的某些生产工艺中，海水可以 直接作为生产用水。例如碱厂用海水代替淡水用于化盐工艺；电厂把海水作为冲灰水。 用作城市生活用水。将海水用于冲洗道路和厕所，绿化、消防以及游泳娱乐等 方面【1 1 。在香港，冲厕海水量已达4 3 x 1 0 5 r f l 3 d 一，约为全港淡水总用量的1 7 1 0 】。这些 活动所产生的排放废水中含有大量的无机盐，海水的含盐量一般在2 5 0 0 3 5 0 0m g l 1 n a c l ( 氯化钠) 左右，由此带来的高盐度废水的含盐量一般在1 5 0 0 0 4 5 0 0 0 m g l l n a c l 之间【8 1 。 ( 2 ) 来源于工业生产。一些工业如石油化工、杀虫剂、除草剂、有机过氧化物、制 药和染料等化学制造业，肉类加工厂和海产品加工厂等生产废水中也含有大量的无机盐 ( 主要是氯化钠和硫酸盐等旧) 。 含盐废水的排放带来十分严重的环境污染，特别是工业含盐废水除受到本身高浓度 盐的限制外，还含有大量的有毒难降解溶解性有机物，而且其排放量已经很大，并随 着我国经济的高速发展，呈急剧增长的趋势，给我国的生态环境造成了极大的压力。 表1 1 1 4 是几种重污染的高盐工业废水水质。 ( 3 ) 其它含盐废水。大型船舰上的污水是高含盐生活污水：某些地下水异常地区的 天然水比一般淡水的含盐量高很多，如河北平原部分地区浅层地下水为咸水，总溶解固 体浓度可以到5 叠l 。1 左右”。 大连理工大学硕十研究生学位论文 表1 1 五种高盐工业废水水质 t a b l e l 1f i v ei n d u s t r i a lh y p e r - s a l i n i t yw a s t e w a t e rq u a l i t y 1 1 2 高盐废水的危害 含盐废水的排放带来十分严重的环境污染，特别是工业含盐废水，除受到本身高浓 度盐的限制外，还含有大量的有毒难降解有机物。对于这些高盐度的难降解工业废水最 好能在工业企业内的污水处理站得到单独处理，如果这些废水与其它含有易生物降解基 质的工业废水或生活污水混合或者稀释，排入市政管道，城市污水处理厂中的微生物优 先代谢后者，这些有毒污染物将很可能转变成为 h a r dc o d ”【1 6 j 。 虽然无机盐在微生物生长过程中起着促进酶反应，维持膜平衡和调节渗透压的重要 作用。但盐浓度过高，会对微生物的生长产生抑制作用。1 9 3 7 年，z o b e l l 等首次通过 实验研究了盐对处理有机废水的影响，他们用从生活污泥、土壤和海水接种来的微生物 处理含盐废水，结果发现，在含盐度为2 8 介质中三种不同来源的微生物存活率分别为 o 、小于1 、小于2 。许多文献表明，盐度超过3 一5 的废水不能用常规的生化法处 理。 盐度过高的主要抑制原因在于 1 8 1 ：废水中钠盐浓度的高低直接影响到水的活度， 从而影响水的渗透压，渗透压过高时，使微生物细胞脱水，引起细胞原生质分离；高 含盐情况下因盐析作用而使脱氢酶活性降低；高氯离子浓度对细菌有毒害作用；由 于水的密度增加，活性污泥容易上浮流失。为此，高含盐废水的生物处理需要进行稀释， 通常在低盐浓度下( 盐浓度小于1 ) 运行，造成水资源的浪费，处理设施庞大，投资增加， 运行费用提高等。随着水资源的日趋紧张，国家出台的保护水资源各项法规和收费的实 施，给高含盐废水处理的企业带来了负担。 在好氧生物处理中，商浓度的n a c i ( 含量 1 ) 可引起微生物的质壁分离以至失活。当 n a c i 1 时，其呼吸率随 n a c i 浓度的增加而下降f j 郅。以合成废水( 由稀释的糖蜜废水、尿素、k t - 1 2 p 0 4 和不同浓度的 n a c l 配制) 为活性污泥法的间歇进水的实验表明：当n a c l 浓度从0 升至5 时，生化系统的 田存萍：盐单胞菌株在高盐染料废水处理中的应月= | 研究 b o d 去除率一般下降3 0 一7 5 ，c o d 去除率降低3 0 3 5 ；同时生化系统的脱氮除磷效 果也明显下降、甚至完全失败【2 0 】。 高浓度n a c l 对不同的好氧处理工艺的影响程度不同。其中，以对滴滤池、延伸曝气池 以及传统的活性污泥法影响较大；而对菌体密度大的生物转盘和抗冲击负荷能力强的序批 式反应器的影响较小。 厌氧条件下，高浓度n a c l 对生物处理系统的影响程度则因生物相的存在状态( 聚集态较 分散态耐受力高) 、反应器类型( 厌氧滤池较活性污泥法耐受能力强) 、是否添加有拮抗作用 的营养组分、底物( 或有机物质) 的组成、污泥来源及驯化程度与时间等条件的差异而不同。 表1 2 唧j 汇总了厌氧条件下不同抑制程度时n r 的抑制浓度。 表1 2 厌氧条件下在不同抑制程度时n a + 的抑制浓度 t a b l e l 2t h ec o n t r o lc o n c e n t r a t i o no f n a + i nd i f f e rc o n t r o ll e v e lu n d e ra n a e r o b i co n d i t o n 大连理工大学硕士研究生学位论文 1 1 3 高盐废水生物处理研究技术与进展 废水的生物处理是指利用自然界广泛存在的大量微生物氧化、分解、吸附废水中有 机物从而进化废水的方法。生物降解不仅能氧化分解一般的有机物并将其转化为稳定的 无机物，而且还具有转化有毒有害有机污染物的能力，是有机化合物在自然界中去除和 再循环的重要途径和方式。微生物用于降解、转化物质有如下优势【2 1 】：个体小，比表 面积大，代谢速率快；种类繁多，分布广泛，代谢类型多样；降解酶专一性强，且很多 酶是在污染物的诱导下产生的；微生物繁殖快，易变异，适应性强等等。这些特点使得 微生物在降解、转化物质方面有着巨大的潜力。 高含盐有机废水是极难处理的工业废水之一，目前采用两种处理方式，即先脱盐后 处理和不脱盐直接处理。生物法是处理含盐废水最传统和广泛流行的方法，一般有以下 几种方法：( 1 ) 传统活性污泥法；( 2 ) 厌氧处理系统；( 3 ) 序批式反应系统；( 4 ) 生物膜法， 如生物流化床、生物接触氧化法等；( 5 ) 从盐湖、盐田、盐沼采取菌种，培养驯化适耐细 菌。以上几种方法可根据实际情况，相互组合，达到更为理想的处理效果。 国外于2 0 世纪6 0 年代末开始进行高含盐工业废水的处理研究【2 2 ，2 3 】。 w o o l a r d 和i r v i r e l 3 1 用从大盐湖的土壤中筛选的嗜盐菌在s b r 反应器中处理模拟含 酚( 约1 0 0m gl 。1 ) 油田废水，含盐量1 4 。经过7 个月的连续运行，出水的酚浓度小于 0 am g l 1 ，d o c 浓度小于1 0 m g l - 1 ，悬浮物浓度小于5 0 m g l - 1 。研究同时表明，传统 的生物处理( 活性污泥法) 对废水中离子强度的变化很敏感。废水中含盐量的增加，可 能导致微生物的正常代谢功能遭到破坏，其代谢途径减少。处理高含盐废水( 含盐量力 3 一5 ) 的生化系统中出水s s 偏高( 一般大于1 0 0m gl 4 ) 。这一方面可能由于盐促进了 细胞的溶解；另一方面，在高浓度盐环境下一些具有较好絮凝功能的原生动物和丝状菌 的生长受到抑制也不容忽视。 h i n t e r e g g e r 和s t r e i c h 曲i e r 【2 4 j 报道了在1 4 n a c i 条件下酚转化率接近1 0 0 。 p e y t o n 【2 5 】等以苯酚为模型化合物，进行了高盐( 1 0 ) 生物降解动力学的探讨，实 验结果表明为苯酚浓度( 0 - 5 0 m g l 1 ) 的零级动力学。 1 9 9 5 年阿联酋u a e 大学的h a m o d a 等1 2 6 使用活性污泥完全混合反应器分别对不含 盐废水、含盐量1 0 3 0gl _ i 的废水在不同泥龄( 3 - 2 0 d ) 希l 不同有机负荷( c o d c 。0 5 2 0k g v s s d ) 条件下进行平行对照实验，结果发现盐度对未经驯化的活性污泥系统产生明显的 抑制影响，但经过一段时间驯化后，系统的活性污泥浓度增加，并显著改变了活性污泥 中微生物种群的组成，而且对t o c 的去除率均达至t j 9 6 以上。 田存萍：盐单胞菌株在高盐染料废水处理中的应用研究 美国n o t r ed a m e 大学的研究者【2 7 1 q c l 9 9 2 年利用从美国大盐湖( t h eg r e a t ll a k e ) q h 分离 出的适盐细菌对含盐1 5 的含酚废水( 浓度为1 0 0 m g l - i 左右) 进行处理，原水经过1 2 , 时 后，酚的去除率达到9 5 。 k a r g i 和d i n c e t l 2 8 1 采用非耐盐活性污泥处理1 5 的含盐废水，发现c o d 的去除 率和盐的浓度有很大关系，但高盐浓度下加入耐盐菌h a l o b a c t o r h a l o b i u m 后可明显提高 c o d 的去除率。同时还报道了模拟废水的动力学参数，但这些数据不能说明工业废水 中抑制性化合物( 如偶氮染料) 的降解性。 此外，l u d z a c k 等【2 2 开展了用传统活性污泥工艺处理含盐废水的效率研究；b e l k i n 等 2 9 】研究了高盐条件下化工废水的生物处理。 f e r r e r 3 0 j 等以酵母膏，蛋白胨和葡萄糖为底物研究了盐浓度对中等耐盐菌d e l e y a h a l o p h i l a 的生长影响。在盐浓度为2 5 1 5 范围内，盐浓度1 0 时生长速度最大；且 盐浓度变化时对生长速率影响不大，菌在变化盐浓度下保持生长和底物降解对工业废水 生物过程是非常重要的。 国内对高盐废水生化处理的研究起步较晚，自8 0 年代以来对适盐细菌的分离和鉴 定方面开展了大量的研究，并取得了成果。 何健等p 1 】采用逐步提高有机负荷盐浓度的方法，驯化出耐高浓度盐污泥，在进水 n a c l 质量浓度为2 6 8 x 1 0 4 4 7 2 x 1 0 4 m g l - 1 之间时，保持较高的污泥浓度可使反应器c o d 容积负荷达到0 6k g ( m 3 d ) ，c o d 和苯乙酸去除率达到9 5 以上。 杨健等口2 】用s b r 法处理高含盐量石油发酵工业废水，研究发现，高含盐量对经驯 化后的耐盐活性污泥并无明显抑制作用，c o d 有机负荷为1 0k g 慨v s s 由，c o d 去除 率稳定在9 0 以上，b o d 5 去除率稳定在9 5 以上。驯化的污泥以菌胶团和少量的原生 动物( 裂口虫和漫游虫) 为主，菌落形态相对较少。 安林等研究了用二段生物接触氧化法在盐浓度高达3 5 0 0 0m gl 。1 时，对溶解性有 机物和s s 均有较好的去除效果，温度对系统处理效果的影响不大，盐浓度对处理能力 有一定的影响，2 5 0 0 0 m g l 。1 盐度条件下的处理效果要优于3 5 0 0 0 m g l 。盐度下。 梁展辉等i ”3 对高盐度有机废水进行吹脱和冷却预处理后，再利用s b b r ( 序批式生物 膜反应器1 处理，取得了良好的效果。 同济大学环境生物教研室【35 】提出了用不同生物处理工艺处理有机废水所允许的最 高盐浓度( 如表1 3 ) ： 大连理工大学硕士研究生学位论文 表1 | 3 几种生物处理方法中n a c l 浓度的限制量 t a b l e l 3t h el i m i ts o d i u mc h l o r i d ec o n c e n t r a t e i o ni n $ o z n eb i o t r e a t m c n tt e c h n o l o g y 1 2 耐盐微生物及其耐盐机理 微生物广泛存在于自然界，其中一些对盐适应性强的嗜盐微生物在含盐废水生物处 理中发挥着重要的作用。嗜盐菌作为一类新型的、极具应用前景的微生物资源，近年来 受到人们的广泛关注，它们具有极为特殊的生理结构和代谢机制，同时还产生了许多具 有特殊性质的生物活性物质郾j ，对它的研究既具有理论意义，又有应用价值。 1 2 1 耐盐微生物及其分类 k u s h n 一”1 根据微生物在不同盐浓度下的生长情况将其划分为非嗜盐菌、轻度嗜盐 菌、中等嗜盐菌、极端嗜盐菌以及耐盐菌5 大类： ( 1 ) 非嗜盐菌在含0 2t o o ll 。1 以下盐的培养基中生长最好，多数普通真细菌和多数 淡水微生物。 ( 2 ) 轻度嗜盐菌在含o 2 0 5m o ll 。盐的培养基中生长最好，包括很多海洋微生物。 ( 3 ) 中度嗜盐菌在含0 5 2 5m o ll 1 盐的培养基中生长最好，能在低于o 1m o ll o 盐中生长的被认为是兼性嗜盐菌，如所6 r j f d c f f c o 肠，p a r a c o c c u sh a l o d e n i t r i f i 邶， p e s u d o m o n a ss p e c i e s 等。 ( 4 ) 极端嗜盐菌在含2 5 5 2m 0 1l 4 ( 饱和) 盐的培养基中生长最好，如 h a l o b a c t e r i u ms a b n a h u m ，h a l o c o c c u sm o r r h u a e 等，在非洲肯尼亚石灰湖中存在的 n a t r o n o b a c t e r 和n a t r o n o c o c c u s 也是极端嗜盐微生物。 ( 5 ) 耐盐菌能耐盐的非嗜盐菌。若生长范围超过2 5m o ll 1 盐可被认为是极端耐盐 微生物，如s t a p 砂l o c o c c u se p i d e r m i d i s ，s o l u t e t o l e r a n t y e a s t s ， 呼，a n d a l g a e 等。 嗜盐菌的生长需要很复杂的营养结构，一些细菌在葡萄糖、氨和无机盐的介质中就 可生长，但大多数嗜盐菌都需要诸如氨基酸或维生素等生长因素【3 引。在实验室中，可利 用酵母膏和蛋白质水解产物提供这些生长因素。嗜盐菌的生长随着盐浓度的增加，所需 的营养构成就越复杂【3 】o 另外，8 0ug l 。1 的铁离子和4 8m gl 。1 的镁离子是嗜盐菌生长必 不可少的营养。 嗜盐菌多为革兰氏阴性菌，多是好气化能异养类型，一些盐杆菌的种可进行厌氧呼 吸【3 9 】。嗜盐菌能利用的碳源十分广泛，适宜于偏碱性的环境( p h 为9 1 0 ) ；该种群具有 极高的生长速率，其时代周期约为4 h ；细胞含类胡萝h 素，菌体多为圆形，呈红色、桃 田存萍：盐单胞菌株在高盐染料废水处理中的应用研究 红、紫色，直径为2 - 4 m m ，大多数不运动，只有少数靠丛生鞭毛缓慢运动，采用二分分 裂法进行繁殖，无休眠状态，不产生孢子。嗜盐菌种类繁多，它们的分类主要依据三个 方面：表型特征、化学分类数据和分子生物学数据1 4 。根据表型特征的不同，有嗜盐球 菌和嗜盐杆菌。根据1 6 sr r n a 的序列分析并结合其它生物学形状，目前将极端嗜盐菌 划分为8 个属：盐杆菌属( h a l o b a c t e r i u m ) 、盐深红菌属( h a l o r u b r u m 、h a l o b a c u l u m ) 、富 盐菌属( h a l o f e ，：a x ) 、盐盒菌属( h a i o a r c u l a ) 、盐球菌属( h a l o c o c c u s ) 、嗜盐碱杆菌属 ( n a t r o n i b a c t e r i u m ) 、嗜盐碱球菌 蓐( n a t r o n o c o c c u s ) 4 ”。这些异养型和白养型的中度和极 端嗜盐菌的特性非常适用于处理含盐有机工业废水1 4 2 删。 1 2 2 耐盐微生物的耐盐机理研究 目前对微生物耐盐机制研究存在以下几种观点： 1 2 2 1 “吸钾排钠”机理 嗜盐菌的生长需要在高盐环境下生存，n a + 的存在对维持细胞膜、细胞壁构造和功 能有特别重要的作用。但是高盐条件下，细胞外渗透压高于细胞内渗透压，使细胞脱水， 并破坏离子间平衡。而在许多含高浓度盐n a c i 的自然环境和人工环境中，如与海水有关 的生境和盐淹过的食品等，由于高渗透压的作用，大多数微生物细胞质壁分离，生长受 到抑制。 因此，生物细胞在行使正常的生理功能时必须保持一定的细胞内外渗透压和离子间 平衡，对微生物而言，存在着复杂的对外界盐浓度变化的调节系统。嗜盐古菌和少数几 种嗜盐细菌是采取在细胞内积累大量盐离子( 主要是钾离子，约为4 m o ll 。1 ) ，同时排 出钠离子的机理来适应高盐环境的。钾离子可以逆着氯离子梯度被动进入细胞，但主动 运输也参与钾离子的转运【4 5 ，4 6 。 1 2 2 2 膜、壁结构适应机理 细胞内高浓度n a + 对细胞有毒性，嗜盐微生物为适应高盐浓度环境，防止细胞内n a c i 浓度随环境浓度的上升而上升。其中细胞膜对于阻止n a + 进入细胞起着关键作用。嗜盐 菌的细胞膜与般生物的“三夹板式”细胞膜不同，它的膜除有一般膜的结构外，还具有 一些特殊的、呈六面格子形状的紫膜( p u r p l em e m b r a n e ) 。它是由2 5 的类脂和7 5 的细 菌视紫红质( b a c t e r i o r h o d o p s i n ，b r ) 组成的，是嗜盐菌紫膜中的唯一蛋白质成分，内侧是 疏水的羟基，带有较多的负电荷，外侧是亲水的氨基，带有较多的正电荷】。 目前对盐生盐杆菌的b r 研究最透彻。由三个b r 分子构成的三聚体可在细胞膜上形 成一个刚性的二维六边形的稳定特征结构，即紫膜。紫膜中含有的菌视紫素或称视紫红 质，是由菌视蛋白与类胡萝h 素类的色素以1 ：1 结合组成的。紫膜的含量多少与细菌生 活的基质、光照和通气条件有关，在盐浓度高、氧分压低的光照条件下，紫膜含量可达 大连理工大学硕士研究生学位论文 细胞膜总量的一半 4 5 , 4 8 】。当b r 分子受可见光照射后，视黄醛的构型不断发生变化，这种 转型作用的结果使氢质子转移到膜的外面，使细胞内外两侧形成质子梯度，其结果导致 膜电化学梯度的建立，这就是b r 所具有的光驱动质子泵功能，在光驱动下，菌体利用这 种电化势在a t p 酶的催化下，进行a t p 的合成，可弥补嗜盐菌在高盐浓度( 盐浓度越高， 溶解氧越i s ) 下底物有氧氧化所得能量的不足，为细胞浓缩k + 和排斥n a 十、吸收营养物质 等生长行为提供能量保证，以满足嗜盐菌正常的生理需要 4 6 。 而且嗜盐菌细胞膜外有一个呈六角形排列亚基的s 单层，由磺化的糖蛋白组成，由 于磺酸基的存在使得s 单层带负电荷，使内部的膜蛋白得到屏蔽。这种经过取代的蛋白 只能在高盐环境中才有活性，而在低浓度盐环境中则不能维持正常的构向和功能，所以 嗜盐菌在高盐环境中保持稳定【4 9 】。 1 2 2 3 酶适应机理 生物体内酶的产生、稳定和活性发挥都需要一定的理化条件。嗜盐菌的酶的产生、 稳定和发挥活性需要高盐浓度条件 5 “，当盐去除后