（环境工程专业论文）高效降解菌的筛选与固定化方法处理dnt废水的研究.pdf

a b s t r a c t硕士论文 a b s t r a c t i nt h i sw o r k ，t h es e l e c t i o no fd e g r a d a t i o ns t r a i n sf o rd n ta n da n i l i n ea n di t s i m m o b i l i z a t i o np r o c e s s e sw e r ei n v e s t i g a t e d ，w h i c hw a sl a t e rc o m b i n e d 谢t l lt h e t h r e e - p h a s eb i o l o g i c a lf l u i d i z e db e da n dt h ea b s o r p t i o ni m m o b i l i z a t i o nr e a c t o rf o r t h et r e a t m e n to fa c t u a lw a s t e w a t e r , a n dt h ed e g r a d a t i o nk i n e t i c sw e r ei n v e s t i g a t e d t h eh i g he f f i c i e n tb a c t e r i aw a sd o m e s t i c a t e da n ds c r e e n e df r o ms i xd i f f e r e n t s t r a i n s ，w h i c hw a sa b l et ou t i l i z ed n ta n da n i l i n eu n d e ra e r o b i cc o n d i t i o n u n d e r t h ec o n c e n t r a t i o no fd n t8 0m g la n da n i l i n e14 0 0m g l ，t h er e m o v a lr a t eo fd n t , a n i l i n ea n dc o dw e r e81 ，9 9 a n d9 4 ，r e s p e c t i v e l y u n d e rt h eo p t i m a l c o n d i t i o n s ，t h ed e g r a d a t i o nk i n e t i c so fh i g h e f f i c i e n c yb a c t e r i u mw a sw e l lf i tw i t h a n d r e w sk i n e t i cm o d e lw i t hr = 0 9 9 5 2 t h er e s u l t so fa d s o r p t i o ni m m o b i l i z a t i o ne x p e r i m e n t si n d i c a t e dt h a tc o m p a r e d t ot h ef r e eb a c t e r i a t h ei m m o b i l i z a t i o nb a c t e r i ah a dah i g h e rt o l e r a n c ef o rs a l i n i t y a n dd n t w h e nt h ec a r d e rd a s a g ew a s4m g l ，i n o c u l a8m g la n dn a c ll ，d n t 5 0m g l ，a n i l i n e3 0 0m g l ，t h er e m o v e lr a t eo fd n ta n da n i l i n er e a c h e d5 6 a n d 10 0 a f t e r2 4 hd e g r a d a t i o n , a n df o r t h ef r e eb a c t e r i ai tw a s14 a n d5 2 7 b yc o m p a r i n gt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n db i o a c t i v i t i e s o fi m m o b i l i z e d p a r t i c l e sb yd i f f e r e n ti m m o b i l i z a t i o nm e t h o d s ，t h ep v a - s a - h 3 8 0 3m e t h o dm a y b ea p r o m i s i n gt e c h n i q u e t h e nt h eo p t i m u mp a r a m e t e r sw e r ed e t e r m i n e db yo r t h o g o n a l e x p e r i m e n t sw h i c hw e r eb a c t e r i ai n o c u l a5 ，c a c i ：3 ，c r o s s l i n k i n gt i m e4ha n d h a r d e n i n gt i m e2h u n d e rt h ec o n d i t i o n so fl i g u i d - s o l i dr a t i o4 ：1a n dn a c ll ，t h e r e m o v e lr a t eo f5 0m g ld n ta n d3 0 0m g la n i l i n ew e r e5 8 a n d10 0 t h ec o m b i n a t i o no ft h et h r e e p h a s eb i o l o g i c a lf l u i d i z e db e da n dt h ea b s o r p t i o n i m m o b i l i z a t i o nr e a c t o rw e r ec a r r i e do u tf o r t h et r e a t m e n to fa c t u a lw a s t e w a t e r c o n t a i n i n gd n t u n d e rt h eo p t i m u mc o n d i t i o n so fg l u c o s ed o s a g eb o t l l 10 0m g l ， h r t2 0ha n d12h ，a e r a t i o nr a t e2 0l ha n d3 0l hr e s p e c t i v e l y t h ea v e r a g ec o d ， d n ta n da n i l i n eo ft h ee f f l u e n tw e r e2 5 4r a g l - 2 6 3m g l ，2 0m g l 3 6m g la n d 0 5m g l o 7m g l ，r e s p e c t i v e l y u n d e rt h eo p t i m a lc o n d i t i o n s ，t h ed e g r a d a t i o n k i n e t i c so ft h et w o - g r a d er e a c t o r sw e r eb o t hw e l lf i tw i ml a w r e n c e m ec a r t y s k i n e t i cm o d e lw i t hr0 9 7 7 5a n d0 9 9 01 b yu va n dg c m sa n a l y s i s ，t h ew a t e r q u a l i t i e so ft h ei n f f i u e n ta n d e f f l u e n tw e r ed e t e r m i n e d k e yw o r d s ：h i 曲e f f i c i e n tb a c t e r i a , s c r e e n i n g ，i m m o b i l i z a t i o n , d n tc o n t a i n i n g w a s t e w a t e r , d e g r a d a t i o nk i n e t i c s 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本学 位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其它人已经发表或公布 过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的 材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文中作了明 确的说明。 研究生签名： 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或上 网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并授权 其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密论文， 按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 硕士论文高效降解菌的筛选与固定化处理d n t 废水的研究 1 绪论 硝基苯类化合物是重要的化工原料，广泛应用于国防、印染、塑料、农药 和医药工业，由于这类化合物被大量地排放到环境中，造成了非常严重的环境 污染。在中国的很多水体如松花江、辽河、海河、黄河、淮河等都检测到高浓 度的硝基苯类化合物【1 】，并且由于该类物质在水中具有极高地稳定性、难溶于 水且密度大于水，同时进入水体的硝基苯类物质会沉入水底并且长时间保持不 变，所以造成的水体污染会持续相当长的时间1 2 1 。硝基苯类化合物都是高毒性、 强致癌性物质，人类吸入或者直接接触会对肝脏、骨髓和脾的造血作用产生有 害影响，严重时还会引起高铁血红蛋白症，组织缺氧，肝脏中毒，瘀点以及神 经系统中毒【3 】。因此，国家对废水中硝基苯化合物的浓度有严格限制，规定其 最高允许排放浓度为：一级标准2 0m g l ，二级标准3 0m g l ，三级标准5 0 m g l 。全球每年排入到环境中的硝基苯类化合物约3 x 1 0 4t 1 4 j ，并且随着化学工 业的发展，对此类化合物的需求呈明显的上升趋势，对环境的污染也日益严重， 因此，如何有效地处理硝基苯类废水已经成为国内外研究者刻不容缓需要解决 的问题。 1 1 硝基苯类化合物物化处理技术研究现状 1 1 1 物理法 ( 1 ) 吸附法 废水的吸附法处理主要是指利用固体吸附剂的物理吸附和化学吸附性能， 去除废水中的多种污染物质的过程【5 】。吸附剂是决定高效能的吸附处理过程的 关键因素，常用的吸附剂包括活性炭、粘土类吸附剂、高分子吸附剂、利用废 弃物制备的吸附剂、复合吸附剂、煤质吸附剂等。吸附法能够有效地去除废水 中多种污染物，特别是采用其它方法难以有效处理的剧毒和难降解的污染物， 经处理后出水水质好且比较稳定，因而吸附法在废水处理中有着不可替代的作 用。 为清除红水中的大量硝基苯类化合物，张秋越等人【6 】用分子烙印技术以 t n t 为模板分子合成了分子烙印聚合物( m i p ) 。利用m i p 从甲醇水溶液中清除 t n t ，当m i p 浓度为1m g m l 1 时可使溶液中t n t 的浓度在3 0m i n 内由1 3 7 m g l 。1 降至1 1 0m g l ，吸附率高达9 2 ，比活性炭的吸附效果好，并且m i p 对t n t 结构相似物的吸附率明显低于对t n t 的吸附率，说明m i p 对模板分子 t n t 有很好的吸附选择性。 绪论 硕士论文 王娟等人【7 】研究了小麦秸秆在不同条件下对吸附硝基苯性能的影响。小麦秸秆 对硝基苯的吸附在8 2h 后基本达到平衡，并能达到9 0 的去除率；溶液的p h 值在6 7 之间时有利于吸附。这为小麦秸秆的综合利用，提高农副产品的价值 及解决环境污染提供了一条途径。 工业吸附剂除了必须满足吸附能力强、吸附选择性好外，还应满足来源广、 开发廉价、机械强度好、化学性质稳定的要求，同时吸附剂的再生和二次污染 也是吸附法处理废水中应该着重考虑的问题1 8 】。 ( 2 ) 汽提法 天津大学化工学院对甲苯二异氰酸脂( t d i ) 生产过程中的含d n t 的废硫酸 溶液进行汽提法模拟分析，确定了最佳的操作条件为：绝对压强2 0k p a ，汽提 蒸汽与进料量之比为l ：10 5 ，理论塔板数为8 ，并且在该优化操作条件下进行小 试实验，其结果与模拟结果相一致。通过汽提法处理该废水，不仅可以去除废 硫酸中的d n t ，并且可实现废硫酸的回收再利用，降低了生产成本 9 1 。 1 1 2 化学法 1 1 2 1 高级氧化法 高级氧化技术( a o t ) 又称深度氧化技术，是利用活性极强的自由基( 如h o ) 氧化分解水中有机污染物的新型氧化技术【1 0 1 。高级氧化技术包括f e n t o n 氧化 法、0 3 氧化法、湿式氧化技术、超临界水氧化法、光催化氧化法、电化学催化 降解法及超声降解法等。 。 与其他传统水处理方法相比，高级氧化法具有以下特点【l l 】：( 1 ) 产生大量活 泼的羟基自由基h o ，其标准氧化电位高达2 8v ，比其他常见氧化剂( f 2 除外) 具有更高的氧化能力，它作为反应的中间产物，可诱发后面的链反应；( 2 ) h o 无 选择地直接与废水中的污染物反应将其降解为c 0 2 和h 2 0 ，对水中高稳定性、 难降解的有机污染物尤为有效，并且不会产生二次污染；( 3 ) 既可作为单独处理， 又可与其他处理过程相匹配，如果在生化处理的前后采用，可降低处理成本。 ( 1 ) f e n t o n 氧化法 与其他高级氧化工艺相比，f e n t o n 氧化法因其操作简单、成本低廉、反应 迅速、可产生絮凝等优点适合于难降解废水的处理，并在工程实践中具有很大 的推广价值。f e n t o n 法主要包括普通f e n t o n 法、光f e n t o n 法和电f e n t o n 法三 种类型。 普通f e n t o n 法即是h 2 0 2 在f e 2 + 的催化作用下分解产生氧化性极强的h o ， 它通过电子转移等途径将有机物氧化分解成小分子。同时，f e 2 + 被氧化成f e ” 产生混凝沉淀，去除大量有机物。但普通f e n t o n 法具有一些不足之处，如有机 物矿化程度不同，因需要消耗大量h 2 0 2 而使成本较高，难以实用化等。 2 硕士论文高效降解菌的筛选与固定化处理d 1 盯废水的研究 后来，人们把u v 引入f e n t o n 体系形成了光f e n t o n 法，由于f e 3 + 和u v 对 h 2 0 2 的催化分解存在协同效应，使得f e n t o n 试剂氧化性能有很大的改善。光 f e n t o n 法虽可提高有机物的矿化程度，但存在的主要问题是太阳能利用率低、 能耗较大，设备费用较高等缺剧1 2 j 。 电f e n t o n 法的实质是把用电化学法产生的f e 2 + 和h 2 0 2 作为f e n t o n 试剂的 持续来源，与光f e n t o n 法相比具有【1 3 】以下优点：( 1 ) 自动产生h 2 0 2 的机制较完 善、h 2 0 2 利用率高、降低了处理成本，具有更高的实用价值；( 2 ) 导致有机物降 解的因素较多( 除o h 的氧化作用外，还有阳极氧化，电吸附) 。因此，电f e n t o n 法是f e n t o n 法发展的一个重要方向。 朱秀华【1 4 】等人研究了f e n t o n 氧化法对硝基苯废水的处理效果。实验的结果 表明：f e ( i i ) 浓度为主要影响因素，单因素实验研究h 2 0 2 用量、f e ( i i ) 浓度、p h 值和反应时间等4 个主要因素对氧化效果的影响，当f e ( i i ) 为5 0m g l ，p h 为 5 7 ，h 2 0 2 为3 0 0m g l ，反应5 0m i n 后，硝基苯去除率和c o d 去除率可分别达 到9 4 和3 6 5 2 。另外，发现m n ( i i ) 和f e ( i i i ) 作催化剂时更有利于c o d 去 除率的提高，并且m n ( t d h 2 0 2 反应后出水色度最小。 孔明i l5 j 等人用删f e n t o n 法来降解硝基苯废水。结果表明u v f e n t o n 法 有较高的去除率和反应速率，反应时间、投加量和硝基苯浓度三因素影响最大。 在最佳反应条件：h 2 0 2 为1 5 倍左右；v e 2 + 与h 2 0 2 的摩尔比为1 ：3 0 ：p h 为 4 0 ；硝基苯的质量浓度不宜大于2 0 0m g l 。在此条件下反应5 0m i n 后，去除率 可达到9 5 。 班福忱【1 6 1 等人以多孔石墨作为阴极，以铁板作为阳极，并向阴极不断通入 空气，电解过程中生成的h 2 0 2 与阳极溶解的f e e + 形成f e n t o n 试剂。当反应条 件为：p h 为3 5 ，硝基苯初始浓度为1 5 0m g l ，电流密度为1 4m a c m 2 下，电 解质投加量为7 5g l ，极板间距为9c m ，曝气强度为2 5m l s 时，硝基苯的去 除率可达8 7 以上。硝基苯迅速降解，去除率可以达到8 7 以上。 ( 2 ) 超临界水氧化技术 超临界水氧化法是利用超临界水作为介质来氧化分解有机物。在超临界水 氧化过程中，由于超临界水对各种有机物和氧气都是很好的溶剂，有机物的氧 化可以在富氧的均一相中进行，反应不会因为相间的转移而受限制；同时较高 的反应温度( 通常采用的反应温度为4 0 0 - 6 0 0 ) 也使反应速度加快，可以在短 短的几秒钟内对有机物达到很高的破坏效率。超临界水氧化技术是一种有很大 潜力的新型的有机废水处理技术。 与其他高级氧化技术以及废水处理积水相比，超临界水氧化法有很多优越 性【l 7 】：( 1 ) 处理效率高并且彻底，有机物能够被完全氧化成c 0 2 、h 2 0 、n 2 以及 3 绪论 硕士论文 盐类等小分子化合物，有毒有害物质的处理率达到9 9 9 9 以上，反应条件符合 全封闭处理要求；( 2 ) 反应速率快，停留时间短，反应器结构简洁，且占地面积 小；( 3 ) 不产生二次污染，处理后的废水可以完全回收利用；( 4 ) 当污染物浓度较 高时，反应能放出更多的氧化热，不仅可以维持反应本身所需的热能，而且多 余的热能还可以回收再利用； 常双君【1 8 】等人采用超临界水氧化技术( s c w o ) 对二硝基甲苯( d n t ) 炸药生 产废水进行了降解试验，结果表明：反应温度、压力和时间是影响废水中d n t 去除率的主要因素，其中反应温度的提高对d n t 去除率的影响最为显著。用三 种氧化剂k m n 0 4 、h 2 0 2 、0 2 进行对比实验，从其综合使用情况考虑选用氧气 作为氧化剂最为经济和适用。并当使用氧气作为氧化剂时，在反应温度为5 5 0 * ( 2 、 反应压力2 4m p a 、停留时间1 2 0s 的最佳工艺条件下，d n t 废水的c o d 去除 率可以达到9 9 9 9 以上。 超临界水氧化法有很多优点，但同时存在一些不足，由于其需要高温高压 条件，因此对设备性能要求高，投资大。因此需要深入研究超临界水氧化系统 设备材料的腐蚀损伤机理，以及发展耐腐蚀耐高温高压的新材料【1 9 】 ( 3 ) 光催化氧化法 光化学氧化又称为光催化降解，一般可分为均相、非均相两种类型。均相 光催化降解主要是指u v f e n t o n 试剂法，它是以f e 2 + 或f e 3 + 及h 2 0 2 为介质， 并在u v 光照下使污染物得到降解；非均相光催化降解就是在污染体系中光敏 半导体在光的照射下激发产生电子一空穴对，吸附在半导体上的溶解氧、水分 子等与其作用，产生h o 等氧化性极强的自由基，再进一步使使污染物全部或 接近全部矿化1 2 0 1 。用作光催化的半导体多是金属的氧化物和硫化物，目前经常 研究的是t i 0 2 半导体。 李春荣【2 1 】等人用4 0w 石英紫外灯作为光源，以锐钛型t i 0 2 半导体为催化 剂降解硝基苯，得到最佳的反应条件为：t i 0 2 用量为3 0g l 、p h 为3 0 、光照 6h 。当硝基苯初始浓度为4 0 6m g l 时，在最佳反应条件降解6h 后，硝基苯 降解率为8 0 6 。研究中还考查了复合催化剂对光催化降解效率的影响，结果 表明，当t i 0 2 中掺杂1 的c u 2 + 时，提高了光生电子与光生空穴的分离效率， 使光催化效率明显提高，比纯t i 0 2 提高了1 4 5 。 张蕾【冽等人以钛酸丁酯为钛源，掺杂铜( c u c l 2 ) 制备了柱状t i c u 交联累托 石，结合其吸附特性并通过其在光催化氧化条件下处理含硝基苯有机废水。在 p h = 9 0 ，交联累托石用量为3 0g l ，2 0w 紫外灯光辐照2h 的最佳条件下降解， c o d 可由4 8 0 0m g l 降为5 3 0m g l ，去除率为8 3 7 5 ，硝基苯由1 0 3 2m g l 降至0 7 9m g l ，去除率达到9 2 3 l ，达到了污水排放一级标准。并且失活的 4 硕士论文高效降解菌的筛选与固定化处理d n t 废水的研究 t d c u 交联累托石可通过先焙烧后酸化的方法再生，再生后可重复利用，极大降 低了处理成本。 光催化氧化技术的处理效果很好，但其费用太高，不利于实际应用，因此， 研究光催化氧化技术与其他水处理技术的联用技术非常重要。 班福忱l 2 3 】等人在电f e n t o n 法的基础上在反应体系中引入了紫外光和t i 0 2 ， 通过光催化和电f e n t o n 的协同作用来降解硝基苯废水。紫外光和电解产生的 f e n t o n 协同作用，利于发生快速氧化反应及自由基反应。在最佳反应条件：反 应体系p h 为3 5 、电流密度1 3 5m a c m 2 、曝气强度2 3m l s 、极板间距1 0 5c m 、 n a 2 s 0 4 电解质投加量7 6g l 。紫外灯功率1 5w 、特征波长2 5 4h i l l 、t i 0 2 投加 量1 6g l 时，对初始浓度为1 5 0m g l 的硝基苯废水降解6 0m i n 后去除率可以 达到9 9 。 ( 4 ) 臭氧氧化法 近年来由于臭氧在水中有较高的氧化还原电位，并且不会产生三氯甲烷等三 致物质，使臭氧在水处理中的作用受到了更多的关注。但臭氧应用于废水处理 还存在着一些问题1 2 4 ，如臭氧的发生成本高，而利用率偏低；臭氧与有机物的 反应选择性较强，在低剂量和短时间内臭氧不可能完全矿化污染物，且分解生 成的中间产物会阻止臭氧的进步氧化。因此提高臭氧利用率和氧化能力就成 为臭氧高级氧化法的研究热点。近几年来臭氧的各种组合技术因其可以形成氧 化性更强、反应选择性较低的羟基自由基而受到很多重视。 胡军1 2 5 】等人研究了光催化一臭氧联用技术对废水中硝基苯的降解。结果表 明：光催化一臭氧联用技术对硝基苯废水有较理想的处理效果，其降解效率大 大高于单一光催化和单一臭氧技术，且有协同作用。当臭氧流量在1 2 6m g m i n 时，降解效率最高，降解4h 后能使初始浓度为2 0 0m g l 的硝基苯废水c o d 下降至2 2 6m g l ，硝基苯浓度下降至2 0m g l ，均达到国家一级排放标准。 传统的0 3 氧化技术受0 3 从气相到液相传质的限制，利用率低，消耗量大， 成本较高。超重力技术是一种新型强化传递过程的技术。超重力技术和0 3 氧化 技术的结合会有效解决0 3 传质问题，提高0 3 氧化效率，降低其消耗量，刘有 智【2 6 】等人将超重力技术和0 3 氧化技术联合，将具有高效传质特性的旋转填料床 用于研究0 3 氧化处理t n t 红水的规律。c o d 去除率随着超重力因子增大而提 高，最佳超重力因子为1 0 0 左右；在碱性条件下超重力因子对c o d 去除率的影 响更加明显，最佳的p h 值为1 1 o ；当气液比低于1 2 时，减小气液比可以提高 c o d 的去除率。实验证明了该方法在技术上是可行的，具有良好的应用前景。 ( 5 ) 超声波降解法 超声波能够在液体介质中产生空化现象，即超声波的周期性波动对液体介 5 绪论 硕士论文 质形成压缩舒张作用，使空化气泡形成、增大、崩溃，而且在气泡崩溃后伴随 着气泡周围空间产生瞬间的高温和高压极端情况，并产生自由基从而将污染物 降解去除【2 7 】。超声降解污染物的效率受到超声波强度、超声波频率、液体介质 物化性质、操作温度等的影响。 文献【2 8 1 中对比了四种含钛矿渣对含硝基苯废水的降解效果，得到用含高钛 渣为催化剂降解时效果最好，当其投加量为1 8 0g l ，超声频率为4 5k h z 时， 1 4 0m i n 后n b 降解率达到1 0 0 。通过实验推断出了硝基苯在超声作用下的催 化降解机理：首先使h 2 0 发生电离生成h o 和h 等自由基，在自由基作用下， 硝基苯先转化为硝基酚类，再转化为苯酚，最后完全降解为二氧化碳和水。 单独使用超声波能耗较大，在实际应用方面受到一定限制，近年来将超声 与其他处理技术如化学氧化、广电催化等相结合的工艺受到广泛的关注，成为 新兴的研究领域。石油大学【2 9 】对超声臭氧氧化处理硝基苯废水进行了实验研 究。研究表明，在臭氧氧化过程中超声辐射对反应有促进作用，并且随着超声 功率的增大而不断增强。当废水初始浓度为1 0 0m g l 时，反应最佳条件为：p h 值1 1 ，臭氧流量0 1m 3 l l ，声能密度为0 1w m l ，反应6 0s 后去除率可达到9 0 。 1 1 2 2 电化学方法 电化学技术是一种环境友好型技术，并且对生物难降解废水有很好的去除 效果，近年来在环境污染治理方面越来越受到人们的重视。 ( 1 ) 电化学氧化法 电化学氧化方法，是通过有催化活性的电极反应直接或间接产生强氧化性 的自由基h o 等，无选择地对有机物进行氧化处理，使废水中的有机污染物在 电极上或溶液中被氧化降解【3 0 。电化学氧化技术主要包括阳极催化氧化工艺、 阴极还原工艺以及阴阳两极协同催化降解工艺三种典型工艺。 电化学氧化工艺发展的一个重要方向是新型电催化电极和反应器的开发， 主要是电催化性能好。抗腐蚀能力强的电极开发，环境友好的电解质的应用和 催化剂的使用【3 1 1 。 三维电极也叫粒子电极，是在传统二维电解槽电极间装填粒状或其他碎屑 状工作电极材料，使工作电极材料成为第三极，在其表面能发生电化学反应。 与传统的二维电极相比，三维电极能够增加电解槽的面积体积比，增大物质移 动速率，提高电流效率和水处理效果。目前，常用的粒子电极材料主要有金属 导体、导电陶瓷、铁氧体、镀上金属的玻璃球或塑料球、石墨及活性炭等。 吴伟【3 2 】等人用活性炭填充电极电催化氧化法对硝基苯废水进行了降解处 理，研究发现电流强度和原水初始浓度对硝基苯的降解影响较大，在实验条件 下，当电流强度增大到2 0a 时，硝基苯的去除率高达9 8 ，能有效的催化降 6 硕士论文 高效降解菌的筛选与固定化处理d n t 废水的研究 解硝基苯。 石眺霞【3 3 】等人利用三维电极技术，以t i f e 层柱累托石为粒子电极，对含 硝基苯废水进行了电催化降解的研究。处理含硝基苯1 5 0m g l ，c o d 为 5 0 0 0 m g l 的废水时，最佳条件为无水硫酸钠电解质用量1 2 1 4 9 l ，层柱累托石 3 0g l ，电压2 0 v ，电解1 5 h 后c o d 去除率可达8 0 ，硝基苯去除率达9 8 。 贾保军【3 4 】等人研究了电化学多相催化法在不同填料存在的情况下对硝基苯 模拟废水的处理效果。研究对比了石英砂填料，载铜催化剂和载铁催化剂对硝 基苯废水的催化活性，结果表明，催化剂的加入强化了电化学多相催化反应器的 电化学氧化过程，尤其是以铁催化剂为填料时，处理效果最佳，可以将硝基苯的去 除效果从6 0 提高到8 0 。 ( 2 ) 电化学还原法 废水中的毒害有机物和难降解有机物，往往难以氧化，而大部分相对容易 化学还原，并且还原产物对微生物的毒害作用降低、可生物降解性提高。电化 学还原主要包括外电流电解还原和内电解法。 文献【3 5 】中对电解法处理硝基苯废水进行了研究。当以铁作电极对硝基苯模 拟废水进行电解处理，在电极间距为5m i l l ，电流密度为1 0m a e m 2 ，硫酸钠投 加量为1 5 l ，水板比为1 2i n - 1 ，电解时间为3 0m i n 的条件下，硝基苯去除 率可达9 0 以上。并且实验结果表明，在铁电极电解作用下，被降解的硝基苯 中7 8 是通过氧化作用降解的，其余2 2 的硝基苯则在电还原作用下转化为 可生化和低毒性的苯胺，为后续处理提供了有利的条件。 y u - p i n gl i t 3 6 】等人利用碳纳米管改性填充床流动反应器对硝基苯进行了电 催化还原，结果表明，碳纳米管对于硝基苯还原降解具有很高的活性，并且在 碳纳米管改性电极的的电化学反应路径为：硝基苯_ 苯胲一苯胺。碳纳米管有 着极为丰富的羧基基团以及其他的含氧官能团，将p h 为5 0 的硝基苯溶液置于 碳纳米管填充床流动反应器中，在电压为1 2 0 v 下电解催化5 0m i n 后其去除率 超过9 5 ，并且产物中仅有苯胺，而在溶液p h 为7 0 的条件下催化8 0m i n 后 去除率超过9 5 。电解产物通过好氧生物降解能够很容易被矿化。 内电解法包括零价铁内电解法、铁碳内电解法以及双金属内电解法。 铁碳内电解法是利用f e c 构成的原电池体系，基于电化学中的原电池原 理，能够产生三个作用：电极反应；电极区的反应( 电解产物对污染物的氧 化还原作用) 使废水中显色有机物的发色基团和助色基团破裂或转化，达到废水 脱色的目的，同时使废水的组成向易于生化的方向转变；铁离子的混凝作用。 内电解反应生成的新生态的f e 2 + 及其水合物具有较强的吸附絮凝活性，特别是 在后续加碱调节溶液的p h 的工艺中，生成f e ( o h ) 2 和f e ( o h ) 3 絮状物，发生混 7 绪论 硕士论文 凝吸附作用，能使废水中微小的分散颗粒以及脱温胶体形成絮体沉淀，降低色 度，净化废水i l 。 双金属法是通过构成原电池加强负极金属的还原能力，常见的双金属体系 有c u a 1 体系、c u f e 体系等。 y a n gm u 3 7 】等人研究了零价铁对硝基苯的还原降解。结果表明，硝基苯的 去除率与p h 和硝基苯浓度有关，在p h 为3 0 1 2 0 范围内时其最佳p h 值是3 0 。 杜宝山【3 8 】等人用铁炭法工艺处理含有硝基苯类废水，考察了反应温度、p h 值、 e h 值、污染物在反应器内的驻留时间、铁炭比和铁屑粒径等影响因素对硝基苯 去除率的影响。结果表明，在室温和酸性条件下，选择粒径为0 1 2n l l n 的铁 屑，控制铁炭比为5 ：1 ，当反应时间为6 0m i n ，硝基苯的还原率可达8 3 1 ；当反 应时间为1 2 0m i n 时，硝基苯的还原率可达到9 7 4 。 f e c u 微电解法中催化剂铜的加入能够使硝基苯在其表面直接发生电子还 原反应，提高了对硝基苯的处理效果，研究中通过使用外加催化剂的催化方式， 可以维持电催化活性的稳定，同样的实验条件下，其处理效果比传统铁屑法高 出5 1 5 。当铁铜质量比为1 0 ：1 、废水原始p h 条件下，进水质量浓度为2 5 0 m g l ，反应lh 后，硝基苯全部转化为苯胺；而当进水质量浓度为1 9 0 0m g l 以 时，同样条件下反应4 5h 后，硝基苯的降解率达到1 0 0 蝌矧。 硝基苯类化合物中的- n 0 2 为强拉电子基团，硝基苯环具有强的吸电子诱 导效应和共轭效应，使苯环更加稳定。经内电解法处理后，- n 0 2 转化为n h 2 ， 而- 2 为推电子基团，具有推电子效应，可逆的诱导效应和超共轭效应使苯 环电子云密度增加，降低了苯环的稳定性，大大提高了废水的可生化性，达到 预处理的效果。 1 2 硝基苯类化合物生物处理技术研究现状 与化学法和物理法相比，生物处理法的优点是费用低，不易造成二次污染， 可最大程度地降低污染物的浓度，应用范围广。同时，含有硝基苯类化合物的 废水往往是多种污染物共存，用微生物之间的协同作用和微生物对底物的共代 谢效应，能够同时去除多种污染物，加快硝基化合物的降解。生物处理法具有 广阔的应用前景。 崔玉波1 4 0 】等人在低温条件下采用厌氧折流板反应器对含硝基苯废水进行酸 化预处理，当水温为5 1 0 、水力停留时间为3h 条件下，连续3d 同时向a b r 中投加含硝基苯含量为0 4 8m g l 的污水，表现为酸化菌脱氢酶活性以及反应 器c o d 去除率同步下降。历经3 周后，两反应器的性能基本恢复正常。表明低 温条件下，硝基苯对酸化菌活性以及系统的性能产生不利影响，a b r 反应器具 8 硕士论文高效降解菌的筛选与固定化处理d n t 废水的研究 有一定的抗短期硝基苯冲击能力，分区迸水a b r 的性能更优。 w e nz h a n g 等人【4 1 1 研究了厌氧颗粒污泥中f e o f e 2 + f e 3 + 对硝基苯降解的影 响。在厌氧污泥中加入铁粉可以促进对硝基苯的降解，并且其降解速率要比单 独使用铁粉或者厌氧污泥要快。不同的f e 2 + f e ”浓度和溶液p h 值对硝基苯的 降解有不同的影响。在p h 为6 0 ，f e 2 + f e 3 + 浓度低于1 0 0m g l 时，f e 2 + f e 3 + 对 硝基苯的降解影响不大，而当f e 2 + f e ”浓度在1 0 0 - - 2 0 0m g l 时，硝基苯的降解 增强了。当p h 变为9 0 时，f e 2 + 浓度低于1 0 0m g l 时会促进硝基苯的降解，而 在2 0 0m g l 时会抑制其降解。建议使用铁和厌氧污泥法处理硝基苯废水，并且 应根据废水的p h 值来调节处理硝基苯废水时通过调节f e 2 + f e ”的浓度来保持 高的硝基苯去除率。 o z l e ms e l c u kk u s c u l 4 2 】等人研究了连续式a b r c s t r 反应系统中硝基苯浓 度和水力停留时间对硝基苯降解的影响。在连续a b 眦s t r 系统中当硝基苯浓 度为7 0 0 m g l 时，c o d 去除率为9 5 ，随着h r t 从l o 天减少到2 5 天，c o d 去除率从9 8 降到了9 7 。说明a b r c s t r 连续系统对于在低h r t 下处理高 浓度硝基苯废水有很大的潜力。并且研究得到在厌氧条件下硝基苯被还原为苯 胺，而苯胺又在好氧条件下转化为邻苯二酚。 1 2 1 硝基苯类化合物降解菌的筛选及降解特性 硝基的亲电子性、苯环结构的对称性使得硝基苯类化合物不易被微生物降 解，并且随着苯环上取代硝基的增多，生物降解性逐渐降低。国内外学者在菌种的 驯化和筛选方面进行了大量的研究。受试菌主要来自于受硝基苯类化合物污染 的土壤、地表水、活性污泥及河道的底泥等；在驯化过程中使用单一菌源或混 合菌源。驯化培养基是以硝基苯类化合物为唯一碳源、氮源、能源，或以硝基苯 类污染物为唯一氮源而琥珀酸盐或其它易降解底物为唯一碳源和能源的液体培 养基【4 3 1 。 c h u n l iz h e n 9 1 4 4 1 等人从被硝基苯污染的污泥中分离出菌株z 1 和菌株z 3 。它 们均能够在好氧条件下利用硝基苯作为唯一的碳源、氮源以及能量来源，并且 通过形态学、生理生化表征以及r d n a 序列测定将菌株z 1 和z 3 分别确定为红 酵母菌和藤黄微球菌。它们均能将一定浓度的硝基苯完全降解，并且有很高的 耐盐性，在5 的n a c l 溶液中能将硝基苯有效降解。因此z l 和z 3 菌株对于处 理高耐盐性的硝基苯工业废水有很好的应用前景。 李轶【4 5 j 等人从被硝基苯污染的某河流底泥中分离到能在低温下生长并能以 硝基苯为唯一碳源的7 株细菌，其中菌株n b l 在温度从2 5 3 5 范围内时都可 以生长并矿化2 0m g l 的硝基苯，最适宜的生长温度为2 5 左右；当培养温度 为5 时，该菌株在p h 为6 0 9 0 范围内可以快速降解2 0m g l 的硝基苯，中性 9 绪论 硕士论文 和碱性的条件比酸性条件更适合其生长；并且在中性条件下细菌可以将浓度为 1 0 0m g l 的硝基苯完全降解。经鉴定确定n b l 为恶臭假单胞菌。低温条件下该 菌株对硝基苯的快速降解特性为低温环境硝基苯污染的生物修复提供了可能。 赵晓松 4 6 1 等人从长期施用p c n b ( 五氯硝基苯) 的栽参土壤中筛选出2 株对 p c n b 具有降解作用的菌株，其中l 株为细菌p b 1 ，另1 株为放线菌p s 5 。菌 株p b 1 生长和降解p c n b 的最佳条件是p h 为6 0 、温度2 8 ；对于p s 5 是 p h 为7 、温度3 0 。经过4d 的培养p b 1 和p s 5 对初始浓度为2 0 0m g l 以 的p c n b 的降解率分别达到8 3 5 和7 6 9 。金属离子对菌株的生长和降解性 能会产生不同程度的促进和抑制作用，在试验浓度范围内，c u 2 + 和m 0 6 + 对p b 1 具有毒性，而m n 2 + 对p s 5 有毒性。维生素b 2 和丙氨酸的存在能够提高两种菌 株的生长和降解性能，维生素c 和甘氨酸对菌株p s 5 的降解性能有促进作用， 其他生长因子的作用不明显。 冯春晖【4 7 】等人从被二硝基甲苯和三硝基甲苯污染的土壤中分离到5 个高效 降解硝基芳香烃类化合物的菌株t d l 、t d 2 、t d 3 、t d 4 和t d 5 。t d l 、t d 2 、 t d 3 和t d 4 属于节杆菌属，t d 5 属于不动杆菌属。当t d l 、t d 2 、t d 3 、t d 4 和t d 5 各菌株的体积投加比例为2 ：2 ：2 ：1 ：1 时对含有d n t 和t n t 的炸药废水的 c o d c ，去除率最好，并且比各菌株单独使用时效果都好。将最佳复配的菌液投 加到装有填料载体的生物反应器中处理炸药废水，h r t 为9 6h ，运行4 7d 后出 水c o d c r 不超过2 0 0m g l ，硝基苯类化合物的浓度低于2m g l 。 1 2 2 硝基芳香烃类化合物及苯胺类化合物微生物降解途径 硝基芳香烃类化合物生物好氧降解途径包括氧化途径和部分还原途径。氧化 途径首先是硝基苯被转化为邻苯二酚，最后被代谢生成丙酮酸和乙醛【4 引。但是 一般来说，硝基苯类化合物由于其硝基基团的吸电子性和苯环的稳定性导致其 很难被氧化【4 9 1 ，而在环境中进行还原降解的菌是比较普遍的。有研究【5 0 】表明好 氧条件下硝基苯的生物降解主要通过部分还原途径，这是由于硝基的吸电子效 应造成苯环上电子云密度下降，阻碍了氧化酶的亲电进攻，更容易发生还原反 应。硝基苯经部分还原生成2 氨基酚，2 氨基酚再进一步开环降解。吡啶甲酸 作为副产物出现在2 氨基酚开环过程中，生物毒性大，一般不能被硝基苯降解 菌进一步利用，但是该实验筛选的菌群可降解吡啶甲酸，这一新的代谢特性可 能有助于发现新的酶系。 在厌氧条件或还原条件下，硝基苯类化合物可较易被还原为苯胺，而苯胺 在好氧条件下可进一步被矿化。在好氧条件下苯胺的微生物降解可以通过邻位 代谢和间位代谢两种代谢途径，分别由邻苯二酚1 ，2 - 力口双氧酶或邻苯二酚2 ，3 加双氧酶催化【5 1 1 。这两种代谢途径首先都是将苯胺氧化成邻苯二酚，之后若通 硕士论文高效降解菌的筛选与固定化处理d n t 废水的研究 过邻位代谢途径降解时，会产生琥珀酸和乙酰辅酶a ；而当通过问位代谢途径 降解时，最后会产生丙酮酸和乙醛。 l i ux i n g y u l 5 2 】等人用s b r 反应器来降解废水中的硝基芳香烃类化合物， 结果表明当负荷为0 3 6k gn b ( m 3 d ) ，0 3k g4 - n p ( m 3 d ) ，0 2 5k ga n ( m 3 d ) ， 以及0 1k g2 , 4 d n p ( m 3 d ) 时，各硝基芳香烃化合物去除率同时去除9 9 以上， 并且对芳香环开裂双加氧酶活性分析得出，a n 和n b 通过邻苯二酚2 ，3 功口双氧 酶降解，4 - n p 经由1 ，2 ，4 苯酚1 ，2 - 力口双氧酶途径降解。 刘进清【5 3 】等人通过对菌株s 对t n t 的降解机理的研究发现在s 菌的生物 转化体系中，随着t n t 的降解出现了缩合产物a ，并且a 物质又能很快被催 化分解。但该缩合产物分子量远小于现有报道的其它缩合产物，如氧化偶氮4 硝基甲苯和偶氮4 硝基甲苯，这说明a 物质可能是一类新的t n t 降解缩合产 物。a 物质的生成和分解显示s 菌可能催化了一种新的t n t 代谢和转化途径。 体系中硝基还原酶、甲苯双加氧酶和邻苯二酚双加氧酶的检出为t 的降解过 程提供了酶学基础，为s 菌降解t n t 的降解新途径提供了酶学支持。 1 2 3 生物固定化技术 固定化细胞技术是从7 0 年代开始逐渐从固定化酶技术发展而来，它是指通 过物理或化学的方法将分散、游离的微生物细胞固定在某一限定空间区域内，以 提高微生物细胞的浓度，使