（环境工程专业论文）白腐菌治理硝基苯类化合物废水的研究.pdf

硕士论文 白腐菌治理硝基苯类废水的研究 摘要 硝基苯类化合物是一类高毒性的有机污染物，它们性质稳定，极难生化降解。 因此，硝基苯类废水的治理成为近年来环境工作者研究的热点课题。白腐菌由于 其非特异性的酶催化活动，使其能降解各种在环境中宿存的有毒物质。本文主要 研究了白腐菌对硝基苯类化台物的降解效果，针对生化降解后出水c o d 值高的问 题，采用f e n t o n 试剂催化氧化处理技术。通过实验，培养和驯化出了降解硝基苯 类化合物的白腐真菌，验证了白腐菌处治理硝基苯类化合物的可行性，并确定催 化氧化的最佳运行参数。 研究表明，硝基苯模拟废水经过白腐菌降解后，硝基苯的去除率达到9 5 8 ， 在最佳实验条件：搅拌时间4 0 m i n 、l _ o m l h ：0 ：、1 o g 活性炭下进行催化氧化处理 后，未检测出硝基苯，c o d 的去除率达到9 8 4 。黑索今模拟废水和实际废水生 化降解后，黑索今的去除率分别达到7 5 1 和5 9 0 4 ，在最佳实验条件：搅拌时 间6 0 m i n 、2 5 m l h 。0 。、l _ o g 活性炭下进行催化氧化处理后，c o d 的去除率分别为 8 0 9 和8 5 1 。经白腐菌降解后，t n t 模拟废水和实际废水去除率分别达到9 6 5 和9 7 6 ，在最佳条件：搅拌时间4 0 m i n 、1 o m l h 。0 2 、2 o g 活性炭下处理后，出 水可以达到一级排放标准。 关键词： 白腐菌硝基苯类化合物治理废水 硕士论文 白腐菌治理硝基苯类废水的研究 a b s t r a c t n i t r o b e n z e n e c o m p o u n d s ，ah i g h l y t o x i cc o m p o u n d ，i sv e r yd i f f i c u l t t ob e d e g r a d e da n di t sc h e m i s t r yp r o p e r t yi sv e r ys t a b i l i z i n g t h et r e a t m e n t o fn i t r o b e n z e n e c o m d o u n d sc o n t a m i n a t e dw a t e rc a u s e sg r e a te n v i r o n m e n t a lc o n c e m b e c a u s eo f i t s n o n s p e c i f i ce n z y m a t i ca c t i v i t y ，w h i t er o tf u n g u sc a l ld e g r a d e ar a n g eo fp e r s i s t e n to r t o x i cc o m p o u n d s i nt h i sw o r k ，t h ed e g r a d a t i o no fd i f f e r e n tn i t r o b e n z e n ec o m p o u n d s b yw h i t er o tf u n g u sw a si n v e s t i g a t e d u s i n g an e wt e c h n i q u eo ff e n t o n r e a g e n t o x i d a t i o nt r e a t m e n tt os o l v et h e h i g h o u t f l o wc o n c e n t r a t i o no fc o da f t e r b i o d e g r a d a t i o n i ti sp r o v e dt h a tt h et r e a t m e n tb y w h i t er o tf u n g u si sv e r yf e a s i b l et o b eu s e di nn i t r o b e n z e n ec o m p o u n d sw a s t e w a t e r , t h ee f f i c i e n tw h i t er o tf u n g u st o d e g r a d en i t r o b e n z e n ec o m p o l l l l d sc l e a t e da f t e rb e i n gc u l t u r ea n di n c u b a t i o n , a n dt h e b e s to p e r a t i n gp a r a m e t e r so f f e n t o n r e a g e n to x i d a t i o n w e r eo b t a i n e d t h er e s u l t sd e m o n s t r a t e dt h a tt h er e m o v a l e f f i c i e n c y o fn i t r o b e n z e n e ( n b ) s i m u l a t e dw a s t e w a t e rc a nr e a c h9 5 8 a f t e rt h ed e g r a d a t i o no f w h i t er o tf u n g u s ，a n d i nt h eo p t i m i z a t i o no ft r e a m a e n tc o n d i t i o n s ：4 0 m i n m e s ，1 0 m l h 2 0 2a n d1 0 9a c t i - c e c a r b o l l t h er e m o v a l e f f i c i e n c yo f c o do f n bi s9 8 4 a n dr i on bw a sd e t e c t e d a f t e r b e i n gd e g r a d a t e d ，t h er e m o v a le f f i c i e n c yo f r d x s i m u l a t e da n da c t u a lw a s t e w a t e r c a nr e a c h7 5 1 a n d5 9 0 4 t h er e m o v a le f f i c i e n c yo fc o da r e8 0 9 a n d8 5 1 i nt h eo p t i m i z a t i o no ft r e a t m e n tc o n d i t i o n s ：4 0 m i n u t e s ，1 0 m l h 2 0 2a n d1 0 9a c t i v e c a r b o n t h er e m o v a le f f i c i e n c yo f t n ts i m u l a t e da n da c t u a lw a s t e w a t e rc a nr e a c h 9 6 5 a n d9 7 6 a f t e rb i o d e g r a d a t i o n a n dt h eo u t f l o wq u a l i t yi sa c h i e v e dn a t i o n a l s t a n d a r do fw a s t e w a t e r d i s c h a r g e a f t e rt r e a t m e n ti nt h e o p t i m i z i n g c o n d i t i o n s ：4 0 m i n u t e s ，1 0m l h 2 0 2 a n d 2 0 9a c t i v ec a r b o n k e y w o r d s ：w h i t er o t f u n g u s ；n i t r o b e n z e n ec o m p o u n d s ；t r e a t m e n t ；w a s t e w a t e r y 6 2 4 7 10 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，不包含其他人已经发 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：、离；物函多卯海7 月绸 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全部或部分内容，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全部或部分内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：立委翘豸z 盯年7 月朗 堕主堡奎 鱼堕堕塑望堕苎茎耋些鱼丝堕鲨! ! ! ! 壅 1 引言 水是宝贵的自然资源，是一切生命机体的组成物质，是生命发生、发育和繁 衍的源泉是人类生活、动植物生长和工业生产都不可缺少的物质。水作为人体 ( 以及各种生物体) 中含量最多的一种物质，约占体重的三分之二，每人每天约 需5 l ，没有水就没有生命。 生产和生活用水基本上都是淡水，而地球上全部的地面和地下的淡水量总和 仅占总水量的o 6 3 。而且，随着社会发展和人们生活水平的提高，生产和生活 用水量也在不断的上升。据统计，人类年用水量已近4 1 0 1 2 m 3 ，全球有6 0 的 陆地面积淡水供应不足，近2 0 亿人饮用水出现短缺。早在1 9 7 7 年联合国就向全 世界发出警告：水资源不久将成为继石油危机之后的另一个更为严重的全球性危 机。近年来，各种相关报道都在告诫人类正在面临水源危机。据统计，全球对水 的需求，每2 0 年将增加一倍，但水的供应却不会以这种速度增加。目前，拥有 世界人口4 0 的8 0 多个国家正面临着水源不足。 人类不但需水量在逐渐增大，而且随着工农业的迅速发展和人口增长，排放 到水环境中的污染物也在急剧增加，使各种水体遭受不同程度的污染。水污染问 题己成为威胁人类健康和制约经济发展的重要因素之一。据统计，1 9 9 2 年环境 污染对中国造成的经济损失达9 8 6 1 亿人民币，占当年g n p 的4 0 4 ，其中水污 染损失3 5 6 0 亿人民币，占总损失的3 6 1 。而工业废水是我国废水的主要构成 部分，约占废水排放总量的6 0 一7 0 ，根据国家环境保护总局发布的环境质量 公报显示，1 9 9 6 年，全国污水排放总量达4 2 x 1 0 1 0 t 。其中工业废水排放量约 2 7 1 0 1 0t 。 硝基苯类化合物( 如硝基苯胺、硝基苯、硝基氯苯及多硝基芳香烃类等) 就是 重要的基础化工原料之一，在染料、医药、化工、炸药、农药和有机合成等工业 生产上具有广泛的应用，因此大量的硝基苯类化合物进入到人们的生活中。它们 结构稳定，不易分解、转化，种类多而复杂，而且对生物的毒性很大，通常该类 化合物都是高毒性、强致癌性物质，毒性一般为其他化合物的2 0 一3 0 倍。它们 对人体的主要毒性是引起血红蛋白变质，慢性接触可引起神经功能改变外，还可 导致肝脏损害。直接排放到环境中去将导致该类化合物广泛存在于水体和土壤 中，造成严重的环境污染问题】。因此，国家对硝基苯类化合物在废水中的浓 度有严格的控制，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50m g t ”1 。据统计，全球每年排入到环境中的硝基苯类化 合物约3 x 1 0 4 t 1 6 , 而且随着现代化学工业的不断发展，对该类化合物的需求成明显 上升趋势，其中硝基苯的全球需求量正在以每年3 1 的速率增长”。通过各种 途径进入到环境中的该类化合物的种类和数量也会越来越多，对环境的污染将日 堡主笙奎旦堕堕堕望塑茎茎耋些全望堕查旦! ! 堕 益严重，直接威胁着人类的健康。因此，硝基苯类废水的治理成为当前各国非常 关注的问题8 1 。 ll 硝基苯类废水处理研究现状 目前，国内外关于硝基苯类废水的治理方法很多，总体上可分为三类：物理 方法、化学方法和生物方法等。 1 1 1 物理法 ( 1 ) 吸附法 主要是利用活性炭、有机膨润土和树脂等吸附剂的表面活性将污染物吸附于 表面而达到去除的目的。蒋明1 9 等对氧化处理后的硝基苯胺废水采用活性炭吸附 处理，其进水色度为4 2 1 0 0 倍，c o d 为2 7 4 3 4 2 1 2 m g l ，经活性炭吸附处理后， 各项水质指标均达到国家规定的废水排放标准。张全兴【。0 j 等研究了c h a 1 1 1 树 脂处理硝基苯和硝基氯苯生产废水的最佳工艺条件，当废水中硝基苯类化合物含 量为6 3 9 m g l 时，c h a 1 1 1 树脂的工作吸附容量为1 2 6 m g m l ，处理后硝基苯类 化合物的浓度 9 9 。活性炭纤维吸附( a c f ) 作为一种新型的 吸附材料在废水处理方面的研究已有不少报道。它克服了传统的颗粒状活性炭吸 附剂在吸附效率、再生条件以及材料的机械强度和使用寿命等方面均不理想的缺 点，具有吸附速度快、操作条件简单、吸附过程影响因素少、可再生利用和无二 次污染等优点。a c f 处理硝基苯酚的研究表明：a c f 对硝基苯酚的吸附容量达 到6 6 4 m g g ，吸附和解析速度快，采用质量分数为1 0 的n a o h 做再生剂，可恢 复再生能力且a c f 的吸附容量不变。硝基苯酚进水9 7 9 0 m g l ，吸附后达到一级 排放标准，硝基苯酚回收率 9 0 1 。 ( 2 ) 萃取法 萃取法是采用与水不相溶的有机溶剂做萃取剂，利用污染物在水中和溶剂中 不同的分配比分离和提取污染物，从而净化废水。林中祥2 j 采用三辛股一煤油做 萃取剂处理间二硝基苯生产废水，在p h = 1 0 ，废水：萃取剂：煤油为1 0 0 ：1 0 ： 3 0 的条件下，经三级萃取，废水的c o d 去除率达9 5 以上硝基物去除率达9 8 以上，萃取剂经n a o h 处理后可循环利用。n a k a it o s h i h i r o 等【1 人用超临界c o ： 萃取硝基苯废水，发现进水4 0 0 m g l ，在萃取剂与萃取物质的质量比为l ：l 时，废 水中硝基苯的去除率达到1 0 0 。萃取法处理硝基苯类废水的优点是周期短、处 理量大，目前多采用多级萃取和萃取与其他方法协同作用的方法，但总的来说， 萃取剂回收困难，易造成二次污染。因此，该法处理效果不是很理想。 除此之外还有凝聚法、浮选法和反渗透法等。物理法虽然可暂时去除废水中 4 堡主堕壅旦堕堕塑望堕苎茎鲞些全塑堕查盟里堕 的有害物质，但并不能使这些物质得到根本的处理，还会带来二次污染，同时还 存在成本高的问题。a c f 作为一种新型的吸附材料虽处理效果好，无二次污染， 但价格太高且再生处理成本也很高。随着科学的发展，a c f 制造技术的改进， 价格和再生成本下降，完全会有广阔的应用前景。 1 1 2 化学法 与物理法相比，化学法具有处理彻底、且无二次污染的优点。目前，高级氧 化技术( a o p s ) 作为一种新的较有效的处理难降解有机废水的化学氧化技术， 已取得了显著的进展，也是废水处理中的一个热点【i ”。该技术主要是利用高活 性的自由基在特殊环境条件下氧化降解废水中的有机物，在短时间内实现对有机 物的完全矿化，且不受废水的种类、成分、浓度的限制。如：光化学氧化法、f e n t o n 试剂和类f e n t o n 试剂法、臭氧组合氧化法、超临界水氧化法等。 ( 1 ) 光化学氧化法 光化学氧化法是近2 0 多年发展迅速的a o p s 技术【1 5 1 。其设备简单、操作方 便、高效、无二次污染或污染低的优点。主要有多相光催化氧化法和均相光氧化 法。自1 9 7 6 年c a r e y 等首次提出多氯联苯可被u v f f i 0 2 光催化降解以来，利用 多相光催化降解各类污染物的报道己很多。该过程主要是利用光照射某些具有能 带结构的半导体光催化剂，诱发产生o h 一自由基，进而氧化分解各种有机污染物。 李丽洁等6 】采用了一种新型的光催化固定膜反应器对2 ，4 - 二硝基苯酚进行降解 实验，取得了良好的效果。均相光氧化法则是利用0 3 、h 2 0 2 、f e n t o n 试剂等氧 化剂与光一起作用降解污染物的过程。与多相光催化氧化法相比，该法不但具有 更高的氧化能力和光解速度，而且不存在催化剂的回收、固定、污染和活化的问 题。薛向东等【l 7 j 利用紫外光一臭氧法处理t n t 废水的研究中发现，1 1 5 m g 几的 t n t 废水经1 2 h 降解，其去除率为7 3 ，且延长时间t n t 可继续降解。同时还 发现，t n t 主要通过形成2 ，4 ，6 - 三硝基苯甲酸、l ，3 ，5 三硝基苯等中间产 物而最终被矿化。 ( 2 ) f e n t o n 试剂和类f e n t o n 试剂法 f e n t o n 试剂，即过氧化氢与亚铁离子的复合，是一种氧化性很强的氧化剂。 自1 9 6 4 年e i s e n h a u e r 首次使用f e n t o n 试剂处理苯酚废水和烷基苯废水以来， f e n t o n 试剂在工业废水处理中的应用中越来越来受到重视1 。f e n t o n 试剂处理黑 索今废水的实验表明，在p h = 3 0 ，温度为2 0 。c 5 0 * 0 ，摩尔比h 2 0 2 ：f e ：黑索 今。5 1 7 8 ：4 8 ：1 时，黑索今的去除率可达9 0 。由于f e n t o n 试剂单独处理 的成本太高，近几年研究者们将紫外光、氧气、草酸盐等引入f e n t o n 试剂，不 但使f e m o n 试卉i j 的氧化能力显著增强，而且节约了h 2 0 2 的用量。由于其基本原 堡圭笙塞 鱼堕堕丝堡壁茎薹鲞垡全塑窒查塑婴堑 理与f e n t o n 试剂相似，故称为类f e n t o n 试剂。杨文忠等【2 伽在f e n t o n 试剂中引入 了紫外光处理硝基苯废水，在f e 2 + 为1 0 0 0 m g l 、h 2 0 2 的倍数为3 、p h 为9 0 时， c o d 去除率可达8 4 6 ，而f e n t o n 试剂单独作用，c o d 去除率仅为6 5 。 c h a m a h d 等1 2 1 】人将f e n t o n 试剂与生物法联合处理水中的有机物腐植酸、苯酚、 4 一二氯酚和硝基苯，结果发现除了腐植酸外，都有一个几乎相同的计算常数： 0 5 m o l 有机物t o o ! o h ，且有机物完全降解需大量的氧化剂和反应时间。所以考 虑到生物处理费用低，f e n t o n 处理只做预处理，和生物法结合会更有价值。肖羽 堂等( 2 2 1 利用f e n t o n 试剂预处理硝基苯废水，可使废水的可生化值( b o d c o d ) 从0 0 6 8 升到0 8 6 ，处理后废水的可生化性较好。 ( 3 ) 臭氧组合处理法 0 3 作为一种有效的氧化剂在废水处理中具有广泛的应用。但是单独使用具 有利用率低、氧化能力不足和臭氧含量低等缺点。因此，近年来臭氧与其他方法 组合使用得到了较快的发展。张晖等1 2 m 采用0 3 ，u v 法降解含硝基苯酚废水，发 现其t o c 的去除效果超过0 3 单独使用。采用0 3 h 2 0 2 法处理含硝基苯废水，发 现与臭氧法相比该法可以显著提高废水中硝基苯的去除率【2 4 1 。此外o ，h 2 0 2 ，u v 、 0 3 ，活性炭等方法的组合使用在废水处理中都取得了较好的效果。 ( 4 ) 超临界水氧化法( s c w o ) 该法主要是利用超临界状态下水和溶解的氧跟有机物发生反应，将各种有机 物染物彻底处理。由于其具有处理范围广、速度快、效率高、能耗低和无二次污 染等优点，在美国，该技术被誉为能源与环境领域中最有前途的处理技术。c h e n f e n gq i u 等i z 习人研究了含硝基苯、苯胺和苯酚的废水在s c w o 条件下c o d 的 去除效果，结果表明：由于废水中有难氧化的中间产物生成，当温度大于或等于 6 5 0 0 c 时。硝基苯才能被完全氧化，在7 0 0 。c 时，硝基苯废水的c o d 去除率大 于9 0 。赵朝成等【2 6 j 利用s c w o 处理高浓度硝基苯废水的研究表明，该法具有 高速、高效的特点，反映时间达1 0 m i n 时，硝基苯去除率可达9 9 9 。但成本高， 且反应器腐蚀严重。 高级氧化技术是治理生物难降解有机有毒污染物的主要手段，也是目前治理 硝基苯类废水技术的热点，具有高效、彻底、快速、无二次污染和对有机物降解 无选择性等优点。但是，该法的运转费用和成本过高、反应条件苛刻、反应设备 要求高是目前存在的主要问题。 ( 5 ) 其他方法 微电解法是利用铁屑在水溶液中形成为电解过程来处理废水。该法成本低、 速度快，能将大部分的硝基化合物胺化，部分苯环开环，降解虽不彻底，但可提 高高浓度硝基苯类废水的可生化性，与其他处理方法相结合可以达到较好的效 6 堡主垒苎 鱼堕堕堕堡堂茎茎壅垡鱼塑堕垄塑里! 盈 果。赵德明等田1 采用废铁屑微电法对对氟硝基苯废水进行预处理，在铁粉投加 量为3 0 9 l 、p h 为3 0 、反应时间为3 h 、催化剂氯化铵用量为2 0g l 的条件下， 对氯硝基苯转化为氨基氯苯的转化率为7 0 ，出水的b o d 5 c o d 值由0 上升为 0 2 7 。 1 1 3 生物法 生物法就是利用微生物的代谢活性处理环境中的有机污染物。由于其成本 低、效率高、无二次污染而倍受关注。 ( 1 ) 活性污泥法 该法是一种发展得相当成熟的生物处理技术，它主要是利用活性污泥颗粒中 多种微生物的相互协同作用来加快污染物的降解。自1 9 1 4 年活性污泥的概念被 提出以来，经过9 0 年的发展，活性污泥法已克服了传统的毒物承担能力低、不 适应冲击负荷、曝气负荷低、污泥产生量大等缺点，在实际应用中常加以改良或 采用与其它方法相结合的手段。冯晓西等1 2 8 i 采用氧化还原、p a c s b r 生化处理 硝基苯废水，可使废水c o d 去除率达到9 5 ，b o d 去除率达到9 8 ，硝基苯 类去除率达到9 7 ，色度可由5 8 万1 0 万倍减少至8 倍。 ( 2 ) 厌氧处理法 该法主要是利用各种微生物在厌氧条件的共同作用使有机物分解并生成 c h 4 和c 0 2 。在厌氧的条件下，硝基苯类化合物中的硝基被还原为胺基，生成的 胺类化合物又进一步被矿化【2 9 】。谢娟等1 3 0 1 研究了以牛粪为接种物的u a s b 反应 器处理黑索今废水，经处理后的出水符合污水综合排放标准，在厌氧阶段，黑索 今的平均去除率可达8 8 。 虽然厌氧条件下，硝基苯类化合物可转化成易降解的中间产物，但不能使其 最终矿化，因而后续工艺常采用好氧的方法，从而达到完全降解的目的。已有许 多现场实验采用厌氧好氧两步工艺取得了成功1 3 1 , 3 2 。任源等1 3 3 采用厌氧一好氧处 理硝基苯废水，研究表明，进水硝基苯为3 0 0 8 0 0 m g l ，c o d 为1 5 0 0 3 0 0 0 m g l ， 经厌氧处理2 4 h ，硝基苯转化率 9 0 ，c o d 去除率为2 0 3 0 ，好氧处理1 2 h 后，总c o d 去除率达6 0 7 0 。 硝基苯类化合物具有高毒性和难降解性，它们结构稳定，不易分解转化，种 类多而复杂。对于硝基苯类化合物而言，由于硝基的吸电子性使得苯环上的电子 云密度下降从而使氧化酶的亲电子行为受阻，导致了硝基苯类化台物极难生化 降解【3 4 。”。目前，利用白腐菌处理硝基苯类化合物废水受到了人们的关注。 堡主堡壅 旦堕堕塑堡塑茔茎鲞些鱼塑里垄塑竺圣 1 2 白腐菌在废水治理中的应用 1 2 1 白腐菌的特点 白腐菌是上世纪八十年代人们发现的一种具有广谱降解污染物的微生物。它 是一类丝状真菌，属担子菌亚纲中的菌蕈类，腐生在木材和树木上，导致木质腐 烂成为淡色的海绵状团块一白腐。其原因在于它可以在木质细胞腔内产生细胞外 过氧化酶，这种酶具有很强的催化降解木质素大分子的能力。其过程包括木质素 一碳水化合物结合体的分解，苯基丙烷的分解，侧链分解以及芳香环结构的开裂。 由于其对各种难降解有机物及异性物质具有独特的降解能力p7 1 粥】，近年来受到世 界各国包括科学界及工业界在内的高度重视。 i 2 2 白腐菌的降解机理 自腐菌对各种环境污染的降解机理，既包括生物学机制，又有般的化学过 程，是两者的结合。目前研究人员认为白腐菌降解有机污染物的过程分为细胞内 和细胞外过程【3 9 ，”j 。在细胞内过程中，主要合成白腐菌降解有机污染物需要的一 系列酶。首先是细胞内葡萄糖酶和细胞夕b t , - - 醛氧化酶，它们在分子氧( 外界曝 气供给) 参与下氧化污染物并形成h ：0 ：，激活过氧化物酶而启动酶的催化循环， 与此同时，合成重要的木质素过氧化酶。在细胞外过程，木质素过氧化酶作为一 种高效催化剂参与反应，先形成高活性的酶中间体，将化学物质r h ( 如多环芳 烃：染料、t n t 等) 氧化成自由基r ，继而以链反应形式产生许多不同的自由 基，促使底物氧化。这种自由基反应是高度非特异性和无立体选择性的，使得白 腐菌与底物之间并非酶与底物的一一对应关系，故对污染物的降解呈现广谱特 性。 1 2 3 白腐菌的降解优势 自腐菌对污染物的独特降解机理决定了它具有其他生物修复技术所无法拟 比的优点。 ( 1 ) 不需要经过特定污染物的预条件化。用细菌降解污染物时，细菌必须 先置于定有效浓度的污染物中才能诱导合成所需的降解酶。这将导致细菌只能 将污染物降到有效水平。而白腐菌的降解酶合成与降解底物的多少无关，它是靠 营养限制( 主要是n ) 来启动整个降解过程的，因此它对污染物浓度没有要求， 并且可以将其降到测不出的水平。 ( 2 ) 降解底物的非专一性。白腐菌的非专一性降解机制使其能降解甚至矿 堕主堡塞 鱼堕堕塑堡塑茔茎鲞些鱼塑壁垄堕! ! 堕 化多种成分复杂的化合物，相比之下，细菌对降解底物专一性较强，只有在多菌 种的共同作用下，才能达到相似的降解效果。 ( 3 ) 细胞外降解特征。白腐菌降解系统的核心组成部分位于细胞外，这使 得白腐菌的降解系统可以产生非常强的有效氧化性物质而不构成对细胞的毒害， 因此它们能降解不溶性的化学物质和其他环境污染中的毒性物质。 ( 4 ) 对其他微生物的拮抗。白腐菌的最佳生长p h 较低，生长温度较高，产 生降解酶系往往需要限氮或限碳培养基，不利于其他微生物的生长。并且白腐菌 能产生象o h 这样的氧自由基。氧化其他微生物的蛋白质、d n a ，导致它们死亡， 因此白腐菌能在竞争上保持一定的优势。 ( 5 ) 对营养物要求不高。白腐菌对营养物的要求不高，可以利用废弃物中 的木质纤维等廉价的物质作为营养源来培养，因此成本低。而且，白腐菌在固体、 液体培养中均能生长，因此白腐菌可广泛的在土壤污染和水污染体系中起到降解 作用。 1 2 4 白腐菌在废水治理中的应用 八十年代初t i e n 和g o l d 等人因首次从白腐真菌分离到两类与降解活动有关 的过氧化物酶而震动了生物界和工业界。随着这类菌所能降解的污染物种类的逐 渐扩大，对降解原理的深入揭示，今天这种震动已波及化学化工界、环境工程界， 并越来越强烈。因其广泛的应用前景，在国外白腐菌被列为2 0 世纪9 0 年代的高 科技产品。目前，从初步的实验来看，白腐菌在降解染料废水造纸废水，糠醛 废水，有机氯化物和土壤中的石油污染物等方面都取得了成功，除此之外，白腐 菌在难降解硝基苯类化合物废水的治理中也显示了其较强的降解能力。 1 9 9 1 年，美国应用与环境微生物杂志报道了白腐菌将难降解物质t n t 中 的苯环打开，t n t 降解率达3 0 ，引起国内外研究者的兴趣。此后国外报导了白 腐菌治理t n t 红水的文章，取得了一定进展f 4 1 4 引。在处理含硝化甘油、d n t 废水 的应用中也产生了较好的效果i 4 。对白腐菌生化治理其它含苯环的有机废水的 研究中人们发现，白腐菌能把废水中的苯环打开，并最终使废水矿化，这一发现 给自腐菌处理有机废水提供了广泛的应用前景。f e r n a n d ot u e l o r 等【4 5 】利用1 4 c 标志的t n t 及黑索今分析了白腐菌降解1 n t 及黑索今的矿化过程。在3 0 天内， 白腐菌可以将废水中5 0 8 3 2 的“c t n t 转变为1 4 c 0 2 ，且只有2 8 的t n t 被回收。同时可将6 6 6 + - - 4 1 的“cr d x 转变为h c 0 2 ，且只有4 的r d x 被 回收。土壤中，有6 3 o 6 的“c t n t 被矿化，7 6 0 + 3 9 的c r d x 转化为 “c 0 2a 这表明白腐菌可用于降解被t n t 污染的废水及土壤。也有文献报导【4 6 1 ， 白腐菌是降解芳香化合物能力最强的微生物。王庆生【4 7 l 等在利用白腐菌处理硝 9 堡主丝壅 自堕堕堕里塑墨茎耋些鱼竺堡查旦! ! ! 塑 基苯类化工废水的研究中发现，在常温( 2 5 。c ) 。p h 为7 ，进水c o d c r 为2 0 0 0 m g l ， 硝基苯进水质量浓度为1 0 0 m g l ，停留时间为6 0 h 的条件下，c o d e r 降解率可达到 9 9 。林鹿等4 踟在研究中发现，白腐菌培养7 d ，硝基苯类化合物的降解率可达 8 4 6 。 综上所述，物化法中的高级氧化技术是治理生物难降解有机有毒污染物的主 要手段，也是目前治理硝基苯类废水技术的热点，具有高效、彻底、快速、无二 次污染和对有机物降解无选择性等优点。但是，该法的运转费用和成本过高、反 应条件苛刻、反应设备要求高是目前存在的主要问题。而采用高级氧化技术和生 物技术的组合工艺是目前研究者更多关注的一种方法，由于成本低、处理效果好 等优点而具有更广阔的应用前景。 1 3 本课题研究的内容、目的和意义 1 3 1 研究的目的和意义 染料和化工废水中一般都富含一、二硝基甲苯，硝基氯苯等硝基苯类化合物， 属极难生化降解废水。硝基苯类化合物对微生物，包括对人类都有很大的毒性， 直接排放到水域中将严重危害生态环境。用物化法处理不是成本高，就是效果差。 而目前在化工厂和农药厂使用的生化法虽具有成本低，操作简单，效果较好的优 点，但该法占地面积大，周期长，不适用于硝基苯类化合物废水的处理。用白腐 菌处理该类废水除保持生化法的优点以外，还具有周期短，占地面积小，降解能 力强的优点。 1 3 2 研究的内容 本论文在理论指导的基础上，采用自腐菌治理硝基苯类废水。对于浓度较高 的废水采用预处理手段提高废水的可生化性，然后再用白腐菌生化降解，同时采 用后处理的方法解决白腐菌生化降解后出水的c o d 值高的问题。而对浓度不高的 废水则只需采用白腐菌生化降解和后处理的方法。在此思想的指导下通过实验寻 求高效、运行成本低、可推广应用的处理工艺，其主要研究内容如下： ( 1 ) 培养和驯化适合于硝基苯类化合物废水降解的白腐菌菌种，同时探索简 易培养和驯化菌种的研究，以缩短实验时间，提高降解效率。 ( 2 ) 采用实验室模拟的研究方法，研究白腐菌降解硝基苯( n b ) 、黑索今( r d x ) 、 2 ，4 ，6 一三硝基甲苯( t n t ) 废水的规律。在废水的后处理单元中，确定f e n t o n 试剂催化氧化后处理的最佳处理条件。 ( 3 ) 采用该处理工艺治理实际废水，研究白腐菌对实际废水的降解效果。 堡主堡壅 旦堕堕堕里型薹茎鲞些鱼塑堕查! ! ! ! 塑 2 自腐菌的培养与驯化 2 1 实验设备和试剂 实验中所用设备和试剂等如表2 1 所示。 表2 1 实验设备和试剂 仪器和试剂 生产厂家 l r h 一1 5 0 b 生化培养箱 电热手提高压蒸汽消毒锅 7 1 0 型电热干燥箱 水浴锅 托盘天平 分析天平 调压变压器 琼脂 葡萄糖( a r ) 磷酸二氢钾( c r ) 硫酸镁( a r ) 其他玻璃仪器和试剂 广东省医疗机械厂 上海医用核子仪器厂 大连干燥箱厂 上海沪南科学仪器联营厂 江苏常熟衡器厂 上海天平仪器厂 南京电气控制设各厂 福建石狮副食品加工厂 上海化学试剂公司 南京化学试剂厂 无锡市民丰试剂厂 购得 2 2 菌种及其培养基 本实验所用的菌种是本实验室近几年来培养、纯化、驯化得到的纯菌种。配 制培养基时，应根据培养基的用途和其成分的试剂纯度要求，才能确定所需原料 的种类和规格。为了节约原料，要尽量利用农副产品，代用品，必须的化学药品 除特殊需要外要尽量使用工业原料，基于上述要求，结合所需的菌种，本次实验 选择了土豆汁培养基作为驯化及培养菌种的固体培养基。 土豆汁琼脂培养基的制作方法：将新鲜土豆去皮洗净，切成薄片，放在水中 ( 体积比土豆：水= l ：5 ) 于恒温水浴锅内在8 0 c 下浸泡l 小时，边煮边搅拌。 用纱布滤掉土豆块，滤液加水稀释至原来体积，再加入适当的营养液( 成份为适 量的葡萄糖，磷酸二氢钾，m g s 0 4 7 h 2 0 ) 。置于电炉上加热至琼脂完全溶解，但 勿使其沸腾。再补足因蒸发而失去的水份，将其灭菌三十分钟，然后冷却置4 5 - - 5 0 。c 。在酒精灯上方将已灭菌的培养基分别倒入干燥己灭菌的培养皿中( 1 6 1 下烘2 小时) 迅速盏妥，轻轻旋转。使其分布均匀，自然冷却至室温，凝固待 堡主堕壅 旦堕堕堕堡堕董苎耋丝鱼望壅查塑塑窒 用。 2 3 菌种的培养和驯化 2 3 1 简易驯化 将实验室已有的菌种进行接种。接种时，注意要先将接种环在酒精灯上方由 柄至环烧红消毒，待冷却后迅速至于己凝固培养基的培养皿上轻轻划线，而后置 于生化培养箱中，2 l 一2 5 c 条件下恒温培养。全过程应在酒精灯上方进行，谨 防杂菌进入。 传统的菌种驯化实验过程都是采用若干个培养皿逐步培养，按浓度由低到高 分别配制培养基进行驯化，既费时又耗费原料，因此，如果能在同一培养皿中实 现驯化过程无疑可以节省时间和原料，从而更加经济。 具体操作过程如下：取一大培养皿，按土豆汁培养基制备法将土豆汁琼脂热 溶液倒入其中，铺满底部即可，待其稍冷还未明显凝固时，按从左到右顺序依次 滴加l o 、2 0 、3 0 、5 0 、7 0 、l o o 驯化液，在培养皿右边缘滴加高于 模拟废水浓度的驯化液，并从左到右划线以区分各浓度区域，凝固后接种。培养 皿划线示意图如图2 1 。 图2 1 划线分区示意图 通过实验发现： 培养2 d 后，1 0 、2 0 、3 0 区内有小菌落长出。 培养5 d 后，1 0 、2 0 、3 0 区菌落扩大呈现片状，5 0 区内长出菌种。 培养6 d 后。7 0 区有菌种长出。 培养7 d 后，1 0 、2 0 、3 0 1 夏已长满，5 0 、7 0 区也呈片状。 培养8 d 后，1 0 0 区有菌种长出。 硕士论文白腐菌治理硝基苯类化合物废水的研究 培养1 1 d 后，高浓度区长出菌种，1 4 d 后，整个培养皿长满白腐菌。 该实验说明：白腐菌对带硝基芳环化合物的适应性良好。在一个培养皿中进 行驯化是可以实现的，虽然最佳实验条件还未确定，但培养过程简单，在时间上 已经大大优于传统驯化方法，且节省了原料，有较好的实用价值。 2 3 2 大规模培养 如果要进行较大规模的白腐菌生化降解实验，需要使用大量的臼腐菌，因此， 我们对其扩大培养作了初步尝试。 同样采用农副产品，按质量比3 ：1 称取适量木屑和棉子壳，消毒后加入适量 经过加热煮沸后的去离子水，充分和匀，待冷却后加入到塑料袋中，同时向其中 滴加白腐菌的菌液，最后在袋口扎一医用棉花团，在袋周围扎若干小孔以保证通 气。 通过该实验发现：培养2 d 后，最上层有菌丝长出：培养3 d 后，小孔处也有 菌丝长出：6 - 7 d 上层已长满白腐菌，小孔处的白腐菌菌丝也连成片。该实验结 果表明，如果能够提供充足的水份和空气，就可以培养大量的白腐菌，满足大规 模生化治理的需要，同时也减少了成本。 硕士论文 自腐菌治理硝基苯类化合物废水的研究 3 白腐菌降解硝基苯废水的研究 硝基苯是有机合成的重要原料，广泛应用于农药，染料，炸药，医药及其它 化工产品的生产。它对人体有剧毒作用，其毒性较苯胺大5 0 倍，能破坏血液循 环和神经系统，轻者感官失去正常作用和引起轻度贫血，重者导致死亡。它还能 通过皮肤和呼吸道进入人体。其蒸汽也很毒，中毒后即使及时治疗，仍会留有后 遗症。因此，硝基苯废水是非治理不可的。 白腐菌对微生物难降解、毒性较大的有机物染物有独特的降解效果。王庆生 等【4 7 】在研究中发现，白腐菌对硝基苯化工废水具有良好的降解效果，但随着硝 基苯初始质量浓度逐渐增加到一定值时，降解率开始下降，表明白腐菌对降解硝 基苯废水的初始质量浓度有一定的限制的。 因此，针对高浓度的硝基苯废水的可生化性差的特点，本章采用了铁炭预处 理一白腐菌生化降解一f e n t o n 催化氧化后处理的综合法治理高浓度硝基苯废水。 研究其他方法与白腐菌生化法的协同作用对硝基苯废水治理的影响。 3 1 试剂与仪器设备 苯( a r ) 、硝基苯( a r ) 、硫酸( 优级纯) 、氢氧化钠( c r ) 、硫酸亚铁( a r ) 硫酸银( a r ) 、重铬酸钾( a r ) 、双氧水( 3 0 a r ，试剂二级) 、硫酸汞( a r ) 、 氧化钙( a r ) 、铸铁屑、气相色谱仪( a g i l e n t4 8 9 0 d 美国) 、i h lc o d 测定仪( 美 国) 。 3 2 硝基苯废水的铁碳预处理 3 2 1 实验方法 移取3 o r a l 纯硝基苯加入到3 0 0 0 m l 烧杯中，向其中加入2 5 0 0 m l 左右的水， 不断搅拌、振荡使之充分溶解，此溶液即为硝基苯模拟废水。测定其c o d 值。 在本实验中，我们拟采用铸铁屑对该硝基苯模拟废水进行预处理。先量取约 1 5 0 0 m l 左右的铸铁屑，放置于1 0 1 拘n a o h 溶液中浸泡过夜以除去表面氧化 物，再用l o m f l c j h 2 s 0 4 溶液浸泡半天，最后将铸铁屑滤出，经过自来水一去离 子水一蒸馏水的多次冲洗后至p h 为7 左右以待用。 将两个曝气头放入30 0 0 m l 烧杯中，应将经过上述酸碱处理后的铁屑覆盖 住曝气头，然后向其中加入配制好的硝基苯模拟废水，开始曝气，每隔段时间 取样测其c o d 值。 待停止曝气后，将溶液倒入2 5 0 0 m l 的烧杯中，向其中滴加l o f l 勺c a ( o h ) 2 ， 4 堡主笙奎 皂堕堕塑里型茎茎耋垡鱼塑壅查! ! 型堕 至p h 为8 - 9 ，静置后过滤得滤液保存以待用。取该水样测定其c o d 值。 3 2 2 分析方法 采用重铬酸盐法测定化学耗氧量f 4 9 】。 3 2 3 结果与讨论 按3 2 1 步骤配制硝基苯模拟废水做预处理实验。结果表明，c o d 的去除率 随时间的变化逐渐增大，但自第6 0 分钟以后，去除率的变化幅度较小，基本趋 于稳定。考虑到在实际应用中，增加反应时间生产中的投资也会相应提高，因此， 选择预处理时间为6 0 分钟左右。所得c o d 去除率随时间变化规律如图3 2 1 所 示。 2 04 06 08 01 0 01 2 0 时问( m i n ) 图3 ，2 1c o d 去除率随时间变化曲线 原模拟废水的c o d 值为2 3 6 0 m g l ，经过f e c 预处理后的废水的c o d 值为 l5 6 8 m g l 。 该实验结果表明：f e c 预处理对废水的c o d 具有良好的去除效果，提高了 废水的可生化性。这主要是f e c 内电解法处理废水具有多种反应机理，主要是 电化学反应、氧化一还原反应和电凝聚作用。废水中有机物的去除和废水的脱色 主要靠新生态的氢和裸露的铁原子。 将铁屑、碳颗粒同时放入废水中，这样形成了无数微小的电池，铁为阳极， 炭粒为阴极，发生下列反应： 阳极f e ：f e - 2 e = f e ” 阴极c ：酸性时：2 h + + 2 e 一2 h 一f 2 0 + 4 h + + 4 e 一2 h ，0 钙 蚰 弘 如 巧 趵 零)|哥篷悄oou 堡主迨奎 旦堕蔓堕里堕苎苎鲞些鱼塑堕查! ! ! ! 塑 碱性时：0 z + 2 h 扣+ 4 e 一4 0 h 电极反应生成的产物有较高的活性，新生态的h 能使溶液中许多组分发生氧化一 还原反应，破坏发色物质的发色结构，达到脱色目的，酸性溶液条件下，不断进 行铁的电化学腐蚀，是大量的f e ”进入溶液，不但克服了阳极的钝化，同时f e ” 还有较高的活性f e ”参与氧化一还原反应生成f e ”。由于反应后期p h 增大f e 3 + 水解成铁的单核络合物逐渐形成多核，聚合度大的络合物的沉淀。这些化合物能 对废水中的其他胶体和悬浮物起到有效的吸附，凝聚及共沉淀作用，从而增加了 废水的净化效果。 如单纯使用硫酸亚铁或铁屑在酸性溶液中产生f e ”，均不如f e c 对废水处 理效果好。因此，在f e c 电化学反应中，碳所起的阴极作用是非常重要的。 我们在实际应用中可以用铸铁屑来代替f e c ，这是因为铸铁屑的含碳量较 高比较合适，而且经济实惠。 3 3 白