（环境工程专业论文）白腐菌处理黑索今废水的研究.pdf

南京理工大学硕士论文自腐菌降解黑索今废水的研究 摘要 本文主要研究了白腐菌对黑索今的降解效果，通过实验，培养和驯化出了能降 解黑索今的两种白腐真菌a ，b ，验证了白腐菌处治理黑索今废水的可行性及其最佳 运行参数。白腐菌降解黑索今废水最佳降解条件是：废水浓度1 5 m g l ，杉树叶 2 0 9 l ，p h 值为5 ，白腐菌量5 6 m 2 l 白腐菌a 处理黑索今模拟废水，2 8 天后黑索今的 去除率达到8 6 7 ；白腐菌a 处理黑索今实际废水，2 0 天后黑索今的去除率8 7 ，白 腐菌b 处理黑索今模拟废水，1 8 天后黑索今的去除率7 5 ，处理实际废水1 8 天后黑 索今的去除率8 1 通过对不同菌种，不同废水动力学的实验表明，白腐菌生化降解 黑索今废水符合一级动力学。针对生化降解后出水c o d 值高的问题，采用微电解 法进行后处理。微电解法进行后处理最佳条件是：p h 值为1 ，停留时间为6 0 r a i n ，铁 炭比为4 ：1 ，在最优条件下，废水c o d 去除率为7 8 黑索今废水经过预处理一白腐 菌生化处理一微电解后处理一出水后，废水中r d x 浓度从1 5 m g l 降至0 8 m g l ， 出水c o d 值为9 2 m g l , p h 值为7 5 ，达到国家一级排放标准。 关键词：白腐菌黑索今铁炭微电解动力学 南京理工大学硕士论文白腐菌降解黑索今废水的研究 a b s t r a c t i nt h i sw o r k 、t h ed e g r a d a t i o no fr d x 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 hw a s p r o v e dt h a tt h et r e a u n e n tb yt w ow h i t er o tf u n g u ss u c ha sa a n dbw e r ev e r yf e a s i b l et o b eu s e di nr d xw 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 od e g r a d er d xc r e a t e da f t e r b e i n gc u l t u r ea n di n c u b a t i o n t h eb e s to p e r a t i n gp a r a m e t e r so f r d x b i o d e g r a d a t i o nb y w h i t er o tf u n g u s t h eo p t i m i z i n gc o n d i t i o n so fr d x b i o d e g r a d a t i o nb yw h i t er o tf u n g u s w e r ea sf o l l o w s ：i n f l o wc o n c e n t r a t i o n1 5 m g lo fr d x ，p h 5 ，b i o m a s sw a s5 6 m 2 l ，f u r y l e a v e sw a s2 0 9 l a f t e rb e i n gd e g r a d a t e d 、i mw h i t er o tf u n g u sa 。t h er e m o v a le f f i c i e n c y o fr d xs i m u l a t e dw a s t e w a t e ri n2 8d a y sc a l lr e a c h8 6 7 a n da c t u a lw a s t e w a t e ri n2 0 d a y sc a nr e a c h8 7 a f t e rb e i n gd e g r a d a t e dw i t hw h i t er o tf u n g u sb ，t h er e m o v a l e f f i c i e n c yo fr d xs i m u l a t e dw a s t e w a t e ri n1 8d a y s c a nr e a c h7 5 a n dr d xa c t u a l w a s t e w a t e ri n1 8d a y sc a nr e a c h8 1 i tw a se x p e r i m e n t a l l yt h ed e g r a d a t i o n a lk i n e t i c s w i 血a n yw h i t er o tf u n g u st od e a lw i t l la n yw a s t e w a t e rp r o v e dt h a tw a sc o r n f o r m e do f o n e - o r d e r d y n a m i ce q u a t i o n u s i n gi r o n - c a r b o nm i c r o - e l e c t r o l y t i cm e t h o dt os o l v e t h el l i g ho u t f o wc o n c e n t r a t i o no fc o da f t e rb i o d e g r a d a t i o n t h et h er e m o v a le f f i c i e n c y o fc o dw a s7 8 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 ：6 0 m i n u t e s ，p h l ，r a t i oo f f et ocw a s4 ：1 t h er d xw a s t e w a t e rw a sd e a l tw i t ht h ef o l l o w i n gf l o w 嬲p r e t r e a t m e n t b i o d e 伊a d a t i o n i r o n - c 盯b o nm i c r o e l e c t r o l y t i c o u t f l o w , t h ec o n c e n t r a t i o no fr d x w a sf r o m1 5 m g l t o o 8 m g l ，o u t f l o wc o n c e n t r a t i o no fc o dw a s9 2 m g l ， p h 7 5 t h e r e f o r e ，t h eo u t f l o wq u a l i t yw a sa c h i e v e dn a t i o n a ls 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 k e yw o r d s ：w h i t er o tf u n g u sr d xi r o n - c a r b o nm i c r o e l e c t r o l y t i ck i n e t i c s i i 、一 7 6 3 7 1 9 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： 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： 翰 艚 南京理工大学硬士论文白庸曹降解黑索今废水的研究 l 绪论 目前我国的水污染现状是“局部有所改善，整体仍在恶化”。据统计”1 ，1 9 9 7 年我 国废水引做总量为4 1 6 亿吨，废水中化学需氧量( c o d ) 排放量为1 7 5 7 万吨。其中工业 废水2 2 7 亿吨，c o d 排放量为1 0 7 3 万吨：生活污水为1 8 9 万吨，c 0 d 排放量为6 8 4 万吨。 水污染问题己成为威胁人民健康和制约社会经济发展的重要因素之一，面临的问题十 分严峻。主要表现在以下几个方面吐 饮用水污染严重。饮用水完全符合或基本符合饮用水标准的约占3 0 ；以地下水 为饮用水源的城市中7 7 8 的地下水受倒不同程度的污染。 对我国5 3 2 条河流的调查表明，已有4 3 6 条河流受到不同程度的污染，占调查总数 的8 2 我国湖泊达到富营养水平的已占6 3 6 ，处于富营养和中等营养的湖泊水库占湖 泊水库总面积的9 9 5 近年来，沿岸各海区无机氮和无机磷普遍超标，近海海区内发生赤潮的频率和面 积都在不断增加。 面对我国水污染现状，进行水处理是很有必要的，而r d x 废水污染就更加严重， 更有必要进行处理。 1 1 黑索今废水污染问题 黑索今，即1 , 3 ，5 三氮杂环环己烷，又名环三亚甲基三硝胺，常用代号r d x ( r o y a l d e m o l i t i o ne x p l o s i v e ) ，英文名称h e x o g 钆化学名称 h e x a h y d r o - 1 ，3 ，5 一t r i n i t m - l ，3 ，5 一t r i a z i n e ，3 l 称c y c l o t r i m e t h y l e n e t r i n i t r a m i n e ，其结构如下： 2 八 叫7 n v n 、n 0 2 r d x 与t n t , h m x ，p e t n 同为单质炸药，是重要的生产民用爆破器材的原材料。 黑索今是一种无臭、有甜昧的白色斜方晶体，常温下常压下黑索今为粉末状白色晶体， 熔点为2 0 4 c 2 0 。c 下在水中的溶解度极小，f f ：3 4 0 0 m g l 左右1 3j ，可溶于乙腈、丙酮、 冰醋酸等，可以致癌，因此被美国环境保护署( e p a ) 划分为c 级【4 】，同时黑索今还 是致毒、致突变物质口】。黑索今不但影响人类中枢神经系统，还显示出对肾、胃肠的 毒害1 6 】，e p a 已证实【7 】，黑索今排入环境中影响人类寿命及健康，黑索今中毒的临床 1 南京墨工大学碰士论文白庸蕾降辫黑索今废水的研究 症状包括人体体温增高、出现暂时性高血压及氮血症、狂躁症、肌肉痉挛、头晕目眩、 头痛、恶心和呕吐，甚至死亡，对作业女工生殖机能及子代健康有严重的影响1 8 1 。同 时黑索今对哺乳动物、鱼、原生动物也产生多种副作用 9 1 。 黑索今废水来自各种商业、军事活动包括r d x 的制造、废品处理、试验、运输、 燃烧和爆炸等，在我国排放量很大，根据我国1 9 7 9 年的粗略统计i l0 】来看，排放的黑索 今废水达2 2 1 0 5 吨，同时，炸药厂生产黑索今时有相当数量的未反应完全的物质、 副反应形成的物质及废物排入环境，有些长期积累在土壤中。因此，大量这种有毒污 染物排入环境，污染了工厂厂区和周围的大气和土壤、水体及附近的海洋，危害了人 类的身体健康，破坏了环境的生态平衡，造成的损失是无法估量的。针对目前的水资 源状况以及环境质量，为了保护水生生态和保证人类的可持续生存，很有必要采用有 效的方法对含r d x 废水进行处理。 黑索今废水指标可分综合性及具体化学物控制指标。综合性指标如色度，c o d e r 具体化学指标废水中的r d x 含量。废水的物化参数，如：色度、气味、温度、p h 值等。 对于废水有机物污染效应综合评价中，c o d 是重要的一个方面，c o d f l p 化学需氧量， 是指在一定的条件下，氧化一升水样中还原性物质所消耗的氧化剂量，p a m g l 表示， 水中还原性物质包括有机物、亚硝酸盐等，c o d 值反应了受水体还原性物质污染的程 度。模拟废水中r d x 、生化降解r d x 产物及实际废水中的各种有机成分中，能与强 氧化剂反应耗氧而记入c o d 中。c o d 测定是利用化学氧化剂将水中可氧化性物质( 有 机物、氨等) 加以氧化，然后从残留的氧化剂的量计算出氧的消耗量。一般都采用重 铬酸钾为氧化剂，因为它可以近似代表废水中大部分的有机物( 氧化率为8 0 9 0 ) ， 以c o d c r 表示。日本则采用高锰酸钾作氧化剂，其氧化率为5 0 6 0 ，以c o d m 表示。 由于c o d 测定费时少，操作较简便，因此常以c o d 作为废水主要有机污染来表示。 通过研究某一具体污水的b o d 和c o d 值，人们通常可以确定其近似的相关性，以便 通过c o d 的测定值推导b o d 值。 1 2 目前处理黑索今废水的方法 根据降解机理的不同，现有报导的处理含黑索今废水的方法有物化法如：吸附 法、萃取法、焚烧法、化学氧化法和生物降解法等。 1 2 1 物化法 吸附法利用活性炭吸附或树脂吸附，使污染物得以有效的去除。范广裕【l i 】采用 球形活性炭处理含黑索今废水，经处理后的出水能够达到国家排放标准。虽然吸附 柱经过再生得以重复使用，但却给所采用的厂家带来了相当复杂的工艺。 2 南京理工大学硕士论文白庸曹降解黑索今废水的研究 由于黑索今对各种有机溶剂的溶解度不太大，萃取法的处理效果不太理想，而 且有机溶剂在水中有一定的溶解度引起新的污染。 焚烧法【1 2 】是高温下用空气氧化处理废水的一种比较有效的方法。当无法用其它 方法对废水进行处理时，可进行焚烧。但是焚烧法不仅费用高，而且存在安全、炉 渣的处理及尾气净化等许多问题。 化学氧化法有湿式氧化、光分解氧化及臭氧氧化等。目前对黑索今废水的研究 有以紫外光辐射采取辅助催化剂( h 2 0 2 或0 3 ) 氧化【”】紫外光能量较高，波长为 2 5 4 4 0 0 h m 的紫外光能量为4 7 5 3 0 0 k j m o l ，而多数有机物的结合能量为5 0 0 2 5 0 k j m o l ，与近紫外光的能量相当，因此紫外光能使有机物分子中的电子由基态跃 迁到激发态，便能发生光化学反应，从而导致有机物的分解。侯鲥14 】利用紫外光照 射f e n t o n 试剂氧化法氧化能力对含黑索今废水，取得了较为满意的结果。化学氧化 法另一种方法是臭氧法。国内外研究最多的是利用紫外光助臭氧氧化法。美国西门 ( w e s t g a t er e s e a c hc o r p o r a t i o n ) 在实验基础上发展了u l 订o x 中试工厂，用臭氧一 紫外光法处理含黑索今废水，出水黑索今含量l m g l p u m e n d ur o s e l l 5 1 等用臭氧 法、臭氧一双氧水法、臭氧一紫外光法处理黑索今废水降解率达9 9 以上。化学氧 化法处理黑索今废水去除率高，效果好，且无副产物要处理，但处理费用高，限制 了该方法的推广。 1 2 2 生物降解法 生物降解法是利用微生物的新陈代谢，将废水中的污染物进行转化并稳定，使 之无害化的一种处理方法。由于微生物的生存条件温和，通过新陈代谢可使有害物 质无害化，有机物质无机化，降解的过程中不需加催化剂就能完成反应。另外微生 物来源广泛、易培养、易变异、对环境适应性较强，生产过程中采集好的菌种可以 很容易的进行培养繁殖，透过特定条件驯化的微生物就能用来处理相应水质的有毒 工业废水。但由于黑索今毒性大，且含有硝基，认为可能对微生物具有毒性且难以 生物降解【l “，难降解有机污染物的生物降解的研究近年来一直受到国内外坏保者的 高度重视【l ”。生物法降解黑索今废水过程中，黑索今作为微生物的氮源，而不单是 作为碳源。目前生物法主要有厌氧法、好氧法两种。 厌氧法是在断绝与空气接触的条件下，依赖兼性厌氧菌和专性厌氧菌的生物化学 作用，对有机物进行降解、稳定的一种无害化处理方法。厌氧法处理黑索今废水源于 m c c o r m i c k 1 8 l 提出的利用厌氧活性污泥处理黑索今废水。国内外对厌氧法降解黑索今 废水做了大量的研究，取得了一定的成果，y u n g 等【1 9 】人采用了上流式厌氧填料床处 理合黑索今、奥克托今废水，预处理过程是用碱水解黑索今、奥克托今，生成乙酸盐、 南京理工大学瑷士论文白庸曹降解i l 索今废水的研究 甲酸盐和亚硝酸盐。实验证明r d x 水解后再进行生物降解效果良好。r a m a r a j b o o p a t h y 等【2 0 】用硫酸还原菌处理含黑索今废水，1 8 天内污水水质达到排放标准，2 l 天内去除7 5 的r d x b h a r a t b h u s h a n 等口1 】用曲霉菌驯化的活性污泥降解黑索今废水 去除率达9 7 ，b h a r a tb h u s h 距等【翻用梭菌属的e d b 2 对r d x ，h m x ，c l - 2 0 等炸药成分 进行处理，黑索今废水的去除率达9 0 以上，将r d x 降解成m n x , d n x ，t n x ，h c h o 等，并且证明了是由于微生物的还原作用引起黑索今环的打开。m n x ，d n x ，t n x 结构 式如下： n on on o li 厂” r 。：n “n 。：。n “n 。n m毋dnx1 1 q x n o k i t t 等【2 副从大肠菌中分离出了三种菌降解黑索今废水，其中m o r g a n e l l a m o r g a n i i 和 p r o v i d e n c i ar e t t g e r i 可以迅速地将黑索今及黑索今上的亚硝基去除，另外一种菌 c i t r o b a c t e r f r e 洲砌可部分降解黑索今，同时用于处理高浓度黑索今废水。y o n g 等【2 4 l 从马粪中驯化后的菌落可在厌氧下降解黑索今废水，y o n g 等t 2 5 】又从粪便中发现五种 s e r r a t i am a r c e s c e n s 属菌落可以更有效地降解黑索今。d r m a k r a mt s u i d a n l 2 6 l 认为一 种很廉价又能降解黑索今的方法是利用腌菜汁丰富的氮源作为营养源进行降解。 但是厌氧降解的实践经验或理论研究远远落后于好氧降解【2 7 1 ，而且条件苛刻，操 作复杂；所产生的气味难闻，污染大气，给操作带来不便；厌氧生化反应速度较慢， 故反应时间长，反应器容积较大；同时，经厌氧生物处理后的出水，有机浓度还较高， 需进一步处理才能达到较高的排水标准。一般来说【2 引，对有机污泥的消化以及高浓度 ( 一般b o d 5 一2 0 0 0 m g l ) 的有机废水，可采用厌氧好氧联合处理的生物处理法。 废水的好氧生物处理是一种在提供游离氧的前提下，以好氧微生物为主，使有机 物降解、稳定的无害化处理方法。废水中存在的各种有机物，主要以胶体状、溶解体 的有机物为主，作为微生物的营养源。好氧降解法实践经验、理论研究都较为完善， 条件温和，操作较为简单，不产生难闻气体，使人乐于接受，是一种较为理想的降解 方法。 近几年国外广泛应用好氧法处理黑索今废水，n i c h o l a sv 等【2 9 j 利用从兔子心脏 提取的一种好氧菌r h o d o c o c c u s d n 2 2 ，以黑索今为氮源进行降解，2 l 天内黑索今去除率 达9 0 ，通过研究证明，在好氧条件下把r d x 作为唯一的氮源，其降解速度比同一条 件厌氧降解更快。另外，j o n e s 等【3 0 】利用r h o d o c o c c u ss p a 处理黑索今废水；s e t h - s m i t h 4 南京理工大学硕士论文白庸曹降解熏童夸废水的研究 等p 1 】利用r h o d o c o c c u s l l y 降解黑索今废水取得一定的效果。b i n k s 等f 3 2 1 用p 8 菌在好氧 条件下降解黑索今废水，在1 8 0 8 , 时内黑索今去除率达9 9 以上。s i m o n 等口3 j 利用好氧 微生物降解黑索今废水，在4 5 天内黑索今浓度从1 0 6 2 9 m g l 降为0 6 7 9 m g l ，稳定的去 除率表明大部分黑索今的去除都是由于微生物的活动引起的，从而证明了好氧微生物 可以用于处理黑索今废水，弥补了处理黑索今方法的不足。f o u r n i e r 等1 3 4 】利用 r h o d o c o c c u s d n 2 2 对黑索今好氧降解产物做了研究，发现几种产物如： n 2 0 n h 3 h c h o ，c 2 h s n 3 0 3 0 2 卜i n h c h 2 n h c h o 或者n h 2 c h 2 n n 0 2 c h o 等。f o u r m e r 等 1 3 4 】认为好氧降解黑索今的反应过程如图1 2 1 最终产物为c 0 2 ，n 2 0 与t a m a r a w 等【3 7 】的 发现的产物一致。 。2 n 、1 八q n 。2 2 0 。：一h i f 一、 l q l q j l n n o 2 d o ， i h 2 0 c3 h 4 n 4 0 2 i2 h2 0 t o 2 n a u t o d e c o m p o s i t i o n h 图1 2 1 好氧降解巢索今的反应过程 其中，真菌技术d 53 卅是一项创新的好氧技术，它主要是利用白腐菌治理各种有 毒害的、难降解的、并在环境中宿存的异生物质等多种环境污染。t a m a r a w s h c r e m a t a 等口7 1 报导了用白腐真菌处理含黑索今废水甚有效果，初始浓度为6 2 m g l 的黑索今在 3 0 天降解9 6 ，在6 0 天内得到完全降解，显示出白腐菌降解黑索今的优势。 1 3 白腐真菌的广泛应用 尽管白腐菌降解机制复杂，而其技术本身也有一定难度，但由于其某些特性和降解 优势而成为各国广泛研究的热点在生物学特性和应用技术方面都有大量报道。到目 前为止，白腐菌的应用研究总的说来体现在以下两大方面：一是利用其对底物的非专一 性降解污染物而应用于环境污染治理：二是利用其或者其所产的过氧化物酶系应用于 工业上预处理某些原料以降低工业能耗，且实现清洁生产。关于白腐菌降解污染物的 s o 芏 onhoh 学隅 一 o 南京理工大学硕士论文白庸菌降解黑索今废水的研究 报道不断，已见报道的污染物包括：氧化性化合物，如d d t ，t n t ，c c l 4 ：还原性化 合物，如芳香烃p a h s ；有毒性化合物，如氰化物；p c p 等氯化芳族化合物，如农药： 结构复杂的化合物，如酚类和非酚类芳香族化合物，胺类和各种染料：混合物，如杂 酚油，煤焦油，重油等【3 8 4 0 1 1 3 1 白庸菌在污染治理中的应用 白腐菌是一种广谱菌种，它的一些理论与处理方法不仅在处理含黑索今废水中有 广泛的应用。而且同样可以应用于其它废水的处理。 造纸废水中的黑液是含有难降解的木质素及其衍生物、高碱性的复杂污染体 系，能引起水体污染和生态环境的严重破坏【4 1 1 ，目前，白腐菌用于造纸工业中的预处 理、生物化学法制浆、生物机械法制浆、生物漂白、废水的生物处理等各个环节的 实验室阶段研究已经取得了显著的成效，且显示出潜在的应用前景。利用白腐菌处 理造纸黑液已经得到了发展，张晓昱【4 2 】等用白腐菌降解造纸黑液取得了一定效果。 白腐菌用于纸浆漂白废水处理已经取得了很大进展，有人利用固定化菌丝技术，经过 3 4d 的处理后，c o d 和b o d 降低6 0 以上，氯代有机物可减少4 5 染料废水是一类含难降解污染物的有机废水，b o d c o d 低，可生化性差， 且很多污染物色泽深，成分复杂，有毒性【4 3 】，已成为环保工程中的重点与难点。而 白腐菌本身不易受到有机污染物的侵害，且能降解不溶性化合物，因此白腐菌在处 理废水时不受污染物的溶解性和毒性的限制。通过白腐菌的吸附和脱色降解作用能 有效的处理各种染料废水。自1 9 8 3 年g l e n n l 4 4 1 等首先报道了白腐菌对染料废水的脱 色以来，新的有效白腐菌处理应用研究也越来越多。n o v o t n y 等1 4 5 】用i r p e x l a c t c u s 处理代表5 种结构的染料，即r e m a z o l 亮蓝r ( r b b r ) ，甲基红、刚果红、溴酚蓝、 酞菁，其脱色率分别为9 3 ，5 6 ，5 8 和9 8 农药废水中含有如d d t 、林丹、氯丹等巨毒物质，一般微生物在含有微量此类 物质的废水中都很难生存。白腐菌特有的耐毒性，能够降解这类有毒废水。在外加 营养物木质素和葡萄糖作用下，2 0 d 内白腐菌对d d t 、林丹、氯丹的降解率分别为 9 1 7 、8 5 7 8 、9 7 ，显示出了强大的降解能力1 4 6 1 在固体污染治理方面，目前，各国许多公司、研究机构利用白腐菌对污染物堆积 地及受农药侵蚀的土壤进行生物修复研究。英国b i o t a l 公司利用白腐菌处理被二氧 芑和多氯联苯污染的土壤，投资5 2 2 万美元，处理后土壤中的p c b 5 浓度从2 0 0 m g k g 降到l m g k g 以下：美国洛根的i n t e c ho n e e i g h t yc o r p 用于对t n t , d d t 等引起的土 壤污染进行治理，以实现生物修复。 6 南京理工大学硕士论文白膏菌降群熏索今废水的研究 1 3 2 自庸菌在工业上的应用 白腐菌可应用于饲料工业上，利用其处理饲料可提高动物对饲料的消化率，从而 突破了秸杆仅用于反刍动物饲料的禁地；在食品工业如啤酒的生产中，可使用漆酶等 进行沉淀和絮凝的脱除，使酒类得到澄清，且已有很多实验尝试使用秸杆进行酒精发 酵或有机酸发酵。问时白腐菌还可用于生物制浆上，可直接用菌丝体或经提取后的 酶降解木质素，在处理硬木牛皮纸浆时取得较好结果，5 天后该纸浆的k a p p a 指数从 1 1 6 降到7 9 ；虽然用于处理软木牛皮纸浆时效果不明显，但进一步用碱抽提后，k a p p a 指数可降到8 5 【4 7 】 1 4 白腐菌形态及降解机理、优势 1 4 1 白腐菌形态及生活史 白腐是一种木材腐烂病，它表现为袋状、片状或者环状斑痕等形状的腐败菌， 它们主要是由分解木质素的真菌产生的。白斑由纤维素组成。松木、硬木和矿井支 撑木都可由白腐侵蚀。而白腐菌是一类丝状真菌，分类上，白腐真菌属于担子菌纲 ( b a s i d i o m y c e t e s ) ，腐生在树木或木材上，因引起木质白色腐烂而得此名。其菌丝体为 多核，少有隔膜，无锁状联合。多核的分生孢子常为异核，担孢子却是同核体。存在同 宗配合和异宗配合两类交配系统【4 8 】它是上世纪八十年代人们发现的一种具有光谱 降解污染物的微生物，其菌丝体释放降解木质素和其它木质成分的酶，导致木质腐 烂成为淡色的海绵状团块一白腐 4 9 】 白腐菌具有很强的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。由于白腐菌对 各种难降解有机物及异性物质具有独特的降解能力，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。异生物质( x e n o b i o t i c s ) ，即非生物系统的物质，指人工合 成的、非自然界固有的和生物体所必需的一类物质。其异生性意味着它们的结构不 易被现存的生物降解性酶所识别，导致在生物体及环境中的积累。这类化学物的毒性 已引起公众广泛不安。异生物质的微生物降解，被认为是一项通过生物补救 ( b i o r e m e d i a f i o n ) 过程，从环境中清除污染物的有效方法。许多微生物具有代谢异生物 质的能力，而白腐真菌是其中的姣姣者，能降解非常广谱的有害物。 1 4 2 白庸菌生化降解的机理 白腐菌的降解机理是生物学和一般化学过程的有机结合，分为细胞内和细胞外 两个过程 5 0 5 1 ，主要是细胞外的氧化过程。在细胞内过程中，主要产生降解有机物 质所需的酶，如木质素过氧化酶、锰过氧化酶等：在细胞外过程中，由细胞内产生 7 南京理工大学颈士论文白庸菌降解黑索今废水的研究 分泌的酶系统组成的细胞外降解体系，需氧，借助自身形成的h 2 0 2 激活，先形成 高度活性的自由基中间体，由酶触发启动一系列自由基链反应，特别是其产生的细胞 外o h 因具有超常的氧化能力，能攻击芳香化合物，产生正碳离子自由基，接着发生 一系列反应，于是在对付难处理的环境污染物时仍能促使底物氧化，显示出高度的非 特异性、无立体选择性。白腐菌降解有机物主要包括以下几个过程： f 1 ) 依靠l i p 的氧化 l i p 比其他过氧化物酶具有更高氧化还原电位，此特点决定了l i p 可氧化那些具有 氧化还原电位的化合物。 直接氧化 图1 4 1 是包括l i p 在内的过氧化酶催化循环。h 2 0 2 将l i p 氧化成有活性的酶中间复 合物i ，将化学物r h ( 如多环芳烃、氧化物、染料等) 氧化成自由基r 后，成为中间复 合物n ，它具有活性并与另一化合物分子反应，自身被还原成原来状态的酶。直接氧 化导致c c 键断裂、芳环开裂、节基醇化、去甲基化、经基化、二聚化等等。 图1 4 1 过氧化物酶催化循环 间接氧化 某些化合物( 如除草剂氨基三哇及一些有机酸) 不易被l i p 血f f 素所作用，在另一类 易被l i p 直接氧化成自由基的化学物质的帮助下发生氧化。这种依靠某种中介物相助 的氧化叫间接氧化。这一过程中，白腐菌次生代谢合成的藜芦醇( v e r a t r y la l c o h 0 1 v a ) 充当电子调节者。复合物l 、2 将v a 直接氧化成藜芦醇阳离子自由基v a ，v a + 和污 染物间发生电子转移，致使污染物经历间接氧化。 ( 2 ) 依赖l i p 的还原 白腐真菌的降解系统还能将某些已非常高度氧化的( 即缺电子) 化学物氧化成c 0 2 ， 有理由推断这些化学物在氧化前先被还原。实验证明白腐真菌中确实存在着依赖l i p 的还原途径。 ( i ) 高度氧化的化学物的还原 8 南京理工大学硕士论文白腐菌降解黑索今废水的研究 图1 4 2 化学依赖l i p 的还原机制 图1 4 2 所示：l i p 依赖h 2 0 2 将v a 氧化成v a + ，v a + 与真菌所分泌的草酸等有机 酸反应形成羧酸根阴离子自由基如c 0 2 一，其还原电位1 9 v ，强还原剂，能还原各种化 学物。v a 充当草酸的电子调节者，草酸则是生理还原剂、电子供体。 v o h + o h 一 图1 4 3l i p 产生o h 的机制 ( i i l 依赖l i p 的o h 形成 图1 4 2 中，若缺乏电子受体c 0 2 ，则将分子氧还原成超氧化物阴离子自由基 0 2 0 2 将血红素中3 价铁还原成2 价铁，n 2 0 2 迅速地与螯合的2 价铁反应形 成o h ( 图1 4 3 1 。白腐真菌产生的细胞外o h 在对付难处理的环境污染物时特别 有意义。o h 具有超常的氧化能力，还原电值2 3 v ，易与大部分有机分子发生反应， 如o h 与多种氯苯反应，p c b s 和聚氯酚都易被o h 羟化同时放出氯化物。 ( 3 ) m n p 催化的氧化反应 这一氧化机制类似于l i p 直接氧化( 图1 4 1 ) ，所不同的是m n p 表现出对m n 的 绝对需要。m n 2 + 是复合物1 和2 的还原剂，形成的m n 3 + 与草酸等有机酸螯合成高度 氧化还原电位的螯合物而脱离酶扩散开，使底物发生氧化。m n 是一种可扩散的氧化 还原偶联剂。 f 4 ) m n p 催化的还原反应 全卜一 南京理工大学硕士论文白庸曹降解鼻索今废承的研究 c y 七c o c y 七c r p d 图1 5 4m n p 对细胞色素c 的还原机制 m n p 的还原机制如图1 4 4 所示，在氢醌与m n 2 + 存在时，m n p 催化的还原过程是 m 0 + 将氢醌氧化成对应的半醌自由基，它再作为还原剂将一些高度氧化的污染物在降 解前先还原。氢醌还原酶参与为m n p 所催化的还原反应维持一定的氢醌库。 综上所述，白腐菌降解污染物的机理相当复杂而又独特，这种独特的降解机制 使得白腐菌与降解对象之间并非象酶与底物那样一一对应【52 1 ，对有机污染物质呈现 广谱特征，也就是说氧化的有机物广泛，能降解多种不同结构化合物。 根据以上机理所述，白腐菌降解黑索今废水由自身的特点。t a m a r a w s h e r e m a t a 等3 7 1 发现白腐菌降解黑索今废水产物有c 0 2 、n 2 0 等，并对酶的活性进行了研究。锰 过氧化物酶活性是用来描述r d x 生化降解中的微生物和生物控制的情况。锰过氧化物 酶可能能把r d x 转化为m n x 因为有研究表明锰过氧化物酶对h 2 和m i l 2 + 的反应有催 化作用。由于苯醌存在于所有的细胞中，在锰过氧化物酶的作用下，h 2 与r d x 反应 生成m 相反地，锰过氧化物酶的作用又可能表现为对r d x 的氧化作用。锰过氧化物酶会 产生m n ( ) ，它是一种化学性质非常活泼的中间产物。m “i i i ) 能跟真菌产生的有机酸 生成稳定的螫合物。当m r “) 从螯合物中分离出来，它就是一种很强的氧化剂。事实 上不能观察到i x 的生化降解产物，除了微量的c h 3 0 h ，可以通过观察木质素的“酵 素燃烧”放出的电子来计算降解产物的量。化学研究表明，非芳香族环状硝胺，不像 芳香族硝胺，一旦分子结构改变，环状结构就被打开，生成小分子含氮化合物( n 2 0 ， n 0 2 ，n h 3 ) 和含碳化合物( h c h o ，h c o o h 和c 0 2 ) 酶的活性的研究表明白腐菌降解黑索今与白腐菌降解机理相似。在这种机理的 指导下，进行了本课题的实验。 1 4 3 白腐菌降解有机物的优势 与其它微生物相比，白腐菌降解有机污染物具有独特的作用途径和条件。它本身 1 0 南京理工大学硬士论文白庸曹降解黑索今废水的研究 具有以下优势p “ ( 1 ) 由于其降解酶的诱导与降解底物的有无多少无关，只是靠营养限制( 主要是n ) 来启动降解过程的，因此不需要经过特定污染物的预条件化便可以有效地降解环境中 的低浓度污染物：( 2 ) 白腐对其它微生物的拮抗，白腐菌对营养物的要求不高，利用 廉价的营养源就可以有效的培养，然而其它微生物是不可利用这些生长基质的，使得 白腐菌很容易的在自然的微生物菌落中确立其身，因此白腐菌对营养物的要求低，所 需投入成本低；( 3 ) 动力学优势，细菌对化学物质的降解多属于酶促转化，因此， 降解反应遵循的是米氏动力学，所以用细菌进行生物补救时必须考虑各种降解酶对于 污染物的k m 值，即米氏常数，而白腐菌是通过自由基过程来实现化学转化的，化学 物质的降解一般遵循的是准一级动力学。催化启动初始氧化反应的酶对底物无真正意 义上的k m 值，这有利于氧化产物的形成，意味着白腐真菌能将污染物降至近于零的 水平；( 4 ) 可适用于固、液两种体系，白腐菌能在固体、液体培养中生长，优于其 它只能用于水溶液中可溶性底物的处理的其它微生物系统；( 5 ) 降解底物的广谱性， 白腐菌的这一性能使得本身不仅能降解各种结构不同的化合物，甚至连杂酚油、芬氯 物这样的污染物混合物也能一直降解导c 0 2 ，因为多数污染物在环境中实际上是以多 种污染物混合共存的方式存在的，白腐真菌的这种非专一性降解特点，无疑具有更大的 实用性；( 6 ) 对营养物的要求不高，能利用木屑、木片、农业废弃物等廉价营养源进 行大量培养；( 7 ) 细胞外的降解特征，白腐菌的降解关键组分在于细胞外，使得系 统可产生很强的有效氧化性物种，却不构成对细胞的毒害，显示出白腐茵旺盛的生命 力。另外，有毒污染物也不必先进入细胞再代谢。这样真菌既可降解不溶性化合物，也 可降解有毒污染物。如氰化物是呼吸氧化酶的强抑制剂，一般代谢酶存在于细胞内， 细菌必须首先吸入氰化物，这又严重抑制细菌生长。 综上所述，白腐菌集多种优越性于一身，其降解功能表现出了高效、低耗、广谱、 适应性强等优点，在环境治理中是很有希望很有前途的一种技术与工具。 利用白腐菌降解难降解有机物的原理及降解优势，本文采用白腐菌降解黑索今废 水。黑索今毒性突出，而白腐菌本身不易受到有机污染物的侵害，且能降解不溶性化 合物，因此白腐菌在处理废水时不受污染物的溶解性和毒性的限制，目前国内使用白 腐菌处理含黑索今废水的报道较少，国外有h a w a r i 等【3 7 1 报导了利用白腐菌的能够降解 多种难降解物与有毒物质的性质，处理含黑索今废水甚有效果，初始浓度为6 2 m g l 的黑索今在6 0 天内得到完全降解，并通过气质联用仪测定并检验得知黑索今经降解产 物为c 0 2 、n 2 0 等。有文献 5 4 , 5 5 1 报道白腐菌能有效降解黑索今并且将其矿化。f e m a n d o 等【6 2 】研究表明在腐烂的木材中自腐菌能将黑索今矿化达到降解目的。s t a h l 等 6 3 1 与 h a w a r i 等i ”1 认为在白腐菌降解黑索今过程中，m n p 酶有利于白腐菌对黑索今的降解， 1 1 南京理工大学磺士论文白磨曹降解黑索今废水的研究 而l i p 酶并没有表现出它的优势。d i a n ef o u m i e r 掣5 6 1 用白腐菌降解土壤和溶液中r d x 好氧降解的产物n o a b ，即0 2 n n h c h 2 n h c h o ，为对生物修复技术的发展奠定了基础。 1 5 徽电解法的原理及应用 白腐菌生化降解r d x 废水后出水的水质：p h = 5 ，c o d = 4 0 0 m g l ，浊度= 8 2 ，颜色 为黄色。微电解法是2 0 世纪7 0 年代发展起来的较有成效的废水处理方法。 微电解法处理废水过程中，应用到的主要原理如下：将铁屑、炭颗粒同时放入 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 f e ) ：f e = f e 2 2 e e o = _ 0 4 4 v 阴极( c ) ： 酸性条件：2 h + + 2 e 一2 【h 】一h 2e o ( w h 2 ) = 0 v 酸性充氧条件：0 2 + 4 w + 4 e 一2 h 2 0 e o = o 4 0 v 它是基于电化学中的电池反应，将金属阳极和阴极材料接触在一起，浸没在 电解质溶液中则发生反应而形成电池。充分利用其周围形成的电场效应，使溶液中 的固体粒子向相反电荷的电极移动，进行附聚并沉积。同时电池反应生成的产物具 有强氧化还原性，使常态下很难进行的反应得以实现，从而可以起到净化废水的作 用。并且铁碳微电池处理废水时，会发生电极反应。电极反应所产生的新生态h + 有很高的化学活性，f e 扣经中和曝气后则生成优良的胶体絮凝剂f e ( o h ) 3 ，其吸附絮 凝效果高于一般药剂水解得到的f e ( o h h 此外，铁还具有还原能力，能直接破坏某 些污染物。碳除了和铁形成原电池外还具有还原和吸附作用，这样和原电池的电化 学作用协同起来，可以得到更佳的处理效果。 这种方法具有无需添加氧化剂、絮凝剂等化学药品，设备体积小，占地面积少， 操作简便灵活等优点。作为后处理正好弥补了生化水处理系统的投资大、运行费用 高的缺点。 从它诞生之同开始，就在美、日等国家引起广泛重视，并进行了大量研究，取 得了一些实用性成果。我国从2 0 世纪8 0 年代开始这一领域的研究，特别是近几年 来进展较快，刘晓林5 7 i 用铁碳微电解法后处理印染废水的c o d 去除率达6 1 ，王敏 欣【5 8 1 用微电解法处理模拟染色废水的脱色，取得了较好的效果。在电镀废水、石油 化工废水、砷、氟废水、制药废水、有机酸型工业废水、含表面活性剂废水、煤气 洗涤废水等的治理方面相继有相关报道。 甫京理工大学壤士论文 白庸菌降解熹索今废水的研究 1 6 高效液相色谱法原理 为确定废水中的r d x 浓度，采用色谱法进行定量。色谱法是一种用来分离、 分析多组分混合物质的极有效方法。它的分析原理是：混合物在互不相溶的两相( 固 定相和流动相) 间具有不同的分配系数，当混合物中各组分随着流动相移动通过固 定相时，在流动相和固定相之间进行反复多次的分配，这样就使分配系数不同的各 组分在固定相中的滞留时间有长有短，从而按不同的次序先后从固定相中流出。而 高效液相色谱法( h p l c ) 是继经典液相色谱和气相色谱的基础上迅速发展起来的 一项高效、快速的分离分析新技术。在理论上，参考了气相色谱的理论，在技术上 采用了高压泵、高效固定相和高灵敏度的检测器。由于气相色谱法的分析对象是在 柱温下有足够挥发度和热稳定性的物质，它只限于分析气体和沸点较低的化合物或 挥发性衍生物。高效液相色谱对试样的适用性广，不受分析对象挥发性和热稳定性 的限制，在目前已知的有机化合物中，只有2 0 用气相色谱法分析可得到满意的结 果，8 0 的有机化合物则要用高效液相色谱法来分析。高效液相色谱法可以通过被 分离组分分别进入检测器，能精确测得各组分在样品中的含量。 1 7 研究工作选愿的目的意义及内容 目前，对于白腐菌生