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四川大学硕士毕业论文 降酚菌及其固定化细胞处理含酚废水的研究 化学工程专业 研究生宋昊指导教师何泽超 摘要 苯酚是一种常见的工业污染物，主要来自于炼油、石油化工、合成纤维等 各种行业。苯酚是一种生物毒性物质，即使在低浓度下对人体和各种生物也有 毒害作用释放到环境后对人类健康和农作物的生长均会造成不良影响。由于 有的好氧微生物可利用苯酚作为其生长的碳源，将苯酚彻底分解为无毒害的物 质。所以，利用生物法处理含酚废水是一种有效的方法。 本研究采用选择性富集培养技术，从污泥中驯化分离出六株能够利用苯酚 为难一碳源生长的微生物菌株o p l 、d p 2 、d p 3 、0 p 4 、d p 5 、d p 6 ，这六株菌株均 对苯酚具有较高的耐受能力和降解能力，其中菌株d p 4 对苯酚的降解效能最高， 因此选取菌株9 p 4 作为研究对象，进一步探讨了降酚菌对苯酚的降解及各种环 境因素对降解过程的影响。 降酚菌株d p 4 的最适生长温度为3 0 c ，最适生长p h 值为p h 6 9 ，其降勰苯 酚的最适反应温度为3 0 3 5 ，最适反应p h 值为p h 6 8 。菌株d p 4 是好氧微生 物，在厌氧或供氧不足的条件下，菌株d p 4 不能生长或生长极差，废水中的苯 酚几乎不能发生降解：而在供氧充足的条件下，菌株生长旺盛，苯酚降解情况 良好。 实验表明，在3 0 c 、p h 7 左右的条件下，1 2 0 r m i n l 振荡培养4 8 h 后，菌株 d p 4 对初始浓度为5 0 0 r a g l l 】、1 0 0 0m g l 、1 5 0 0n a g l 1 和2 0 0 0m g l 1 的苯酚的 降解率分别达到1 0 0 、9 7 1 、7 4 2 、5 6 2 。 在相同条件下，混和降酚菌对苯酚的降解率高于单一降酚菌，在混和茵的 i j 耘盆娥糍9 降酚茴及其固定化细胞处理含酚废水的研究 犟解作用下，苯酚初始浓度为5 0 0m g - l 、1 0 0 0m g - l 、1 5 0 0m g - l 1 和2 0 0 0m g l 1 l 勺含酚废水中苯酚的降解率分别为1 0 0 、1 0 0 、8 0 、6 8 。 降酚菌株d p 4 游离细胞降解苯酚的反应过程符合m o n o d 一级不可逆动力学 莫型，实验测定其最大反应速率r s 。= 3 3 6 m g l h - 1 ，饱和常数k 。= 1 8 2 5 m g l 。 本研究将降酚菌株d p 4 的固定化细胞运用于含酚废水的处理中，取得了良 睁的效果。实验确定，制备降酚菌株d p 4 固定化细胞的最优操作条件为：将0 3 9 显菌体包埋于1 2 m l 海藻酸钠胶液中，制成质量约为1 2 9 的固定化细胞颗粒；海 囊酸钠浓度为3 ；c a c l 2 浓度为4 ；钙化时间为1 2 h 。 使用固定化最优操作条件下制得的固定化细胞处理含酚废水，发现菌株 ) p 4 的固定化细胞对苯酚的降解速度大于其游离细胞，对于初始酚浓度为 f 6 5 m g - l 1 的含酚废水5 0 m l ，加入固定化细胞1 2 9 后，2 4 h 即可达到1 0 0 的酚 蜂解率，而游离细胞则需要3 2 h 以上。并且，降酚菌的固定化细胞使得苯酚可 以发生完全降解的最大苯酚耐受浓度为1 7 5 0 m g l 。左右，与游离细胞 ( 1 l o o m g l 1 ) 相比有大幅度的提高。 菌株d p 4 的固定化细胞降解苯酚的最适温度范围为3 0 - 3 5 c ，最适p h 值范 蜀为p h 6 8 。固定化细胞降酚能力受温度和p h 值变化的影响略小于游离细胞。 使用菌株d p 4 的固定化细胞1 2 9 处理酚浓度为4 7 6 m g l 。的含酚废水5 0 m l ， 处理4 0 h 后，废水中检测不到酚，同时，该废水中的c o d 也可以得到良好的去 狳，c o d m 。值可从9 1 0 3 m g l 1 降至5 3 1 m g - l i ，达到了国家水质一级排放标准。 本研究驯化分离出对苯酚具有良好降解效果的微生物菌株，并对含酚废水 的微生物降解作了有益的探讨。研究表明了微生物降解苯酚的可行性，并为进 一步的理论研究和工业应用奠定了初步的实验基础。 关键词：苯酚，降解，微生物，废水，固定化 四川大学硕士毕业论文 s t u d y o nt h e d e g r a d i n g p h e n o lm i c r o o r g a n i s m a n di t si m m o b i l i z e dc e l l s c h e m i c a le n g i n e e r i n g s t u d e n t s o n g h a ot e a c h e rh ez e c h a o a b s t r a c t p h e n o li sak i n do fc o m m o n l yi n d u s t r y p o l l u t i o n i tw o u l db r i n g s e r i o u s i n f l u e n c et oh u m a nh e a l t h ya n de n v i r o n m e n t ，i fp h e n o lw e r ed i s c h a r g e dw i t h o u t d e g r a d a t i o n b e c a u s em a n ym i c r o o r g a n i s m sc a l l u s ep h e n o l 鹊s o l eg r o wc a r b o n s o u r c e ，b i o d e g r a d a t i o no f p h e n o l h a v e b e e n d e v e l o p e d f o rr e c e n tt w e n t y y e a r s i nt h i sw o r k ，s i xs t r a i n so fp h e n o l d e g r a d i n gb a c t e r i aw e r ei s o l a t e df r o mt h e p o l l u t e ds l u d g e t h e s es i x s w a i n sa l lh a v eg o o d p e r f o r m a n c e o f d e g r a d i n gp h e n o li n w a s t e w a t e l - t h es t r a i nd p 4w a ss e l e c t e da sr e s e a r c ho b j e c t i t sp e r f o r m a n c eo f d e g r a d i n g p h e n o la n dt h ei n f l u e n c eo fe n v i r o n m e n t a lf a c t o r sw e r es t u d i e di no b rw o r k t h e o p t i m a lg r o wt e m p e r a t u r eo ft h es t r a i nd p 4 w a s3 0 ( 2 ，a n dt h eo p t i m a lg r o wp h v a l u ew a sp h 6 9 t h eo p t i m a lt e m p e r a t u r eo f d e g r a d i n gp h e n o lw a s3 0 3 5 ( 2 ，a n d p h v a l u ew a sp h 6 8 a tt h es a m et i m e ，t h es u f f i c i e n to x y g e nw a sn e c e s s a r yf o r p h e n o ld e g r a d a t i o n i nt h el a b o r a t o r i a ls i t u a t i o n p r o v i d e dw i t ht h eo p t i m a lc o n d i t i o n sa t3 0 c 、p h 7 a n d1 2 0 r - r a i n 1i nt h er o t a r yv i b r a t o rf o ra b o u t4 8 h o u r s ，w h e nt h ec o n c e n t r a t i o no f p h e n o lw e r e5 0 0 m g l 、1 0 0 0 r a g l i 、1 5 0 0 r a g l 1 a n d2 0 0 0m g l t , t h e p h e n o l d e g r a d i n g r a t i o sw e r e1 0 0 、9 7 1 、7 4 2 a n d5 6 2 r e s p e c t i v e l y 1 l i 降酚菌及其固定化细胞处理含酚废水的研究 f u r t h e rm o r e ，i ft h es i x p h e n o l d e g r a d i n g s z a i n sw e r em i x e d , t h ep h e n o l d e g r a d i n g r a t i oo f t h em i x e ds t l - a i n $ w o u l db ea p p a r e n t l ys u p e r i o rt ot h a to f t h es t r a i n d p 4 t h ec o u r s eo f d e g r a d i n gp h e n o lo f t h es t r a i nd p 4v c a sa c c o r d 、i t l lt h em o n o d m o d e l 。a n dt h et w o p a r a m e t e r s o f t h em o n o dm o d e lw e r e r s , m “= 3 3 6m g l q h - 1a n d k m = 2 8 2 5m g l a n ”i m m o b i l i z e dc e l l so ft h e d e g r a d i n g p h e n o l b a c t e r i ah a v eb e t t e r p e r f o r m a n c e o fd e g r a d i n g p h e n 0 1 o p r i m a lp r e p a r a t i o n c o n d i t i o no ft h es t r a i n i m m o b i l i z m i o nw a sc a r r i e do u tb yt h ec r o s s - t e s te x p e r i m e n t s t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ed e g r a d a t i o ne f f i c i e n c yo fi m m o b i l i z e dc e l l sw a s a p p a r e n t l ys u p e r i o r t ot h a to ft h ef r e ec e l l s ，a n dt h e o p t i m a lt e m p e r a t u r e o f d e g r a d i n gp h e n o lw a s 3 0 3 5 c t h eo p t i m a lp hv a l u ew a s p h 6 - 8 a tt h es a m et i m e ，t h ei m m o b i l i z e dc e l l so ft h es t r a i nd p 4h a v e g o o d p e r f o r m a n c eo f d e g r a d i n gc o d i nw a s t e w a t e r t h es t u d yp r o v e dt h a tb i o d e g r a d a t i o no fp h e n o lw a sf e a s i b l e ，a n dp r o v i d e d t h e o r e t i c a la n d e x p e r i m e n t a lr u d i m e n t sf o r t h ef l l r h e rs c i e n c er e s e a r c ha n di n d u s t r i a l a p p l i c a t i o n k e y w o r d s ：p h e n o l ；d e g r a d a t i o n ；m i c r o o r g a n i s m ；w a s t e w a t e r ；i m m o b i l i z a t i o n 四川大学硕士毕业论文 1 前言 随着世界人口的急剧增长和工业技术的高速发展，环境污染日益成为人们 关注的一个重要问题，各国都将环境保护作为发展经济的一个关键因素纳入可 持续性发展战略。人们在环境保护方面所作的科学研究也日益深入，其中与人 们生活息息相关的污水处理无疑是其中重要的一环。 1 1 污水处理的常用方法 污水处理的目的是用某种方法把污水中的污染物质分离出来，或者将其转 化分解成无毒无害的稳定物质，从而使污水得到净化。污水处理技术已经有一 百多年的发展历史。污水中的污染物种类、污水量随着社会的经济发展、生活 水平的提高而不断增加，污水处理技术也随着科学技术水平的发展而不断提高。 对污水处理来说，有物理法、化学法、物理化学法、生物法。这些方法已 经发展得比较成熟，可以针对不同的水质和处理要求应用不同的方法，可以应 用其中一种方法，也可以将几种方法结合起来应用。在工业废水的处理中，我 们所见到的往往是一个多级水处理过程，也是一个多种方法综合运用的工艺过 程。常见的各种水处理方法见表1 1 j 。 表1 1 主要的污水处理方法 一般而言，物理法如沉淀、过滤等多用于给水的处理，操作简便，维护费 用较少，但其处理时间较长，且单级处理往往达不到国家排放标准，所以在处 理有机污染废水时，物理法往往用于预处理或一级处理。对化学法与化学物理 法来说，它们都具有处理效果好、处理时间短、效率高、操作简便等优点，但 同时这些方法所使用的设备投资和维护费用也相对较高，并普遍存在着二次污 染问题。近年来，污水处理的生物法得到了长足的发展，虽然生物法对预处理 1 降酚菌及其固定化细胞处理含酚废水的研究 要求较高，但因其所具有的低投资、高效率和广泛的适应性等特点而受到科学 工作者的普遍重视。同时，生物法可以彻底分解有机污染物，对环境的二次污 染小，所以，在环境问题日益严重的今天，生物法在废水处理过程中已经逐渐 占据着非常重要的地位。 1 2 生物法在污水处理中的应用 1 2 1 水体自净作用 由于人类的经济活动，天然水体不断地受到污染的胁迫。在物理、化学和 生物的综合作用下，只要这种污染度不超越阀值，环境会使污染的水体得到净 化，这种现象称为水体自净。 在自然界的水体中，栖息着各种各样的生物。水体中的生物，主要是微生 物能直接或间接地把污染物作为营养源，既满足了微生物自身生长的需要，又 使污染物降解。这样，污染的水体得到了净化，这就是水体自净的基本原理。 水体自净是物理、化学、生物三种因子起作用的过程。微生物在水体中既 是污染因子，又是净化因子，是水生生态系统中不可缺少的分解者，在水质净 化中起重要作用：微生物能将水体中含碳有机污染物分解成c 0 2 、h 2 s 、c h 4 等气体；将含氮有机污染物分解成氨、硝酸、亚硝酸和氮；使h g 、a s 等对人 体有毒的重金属盐类在水中进行转化。所以，污水的生物处理过程主要就是根 据水体的自净原理，利用微生物的催化作用和代谢活动，好氧或厌氧分解和转 化污水中的污染物。 1 2 2 生物法在污水处理中的应用 生物处理法是目前废水处理领域中较为先进的方法，自问世以来，其技术 已获得了极大的发展，各种生物处理新技术层出不穷。生物法是利用微生物的 新陈代谢作用，以污染物质为食料，将其代谢成诸如c 0 2 、h 2 0 、n h 3 、s 0 2 等稳定的小分子，它的二次污染小，对处理生活污水及与之性质相近的有机污 水具有其独特的优势。随着人们生活水平的日益提高，生活污水中的成分也日 益复杂，现在，生物处理不仅能够降解蛋白质、脂肪、碳水化合物等物质，而 且能够处理合成洗涤剂、脱氮、脱磷以及其它一些难降解的复杂有机物。根据 参与降解的微生物的种类不同，微生物对污水进行处理的方式基本上为两大类： 2 四川大学硕士毕业论文 ( 1 ) 好氧生物处理 好氧生物处理是污水处理的主要方式，在有氧条件下，污水中的有机物在 好氧性微生物的作用下，一部分被同化为菌体物质，另一部分被彻底分解为 c 0 2 、n h 3 、无机磷等无机物，从而达到污水净化的目的。 好氧生物处理法广泛应用于处理生活污水及与之性质相近的工业废水。其 中根据微生物在污水中所处的状态不同，又可分为活性污泥法和生物膜法。应 用于活性污泥法中的微生物在污水中呈悬浮状态，而应用于生物膜法中的微生 物则附着在其它载体表面呈膜状。 活性污泥法和生物膜法是目前研究较多、应用较早、技术也较为成熟的方 法，但它们也不断的进行着革新和发展，例如：传统的活性污泥法已经发展演 变为较先进的完全混合活性污泥法、阶段曝气活性污泥法、吸附一再生活性污泥 法、延时曝气活性污泥法及高负荷活性污泥法等：而生物膜法也从普通生物滤 池发展到高负荷生物滤池、塔式生物滤池、生物转盘及生物接触氧化等 2 1 。 ( 2 ) 厌氧生物处理 厌氧生物处理是指在严格的无氧条件下，利用厌氧性的非产甲烷细菌和产 甲烷细菌的联合作用，把有机物分解成c h 4 、h 2 、h 2 s 、c o 、c 0 2 和n h 3 的过 程，也可称为甲烷或沼气发酵。这种方法一般用于处理高浓度有机废水或污泥。 通过厌氧生物处理，不仅可除去污水中的有机污染物，而且处理过程中产 生的甲烷还是一种清洁的新型能源，处理过的污水同时也是很好的肥料。在厌 氧生物处理法中，参与反应的微生物是厌氧微生物或兼性微生物。过去，由于 厌氧生物处理的效率不尽人意，处理时间也较慢，所以未能引起人们豹重视， 一般仅用作污泥或高浓度有机污水的预处理，但由于工业的快速发展，能源越 来越紧张，厌氧生物处理由于能够产生能源物质甲烷而日益引起了人们的 青睐【2 】。 1 2 3 微生物在污水中的脱氮除磷作用 污水中的氮、磷是造成水体富营养化的根源，国内外的科学工作者对生物 脱氮除磷技术已经进行了广泛的研究。污水脱氮技术主要有活性污泥法脱氮工 艺和生物膜脱氮工艺。活性污泥法脱氮工艺包括, a d o ( 缺氧好氧) 工艺，可使 n h 4 + - n 去除率达8 0 以上，a 2 o ( 缺氧缺氧，好氧) 工艺、改进的氧化沟工艺 3 降酚菌及其固定化细胞处理含酚废水的研究 和s b r ( 序批式活性污泥) 工艺都可使总氮( t n ) 的去除率达9 0 以上 2 1 。生 物膜脱氮工艺有生物滤池、生物转盘、生物流化床、浮动床、浸没式、三级生 物滤池脱氮系统等。 在生物脱氮过程中，具有反硝化能力的微生物有变形杆菌、微球菌属、假 单胞菌属、芽胞杆菌属等。这些细菌分解硝酸盐的过程如下【3 i ： n o ；塑堕堇壅堕堕，n o ；j 旦塑堕垫堑! 塑鳖n o 墅望墅至! ! ! bn ，o 业塑骂n ： 在污水的生物处理中，除磷工艺与脱氮工艺常常一起应用，常见的除磷技 术有：p h o s t r i p ( 侧流除磷) 工艺、b a r d e n p h o ( 巴氏生物除磷) 系统、a o ( 缺 氧好氧) 系统、a 2 0 ( 缺氧缺氧好氧) 工艺等等。除磷过程一般是认为在有 氧条件下摄取磷，在厌氧条件下释放磷，其中不动杆菌属( a c i n e t o b a c t e r ) 是除 磷的优势菌种【4 】。 有氧状态吸磷过程【5 】： (蓦重蓁gr薹o彻薹lq一气或硝酸根 p i 水或氮气 图1 1 微生物在有氧状态下的吸磷过程 如图1 1 所示，在有氧条件下，聚磷菌将储藏于体内的聚6 羟基丁酸( p h b ) 进行好氧分解，并释放大量能量供聚磷菌增殖，并且吸收污水中的磷以多聚磷 酸的形式积聚于体内。 厌氧状态放磷过程【6 】： 4 四川大学硕士毕业论文 翁 ，咫垂垂至吣! 竺乏 漫岁 p i 图1 2 微生物在厌氯状态下的放磷过程 如图1 2 所示，在厌氧条件下，厌氧发酵产酸菌将污水中的有机物转化为 乙酸苷，而聚磷菌将体内的糖原水解释放能量，同时多聚磷酸也降解释放出磷 和大量能量。释放的能量一部分作为聚磷菌在厌氧条件下生存的能源，一部分 供聚磷菌吸收产酸菌分解的乙酸苷，并将其转化为聚b 羟基丁酸( p h l l ) 储藏于体 内。 1 2 4 微生物对污水中有机物的降解 在有机物的生物降解中，白腐菌是值得一提的。白腐菌是一类提子真菌， 在废水治理中，其降解污染物的范围十分广泛。自腐脉射菌( p h l e b i a a d i a t a ) i - 5 6 在高碳低氮的培养条件下，对多环芳烃类、氯代烃类、酚类、氯代酚类、烷基 苯类和硝基苯类化舍物有显著的降解作用【_ ”。白腐菌中的金孢展齿革菌 ( p h a n e r o c h a e t ec h r y s o s p d u mb u r d s a l l ) 可降解多环芳烃、d d t 、t n t 、c c l 4 、氰化 物、氯代芳香化合物、酚类、胺类、农药、煤焦油、重油等 8 1 ，还可降解林丹、 氯丹、多氯联苯( 9 】、2 , 3 ，7 ，8 t c d d 和二氯苯胺等有机氯化物【1 0 】。 染料废水是难以降解的大类工业废水，在厌氧微生物环境中，偶氮染料 可通过还原作用完全被生物降解。将优势菌的不完全厌氧一接触氧化工艺用于处 理印染工业废水，脱色率达9 0 以上 i l l 。用专性厌氧硫酸盐还原菌混合培养物 对偶氮染料、三苯甲烷染料、蒽醌染料的废水进行脱色，脱色率在l 小时之内 可达6 9 9 - 9 8 8 【“j 。 此外，可以利用微生物降解的有机物还包括：四氯乙烯、甲醇、苯胺、甲 胺磷、三氯乙烯、硝酸甘油等等。 降酚菌及其固定化细胞处理吉酚废水的研究 1 2 5 微生物对污水中重金属离子的去除 由于藻类对重金属离子具有较强的富集能力，利用其生物吸附作用可从工 业污水中去除有毒、放射性金属和回收稀有、贵重金属。该法具有高效、经济、 简便、选择性好等优点，尤其适用于低浓度或一般方法不易去除的重金属离子。 如利用菌藻共生体处理含砷废水，对废水中的a 。( 1 1 1 ) 、a 。( v ) 的去除率可达 8 0 以上h 3 ；啤酒酵母菌( s a c c h a r o m y c e s c e r e v i s i a e ) 和盐泽螺旋藻( s p i r u l i n a s u b s a l a ) 对c d 、n i 、c 。有明显的吸收作用【1 4 】；固定在聚砜基质上的真菌可除去c d 、c 。、 p b 、n i 等重金属离子【1 5 1 ：p b 的去除可利用林可链霉素【1 6 l 和黑根霉菌【1 7 】。利用微 生物处理电镀废水，对各种金属离子的一次净化率达8 9 9 以上l l ”。 1 2 6 污水处理中微生物技术的应用展望 ( 1 ) 应用微生物制剂对污染河流进行净化 近年来，我国出现了不少来自国外的微生物产品，有些具有净化污水、分 解淤泥、消除黑臭的作用；有些能治理水体的富营养化、去除氮磷、抑制蓝藻 生长：还有的产品这些功能兼而有之。 ( 2 ) 治理严重污染河流的微生物综合应用技术 对于一些严重污染的河流，污染历史长、淤积底泥厚且成分复杂，处理难 度极大。然而，使用微生物降解转化污染物则具有极大潜力，完全有可能应用 微生物技术，选育出耐污力强、对有机污染物降解活性高的微生物菌种，开发 出能够应用于治理严重污染河流的工艺。 ( 3 ) 化工废水高效降解微生物的筛选及产业化 化工废水中含有各类环境优先污染物，由于它成分复杂、对人和生物有毒 性、排放量大、涉及面广。是环境中危害严重的一类有机污染物。这类污染物 大都是人工合成的，结构复杂，因此较难生物降解，采用生化处理时效果往往 较差。经多年努力，目前国内外已筛选到处理各类有毒或难降解的化工废水的 高效微生物。经试验已成功地解决了多种化工废水的处理，在添加高效降解菌 后处理效果大大提高，显示出其广泛的应用推广前景【1 9 1 。 在筛选到高效菌后如何保存菌种，迅速扩大菌种；在保存阶段如何保持菌 种原有降解特殊污染物的能力；如何根据污染物的分子结构，利用共代谢的原 理，应用到一大批同类结构污染物的处理中都是值得我们继续深入探索的问题。 6 四川大学硕士毕业论文 ( 4 ) 高浓度有机废水制取单细胞蛋白的高效微生物及其应用技术 2 0 l 味精废水不仅c o d 、b o o 高，而且p h 低、氨氮高、盐分高、色度大，是我 国目前尚未解决的几种高浓度有机废水之一。以味精废水为处理利用对象，以 开发高效微生物及应用技术为主要手段，以制取单细胞蛋白和废水达标排放为 目的，进行资源化处理技术的综合开发研究。 ( 5 ) 高浓度有机废水生物产氢技术【2 l 】 h 2 是重要的工业原料，更是未来最有希望的一种清洁能源。日本正倾注大 量人力、物力进行生物产氢技术的开发研究。从1 9 9 4 年1 1 月在日本召开的生 物产氢国际研讨会的情况看，我国起步虽晚，但在有机废水的生物产氢技术研 究方面已取得了较大进展。 1 。3 固定化微生物技术在污水处理中的应用 1 3 1 包埋固定化微生物技术 固定化微生物技术是将微生物固定在载体上，使其高密度密集并保持其生 物活性功能，在适宜的条件下还可以增殖以满足应用之需的生物技术。固定化 微生物技术近年来发展迅速，在污水生物处理中的应用研究也与日俱增，并得 到越来越普遍的关注。该技术在污水中的应用具有以下特征：密集微生物、维 持反应器中的生物浓度、易于实现固液分离以及适用于含有有毒有害物的污水 处理。 包埋固定法是将微生物细胞包埋在半透明的聚合物或膜内，使微生物细胞 扩散进入多孔性载体内部，小分子底物及反应代谢产物可自由出入这些多孔凝 胶膜，但微生物细胞却不能移动。这种固定化方法操作简单，能保持微生物的 多酶系统，对细胞的活性影响较小，是目前制备固定化微生物最常用、研究最 广泛的方法。包埋固定法常用的包埋固定化材料有聚乙烯醇( p v a ) 、聚丙稀胺 ( a c a m ) 、聚乙烯乙二醇( p e g ) 、琼脂、光硬化树脂、海藻酸钙、角叉莱胶 和聚丙稀酸等田j 。 虽然包埋固定化方法制得的固定化细胞活性较高但因为微生物处于包埋 剂内部，难以与大分子的有机污染物接触而发挥其降解功能。因而，当所处理 的污水含有较多大分子底物时，不宣采用此固定化方法。 7 降酚菌及其固定化细胞处理古酚废水的研究 1 3 2 固定化微生物技术在污水处理中的应用 固定化微生物技术应用于污水处理，具有一系列优点，如可以在反应器内 保持高生物浓度，反应启动快、处理效率高、操作稳定、固液分离简单等。固 定化技术用于难降解有机污染物的治理，除上述优点外，还具有其独特的性能， 即固定化细胞对有毒物质的承受能力和降解能力都有明显增强。因此，该技术 在难降解有机污染物的治理中越来越受到关注。表l - 2 列出了固定化微生物技 术在难降解有机污染物治理中的应用。 表1 2 固定化技术在难降解有机污染物治理中的应用 1 3 3 固定化微生物技术应用于污水处理中的优点 固定化细胞技术在污水处理中的应用研究十分广泛，微生物经固定化后， 对有毒物质的承受能力及降解能力都明显提高。这可能是因为： ( 1 ) 固定化载体对细胞起一种保护作用，载体对有机污染物的扩散产生阻碍作 用，使得细胞表面的实际污染物浓度降低，毒性减小； ( 2 ) 细胞经固定化后，载体与细胞之间建立了某种物理或化学联系，增加了细 胞膜的稳定性； ( 3 ) 固定化细胞所处的微环境与游离细胞不同，这种微环境的变化可能会引起 细胞形态结构、生理特性及代谢活性的改变。 1 3 4 固定化微生物技术应用于污水处理中的展望 现有文献报道的应用于污水处理中的固定化技术研究大多是针对单一物 质，且在实验室规模上进行的，要实用化，还有许多问题需要解决： ( 1 ) 实际废水是一个十分复杂的混合体系，用单一菌种处理，一般很难达到要 8 四卅大学硬士毕业论文 求。因此，对于复杂的废水体系，是采用混合菌，还是单一高效菌分级处 理，有待进一步探索。 ( 2 ) 包埋载体对基质( 特别是氧气) 和产物存在扩散阻力，因此，需要高效曝 气和混合设备才能使固定化细胞处于良好的微环境中，发挥其高效作用。 ( 3 ) 固定化载体的成本及其寿命是决定其经济可行性的关键，开发适合于固定 化微生物的高效生化反应器也是一个亟待解决的问题。 固定化技术为充分发挥高效菌种或遗传工程菌在难降解有机物治理中的降 解潜力，防止其泄露而引起生态问题提供了一个十分重要的手段。随着固定化 技术的不断研究和发展，该技术将在难降解污染物的治理方面迈出实用化步伐。 1 4 含酚废水的处理技术 1 4 1 含酚废水的来源及其危害 含酚废水是一种危害十分严重的工业废水，主要来自于焦化、石化、炼油 等工厂。因工业门类、工艺条件等因素各异，废水的组成及酚浓度也差别悬殊。 酚是一种原生质毒物，属于高毒物质。含酚废水对人畜都能造成危害，它 能使人的神经、肝、肾受损。食用酚中毒的鱼类会引起呕吐及服泻。饮用水含 酚，在加氯消毒时产生氯酚的强烈臭味，无法饮用。即使仅含o 0 0 1 m g l ，仍 可产生令人不愉快的气昧。水体中含酚浓度超出4 - 1 5 m g l “时，将引起鱼类的 大量死亡 2 9 l 。 含酚废水不论排入水体或用于灌溉，均需先经处理。酚浓度大于1 0 0 0 m g - l 。1 的商浓度含酚废水，应先予以回收，并经分级处理降低废水含酚浓度，使之符 合排放、回用或灌溉的要求。挥发酚是我国地面水第一位超标污染物，苯酚是 其中的主要成分，也是常用的监测指标。我国对各种水体中酚浓度的有关规定 汇总于表1 3 p j 。 表1 3 我国各种水体中含酚极限浓度的规定单位( 呱l - 。) i 水类别地面水渔业用水农业用水生活用水排入下水道工厂排水 l 极限浓度0 0 0 2 0 10 0 0 51 o 0 0 0 21 o 0 5 - 2 0 目前工业上处理含酚废水的方法很多，常用的方法有生化法、吸附法、萃 取法、液膜分离法、氧化法等等。由于工业废水中的酚浓度有相当宽的范围， 9 降酚菌及其固定化细胞处理含酚废水的研究 酚的处理方法也根据废水中酚的浓度有所不同。通常分为高浓度、中等浓度和 低浓度含酚废水的处理。 1 4 2 离浓度含酚废水的处理 对高浓度含酚废水( 5 0 0 m 8 - l - ) 可进行回收处理，目前普遍采用与水不相 溶的有机溶剂萃取废水中苯酚的方法，据报道其回收率可高达9 8 9 9 3 0 l 。虽 然使用萃取法酚去除率很高，但处理后出水中的酚浓度还是比较大，一般需再 结合其它方法作进一步的处理：而且由于有机溶剂在废水中有轻微的溶解度， 从而导致有机溶剂的损失。同时，溶解在废水中的有机溶剂会增加废水中有机 物的含量，造成对环境的二次污染。 高浓度含酚废水还可以通过吸附法进行回收处理【3 0 】，吸附剂可采用活性炭 或黏土。但如果废水中酚浓度很高，吸附柱很快就会被酚所穿透。吸附法还存 在活性炭再生等问题，故此种方法处理成本较高。 1 4 3 中等浓度含酚废水的处理 浓度在5 - 5 0 0 r a g r 范围内的含酚废水称为中等浓度含酚废水。中等浓度含 酚废水的处理工艺包括生物法、活性炭吸附法及化学氧化法等。 生物法对废水中所含的其他污染物有一定的要求，在工业废水中，往往存 在着对微生物具有抑制和杀害作用的有毒物质，这些物质使细胞的正常结构遭 到破坏，菌体内的酶变质并失去活性。有毒物质主要有：重金属离子、无机物、 有机物类，如甲醛，甲醇。苯，氯苯等。在无高浓度有毒物质或预先脱除有毒 物质的情况下，对中等浓度的含酚废水而言，生物处理法是应用最广的处理方 法。生物处理工艺包括活性污泥、氧化塘、氧化沟、生物滤池等。 活性炭吸附法对于中等浓度的含酚废水也有较好的处理效果，但也存在着 与高浓度含酚废水活性炭吸附法相同的缺点。除活性炭之外，炉灰、煤粉、半 焦碳、硅藻、磺化煤、煤渣、二氧化硅、木粉以及氢氧化铝等也可以用作回收 含酚废水中酚的吸附剃”j 。 化学氧化法对中等浓度含酚废水的处理具有较好的效果，采用的氧化剂包 括高锰酸钾、氯、二氧化氯、次氯酸钠、臭氧及过氧化氢等。w o n g - c h o n g 和 d e q u i t t n e r 认为使用过氧化氢脱酚在很多方面优于其他化学氧化剂【3 2 1 ，在亚铁 i o 四川大学硕士毕业论文 离子催化剂存在下，过氧化氢可将酚充分氧化。过氧化氢过量时含酚废水处理 的最终产物是二氧化碳、水合无机离子。据报道如果亚铁离子浓度高至 3 0 0 r a g l 1 时，整个处理过程可以在5 分钟内基本完成【3 3 1 。使用氯的不足之处在 于过剩的氯有可能与水中的其他组分缔合生成有机氯化合物刚；而臭氧需要较 高的投资以及购置臭氧发生器【3 4 】；高锰酸钾需要固体进料装置，且单元氧化能 力的消耗量较大1 3 ”。 1 4 ，4 低浓度含酚废水的处理 对于浓度小于5 m g r 的低浓度含酚废水，常见的处理方法通常包括生物 法、化学法及物化法等。生物处理通常能将酚的浓度降至0 5 m g - l 。以下，通过 生物法处理的废水，还可利用臭氧或过氧化氢迸一步氧化处理，使酚浓度降至 0 0 3 r a g l 1 l 。同时，活性炭吸附法作为第三级处理工艺对于痕量的有机物脱 除也是非常有效的。 1 4 5 含酚废水的生物处理技术 生物法去除废水中的酚类物质时主要利用两种类型的微生物：具有多种微 生物及酶系统组合( 细菌、放线菌、鞭毛虫、草履虫和其它一些原生动物) 的 活性淤泥和专用细菌。在实验室条件下经过人工筛选得到的专门用来降解酚类 的细菌通常具有很高的降解效率，对环境也有特殊的要求，比如温度、p h 值、 微量元素等等。这些菌甚至可以处理浓度高达3 0 0 0 m g l 1 的高浓度含酚废水【3 ”。 早在7 0 年代中期就有很多研究人员对含酚废水的生物处理方法进行了大 量的研究工作。卞华松采用p v a l 7 9 9 冷冻改良法固定优势菌群，对浓度为5 6 5 m g l - 1 的苯酚去除率达到9 4 以 - ：3 8 1 ：张春桂研究发现可以使得五氯酚( p c p ) 降解的细菌是醋酸细菌、产碱菌和气单胞菌【3 9 1 。此外，还可利用家禽废物分解 的网纹水蚤属( c e r i o d a p h n i a d u b i a ) l d 5 0 和弧菌属( v i b r i o f l s c h e d ) e c 5 0 4 0 】、链霉 菌3 0 3 4 ”、芽胞杆菌k m r _ 1 1 4 2 、麦芽糖假丝酶母1 0 - 4 1 4 3 】等对酚类进行降解。 加拿大的g h i l l m 】、美国的c t c h i + s 等分别研究了假单胞细菌、诺卡氏菌对 苯酚的降解作用。随着新型生化反应器研究工作的不断发展，气一液一固三相 流化床反应器也出现在含酚废水处理研究的行列之中m 】，近年来，我国的科学 工作者在降酚菌株的培育和含酚废水生物处理反应器【4 7 i 方面部做了大量的研 降酚蓖及其固定化细胞处理含酚废水的研究 究工作。 1 4 6 固定化微生物技术在含酚废水处理中的应用 周定等【4 s 1 对固定化细胞处理含酚废水进行过深入研究，他们从活性污泥中 分离得到热带假丝酵母( c a n d i d a t r o p i c a l i s ) ，经海藻酸钙凝胶包埋固定后，在自 制的三相流化床反应器内进行含酚废水连续处理。进水酚浓度为3 0 0 r a g l - l ，出 水酚浓度小于0 5 m g l ，与悬浮生物法相比，酚的容积负荷可提高l 倍以上， 污泥发生量减少9 0 。 p a i 等【4 9 】进行了固定化微生物填充床反应器在高负荷运行下降解苯酚的试 验研究，他们采用颗粒活性炭吸附和海藻酸钙凝胶包埋法制备固定化微生物。 海藻酸钙凝胶颗粒中含1 颗粒活性炭，4 海藻酸钙，1 湿菌体。为提高固定化 颗粒的机械强度，将该颗粒在聚乙烯亚胺溶液中浸泡。结果表明：与颗粒活性 炭相比，海藻酸钙固定化颗粒具有更高的苯酚去除速率。 a n s e l m o 掣5 0 i 研究了用琼脂、海藻酸钙、卡拉胶和聚丙烯酰胺等载体包埋 固定化微生物降解苯酚。随后，他们又以聚氨酯泡沫为载体固定镰刀菌 ( f u s a r i u m s p ) 菌丝体，在完全混合反应器中降解酚。结果表明：与游离细胞 相比，固定化细胞降解苯酚的速率要大得多，且固定化细胞生物产量低。 m e n k e 等 5 1 1 利用固定化和游离的产碱杆菌( a l c a l i g e n s s p ) 细胞生物降解苯 酚和3 种一氯酚( 2 一，3 - 和4 - c p ) 的混合物。 d u r h a m 等 5 2 1 开发了一种新型固定化载体，称为z 一型生物载体，用于固定 化微生物降解苯酚。试验结果表明：该载体优于硅藻土。 l i v i n g s t o n 等【5 3 】研究了一种新型膜生物反应器，用于处理含芳香族化合物 的废水，处理含酚浓度为1 0 0 0 m 8 l - 的合成废水，结果表明：当处理时间为6 h 和1 9 h 时，酚的去除率分别为6 5 和9 8 5 。 四川大学硕士毕业论文 2 理论分析 2 1 废水生物处理的基本原理 废水生物处理是利用自然界中广泛存在的依靠有机物生长的微生物氧化降 解废水中有机污染物的方法。在自然界中的成千上万种微生物中，有多种微生 物具有氧化分解有机污染物并将其转化为稳定的小分子无机物的能力。借助于 微生物的这些特殊功能，并为其生长繁殖创造良好的环境条件，便可根据不同 的需要实现其对废水中有机污染物的去除从而净化废水。 无论采用何种形式的生物处理工艺，有机物在不同存在形态的微生物作用 下，其转化过程及去除的基本原理是一致的。在生物处理过程中，通过人工供 气供给微生物生长繁殖所需要的氧，同时微生物利用有机物作为其生长繁殖所 需的基质，通过不同的转化途径将大分子或结构复杂的有机物经异化作用最终 氧化分解为简单的水、二氧化碳等无机物，同时经同化作用并利用异化作用过 程中产生的能量，使微生物的生物体得到增长繁殖，为进一步发挥其对有机污 染物的处理功能创造有利的条件。 微生物对废水中有机污染物的上述转化过程可用图2 1 表示垆”。 ( 舍成) ( 分解) 图2 1 废水生物处理中有机污染物的转化过程【川 废水生物处理过程中，有机物去除过程的实质是有机底物作为营养物质被 微生物摄取、代谢及利用的过程，即生物反应过程。这一过程是比较复杂的， 它由物理、化学、物理化学以及生物化学反应过程所组成，大致可分为以下两 个阶段。 ( 1 ) 初期吸附去除阶段 在生物处理工艺系统中，废水中的有机污染物与以不同形态( 悬浮、附着 降酚菌及其固定化细胞处理古盼废水的研究 或固定态) 存在的微生物在较短时间( 5 - 1 0 m i n ) 的接触后，有机物首先被吸附 在主要以微生物组成的活性污泥、生物膜或固定化载体表面，这些形态的生物 量均具有很大的比表面积，当其与废水接触时，废水中呈悬浮态和胶体态的有 机污染物即被其凝聚并吸附，从而表现出显著的有机物去除率。完成这一过程 所需的时间较短，一般在3 0 m i n 内即可完成。这种初期去除现象是由微生物的 物理吸附作用产生的。 被吸附的有机物经过数个小时的生物转化，即通过微生物外酶对不溶性和 胶体状有机物的溶解作用后才能相继的被微生物摄入体内。比如淀粉、蛋白质 等大分子有机物在微生物细胞外酶( 水解酶) 的作用下，被水解为小分子后再 进入细胞体内。 ( 2 ) 转化降解( 稳定化) 阶段 有机物进入微生物细胞体内后，在各种细胞内酶( 如脱氢酶、氧化酶等) 的催化作用下，微生物对有机污染物进行氧化分解，同时进行合成代谢产生新 的微生物细胞。一部分有机物通过氧化分解最终转化为h 2 0 和c 0 2 等稳定的无 机物质，并从中获取合成新细胞物质( 原生质) 需要的能量。此过程可用式2 - 1 表示： c , h ，0 ；+ ( x + 学一要) 0 ：马x c 0 2 + y h ：0 + z x h ( 2 一1 ) 与此同时，微生物利用另一部分有机物及分解代谢过程中所产生的能量进 行合成代谢以形成新的细胞物质。此过程可用式2 2 1 5 5 】表示： 哪o z + n n h a + n ( x + 詈寺5 ) 0 ：与( c s | l ，n 0 2 ) n + n ( x - 5 ) c o z + 兰( y 一4 ) h 2 0 一a h( 2 - 2 ) z 在上述转化过程中，当有机底物的含量充足时，微生物处于快速增长阶段， 将有大量新的细胞合成，但随着有机底物得到不断氧化分解及微生物细胞物质 数量的不断增长，微生物生长对有机底物的需求量逐渐得不到满足，微