（环境科学专业论文）耐盐菌碱蓬共生系统对偶氮染料的脱色研究.pdf

耐盐菌诚蓬共生系统对偶氮染料的脱色研究 d e c o l o r i z a t i o no fa z od y eb ys a l tt o l e r a n tb a c t e r i a - s u a e d es a l s a s y m b i o t i cs y s t e m a b s t r a c t t h ep u r p o s eo ft h i sd i s s e r t a t i o nw a gt oi n v e s t i g a t et h ed e c o l o r i z a t i o no fa z od y ea c i d r e db b yi n o c u l a t i n gs a l t - t o l e r a n tb a c t e r i at a st ot h er h i z o s p h e r eo f h a l o p h y t es u a e d es a l s a t l i sd i s s e r t a t i o nm a i n l yd e a l e sw i t hw a s t e w a t e rb i o - r e m e d i a t i o n , w h i c hw a sb a s e do nt h e r e l e v a n tt h e o r i e so ft h eo r g a n i cd e g r a d a t i o nc a p a b i l i t i e so fm i c r o o r g a n i s ma n dt h ec h a r a c t e r s o fr h i z o s p h e r e t h ei n t e r a c t i o n sb e t w e e nm i c r o o r g a n i s m sa n dr h i z o s p h e r ew e r es t u d i e s e s p e c i a l l yt h ed e c o l o r i z a t i o no fz a od y eb ys a l tt o l e r a n tb a c t e r i at a sa n dt h ec o n t r i b u t i o no f s u a e d as a l s aw e r ei n v e s t i g a t e d f i r s t l y ，t h ec a p a b i l i t yo fs a l t - t o l e r a n tt a s t od e c o l o r i z ea z od y e sw a si n v e s t i g a t e d ，a n d t h ef a c t o r se f f e c to na c i dr e dbd e g r a d a t i o n , s u c ha sp h ，t e m p e r a t u r e ，i n o c u l ac o n c e n t r a t i o n a n dm e d i u mv o l u m ew e r ed i s c u s s e d b a s e do nt h eo r t h o g o n a ld e s i g nt e s t , t h eo p t i m i z e d c o n d i t i o nw a s3 5 ，p h8 ，i n o c u l ac o n c e n t r a t i o n8 f v ，v ) a n dm e d i u mv o l u m e5 0m li n1 5 0 m lf l a k s t h ep e r f o r m a n c eo fa c i dr e dbd e e o l o r i z a t i o ni n5 0m g l “r e a c h e d9 1 i n1 0h o u r s t r e a t m e n t t h ei n f l e n c eo fd i f f e r e n tf a c t o r sw a si nt h ef o l l o w i n go r d e r ：i n o c u l ac o n c e n t r a t i o n t e m p e r a t u r e p h m e d i u mv o l u m e s e c o n d l y h a l o p h y t es u a e d es a l s aw a si n t r o d u c e dt 0a z od y ew a s t e w a t e rt r e a t m e n l 也e e f f e c t so fs a l ta n dd y ec o n c e n t r a t i o no ng e r m i n a t i o na sw e l la sr o o t sl e n g t ho fs u a e d es a l s a w e r ei n v e s t i g a t e d , r e s u l t ss h o w e dt h a tt h eb i g g e s tg e r m i n a t i o nr a t ef o rs u a e d es a l s aw a s 7 5 6 i nd i s t i l l e dw a t e r w h i l e 谢t 1 1t h ei n c r e a s i n go fn a c lc o n c e n t r a t i o n , t h eg e r m i n a t i o n r a t ed e c r e a s e d w h e nt h en a c lc o n c e n t r a t i o nr e a c h e d2 9 3 ，s u a e d es a l s as e e d sg o ti n t o d o r m a n c ys t a t ew a i t i n gf o rt h eo p t i m i z e dc o n d i t i o no f r e g e r m i n a t i o n n oo b v i o u si n f l u e n c eo f o fd y ec o n c e n t r a t i o no i ls t m e d es a l s ag e r m i n a t i o no fw a so b v e r s e d t h eg e r m i n a t i o nr a t ew a s 5 7 8 e v e nw h e nt h ed y ec o n c e n t r a t i o nr e a c h e d4 5 0 0m g - l b r a tt h ee f f e c to i lt h er o o t s l e n g t ho fs u a e d es a l s aw a se v i d e n t , t h er e m a i n i n gr a t eo ft h er o o t sl e n g t hw a sa sh i 吐a s 6 8 i n5 0 0 0m g l ”d y ec o n c e n t r a t i o n a tl a s t , t h ee x u d a t e so fs u a e d es a l s aw e r ea d d e dt oe n h a n c et h ed e c o l o r i z a t i o ne f f e e to f a z od y e b a s i n go np i l o ts t u d yo ft h ee f f e c to fs a l t - t o l e r a n tb a c t e r i aa n ds u a e d es a l s ao na z o d y ed e c o l o r i z a t i o n , t h es a l tt o l e r a n tb a c t e r i a - s u a e d es a l s as y m b i o t i cs y s t e mw a sc o n s t r u c t e d ， w h i c hs h o w e db e t t e rp e r f o r m a n c eo fa c i dr e dbd e c o l o r a t i o n w i t ht h ei n f l u e n tc o n c e n t r a t i o n o f a e i dr e db8 0 0m g l 一也eo p t i m i z e dd e c o l o f i z a t i o nc o n d i t i o no f t h es 3 ，s t e mw a s3 5 ，p h 8 ，i n o c u l ac o n c e n t r a t i o n1 6 f v ) a n dm e d i u mv o l u m e7 5 m li n1 5 0 m lf l a s k s k e yw o r d s ：s u a e d es a l s a ；s a l tt o l e r a n tb a c t e r i a ；a z od y e ；d e e o l o r i z a t i o n i i 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己在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名： 釜盘日期：圭宣：五z 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：尘 导师签名：堕茎! 姿 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 我国是一个人口众多，人均水土资源相对匮乏的国家，要用全球径流资源的6 和 土地资源的7 养活全球2 3 的人口。长期以来，我国水土资源开发利用过程中存在着 水资源开发利用不合理、土地沙漠化、盐碱化等问题，尤其是随着工业三废排放量和耕 地化肥农药投入量的增加，水土资源的污染也日益严重。 据初步统计，我国至少有1 3 0 0 万公顷耕地受到农药污染，受重金属污染的耕地面积 约占耕地总面积的五分之一，盐渍土占地约9 9 0 0 万公顷，且多分布在西北地区，每年因 土壤污染两造成的农业经济损失达2 0 0 多亿元。土壤污染源主要是人为的生活和生产活 动，如工业三废的排放，过量使用农药化肥等。在土壤中污染物较难发生迁移，具有隐 蔽性和滞后性，且易累积，尤其是重金属污染基本上是不可逆转的，一旦污染往往要百 年时间才能恢复正常的生态功能i l 】。 我国的水环境面临的主要问题是水体污染和水资源短缺。国家环境保护总局发布的 ：2 0 0 3 年全国环境质量状况指出：“本年度全国环境质量与上年比较变化不大。主要 水系水质与上年持平，松花江、珠江污染加重。七大水系4 0 9 个监测断面中，v 类 和劣v 类断面分别为3 2 o 和3 0 3 。“三湖”水质均为劣v 类，污染较重。主要污染指 标为总氮和总磷。南水北调东线共监测1 2 个断面，v 类和劣v 类断面分别为4 1 7 和5 0 0 1 2 。”由于工业废水和生活污水直排入河，污染物大量增加，使河流富营养化趋 势加速。 随着纺织与印染工业的迅速发展，其生产废水已成为当前最大的水体污染源之一。 我国染料产量已位居世界第一，2 0 0 3 年染料总产量达到5 4 1 0 5t ，占世界总产量的一半 以上，进出口总量为2 6 x 1 0 5t 1 3 1 。印染废水主要来源于印染加工的预处理、染色、印花 和整理这四道工序，据报道，在染料的生产和使用中，约有1 0 1 5 1 4 1 随废水直接排 入环境，对人类的生存造成极大的危害和隐患。染料大多是芳香族化合物，由于其盐度 高、难降解等特性对环境造成了严重的污染。通常使用的染料按化学结构可以分为偶氮 染料、苯醌染料、三苯基甲烷和多环芳烃等，其中偶氮染料的应用占5 0 以上，这类染 料用于纺织产品和其他材料会产生芳胺类致癌物质，胺类危害人类健康主要有两个途 径：一个是消费者直接接触产品，一个是印染厂产生的废水及污泥对环境水的污染，从 而间接影响人类健康。据报道现在已经发现有2 0 种胺类物质是致癌物质1 5 ，1 8 9 5 年， r e h n 从生产品红的工人身上发现了膀胱癌，自此以后偶氮染料毒理学越来越受到人们 的关注。 耐盐菌- 碱蓬共生系统对偶氮染料的脱色研究 1 1 染料废水的来源及其对环境的危害 1 1 1 染料简介 1 1 1 1 染料化学的发展 人造染料始于公元1 7 7 1 年，w a u l f c 用硝酸氧化靛蓝获得了苦味酸，直到1 8 3 4 年 r a n g e 制造了双对羟基苯亚甲基对醌，用苯胺实验各种显色反应，后称苯胺色素。1 8 5 6 年英国有机化学家w h p e r k i n 在合成奎宁时无意中制得了苯胺紫，奠定了用苯胺作为原 料来制造染料的基础，开创了合成染料的新纪元。 1 8 5 8 年j o h a n n 发现了重氮反应，1 8 6 3 年由m a r t i l l s 成功实现了首列商品化偶氮染 料b i s m a r kb r o w n ，从此偶氮染料的生产和开发正式开始，学者们相继在这方面努力研 究，新发明陆续出现，由于其色谱齐全、成本低廉，偶氮染料逐步居于染料市场的主导 地位，约占染料总量的6 0 。 到了1 9 世纪后期，苯胺的环状结构被证实，紧接着茜素染料、蒽醌染料、硫化染 料和酸性染料相继问世，b o h n 发明了还原染料，1 9 5 6 年出现了可以与纤维共价结合的 活性染料。2 0 世纪染料学科的发展及其对染料工业的意义可参见表1 1 。 表1 12 0 世纪染料化学的发展 t a b l 1 d e v e l o p m e n t o f d y ec h e m i c i n 2 0 t hc e n t u r y 近几十年来，活性染料和分散染料的发展十分迅速。新染料的不断增加，性能的不 断改进，特别在染料粉粒方面的改进，己被认为是染料制造及染色性改良的重要途径。 一2 大连理工大学硕士学位论文 1 1 1 2 染料的概念及其分类 染料的传统定义是一种在可见光区具有选择吸收性能，并能使基质着色的物质。随 着染料工业技术的不断创新，到了2 0 世纪末期，染料的含义已经发生外延：在电磁波 谱中具有选择吸收性能，并在某种能场作用下能发生物理或化学变化，赋予基质某种特 性( 如有色性能) 的物质。 对于品种繁多的染料，通常有两种分类方法。一种是依据染料对纤维的应用性能和 应用方法总结而成的应用分类法，另一种是根据染料分子结构的共性而形成的结构分类 法。依据染料的应用性能，可将染料分为活性染料、分散染料、酸性染料及酸性络合染 料、碱性染料、中性染料、还原染料、直接染料、硫化染料、冰染染料、溶靛素和溶蒽 素、阳离子染料和荧光染料等。根据染料分子结构的共性可将染料分为偶氮染料、蒽醌 染料、芳甲烷染料、硝基和亚硝基染料、靛族染料、酞菁染料和稠环酮类染料等。 为了应用方便，商品染料的命名一般都依据染料的应用分类，而分类和筛选染料脱 色微生物则应选用按化学结构分类的染料，以便于判断脱色机制可能作用的基团和价 键，实际上应用分类和结构分类又常常结合起来。 。 1 1 2 染料废水的毒性及其对环境的危害 1 1 2 1 染料废水的来源及其特点 染料工业是化学工业中环境污染极其严重的产业之一。据不完全统计，世界染料年 产量约为9 x 1 0 5 t ，投放市场的染料多达3 万多种，我国年产量已达4 5 x 1 0 5 t ，位居世界 前列，全国印染废水每天排放量为3 1 0 6m 3 ，占全国工业废水总排放量的3 5 ，并且以 1 的速度逐年增长【49 1 1 】。在染料生产和使用中约有1 0 一1 5 的染料直接随废水排出， 目前市场上大约有6 0 的合成染料都是以偶氮化学为基础的。 染料废水是由印染加工过程中各种工序排放的废水混合而成的，处理的主要对象是 有机物、碱性物质、染料色素、助剂、表面活性剂及少量有毒物质，其来源主要包括以 下四个阶段：预处理阶段、染色阶段、印花阶段和整理阶段。 预处理主要是在碱性条件下去除纤维或织物上所含的杂质( 如果胶、蜡质、浆料、 油脂等) ，退浆、煮炼、漂白、丝光等是这一阶段产生废水的主要工序。退浆是用化学 药剂将织物上所带的浆料退除，同时也除掉纤维本身的部分杂质的过程【1 0 l 。退浆废水是 碱性有机废水，含有浆料分解物、纤维屑、酶等，其c o d 、b o d 5 都很高，污染较重， 但产生的废水量很少。煮炼是用烧碱和表面活性剂等水溶液，在1 2 0 高温和碱性条件 下对棉织物进行煮炼，去除纤维所含的油脂、果胶等杂质，以保证漂白和染整的加工质 量的过程。煮炼废水含碱浓度约为0 3 ，呈深褐色，污染较重。漂白是用氧化剂去除 耐盐菌碱蓬共生系统对偶氮染料的脱色研究 纤维表面和内部的有色杂质，常用的氧化剂有次氯酸钠、双氧水、亚氯酸钠等。漂白废 水的特点是水量大、污染程度较轻，属污染较轻的染料废水。为了提高纤维的张力强度、 增加纤维的表面光泽、降低织物的潜在收缩率和提高对染料的亲和力，需要将织物在浓 氢氧化钠溶液中进行处理，这一道工序称为丝光。丝光废水的特点是碱度高，b o d 5 和 c o d 均较低。预处理阶段废水量约占印染废水总量的5 0 6 0 ，其总的特点是污染物 含量高而色度较低。 染色废水水质变化很大，主要污染物是染料和助剂。不同的纤维原料和产品需要使 用染色方法、染料助剂不同，加上各种染料的上染率和染液浓度也存在很大差异，致使 染色过程的废水成分复杂。染色废水水量较大，色度很高，一般呈强碱性，且可生化性 较差，其c o d 值一般为3 0 0 7 0 0m g l ，b o d 5 c o d 小于0 2 ，色度可高达几千倍【8 9 】。 印花废水主要来自配色调浆、印花滚筒、印花筛网的冲洗废水，以及印花后处理时 的皂洗和水洗废水。这一阶段的废水水量较大，污染物浓度较高，由于印花色浆中的浆 料量比染料量多几倍到几十倍，故印花废水中除染料和助剂外，还含有大量浆料，致使 b o d 5 和c o d 值都较高。染色和印花过程中产生的废水，主要含有剩余染料和大量残留 的助剂，而助剂是造成污染物浓度高的主要原因。 整理废水含有树脂、甲醛、表面活性剂等。整理过程产生的废水量较小，对整体混 合废水的水质水量影响也较小。 据资料估算，印染废水排放量约为全厂用水量的6 0 8 0 1 1 0 l ，每加工l 匹织物， 用水量约为1m 3 。由于工厂的类型、生产工艺、机械设备、加工产品的品种不同，所产 生的废水量及其组成成分差异也较大。 1 1 2 2 染料废水的毒性及其对环境的危害 染料的致癌性是指某些染料对人体或动物引起肿瘤或者癌变的性能。染料产生致癌 性【8 9 】的原因主要有以下两种：一种是在某种条件下会裂解产生具有致癌作用的化学物 质，如偶氮染料在还原条件下分解生成致癌物质芳香胺；另一种是染料直接与人体接触 引起癌变，即染料本身为致癌性染料，这种致癌性染料较为少见。纺织品上的偶氮染料 在与人体皮肤长期接触中，染色牢度不佳的染料会转移到人的皮肤上，经吸收进入人体 的正常代谢过程，在分泌物的生物催化作用下发生还原反应，分解并释放出致癌芳香胺， 这种化合物会被人体再吸收，经过类氨羟化、酯化等活性作用，使人体细胞的d n a 发 生结构与功能的改变，成为人体病变的诱发因素，具有潜在的致癌性和致敏感性。 染料制作工艺中染色和印花过程中产生的废水，主要含有剩余染料和大量残留的助 剂，是造成污染物浓度高的主要原因。助剂对环境的影响主要取决于其安全性和生物降 大连理工大学硕士学位论文 解性，安全性包括急性和慢性毒性、致癌性、致畸性、致突变性、对皮肤刺激性及对水 生生物的毒性和生理效应等。生物可降解性是指染料能否利用微生物的新陈代谢作用从 废水中被去除，生物降解性差的印染助剂将会积聚起来，因生物的富集作用进入食物链 中，从而严重影响环境。 综上所述，印染工业对人类造成的主要危害包括直接和间接两方面。直接危害主要 是指生产过程中给纺织品添加的有毒染料、表面活性剂、化学助剂等残留在纺织品上无 法除去，直接与人体皮肤接触，被皮肤吸收，并且在体内扩散，对人类健康构成直接危 害；间接危害是指未经严格处理的未达标的纺织工业废水排放到水体环境中，对人类健 康、自然生态系统构成的长远威胁。 1 1 3 偶氮染料的毒性及其脱色机理 1 8 3 4 年，m i t s e h e r l i c h 就用氢氧化钾与硝基苯在乙醇溶液中反应，制备出偶氮苯， 但是偶氮染料的产生是在1 8 5 8 年发现重氮化反应之后。1 8 6 3 年首例商品化偶氮染料 b i s m a r kb r o w n 的问世标志着偶氦染料工业化生产的开始。1 8 8 4 年合成刚果红，是偶氮 染料发展史上的一个里程碑，刚果红染料可以不需加入触媒，大大简化了印染工艺，可 以通过它的不同结构得到各色染料，这类染料的成本较为低廉，染色性能却更优越。 偶氮染料是指分子结构中含有偶氮基n = n 一的染料，由于其色谱齐全、色光良好、 牢度较高和几乎能染所有纤维等优点，己成为品种最多、应用最广泛的一类合成染料， 目前市场上大部分( 约占三分之二) 的合成染料都是以偶氮化学为基础的。根据偶氮基 数目的不同，可将偶氮染料分为单偶氮染料、双偶氮染料和多偶氮染料三种。按照溶解 度的不同可分为可溶性偶氮染料和不溶性偶氮染料。偶氮染料广泛应用于各种纤维的染 色和印花，并用于皮革、纸张、肥皂、木材、羽毛、蜡烛等的染色以及油墨、油漆、塑 料、橡胶和食品等的着色。 早在1 8 9 5 年，r e h n 就在生产品红的工人身上发现了膀胱癌。2 0 世纪3 d 年代，日 本学者y o s h i d a 6 发现溶剂黄能引起老鼠肝细胞癌变。1 9 0 5 年德国卫生部已经从染料品 红和萘胺中发现了一些芳香胺的致癌作用，据不完全统计，到2 0 世纪6 0 年代，世界各 国因为从事染料化工工作而引发膀胱癌的病例就超过了3 0 0 0 例。此后越来越多的人认 识到偶氮染料及其降解中间体在生产和使用过程中的潜在危险，各国学者也纷纷对偶氮 染料毒性、致癌作用以及诱变活性进行广泛研究。 偶氮染料的分子中一般含有1 3 个偶氮键，是发色基团；键上连有苯基或萘基，苯 或萘基上又连有o h 、n h 2 、c h 3 、一s 0 3 。、n 0 2 及c l 等取代基团，这些官能 团为助色基，当光线射入后发生选择性吸收就产生视觉所能感受到的各种颜色【3 5 】。染料 耐盐菌碱蓬共生系统对偶氮染料的脱色研究 分子结构中的亲水性基团如氨基、羟基，水溶性基团磺酸基能促进染料水溶性的提高， 有利于染料的氧化脱色；而一些疏水性较强的基团如甲基、甲氧基则不利于染料的氧化 脱色降解性能。染料的主体部分是由偶氮基与芳香环结构构成的，一般偶氮基和芳环数 目越多，染料分子结构越大，脱色降解也越困难。在基本结构相近的情况下，染料分子 量越大，其脱色降解性能越强；反之越不易于脱色。 从发色机理上讲，染料废水的脱色就是要破坏染料分子的发色基团，偶氮化合物分 子首先被偶氮还原酶还原，偶氮双键断裂，产生芳香胺类化合物。芳香胺类化合物分子 在有氧条件下被脱氨，生成酚类化合物，酚类化合物分子再被开环，生成脂肪烃和脂肪 酸类化合物。最后，脂肪胫和脂肪酸类化合物被氧化分解，产生c 0 2 和水【3 6 ”】。张志 杰等口8 】证实，染料的生物脱色过程可分为两个阶段：第一阶段为污染物向底泥絮凝沉降 迁移富集阶段；第二为生物降解阶段，在该阶段染料被生物体内的酶或胞外酶所降解。 偶氮染料的毒性般为慢性。在生物体内，偶氮还原酶的开裂作用是主要反应。偶 氮染料分子在生物体内遇到还原酶后，偶氮键发生开裂，形成两分子芳胺，这种反应通 常发生在动物的两个部位：肝脏和胃肠道。因为肝细胞胞液与微粒体中均含有n a d p h 偶氮还原酶；而胃肠道则有胃肠道细菌群滋生，也具有偶氮还原酶活性。但是并非所有 偶氮染料开裂反应都是致癌活化途径。对由联苯胺和萘胺为母体衍生的偶氮染料，这一 反应为致癌活化途径，对氨基偶氮染料来说，这一反应为致癌非活化甚至去活化途径。 + 但是不管何种偶氮染料，只要在生物体内代谢为芳氮稀正离子( a r 式- r ) 则势必诱发癌 变。 目前国内外学者通过富集培养等技术，从受污染的环境中分离到了许多可降解染料 的微生物，主要可以分为细菌、真菌和藻类三类。单一菌种降解染料通常只是将发色基 团打开，中间产物如苯胺类致癌物质很难进一步降解，混合菌种在这方面有其优势，许 多细菌之间存在协同降解作用，增加了降解效果。鲜海军等【3 9 删证明采用混合菌降解染 料有一定的优势，并分离得到1 3 株对3 6 种染料有脱色作用的细菌，其中三株单菌分别 对2 9 种染料具良好的脱色能力。闵一珏等h ”经过定向筛选培育到混合脱色菌群z f 1 ， 在兼氧和厌氧条件下，对染料废水的脱色有明显效果，同时能降解其它有机物。曾丽璇 等【4 2 在实际废水处理设备中分离出了几株优势菌株，发现混合菌群的脱色能力优于单菌 株，且脱色时间短，适应范围广，耐冲击性更好。 探讨致癌的原因以及致癌与分子结构的内在关系，可以为非诱变偶氮染料分子设计 提供一定的理论基础，尹志刚等总结了偶氮染料及其芳氨中间体结构与其诱变性之间的 关系，并且提出了非诱变偶氮染料的设计方法。戴乾圜等一埽0 用致癌机理的双区理论证 明互补碱基对交联以远高于d n a 单个碱基损伤的趋势，引起d n a 的点突变或者移码变 大连理工大学硕士学位论文 异，经过逆转录将引起染色体的深度突变而最终使细胞癌变。研究证明偶氮染料中的4 二甲氨基偶氮苯及其他集中致癌物质由于d n a 互补碱对股间交联，而导致癌变。绝大多 数环境中的致癌剂均在体内代谢成双官能烷化剂，其在d n a 股间互补碱对的共价横向交 联，是启动绍胞癌变的关键步骤。这种交联以极小的几率，使转录酶的基因变异成为逆 转录酶的基因，经历潜伏期后引起细胞癌变。 苏洁等i s 】对1 1 8 种禁用染料的致癌作用做了介绍，发现偶氮染料本身基本无毒，它们 对人体的致癌作用主要来自2 2 种芳香胺中间体，列出了被禁用的芳胺中间体的名称、结 构、毒性类别以及致癌作用的强弱规律：( 1 ) 氨基位于萘环的2 位和联苯对位的化合物， 均有较强的致癌性，位于萘环的l 位和联苯间位的化合物有较弱致癌性，而在联苯邻位 的化合物无致癌性。( 2 ) 苯环中的氨基的邻位或对位为甲基、甲氧基、氯基所取代的化合 物有致癌性。( 3 ) 氨基位于偶氮苯、二苯甲烷、二苯醚及二苯硫醚对位的化合物也有致癌 性。( 4 ) 这些芳胺均为非水溶性，其中致癌毒性最强的为2 2 萘胺，其次为联苯胺和1 2 萘胺， 其导致膀胱癌的潜伏期分别为1 6y 、2 0v 和2 2y 。 生物对偶氮染料厌氧还原机理阐述可归纳为直接生物还原，间接生物还原和化学还 原三种不同的机理。直接生物还原是偶氮染料生物还原的第一种机理，酶将有机底物氧 化生成的还原供体传递给偶氮染料，使偶氮染料得到还原。其中还原偶氮染料的酶既可 以是专一性酶也可以是非专一性性酶。间接生物还原是偶氮染料由酶还原的辅酶因子电 子载体所还原。研究发现核黄素还原酶是厌氧偶氮还原酶【4 3 】，各神辅酶及人工氧化还原 介体也是偶氮染料还原过程中很重要刺激物。染料废水通常含有中高浓度的硫酸盐，在 废水厌氧条件下处理过程中由微生物还原硫酸盐生成相应的的硫化氢，硫化氢与偶氮染 料发生纯化学反应脱色。 1 1 4 环境因素对偶氮染料生物脱色的影响 对偶氮染料有脱色活性的各种菌株生长的最佳温度一般处于3 0 3 7 c ；p h 多在中性 附近，属于一般生物生长所需的温和条件。由表1 3 可见多数对偶氮染料的生物脱色都 是在厌氧条件下通过偶氮还原酶催化进行的，大多数的具有脱色活性的细菌不能以染料 及其降解产物为唯一碳源和能源，仅青霉菌p 9 3 ( p e n i c i l l i u ms p p 9 3 ) 能够利用酸性大 红作为唯一碳源生长。罗志腾等1 3 2 从长期染色废水污染土壤中，筛选到1 株酵母0 3 6 ， 以直接橙s s 作唯氮源，在兼性厌氧条件下脱色率有所提高。 1 2 染料废水处理方法 染料废水的处理方法通常分为三种：基于天然矿物质多孔材料吸附和膜分离技术的 物理方法( 辐射法、吸附法、磁分离法、混凝沉降法、超滤法等等) ；基于胶体化学理 耐盐菌碱蓬共生系统对偶氯染料的脱色研究 论，采用混凝手段的化学方法( 絮凝沉淀法、电化学法、氧化法等等) ；利用微生物新 陈代谢作用去除废水中的有机物的生物方法。各种方法在染料废水处理中的优劣比较见 表1 2 。 表1 2 染料废水处理方法优缺点 t a b1 2 a d v a n t a g ea n d d i s a d v a n t a g e o f d y e w a s t e w a t e r t r e a t m e n t 1 2 1 物理法 物理脱色法主要有辐射法、吸附法、膜分离法、混凝沉降法、超滤法、萃取法等。 ( 1 1 吸附法 在物理方法中吸附脱色用的最多，利用多孔性的固体介质将染料分子吸附在介质表 面，从而达到脱色的效果。吸附分离技术起于2 0 世纪7 0 年代，在工业废水处理得到广 泛应用【1 2 】。吸附法主要应用于染料废水的预处理和深度处理，活性炭和村脂等是常用的 再生吸附剂，吸附剂对染料的吸附是有选择性的，对废永中的活性染料、碱性染料、偶 氮染料等水溶性染料能有效去除，不能吸附悬浮固体和不溶性染料。此法不需要设备投 资，c o d 、b o d 去除效果也不错，但吸附剂清洗困难，再生成本高，且对某些大分子染 大连理工大学硕士学位论文 料吸附力不够。不可再生吸附剂包括各种天然矿物( 膨润土、硅藻土) 、工业废料( 煤 渣、粉煤灰) 、天然废料( 木炭、锯屑) 等。 改进吸附方法的关键是低成本吸附剂的研制，这方面近年来己取得了较大进展。马 子川等1 1 3 ) 以化学法合成的新生m n 0 2 作吸附剂，对水中甲基橙染料进行吸附脱色研究， 结果表明：新生m n 0 2 对甲基橙的吸附符合l a n g m u i r 吸附等温式，吸附速率大，吸附前 溶液p h 值是影响染料脱色效果的最主要因素，吸附后溶液p h 值和温度影响较小，实验 条件下可使甲基橙脱色率达9 9 。o z a c a r 等【1 4 】利用自然界广泛存在的明矾矿石去除废水 中的酸性蓝4 0 、酸性黄1 7 等有机染料，经过高温烧结后，其脱色效果甚至优于粒状活性 炭。此外国内还有应用活性硅藻土和煤渣处理传统印染工艺废水的方法，这种方法费用 较低，脱色效果较好，存在的缺点是泥渣产生量大且处理困难。 ( 2 1 膜分离法 膜分离技术是以选择透过性膜为分离介质，在膜两侧加以推动力，原料侧的组分选 择性的透过膜，从而达到分离提纯的目的，是近几十年来发展起来的一种新型分离技术， 应用于染料废水的处理主要是超过滤、纳滤和反渗透，该技术具有分离效率高，能耗低， 工艺简单，操作方便，无污染等优点。但由于该技术需要专用设备，投资高，且膜有易 结垢堵塞等缺点，目前还未能推广。超滤是利用一定的流体压力推动力和孔径在 2 0 - - - 2 0 0 a 的半透膜实现高分子和低分子的分离。超滤过程的本质是一种筛滤过程，膜表 面的孔隙大小是主要的控制因素。此法只能处理所含染料分子粒径较大的印染废水，其 优点是不会产生副作用，可使水循环使用。r a t a n a 等【”谰荷负电为e s 2 0 和l e s 9 0 的纳 滤膜对活性染料的截留行为进行了研究，发现两种纳滤膜对染料的截留率都达到9 9 以 上。 1 2 2 化学法 染料废水脱色的化学方法是利用化学反应的原理及方法来分离回收废水中的污染 物或改变其性质，使其无害化。常用的化学法主要有混凝法、氧化法、电化学法等。 ( 1 ) 混凝沉淀法 染料废水混凝脱色机理是以胶体化学理论为基础的。絮凝剂在水中先发生水解、聚 合等化学反应，生产的产物在与水中胶粒发生静电中和、粒间架桥等作用生成粗大的絮 凝体经沉淀出去。混凝法以其工艺流程简单，适应性强，操作管理方便，基建投资低等 优点而被广泛采用。其主要缺点是运行费用较高、泥渣量多且脱水困难、对亲水性染料 处理效果差。对于不同成分印染废水使用同一种混凝剂其混凝效果往往存在较大差异。 混凝沉淀法的关键是絮凝剂，应用于印染废水处理方面的絮凝剂主要是铁盐、铝盐、有 耐盐菌碱蓬共生系统对偶氮染料的脱色研究 机高分子、生物高分子f l “，目前应用最广泛的絮凝剂是铝盐絮凝剂，如何研制开发具有 广泛适用性的高效复合型混凝剂是目前混凝技术的主要发展方向之一。 印染废水中的一些憎水性染料如分散染料、还原染料等在水溶液中是以悬浮物或胶 态存在的，极易被脱稳絮凝除去。嵇鸣等【l7 】采用氢氧化镁对直接染料印染废水进行脱色 处理，考察了p h 值、镁盐添加量、固液分离法等对脱色效果的影响，结果表明在镁盐 添加量为6 0 0m gl - i ，p h 值为1 1 的条件下，脱色率可达9 8 以上。余颖等( i s l 利用聚丙 烯腈( p a n ) 与二腈二胺( d c d ) 的反应产物p a n d c d 作为一种有效的有机高分子絮凝剂， 在酸性条件对活性染料废水脱色率接近1 0 0 ，p a n d c d 与蒽醌型活性染料的结合存在 特殊的温度依赖性，结合程度在2 5 最大，p a n - d c d 与活性染料分子间除了极性集团 闻相互作用外，还存在疏水相互作用。 ( 2 ) 化学氧化法 化学氧化法是含染料废水处理常用的方法。氧化程度不足，染料分子的发色基团也 可能因破坏而脱色，但c o d 去除效果不佳；若完全氧化，则消耗过多的药剂和能量， 致使成本过高，氧化法通常与絮凝工艺联用。化学氧化法目前主要有：高温深度氧化法、 化学氧化法和光催化氧化法【1 9 】等。其中，高温深度氧化法包括湿式空气氧化、超临界氧 化和焚烧技术等，与普通物理法处理相比，其优势在于可以最终去除污水中高浓度的有 机污染物，但若处理不当，则会产生如a o x 的二次污染。 杜桂荣等幽】运用f e n t o n 试剂对含活性染料废水进行混凝前的预处理，发现直接混凝 法处理含活性染料废水时，脱色率仅为1 0 3 0 ，吸光度曲线几乎不变。当f e n t o n 试 剂对其预处理后，吸光度曲线中的吸收峰消失，继续混凝处理，脱色率可达9 6 。7 。实 验表明，f e n t o n 氧化法与混凝法两段工艺联用，先将染料分子降解为以悬浮态存在的小 分子，然后再用混凝剂能更好的发挥作用。f e n t o n 试剂氧化法的缺点是f e 2 + 会促使h 2 0 2 分解，使h 2 0 2 的氧化效率不高，反应需在酸性条件下进行，要消耗大量的酸，造成新的 污染源，而且还会腐蚀设备。 ( 3 ) 电化学法 电化学法是废水处理中的电解质在直流电的作用下发生电化学反应的过程。废水中 的污染物在阳极被氧化，在阴极被还原，或者与电极反应产物作用，转化为无害成分被 分离除去。电化学法最大的特点是能明显的提高废水的b o d c o d ，增加了废水的可生 化性，该技术能有效地破坏难生物降解有机物的稳定结构，使污染物彻底被降解除去， 常作为生化工艺的预处理方法。 国内学者汪群裂2 “、韩洪军等1 采用铁屑、碳粒等复合极性粒子电极对印染与染料 废水等进行处理取得了明显的效果。杨卫身等【2 3 】对含有直接、活性和硫化染料的印染废 大连理工大学硕士学位论文 水采用微电解法处理，c o d 去除率可达7 0 以上，脱色率可达9 0 以上，并对电压、 停留时间与处理效率和能耗之间的关系进行了研究。目前，电化学处理印染废水的研究 主要集中在电极材料的筛选以及电催化氧化过程的控制技术上，虽然该法尚处于试验阶 段，却是环保界力图研发的一项热门技术。 1 2 3 生物法 生物法就是利用微生物的新陈代谢作用去除废水中的有机物的方法。生物法具有处 理费用低，不存在二次污染的优点，目前国内外染料废水处理以生物法为主，常用的生 物处理方法有好氧处理，厌氧处理和厌氧一好氧处理三种。研究者般从染料工业废水 处理设备中分离出能降解染料的菌株，经扩大培养后加入活性污泥或其它生物处理系统 中以提高处理效果，有时也用固定化细胞法将菌株固定在载体上进行投加。目前已有大 量的关于可降解染料的微生物的报告阱瓠2 6 1 。偶氮染料废水的生物脱色研究主要集中 在对偶氮染料具有脱色活性的微生物的筛选上，多数是从污水处理厂污泥或土壤中获 得，表1 3 列出了几种具有偶氮染料脱色活性的微生物。 表1 3 具有偶氮染料脱色活性的微生物 t a b1 3b a a e d ad e c o l o r i z i n ga z od y e s 生物法处理含染料废水也有明显的缺点，微生物对营养物质、p h 、温度等条件有一 定要求，难以适应染料废水水质波动大，染料种类多，毒性高的特点，同时还存在占地 耐盐菌碱蓬共生系统对偶氮染料的脱色研究 面积大，管理复杂，对色度和c o d 去除率低，废水达标难度大的缺点，所以需对微生 物耐受性、高效性等进一步研究。 1 3 微生物在染料废水治理中的应用 目前发现能降解染料的微生物种类很多，主要分为藻类、真菌和细菌三种。 1 3 1 藻类脱色 藻类用于污水处理是o s w a l d 等m 在1 9 5 7 年提出的，l i uj i n q i 等用藻类对染料废 水脱色可能性作了研究，分析指出藻类降解染料的可能的三方面因素：染料的结构特征、 藻类的生理生化特性以及环境因素的影响。藻类除了能去除金属和营养盐外，还能够降 解包括农药、烷烃、淀粉、酚类、邻苯二甲酸酯等多种有机物【4 6 j ，刘厚田等 4 7 1 利用藻菌 共生系统降解偶氮染料的研究表明，藻类不仅能够通过光合作用为好氧菌供氧，而且能 单独降解偶氮染料，藻类甚至能将偶氮染料降解中间产物芳香胺等物质进一步降解为简 单化合物或者c o ，。 1 3 2 真菌脱色 真菌技术主要是利用自腐真菌( w h i t er o tf u n g i ) 的代表品种黄孢原毛平革菌的独 特降解机制来治理环境污染问题的一种方法，其依赖一个主要由细胞产生分泌的细胞外 降解体系，需氧并靠自身形成的过氧化氢激活，由酶触发启动一系列自由基链反应，实 现对底物的无特异性氧化降解。 19 8 0 年郴j 就有报道介绍了两种白腐真菌p e h r o s o s p o r i u m 和t i n e t o p o t i as p 对含木质 素的纸浆和造纸废水的生物脱色情况，两种真菌都是通过微生物降解聚合的木质素分子 达到去色的效果。以后的研究发现该菌对许多传统上认为不能降解的化合物有很好的降 解效果，包括许多染料在内。真菌对染料的吸附作用能快速有效地去除染料废水中的染 料，降低染料废水色度，使其具有微生物絮凝剂的作用。真菌对染料的脱色降解作用又 能将吸附在菌丝上的染料逐步脱色降解，使菌体对染料废水的处理效果不是简单的污染 转移，而是真正去除复杂有机污染物。 1 3 3 细菌耐盐菌脱色 对染料废水有处理能力的生物虽然也包括一些特定的动植物、藻类、真菌等，但起 主要降解作用的还是微生物中的细菌。目前发现的对染料废水有脱色能力的细菌主要有 以下几个种类：假单胞菌属、气单胞菌属、转化单胞菌属、肠细菌属、肠杆菌属、棒杆 菌属、节杆菌属、克雷伯氏菌属、产碱杆菌属、枯草芽孢杆菌属、梭撞芽孢杆菌属、浮 大连理工大学硕士学位论文 游球衣菌属等属的细菌。在实际应用中一种细菌能同时有效的降解多种染料的情况并不 多见，通常都是混合菌群对复杂的染料废水具有很好的脱色效果。 最早的报道见于1 9 7 7 年，h o r i t s u 4 9 1 j r ) 离出可以降解偶氮染料的细菌b a c i l l u s s u b r i l i s i f 0 3 0 0 2 。p 。k w o n g 等【5 0 】人于1 9 9 6 年分离得到一种可以降解甲基红的细菌k l e b s i e l l a p s e u m o n i n er s 1 2 ，研究发现该菌在静止和摇动条件下均对甲基红有非常好的降解效果， 在外加碳源( 如：葡萄糖) 和氮源( 如：f n i 山) 2 s 0 4 ) 的条件下可以促进降解。 1 3 3 1 耐盐微生物的分类 我国有广阔的盐域环境和丰富的耐盐微生物资源，耐盐菌多存在于盐湖、盐场、海 洋和用盐腌制的食品中，根据在不同盐浓度下微生物的生长情况，1 9 7 8 年k u s h n e r 5 1 】 将耐盐微生物划分为非嗜盐菌、弱嗜盐菌、中等嗜盐菌、极端嗜盐菌以及耐盐菌五大类 ( 见表1 4 ) ，并且一直延用至今。 表1 4 耐盐微生物的分类标准 t a b l e1 4 t h ec l a s s i f y o f s a l t - t o