（环境工程专业论文）高效菌降解造纸黑液木质素的特性与机理研究.pdf

西安建筑科技大学博士学位论文 根据酶活性测定结果和降解中问产物色谱一质谱联机分析，认为高效菌降解木质素的机理 是，在综合强化因子作用下，促进木质素降解酶活性提高，强化了木质素的胞外和胞内降解反 应。 采用投加生物强化因子的生物强化处理系统，对造纸废水进行连续的模拟运行实验，也获 得了很好的效果，这些强化因子包括木质素降解高效菌种、共代谢初级碳源、氮源以及多种无 机离子等：综合强化因子作用下的c o d 最高去除率达7 5 3 ，平均c o d 去除率在7 4 0 , o 以上， c o d 值从迸水的1 0 0 0 m g l 左右降到了约2 6 0 m g l ，s s 的去除率也在9 0 以上。 关键词：黑液；木质素；改进酸析：生物强化：高效菌种：降解 s t u d y o nt h ec h a r a c t e ra n dm e c h a n i s m o f d e g r a d a t i o n o f l i g n i ni np a p e r i n d u s t r y b l a c k l i q u o r w i t he f f i c i e n tb a c t e r i a m a j o r e n v i r o n m e n t a l e n g i n e e r i n g p h dc a n d i d a t es u n x i a n f e n g s u p e r v i s o rp r o f z h a n gz h i j i e a b s t r a e t p a p e ri n d u s t r yi so n e o f t h ei n d u s a - i e st h a tc a u s es e r i o u se n v i r o r m a e n t a lp o l l u t i o n t h ek e y o f p a p e r i n d u s t r ys e w a g e t r e a t m e n ti st h ee f f i c i e n ti r e a t m e n t o f l i g n i n b y ah o s t o f e x p e r i m e n t s , o n t h eb a s i so f e x p l o r a t i o n o f n e wa s s i s t a n tr e a g e n ta n di t se f f e c tf o r p a p e ri n d u s wb l a c kl i q u o r , ad e t a i l e d 咖d yb a d b e e n d o n eo n s e p a r a t i o no f e f f i c i e n tl i g n i n - d e g r a d i n gb a c t e r i a , t h e i rg r o w t h ，r e p r o d u c t i o n , e n z y m ea c t i v i t y a n d l i g m i n - d e 殍 a d i n gc a p a c i t y ，t o l ds y n t h e t i ce x p e r i m e n t so f b i o a u 毋n e n t a t i o n f a c t o r sa n d p r a c t i c a ls i m u l a t e d e x p e r i m e n t s ，w h i c h o f f e rt h e o r e t i c a lb a s i st o i m p r o v e r e m o v a le f f e c to f l i g n i ni np a p e ri n d u s t r y b l a c kl i q u o r b y a h o s t o f e x p e r i m e n t s ，t h es t u d y h a s g o t n e w a s s i s t a n tr e a g e n t s f o r m o d i f i e d a c i d p r e c i p i t a t i o n p r o c e s s c o m r ) a r e a w i t h t h e c o n v e n t i o n a l ，p r o c e s s u s i n g o f t h e r e a g e n t s h a s s u c h a d v a n t a g e s a s h i g h e r r e m o v a l r a t i o o f c o d c ra n dc h r o m a , a n dl o w e rw a t e rc o n t e n to f t h e d e p o s i t e dl i g n i np a r t i c l e s ，w h e n t h ep hv a l u ei s3 0 ，t h e h i g h e s t c o d c r r e m o v a l r a t i o c a n r e a c h 6 8 ，t h e c h r o m a r e m o v a lr a t i o o v e r 9 2 ，a n d l o w e s t w a t e r c o n t e n t o f s c u m i s 8 1 t h e s i m i l a r r e m o v a l e f f e c t o f l i g n i n o c c u r s w h e n t h e p h i s c o n t r o l l e d b e t w e e n 4 a n d 4 5 ，w h i c h i s h e l p f u l t o c o n q u e r t h e d i s a d v a n t a g e s o f l a r g e a m o u n t o f a c i d c o n s u m p t i o n , h a r d t o d e h y d r a t i n g ，n e c e s s i t y o f h e a l i n g e q u i p m e n t s ，a n d d i f f i c u l t e a t m e m o f s l u d g e t h e r e s u r s h o w e d t h a t t h e n o i a s s i s t a n t r e a g e n t h a s t h e b e s te f f e c t s i x b a c t e r i a a n d f i v e m i l d e w s h a v e b e e n s e p a r a t e d f r o m l l 9s t r a i n s ，w h i c h g r e w w e l l o n t h e c u l t u r e m e d i a c o n t a i n e d i i 掣画t h er e m d t o f t a x o n o m i c i d e n t i f i c a t i o n i s t h a t x t ，x 2a n d x 3 b e l o n g i o p s e u d o m o ，m x 4 a n d x 5 b e l o n g t o x a n t h o m o n a s ，) ( 6 b e l o n g s t o m y c o p l , a ，a p r e l i m i n a r y s t u d y h a s b e e n c a r r i e d o u t o n t h e c a p a c i t y o f l i g n i n d e g r a d a d o n o f t h e 6 s t r a i n s o f b a c t e r i a , a n ds t r a i n s x 2a n d x 4 w e r e c h o s e t o c a r r y o u t t h e e x p e r i m e n t s ，t h e m o s t f a v o r a b l e t e m p e r a l u r e f o r t h e 2s w a i n s i s 3 0 。c ，a n d l h e p h i s 7 ；a ：f l e r b e i n g t r e a t e d b u l t r a v i o l e t r a y s ，a c t i x 4 t yo f a l lt h e t h r e ek i n d s o f l i g n i n - d e 四r a d i n ge n z y m ep r o d u c e db y t h es t r a i n sc a nb e i n c r e a s e d g r e a t l y , t h eb a c t e r i ai n c r e a s i n gr a t ei sr e m a r k a b l yi m p m v e d 西安建筑科技大学博士学位论文 d e t a i l e ds t u d y h a s b e e n c a r r i e d o u t o n s p e c i f i c p r o p e r t y o f t h es e p a r a t e d e f f i c i e n t b a c t e r i a , t h e c h i e f r e s u l t sa l et h a ts h a k i n gc u l t u r ea t11 0 r m i ni sf a v o r a b l ef o rt h eg r o v t d aa n dr e p r o d u c t i o n o f t h e b a c t e r i a ；a f t e r c o m p a r i n g t h ee f f e c t sa m o n gk i n d so f p r i m a r yc a r b o na n dn i t r o g e ns o u r c e s ，s u c r o s e i sd e t e r m i n e da st h e s u i t a n e p r i m a r ys o u r c e f o r c o m e t a b o l i z i n g , a n d a m m o n i u m n i t r a t e a s t h e n i t r o g e n s o u r c e ；t h e r e m o v a l r a t i o o f l i g n i n c a n b e g r e a t l y i m p r o v e d a f t e r a d d i n 9 1 0 m g l m a n g a n e s e i o n , o 1 m 鲫c o p p e r i o n , 0 2 5 m g l f e r r o u s i o n a n d1 0 m g lc a l c i u m i o n i n t o t h e c u l t u r e m e d i a ；s y n t h e l i c a l l y c u l t i v a t i n gr e s u t ss h o w t h a t t h e b e s t e f f e c t o c c u r s w h e n t h e c o n c e n t r a t i o n o f s u c r o s e i s1 m 酣，a m m o n i u m n i t r a t e i s1 5 m g 1 w i t h c o r r e s p o n d i n g i n o t p 婴m c i o n , a n d t h e p r o p o r t i o n o f b a c t e r i a i s x 2 ：x 4 e q u a l sl ：1 a c c o r d i n g t ot h ed e t e m a i n a t i o n o f e n z y m ea c t i v i t ya n dc h r o m a t o g r a m m a s ss p e c m a ma n a l y s i so f i n t e r m e d i a t e ，t h e m e c h a n i s m o f l i g n i n - d e g r a d i n g b y e f f i c i e n t b a c t e r i a i s t h a t t h e s y n t h e t i c a l l y b i o a u g m e n t a t i o n f a c t o r s i m p r o v e t h e a c t i v i t y o f l i g n i n - d e g r a d i n g e n z y m e s ，w h i c h a u g r n e m t h e l i g n i n - d e g r a d i n g r e a c t i o n i n o u t e re e l la n di n n e rc e l l ai d e a le f f e c th a sb e e n g o t a sw e l lw h e nc o n t i n u o u ss i m u l a t e d e x p e r i m e n t s w e r ed o n et ot r e a t p a p e r i n d u s t r ys e w a g e i na b i o a u g r n e n m t i o ns y s t e m a d d e dw i t hb i o a u g m e n t a t i o n f a c t o r s ，w h i c hi n c l u d e d e f f e c t l i g n i n - d e g r a d i n gb a c t e r i a , p r i m a r y c a r b o nf o rc o m e t a b o l i z i n g ，n i v o g e n s o u r c e sa n dk i n d s o f i n o r g a n i ci o n s ； u n d e r t h e f u n c t i o n o f s y n t h e t i c b i o a u s x n e n t a t i o n f a c t o r s , l h e h i g h e s t c o dr e m o v a lr a t i o i s 7 5 3 f i l e a v e r a g e i s o v e r 7 4 t h e c o d v a l u e d e s c e n d f r o m1 0 0 0 m e t e i n i n f l u e n t t o a b o u t 2 6 0 m g l i n e f f l u e n t , a n d t h e r e m o v a lr a t i oo f s c u mi so v e r9 0 k e y w o r d s ：b l a c kl i q u o r , l i 蛐，a c i dp r e c i p i t a t i o n , b i o a u 玎n e n t , e f f i c i e n ts t r a i n ，d e g r a d a t i o n - i v - 声明 本人郑重声明我所呈交的论文是我个人在导师指导下 进行魏磷究工作及取得的研究成果。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 或撰写过熬研究成果，也不包含本人或其健人在其它单位已 申请学位或为其它用途使用过的成果。与我一同工作的同志 对本研究所做於所有贡献均己在论文中作了明确的说明并 表示了致谢。 申请学位论文与资料蓉有不实之处，本入承担一切褶关 责任。 论文作者签名：k - 戈哮日期：m 一协，5 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、使用学位论 文的规定，p , , p - 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文 被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以 采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在论文解密后应遵守此规定) 论文作者签名翻芯绰导师签名：荔乏壶日期：删 a 趣 注：请将此页附磁论文酋页。 西安建筑科技大学博士学位论文 第一章概述 1 造纸废水的主要来源与特征 造纸术是我国古代四大发明之一，它为世界文明史的发展起到了积极的推动作用，是中国 对世界文明最伟大的贡献之一。现代造纸工业虽然带有几分传统工艺的色彩但已发展成为技 术和资金密集型的重要制造业。造纸工业在北美和欧洲许多发达国家，如加拿大、美国、芬 兰、瑞典、挪威等的工业体系中占有举足轻重的地位。造纸工业的发展速度和水平与社会经济 发展是同步的，纸和纸板产量及人均消费量在一定程度上反映了一个国家的综合经济实力。 造纸工业是以植物纤维资源为主要原料，生产纸浆、纸及其他纸制品的行业。制浆造纸工 业是我国国民经济的重要产业之一，建国以来，我国造纸工业发展迅速，纸和纸板产量从 1 9 4 9 年的o 8 万吨增至1 9 9 5 年2 3 5 0 万吨，跃居世界第三位【2 j 。然而，由于生产过程中水消耗 量大，产生的污染物多，其对环境所造成的污染问题也只益突出【3 i 。 造纸工业污染主要是水污染，下面对废水主要来源的几个途径及其特征进行概述。 1 1 备料废水 制浆造纸厂通常贮存一定数量的原料，以满足生产工艺和连续生产的需要，所用原料主要 是木材和各种草类原料。在投入制浆主要生产工序以前，首先要对原料进行不同程度的预处 理，使其达到工艺加工和产品质量方面的要求，这一过程称为备料。备料过程包括原木树皮剥 去、洗涤、切片、筛选，以及草类原料的除尘、除杂、除髓等。 原木备料废水原木备料工段排出的主要是剥皮废水，其中含有一定量的木材抽出物成 分，它们以溶解胶体物质的形式存在，是废水主要的毒性来源。 菲木材原料备料废水我国制浆造纸行业广泛应用的菲木材原料有麦草、稻草、蔗渣、 竹子、芦苇等，与木材相比在备料工段有其特殊性。草类原料废水常含有大量杂质、泥土、 悬浮物及部分水溶性物质。竹子备料与木材相似，但污染负荷较低；芦苇的备料过程以除去狄 尘和苇屑为主，废水中常含有胶体性物质及较高的悬浮物1 4 l 。 1 2 制浆废水 化学法制浆废水化学法制浆包括碱法制浆( 硫酸盐法、烧碱法和烧碱葱醌法) 和亚硫 酸盐法制浆。碱法制浆就是用化学药剂的水溶液处理植物纤维原料，将原料中的木质素溶 出，尽可能地保留纤维素与不同程度地保留半纤维素，使原料纤维彼此分离成裂“。在碱法 蒸煮过程中，加入的碱与纤维原料中的木质素、碳水化合物反应，生成有机物的钠盐，通常 西安建筑科技大学博士学位论丈 纤维原料中有5 缸5 6 的有机物溶解于蒸煮废液中，通称为“黑液” 6 l 。表l i 列出了几种 不同原料蒸煮后所产生的黑液主要成分。 表1 - 1 儿种原料碱法蒸煮黑液主要绸戍 亚铵法制浆废水呈褐红色，又称“红液”，杂质占8 1 5 ，其中2 0 为钙盐、镁盐及残 留的亚硫酸；8 0 为有机物，主要是木素磺酸盐、糖类、脂肪酸以及少量的醇、酮、醛、树 脂、单宁、蛋白质等- 废液b o d 很高。中性亚硫酸盐制浆废水( 半化学浆废水) 含硫酸盐木 素化合物、单宁、低级脂肪酸、木素化合物等。 化学法制浆过程中，原料中5 0 以上的物质经化学反应后溶入蒸煮废液中，是造纸废水 中污染物的主要来源之一，因此，化学法制浆蒸煮废液的处理非常重要。 化学机械法制浆废水化学机械法制浆废水中有机污染物主要来源于木片气蒸、洗涤、 化学预处理及浆料的洗涤、浓缩、筛选等处理过程。来源予不同纤维原料的化学机械浆废水 污染负荷列于表1 2 。 表1 - 2 不同原料化学机械浆废水的污染负荷【l i 从表i - 2 中可以看出，j # 木材原料化学机械浆废水c o d 与b o d 污染负葡大大高于针时木 或阔叶木化学机械浆废水。阔叶木化学机械浆废水c o d 、b o d 负荷高于针u 十木浆废水。对于 同种纤维原料，采用不同的预处理药品，所产生的污染负荷也不同。以针叶木或速生阔叶术为 原料生产化学机械浆。废水的排放量为2 0 - - 3 0 m 3 1 t 浆，b o d 5 和c o d 分别为2 i f - , 1 0 0 k g t 浆和 6 0 - - 2 5 0 k g t 浆，并伴有大量的悬浮物、溶解性胶体物质和较深的色度。 废纸浆废水废纸浆己成为造纸用主要浆种之一，目前。国内许多大型新闻纸厂和板纸 厂都建有废纸浆生产线。废纸制浆废水的物理化学特性与一般制浆废水相比有很大的差别。废 西安建筑科技大学博士学住论文 纸制浆废水困废纸种类、来源、处理工艺、脱墨工艺以及废纸处理过程的技术装备情况的不 同，实际排出的废水特性差异较大。一般来晚，无化学脱墨的制浆工艺产生的废水远比化学脱 墨废水的污染负荷低，废纸脱墨车间排出的废水色度、悬浮物含量高，含有重金属及印刷油墨 中溶出的胶体性有毒物质。悬浮物主要是来自废纸中的细小纤维、填料、涂料、油墨等。 1 3 中段水 中段水是指纸浆洗涤、筛选以及漂白等工段出水的混合废水总称，有时也称为“打浆废 水”。纸浆洗涤、筛选废水化学成分与黑液相仿，仅浓度较低，废水量较大，悬浮物和b o d 高。一般情况下，每生产一吨纸浆约产生1 0 0 - - - 2 0 0 吨【7 j 。漂白工段是在化学制浆脱木素基础上 将残余木索由漂白浆中分离出来。由于使用氯气来氯化氧化木素，使之溶解，该工段排出的废 水中有机氯化物含量高1 8 j ，废水中已鉴定的低分子化合物超过3 0 0 种，可分为3 类：有机酸 ( 包括氯化有机酸) 、酚类化合物( 包括氯代酚) 以及中性有机化合物。这些物质多为高色 度有毒性物质，对环境危害很大。 1 4 造纸机废水 造纸机废水是指植物纤维湿法造纸纸页形成过程中从造纸机网部、压榨部脱出的废水，也 称为“白水”。白水的数量和性质随纸张的品种、造纸机的构造及车速、浆料的性质、化学添 加剂的种类及用量等条件的不同而异。白水中主要物质和来源归纳于表1 ，3 。 表i 3 造纸车间自水中的主要物质和来源” 西安建筑科技大学博士学位论文 2 制浆造纸废水治理技术研究概况 制浆造纸废水污染程度由其生产的浆种决定，化学浆对环境污染最为，重，半化学浆次 之，机械浆最小。我国化学浆纸产量占总产量的7 0 ，污染物发生量占造纸工业总排放量的 8 5 以上，化学浆污染物来源于蒸煮黑液和漂白废水，其中蒸煮黑液c o d 量占c o d 总量的 9 0 8 9 1 ，因此，造纸行业减少污染的关键是蒸煮黑液的治理【i o l 。 本节着重介绍各类造纸废液的主要处理技术及其在工业上的应用实践。 2 1 化学浆废水治理 2 1 1 碱回收技术 碱回收技术主要指利用热化学的原理与方法，将蒸煮废液中的有机物氧化分解，利用其热 能，并回收废液中残余的碱。目前已报道的主要碱回收工艺见表1 4 ，其中国内外广泛采用的 是湿式燃烧法传统碱回收工艺。最有发展前景的未来碱回收技术是黑液的热化学裂解汽化。 表1 _ 4 主要碱回收工艺及应用情况川 碱法蒸煮废液的湿式燃烧法碱回收已列入环保最佳实用技术。据不完全统计，我国目前有 年处理能力1 0 k t 干固物的碱回收装置1 5 0 套左右。其中经营管理较好的大型木浆厂的碱回收率 己达9 0 以上。竹子、芦苇、蔗渣、麦草等非木材纤维原料碱法废液的碱回收已基本过关。 据1 9 9 9 年中国造纸协会环保专业委员会对全国造纸厂碱回收情况的调查资料表明，目前国内 麦草黑液碱回收系统( 规模5 0 t d 、7 5 谢或1 0 0 t d ) 有近2 0 条生产线，碱回收率大多在 6 0 - 7 5 范围“j 。 西安建筑科技大学博士学位论文 碱法草浆的碱回收要注意黑液的除硅与降粘。碱法草浆黑液中硅含量高，粘度大，蒸发过 程能耗商，蒸发后最终浓度难以达到燃烧的要求，且黑液的硅含量给黑液输送、燃烧、苛化等 工艺造成定的麻烦，严重影响着整个碱回收系统的稳定运行。除硅方法归纳起来主要有三大 类b 1 4 】：降低p h 值至弘i o ，使s i 0 2 以h 2 s i 0 3 的形式沉淀下来：加入c a 2 + ( c a o ) ，m 矿+ ( m g o ，m g s 0 4 ) 和a 1 3 + a 1 2 ( s 0 4 ) 3 等f 吏s i c h 髟成不溶性硅酸盐而沉淀；使用各种絮凝剂使 s i 0 2 凝聚沉淀。黑液的硅含量与牯度是密切相关的，在蒸煮黑液中添加除硅剂，在降低硅含量 的同时，也可降低黑液的粘度；在黑液中加碱可直接降低黑液的粘度；采用高温加热黑液，使 黑液中木素与碳水化合物复合体及低聚糖等裂解，也可以达到降低黑液粘度的目的。 2 1 2 蒸煮废液资源化利用技术 蒸煮废液的资源化利用技术是指利用物理方法、化学方法或物理、化学、生物相结合的方 法，将废液中的木素、低聚糖与单糖等有机物分离并加以综合利用的技术i “。资源化综合利用 是处理草浆蒸煮黑液的有效途径之- - 1 1 6 1 。工业木质素在不同领域的应用见表1 5 1 8 】。 表i - 5 工业木质素在不同领域的应j ； = | 【1 1 应用途径应用领域 添加剂 鬈彗妒灌浆材料、混凝土瑶蓄电池屯解液、油井钻探、锅炉及冷却水 分散剂染料、油墨、杀虫剂、陶瓷、化妆晶、涂料、橡胶生产中碳黑分散、石膏板等 粘合剂铺路、形煤、耐火材料、动物饲料、选矿等 乳化剂和稳定荆沥青乳化剂、水煤浆 助磨剂水泥生产等 。 染料、发泡塑料、树脂添加剂、制革助剂、蛋白质沉淀剂、整合荆、生产活性 ” 炭、缓释肥料和土壤调节剂等 从黑液中分离木素的方法可概括为三种：降低黑液的p h 值，使碱木素析出并沉淀i j 9 】： 在黑液中加入电解质，破坏木素的胶体性质，使其沉淀r o 2 1 2 2 l ：采用超滤分离2 4 ，舀 捌。 其中酸沉淀法在我国应用较为广泛。由于碱木素不溶于水和酸，在黑液中通入含c o z 的 烟道气、s o z 或直接加入无机酸以降低p h 值，碱木素便会沉淀出来。酸沉淀法的主要缺点是 分离木素的纯度低，废酸易造成二次污染，对于草浆黑液沉淀木素的细小颗粒，加上硅胶的干 扰，木素的洗涤、过滤和分离都较困难r o 7 1 。 罗才典等研究了麦草硫酸盐黑液中木素的酸化沉淀特性。结果表明，木素的酸化过程可分 为三个阶段：木素的稳定阶段，p h = 1 2 - - 6 2 ，木素稳定存在于黑液中不发生沉淀：木素沉淀 阶段，p h = 6 2 3 0 ，木素迅速沉淀；木索的残留阶段，p h 幽于不同植物的木质素韵成分和含量不同，微生物进行去木质素化的难易程度也将 不同，这直接影响到木质素的去除率和发酵时间。选择更为合适的木质素发酵材料，随固态发 酵工艺进一步完善优化，使之达到实用的目的也是目前的研究内容之一。 当前，本质素生物降解的研究是异常活跃，亟待解决的问题是； 2 0 西安建筑科技大学博士学位论文 ( 1 ) 筛选与培育能较快降解木质素而降解纤维素、半纤维素很弱乃至不降解的微生物菌 种。 ( 2 ) 对分解木质素的酶进行研究，并利用d n a 重组技术改良菌种，获取产酶量高的菌 株。 ( 3 ) 利用现代生理、生化、分子生物学理论阐明酶的生成和作用机理。 ( 4 ) 拓宽生物降解木质素的原料范围。已研究的主要是模型木质素化合物，往往还带有 1 4 c 标 己。还有许多天然本质素，包括不同的木材。如桦木、松木、山毛榉术、山杨木等。还 有麦草、麦杆和韧皮纤维，既有人对各种材料进行人工生物降解木质素的探索，也有人对自然 腐朽过程中的木质素的生物降解进行研究。随着研究的深入，生物降解木质素的原料将迸一步 拓宽。 ( 5 ) 除了对木质素的降解、生物制浆进行研究外，还应对生物漂白、生物降解后的木质 素利用等进行探讨，另外，如何获得接近于“天然木质素”的纯木质素还未完全过关。可以相 信，通过科学家的工程技术人员的不懈努力，将会出现适应新时代的生物制浆法。对木质素的 利用也将更加广泛，废物也将变为宝贵的原料。 4 生物强化技术处理难降解有机废水的应用 4 i 生物强化技术的提出： 随着现代化工合成技术的发展，大量的异生化合物( x e n o b i o t i c s ) 进入工业废水和城市污 水，由于其本身的结构复杂性和生物陌生性，很难在短时间内被常规生物处理系统中的微生物 季g 用面进入物质循环，馒处理系统的出水水质恶化。为了充分利用现有的处理设施和技术。国 外研究者提出共代谢生物强化技术以提高原有处理工艺对难降解有机物的生物处理效率 1 2 3 l 。 生物强化技术产生初期，是因为废水处理厂的一些突发事故，如菌体大量死亡，有毒有害物质 泄漏等。致使废水达不到刳 放标准。于是直接投加高效菌种以改善出水水质。使处理系统恢复 正常。现阶段的生物强化技术通常是指在生物处理系统中投加具有特定功能的微生物、营养物 质或基质类似物来改善和优化原有处理系统的处理效果，促进对难降解有机物的去除。投加的 微生物来源于原来的处理系统，经过驯化、富集、筛选、培养使其达到一定数量：也可以利用 外源的微生物。 4 2 生物强化技术的主要作用机理 4 , 2 1 高效菌种的作用 通过驯化、筛选、诱变或基因重组等技术，取得以目标降解物质为主要碳源和能源的微生 物。如果原处理系统中不含有这种微生物，投加一定量的该菌种可以针对性而有效地去除目标 降解物，如果原处理系统中存在少量的这种微生物，那么采用投加高效菌的方法可以大大缩短 2 1 西安建筑科技夫擘博士学位论文 微生物驯化所需的时问，不需延长原系统中水力停留时间而达到较好的去除效果【l 。例如 s e l v a m t n a m 等【1 通过在活性污泥中投加苯酚降解菌p s e u d o m o n a s p u t i d a a t c c l l1 7 2 提高了苯酚 的去除率，系统在4 0 d 内一直可保持9 5 1 0 0 的苯酚去除率；而没有进行生物强化的对照组 中，苯酚的去除率很快降到4 0 左右。a 砌b e f i 渤髑投加高效菌种强化处理牛奶废水，分别采 用曝气池、曝气塘和氧化沟三种系统，都提高了b o d 5 和c o d 的去除率。 4 2 2 微生物的共代谢作用 大部分有毒有机物的降解是通过共代谢途径迸行的，例如在氧化塘处理焦化废水的研究 中，投加生活污水后，焦化废水c o d 去除率大大提高，主要是由于生活污水中含有多种营养 无素，提高了生物的活性。起到了共代谢作用旧1 。s t e f f e n s e n 等【碉研究了生物降解苯胺和己内 酰胺时无机营养物的作用，结果表明，如果介质中不加入无枧营养物磷，则苯胺根本不能被矿 化：如果介质中有1 1 0 - 7 m o y l 的磷，则底物就能被降解。 微生物共代谢的般定义为：只有在初级能源物质存在时，才能进行的有机化合物的生物 氧化过程，即生物处于能生长的基质中时，同时能氧化利用原来不能利用的化合物的现象。这 一现象又称为二级利用，提供能源的基质称初级基质，同时被降解的基质称二级基质【1 2 9 。共 代谢促进难降解有机物去除的机理十分复杂，迄今许多问题仍处于研究阶段。国外许多学者针 对共代谢现象提出了许多假设【1 3 0 l 。 4 3 生物强化技术的实施途径 4 3 1 投加有效菌种 目前的生物处理技术中，投菌法披应用于难降解物质的处理。这种方法是针对所要去除的 污染物质，利用特别培养的高效菌种对其进行有效降解的方法。投菌法己在美国、德国、日本 等国采用，以改善常规活性污泥法的处理效果，去除c n 一、s c n 一、纤维素、聚乙烯醇等， 尤其适用于难降解有机废水的治理i 2 1 。实施该技术的前提是获得作用于目标污染物的高效菌 株。对于自然界中固有的化合物。都能通过筛选、培育、诱变获得相应的降解菌株。这些降解 菌株大多数在纯培养体系中表现出高活性，但对于投加到环境复杂的生物处理系统中效果，尚 待进一步研究。有效的菌剂应满足几个要求，如添加后必须保持其高菌体活性，能以较快的速 度降解目标污染物，在系统( 如曝气池) 中不仅能竞争性生存。且可维持相当的数量等。 投菌法目前尚处于研究初期阶段，但已显示出许多优越性，具有很好的应用前景。研究表 明，它可以提高对目标污染物的去除效果，有效地消除污泥膨胀，改善污泥的沉降性能【“ o ”，加快系统启动作用，增强系统耐负荷冲击的能力及系统的稳定性m _ 3 3 】。 4 3 2 优化生物处理系统的降解环境 优化生物处理系统的降解环境，主要是通过投加营养物和基质类似物，提高生物处理系统 的降解能力。适当的生活环境是微生物降解活性提高的前提条件。常规难降解废水中的初级碳 2 2 ， 西安建筑科技大学博士学位论文 源和能源物质稀薄，可降解目标污染物的微生物的数量与活性比较低，通过投加营养物，包括 碳源与能源物质，或提供目标污染物降解所需的营养因子，有助于降解菌的生长繁殖，改善处 理系统的运行性能l 例。根据共代谢理论，微生物在利用初级基质的同时，可能使降解物质得 到降解。投加基质类似物是针对共代谢理论和酶的诱导性理论而提出的。酶的诱导性理论即利 用目标污染物的降解产物或前体作为酶的诱导物，以提高酶活性。作为诱导物( 即基质类似 物) 应选择毒性相对较低、易于降解且价格低廉的物质【l “。 4 3 3 基因工程在生物强化技术中的应用 要获得降解目标污染物的高效菌种，按照传统方法需要经过驯化、诱变、筛选、富集等步 骤，这种过程耗时耗力，而基因工程的发展为人类快速获得一些高效菌株提供了新的方法。微 生物对污染物的降解性与其所携带的降解性质粒有关。利用降解性质粒的相容性，把能够降解 不同污染物的质粒组合到一个菌株中组建遗传工程菌( g e m ) 4 9 1 ，使其能降解多种污染 物，或用个菌株即可完成降解过程的多个环节。近年来，通过基因工程技术构建具有特殊降 解功能的g e m 已取得一些进展，所获得的菌株在纯培养时，可有效地去除一些难降解物。但 对于投加到尘态复杂的废水处理系统后的降解性能，仍需进行深入的研究。 可见，生物强化技术是难降解废水处理中新的理论与实践，它与传统的生物处理系统相结 合，已成为废水生物处理的发展趋势。有很大的研究潜力。 5 本课题研究的目的、内容及意义 本课题为陕西省科技厅自然基金专项资助项目。 出于我国造纸工业的特点，即小厂多，难以形成大规模深度有效的废水处理体系；小草浆 厂多，草类原料纤维得率低、化学品消耗大、污染重，世界范围内9 0 造纸纤维以木材为原 料，我国草类纤维占6 0 以上：碱回收难度大，小造纸厂不仅消耗掉全行业8 0 左右的碱， 而且几乎1 0 0 的排放其污染。本课题立足于我国制浆造纸工业污染特点及现状，针对麦草浆 制浆得率低、污染严重、含硅量高、生物法处理效率低，制订出并进行了以下试验路线和内 容： ( 1 )改进酸析助剂的选择和性能研究 全面系统地收集大量的不同有机高分子絮凝剂的资料，通过研究其性能、作用条件和效 果，初步筛选出几种对造纸黑液有较好作用的助剂。然后对选出的几种助剂进行实验研究，进 一步筛选出效果较好的助剂。通过静态模拟实验，研究不同助剂对造纸黑液木素酸析的作用效 果，测定c o d o 、s s 、色度和析出木素的含水率等几项指标。确定出对造纸黑液木素酸析处理 效果最好的一种或几种助剂，以进行进一步的实验研究。 ( 2 ) 助剂作用条件的研究 2 3 西安建筑科技大学博士学位论文 把以上选出的助剂在不同实验条件下进行试验，并通过正交实验确定助剂的最佳反应条件 及助剂的最佳投加量等条件，为实际应用取得重要的参数。 ( 3 )高效菌种的分离、筛选和鉴定 由于微生物难以降解利用木质素，使c o d 和色度等不能达标排放，本实验室通过大量的 实验工作，从多处被造纸废水长期污染的泥土中分离筛选得到了多株对木质素有一定降解能力 的微生物，从中复选出几株降解能力最强的菌种作为实验用菌种，并对它们采用常用的方法进 行分类鉴定，然后对其降解性能作初步的研究。 ( 4 ) 紫外诱变提高降解能力 对实验用菌种采用紫外线诱变育种和驯化筛选等手段相结合提高其降解能力，使其能在以 木质索为唯一碳源的培养基上很好生长，然后对其生长繁殖特征，及降解木质素的特性进行深 入地研究。 ( 5 ) 高效菌种性能研究 对选定的并经诱变的高效菌种性能进行多方面细致地研究。了解其降解的最佳温度、p h 值，以及投加共代谢初级碳源、氮源和无机离子等的适宜种类和加入量。为迸步的研究打下 基础。采用气相色谱一质谱联机法对降解中间产物进行分析，研究木质素的降解机理。 ( 6 )生物强化系统处理造纸废水 改善处理工艺，采用以生物处理为主，微生物学、生物化学及物理化学等的处理方法和原 理相结合，摸索出一种科学高效的造纸废水处理工艺。在生物处理系统中投加具有特定功能的 微生物、营养物质以及基质类似物来改善和优化原有处理系统的处理效果，强化处理系统的能 力，促进对木质素等难降解有机物的去除。投加的微生物是经过筛选、驯化得到的高效菌种。 综上所述。由于造纸废水难以达标的主要原因是木质素不能被高效、廉价、快速的去除， 本课题针对我国造纸废水污染特点，研究重点在木质素的处理上。首先，采用改进酸析的方法 使黑液中的大部分木质素去除，然后，利用分离筛选出的高效菌种对出水进行共代谢生物强化 处理以达到最为理想的处理效果。 废水生物强化技术在国外研究较多，国内这方面研究仍处于起步阶段，而且研究内容比较 单一。生物强化技术应用于造纸废水方面的研究更少。相信该课题的研究和应用将会很好地改 善造纸工业废水处理效果，大大降低处理造纸废水的费用，简化处理设备及过程，并从根本上 解决造纸行业对环境的严重污染状况，对我国的可持续发展战略产生积极的影响。 2 4 西安建筑科技大学博士学位论文 第二章黑液改进酸析研究 1 h u 吾 现代社会，纸及纸制品在人们日常生活中充当着极其重要的角色，全世界纸需求量每年都 在持续上升，与此同时，我们不缛不面对造纸工业所带来的同益严重的环境污染问题。造纸工 业污染主要是水污染，我国民间流传有“一个造纸厂污染一条河”的说法可见其对环境的危 害程度。因此，要解决水资源危机，彻底治理造纸废水势在必行，对于我国广大的西部等干旱 缺水地区，其意义更是不言而喻的。 2 材料和方法 2 1 材料 2 1 1 主要仪器 电热恒温水浴锅：d b 卜1 5 2 1 型六联搅拌仪：模拟试验反应器；具塞比色管 2 1 2 实验水样 黑液来源：本实验水样取自西安汉兴造纸厂黑液，实验处理过程可经不同倍数稀释。其原 水水质见表2 1 。 表2 1 造纸黑湖r a k 质分析结果 2 2 实验装置 酸析反应试验的装置由反应器( 1 l 烧杯) 、搅拌器和酸度测量系统组成。实验中采用的 装置和仪表如下： 酸度测量系统：精密和广泛p h 试纸； 搅拌器：采用d b 卜_ 6 2 l 型六联搅拌仪： 反应器：长x 宽x 高= l o x l o x l o o m 的有机玻璃烧杯； 加酸方式：由移液管定量滴加。 2 5 西安建筑科技大学博士学位论文 2 3 实验方案和方法 为研究有机高分子絮凝剂( 助剂) 的作用效果及特点，设计了杯罐实验：从杯罐实验 的长期使用经验总结出，在选用足够大的水样体积和严格的操作条件下，杯罐实验完全能够模 拟生产规模的混凝试验过程f 1 3 4 1 ，反之则实验的结果毫无参考价值。 ( 1 ) 实验中采用的杯罐尺寸为长宽商= 1 0 1 0 1 0 c m ，取样孔距底部5 c m ，实验用水 样体积为8 0 0 m l 。杯罐实验的基本操作步骤如下： a 按烧杯的数目取等容量的水样装入每个烧杯中。把浆放入烧杯中： b 按烧杯的数目选用一系列的药剂投加量，每个剂量装入小试管内： c 开动搅拌机，以4 0 0 转，仃l i i l 的转速进行快速搅拌。约半分钟： e 降低转速进行慢搅l o 分钟，转速为5 0 转m i n 左右 f 经3 0 分钟静置后取样，测其c o d ，s s ，色度，及木素含水率等数据。 ( 2 ) 搅拌条件：杯罐实验采用六联搅拌仪，操作条件见表2 - 2 和表2 3 。表2 - 2 是混凝杯 罐实验的一般操作条件，而表2 - 3 则是在根据高分子絮凝剂的絮凝特点计算出的混凝杯罐实验 操作条件。 表2 - 2 混凝操作条什参数a ( 3 ) 助莉：本实验中采用i 号、i i 号、号、号型高分子絮凝剂作为混凝剂，其浓度 为1 0 9 l 。 2 4 分析测定方法 试验过程中涉及的参数主要有温度、p h 值、助剂种类、投药量等。测定项目及方法如 下： ( 1 ) 化学需氧量c o d 的测定：采用标准重铬酸钾滴定法，具体操作e 吱：n (