（环境工程专业论文）高效厌氧处理偶氮染料废水系统和脱色机理研究.pdf

un i v e r s i t yo fs c i e n c e t e c hn o l o g yo fc h in a adi s s er t a t i onf ordo c t or sd e g r e e ah i g h l ye f f i c i e n tb i o s y s t e mf o r a z o d y e w a s t e w a t e ra n dt h e d e c o i o r i z a t i o nm e c h a n i s m a u t h o r sname：leiy u s p e c i a l i t y ： e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g s u p e r v i s o r ：p r o f h a n q i n gy u d r h o nw a hl a m f i n i s h e dt i m e ： j u n e ，2 0 11 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成 果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写 过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确 的说明。 作者签名：鲰 签字日期： p h 值 氯化钠浓度 温度。通过最优化实验条件，桉树树皮对r b b 染料的最大 吸附量为9 0m g r b bg 生物吸附剂，与活性炭的最大吸附量相当。 1 2 1 2 絮凝沉降 絮凝沉降方法主要是针对阴离子染料( 例如：刚果红、甲基橙、二甲苯酚 橙、亚甲基兰等) 吸附处理作用效果明显的方法。由壳质脱乙酰化而制得的生物 第一章文献综述 大分子壳聚糖( c s ) 颗粒比普通的c s 颗粒具有更大的阴离子吸附量( w a n ge ta 1 2 0 1 1 ) 。此类大分子对阴离子染料具体的吸附机理如图1 3 所示： 0 3 n a + d y e s o ， h ，o d d y e - n h j - n h 3 + 图1 3 壳聚糖在酸性条件下对阴离子染料的吸附机n ( w a n ge ta 1 2 0 1 1 ) 由于c s 的聚合电解质只能在酸性条件下和电负性的染料进行相互作用，因 此它们在对偶氮染料的吸附过程中，p h 是个至关重要的因素( r o u s s y e ta 1 2 0 0 5 ) 。 此外，为了尽量减少制备絮凝剂的成本，一些研究者将可再生、便宜、易取 的材料如：木质素，作为制备絮凝剂的原材料。通过m a n n i c h 反应，可制得木质 素系絮凝剂一二甲基胺丙酮甲醛( l d a f ) 。这种絮凝剂对阴离子染料具有高效 的去除能力( f a n g e ta 1 2 0 1 0 ) ，另外可通过增加l d a f 表面的阳离子而提高它对 染料的去除效率。这一结果也说明电荷中和是絮凝沉降的关键步骤( g u i b a la n d r o u s s y2 0 0 7 ) 。 总而言之，这些物理方法主要是将污染物质( 偶氮染料) 从液相转移到固相 的过程，这就需要后续的步骤去处理这些吸附的污染物质。因此这类物理方法在 处理实际印染废水工艺中主要是作为预处理步骤( a r m a g a ne ta 1 2 0 0 3 ，g u p t ae ta 1 2 0 1 1 ) 。 4 趣蕊 一搿棼 第一章文献综述 1 2 2 高级氧化技术( a o p ) a o p 近年来广泛应用于处理各类废水的工艺中，并且证实是一种高效的印 染废水脱色方法( g u t o w s k ae ta 1 2 0 0 7 ，g u ia n do z c a n - y i l d i r i m2 0 0 9 ) 。这个方法的 高效主要是由于在a o p 过程中能生成具有极度活性的羟基自由基( o h ) ，它的生 成可以完全、彻底、高效的矿化各类有机污染物。a o p 可大致分为如下几类： 光催化降解技术、臭氧氧化技术、光催化芬顿反应以及电芬顿反应。 1 2 2 1 光催化降解技术 g i i m i i 警a n da k b a l ( 2 0 1 1 ) 总结了光催化原理，该原理主要包含如下的主要步 骤： 电子质子( e 付) 的生成步骤：自由电子在导电带的生成( e c b 。) 以及价电子带的 电子空缺( 1 l v b + ) ； 羟基自由基的生成步骤：h v a + 与表面水或者o h 。反应： 生成过氧化阴离子基1 虱( 0 2 ) 步骤。 这三个步骤可以用下列三个简单的方程式表达( q a m a re ta 1 2 0 0 5 ，f a i s a le ta 1 2 0 0 7 ) ： 乃q + 办v e - c b + 办+ v be q ( 1 1 ) d 2 + e - c b _ q e q ( 1 2 ) 日2 d + + 坊_ o h 。+ h +e q ( 1 3 ) 在光催化过程中，生成的活性基团0 2 。和o h 是染料的脱色的主要因素。而 在t i 0 2 存在条件下，实验光催化降解实际的印染废水的脱色率和矿化率可分别 达到9 7 8 和8 4 9 ，这一结果充分显示了这个光催化降解的高效性。 然而由于t i 0 2 具有较高的能带间隙( 3 2e v ) ，并且只能在紫外光条件下才有 明显，这一特点较大地限制了它的广泛应用。因此，近些年来大量的研究主要集 中于光催化剂的改良上，研发一些在可见光下可具催化活性的材料上，例如： z n o ，a g n b 0 3 ，b i w 0 6 和b i v 0 4 ，这些材料在可见光下具有一定的催化偶氮染料 脱色的功能( b e h n a j a d y e ta 1 2 0 0 6 ) 。v e l m u r u g a na n ds w a m i n a t h a n ( 2 0 1 1 ) 报道了纳 米级氧化锌在太阳光条件下对活性红1 2 0 ( r r l 2 0 ) 的降解效率要高出在紫外条件 5 第一章文献综述 下1 3 个百分点。 1 2 2 2 臭氧氧化技术 臭氧氧化技术，作为一种典型的高级氧化技术，也是近些年来广泛应用于处 理印染废水的一种方法( a r s l a na n db a l c i o g l u2 0 0 0 ，a l a t o n2 0 0 3 ，l o p e z l o p e ze ta 1 2 0 0 7 ) 。与其他a o p 技术相比，臭氧氧化技术具有毒性小、占用空间小以及容易 完全去除剩余反应剂的特点( t e h r a n i - b a g h ae ta 1 2 0 1 0 ) 。在碱性条件下，臭氧氧化 过程主要包括下面三个反应过程( t o m i y a s ue ta 1 1 9 8 5 ；s e h e s t e de ta 1 1 9 9 1 ) ： d 3 + o h 一专0 3 ”+ o h 。e q ( 1 4 ) d 3 + o h 一专h 0 2 + 0 2e q ( 1 5 ) d 3 + o h 一一d 2 “+ h 0 2 。e q ( 1 6 ) 臭氧溶于水中是关键步骤，在此过程中，p h 、温度、溶剂和传质( 气相到 液相) 是较大的障碍，臭氧传质的模型如图1 4 所示( l e w i sa n dw h i t m a n1 9 2 4 ) 。 i n t e r f a c e c g 弋 ；c g 。 c l d r i v i n df o r c e 图1 4 臭氧传质的双层模型，c g ，c l ，c g i ，c l l 分别是气相、液相、气相界面、液相界 面的臭氧浓度( t a b r i z ie ta 1 2 0 11 ) 在t a b r i z ie ta 1 ( 2 0 1 1 ) 的半连续反应器中，进水染料浓度高达0 5gl 一，4 5 分 钟内的脱色效率仍可达到1 0 0 。臭氧氧化技术除了可对偶氮染料具有高效的降 解能力之外，该技术也常常用于脱色、矿化葸醌类染料( s o n g2 0 0 8 ；f a n c h i a n ga n d t s e n g2 0 0 9 ) 。 6 第一章文献综述 1 2 2 3 光催化一芬顿反应 经典的芬顿反应是结合f e 2 + 和过氧化氢的过程，可用方程1 7 表示： f e “+ 1 4 2 0 2jf e 3 + + o h 。+ 伽一 e q ( 1 7 ) 而光催化芬顿反应是在紫外光激发条件下的经典芬顿反应： 凡3 + + 日2 d 2 _ f e o o h “+ + e q ( 1 8 ) 凡( 伽) 】2 + + v 寸f e 2 + + o h 。 e q ( 1 9 ) 这个处理方法目前被认为是最有潜力的处理印染废水的方法( t a n t a ka n d c h a u d h a r i2 0 0 6 ，p a p i ce ta 1 2 0 0 9 ) 。根据芬顿反应体系的不同，芬顿反应可分为均 相芬顿和非均相芬顿( s o o na n dh a m e e d2 0 11 ) 。若在在反应体系中的芬顿试剂和 污染物之间只被f e 2 + 或者f e 3 + 催化，称为均相芬顿过程( n e y e n sa n db a e y e n s 2 0 0 3 ) 。而在非均相芬顿体系中许多种铁离子如： f e ( o h ) 2 】+ ， f e ( h 2 0 ) 1 2 + ， f e ( h 2 0 ) 6 】3 + ，【f e 2 ( o h ) 2 】4 + ，f e 2 0 3 和c 【f e o o h 也常常作为催化剂存在于反应体系 中( g a r r e le ta 1 2 0 0 6 ) 。 一般认为非均相芬顿体系降解污染物的效果要好于均相芬顿体系。根据i d e l a o u a de ta 1 ( 2 0 1 1 ) 报道，以沸石作为铁离子载体条件下，5 0m g l 1 的酸红1 4 ( a r l 4 ) 在非均相芬顿体系中6 分钟内可完全脱色，同时矿化效率也高达8 4 ，明显高于 经典的均相芬顿体系( d a n e s h v a re ta 1 2 0 0 4 ，k a s i r ie ta 1 2 0 1 0 ) 。 1 2 2 4 电芬顿反应 在电芬顿体系中，过氧化氢和亚铁离子在阴极是通过分子氧和三价铁离子的 还原反应而产生的。具体的反应过程可描述如下： d 2 + 2 9 一+ 2 h + 一日2 皱 凡3 + + e 一一f e 2 + e q ( 1 1 0 ) 在亚铁离子和过氧化氢生成之后，经典芬顿反应亦在此反应体系中发生( 方 程1 7 ) 。在电芬顿体系中，亚铁离子可通过方程1 1 1 生成，进而加速羟基自由 基对有机化合物的降解矿化作用( b r i l l a se ta 1 1 9 9 5 ，g u i v a r c he ta 1 2 0 0 3 ) 。 利用电芬顿体系处理偶氮染料废水已有较多报道。电芬顿反应降解偶氮染料 符合一级动力学方程，使用此法得到的染料处理效果亦是相当可观( g u i v a r c he ta 1 7 第一章文献综述 2 0 0 3 ，h a m m a m ie ta 1 2 0 0 7 ) 。d a n e s h v a re ta 1 ( 2 0 0 8 ) 在优化工艺的参数后，电芬 顿反应对染料的降解效率可在两小时内达到1 0 0 ，在三小时内矿化率也达到了 8 0 。 目前一致认为这种新型的处理方法是环境友好的、易操作的，也是具有前景 的处理方法。然而相对较高的运行成本是限制该方法广泛应用的一个瓶颈 ( i d e l a o u a de ta 1 2 0 1 1 ，r u i ze ta 1 2 0 1 1 ) 。 1 2 3 生物法 生物法在废水处理工艺中普遍认为是一种环境友好的、经济的、可持续的现 代废水处理方法，它主要包括：好氧、厌氧以及好氧和厌氧组合式处理方法。 1 2 3 1 好氧处理 由于氧气是一种强的电子受体，因此偶氮染料在好氧条件下很难被传统的活 性污泥脱色降解掉( v a nd e rz e ea n dv i l l a v e r d e2 0 0 5 ) 。目前只有某些特殊的纯种菌 株报道具有在好氧条件下将染料脱色的功能，主要有如下几种菌：芽孢杆菌 ( p a e n i b a c i l l u sa z o r e d u c e n ss p ) ，铜绿假单胞菌( p s e u d o m o n a sa e r u i n o s a ) ， 鞘氨醇 单胞菌( s p h i n g o m o n a ss p ) 和从毛单胞菌( x e n o p h i l u sa z o v o r a n s ) 等( c o u n g l l l i ne ta 1 1 9 9 9 ，b l u m e le ta 1 2 0 0 1 ，s a r a y ua n ds a n d h y a2 0 1 0 ，m e e h a ne ta 1 2 0 11 ) 。 在这些分离出的具有好氧脱色能力的细菌中，细菌含有的偶氮还原酶认为是 在好氧条件下对染料脱色的最关键因素( z i m m e r m a n ne ta 1 1 9 8 2 ，b l u m e la n d s t o l z2 0 11 ) 。d ue ta 1 ( 2 0 11 ) 发现在有染料存在的培养基生长出的铜绿假单胞菌 比从纯l b 培养基生长出的具有更高的酶活性。因此为了进一步了解细菌好氧脱 色的原理，大量的研究围绕着基因重组蛋白( 好氧偶氮还原酶) 而展开。 1 2 3 2 厌氧处理 大量文献报道兼性厌氧细菌可以在厌氧缺氧条件下对偶氮染料进行脱色还 原，它们是：赭曲霉( a s p e r g i l l u so c h r a c e u sn c i m 一1 1 4 6 ) ，梭状杆菌( b a c i l l u s f u s i f o r m i sk m k 5 ) ，肠杆菌( e n t e r o b a c t e rs p e c 3 ) ，克雷柏氏杆菌( k l e b s i e l l a p n e u m o n i a er s 1 3 ) ，干酪乳杆菌( l a c t o b a c i l l u sc a s e it i s t r1 5 0 0 ) ，产谷氨酸小球 菌( m i c r o c o c c u sg l u t a m i c u sn c i m 一2 16 8 ) ，变形杆菌( p r o t e u sm i c r a b i l i sl a g ) ，绿脓 8 第一章文献综述 假单胞菌( p s e u d o m o n a sa e r u g i n o s a ) ，沼泽红假单胞菌( r h o d o p s e u d o m o n a s p a l u s t r i s ) ，席瓦式( s h e w a n e l l ad e c o l o r a t i o n i ss 1 2 ) ，鞘脂单胞菌属( s p h i n g o m o n a ss p s t r a i nb n 6 ) 等( n 6 r t e m a n ne ta 1 19 8 6 ，w o n ga n dy u e n19 9 6 ，p a r s h e t t ie ta 1 2 0 0 7 ， s e e s u r i y a c h a ne ta 1 2 0 0 7 ，x ue ta 1 2 0 0 7 ，c h e ne ta 1 2 0 0 8 ，k o l e k a re ta 1 2 0 0 8 ，w a n g e ta 1 2 0 0 8 如s a r a t a l ee ta 1 2 0 0 9 ，s h e t ha n dd a v e2 0 0 9 ，w a n ge ta 1 2 0 0 9 ，o l u k a n n ie t a 1 2 0 1 0 ) 。这些报道菌株在实验室条件下对偶氮染料具有一定的广谱脱色性能， 然而应用到处理实际废水中却很少。 为了克服纯种菌株对偶氮染料降解的局限性，厌氧污泥广泛应用于实际的染 料废水处理工艺当中( v a nd e rz e ee ta 1 2 0 0 0 ，i l ka n ds p o n z a2 0 0 4 ，b s y d i l l ia n d p a v l o s t a t h i s2 0 0 5 ) 。根据m 6 n d e z p a ze ta 1 ( 2 0 0 5 ) 报道，他们利用u a s b 反应器 处理偶氮染料一酸橙7 ( a 0 7 ) 负荷高达5 9 0m g l 。1d ，其处理效率可维持在9 2 左 右，显示了厌氧污泥的高效脱色性能。然而偶氮染料的脱色并不是最终的目的， 因为它们的厌氧还原产物一芳香胺类化合物具有高毒性和致癌性( k a p d a ne t a 1 2 0 0 3 ) 。同时具有强亲水性基团的芳香胺类只能在好氧条件下被彻底降解掉。因 此大量的研究集中于探索厌氧好氧组合式处理工艺开始展开( r a z o f l o r e se t a l 19 9 7 ；o n e i l le ta 1 2 0 0 0 ；p a j a g u r ue t1 2 0 0 0 ；l o u r e n c oe ta 1 2 0 0 6 ) 和去除效率一样，厌氧污泥对偶氮染料的降解动力学也有很多文献报道。一 般认为，零级降解动力学适合于描述纯种菌株对偶氮染料的脱色过程，因为还原 当量的生成是纯种菌株脱色过程的限速步骤( d u b i na n dw r i e s t1 9 7 5 ) ：而一级降 解动力学，或者同级的降解动力学( 莫伦特方程) 往往适合于描述混合菌种对偶 氮染料的脱色过程，因为电子传递速率认为是这个过程的限速步骤( v a nd e rz e e e ta 1 2 0 0 1 ) 。 目前的文献大多集中于如何提高脱色效率和c o d 去除效率，而产甲烷菌被 高浓度的染料和中间产物所抑制通常被忽略( i i ka n ds p o n z a2 0 0 4 ，m 6 n d e z p a ze t a 1 2 0 0 5 ) 。由于产甲烷菌受到抑制，挥发性脂肪酸积累在反应器中大量积累，这 就进一步减少生物沼气( 甲烷) 的生成。而这种抑制作用在处理实际染料废水的 过程中往往时常发生，如在反应器中富集一些对染料具有高浓度忍耐性和高效的 脱色能力的产甲烷菌将是一项吸引人的工作。另外一方面，也期望这些产甲烷菌 可以不受影响的将积累的挥发性脂肪酸转化成生物沼气或者其他一些能源物质。 9 第一章文献综述 为了达到这一双重目标，对于产甲烷菌的脱色性能的考察也是一项有意义的工 作。 1 3 厌氧脱色的特点 1 3 1 厌氧脱色机理 厌氧微生物对偶氮染料的脱色反应主要是一个电子传递过程。在这个过程 中，中介物把产生的电子从细菌转移到电子供体( 偶氮染料) 上，从而完成整个 的脱色过程( h o n ge ta 1 2 0 0 7 ) ，但更详细、准确的厌氧偶氮染料还原机理尚不清 楚。对于兼性厌氧细菌来说，目前存在两种模型解释这一偶氮脱色过程。大部分 研究认为还原当量是通过溶解性的还原态核黄素转移到偶氮染料上的。在厌氧条 件下，还原态核黄素主要是用于非特异性还原偶氮染料( r u s se ta l2 0 0 0 ，m a i e re t a 1 2 0 0 4 ) 。 另外一种对偶氮染料脱色还原的解释是基于纯种菌株一鞘氨醇单胞菌 ( s p h i n g o m o n a ss p s t r a i nb n 6 ) 的一种脱色机带u ( k u d l i c he ta 1 1 9 9 7 ) 。在这个模型 中，中介物或是特定偶氮染料的代谢物或是磺化的蒽醌类物质、活性炭、腐殖质 等可促进的还原反应速率( v a nd e rz e ee ta 1 2 0 0 3 ，d o ss a n t o se ta 1 2 0 0 4 ，h o n ge t a 1 2 0 0 7 ) 。这些还原当量通过中介物从细胞膜转移到电子供体，从而达到偶氮键 的破裂( k u d l i c he ta 1 1 9 9 7 ) 。这一机理过程可由图1 5 表示： ，_，_-_i_-_-_-_l_l_lf 第一章文献综述 r n h 2 图1 5 菌株b n 6 对偶氮染料的脱色机理 1 3 2 偶氮还原酶 偶氮还原酶在厌氧兼性厌氧细菌的偶氮脱色过程中占有主导性的地位。在 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸( n a d h ) 或者烟酰胺腺嘌呤二核苷磷酸洲a d p h ) 存在条 件下，偶氮还原酶可对染料进行脱色反应( l i ue ta 1 2 0 0 7 ，p r i c e l i u se ta 1 2 0 0 7 ， s e e s u r i y a c h a ne ta 1 2 0 0 7 ，p u n ja n dj o h n2 0 0 9 ) 。这些纯化后的偶氮还原酶的分子量 大约在2 0 - 3 0k d a 范围内，不同的细菌具有不同分子量的还原酶( o o ie ta 1 2 0 0 7 ， m a c w a n ae ta 1 2 0 1 0 ，m a t s m o t oe ta 1 2 0 l o ) 。尽管这些偶氮还原酶报道具有偶氮 染料脱色的能力，然而很少有报道这些酶可以忍受接近实际印染废水的条件，例 如实际废水的高p h 和高温度( m a i e re ta 1 2 0 0 4 ) 。 由于偶氮还原酶的重要性，一些研究者开始注重于重组偶氮还原酶的研究 ( b a f a n ae ta 1 2 0 0 7 ，c h e ne ta 1 2 0l o ) 。研究内容包括：鉴定偶氮还原酶基因；克隆、 表达和提纯目标蛋白；测定酶活力和动力学研究( l i ue ta 1 2 0 0 8 ；m a c w a n ae ta 1 2 0 1 0 ) 。这些从野生菌株提取、纯化的酶或者基因工程酶直接应用于大规模染料 废水处理却鲜有报道。 1 3 3 影响因素 偶氮还原是受许多因素所影响的。除了p h 、温度、初始染料浓度和其他一 1 1 第一章文献综述 些常规的运行条件参数之外，还有些因素如：电子供体、电子受体、自催化作用 和氧化还原中介等都是偶氮染料厌氧脱色还原的关键因素( v a nd e rz e e e ta 1 2 0 0 1 ， h o n g e ta 1 2 0 0 7 ，w a n ge ta 1 2 0 0 8 b ) 。 对于不同的细菌进行脱色还原，最佳的电子供体也是不同的。甲酸是席瓦式 菌株( s h e w a n e l l ad e c o l o r a t i o n i ss 1 2 ) 偶氮还原的最佳电子供体，同时乳酸、甚至氢 气也发现对偶氮还原速率具有明显的促进作用( h o n ge ta 1 2 0 0 7 ) 。而对于干酪乳 杆菌( l a c t o b a c i l l u sc a s e it i s t r1 5 0 0 ) ，蔗糖是它的最佳电子供体( s e e s u r i y a c h a ne t a 1 2 0 0 7 ) 。h o n ge ta 1 ( 2 0 0 7 ) 发现外加的电子受体( n 0 3 。、n 0 2 ) 对偶氮染料的 脱色还原过程具有明显的抑制作用，这一结果可能是由于这两个阴离子卜3 6 0 m v 、+ 4 4 0m y ) 比目标染料苋莱红( 1 8 0m y ) 具有更高的氧化还原电势。然而， 三价铁离子( + 7 7 0m y ) 的存在却可促进席瓦式菌株的偶氮脱色过程，这一过程可 能是由于f e ( i i i ) f e ( i i ) 在此过程中的生成，而这一结构可作为偶氮键还原的电 子穿梭体( x ue ta 1 2 0 0 7 ) 。 此外也有许多文献报道是侧重于阐述氧化还原中介对加速电子传递过程的 作用( v a nd e rz e e e ta 1 2 0 0 1 ，d o ss a n t o se ta 1 2 0 0 4 ) 。对于纯菌和混合菌来说，醌 型化合物或者黄素型中介物都具有促进脱色速率的作用。w a n ge ta 1 ( 2 0 0 8 ) 报道 活性黑5 ( r b 5 ) 的中间产物之一7 氨基8 羧基1 ，2 萘醌3 ，6 二磺酸1 ，2 二胺 f t a h n d s ) 可以有效的促进r b 5 的还原。在这个体系中，第一步是将r b 5 还原 生成t a h n d s ，第二步是把t a h n d s 自转化为对苯二酚型，通过偶氮染料再次 化学氧化对苯二酚系，最后以促进对染料r b 5 的脱色还原速率( k e c ke ta 1 1 9 9 7 ， w a n ge ta 1 2 0 0 8 b ) 。 影响偶氮染料脱色的因素有大量文献报道，但是处理实际染料废水的报道却 鲜有出现。厌氧条件下的偶氮染料脱色是一个复杂的过程，对印染废水中的可能 性因素进行分析并不能够完全模拟实际印染废水条件，这一部分还是需要进一步 深入探讨。 1 4 本研究的主要内容 基于上述的讨论，为了获得处理实际印染废水的有用信息，我们的研究主要 包括下面几个方面： 1 2 第一章文献综述 1 、处理偶氮染料废水的序批式厌氧污泥反应器( a s b r ) 的建立和运行 以含有目标偶氮染料甲基橙的合成染料废水为对象，建立一个长期处理偶 氮染料废水的序批式厌氧污泥反应器( a s b r ) ，长期考察该反应器的处理效果， 包括甲基橙的脱色效率和c o d 的去除效率。并且通过统计学实验设计，确定 a s b r 处理模拟染料废水的最优化条件。 2 、研究厌氧污泥对甲基橙染料的吸附和脱色降解动力学 利用a s b r 和摇瓶试验，建立厌氧污泥针对甲基橙染料的吸附和降解动力 学，并且在不同的实验条件下考查动力学的准确性，获得有用的动力学参数。另 外，由于盐浓度抑制在偶氮染料处理系统是至关重要的，通过修正抑制动力学来 确定盐浓度对厌氧污泥的抑制类型和抑制程度。 3 、高效偶氮染料脱色细菌的筛选 为了研究偶氮染料的脱色机理和动力学机理，以驯驯化的厌氧污泥为对象， 通过细菌纯种筛选工作，力求筛选出高效厌氧脱色细菌，同时也希望该细菌具有 高浓度染料的适应性，可以避免出现传统厌氧反应器的问题。 4 、印染废水脱色和产氢的机理研究 针对产酸克雷柏氏杆菌g s 4 0 8 的脱色和产氢特性，基于糖代谢途径、偶氮 还原酶以及生物产氢的思路与方法，提出了一种新型的纯种菌株对印染废水同时 脱色和产氢的途径和机制。为产酸克雷柏氏杆菌g s 4 0 8 的实际应用奠定了基 础。 第二章处理偶氮染料废水的序批式厌氧污泥反应器的建立 第二章处理偶氮染料废水的序批式厌氧污泥反应器的建立 2 1 导言 混合菌( 厌氧污泥) 对染料废水的脱色处理已被广泛研究( v a nd e rz e ea n d v i l l a v e r d e2 0 0 5 ) 。处理染料废水的反应器包括：升流式厌氧污泥反应器( u a s b ) 、 厌氧滤池、厌氧流化床反应器、厌氧转盘系统( s e s h a d r ie ta 1 1 9 9 4 ；b a s i b u y u ka n d f o r s t e r19 9 7 ；o n e i l le ta 1 19 9 9 ；o n e i l l2 0 0 0 ) 。这些反应器都表现出了对染料良 好的厌氧脱色还原效率。 序批式厌氧污泥反应器( a s b r ) 作为一种高效的厌氧反应器，在厌氧废水 处理系统中一直占据着比较重要的地位( m o c k a i t i se ta 1 2 0 1 0 ) 。a s b r 广泛应用 于工业废水、医药厂废水、啤酒厂废水、食品废弃物、生物产氢、生物柴油等等 行业的废水处理工艺中( a m i ne ta 1 2 0 0 6 ；k i me ta 1 2 0 1 0 ；s h a oe ta 1 2 0 0 8 ；s e l m a e ta 1 2 0 1 0 ) 。a s b r 的一个水力停留时间( h r t ) 耳p - - 个循环处理过程包括：进水、 反应、沉降和排水这四个主要步骤。 在本研究中采用偶氮染料甲基橙( m o ) 作为目标染料。建立和运行平行的两 台a s b r 来考察它们对模拟印染废水的脱色性能以及c o d 去除效率。另外，为 了优化偶氮染料的脱色效果，我们采用了响应曲面法( r s m ) 对可能影响a s b r 性 能的p h 和温度等因素进行了统计学上的最优化分析。r s m 是优化各个工艺参数 和流程的最有效方法之一，已经广泛应用到各种行业的优化设计中，诸i n ：生物 产氢、生物降解等工艺( w a n g e ta 1 2 0 0 5 ，y u ee ta 1 2 0 0 7 ) 。 2 2 材料和方法 2 2 1a s b r 的建立和运行 生物发酵罐在本实验中用作序批式厌氧污泥床反应器( a s b r ) ，采购于上 海宝兴。如图2 1 所示，其总体积为2 l ，实际有效反应区体积为1 l 。温度、p h 和转速由自动控制系统进行控制。p h 由1m mn a o h 和l m mh c l 进行双向调 节，温度和转速分别控制在3 0 士1o c 和1 2 0r p m 。 1 4 第二章处理偶氮染料废水的序批式厌氧污泥反应器的建立 图2 1a s b r 反应器实体图 2 2 2 厌氧污泥 接种污泥取自苏州市某污水处理厂厌氧氧化沟，初始p h 为7 1 。接种前， 首先将污泥用蒸馏水洗去原始底物等溶解物质，然后用纱布筛去污泥中的沙石等 固体杂物。将污泥接种入三个a b s r 中，反应器的初始p h 值为7 0 ，反应器污 泥浓度为2 1g - m l s sl 。 在污泥可以在a s b r 一个处理周期内可处理9 0 的进水染料后，逐步提升 反应器的进水染料浓度，以及缩短水力停留时间( 见表2 1 ) 。厌氧污泥驯化三个 月后可达到稳定处理效果。 2 2 3 合成印染废水 实验采用实验室配置的印染废水，其性质和纺织厂、化妆品制造厂等废水性 质相似，并且补充适量的常量元素和微量元素( m gl 。) r a z o f l o r e se ta 1 ( 1 9 9 7 ) ： 磷酸氢二钾1 1 1 2 ，磷酸二氢钾2 0 8 8 ，甲基橙5 0 0 ，葡萄糖9 4 0 ，碳酸氢钠 5 0 0 0 ，氯化铵2 8 0 ，七水合硫酸镁1 0 0 ，酵母膏1 0 0 ，和1m l 微量元素( m gl d ) ： 二水合氯化钙1 0 ，硼酸0 0 5 ，四水合氯化铁2 ，氯化锌0 0 5 ，四水合氯化锰 o 0 5 ，二水合氯化铜o 0 3 ，六水合氯化铝2 ，六水合氯化锂o 0 5 ，乙二胺四乙酸 l ，刃天青0 2 。 第二章处理偶氮染料废水的序批式厌氧污泥反应器的建立 h r t ：水力停留时间：m l s s 混合液污泥浓度 周期( 天) ：1 ( o 5 ) ，2 ( 6 - l o ) ，3 ( 11 - 1 6 ) ，4 ( 1 7 - 2 6 ) ，5 ( 2 7 - 4 2 ) ，6 ( 4 3 - 8 9 ) 2 2 4 优化条件参数 本研究利用响应曲面方法对a s b r 反应器考察偶氮染料脱色效率进行了优 化设计。这部分的实验是在2 5 0m l 的血清瓶中完成的，反应体积：1 0 0m l 模拟 印染废水，甲基橙浓度：2 5 0m gl 。在实验之前，用氮气鼓吹瓶内1 0 分钟左右 以确保厌氧环境。根据m i n i t a b 软件生成的实验表格，共1 3 组实验用于考察p h 和温度对厌氧污泥脱色效率的影响。实验设计中自变量的值在表2 2 中列出，实 验得到的数据可以根据二级非线性方程2 1 拟合得出： y = b o + 6 l x l + 6 2 x 2 + 6 l l x l 2 + 6 2 2 x 2 2 + 6 1 2 x l x 2 e q ( 2 1 ) 其中，】，是预测值，代表脱色效率，b o ，b 1 ，b 2 ，b l l ，b 1 2 ，b 2 2 和b 1 2 是回归系数， x l 和x 2 分别代表p h 和温度。 第二章处理偶氮染料废水的序批式厌氧污泥反应器的建立 2 2 5 分析测试方法 本章主要的分析测试项目是还原糖、甲基橙浓度、挥发性脂肪酸( v f a ) 、 对氨基苯磺酸( 4 - a m i n o b e n z e n e s u l f o n i ca c i d ，4 - a b a ) 、氮氮二甲基对苯二胺 ( n n - d i m e t h y l - p - p h e n y l e n e d i a m i n e ，d p d ) 、气体体积和组分、污泥浓度，m l s s 和m l v s s ，扫描电子显微镜( s e m ) 具体如下： 2 2 5 1 还原糖的测定 利用葸酮法对印染废水中的葡萄糖进行测定。具体方法如下：从a s b r 反应器中取5i i l l 水样，收集在离心管中，放入离心机( b e c k m a n ，g v a n t i t mj 2 5 ， u s a ) 在4 0 c ，8 , 0 0 0 g 的条件下离心l o 分钟，将上清液过0 4 5 岬的聚 碳酸酯膜，收集滤液。取2m l 滤液，加入5 0m l 葸酮试剂，混匀，放入沸 水浴中1 0 分钟，立即取出置于冰水浴中迅速冷却。待溶液达到室温之后， 1 7 第二章处理偶氮染料废水的序批式厌氧污泥反应器的建立 测定各管的6 2 0n n l 处的吸光度a 6 2 0 ，以a 6 2 0 为横坐标，糖含量作标准曲线。 2 2 5 2 甲基橙浓度的测定 甲基橙浓度采用紫外可见分光光度计( u v 2 5 5 0 ，s h i m a d z u ，日本) 测定。 从a s b r 中取出1 “水样，立即放入1 5m l 离心管中，在4 0 c ，8 ，0 0 0 g 下离 心l o 分钟。取0 2m l 的上清液用加入0 8m l 磷酸盐缓冲液( 含有2 0 0m gl 。1 的 抗坏血酸) 。本研究中是将上清液稀释5 倍( 酌情选择) ，以确保待测样品稀释到 吸光度小于1 0 。磷酸盐缓冲液的配方：n a h 2 p 0 4 2 h 2 0 ，1 0 8 6g1 - 1 ；n a 2 h p 0 4 h 2 0 ， 5 3 8gl 。抗坏血酸的加入主要是为了防止甲基橙中间产物的自氧化作用。如图 2 2 a 所示，甲基橙在4 6 4n m 处有最大吸收，在此最大波长下得出标准曲线( 图 2 2 b ) ，回归方程：y = 0 0 6 9 8 4x + 0 0 0 8 7 4 ，相关系数萨= 0 9 9 9 9 。 m e t h yo r a n g ec o n c e n t r a t i o n ( r a gi q ) 图2 2a ：甲基橙的标准紫夕b - a f 见风光光度计图谱；b ：甲基橙的浓度标准曲线 2 2 5 3 挥发性脂肪酸( v f a ) 的测定 配有火焰离子检测器( f i d ) 的气相色谱仪( 型号：a g i l e n t6 8 9 0 n ，美国) 第二章处理偶氮染料废水的序批式厌氧污泥反应器的建立 用于v f a 的测定。从a s b r 中取出1m l 左右的样品，同样在4 0 c ，8 ，0 0 0 g 条 件下离心1 0 分钟，将上清液过0 4 5 岬的聚碳酸脂膜。用o 3 的甲酸溶液将样 品稀释一倍左右，放入气相色谱的自动取样器( 型号：7 6 8 3 bs e r i e sa u t o s a m p e r ) 中待测。气相色谱条件：进样口温度：2 5 0 0 c ；检测器温度3 0 0 0 c ；炉温采用的 是程序升温方法：初始温度为7 0 0 c 并保持3 分钟，然后以每分钟2 0 0 c 的速度升 高到1 8 0 0 c ，在1 8 0 0 c 的条件下保持3 分钟；分离柱：d b f f a p 毛细管柱( 大小： 3 0m 0 2 5n l n lx0 2 5l a m ) ：载气：高纯氮( 9 9 9 9 9 ) ，流速2 6m lm i n ，采用 恒流的方式进样，进样体积：1 0 “l ，分离比5 0 ：1 。 2 2 5 4 气体体积和成分测定 气体利用排水法来收集，通过测定排出水的体积来估算气体体积。气体成分 分析利用实验室另外气相色谱仪测定( 型号：福立g c 9 7 9 0 ，中国) ，配有热导 检测器( t c d ) 。气相条件：进样口和热导检测器的温度分别控制在1 0 0 0 c 和 1 1 0 0 c ，而柱温箱恒定在5 0 0 c 。分离柱：5 a 分子筛：载气：氦气，流速：3 0 m lm i n ： 进样量：l m l ，用标准c i - 1 4 、c 0 2 、h e 气体做标准。 2 2 5 5 芳香胺浓度的测定 对氨基苯磺酸钠( 对4 a b s ) 和n n 二甲基对苯二胺( d p d ) 的测定，我们利 用的是光电二级杆检测器( p a d ) 的高效液相色谱仪( w a t e r s2 6 9 5 ，w a t e r s ，美 国) 。从a s b r 中取2m l 左右样品，立即在4 0 c ，8 ，0 0 0 g 条件下离心1 0 分钟， 将上清液迅速地过0 4 5l x m 的聚碳酸脂膜，放入h p l c 中测定，总共过程测定波 长：2 5 4a m ；流动相：5 0m m 的乙酸和乙酸铵缓冲液甲醇= 7 5 ：2 5 ；流速： o 8m lm i n 1 ；色谱柱：s m l f i c 1 8 反相柱( 4 6i t l n l 1 5 0m m ) ；柱温：2 5 0 c ： 进样量：5 0 此；用分析纯4 - a b s 和d p d 作标准，分别做标准曲线( 见图2 3 ) 。 第二章处理偶氮染料废水的序批式厌氧污泥反应器的建立 c o n c e n t r a t i o n ( m g1 - i ) 图2 3 芳香胺标准曲线：a n n 二甲基对苯二胺( d p d ) 的标准曲线；b 对氨基苯磺酸( 4 a b s ) 的标准曲线 2 2 5 6 扫描电子显微镜( s e m ) 样品制备和扫描条件 从a s b r 中排出2m 1 左右泥水混合样品，高速离心1 0 分钟，收集离心管底 部污泥。用5 0m m 磷酸盐缓冲液( p h = 7 0 ) 清洗三次，再用2 5 戊二醛固定 过夜。倒去固定液，再用磷酸盐缓冲液清洗三次。然后将固体样品用乙醇按照 3 0 、5 0 、7 0 、8 0 、9 5 和1 0 0 的梯度脱水，最后真空干燥，制备好样品。 将制备好的样品喷金4 5 秒，用s e m ( s - 4 7 0 0 ，日立，日本) 拍照。 2 2 5 7 污泥浓度的测定 污泥浓度以悬浮性可挥发固体( m l v s s ) 浓度表示，按照标准方法( a p h a 1 9 9 8 ) 测定。 第二章处理偶氮染料废水的序批式厌氧污泥反应器的建立 2 3 结果与讨论 2 3 1a s b r 对共基质( 甲基橙和葡萄糖) 的去除效果 图2 4 总结了这六个厌氧污泥驯化周期( 共8 9 天) 的脱色和葡萄糖去除效 率。在这驯化期间内甲基橙脱色率和葡萄糖的去除率都稳定在8 5 左右，这表明 了表格2 1 设计的实验参数是符合a s b r 要求的。相应的，反应器中芳香胺浓度 的水平也保持在一个较高的水平，这一结果也说明这类芳香胺在厌氧条件是不可 被生物降解的，至少在一个水力停留时间内是不可降解的( o n e i l le ta 1 2 0 0 0 ) 。 2 3 2 驯化污泥前后的群落结构对比 为了更清楚的了解a s b r 的去除效率，我们利用s e m 对不同时期的污泥形 态和结构进行了对比分析。如图2 5 a 所示，接种污泥的最主要结构是无机盐框 架，只能检测出很少量的细菌。而驯化了8 9 天后的厌氧污泥形态发生了巨大的 变化，我们可以很清楚的观察到大量的细菌成了驯化污泥的最主要组成部分，这 一结果也更清楚的解释了a s b r 对甲基橙和葡萄糖的去除率抑制稳定在一个较 高的水平。 2 1 第二章处理偶氮染料废水的序批式厌氧污泥反应器的建立 图2 5 厌氧污泥的s e m 照片，a 和b 分别是接种污泥在1 0 k 和2 0 k 放大倍数下的污泥形 态；c 和d 分别是驯化后的厌氧污泥在5 k 和1 5 k 的污泥形态 r e c o v e r y ( ) ( ) 弘n p ! s a 焉样v界匪s爵g匠片枢懈扑赫g箍臀匝料较篷篷娶瓣较皿鬻g耱婶龉熏避醐v峰粥球靛醋寸n匝 专- q g 留 科裂星器毯谜熙蛉1骞隧懈幕硷g*岱亲球腻窭剐文料昧 第二章处理偶氮染料废水的序批式厌氧污泥反应器的建立 2 3 3 厌氧污泥对甲基橙的脱色还原作用 为了更清楚的了解厌氧污泥对甲基橙的脱色还原作用，我们实时的对