（环境工程专业论文）高盐偶氮染料废水的生物处理研究.pdf

商盐偶氮染料废水的生物处理研究 b i o l o g i c a lt r e a t m e n to f a z od y ew a s t e w a t e rw i t hh i g hs a l tc o n c e n t r a t i o n a b s t r a c t b e c a u s eo ft h e i rc h e m i c a ls t a b i l i t y ，e a s eo fs y n t h e s i sa n dv e r s a t i l i t y ，a z od y e sa r ew i d e l y u s e di np r i n t i n g ，p a p e r - m a k i n g ，c o s m e t i ca n dt e x t i l ed y e i n gi n d u s t r i e s ，w h i c ha r et h ev i t a l p o l l u t i o n si nt h ew a s t ew a t e r a z od y ew a s t e w a t e ri so n eo ft h ei n d u s t r i a lw a s t e w a t e rt ob e h a r d l yt r e a t e d 、) l ，i t hh i 曲s a l i n i t y i nt h i sp a p e r , p r o p e r t i e sa n dt r e a t m e n tm e t h o d so fa z od y e w a s t e w a t e rw a sr e v i e w e d s o m ec o n v e n t i o n a lm e t h o d so fw a s t e w a t e rt r e a t m e n tc a n n o t e f f e c t i v e l yd e c o l o r i z ew a t e rc o n t a m i n a t i o n sb ya z od y e su n d e rh y p e r s a l i n ec o n d i t i o n s b a s e d o nt h a t 。r e d o xm e d i a t o re n h a n c e m e n tw a sb e l i e v e dt ob ea ne f f e c t i v em e t h o dt oi n c r e a s et h e p e r f o r m a n c eo fa n a e r o b i cd e c o l o r i z a t i o n i nt h ea ob i o l o g i c a lt r e a t m e n tp r o c e s s e s ，t h e p r e s e n c eo fa c t i v a t e dc a r b o nf e l tc o u l de f f e c t i v e l yi n h i b i ta u t o x i d a t i o no fi n t e r m e d i a t e p r o d u c t m p u r p o s eo ft h i sp a p e ri st ou s es a l t - t o l e r a n tm i c r o o r g a n i s m ，f i n dt h e e f f e c t i v e s u b s t a n c e sw h i c he n h a n c e dt h eb i o l o g i c a ld e c o l o r i z a t i o no fa z od y e si nt h ed y ew a s t ew a t e r a n dt h et r e a t m e n tm e t h o do fi n t e r m e d i a t ep r o d u c t 1 1 kc h a r a c t e r i s t i c so ft h ea u g m e n t e d a c t i v a t e ds l u d g ew e r es t u d i e d t h ee f f e c t so fs e v e r a la r t i f i c i a lr e d o xm e d i a t o r sw e r ec o m p a r e d e n h a n c e m e n to fd e c o l o r i z a t i o nb ya d a p t i v eb i o l o g i c a lc a r r i e r sw a ss t u d i e d a c i do r a n g e7w a ss e l e c t e da st h er e p r e s e n t a t i v em a t t e r ，a z od y ew a s t e w a t e r 丽t hh i g h s a l tc o n c e n t r a t i o nw a st r e a t e db yt h es a l t - t o l e r a n ts l u d g ea n dg t wa tt h en a c lc o n c e n t r a t i o n o fl0 0g l e n h a n c e db i o l o g i c a ld e c o l o r i z a t i o no fa z od y e sb ya c i dr e dba n ds e v e r a l a r t i f i c i a lr e d o xm e d i a t o r sw a si n v e s t i g a t e d t 1 1 er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h ed e c o l o r i z a t i o nr a t e o fw a s t e w a t e rc o n t a i n i n ga z od y e sw a sa b l et ob ei n c r e a s e dw h e ng t ww a sa d d e dt ot h e a c t i v a t e ds l u d g e h o w e v e r , t h es t r e n g t h e n i n ge f f e c td e c r e a s e dw i t hc o n t i n u o u so p e r a t i o n t 1 1 e b i o d e c o l o r i z a t i o nr a t eo fa 0 7c o u l db ei n c r e a s e dw h e na c i dr e dbw a sa d d e dt ot h e a n a e r o b i cr e a c t o r a n t h r a q u i n o n e a c t i v a t e ds l u d g es e l f - i m m o b i l i z a t i o ns y s t e mc o u l de n h a n c e t h eb i o d e c o l o r i z a t i o no fa 0 7w h e na n t h r a q u i n o n ew a sa d d e dt ot h es a l t t o l e r a n ts l u d g e t h e o p t i m u mc o n d i t i o n sf o ra c i do r a n g e7w e r ea sf o l l o w s ：p h7 9 ，a n t h r a q u i n o n ea n di n i t i a l d y ec o n c e n t r a t i o n s10 0m g g la n d 6 0 0m g l u s i n ga c t i v a t e dc a r b o nf e l ta sb i o l o g i c a lc a r r i e ri nt h ea n a e r o b i cr e a c t o r ，t h ed e c o l o r a t i o n r a t ec o u l dr e a c ho v e r2 6 6 7m g l hu n d e rs t a b l eo p e r a t i o nc o n d i t i o n i nt h ea e r o b i cp r o c e s s t h ep r e s e n c eo fa c t i v a t e dc a r b o nf e l tc o u l de f f e c t i v e l yi n h i b i ta u t o x i d a t i o no fi n t e r m e d i a t e p r o d u c t1 - a m i n o - 2 - n a p h t h o lw i t hag o o ds l u d g es e t t l e m e n ta n do v e r9 0 o fc o dr e m o v a l h 大连理工大学硕士学位论文 t h e r ea r et w or e a s o n sf o r t h eg o o dt r e a t m e n te f f e c t ：o n ei st h eb i o f i l mf o r m a t i o n ，t h eo t h e ri s t h eg o o da d s o r p t i o nc a p a c i t y k e yw o r d s ：o z od y e s ：h y p e r s a l i n e ：r e d o xm e d i a t o r ：a u t o x i d a t i o n ： a c t i v a t e dc a r b o nf e l t 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 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，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，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目：瘟垄堡亟客桂墼塑譬黧塾墀研知 作者签名： 达焦趋日期：竺墨年生月l 日 导师签名： 二拦 日期： z 丝年旦月卫日 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：壶鱼兰墨垫鍪壁堕! 兰塑皇生望竺皇呈堑塾 作者签名：毯盈垫日期：主! ! 呈年j 生月二兰- 日 大连理工大学硕士学位论文 引言 偶氮染料废水是极难处理的高盐工业废水之一，其产量大、品种多，广泛应用于造 纸、印刷、纺织、塑料等行业中。随着染料和印染工业的迅猛发展，偶氮染料的种类和 数量不断增加，其生产废水已成为当前最主要的水体污染源之一，对全球的生态环境造 成严重影响，威胁生物多样性，加之偶氮染料的前体及其降解产物有致癌、致畸、致突 变的“三致作用，因此在对染料降解和脱色的研究中，偶氮染料备受重视。 目前国内外常用的处理方法主要包括物理法、化学法和生物法。物理和化学方法包 括化学沉淀、絮凝、离子萃取、芬顿反应、活性炭吸附、臭氧氧化等技术，对染料废水 的处理具有一定的效果，但存在反应条件苛刻、运行费用高、二次污染严重等缺点，生 物法因其经济高效且二次污染小获得了相当广泛的应用，主要有好氧处理、厌氧处理和 厌氧好氧联合处理3 种，其中厌氧好氧处理法应用较广，效果最好。 在高盐环境中，微生物体内水分子会大量渗到体外环境中，导致细胞发生质壁分离， 代谢酶活性受阻，传统的生物处理方法只有较低的c o d 去除率。同时，大多数偶氮染 料脱色菌在厌氧条件下，代谢速率缓慢、厌氧效率低，使得厌氧脱色阶段是偶氮染料完 全生物降解的限速步骤。研究表明，2 ，6 二磺酸葸醌( a q d s ) 可大幅度提高污染物的 厌氧生物转化【l 司，但是在实际应用中，水溶性的氧化还原介体会随出水流失而造成二 次污染。采用海藻酸钙包埋葸醌作为固定化介体可以加速偶氮染料生物脱色，但在高盐 下随着使用次数增加，海藻酸钙球强度降低，极为不稳定1 4 】，因此该固定化方法不适宜 在高盐下进行。 另外，偶氮键断裂后会生成毒性更强的芳胺类产物，该产物在厌氧条件下难以继续 降解且在水溶液中可能会自发产生自氧化和多聚现象，不但更加难以好氧降解，且对水 体中的微生物有巨大的危害。 针对以上问题，本研究采用耐盐菌g t w 及耐盐污泥，以酸性橙7 为模型偶氮染料， 在厌氧一好氧工艺中加入高效吸附性载体，进一步强化耐盐微生物的耐高盐能力，并抑 制芳香胺自氧化，且在厌氧体系中加入新型氧化还原介体以加速偶氮染料生物还原，避 免二次污染。这一研究思路目前尚未见文献报道。研究内容主要包括最佳脱色条件的确 定、新型氧化还原介质的选择、g t w 生物强化及脱色中间产物的矿化等。 高盐偶氮染料废水的生物处理研究 1 文献综述 1 1偶氮染料废水的处理研究进展 1 1 1 偶氮染料废水的危害 偶氮染料是人工合成的偶氮化合物，其分子的主要特征是含有一个或多个偶氮键 ( - n = n ) ，键上连有苯或萘基，苯或萘基往往又有n h 2 、c 1 、c h 3 、- n 0 2 、s 0 3 及 一o h 等基团。目前大约有2 0 0 0 种不同的偶氮染料，全世界年生产量超过7 0 万吨，实际 应用中占8 0 以上。 偶氮染料产量和品种繁多，广泛用于纺织品、皮革、印刷、塑料、化妆品和食物染 色。在染料的生产和使用中约有1 0 - - 1 5 随废水排入环境，染料废水排放量约占工业 废水排放量的1 1 0 ，偶氮染料是染料中品种和数量最多的一类，约占有机染料总量的 8 0 【5 】。排入环境水体的染料对全球的生态环境会造成影响，威胁生物多样性，因此染 料污染是一个全球的生态环境问题。医学上证明8 0 - 9 0 的癌症与环境因子有关，而 已发现的致癌物中十之八九是有毒有机化合物。加之偶氮染料的前体及其降解产物的致 癌、致畸、致突变的“三致 作用，因此在对染料降解和脱色的研究中，偶氮染料备受 重视。 1 1 2 偶氦染料废水的处理方法 偶氮类印染废水的水质复杂，其特点为：水量大、有机污染物含量高、色度深、 碱性和p h 值变化大、水质变化剧烈，增加了处理难度。废水中的p h 值、c o d c r 、 b o d 5 ，颜色各不相同，可生化性差。p v a 浆料和新型助剂的使用，使难生化降解的有 机物在废水中含量大大增加。在这里我们首先对各类染料废水的处理方法做一综述。 ( 1 ) 物理法 主要包括吸附( 气浮) 法、磁分离法、膜分离法、超声波气振法等方法。 在物理处理法中应用最为广泛的是吸附法。目前，国外主要采用活性炭吸附法，此 法适用于可洛性染料，对去除水中溶解性有机物非常有效，不需要设备投资，c o d 、b o d 去除效果也不错，但它不能去除水中的胶体和疏水性染料，对阳离子染料、直接染料、 酸性染料、活性染料等水溶性染料具有较好的吸附性能t 6 - s l 。另外，硅聚物、彭润土、 粉煤灰等对印染废水也有一定的吸附作用，可吸附废水中的染料离子和其他可溶性物 质，取得较好的效果【9 - l l 】。磁分离法作为一种新型水处理技术主要包括磁性团聚法、铁 粉法、铁氧体法和铁盐共沉淀法等。韩虹等1 1 2 】利用高梯度h g m s 磁滤分离技术处理高 大连理工大学硕士学位论文 浊度的印染废水，能够将色度为9 0 0 倍，c o d 约为5 9 5m g l ，s s 约为5 0 0m g l 的印 染废水的出水达到国家二级标准。该技术具有过滤快，占地少的优点【5 1 。应用于印染废 水处理的膜技术主要有超滤和反渗透技术。超滤技术主要处理含分散染料的废水，是一 种筛滤技术，反渗透技术则是施加一定的压力推动染料与水在半透膜上的分离。应用反 渗透法溶解固体的去除率达到8 5 - - 9 9 ，对含活性染料有很高的截留率和通量【1 3 1 5 】。 张家港市九州精细化工厂用根据超声波气振技术设计的f b z 废水处理设备，对染料废 水色度平均去除率为9 7 ，c o d c r 去除率为9 0 6 n 。 ( 2 ) 化学法 化学法主要包括化学混凝法、光催化氧化法、化学氧化法、电化学法等方法。 化学混凝法是处理印染废水的常用方法，曾被认为是最有效、最经济的脱色技术之 一目前所用的混凝剂可分为无机混凝剂、多功能高效复合混凝剂、有机高分子混凝剂等。 硫酸亚铁、聚合氯化铝等混凝剂对活性染料印染废水进行处理【1 6 1 ，结果表明硫酸亚铁是 最佳混凝剂，色度的去除率分别可达7 5 至u 9 4 。 光催化氧化法作为一种降解有机物的深度氧化技术近几年来发展迅速，主要利用光 催化剂在光照条件下能够产生强氧化性的自由基，该自由基能彻底降解几乎所有的有机 物。陈达美、武正簧、江立文、刘萍等研究人员【1 7 删使用这种方法降解染料废水取得很 好的脱色效果。 化学氧化法是印染废水脱色的主要方法之一，是利用各种氧化手段将染料发色基团 破坏而脱色。按氧化剂和氧化条件的不同，可将化学氧化法分为：臭氧氧化法、深度氧 化澍2 5 矧。 电化学法是通过电极反应使印染废水得到净化。周元祥等【2 7 】采用微电解法研究了染 料脱色效率与染料结构之间的关系，当铁炭比为2 ：1 时，处理效果最好，对1 0 0m g l 的 模拟染料废水处理1h 后，脱色率可以达到9 0 以上。贾金平等【2 8 】用活性炭纤维作电极利 用电极的导电、吸附、催化、氧化还原和气浮等综合性能实现了吸附一电极反应一絮凝脱 附一条龙工艺，脱色率达9 8 ，c o d c r 去除率大于8 0 。同时还有其它许多采用电化学法处 理含偶氮染料废水的报道【2 9 训j 。 然而，若化学法处理不当，则会产生女n a o x 的二次污染，达不到治污的最终目的。 而采用无机、有机化学絮凝剂水解产生的胶体吸附染料，适用于难溶及不溶性染料，制 备简单，投资少，对c o d 、b o d 去除率也较高，但会产生化学污泥的二次污染，色度去 除率也不尽如人意。 ( 3 ) 生物法 高盐偶氮染料废水的生物处理研究 由于生物法二次污染小，处理费用低，利用生物方法处理污染物质可以将其无害化， 在印染废水的处理中得到广泛的应用。目前国内外处理印染废水仍以生物法为主【3 2 】。 传统的生物处理方法根据微生物生理生化特征及其与氧的关系，分为好氧生物处理 法、厌氧生物处理法、好氧厌氧联合处理法【3 3 1 。 好氧生物处理法 好氧处理法主要有活性污泥法和生物膜法两大类，因其原理简单、效果较好且相对 于厌氧处理法不会产生臭味而得到广泛应用。好氧处理法虽然对b o d 的去除率较高，但 所需供氧能耗大，对色度的去除率却不太理想【3 4 1 。同时好氧处理法因其污泥产量较大， 给后处理会造成麻烦而大多适用于中、低浓度有机废水的处理。就好氧处理法而言，除 了在污泥控制方面作进一步研究之外，还应考虑与物理法、化学法等方法的联用，以期 在达标排放的前提下，使处理效率更高、效果更好、费用更低。 厌氧生物处理法 尽管厌氧生物处理法代谢速度慢、停留时间长、经常伴随着腐臭味，但此法仍有其 独到的长处：a ：不必通气搅拌，可降低能耗；b ：产生的气体主要是甲烷，可提供新的 能源；c ：污泥生成量小，因而它是一种很有发展前途的工业废水处理方法，一般用于 有机污泥或浓度较高的废水处理。有些染料对好氧生物处理法来说是难降解的，但对厌 氧生物处理是可降解的，如着色剂葸醌和某些偶氮染料等。但是，从总体上说，目前单 独运用厌氧处理法处理偶氮染料废水效果不理想，难以达标排放，需要进一步处理，故 一般在厌氧处理后串联好氧处理。 厌氧处理主要是使印染废水中可生化性较差的一些高分子物质发生水解、酸化，变 成较小的分子，或者改变难降解有机物的分子结构，从而改善废水的可生化性，为好氧 处理创造条件同时，好氧阶段产生的剩余污泥也可全部回流到厌氧池，由于厌氧阶段有 足够长的固体停留时间( s i 汀) ，污泥可以得到彻底的厌氧消化，从而使整个系统基本 上没有剩余污泥排放d 引。 厌氧好氧联合处理法 一般说来，厌氧处理法对染料废水的色度去除率贡献较大，好氧处理对c o d ，b o d 的去除率贡献较大。近年来，随着染料向抗分解、抗生物降解方向的发展，使得染料废 水的处理更加困难，单靠某种单一的处理方法很难取得令人满意的效果。因此国内外已 经逐渐转向采用厌氧一好氧联合的方法处理染料废水，以期达到最佳处理效果。其中各 种高效生物反应器如生物接触氧化池、流化床、u a s b 反应器等均有应用，如厌氧好氧 大连理工大学硕士学位论文 接触生物反应器、厌氧膜固定流体床好氧悬浮床活性污泥反应器、厌氧好氧旋转鼓反 应器等1 3 6 1 。 t a n 等【37 j 在实验室中对4 苯基偶氮苯酚( 4 p a p ) 和媒染黄1 0 ( m y l 0 ) 2 种偶氮染料 的模拟废水处理进行了研究，结果表明在厌氧好氧状态下，厌氧好氧工艺系统中的厌 氧反应器的h r t 仅为4 1 2h ，发生水解酸化作用。难降解染料分子及其助剂在厌氧菌的 作用下水解、酸化而分解成小分子有机物，然后被好氧微生物分解成无机小分子物质。 厌氧颗粒污泥分解的芳香胺化合物和好氧污泥可完全降解偶氮染料。 除了传统的生物处理法，生物方法处理偶氮染料废水还得到了进一步的发展。新兴 的生物技术如生物强化技术、固定化微生物技术、膜生物反应器技术、以及以基因工程 为主导的构建基因工程菌等技术。这些技术为快速有效地解决目前出现的日益严重且复 杂的染料污染问题提供了强有力的支持，其应用研究也有了很大的进展。应用白腐真菌 强化印染废水脱色的研究报道很多【3 8 】，已知的真菌脱色作用主要是由于3 种酶的存在： 木质素过氧化氢酶( l i g n i np e r o x i d a s e ) 、锰过氧化氢酶( m a n g a n e s ep e r o x i d a s e ) 以及 漆酶( l a c c a s e ) 。在赵大传等1 3 9 1 采用一个串联柱状反应器装置，用核桃壳颗粒作载体， 进行了固定化优势菌处理模拟印染废水的运行研究，并对实际水样进行了测试，结果表 明，出水c o d 质量浓度 - b r - c 1 一h - n h 3 一o c h 3 c h 3 一c o o h o h ，另外，芳环上带有羟基( - o h ) 、氨基( - n h 2 ) 、胺基( - n = ) 表现出较强的促进 高盐偶氮染料废水的生物处理研究 作用；芳环上带有甲氧基( - o c h 3 ) 、磺酸基( - s 0 3 ) 、硝基( - n 0 2 ) 、甲基( - c h 3 ) 和羧基( - c o o ) 表现出较强的抑制作用；如果芳环上同时带有以上的促进和抑制基团 的话，染料的脱色效果就要看促进基团和抑制基团的协同影响的效果；也就是说，染 料中羟基( o h ) 、氨基( 枷2 ) 、胺基( - n = ) 能否抵消甲氧基( o c h 3 ) 、磺酸基( s 0 3 ) 、 硝基( - n 0 2 ) 、甲基( - c h 3 ) 和羧基( - c o o 。) 的抑制作用。 ( 2 ) 染料芳环上相同取代基的数量对其降解作用的影响：染料芳环上的羟基和氨 基的数量越多，其对染料的促进作用就越明显，染料就越易被降解。相反，染料芳环上 磺酸基的数量越多，则对其降解的抑制作用越强，染料就越不易被降解。 ( 3 ) 染料芳环上取代基的位置对其降解作用的影响：含羧基的偶氮染料，邻位 间位 对位；含羟基和磺酸基的偶氮染料，对位 间位 邻位；含硝基的偶氮染料其脱 色率则不受其硝基位置的影响。 ( 4 ) 染料的分子量对其降解作用的影响：染料在基本结构相似的情况下其分子量 越大，染料就越不容易被降解；其分子量越小就越容易被降解。在结构变化较大的情况 下，则难以单纯地从分子量大小的角度判断染料的生物可降解性，尽管它们都属于偶氮 染料。董永春等】发现，在偶氮染料分子量与染料分子中磺酸基数目的比值、芳环数目、 染料分子中偶氮基数目、无机性值与有机性值的比值四个因素中，染料分子量与染料分 子中磺酸基数目的比值和偶氮基数目对脱色率的贡献显著，芳环数目并不是影响脱色率 的显著因素。 1 1 3 2 偶氮染料脱色菌的筛选 初期研究主要集中在对具有偶氮染料废水脱色活性的微生物的筛选上。现己得到多 种具有此活性的菌株，多数是从污水处理厂污泥或土壤中获得。如徐文东1 4 5 j 等从驯化后 的处理毛纺厂染料废水活性污泥中分离得到一株降解高效菌，经鉴定该菌为嗜热鞘氨醇 杆菌( s p h i n g o b a c t e r i u mt h a d p o p i l u m ) 。刘生浩【4 6 】等采用富集培养的方法，从土壤中分 离得到一株对偶氮染料酸性大红( g r ) 和酸性黑( 甜盯) 有较强脱色能力的青霉菌p 一9 3 ( p e n i c i l l i u ms p p 9 3 ) 。罗志腾 4 7 1 从长期染色废水污染土壤中，筛选到1 株酵母0 3 6 。 能够以直接橙s 8 作唯一氮源。p k w o n g l 4 8 】从染料废水污泥中分离出能够在好氧条件下 将有毒偶氮染料甲基红脱色的细菌k l e b s i e l l ap n e u m o n i a er s 1 3 。m a s a y u k in a k a n i s h i 【4 州 则筛选出一株具有偶氮还原酶活性的大肠杆菌( e c o l i ) 。y a s u h j k os u z u l d 5 0 从纺织厂 污水处理装置附近土壤中得到一株能够还原偶氮染料的细菌b a c i l l u ss p o y l 2 。h u t ”j 同样是从污水处理装置的污泥中得到能将偶氮染料脱色的假单胞菌p s e u d o m o n a s l u t e o l a 。p a t r i c i aa r 锄a l h o 【5 2 j 则得到了好氧条件下具有脱色能力的a s c o m y c e t ey e a s t 大连理工大学硕士学位论文 c a n d i d az e y l a n o i d e s 。d i l i pk g h o s h 5 3 】力口尔哥达国家霍乱和肠道疾病研究所取得的人 类粪便中得到具有偶氮还原酶活性的s h i g e d d ad y s e n t e r i a e 。f a t e m e hr a f i i t 删从a m e r i c a n t y p e c u l t r u ec o l l e c t i o n 得到同时具有偶氮还原酶和硝基还原酶活性的c l o s t r i d i u m p e r f r i n g e n s 。详见表1 1 。 表1 1具有偶氮染料脱色活性菌株 t a b 1 1t h es t r a i nt h a tc a r ld e c o l o r i z et h ea z od y e 菌种名称脱色情况说明 s p h i n g o b a c t e r i u m t h a l p o p i l u m ( 嗜热鞘氨醇杆菌) k l e b s i e l l a p s e u mo n i n er s 一1 2 ( 克雷伯氏菌) p s e u d c mo p l a 8l u t e o l a ( 浅黄假单胞菌) s u l f a t e - r e d u c i n gb a c t e r i a ( 硫酸盐还原菌s i m ) d e n i t r o b a c t e r i a ( 反硝化细菌) r h o d o b a c t e rs p h a c r o i d e s 1 7 0 2 ( 光合细菌) r h o d o b a c t e rs p h a e r o i d e s a s l 1 7 3 ( 光合红细菌) 5 d 内对派拉丁蓝r r n 的脱色率为3 4 。 对甲基红有非常好的降解效果，加入葡萄糖或硫酸氨 可以促进降解。 两天摇动、两天静止条件下，对r b b 、r p 2 b 降解率 超过9 0 。 s r b 完整细胞对不同偶氮染料的脱色率为 6 9 9 8 0 6 0 。 具有反硝化能力的脱色菌，在完成反硝化之后进行脱 色，脱色率为3 4 7 9 2 6 对活性艳红x 3 b 具有良好的脱色能力，脱色速率受 培养条件影响不大。 对多种偶氮染料2 4h 脱色率为9 0 ( 2 0 0r a g l ) 。 1 1 3 3 偶氮还原酶还原机制 目前多数观点认为细菌是利用胞内产生的特异性的偶氮还原酶完成降解作用。具体 途径可能一步完成，也可能由两步连续的反应组成( 图1 1 ) 。y a h 等【5 5 j 利用p c r 的方 法从r h o d o b a c t e r s p h a e r o i d e sa s l 1 7 3 7 克隆到偶氮还原酶基因，并在大肠杆菌中表达纯 化，用纯化酶研究了偶氮还原过程中羟基化偶氮中间体的存在，初步证明了降解反应分 两步完成，并提出第一步为控速步骤，中间体不稳定，在形成后迅速被还原为相应的胺， 见图1 1 。 高盐偶氮染料废水的生物处理研究 n ： 一n 童s 卸2 总d 彬h + h ： ：一n q n 0 图l 。l 偶氮还原酶作用机制 f i g 1 1 m e c h a n i s mo fa z or e d u c t i o nb y8 7 0r e d u c t a s e 1 1 3 4 依赖氧化还原介质的偶氮还原机制 由于染料分子较低的氧化还原电位，复杂的结构和空间阻碍使得还原断键反应成为 偶氮染料整个矿化过程的限速步骤【5 6 1 。还原供体从最初电子供体( 共代谢物) 到最终电 子受体的传递( 偶氮染料) 通常是厌氧偶氮染料还原的控制步骤【5 7 】。而最近研究表明人 工氧化还原介体的加入可加速偶氮染料厌氧生物的降解速度，缩短降解时问。因此，偶 氮染料生物厌氧降解氧化还原介体系统作为一种具有很大的潜在应用价值的体系越来 越受到国内外的关注。 对嗜热鞘氨醇杆菌& x e n o p h a g ab n 6 菌偶氮还原酶的定位实验表，细胞中存在两套 偶氮还原酶系统。一套是位于胞质中的黄素氧化还原酶；另外一套是位于细胞膜上的与 呼吸链有关的n a d h ；泛醌氧化还原酶。 早期的研究表明，胞质黄素还原酶催化产生的还原型黄素在兼性厌氧菌的非特异性 的偶氮还原过程中发挥重要作用i s g 。近来，在不同的菌株中重组表达黄素还原酶，充分 证明了黄素还原酶具有偶氮还原酶活性。但是，由于极性偶氮染料不易透过细胞膜进入 细胞内部，胞质黄素还原酶在完整细胞的厌氧偶氮还原中可能发挥较小的作用。 a n d r e a sk e c k 等【5 川发现，s p h i n g o m o n a ss p b n 6 可以利用萘磺酸的好氧降解产物作 为氧化还原介体加速酸性苋菜红的脱色，并且通过对x e n o p h a g ab n 6 的另外一套厌氧 大连理工大学硕士学位论文 偶氮还原系统的研究，提出了一个不同的非特异性的细菌偶氮还原模型。这一模型不要 求偶氮染料或还原型黄素通过细胞膜。添加不同的氧化还原介体，例如萘醌2 磺酸盐， 2 一羟基1 ，4 萘醌等能显著提高厌氧偶氮还原率。这表明，在这个系统里，醌作为氧化还 原中间体被s x e n o p h a g ab n 6 菌体细胞的酶催化还原，还原型的醌再还原偶氮复合物， 这是一个纯化学氧化还原过程，如图1 2 。而细胞裂解实验表明，醌氧化还原酶活性定 位在细胞膜上 5 4 , 5 5 。 图1 2 氧化还原介体参与的偶氮染料的还原过程 f i g 1 2 r e d u c t i o no fa z od y e sb yr e d o xm e d i a t o r s 由图1 2 分析，细菌在厌氧条件下发生的偶氮还原是在非特异性还原酶作用下的电 子传递过程。偶氮复合物作为末端电子受体，接受从电子氧化还原介质传来的电子而被 还原。由此推测，偶氮复合物可能在细菌的厌氧呼吸过程中作为末端电子受体接受电子 而被还原，所以厌氧偶氮还原过程也是厌氧偶氮呼吸过程，细菌可能在这一过程中获得 生长所需的能量。 ( 1 ) 生物体内氧化还原反应 生物体内的氧化还原物质进行氧化还原反应时，基本原理和化学电池一样，也可 以把生物体内的氧化剂和还原剂做成化学电池，无论是有机物，无机物或混合的有机、 无机氧化还原体系，任何的氧化还原物质在一起，都可以有氧化还原电势产生。标准 电势具有较大负值的氧化还原电对比具有较小负值的氧化还原电对更倾向于失去电子； 换言之，标准电势的正值越大，越倾向于获得电子。 氧化一还原体系对生物体之所以重要，不只是因为生物体内的许多重要反应属于氧 化还原反应，更重要的是因为生物体所需的能量来源于体内所进行的氧化还原反应。 要了解氧化还原体系和能量之间的关系，还必须弄清楚氧化还原和自由能的关系。 高盐偶氮染料废水的生物处理研究 辅酶q ( c o e n z y m e q ) ，又称泛醌( u b i q u i n o n e ) ，简称为q ，它是疏水的醌( q u i n o n e ) 化物，是脂溶性辅酶。在线粒体内膜内部扩散迅速，也可以游离状态存在。它以不同的 形式在电子传递中起电子的作用，在电子传递链中处于中心地位。 ( 2 ) 偶氮染料的厌氧生物降解途径 生物对偶氮染料厌氧还原机理阐述可归纳为如图1 3 所示，直接生物还原，间接生 物还原和化学还原三种不同的机理。 偶氮染料直接生物还原 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。 直接生物还原 间接生物还原 电子供体、 偶氮染料 还原态 、微 喜君堡芳香胺 j 纠 氧化态 力日腿 竺) 体还原态 初级电子供 c 图1 3 偶氮染料厌氧生物降解三种机制示意图 f i g 1 3 s c h e m a t i cr e p r e s e n t a t i o no f t h ed i f f e r e n tm e c h a n i s m so f a n a e r o b i ca z o d y er e d u c t i o n 偶氮染料间接生物还原 间接生物还原是偶氮染料还原的第二种机理，偶氮染料由酶还原的辅酶因子电子载 体所还原。早期研究曾假设由核黄素相关还原酶产生的还原性核黄素类化合物( f a d h 2 ， f m n h 2 ，r i b o f l a v i n ) 以非特异化学反应还原偶氮染料。类核黄素可以加速偶氮染料的还 原，最近研究也发现核黄素还原酶是真正的厌氧偶氮还原酶 6 0 1 。偶氮染料直接还原酶的 其他辅酶即n a d h 、n a d p h 、n a d p h 产生系统也得到报道【6 i 6 2 1 。除了辅酶外，各种人 工氧化还原介体是偶氮染料还原过程中很重要刺激物。 化学还原 染料废水通常含有中高浓度的硫酸盐。硫酸盐是染缸常用的一种添加剂，或由染色 过程中硫化氢，亚硫酸盐和连二亚硫酸盐氧化形成。也可由硫酸中和碱性染料排放废水 形成。因此，这些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。 大连理工大学硕士学位论文 由上可看出间接生物还原和直接生物还原的明显不同在于酶催化辅酶因子的再生， 而化学还原是生物生成大量还原化合物( 例如h 2 s ，h 2 ) 和偶氮染料发生纯化学反应。 在实际过程中，三种机制可能共同或耦合起作用，这可在一定程度上解释文献中偶氮染 料在降解动力学上的差异性。 ( 3 ) 常用氧化还原介体及其作用机理 常用氧化还原介体及其还原菌的研究概况 表1 2 初步统计了目前国内外关于氧化还原介质及其相关还原菌研究报道情况。可 以看出，目前报道的氧化还原介质大多含有醌羰基结构，这种醌羰基结构的氧化还原 性质或状态在电子传递中起着重要的作用。例如泛醌和质体醌的氧化还原反应是它们作 为呼吸链中电子和质子传递中间体的基础【6 3 j 。活性炭和腐殖酸上也都含有醌类结构。腐 殖酸作为氧化还原介质促进污染物的化学和生物转化 6 4 - 6 6 1 ，其中的活性组分就是腐殖酸 上的醌类结构【67 1 。v a nd e rz e e 等的研究发现了活性炭可被生物还原并可作为氧化还原介 质，但醌羰基是否作为活性基团还有待于证实。而且活性炭接受电子的能力比小分子化 合物a q d s 低得多，后者是前者的6 1 倍1 6 引。 表1 2 氧化还原介质及其相关还原菌的研究情况 t a b 1 2t h er e s e a r c hs i t u a t i o no f r e d o xm e d i a t o r sa n dr e d u c i n gb a c t e r i a 高盐偶氮染料废水的生物处理研究 氧化还原介体的作用机理 氧化还原介体是能加速初级电子供体的电子向最终电子受体传递的化合物，可以使 脱色速率提高一到几个数量级【7 3 1 。氧化还原介体在酶的作用下会形成活性高且有一定稳 定性的中间体，这些活性中间体能从底物中获得氢质子传递给偶氮染料，从而使偶氮染 料降解。偶氮染料介体系统生物催化的作用机理分两步，第一步非专一性酶还原氧化态 介体为还原态中间体，其性质活性高有一定的稳定性，第二步还原态中间体被偶氮染料 再氧化，返回到它的最初状态【7 4 】。这说明氧化还原介体对染料的降解起到介导作用。氧 化还原介体不仅对偶氮染料还原有作用，而且对硝基芳香胺，聚卤代化合物的还原也有 作用，其降解机理也类似。已有的研究表明，有效的介体是一些带有醌类基团的化合物。 另外，菌株通过还原也可将氧化还原介体辅酶和人工电子载体再生【| 7 5 】。 ( 4 ) 酸性偶氮染料还原产物催化强化偶氮染料的生物脱色作用 厌氧降解自催化作用 自催化作用是指由偶氮染料厌氧脱色形成的醌类化合物来催化偶氮染料的生物降 解。v a nd e rz e c 等研究指出酸性橙在厌氧生物降解过程中存在自催化现象( 图1 4 所示) 。 酸性橙7 偶氮键断裂生成1 氨基2 萘酚，1 氨基2 萘酚转化成相应氨基醌作为氧化还原 介体催化酸性橙7 的降解，形成自催化现象1 7 6 j 。 n a o s 心崤 酸性橙7 - 2 i h i 。o h 2 +0 3 吒尸h 2 + 磺胺酸 卜氨基一2 一萘酚 + 2 【h 】 图1 4 酸性橙7 厌氧生物降解自催化示意图 f i g 1 4 s c h e m a t i ca n dm a t h e m a t i c a lr e p r e s e n t a t i o no f a u t o c a t a l y s e da 0 7r e d u c t i o n 酸性偶氮染料还原产物催化强化其它偶氮染料的脱色作用 张隆7 7 1 研究发现，一些酸性偶氮染料的生物还原产物可以强化多种偶氮染料的生物 脱色，强化效果为酸性红b 酸性大红3 r 酸性大红g r 酸性橙h 0 7 。根据高效液 相色谱质谱( h p l c m s ) 对酸性红b 还原产物的分析结果，推测起氧化还原介体作用 的物质是2 氨基- 4 磺酸基1 萘酚。 大连理工大学硕士学位论文 1 2 高含盐废水的处理研究进展 1 2 1高盐度废水的来源 高含盐量废水是指含有有机物和至少3 5 的总溶解固体物t d s ( t o t a ld i s s o l v e d s o l i d ) 的废水【7 引，在这些废水中除了含有有机污染物外，还含有大量的无机盐，如c l 、 s 0 4 2 。、n a + 、c a 2 + 等。其主要有以下几个来源【7 9 0 8 1 】： ( 1 ) 海水直接利用过程中排出的废水 为缓解淡水资源日益紧缺的局面，近年来许多沿海城市开始推行海水直接利用。海 水可直接利用于很多方面：海水用作工业冷却水，广泛应用于电力、钢铁、化工、 纺织、机械等行业：海水用作工业生产用水，主要用于建材、印染、化工、海产品 加工等行业；海水用作城市生活用水，主要用于冲洗厕所、冲洗道路、消防及游泳 娱乐等方面，其中以海水冲厕应用最广。香港立法规定必须采用海水冲厕，至1 9 9 5 年， 冲厕海水量已达4 3x 1 0 4m 3 d ，约占全港淡水用量的1 7 ：目前天津、青岛、厦门、深 圳等城市已开始进行利