（环境工程专业论文）包埋固定化复合菌处理抗生素废水的研究.pdf

中文摘要 摘要 包埋固定化复合菌技术是一种新型的废水处理技术，在多种废水的处理中得 到了成功的应用。但是，在抗生素废水处理领域该技术的应用甚少。所以，针对 这一研究现状，作者对包埋固定化复合菌技术在抗生素废水处理中的应用作了进 一步探索，希望为后续的研究者提供一些基础性的参考资料。 本研究首先从实际抗生素废水处理系统中分离出3 株酵母菌、3 株放线菌、3 株光合细菌，通过比较各菌株对抗生素废水中c o d 的去除效果，对菌株进行了筛 选；接着，通过单菌种投加量实验、正交实验，确定复合菌中酵母菌、放线菌、 光合细菌的最佳配比；随后，通过比较不同包埋材料制作小球的性能、处理抗生 素废水c o d 的效果，选出包埋材料并确定包埋材料中不同组分的含量；最后，本 研究考察了温度、p h 值、进水c o d 浓度等因素对包埋固定化复合菌处理抗生素 废水c o d 效果的影响，并对处理过程的动力学特征作了初步的研究。最终，本研 究得出如下结论： 酵母菌1 舟、放线菌3 、光合细菌2 稃对c o d 的去除效果最好。 酵母菌1 # 、放线菌3 、光合细菌2 f 复合之后，菌种间存在协同作用，能 够提高c o d 的去除率。正交实验以及方差分析结果表明：在复合菌处理c o d 的 过程中，光合细菌2 拌所起的作用最大，其次是酵母菌1 撑，放线菌3 撑所起的作用相 对较小；复合菌中光合细菌2 撑、酵母菌1 # 3 1 放线菌3 拌的最佳用量分别为1 0 、6 、 2 9 l 。 p v a + 卡拉胶的混合包埋材料更适合作为包埋载体。而且，在p v a + 卡拉胶 的混合包埋材料中添加适量的膨润土能够明显改善包埋小球的传质性能。正交实 验以及方差分析结果表明：包埋材料中p v a 对包埋小球处理抗生素废水c o d 的 效果影响最大，其次是膨润土，卡拉胶的影响相对较小；包埋材料中p v a 、卡拉 胶、膨润土的最佳浓度分别为1 1 ( w v ) 、o 5 ( w v ) 、2 5 ( w v ) 。 复合菌在处理抗生素废水时，有一个最适的温度、p h 值和进水c o d 浓度 范围。包埋固定化使得复合菌抵抗极端条件的能力增强，使得最适温度、p h 值和 进水c o d 浓度范围变宽，由游离态时的2 5 3 0 、5 5 7 5 、6 0 0 0 7 0 0 0 m g l 增加到 包埋状态时的1 5 3 5 、5 5 9 5 和6 0 0 0 8 0 0 0 m g l 。在这些最适条件下，经过6 d 的处理，包埋复合菌对c o d 的去除率能达到6 0 左右。包埋复合菌处理c o d 的 过程中c o d 去除率随时间的变化规律为： 综合起来，本研究认为：采用包埋固定化复合菌技术处理抗生素废水在技术 上是可行的，具有一定的推广意义。 关键词：包埋固定化，复合菌，抗生素废水 l i 英文摘要 a b s t r a c t t h ei m b e d e dc o m p o u n dm i c r o g a n i s m si san e ww a s t e w a t e rt r e a t m e n tt e c h n o l o g y a n dh a sb e e ns u c c e s s f u l l ya p p l i e di nt h et r e a t m e n to fv a r i o u sw a s t e w a t e r h o w e v e r ，t h i s t e c h n o l o g yi ss e l d o ma p p l i e di nt r e a t i n ga n t i b i o t i cw a s t e w a t e r t h e r e f o r e ，i nr e s p o n s et o t h er e s e a r c hs t a t u s ，t h ea u t h o rt r i e dt od os o m ef u r t h e re x p l o r a t i o no nt h ea p p l i c a t i o no f i m m o b i l i z e dc o m p o u n db a c t e r i ai nt h et r e a t m e n to fa n t i b i o t i cw a s t e w a t e r , a n dp r o v i d e d s o m er e f e r e n c em a t e r i a l sf o rs u b s e q u e n tr e s e a r c h e r s f i r s t ，i nt h i ss t u d y , t h r e ey e a s ts t r a i n s ，t h r e ea c t i n o m y c e t es t r a i n sa n dt h r e e p h o t o s y n t h e t i cb a c t e r i aw e r ei s o l a t e df r o mt h ea c t u a la n t i b i o t i cw a s t e w a t e rt r e a t m e n t s y s t e m ，a n dt h e nt h er e m o v i n ge f f i c i e n c i e so fc o di na n t i b i o t i cw a s t e w a t e rb yt h e s e s t r a i n sw e r e c o m p a r i e d s e c o n d ，b a s e d o nt h er e s u l t so f s i n g l e - s t r a i nd o s a g e e x p e r i m e n t sa n do r t h o g o n a le x p e r i m e n t s ，t h eo p t i m u ma m o u n t so fp h o t o s y n t h e t i c b a c t e r i a , y e a s t s ，a n da c t i n o m y c e t ei nt h ec o m p o u n dm i c r o g a n i s m sw e r ed e t e r m i n e d t h i r d ，b yc o m p a r i n gt h ep r o p e r t i e so fb e a d sm a d ef r o md i f f e r e n ti m b e d e dm a t e r i a l sa n d r e m o v i n ge f f i c i e n c i e so fc o di na n t i b i o t i cw a s t e w a t e r , t h ec o n t e n t so ft h ed i f f e r e n t c o m p o n e n t s i nt h ei m b e d e dm a t e r i a l sw e r ed e t e r m i n e d f i n a l l y , t h ei m p a c t so f t e m p e r a t u r e ，p h ，a n di n f l u e n tc o dc o n c e n t r a t i o no nt h er e m o v i n ge f f i c i e n c i e so fc o d i na n t i b i o t i cw a s t e w a t e rw e r ei n v e s t i g a t e d ，a n dt h ed y n a m i c so ft r e a t m e n tp r o c e s sw a s a l s op r e l i m i n a r ys t u d i e d t h e r e f o r e ，t h i ss t u d yg a i n e dt h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n s ： y e a s tl f ，a c t i n o m y c e t e3 ! fa n dp h o t o s y n t h e t i cb a c t e r i a2 群h a dt h eb e s tc o d r e m o v i n ge f f i c i e n c i e s a f t e rc o m p o u n d i n g ，t h ey e a s t1 ，p h o t o s y n t h e t i cb a c t e r i a2 # a n da c t i n o m y c e t e 3 h a di n t e r a c t i o na n dc o u l di n c r e a s et h ec o dr e m o v a le f f i c i e n c y t h er e s u l t so f o r t h o g o n a le x p e r i e n t sa n dv a r i a n c ea n a l y s i ss h o w e dt h a t ：i nt h ep r o c e s so ft r e a t i n gc o d b yc o m p o u n dm i c r o o r g a n i s m s ，p f i o t o s y n t h e t i cb a c t e r i a2 l i p l a y e dak e yr o l e ，f o l l o w e d b yy e a s t s1 捍，a n da c t i n o m y c e t e3 拌sr o l ei sr e l a t i v e l ym i n o r ；t h eo p t i m u ma m o u n t so f p h o t o s y n t h e t i cb a c t e r i a2 撑，y e a s t s1 # ，a n da c t i n o m y c e t e3 群w e r e10g l ，6g la n d2g l ， r e s p e c t i v l y m i x e dp v a c a r r a g e e n a nw a sm o r es u i t a b l ef o re m b e d d e dc a r r i e r m o r e o v e r , a p p r o p r i a t e a d d i t i o no fb e n t o n i t ec o u l ds i g n i f i c a n t l y i m p r o v e t h em a s st r a n s f e r p e r f o r m a n c eo fe m b e d d e db e a d s t h er e s u l t so fo r t h o g o n a le x p e r i e n t sa n dv a r i a n c e a n a l y s i ss h o w e dt h a t ：p v ah a dt h eg r e a t e s ti m p a c to nt h ep e r f o r e m a n c eo fe m b e d d e d i i i b e a d st or e m o v ec o di n a n t i b i o t i cw a s t e w a t e r , f o l l o w e db y b e n t o n i t e ，a n d c a r r a g e e n a n si m p a c t i sr e l a t i v e l ys m a l l ；t h eo p t i m u mc o n c e n t r a t i o n s o fp v a ， c a r r a g e e n a na n db e n t o n i t ei ne m b e d d e dm a t e r i a lw e r e1 1 ( w v ) ，o 5 ( w v ) ，2 5 ( w v ) ，r e s p e c t i v e l y w h e nu s i n gc o m p o u n dm i c r o g a n i s m st ot r e a ta n t i b i o t i cw a s t e w a t e r , t h e r ew e r e o p t i m u mt e m p e r a t u r e ，p h ，a n di n f l u e n tc o d c o n c e n t r a t i o nr a n g e i m b e d m e n te n h a n c e d t h er e s i s t i b i l i t yo fc o m p o u n db a c t e r i at oe x t r e m ec o n d i t i o n sa n db r o a d e n e dt h er a n g eo f o p t i m u mt e m p e r a t u r e ，p ha n di n f l u e n tc o dc o n c e n t r a t i o nf r o m2 5 - 3 0 。c ，5 5 - 7 5 ， 6 0 0 0 7 0 0 0 m g lt o15 3 5 。c ，5 5 9 5 ，6 0 0 0 8 0 0 0 m g l u n d e rt h e s eo p f i m a lc o n d i t i o n s ， a f t e r6 - d a y s t r e a t m e n tt h ei m b e d e dc o m p o u n dm i c r o g a n i s m sc o u l dr e m o v e6 0 o f c o di na n t i b i o t i cw a s t e w a t e r , a n dt h ev a r i a t i o no fc o dr e m o v a le f f i c i e n c yc o u l db e s i m u l a t e db yp o w e rf u n c t i o n t h ee m p i r i c a le q u a t i o nw a sa sf o l l o w s ： p = 2 5 5 6 t o 6 1 2 5 i nc o n c l u s i o n ，t h i ss t u d yp r o p o s e dt h a tt h et r e a t m e n to fa n t i b i o t i cw a s t e w a t e rb y i m b e d e dc o m p o u n dm i c r o g a n i s m sw a st e c h n i c a l l yf e a s i b l e ，a n dh a dt h es i g n i f i c a n c ef o r p o p u l a r i z a t i o n k e yw o r d s ：i m b e d e d ，c o m p o u n dm i c r o o r g a n i s m s ，a n t i b i o t i cw a s t e w a t e r i v 1 绪论 l绪论 1 1 抗生素废水概述 抗生素是微生物、植物、动物在其生命活动过程中产生的化合物，能在低浓 度下选择性地抑制或杀死其他微生物或肿瘤细胞，是人类控制感染性疾病、保障 身体健康、防治动植物病害的重要药物。到目前为止，抗生素的种类不下万种， 临床上常用的抗生素也有上百种。我国自2 0 世纪5 0 年代初开始生产抗生素以 来，产量逐年增加，现已成为世界上主要的抗生素生产国之一。同时，中国又是 抗生素的消费大国。在各类药品中，抗生素的销售总额已经连续多年排名第一， 占全国药品销售额的近三分之一【1 1 。 抗生素在帮助人类抗击疾病的同时，其生产过程所排放的废物对环境的影响 也越来越受到人们的重视。目前，我国抗生素的生产以微生物发酵法为主，在抗 生素的筛选、生产和菌种选育等方面仍存在着许多技术难点，因而出现了原料利 用率低、提炼纯度低、废水中残留抗生素含量高等诸多问题，造成了严重的环境 污染【2 1 。 1 1 1 抗生素废水来源【3 】 微生物发酵法生产抗生素包括生物发酵、过滤、萃取结晶、化学提取、精制 等过程，见图1 1 。 种子罐发酵罐 发酵液预处理( 加酸碱、过滤) 冲洗废水冷却废水冲洗罐废水与倒罐废水冲洗废水废菌丝体 分离提取抗生素( 离子 交换、萃取、吸附等) 精制纯化 ( 脱色、结晶、干燥等) 产品质量检 验 浓废液( 母液)废水 图1 1微生物发酵法生产抗生素的一般工艺和排污节点 f i g 1 1 p o l l u t a n t sd i s c h a r g en o d e si nt h ep r o c e s so fp r o d u c i n ga n t i b i o t i c s b ym i c r o b i a lf e r m e n t a t i o n 1 重庆大学硕士学位论文 从图1 1 中可以看出，在抗生素的生产过程中主要有以下几类废水产生： 发酵废水 发酵废水是提取抗生素后的发酵残液，也叫提取废水。该类废水中含有大量 未被利用的有机组分及其分解产物，水量大，污染物浓度高，是抗生素生产过程 中的主要废水。 酸、碱废水和有机溶剂废水 该类废水主要在抗生素提取的过程产生。 设备和地板等的洗涤废水 洗涤废水包括过滤设备和材料的冲洗废水、离子交换吸附柱的项洗废水等。 该类废水水量大，污染物含量低，废水的成分与发酵废水相似。 冷却水 这类废水通常未被生产原料和产品污染，不与其它废水混合处理。 1 1 2 抗生素废水特点 抗生素废水成分复杂，有机物、溶解性胶体性固体浓度高，色度高，p h 波 动较大，带有异味，含有生物毒性物质，属于难治理的有毒废水。其具体特征如 下【4 】： c o d 浓度高 抗生素的生产使大量的有机物残留在废水中，主要包括发酵残余基质及营养 物、溶媒提取过程的萃取剩余液、经过溶媒回收后排出的蒸馏釜残液、离子交换 过程中排出的吸附废液、水中不溶性抗生素的发酵滤液以及染菌废水等。这些残 留物使得抗生素废水的c o d 浓度非常高，一般为5 0 0 0 8 0 0 0 0 m g l 。所以，降低 c o d 成为抗生素废水处理的一项主要任务。 s s 浓度高 抗生素废水中残留的s s 主要是发酵残余培养基质和发酵产生的微生物丝菌 体，其浓度一般为5 0 0 2 5 0 0 0 m g l 。 硫酸盐浓度高 许多抗生素的生产过程会产生大量的硫酸盐。例如，青霉素的提取工艺可排 放约5 0 0 0 m g l 的硫酸盐；庆大霉素废水中硫酸盐浓度约为4 0 0 0 m g l ；土霉素废 水中硫酸盐浓度约为2 0 0 0 m g l 左右； 含有大量残留的抗生素 抗生素的得率仅为0 1 - 0 3 ，而分离提取率也只有6 0 7 0 ，所以废水中残留 的抗生素量较多。例如，生产土霉素的废水中土霉素的残余浓度可以达到 5 0 0 - 1 0 0 0 m g l 。 水量小且间歇排放，冲击负荷高 1绪论 抗生素分批生产，间歇排放废水，所以其废水成分及水力负荷随时间的波动 较大。 1 2 抗生素废水的处理技术 抗生素废水的处理方法有物理法、化学法、生物法以及多种方法的组合工艺。 各类方法都有其自身的优势和不足，现就国内外抗生素废水处理现状及进展进行 分析。 1 2 1 化学处理法 化学处理法一般用作抗生素废水的预处理，以提高废水的b o d c o d h 5 值、改 善废水的可生化性，同时去除一定的有机物【5 一。在实际的应用过程中，化学处理 法常因试剂的过量使用导致水体二次污染，因此该方法在设计前应做好风险评价。 目前，常用的化学处理法有以下几种： 内电解法 内电解法又称作微电解法、零价铁法、铁碳法等，是被广泛研究与应用的一 项废水处理技术。它集氧化还原、絮凝吸附、催化氧化、络合及电沉积等作用于 一体。 1 ) 铁的还原作用 抗生素废水中含有大量带硝基( n 0 2 ) 的有机污染物，使其难以被微生物降解， 甚至抑制微生物的生长。铸铁屑能在微酸性的条件下将硝基( - n 0 2 ) 还原为氨基 ( - n h 2 ) ，提高废水的可生化降解性，为下一步的生物处理创造条件7 1 。 2 ) 微电池反应 当铁屑和碳粒浸没在废水中时，由于铁和碳之间的电极电位差，废水中会形 成无数个微原电池。这些微原电池以电位低的铁做阳极、电位高的碳做阴极、废 水为电解质溶液发生以下的电化学反应： 阳极( f e ) ：f e 2 e _ f e 2 +e 一0 4 4 v 阴极( c ) ：2 h 十+ 2 e - - * 2 h - - - - - ，h 2 e = 0 0 0 v 当有氧时：0 2 + 4 h + + 4 e _ 2 h 2 0 e = i 2 3 v 0 2 + 2 h 2 0 + 4 e - - - 4 0 h 。 e = 0 4 0 v 在偏酸性条件下，电极产生的新生态 h 】和f e 2 + 均具有较高的化学活性，使得 氧化还原反应能在废水中发生，破坏发色、助色基团的结构，使大分子转变为小 分子，从而降低废水的c o d 矛i 色度，提高废水的可生化性【8 】。 3 ) 电化学富集作用 当废水中分散的胶体颗粒、极性分子、细小污染物处于铁碳原电池形成的电 场中时，会产生电泳现象，使得这些物质在静电力、表面能的作用下凝集、富集， 重庆大学硕士学位论文 并从废水中分离出来。 4 1 铁离子的混凝作用 上述的电化学反应会消耗酸，随着反应的进行，废水的p h 值会逐步上升，铁 离子会以f e ( o h ) 2 或f e ( o h ) 3 的形式存在，通过吸附、凝聚等作用去除废水中的污 染物。 周立峰等1 9 1 采用铁碳微电解的方法对高浓度制药废水进行预处理。结果表明， 当反应时间为1 0 0 m i n 、铁碳体积比为l ：1 、p h = 4 时，废水的处理效果最佳，c o d 的去除率可达n s o 5 2 。同时，b o d c o d 也由原水的0 1 上升n o 3 2 ，可生化性得 到提高。雷春生等【1 q 用f e c 微电解法处理制药废水中的含磷物质。实验结果表明， 在酸性条件下，经过4 6 d x 时曝气，铁碳微电解法对总磷的去除率为8 0 o 一8 5 9 ； 再经过4 d x 时曝气并调节p h i 碱性时，总磷的去除率可达9 6 0 - 9 9 4 。 臭氧氧化法 臭氧氧化法具有氧化能力强、反应速度快、不产生污泥、无二次污染等优点， 被广泛应用在各类抗生素废水的处理中。臭氧在废水中产生的o h f l 邕将难降解的有 机物氧化成易降解的酸、醛等小分手物质，从而实现降解有机物、提高废水可生 化性的目的 n q 2 】。i a b a l c i o g l u 等【1 3 】使用臭氧对抗生素废水进行氧化处理。结果 表明，在臭氧用量为2 9 6 9 l 时，b o d c o d 从0 0 7 7 增加到o 3 8 ；在不调整废水p h 的情况下，臭氧氧化过程对c o d 的去除率可以达到7 5 。 但是，单独使用臭氧存在利用率低的问题。所以，为了提高臭氧的利用率， 增加o h 的浓度，可将臭氧技术和其他氧化技术联用使用。蔡哲锋等【1 4 】研究了 0 3 h 2 0 2 联合作用去除难降解制药废水的c o d 、改善其可生化性的效果，并考察p h 值、臭氧用量、h 2 0 2 投加量等因子对预处理效果的影响。实验结果表明，p h = l l ， 臭氧用量为1 2 0 9 l 、h 2 0 2 投加量为2 0 m m o l 时，废水的c o d 去除率可达到6 2 ， b o d c o d 可提高n o 3 6 。 f e n t o n 氧化法 f e n t o n 试剂由h 2 0 2 与f e 2 + 结合形成，h 2 0 2 在f e 2 + l 拘催化下分解产生o h 。f e n t o n 氧化法主要利用高活性o h 的氧化作用以及f e 3 + 的混凝沉淀作用来去除污染物。而 且，该方法不受废水种类、成分和浓度的限制，适用于处理生化法难以处理的有 机废水15 1 。s a ns e b a s t i a nm a r t i n e z 等【1 6 】人在处理含有双胍、胍、三胺等药物的制药 废水时，采用了f e n t o n 法。该方法在p h = 4 、3 mh 2 0 2 、0 3 mf e 、4 0 。c 的条件下， 1 0 分钟可以去除5 5 的c o d 。 1 2 2 物理处理法 在抗生素废水的处理过程中，物理处理法通常作为预处理步骤置于生物处理 工序之前。有时，物理处理法还可作为抗生素废水的单独处理工序或后处理工序， l绪论 以降低水中的悬浮物、生物抑制性物质的含量【”】。目前，应用较广的物理处理方 法有混凝沉淀、气浮、吸附等。 混凝沉淀 混凝沉淀被广泛应用在抗生素废水的预处理和后续处理过程中。该方法通过 向废水中投加化学药剂，使其发生吸附、中和微粒间电荷、压缩扩散双电层作用， 从而产生凝聚效应，破坏废水中胶体的稳定性，使胶体微粒相互聚合、集结、在 重力作用下沉淀。混凝沉淀在有效降低废水中污染物浓度的同时，又可以提高废 水的生物可降解性【1 8 】。 抗生素废水处理中常用的混凝剂包括：三氯化铁、硫酸亚铁、硫酸铝、聚合 硅酸铁、聚合硫酸铁、聚合氯化铝、聚合硅酸硫酸铁等。刘明华等【1 9 】采用有机无 机复合型改性木质素絮凝剂m l f 处理抗生素废水。实验结果表明，当废水的 p h = 6 1 0 、絮凝剂的用量为1 2 0m g l 时，废水中c o d 、s s 和色度的去除率分别可以 达到6 1 2 、9 6 7 和9 1 6 。饶义平等【2 0 】的研究表明，复合絮凝剂可以显著降低废 水中残留抗生素的含量；絮凝处理后，抗生素废水的水质接近于普通有机废水， 便于后续的生化处理。 气浮法 气浮法是利用高度分散的微小气泡作为载体去粘附废水中的污染物，使其密 度小于水而上浮到水面，从而实现液液分离或固液分离的废水净化过程，通常包 括溶气气浮、布气气浮、电解气浮、生物及化学气浮等多种形式。气浮法通常作 为废水二级生物处理之前的预处理工艺，以保证生物处理进水水质的相对稳定： 也可作为二级生物处理后的深度处理工艺，确保出水水质达标。气浮法的分离效 率高，而且在去除污染物的同时可以向水中充氧曝气，所以该方法特别适用于处 理低温、低浊、高藻、高色和受有机物污染的原水【2 l 】。 魏有权等拉2 j 采用化学气浮法预处理土霉素废水，当c o d 初始浓度为16 0 0 0 m g l 时，去除率可以够达至0 9 6 。李向东等【2 3 】的研究表明，c o d 浓度为8 0 0 0 1 5 0 0 0 m g l 的制药废水经气浮法处理后，c o d 去除率可达到5 0 以上。 吸附法 吸附法是利用多孔性固体吸附废水中污染物，使废水得到净化的方法。目前， 常用的吸附剂有粉末活性炭、煤质柱状活性炭、人造浮石、腐殖酸( 钠) 、硅藻土、 高岭土、皂土、漂白土等【2 4 1 。相会强等用改性粉煤灰对抗生素废水进行除磷和 脱色处理。结果显示，粉煤灰经酸处理后对抗生素废水中的磷和色度均具有良好 的去除效果。武汉健民制药厂【2 6 】采用煤灰吸附一两级好氧生物工艺处理废水。结果 显示，吸附对c o d 的去除率可达4 1 1 ，并能提高废水的b o d c o d 。 重庆大学硕士学位论文 1 2 3 生物处理法 生物处理法处理设备简单、运行管理方便、运行费用低廉，是目前应用最为 广泛的抗生素废水处理方法。 好氧处理法 好氧生物处理是指在有氧气存在的条件下，利用好氧微生物( 包括兼性微生 物) 的生物代谢作用，降解有机物，使其稳定、无害化的处理过程。抗生素废水 大多属于高浓度的有机废水，可生化性较差。所以，在进行好氧生物处理之前需 要对原水进行适当的稀释或者预处理。常用的好氧生物处理方法包括：活性污泥 法、深井曝气法、接触氧化法等。 乔洪棋等【2 7 1 采用生物膜法处理c o d = 5 0 0 0 m g l 的四环素工业废水。实验结果 表明，驯化后的微生物2 d 内可去除7 6 的c o d 。s v a n s e v e r 等【2 8 】在处理青霉素废水 的常规活性污泥系统中加入了含有絮凝物质( f e 2 + 和m n 2 + ) 和营养物质的复合体 5 0 s 。在低温操作下( 酵母茵( 3 9 0 3 ) 或光合细菌( 4 4 2 3 ) ；酵母菌+ 放线菌( 4 3 7 2 ) 酵母菌( 3 9 0 3 ) 或放线菌 ( 2 2 9 0 ) ：光合细菌+ 放线菌( 4 6 3 7 ) 光合细菌( 4 4 2 3 ) 或放线菌( 2 2 9 0 ) 。 其中，酵母菌+ 放线菌+ 光合细菌的组合去除c o d 的效果最好，可以达到5 3 8 1 ， 这说明不同菌种之间存在协同作用，可以相互促进、共同处理污染物。所以，使 用酵母菌、放线菌和光合细菌组成的复合菌处理抗生素废水是可行的。 4 2 3 复合菌中各菌种投加量的正交实验结果 根据3 3 1 的实验结果，本研究初步确定了光合细菌的最佳投加量范围为 8 1 0 l ，按照l g l 的梯度，将正交实验中光合细菌的用量选定为8 、9 、1 0 9 l 三 个水平；初步确定的酵母菌的最佳投加量范围为6 8 l ，按照l g l 的梯度，将正 交实验中酵母菌的的用量选定为6 、7 、8 9 l 三个水平：初步确定的放线菌的最佳 投加量范围为2 - 4 9 l ，按照l g l 的梯度，将正交实验中放线菌的的用量选定为2 、 4 复合菌的构建 3 、4 9 l 三个水平。表4 2 是复合菌中各菌种投加量正交实验对应的因素水平表。 表4 2 因素水平表 t a b l e 4 2f a c t o r sa n dl e v e l sf o ro r t h o g o n a le x p e r i m e n t 表4 3 正交实验结果 t a b l e 4 3t h er e s u l t sf o ro r t h o g o n a le x p e r i m e n t 从表4 3 的正交实验结果可以看出，7 号实验组对c o d 的去除效果最好，去 除率达到6 2 7 3 ，此时，光合细菌的用量为1 0 9 l ，酵母菌的用量为6 9 l ，放线 菌的用量为4 9 l 。为了考察每个因素在各水平下的效应是否有显著差异，本研究 对正交实验结果进行了方差分析。 表4 4 方差分析结果 t a b l e 4 4t h er e s u l t so fv a r i a n c ea n a l y s i s 重庆大学硕士学位论文 乱r 2 = 9 9 5 ( 调整r 2 t 0 9 8 0 ) 从表4 4 可以看出，校正模型的显著值为0 0 1 9 0 0 5 ，说明本次正交实验设计 是有意义的。因素a 的显著值为0 0 0 6 b c 。因此，在该抗生素废水c o d 的处理过程中，光合细 菌所起的作用最大，其次是酵母菌，放线菌所起的作用最小。 表4 5 单因素统计量表 t a b l e 4 5s t a t i s t i c sf o rs i n g l ef a c t o r s 由单因素统计量表可知，因素a 选水平3 ，因素b 选水平l ，因素c 由于不 显著，原则上可以任选，考虑到整个培养过程的工作量和成本，因素c 选水平l 。 3 6 4 复合菌的构建 所以，方差分析所得出的复合菌种最佳配比方案为a 3 b l c l ，也就是光合细菌、酵 母菌和放线菌的用量分别为1 0 、6 、2 9 l 。 所以，本研究将复合菌中光合细菌、酵母菌和放线菌的用量确定为1 0 、6 、2 9 l ， 并将此配比作为后续实验的配比参数。 4 3 小结 由于要考察各菌种的用量对抗生素废水c o d 去除效果的影响，每批次的实验 都需要培养大量的微生物，所以这一部分实验的工作量比较大。概括起来，这部 分的实验主要获得了以下的结论： 通过单菌种投加量实验，作者发现酵母菌和光合细菌的投加量都有一个最 佳范围，而放线菌随着投加量的增加c o d 去除效果在下降。所以，本研究初步选 定的酵母菌、放线菌、光合细菌投加量范围分别为6 8 l 、2 4 l 和8 1 0 9 l 。 通过对比单菌种、两两复合菌、三种菌复合菌处理c o d 的效果，作者认 为：酵母菌、放线菌、光合细菌复合之后，菌种间存在协同作用，能够提高c o d 的去除效果。 根据正交实验以及方差分析结果，本研究得出：在复合菌处理抗生素废水 c o d 的过程中，光合细菌所起的作用最大，其次是酵母菌，放线菌所起的作用相 对较小；复合菌中光合细菌、酵母菌和放线菌的最佳用量分别为1 0 、6 、2 9 l 。 里鏖奎兰堡主堂垡笙茎 一 _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ 一一 3 8 5 微生物包埋条件的确定与优化 5 微生物包埋条件的确定与优化 5 1 实验内容与方法 5 1 1 包埋材料与方法的选择 包埋材料的选择 本研究主要采用包埋法固定微生物。包埋法操作简单，只需将细胞与单体或 聚合物一起聚凝，细胞即可被包埋在形成的聚合物中。包埋过程条件温和，可选 用不同的包埋载体、包埋系统、包埋条件，对细胞活性影响较小；细胞不易渗漏， 稳定性好；有较高的细胞容量，包埋体中细胞量可达5 0 7 0 f 1 0 3 】。 载体的选择是包埋技术成败的关键，理想的包埋载体应该具备以下特征【1 弹1 0 6 】： 1 ) 固定化过程简单，容易在常温下实现； 2 ) 对生物无毒； 3 ) 性质稳定，不易被微生物分解，耐受生物繁殖引起的破裂； 4 ) 传质性能良好，通透性良好； 5 ) 具有一定的物理和化学稳定性，寿命长； 6 ) 价格低廉； 7 ) 沉降分离性好。 目前，可用于包埋法的载体很多，主要分为两大类：天然高分子凝胶和合成 有机高分子载体。天然高分子凝胶包括海藻酸钠、琼脂、卡拉胶等物质。这些材 料具有固化、成形方便，对微生物毒性小，固定化密度高等优点，但它们抗微生 物分解性能较差，机械强度较低。合成有机高分子载体包括聚丙烯酞胺( a c a m ) 、 聚乙烯醇( p v a ) 、光硬化树脂、聚丙烯酸凝胶等物质。这些载体抗微生物分解能 力强，机械强度高，化学稳定性高。但是，合成有机高分子载体的聚合物网络在 形成的过程中反应比较剧烈，对微生物细胞损害较大，而且成形的多样性和可控 性较差。表5 1 【1 0 7 枷8 1 是国内外研究者对各种包埋载体的比较。 表5 1各种包埋载体性能的比较 墅垒! 皇i ：!坠呈塑竺巳型型旦翌坠呈垒呈塑尘壁堡堕呈翌堕鱼垒盟里型! i 皇堡 包埋载体固定难易机械强度生物毒性耐生物分解性能传质性能 重庆大学硕士学位论文 通过比较各类包埋载体的性能、参考之前研究者的成果。本研究拟采用混合 包埋载体。目前，使用较广的混合载体是：聚乙烯醇+ 海藻酸钠。 聚乙烯醇( p w 0 分子式为( c h 2 c h o h ) 。，该材料在加热后溶于水，在其水溶液 中加入交联剂后发生凝胶化( 或在低温下冷冻形成凝胶) ，从而将微生物包埋固定在 凝胶网络中，常用的交联剂有硼酸和硼砂。p v a 因无毒、价廉、抗微生物分解和 机械强度高等特点受到重视，是一种具有广泛应用前景的包埋材料。但是，p v a 是 一种高粘性物质，其与硼酸反应的速度较慢，滴下时间相差不大的两液滴相碰时 会粘连在一起，并逐步附聚成团，使得p v a 凝胶成球较难【1 吲。有研究表明f 1 1 0 1 ， 在p v a 凝胶固定过程中添加多糖类物质可以克服p v a 成球难这一缺点。王建龙【1 1 1 j 等人通过在p v a 溶液中加入少量海藻酸钠，使用含有c a c l 2 的饱和h 3 8 0 3 溶液作 为交联剂，成功地解决了p v a 颗粒的附聚问题，增强了p v a 凝胶的成球能力，提 高固定化颗粒的机械强度。经过分析，作者认为海藻酸钠在这一过程中主要起了 助型剂的作用。海藻酸钠与c a c l 2 可迅速反应形成小球，减少了相邻两液滴中p v a 附聚的机会，进而使得每一液滴中的p v a 在海藻酸钙小球内部这一相对封闭的环 境中继续与溶液中的硼酸反应，形成兼具p v a 和海藻酸钙小球特征的包埋小球。 卡拉胶与海藻酸钠具有相似的性质，是一种多糖类物质，也是一种常用的天 然高分子凝胶。当交联剂中有k 十存在时，卡拉胶的凝胶时间会明显缩短【1 1 2 j 。童群 义【1 删、干信【1 1 3 】等人使用添加有卡拉胶的p v a 包埋固定化微生物。结果表明，卡 拉胶可以改善固定化颗粒的表面性能，防止了颗粒的附聚作用，增强成球能力。 膨润土是应用最为广泛的非金属矿产之一，其主要成分为蒙脱石。蒙脱石是 2 ：1 型的层状硅酸盐矿物，属于单斜晶系，单位晶胞由两层硅氧四面体夹一层铝( 镁) 氧( 羟基) 八面体组成。膨润土具有较大的比表面积，虽然它的外表面积较小， 只有十几到几十m 2 僮，但是内表面积很大，理论总表面积可达6 0 0 8 0 0 m 2 g 。巨大 的表面积伴随产生巨大的表面能，这就决定了膨润土具有较高的阳离子交换容量 ( 6 0 1 5 0 m e q 1 0 0 9 ) 及良好的吸附能力，使其在环境保护及废水处理方面得到较广 泛的应用【1 1 4 1 。 所以，本研究初步选定p 、，a + 海藻酸钠和p v a + 卡拉胶两种混合载体包埋微生 物，通过比较这两类载体的性能来确定下一步实验载体材料。此外，本研究还考 察了膨润土对所选包埋材料性能的影响。具体的实验内容如下： 1 ) p v a + 卡拉胶小球与p v a + 海藻酸钠小球性能的比较 a 比较两种小球的微观结构 通过参考大量的文献，本研究初步确定了包埋材料中各组分的配比：包埋材料 的混合溶液中p v a 浓度为1 0 ( w v ) 、卡拉胶海藻酸钠浓度为0 5 ( w v ) 。按照 菌胶比为1 ：1 5 1 1 5 】( 菌体湿重g ：胶液体积m l ，简称菌胶比) 的比例将包埋材料与 5 微生物包埋条件的确定与优化 复合菌混合( 复合菌的组成为：光合细菌：酵母菌：放线菌= 5 ：3 ：1 ) ，制作包埋 小球，使用扫描电镜观察两种小球的微观结构，并对两种小球的传质性能进行测试。 在使用扫描电镜观察包埋小球微观结构之前，需对小球进行预处理：用0 9 的生理盐水清洗小球2 次，每次5 m i n ；用由低浓度至高浓度的乙醇分别对小球进 行1 次脱水处理，用1 0 0 的乙醇脱水2 次，每次5 - 7 m i n ；用由低浓度至高浓度的 叔丁醇分别对小球进行1 次脱水处理，用1 0 0 的叔丁醇脱水2 次，每次5 - 7 m i n ； 将小球置于载物台上进行喷金处理，备用。 在测试小球的传质性能时，从制作好的两种小球中分别选取粒径大小相同、 数量相等的小球，分别浸入等量的惰性红墨水中，每隔1 0 分钟取球切片，在放大 镜下观察红墨水渗透到固定化小球内部的情况，用于评价小球的传质性能 1 1 6 。每 个实验均做3 组平行。 图5 1 包埋小球传质实验 f i g 5 1 t h em a s st r a n s f e re x p e r i m e n t b 比较两种小球处理废水的效果 将制作好的包埋小球按1 8 9 复合菌l 的量加入到废水中，将废水置于3 0 。c 、 1 6 0 r p m 的摇床中处理6 天，测定废水中c o d 的含量。每个实验均做3 组平行。 图5 2 包埋小球处理废水 f i g 5 2 w a s t e w a t e rt r e a t m e n tb ye m b e d d e db e a d s 4 1 重庆大学硕士学位论文 2 ) 考察膨润土对包埋小球传质性能的影响 为了考察膨润土对包埋小球传质性能的影响，通过参考文献，本研究将包埋 材料中膨润土的浓度初步选定为2 ( w v ) ，以不添加膨润土的包埋材料作为对照 组。从实验组和对照组中选取粒径大小相同、数量相等的小球，分别浸入等量的 惰性红墨水中，每隔1 0 分钟取出小球切片，在放大镜下观察红墨水渗透到固定化 小球内部的情况，用于评价小球的传质性能【1 1 6 】。每个实验均做3 组平行。 包埋方法的确定 p v a 与h 2 8 0