好氧反硝化菌处理染料废水.doc

摘要白腐真菌依靠其特殊的降解功能对染料废水的处理己被广泛报道，但许多仅局限在单一反应器的研究上，并且其对CODcr的处理效果始终不是很理想。而将好氧反硝化菌对于CODcr有较高的处理效果。因此，本实验首先采用细菌纤维素固定化好氧反硝化菌和白腐真菌在连续式反应器中对孔雀石绿染料废水和混合染料废水进行处理，发现固定化白腐真菌对孔雀石绿和混合染料废水的色度的去除效果好于好氧反硝化菌，最大去除率分别达到97%和85%。而好氧反硝化菌对孔雀石绿和混合染料废水的CODcr有较高的去除率，分别为85%和83%，较白腐真菌提高了30%以上。综合两种菌的优缺点，将细菌纤维素固定化氧反硝化菌与白腐真菌联用对混合染料废水进行连续式处理，取得了显著、稳定的效果，对废水中色度和COD的最大去除率分别可达89%和88%，进一步表明固定化好氧反硝化菌联用白腐真菌处理染料废水比使用固定化单一菌种处理染料废水更具优势。同时，细菌纤维素固定化技术的引入不仅易于实现固液分离和菌的回收再利用，而且减少了对环境的二次污染，对于提高染料废水的处理效率有着广泛的应用前景 1.背景近些年来，随着染料工业的迅速发展，染料废水的排放量越来越大，对环境的污染越来越严重1-3。染料废水具有生物毒性高、COD浓度高、色度高、难降解等特点4,5。排入水体后对水体造成严重的危害，使水体的透光率降低，水体中的水生植物将不能进行光和作用，水体中的溶解氧浓度也会降低，导致水生动物死亡，间接或直接的影响人类的生活和身体健康6。目前，对染料废水的处理方法主要有物理化学法和生物处理法7，而物理化学处理技术经常存在着一些问题，如处理费用太高或者产生大量的固体废物等。而与之相比，生物处理法凭借着其运行费用低、安全、无二次污染、对环境友好等特点，具有广阔的应用前景。自然界中存在的白腐真菌能够利用自身特殊的降解机制达到处理染料废水的目的8，它处理染料废水具有高效、低耗、广谱、适用性强等特点，但在实际工程中存在着酶系统稳定性差、固液分离困难等问题。而固定化技术的引入不仅能克服以上问题，还可以提高水溶液中的含氧量，使白腐真菌具有更好的降解染料能力9,10。许多研究表明白腐真菌对染料废水的脱色性能优越，但是对染料废水的CODcr的去除效果不是很理想，好氧反硝化菌作为脱氮过程中的高效菌株，对CODcr有较好的处理效果。因此，将好氧反硝化菌联用与白腐真菌联用应用到染料废水处理中，有望可大幅度提高废水中COD的去除率，这就为染料废水处理工艺提供了一种新的思路和方法这将为染料废水的处理提供了一种新的思路和工艺方法。本研究采用环境友好型的细菌纤维素作为固定化载体，首次将好氧反硝化菌应用到染料废水的处理中，并研究了白腐真菌和好氧反硝化菌的联用生长状况及联用对处理染料废水的处理效果。2.材料与方法1.1 菌种：实验所用木醋杆菌、好氧反硝化菌和白腐真菌均由本实验室筛选并保藏。1.2 实验所用培养基好氧反硝化菌培养基：(NH4)2SO4 0.35 g/L；KH2PO4 0.75 g/L；K2HPO43H2O 2.216 g/L；MgSO47H2O 0.025 g/L；柠檬酸三钠 1.81 g/L；pH 7.0联用培养基：KH2PO4 0.75 g/L；K2HPO43H2O 2.216 g/L；(NH4)2SO4 0.35 g/L；MgSO47H2O 0.25 g/L；MnSO4 0.5 mg/L；无水FeSO4 0.1 g/L；NaCl 1.0 mg/L；CaCl20.1 g/L；柠檬酸钠 1.81 g/L；葡萄糖5 g/L；VB15.0 mg/L；pH6.0-7.0； 白腐真菌液体限制培养基：KH2PO4 2 g/L；MgSO47H2O 0.25 g/L；MnSO4 0.5 mg/L；无水FeSO4 0.1 g/L；NaCl 1.0 mg/L；NH4NO3 2 g/L；CaCl20.1 g/L；葡萄糖15 g/L；VB15.0 mg/L；pH6.0-7.0；联用培养基：KH2PO4 0.75 g/L；K2HPO43H2O 2.216 g/L；(NH4)2SO4 0.35 g/L；MgSO47H2O 0.25 g/L；MnSO4 0.5 mg/L；无水FeSO4 0.1 g/L；NaCl 1.0 mg/L；CaCl20.1 g/L；柠檬酸钠 1.81 g/L；葡萄糖5 g/L；VB15.0 mg/L；pH6.0-7.0； 发酵培养基：葡萄糖 5 g/L；蛋白胨 0.5 g/L；酵母膏 0.5 g/L；柠檬酸 0.1 g/L；Na2HPO412 H2O 0.2 g/L；KH2PO4 0.1 g/L；MgSO47H2O 0.025 g/L；乙醇 0.5 g/L；pH 5.8。1.3 染料废水的配制：a.称取20 mg孔雀石绿，分别溶于1 L的好氧反硝化菌或白腐真菌液体限制培养基中，即得到孔雀石绿染料废水，最大吸收波长为620nm。b.称取30mg甲基橙、20mg刚果红、20mg次甲基蓝和2 mg孔雀石绿混合后，分别溶于1 L的好氧反硝化菌、白腐真菌液体限制或联用培养基中，即得到混合染料废水，经光谱扫描，其最大吸收波长为505 nm。1.4 实验方法1.4.1 细菌纤维素的制备:如文献11所述。1.4.2 细菌纤维素固定化好氧反硝化菌：将好氧反硝化菌接种至含有大量1cm3 粒径的细菌纤维素膜块的好氧反硝化菌培养基中，于恒温振荡器中以150r/min，30下培养2d后，好氧反硝化菌附着在细菌纤维素膜上。用生理盐水清洗细菌纤维素膜数次，既得细菌纤维素固定化好氧反硝化菌。1.4.3 细菌纤维素固定化白腐真菌在发酵培养基中按一定比例同时接入木醋杆菌和白腐真菌，置于平皿中30培养5-7 d后，新生的细菌纤维素膜上即吸附有大量的白腐真菌。用生理盐水清洗该膜数次，即得到细菌纤维素固定化白腐真菌12。1.5染料废水的处理过程：（1）摇瓶处理：将白腐真菌或好氧反硝化菌按10%的比例接入含有孔雀石绿染料废水的摇瓶中，30下曝气培养，控制溶解氧量为6mg/L左右，每隔24 h监测染料废水中的色度和CODcr的变化，待去除率稳定后，再分别向摇瓶中加入另外一种菌（好氧反硝化菌或白腐真菌），继续监测染料废水中的色度和CODcr的变化情况。（2）反应器连续处理：将1.4中固定化好的白腐真菌或好氧反硝化菌按10%的比例放入含有染料废水的反应器中， 30下曝气培养，控制溶解氧量为6mg/L左右，打开进水阀和出水阀，控制进水流速和出水流速为5mL/min,每隔24 h监测染料废水中的色度和CODcr的变化。1.5 分析方法1.5.1 染料废水的测定处理过程中的染料废水样品取样后，将处理后的染料废水离心分离取上清液。，色度值利用721分光光度计在染料废水最大吸收波长下进行测定；CODcr采用重铬酸钾法进行测定13。3.固定化好氧反硝化菌和白腐真菌处理孔雀石绿废水目前，生物法处理染料废水主要使用的是白腐真菌，有研究表明虽然白腐真菌的脱色性能优越，但是对CODcr的去除效果不佳14-16。好氧反硝化菌在废水的CODcr的处理方面具有明显优势，且利用好氧反硝化菌处理染料废水未见报道，因此本实验尝试利用固定化好氧反硝化菌在反应器中对孔雀石绿染料废水进行连续式处理，并比较了固定化白腐真菌和好氧反硝化菌在反应器中对孔雀石绿染料废水的处理效果。反应器如图， 从图A中可以看出，固定化好氧反硝化菌和白腐真菌在反应器中对孔雀石绿染料废水均有较好的处理效果，经过2d，两种菌对孔雀石绿染料废水的脱色率均达到82%以上，好氧反硝化菌对废水的色度去除率在第九天达到最高，为96.7%，随后总体呈降低趋势, 在13d以后呈平稳趋势，直至第30 d，其脱色率仍能达到其脱色率维持在90%。白腐真菌在第4d就达到最大去除率，为89%，随后的去除率趋于平稳，去除率维持在85%以上。从图B中可以看出，固定化好氧反硝化菌对孔雀石绿染料废水的CODcr去除效果远远好于白腐真菌的，固定化白腐真菌对废水的CODcr去除率最高仅为52.4%，而固定化好氧反硝化菌对废水的CODcr在第1d就达到56%，随后呈上升趋势，至第7d达到最高，为84.6%，在30d的去除过程中，CODcr去除率均在72%以上。从以上两个图中可以很容易得出：白腐真菌对孔雀石绿染料废水的色度去除率较好，但是对CODcr的去除率很低，而好氧反硝化菌对染料废水的色度和CODcr均有较好的去除效果。AB4.固定化好氧反硝化菌和白腐真菌处理混合染料废水上述结果显示，固定化好氧反硝化菌具有去除废水中孔雀石绿的能力，但实际应用中，染料废水成分复杂，结构多样化17，对单一的孔雀石绿染料废水处理不能表征好氧反硝化菌对混合染料废水的处理能力。因此，本实验选用了具有代表性的三种类型染料配制混合染料废水本实验选用了具有代表性的四种染料配制混合染料废水，包括两种偶氮类染料甲基橙和刚果红，一种杂环类染料次甲基蓝孔雀石绿和一种三苯甲烷类染料次甲基蓝孔雀石绿，比较了固定化白腐真菌和好氧反硝化菌在反应器中对混合染料废水的处理效果。处理结果如图AB从图A中可以看出，固定化白腐真菌和好氧反硝化菌对混合染料废水也有较好的处理效果，好氧反硝化菌处理混合染料废水的初期色度去除率在呈逐渐上升趋势，至第8d达到最大去除率，为72.1%， 随后的趋势下降缓慢，20d后稳定在64%以上，而白腐真菌对废水的色度在第4d就达到了最大去除率，为85%，随后呈缓慢降低趋势，15d后呈平稳趋势，最终稳定在75%以上，由此可见，白腐真菌对染料废水色度的去除效率明显优于好氧反硝化菌。从图B中可以看出，好氧反硝化菌对混合染料废水的CODcr去除率要远远高于白腐真菌的，好氧反硝化菌对废水的CODcr去除率最高达83.3%，随后的去除率虽有所波动，但都在66.7%以上，而白腐真菌对混合染料废水的CODcr最大去除率仅为35%。综上所述得出综上所述可以看出：白腐真菌和好氧反硝化菌在混合染料废水处理过程中各具优势。对混合染料废水的色度去除效果要好于好氧反硝化菌的，而好氧反硝化菌对混合染料废水的CODcr去除效果远远好于白腐真菌。5.好氧反硝化菌和白腐真菌不同的投加顺序对染料废水处理效果的影响之前的结果显示，白腐真菌对染料废水的色度去除效果较好而好氧反硝化菌对染料废水的CODcr的去除具有明显优势，为充分利用两种菌的特点联用处理染料废水提供了可能性。由于两种菌的生长及对染料废水处理条件有较大差异，为实现两种菌对染料废水的联用处理，本实验首先经过尝试，确定了一种联用培养基最佳配制方法（数据未显示），进而利用摇瓶处理的方法摸索了两种菌不同的投加顺序对染料废水处理效果的影响。处理方式最大色度去除率（%）最大CODcr去除率（%）加入第一种菌加入第二种菌加入第一种菌加入第二种菌方式A（先白腐真菌后好氧反硝化菌）80.12.490.62.742.61.381.42.6方式B（先好氧反硝化菌后白腐真菌）65.33.368.73.452.42.657.82.9A（先白腐真菌后好氧反硝化菌）B（先好氧反硝化菌后白腐真菌）从表中可以看出：在方式A中先投加白腐真菌后，染料废水中色度和CODcr的最大去除率分别为80.1%和42.6%，而进一步投加好氧反硝化菌后，色度和CODcr的最大去除率均有显著提高，分别达到90.6%和81.4%，这表明利用白腐真菌处理染料废水后，好氧反硝化菌的进一步投加可大幅度提高废水中COD的去除率，并且能进一步提高染料废水的脱色率。方式B中先投加好氧反硝化菌，而后投加白腐真菌，染料废水色度及CODcr去除率均没有方式A中明显，这可能是因为联用培养基中加有大量白腐真菌代谢所必需的碳源18，而高浓度的C/N对好氧反硝化菌的去除效果有较大影响19,20，因此方式B中先投加好氧反硝化菌不利于对废水中色度和COD的去除。而方式A中先投加的白腐真菌可充分利用联用培养基中的碳源，使之后的C/N适合好氧反硝化菌的代谢，进一步提高了废水中色度和COD的去除率。综上所述，方式A的菌种投加顺序，比方式B对染料废水有更好的处理效果，因此本实验确定先投加白腐真菌，而后投加好氧反硝化菌的方式进行后续的染料废水处理实验。6.好氧反硝化菌与白腐真菌联用处理染料废水基于以上实验结果，本实验设计搭建了连续式生物反应装置处理混合染料废水，考虑白腐真菌的代谢速率慢，为了充分消耗废水中的碳源，达到适合好氧反硝化菌生长代谢的C/N比，并进一步提高对染料废水的色度和CODcr去除率，本实验采用两个白腐真菌反应器和一个好氧反硝化菌反应器的联用方式对混合染料废水进行处理，反应装置如图所示，按照连续式生物反应装置的要求，分别将固定化好氧反硝化菌与白腐真菌投入到各自的反应器中。由图A可知，染料废水的色度去除率在两种菌联用处理后的第2d就达到了82%，随后的去除率均稳定在85%以上，相比于固定化白腐真菌对混合染料废水的色度去除率提高了近10%，而荚荣21等利用白腐真菌生物接触氧化装置在连续式运行条件下，对混合染料废水脱色率也仅为79.5%。由图B可知，两种菌联用处理后，混合染料废水的CODcr去除率前期呈快速上升趋势，在第9d达到最大值，为88%，随后的去除率均稳定在83%以上，比固定化好氧反硝化菌对染料废水的CODcr去除率提高了约20%。可见，相比于固定化单一菌种处理染料废水，利用固定化氧反硝化菌与白腐真菌联用对混合染料废水进行连续式处理取得了更加显著和稳定的效果，同时，细菌纤维素固定化技术的使用不仅易于实现固液分离和菌的回收再利用，而且减少了对环境的二次污染，对于提高染料废水的处理效率有着广泛的应用前景AB4结论a.固定化好氧反硝化菌对孔雀石绿染料废水的色度和CODcr均有较好的去除效果。而白腐真菌对孔雀石绿染料废水的色度去除率较好，但是对CODcr的去除效果不显著。率很低b. 利用固定化好氧反硝化菌和白腐真菌处理混合染料废水，发现固定化好氧反硝化菌 对于混合染料废水的CODcr去除效果远远优于白腐真菌，而白腐真菌在混合染料废水色度的去除方面更具优势则弱于白腐真菌。c固定化氧反硝化菌与白腐真菌联用对混合染料废水进行连续式处理取得了良好固定化氧反硝化菌与白腐真菌联用对混合染料废水进行连续式处理取得了显著、稳定的效果，对废水中色度和CODcr的最大去除率分别可达89.3%和88.2%，进一步表明固定化好氧反硝化菌联用白腐真菌处理染料废水比使用固定化单一菌种处理染料废水更具优势，为染料废水的处理工艺提供了新的思路和工艺方法。1.Yuzhu Fu, T.Viraraghavan. 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