L05057陈维嘉

项目类别项目批准号BL05057附件3 华南农业大学大学生科技创新活动项目结题书项目名称： ASLMB生物反应器的开发 申 请 人： 陈维嘉 所在院部： 生命科学学院 专业年级： 03级生物科学基地班 联系电话：指导教师: 何平 职称 副教授 立项日期： 二五 年 四 月 二十 日 结题日期： 二六 年 四 月 七 日华南农业大学大学生科技创新活动项目指导中心 填 表 说 明 一、 填写结题报告书前，请先咨询指导教师或有关专业教师。申请书的各项内容要求实事求是，逐条认真填写。表达明确、严谨，一律要求用打印稿件。 二 、申请书为A4复印纸，于左侧装订成册。一式三份（至少一份原件），由指导教师和所在院（部）审查并签署意见后报大学生科技创新活动项目指导中心。三 、一级标题三号宋体加粗，用“一、二、三”标示；二级标题四号楷体加粗，用“（一）（二）（三）”标示；三级标题四号仿宋加粗，用“1、2、3”标示；四级标题四号仿宋，用“”标示。示例：一、XXXX课题立项与研究的目的意义（一）XXXX课题立项与研究的目的的意义1、XXXX课题立项与研究的目的意义XXXX课题立项与研究的目的意义四、如表格不够，可以加附页。一、简表项目简况项目名称ASLMB生物反应器的开发项目类别 B、理科类；申请经费1500元起止年月2005.6-2006.4项目组成员姓 名性别出生年月年级专业班级所在学院上学年综合测评分项目中的分工本人签字陈维嘉男85.0303生物科学基地班生命科学学院3.6总负责人陈容斌男85.0103生物科学基地班生命科学学院2.4实验操作指导教师情况姓名何平性别男学位硕士职称副教授研究方向生物化学授课名称基础生物化学项目简介我国制革工业行业总产值约1300多亿元，主要由制革、制鞋、皮件、毛皮4个主体行业组成。上规模企业较少，规模以小型为主，小型企业约占全行业企业总数的97%以上，企业虽分布全国各地，但其中以乡镇小型企业最为兴旺；生产集中度比较低，技术落后1。在我国现有情况下，由于技术、资金等方面的原因，绝大部分企业都面临着制革废水污染的困扰。全国每年排放的制革废水中Cr3+有3500万吨，CODCr有15万吨，BOD有7万吨,由于治理成本过高，全国采取了不同治理措施的企业仅有10151，以大企业为主，中小型企业几乎没有。现阶段含铬废水多用加NaOH作沉淀剂处理，但因NaOH碱性太强，反应过程中容易使局部废液超过最佳pH的控制范围而产生溶胶现象，部分铬反被溶解。虽然用MgO处理pH值较易控制,但MgO价格昂贵,较少采用。而现阶段对于油脂废水的处理方法主要有物理法、化学法和生物法等。其中如化学絮凝、吸附、盐析、臭氧氧化、电解、气浮、膜分离等物理化学方法,由于投资大、占地广、流程复杂,又需要特殊设备,其结果也仅仅是对污染物的稀释,聚集或在不同环境中的迁徙,还有产生二次污染的问题。本研究针对中小型企业，选育出一种能以油脂（约占CODCr 的25%）为碳源，吸附Cr3+的曲霉(Aspergillus sp)。该曲霉能够自身凝絮成菌丝球，吸附到的Cr3+可用解吸剂解吸，使Cr3+得以回收再利用。因此该曲霉能对制革废水中的重金属和有机污染物进行同时处理，提高废水治理效率，降低治理成本。生物反应器的设计和应用是当前生物工艺过程成功进行商业化的瓶颈因素【3，4】。为开发适于该种微生物制剂的生物反应器，本项目首次提出气升式模拟移动床（Air Lift Simulative Moving Bed, ALSMB）的概念。ALSMB生物反应器主要由三个反应床和空气压缩机组成，借助于压缩空气的喷射，造成反应器内流体循环流动，以达到气液固三相混合，强化传质传氧的目的。采用通气搅拌代替机械搅拌能减少反应器内的剪切应力，减少菌丝球的机械磨损。由于传统固定床吸附分离操作处理量少、不易实现自动控制;而连续移动床会降低吸附剂的寿命,使生产成本增加,同时固体吸附剂很难实现轴向活塞流动, 影响了吸附效率。模拟移动床吸附操作具有固定床良好的装填性能和移动床可连续操作的优点,并能保持吸附塔在等温、等压下操作。因此该反应器采用模拟移动床的形式即填充于反应床中的Aspergillus sp菌丝球无须取出，通过直接往各个反应柱中添加不同的反应液，达到废水处理、重金属回收、菌丝球制剂再生的目的，从而减少菌丝球机械磨损，实现生物反应器的连续操作【5】与传统方法相比较，采用ASLMB生物反应器处理制革废水，能在回收重金属的同时消除有机污染。废水处理设备简便，投资少，运行费用低，处理效率高，无二次污染。所以，利用Aspergillus sp菌丝球填充ALSMB生物反应器在实际应用中具有较高的经济效益和环境效益。二、项目研究的内容与方法1项目研究的基本内容：1.1根据制革厂的废水、活性污泥中筛选出能利用油脂生长、吸附Cr3+的曲霉菌株特性，设计出ALSMB生物反应器。 1.2探讨研究在实际操作中对废水的处理情况。并对影响其降解油脂、吸附Cr3+ 的因素作出研究，寻求最佳因素。2实验方法：2.1菌种驯化： 把10 g制革污泥投入250 mL锥形瓶中加入制革废水和少量有机营养物活化24 h后，接入驯化培养基中，Cr3+起始为20 mg/L，以后每隔3 d换一次培养基，每次Cr3+浓度增加30 mg/L，摇床转速为200 r/min，37 培养21 d。使驯化体系产生优良菌株。2.2划线分离： 把驯化所得菌株接入平板分离培养基、菌株。28 培养7天后，观察菌落周围是否出现透明圈，有透明圈表明该菌能分泌脂肪酶到细胞外，从而分解和利用培养基中的油脂，透明圈大小应与产酶能力存在一定关系，从而选出产酶菌株。2.3油脂含量的测定 采用紫外分光光度计法。将发酵液离心后用石油醚萃取，经处理后，在230mm波长下定光吸收值。2.4铬的测定用高锰酸钾把三价铬氧化成六价铬，用二苯碳酰二肼比色，分光光度法测水中的六价铬 2.5计算方法：2.5.1油脂降解率的计算降解率=废水中起始油重量(mg)降解后油的重量(mg)/废水中起始油重量(m)100%2.5.2铬吸附率的计算 吸附率=废水中起始总铬重量(mg)吸附后总铬重量(mg)/废水中起始总铬重量(mg)100%2.5.3铬解吸率的计算 解吸率=废水中解吸前总铬重量(mg)解吸附后总铬重量(mg) /废水中起始总铬重量(mg)吸附后总铬重量(mg) 100%2.6培养基 KH2PO4 0.05% ,蛋白胨1 ,(NH4)2SO4 0.2% ， NaH2PO4 0.05% ，MgSO4 0.02, CaCl2 0.01，Cr3+ 15mg/L, Cr6+ 7mg/L,油脂5000mg/L三、项目研究过程与资料查阅情况项目研究过程与实验结果：3.Aspergillus sp菌丝球的性质分析3.1菌种鉴定 从制革污泥中获得一株对Cr3、油脂有较强吸附分解能力的菌株，对其进行了初步提纯复壮，把该菌接入查氏培养基中观察菌落形态：表面谷黄色，背面灰黄色，表面有明显的同心圆环和辐射状钩纹，中心稍有隆起，质地紧密边缘整齐显白色，有淡黄色水样液滴渗出，经鉴定为曲霉Aspergillus sp。3.2菌丝球的制备： 把复筛所得菌株接入发酵培养机中进行扩大培养。在37 , 200 r/ min的条件下培养50 h霉菌形成直径约为1.2-1.5 mm的菌丝球。由于大粒径吸附剂比表面积小且微孔内铬的传质速度不能满足内表面物理、化学吸附与生物积累的反应潜能而产生了内扩散阻力.虽然减小球径可降低内扩散的影响。但菌丝球球径过小，会使球体实度增大，菌丝缠绕紧密，增加传质阻力，同时会增加固液分离的难度。考虑到上述因素本实验所用菌丝球直径约1.5 mm。把菌丝球用滤纸过滤，再用去离子水冲洗菌体三次，自然条件下凉3 h后用于菌种筛选吸附实验(图2)。4.ALSMB生物反应器原理4.1 Aspergillus sp菌丝球使用步骤经研究，应用Aspergillus sp菌丝球处理制革废水包含三个步骤：4.1.1废水处理Aspergillus sp菌丝球与制革废水充分接触反应，吸附Cr3,同时分解油脂和其它有机污染物。4.1.2解吸加入解吸剂解吸，把吸附在Aspergillus sp菌丝球细胞壁表面的Cr3洗脱。4.1.3再生加入再生剂进行再生，使Aspergillus sp菌丝球能重新吸附Cr3。4.3气升式反应器原理气升式反应器是近二十年来在强化鼓泡塔传质的基础上发展起来的一种新型的气液固反应器，气升式环流生物反应器(ALR)是借助于压缩空气或其它气体喷射，造成反应器内流体的循环流动，以达到气液固混合，强化传质的目的。菌丝球图3我们设计的气升式双向内环流动态反应器体积0.25L，装液量0.2 L，载菌量反应器示意图如图5所示，该反应器内装有玻璃导流筒，底部有一个中心气升喷嘴.气流的大小由旋转阀来控制。气体在上升管底部连续喷入，在顶部空间气体被排出。这样，便在上升管和下降管之间产生液相密度差，由于此密度差的存在，上升管内的液体从底部流向顶部，下降管内的液体从顶部流向底部导致液体在反应器内循环流动。通气搅拌能提高液体的含氧量，有利于铬在液体中的扩散以及油脂的氧化分解，相对于机械搅拌能更好的保护菌丝球的形体（如图8）。4.4模拟移动床原理模拟移动床通过液体出入口位置的相对变化实现固体菌丝球的模拟移动，其吸附机理与移动床相类似，按液流位置和所起作用不同，整个床层可以分成三个区(如图4)，则三个区所起的作用分别为:I区是菌丝球处理废水段。循环流动的菌丝球将废水中的铬吸附同时分泌出脂肪酶水解油脂,处理后的废水由排水口排出。II区(解吸区): 用1.5mol/L的硫酸加入反应床中使菌丝球上的铬解吸下来。解吸后的解吸剂能回收再用。回转阀继续移动进入III区。III区(再生区):此区是菌丝球的再新区。再生剂与菌丝球接触，使菌丝球恢复吸附能力。4.5ALSMB生物反应器操作流程ALSMB生物反应器是通过回转阀上各个喷口与单个反应床位置的变换实现反应床由I区（反应区）、II区（解吸区）、III区(再生区)的切换。其中1喷口与废水处理池相连。2喷口与解吸剂储备池相连。3喷口与再生剂储备池相连。4喷口与I床相连。5喷口与II床相连。6喷口与III床相连。先对I区通气，然后回转阀上的1号喷口由上往下向I区（反应区）通入待处理制革废水，接触反应适当时间后，处理过的废水由4号喷口（与净水排放池相对）排出，而菌丝球被反应床下的滤网挡隔而留在反应床内。此时I区（反应区）变为II区（解吸区），上方回转阀喷口由1切换至2，水泵把解吸剂从储备池中吸入添加到反应床中，解吸反应后溶有Cr3的解吸剂通过下方回转阀的切换（由净水排放池切换至解吸剂储备池）重新回流进入解吸剂储备池。最后II区（解吸区）变为III区(再生区)，上方回转阀喷口由2切换至3，再生剂喷入到反应床中，经再生反应后，下方回转阀由解吸剂储备池切换至再生剂储备池，再生剂进入储备池，可供再次使用。I区(反应区) II区(解吸区) III区(再生区)床体变换方向图4在一座反应床作为I区（反应区）进行处理废水反应的同时，另外两座可分别作为II区（解吸区）进行解吸附和III区(再生区)进行再生反应，接着又变为I区（反应区），从而实现了废水处理、Cr3回收、菌丝球再生的连续操作。4.6 ALSMB生物反应器的结构原理13121245677389141011116171819IIIIII131513图5 16喷口 7.回转阀 8.滤网 9.内管 10.外管 11.气体分布器 12.空气压缩机 13水泵 14.导气管15.水管 16.废水储备池 17.净水回收池 18.解吸剂储备池 19.再生剂储备池4.6.2ALSMB生物反应器实物图(6)4.7反应器性能测试ALSMB生物反应器外径为370mm，内径200mm,外管长180mm,内管长170mm，总体积为200mL，每次试验装液量为150mL,投菌量为50g/L。从制革厂取得废水，经去沉淀处理后测定Cr3浓度为33.23mg/L，油脂浓度为989.42mg/L。4.7.1空气通气量对反应器中菌丝球及其处理废水的影响在室温下（3033。C）反应24h,比较0.2、0.5、0.8、1.2、1.5L/min五种通气量对Cr3吸附，油脂分解的影响。如图12，测得在0.8L/min通气量下Cr3终浓度为0.621mg/L吸附率为98.13油脂分解率达到最大为90.27，虽然1.2L/min的通气量能提高Cr3吸附率但效果不大，因此确定0.8L/min为最佳通气量。由图可知通气量对Cr3吸附的影响不大，低通气量水流缓慢Cr3扩散受到限制，且废水中氧含量低不利于油脂的氧化分解。高通气量液体形成湍流，一部分Cr3可能因此解吸，而且剪切力过高，使得部分菌丝球被破坏。 4.7.2生物吸附剂的脱附取处理制革废水24 h的菌丝球进行解吸附实验。选用1.5mol/L硫酸作为脱附剂。通气量为0.8L/min。菌丝球加入量为50g/L。如图13，在解吸开始阶段进行较快，这是说明H+与Cr3竞争吸附位点。但只能达到82%的解吸率，可能是由于菌丝球形成保护机制使其内部H+浓度比外周低，也可能是菌丝球上细胞壁的某些基团与Cr3形成稳定络合物不易被H+解吸。往解吸后的反应床中加入1mol/NaOH中处理20min，使菌丝球恢复吸附能力。测定NaOH中的Cr3浓度为3.58mg/L，总计Cr3回收率可达93。4.7.3Aspergillus sp菌丝球的再生效果测定把解吸剂排走，然后加入1mol/NaOH处理菌丝球20min，再加入废水，于不同时间段取样测Cr3和油脂含量。经过硫酸和NaOH处理后菌丝球活性受到一定损害，在前12小时内其吸附Cr3的能力和分解油脂能力都有所下降，随后逐渐回升，这段时间是菌丝球得到恢复。可能是由于外部菌丝缠绕，H+扩散受到限制，内部菌丝得到保护，仍具活性。在一定环境中外部菌体也能够恢复活力，前12小时是菌丝球恢复的时间。因此第二次使用菌丝球的吸附时间和油脂分解时间都有延长。 5.结论5.1 Aspergillus sp菌丝球填充ALSMB生物反应器对Cr3浓度为33.23mg/L，油脂浓度为989.42mg/L的制革废水处理效果较好，Cr3吸附率为98，回收率可达93，油脂去除率达90。Cr3排放量小于国家排放标准（总铬1.5 mg/L）。5.2 利用Aspergillus sp菌丝球回收必须Cr3必须用硫酸作为解吸剂解吸，硫酸对Aspergillus sp菌丝球有一定损伤，因此必须寻求一种温和的解吸剂，达到既能回收Cr3且对菌体损害少的目的。5.3 ALSMB生物反应器能在回收制革废水中的Cr3同时分解油脂，是首例能同时处理无机和有机污染物的生物反应器。利用通气搅拌促进溶质扩散，和提高气含率。通过回转阀的切换实现反应区的转换，从而减少物料的机械磨损，实现生物反应器的连续操作。与传统方法相比较，整个废水处理过程具有温度条件范围宽，投资少，运行费用低，处理效率高，无二次污染等特点。因此运用Aspergillus sp菌丝球填充ALSMB生物反应器处理废水，完全具备市场潜力，它可以有效控制传统所方法的污染，并可以进一步进行铬原料的回收利用，具有良好的应用前景和价值，有待于进一步工程化研究和推广。2参考文献1高忠柏 苏超英 制革工业废水处理 北京化学工业出版社 20012 马建中等 .皮革化学品.北京：化学工业出版社，2002.3. 刘志军 水处理用ALR生物反应器研究与设计 化工设备设计1998,354. 王德华王辉国 模拟移动床技术进展化工进展2004，23（6）5. 袁立嵩模拟移动床过程的模型研究 华东理工大学学报 1995，21(1)6. 国家环保局水和废水监测分析方法编委会. 水和废水监测分析方法M.北京：中国环境出版社，1989.7. 李清彪，吴涓杨，宏泉，邓旭，卢英华，洪丽玉，蔡立哲.白腐真菌菌丝球形成的物化条件及其对铅的吸附 环境科学1999，20（1）：33388. 黄钧白威李毅军陈忠余3株油脂化工废水降解菌的分离鉴定应用与环境生物学报1999,5():74769. Kahar P，Kobayashi K, Iwata T, et al. Production of &polylysinein an airlift bioreactor(ABR) . J Biosci BioenR，2002，93(3):274一28010. 袁丽梅张书军杨敏 杨清香章丽萍应用气升式反应器培养草酸青霉菌菌丝球的研究2004年6月44卷3期11. 3 Ulrich P E.Hsu J T. Study of simulated moving based separation processes using a staged model. lnd Eng ChemRes .1989. 28:1 211-1 22312. 模拟移动床操作状态关联图 李怀义 石油化工1994年第23卷13. 孙伟若.黄承遇.胡上序.模拟移动床分离过程数学模型.石油学报.1988.4(1):70-7814. Allen D G, Robinson C W. Hydrodynamics and mass transfer in Aniger fermentations in bubble column and loop bioreactors . BiotechBioeng，1989，34:731一740四、项目成