染色废水治理的微生物技术研究现状

1、第 10卷 第 2期 1998年 6月江 苏 石 油 化 工 学 院 学 报JOU RN AL OF JIAN GSU INST IT UT E OF PETROCHEM ICAL TECHN OLOGYVol 10N o 2 Jun 1998染色废水治理的微生物技术研究现状程洁红 李尔炀(江苏石油化工学院能源工程系 , 常州 213016 (江苏石油化工学院化学工程系 , 常州 213016摘 要 综述高效脱色菌的筛选、培育及已鉴定的菌属。通过脱色菌对含偶氮染料的染色废水的脱色降解 反应的研究 , 发现 降 解偶氮染料的酶是偶氮还原酶 (azoreductase , 提出染料分子的结构影响

2、染色废水 的脱色率。最 后介绍脱 色菌应用 于染色废 水 处理的新工艺 , 并对运用高效脱色菌和活性污泥接种处理染色废水方式进行比较 , 认为采取高效脱色菌接种挂膜方式较好。 关键词 染色废水 ; 脱色菌 ; 偶氮染料分类号 X 1染色废水是纺织、印染、染料等行业排放的工 业废水 , 具有排放量大、色度高 (稀释倍数从 200到 1000倍 、水质变化大、有机物含量高等特点。 特别是 PVA (聚乙烯醇 浆料、新型助剂 等人工 合成的芳香 类化合物 的大量涌 入 , 使 COD Cr 达 到 20003000毫 克 /升 , BOD 5/COD Cr 降 到 0 2以 下 1 , 因此染色 废

3、水的治 理难 度较大。目前 , 国 内外普遍采用的普通生化法使废水的色度和 COD Cr 往往不能达标 , 说明普通的微生物菌种及活性污泥 法等生物处理技术已不能达到高效的脱色降解处理 要求。近几年来 , 国内外有关研究者已经成功地从 自然界中筛选出对染料具有高效脱色能力的菌株和 对 PVA 等芳香类化合物具有高效降解的菌株 , 并 投加到废水处理池中 , 其脱色率高达 80%, PVA 的降解率达 75%90% 1 , 因此选育高效 优势菌 是改善有机废水生化处理的重要方法。1 高效优势菌的培育1 1 菌种分离方法一是常规分离选育方法。对采集样品进行选择 性培养或富集培养 , 再以平板划线法

4、挑选单菌落 , 进行菌株的脱色能力的测定 , 淘汰无效菌株 , 最后 加以纯化鉴定到属。二是恒化器培养法。 Kulla 2 等人 采用了带有 空气过滤器和蠕动泵搅拌 (转速为 0 6L 气 /分钟 的恒化器对样品进行连续培养 , 选择在适当的负荷 下连续长时间 (>250天 的无污染运行 , 然后进 行分离、活力测定、纯化鉴定。1 2 高效优势菌染料的种类极其繁多 , 分子结构式也很复杂 , 其中偶氮类染料占的比例较多 , 而国内外的文献报 道的大部分是偶氮类染料的脱色研 究。早在 1937年就有人发现在腐败牛奶中偶氮染料的脱色作用 , 随后的几十年至今 , 不断有人发现适用于偶氮染料

5、降解的菌株 , 其中以假单胞菌 (Pseudomonas sp. 和芽孢杆菌 (Bacillus sp. 数量最多。贾省芬等分 离纯化的假单胞菌 S-49对 14种酸性染料和活性 染料 的脱 色 效 果 很好 , 半 脱 色 时 间只 有 0 5小 时 3 ; 刘志培等人得到的假单胞菌 S -42对活性 艳橙、直接深棕、酸性媒介棕三种偶氮染料具有良 好的脱色作用 4 ; 而钟 秀清等人从丝 绸印染厂的 污水污泥中分离得到的 4株高效脱色菌分属于无色 杆菌属 (Achromobacter sp. 和芽孢杆菌属 5 。瑞 士的 Kulla 等人从生长在带有磺酸基和羧基的偶氮 染料 -橙黄 I 和橙

6、黄 II 的环境中经过恒化器的培 养分离得到二株假单胞菌 K22和 KF46 2 , 同时进 一步研究了两菌株对 染料的代谢途 径。曹孟德 6等 人 得到 的气 单胞 菌 RD 2(Aeromonas sp. RD 2 对活性艳红 X-3B 等偶氮结构及金属络合型的活 性染料具有脱色快、范围广、活性稳定的特点 , 但 对吡唑、蒽醌及酞菁结构的活性染料不易脱色。 日本早在 1981年由 Yatome 7 和 Idaka 8 等人 分离得 到 降 解偶 氮 染料 的 假 单胞 菌 13NA 菌 株 (Pseudomonas cepacia 13NA 和嗜水气单胞菌变种 24B (Aeromonas

7、 hy drophila var. 24B , Kw as -niewska 9 得到一株 红酵母 (Rhodotorula 可降 解 结 晶 紫 染 料 (已 甲 烷 -P -玫 瑰苯 胺 氯 化 物 ; Cripps 等人 10 发现一真菌 (Fungus Phanerochaete chrysosporium 和 Paszczynski 等 人 11 的 链 霉 菌 (streptomycessp. 可在好氧条件下降解脱色偶氮 染料。除对偶氮染料的脱色研究外 , 还有人对三苯基 甲烷和蒽醌染料做了高效脱色菌的分离 , 如印度的 Sarnaik 等人从土壤和牲畜粪中分离得到四种假单 胞菌

8、:Ps. alcaligenes 、 Ps. mendocina 、 Ps. putida biovar B 和 Ps. stutzeri 12 , 它们可用 于降解以 二 甲基苯胺和酚做原料的甲基紫罗兰染料及残留的二 甲基苯胺和酚 ; 日本的 ltoh 等 人得到了芽孢 杆菌 B. subtilis 用于对蒽醌染料的脱色 13 。由于大部分分离得到的脱色菌只对单一或少数 几种染料具有良好 脱色效 , 为 扩大染料种类 的范 围 , 鲜海军等人 筛选得到了三 株转化单胞菌 , 对 29种属于偶氮、三苯基甲烷和蒽醌类的染 料都具 有良 好脱 色 作用 14 , 而 P. chrysosporiu

9、m ATCC 24725菌株 对多种 染料如 直接染 料、还 原染料、 酸性染料和分散染料都可达到脱色作用 15 。另外 , 对于降解 PVA 的菌株 , 日本的铃木等 人首先发现自土壤分离得到的极毛杆菌能对 PVA 起分解作用 , 在一 般负 荷下 PVA 去 除率 达 50 80%。尽管已筛选到的脱色菌种类较多 , 但单菌株适 应性有限 , 脱色的染料种类单一 , 即使是对多种染 料有良好脱色性能的菌株 , 其脱色能力很不一致 , 而染色废水成分复杂 , 因此影响菌种降解效率。1 2 反应机理1 2 1 降解反应的脱色酶及代谢途径目前除对偶氮类染料的生物降解机理有所研究 外 , 其他染料的

10、降解机理和代谢过程尚不清楚。研 究偶氮染料降解机理较早的是 Kulla 等人 2 (1983年 16 参与 降解反应 的脱色酶 是偶氮还 原酶 (azoreduc -tase , 它可将偶氮双键 -N =N-还原裂解成芳香 胺类物质 , 偶氮还原酶以 NADPH 2或 NADH 2为辅 酶对氧很敏感 , 有氧时丧失活性 , 除去氧后又可恢 复活性。另外偶氮还原酶在有些细菌中为诱导酶 , 如假单胞菌 KF46(Pseudomonas Sp. KF46 的橙 黄 II 偶氮还原酶 , 底物是很好的诱导物 , 而在有 些细 菌中 则 是 组成 酶 , 如 假 单 胞菌 K22(Pseu -domon

11、as Sp. KF22 的橙黄 I 还原酶 , 偶氮还原酶 的底物专一性很强 , 底物分子结构上的变化 , 特别 是底物分子上取代基的数量和位置的变化都严重影 响酶的活性和作用。刘志培等人 3 认 为完整细胞、无细胞 提取液 和纯化的脱色酶三者的脱色反应条件基本相同 , 但 对氧的敏感不同。氧可抑制无细胞提取液和纯酶的 活性 , 但对完整细胞影响不大。通过对酶的最大反 应速度和米 氏常数 的分析 , 得到 米氏常 数 K m = 54mol/L, 最 大反 应 速度 V max =13 mol/(mg min , 且偶氮 还原酶 的分 子量为 34000 2000, 其结果 与 Kulla 等

12、人报 道的偶 氮还原 酶的情 况相 符。由于偶氮染料的偶氮双键在偶氮还原酶和辅酶 NADPH 2或 NADH 2作用下双键断裂 , 转为芳香胺 类的产物 , 而且偶氮还原酶在有氧时会失去活性 , 因此这一反应是在厌氧或兼氧条件下进行 , 反应生 成的芳香胺类化合物可在好氧条件下由降解菌进一 步分解 , 而 在 厌氧 条 件 下一 般 不再 进 一 步被 降 解 2 , Kulla 等人对偶氮染料代谢途径的观点也被 其它研究者所赞同 3 4 。1 2 2 染料分子结构对脱色的影响染料的结构决定染料呈现什么样的颜色 , 颜色 越深脱色越难。染料分子对染料脱色的影响已经有 实验得到证实 , 主要是染

13、料分子上的取代基种类、 位置、数量对微生物代谢的影响。以偶氮染料为例 , 若取代基为氯基 , 磺酸基和 硝基则会减少微生物 的降解速度 2 , 而羧基和羟 基等取代基有利于微生物的降解代谢 , 故带有羟基 的氨基偶氮苯染料比带磺酸基的氨基偶氮苯易被生 长细胞和细胞同系物 脱色 7 。通过细 胞渗透实验 表明 , 磺酸基抑制的是微生物的渗透系统 17 , 如 果染料分子不能通过细菌的细胞壁进入质膜 , 虽然 细胞中存在偶氮还原酶 , 但细菌不能通过氧化、还 原、合成等过程使染料降解。 Kulla 等人认为当取62江 苏 石 油 化 工 学 院 学 报 1998年物之间会相互偶 联 , 导致了代

14、谢途径的障碍。另 外 , 若羟基靠近偶氮双键 -N =N -时 , 易与偶氮 双键形成分子内氢键 , 降解速度慢 , 但当羟基由邻 位改为对位时 , 染料的降解速 率就有所提高。此外 , 取代基的数量对脱色亦有影响 , 一般情况下微 生物会随取代基数量的增多而降解程度下降 , 当存 在两个以上取代基时 , 染料就愈难降解。而且 , 含 萘环的染料 比含苯环 的染料易 脱色 7 2 。在蒽 醌 染料中 , Itoh 13 用 Bacillus subtilis 菌株对其进行脱 色的 研 究 中 发 现 , 带 羟 基 的 紫 罗 兰 颜 料 12易降解 , 而分散紫罗兰 122难降解 , 这一点

15、与 Yatome 的研究结果一致 7, 他认为无论再怎样延长培养时间 , 分散紫罗兰 1也很难脱色。对于其它染料 , Yatome 认为偶氮类染 料最易 脱色 , 蒽醌和 口 占 吨染料最难 , 而三苯基甲 烷和次 甲基染料居中。染料的分子量大小一般认为与脱色的难易程度 并无关系 , 但 Yatome 认为偶氮类染料的分子量与 脱色有关 , 即分子量越大 , 半脱色时间越长 7。1 2 3 脱色能力从生物遗传学的角度来看 , 脱色能力是由细胞 的染色体控制还是由质粒控制 , 国内外学者对此做 了相应的研 究 , Kulla 2 和 Zimmermann 等人 16 在 研究中发现假单胞菌 KF

16、46菌株和许多降解偶氮染 料的菌株都具有质粒 , 曹孟德等人 18 也做了类似 的研究 , 他们认为脱色能力是由细胞的质粒控制而 不是被染色体控制 , 但这种观点不是普遍规律 , 当 具有脱色能力的细胞不含质粒时 , 脱色能力则由染 色体控制。1 3 工艺流程及操作通过大量的实验表明 , 染料的脱色反应是在厌 氧或兼氧的条件下进行 , 但随之带来了一些对人及 环境有毒害甚至致癌作用的芳香类中间产物 , 而这 些中间产物适应在好氧条件下被降解。一般经过厌 氧后 COD Cr 值 有所上升 , COD Cr /TOC 值增大 19 。 基于以上的研究结果 , 对染料脱色的工艺流程一般 为厌氧 -好

17、氧串联操作 , 最终达到去除色度 , 降低 COD 的目的 , 使出水达标。种挂膜的方法 2022, 先静置培养几天后再以一定的流量通入废水做动态培养 , 一般要经过一到二周 后 , 挂膜结束。也可采用无机载体固定脱色混合菌 的方法 , 载体为多孔陶珠 CM-M -2和多孔硅酸 盐材料 WV -1 23 。也有人 24 直接将 纯菌种投加 到活性污泥中 , 培养混合液进行脱色降解 , 但这种 方法不如前二种 , 第一种方法具有挂膜简易 , 成膜 快 , 脱色能力强 , 对色度、 COD Cr 和 BOD 5的处理 效果好的优点。通过采取挂膜方式和活性污泥法接 种处理方式进行的对比实验可知 22

18、 , 前一种方法 微生物活性高 , 去除 COD 及脱色效果好 , 并能保 持处理效果的稳定性。从运行期间的细菌种群看 , 生物膜中起主要作用的细菌数量高于活性污泥 , 其 中细菌种属大部分与接入的高效菌类同 , 并占有优 势。但是这些菌种能否长期在生物处理中占优势 , 保持其脱色性能的遗传稳定性的问题 25 , 有待进 一步研究。若采用现代生物工程技术 , 在已筛选得 到优势菌的基础上 , 将多种染料的脱色基因克隆到 某一菌株中构建脱色工程菌 , 将多种降解基因克隆 到另一菌株中构建降解工程菌。构建的工程菌增强 了竞争能 力 , 扩大了降 解范围 , 必将 提高治理效 果。参 考 文 献1

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