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    掛膜生長白腐真菌處理草漿造紙黑液廢水
    加入時間:2020-02-26 08:02:25 瀏覽

    摘要:比較了幾株白腐真菌在造紙黑液廢水中的 掛膜生長狀況及其對黑液廢水的 處理效果 .結果表明 ,在 pH 6 .0的 廢水中添加葡萄糖 1.0 g/L ,酒石酸銨 0 .2 g/L及適量無機鹽時 ,黃孢原毛平革菌 和側耳菌 以及本實驗室自選的 白腐真菌S2 2的 掛膜狀況和對黑液廢水的 處理效果最好 .廢水中添加的 葡萄糖和酒石酸銨的 濃度分別為 1.0g/L和 0 .2 g/L時 ,側耳菌的 掛膜和對黑液廢水的 處理效果最佳 .S2 2菌在 pH10 .0時其木質素降解率和COD去除率最高 ,分別可達 84 %和 6 9% .黃孢原毛平革菌、側耳菌和S2 2菌能夠在堿性較強的 廢水中生長掛膜并顯著降解木質素 ,表現出對廢水很強的 適應能力 .生物膜對黑液廢水的 半連續化處理結果表明了生物膜法的 優越性 .
    關鍵詞:白腐真菌,黑液廢水,木質素,COD
    目前我國造紙工業中草類制漿占有很大比重 ,造紙原料經高溫堿液蒸煮脫木素后排出的 黑液廢水是造紙工業最大的 污染源 ,已對環境造成極大威脅 .
    廢水中所含的 氯化木素及其降解產物如氯代酚、氯代兒茶酚和齊聚類衍生物等是產生造紙黑液廢水毒性和顏色的 主要物質 .白腐真菌是自然界中唯一能夠降解天然高分子物質———木質素的 一類真菌 ,它們對木素類污染物質的 獨特降解能力和降解機制 ,使得它們在廢水脫色和降低COD方面表現出了良好的 處理效果 ,從而日益引起人們的 重視[1~ 3 ] .黃孢原毛平革菌可利用化學機械法制漿廢液中的 碳源繁衍 ,對廢液中的 污染物質具有顯著的 降解能力[4,5] .
    用白腐菌處理蔗渣漿CEH漂白廢水和制漿漂白廢水 ,可有效地進行脫色[6~ 8] .本文主要考察了 5株不同的 白腐真菌在造紙黑液廢水中掛膜生長的 狀況 ,以及對黑液廢水中木質素和COD的 去除效果 ,并對影響菌株掛膜和木質素降解的 碳氮源濃度、無機鹽的 存在和 pH值等因素進行了研究 ,從而為白腐真菌在造紙黑液廢水治理中的 實際應用提供了一定的 理論依據 .
    1 􀀁 材料與方法

      1. 1 􀀁 材料
    黃孢原毛平革菌 由廣州微生物研究所提供, 側耳菌 和香菇菌 由本院菌種室提供, 變色栓菌由北京中科院微生物研究所提供, 白腐真菌S22 為本實驗室篩選菌株. 掛膜用載體為一種齒面空心 塑料懸浮載體.稻草灰法半化學漿濃黑液取自安徽省某制漿造紙廠. 將此濃黑液按20%稀釋 用于試驗, 以下簡稱黑液廢水, 其木質素􀀂為800~ 1 000 mg/ L, 􀀂 = 4 000~ 5 000mg / L, pH 為
      9. 0~
      10. 0.

      1. 2 􀀁 主要儀器
    FA1004 電子天平, pHs􀀁3E 數字式pH 計, HQL150B 恒溫搖床, TGL􀀁16 高速臺式離心機, 752 型紫外光柵分光光度計.

      1. 3 􀀁 廢水培養基
    在黑液廢水 中添加適量葡萄糖和酒石酸銨 , 􀀂 =
      1. 0 g/ L, 􀀂 = 0. 5 g/ L.

      1. 4 􀀁 白腐菌對黑液廢水的 處理
    配制廢水培養基, 調節pH 至所需值. 將28 ∀ 條件下培養5~ 6 d 的 菌絲體從斜面轉移到含有100 mL 廢水培養基的 三角燒瓶中, 經勻漿器勻漿, 制成菌懸液. 再將該菌懸液接種到已滅菌的 、含載體的 150 mL 廢水培養基中, 在28 ∀ 下先靜置后振蕩培養共16 d , 定期取樣, 離心后取上清液測定木質素和COD. 每次實驗均以不接種上述菌懸液的 廢水培養基為對照.

      1. 5 􀀁 分析方法
    以分光光度法測定黑液廢水中的 木質素含量 [ 9] ,以標準方法測定黑液廢水的 CODCr![ 1 0] .
    2 􀀁 結果與討論

      2. 1 􀀁 不同菌株的 掛膜及廢水處理效果的 比較
    將5 株不同的 白腐真菌接種至含載體的 廢水培養基中, 培養條件為pH
      6. 0, 葡萄糖
      1. 0 g/ L, 酒石酸銨0. 2 g/ L, 其他成分同
      1. 3, 將黑液廢水處理16 d, 實驗結果見圖1 和圖2.


    從圖1 中可以看出, 黃孢原毛平革菌、側耳菌和S22 菌株對黑液廢水中木質素的 降解率均在d 7 時達到較高值 , 其中側耳菌和S22 菌株在d 4 時木質素降解率已分別達53%和54%. 隨著處理時間的 延長, 木質素降解率的 提高不明顯. 香菇菌對木質素的 降解率雖然也很高 , 但在d 10 時才達最高值; 變色栓菌的 降解速率最慢, 在d 4 時木質素降解率僅為33%, d 13 時才達到最高值, 最高的 木質素降解率只有49%.圖2 表明, 對黑液廢水COD 去除率較高的 仍然是黃孢原毛平革菌、側耳菌和S22 菌株, 其中S22 菌株在d 7 時COD 去除率最高, 達46%, 􀀂 可從4 560 mg/ L 降至2 462 mg/L. 其余兩株均在d 10 時COD 去除率最高. 但處理時間的 延長并沒有導致COD 去除率的 顯著增大. 而香菇菌和變色栓菌對黑液廢水COD 的 去除率則較低, 分別為31% 和32%.以目視法比較載體上菌株的 掛膜生長情況, 同樣是黃孢原毛平革菌、側耳菌和S22 菌株這3 種菌株的 掛膜生長狀況較好, 4~ 5 d 時已基本完成掛膜, 而香菇菌和變色栓菌的 掛膜時間較長, 需7 d 以上. 這一現象與上述3 種菌株對黑液廢水的 良好的 木質素降解能力和COD 去除能力相一致, 表明微生物的 良好生長是取得有效的 廢水處理效果的 先決條件.在其他條件都相同的 情況下, 作不投加載體的 試驗, 比較掛膜生長與游離生長的 生物量對黑液廢水的 處理效果. 實驗結果表明, 在所采用的 5 株白腐真菌中, 均以掛膜生物量的 處理效果較好. 以黃孢原毛平革菌為例, 游離生物量對黑液廢水中木質素的 降解率和COD 去除率分別只有41%和30%, 而掛膜生物量對黑液廢水中木質素的 降解率和COD 去除率分別為62%和45%, 明顯高于游離生物量的 處理效果.綜上所述, 黃孢原毛平革菌、側耳菌和S22 菌株對黑液廢水的 適應能力較強, 對木質素的 降解能力和COD 的 去除能力都明顯優于變色栓菌, 降解木質素和去除COD 的 速率也顯然優于變色栓菌. 香菇菌對木質素的 降解能力雖然也較強, 但COD 去除率不高, 且降解木質素和去除COD 的 速率比較緩慢。聚丙烯酰胺污水處理被廣泛應用于建筑、農業、交通、能源、石化、環保、城市景觀、醫療、餐飲等各個領域,也越來越多地走進尋常百姓的日常生活。從廢水處理技術工業化的 角度考慮, 以黃孢原毛平革菌、
    側耳菌和S22 菌株處理造紙黑液廢水較合適.

      2. 2 􀀁 碳氮源濃度對掛膜和廢水處理(chǔ lǐ)效果的 影響

      2.
      2. 1 􀀁 碳源濃度的 影響􀀁 􀀁
    廢水培養基中以酒石酸銨為氮源, 質量濃度保持0. 2 g/ L 不變, 以葡萄糖為碳源, 調節pH 為
      6. 0, 其它成分和培養條件見
      1. 3 及
      1. 4, 實驗菌株為側耳菌.研究不同葡萄糖濃度對掛膜和黑液廢水處理效果的 影響. 同時也考察了廢水培養基中不添加碳氮源、只添加KH2PO4和Mg􀀁SO4#7H2O 以及任何營養成分都不添加這兩種條件下側耳菌對黑液廢水的 處理情況.

    實驗結果表明 , 葡萄糖質量濃度為
      1. 0 g/ L 和
      10. 0g / L 時木質素降解率大致相同, 在d 10 時, 木質素降解率分別為68%和67%, 木質素含量從920 mg/ L 分別降低至294 mg/L 和304 mg/ L. 但在d 7 時,
      1. 0 g/ L 條件下已有65%的 木質素降解, 而
      10. 0 g/ L 時木質素降解率為58%, 說明在
      1。 0 g/ L􀀁條件下不僅降解率高而且降解速率較快. 隨后降解率的 提高不甚明顯. 葡萄糖濃度為
      20. 0 g/ L 和50. 0 g/ L 時, 木質素降解率明顯下降. 同時注意到, 在不添加碳氮源的 情況(Condition)下, 有無機鹽存在時木質素降解率可達58%, 沒有無機鹽時木質素降解率只有45%, 這一方面表明無機鹽對木質素的 降解起著重要作用, 另一方面也表明白腐真菌可以利用廢水本身所含的 某些物質生長并分泌木質素降解酶. 當僅僅不添加碳源 時, 木質素降解率只低于
      1. 0 g/ L 和
      10. 0 g/ L 條件下的 木質素降解率, 而比其他濃度條件下的 木質素降解率都要高. 這說明白腐真菌雖然可以利用廢水本身所含的 某些物質生長, 但在廢水中添加適量的 碳源對于木質素降解率的 提高是非常必要的 , 而過多的 碳源顯然不利于木質素的 有效降解.

    COD 的 去除情況(Condition)見圖
      4. 從圖中可見, COD 篩除率的 變化趨勢與木質素降解率類似. 葡萄糖濃度為
      1. 0 g/ L 時COD 去除率最高達45%, 􀀂 從4 580 mg / L 降低至2 519 mg/ L;葡萄糖濃度提高到
      10. 0 g/ L 時, COD 篩除率雖有提高, 但只增加了3%, 提高的 程度不大; 而當葡萄糖濃度增大到
      20. 0 g/L 和50. 0 g / L 時, COD 去除率則顯著下降, 低于35%. 當不添加任何成分時, COD 雖有一定程度的 去除, 但比其它條件下的 COD 去除率都要低; 而一旦添加了無機鹽 ,COD 去除率從29%提高到37%. 因此在COD 的 去除過程中,無機鹽是起了一定作用的 . 據文獻報道[ 3, 11] , 在木質素降解和紙漿漂白廢水脫色的 過程中, 木質素過氧化物酶和錳過氧化物酶是主要的 木質素降解酶. 以香菇菌處理制漿廠廢水時, 發現適量的 碳源有利于菌絲生長, 但只在一定濃度范圍內對COD的 去除有效, 過量的 碳源會影響木質素降解酶的 活力, 從而影響廢水的 處理效果[ 12] . 在本實驗(experiment)中, 葡萄糖濃度控制在
      1. 0 g/L 即可, 過多無益.從掛膜生長的 情況來看, 在葡萄糖濃度為
      1. 0 g / L 和
      10. 0g / L 的 廢水培養基中, 側耳菌的 掛膜情況明顯優于其它條件下的 膜生長情況, 目視觀察在4~ 5 d 時基本完成掛膜. 在
      20. 0g / L 和50. 0 g/ L 的 濃度條件下, 生物量較少, 導致掛膜量也較小. 在不添加碳氮源只有無機鹽的 廢水中, 以及當不添加任何成分時, 生物量很小且掛膜也很少. 因此過量的 碳源及不添加碳源顯然都對生長不利; 無機鹽的 存在對菌絲的 生長掛膜十分重要, 從而影響著木質素的 降解和COD 的 去除.

      2.
      2. 2 􀀁 氮源濃度的 影響􀀁 􀀁
    保持
      1. 0 g/ L 的 葡萄糖濃度不變, 考察不同氮源 濃度對側耳菌在廢水中掛膜生長和對黑液廢水的 處理效果 , 其它成分和培養條件見
      1. 3 及
      1. 4.Kirk 等人研究表明[ 13] , 低氮能夠促進黃孢原毛平革菌對木質素的 降解, 高氮則抑制木質素降解. 氮源濃度對黑液廢水中木質素的 降解和COD 的 去除的 影響見圖5 和圖
      6.

    由圖可見, 酒石酸銨濃度的 大小對黑液廢水的 處理效果有較大影響. 當不添加氮源時, 木質素降解率和COD 去除率分別為63%和35%; 隨著酒石酸銨的 濃度增大至0. 2 g/ L, 木質素降解率和COD 去除率分別增大至70%和48%, 木質素可從925 mg/ L 降為278 mg/ L,􀀂 可從4 570 mg/ L 降為2 376 mg/ L; 繼續增大氮源濃度至
      2. 0 g/ L 時, 木質素降解率和COD 去除率均顯著下降, 僅為34%和29%; 當酒石酸銨濃度增大到
      10. 0 g/ L 時, 木質素降解率僅為27%, COD 去除率也僅為21%. 由此可見, 適量添加氮源能夠有效地提高側耳菌對黑液廢水的 處理效果, 但過量的 氮源可能會抑制木質素降解酶的 分泌, 因而抑制側耳菌對木質素的 降解作用, 從而影響黑液廢水的 處理效果.側耳菌在黑液廢水中的 掛膜生長情況與上述木質素降解情況基本一致, 在0 g/ L 和0. 2 g/ L 的 氮源濃度下, 生物膜生長良好, 生長量大, 掛膜快, 4~ 5 d 時基本完成掛膜. 而在其它濃度條件下, 生物量較少, 掛膜量小. 因此選擇(xuanze)0. 2 g/ L 的 酒石酸銨濃度較適宜.在上述考察外加碳氮源影響的 實驗中, 隨著葡萄糖和酒石酸銨濃度的 增大, 黑液廢水的 初始COD 也相應增大, 但由于微生物在生長過程中是不斷消耗碳氮源的 , 因此難以將黑液本身的 COD 與碳氮源所占的 COD 區分開來. 故在本實驗中仍以總COD 去除率來計算.

      2. 3 􀀁 堿性條件對掛膜和廢水處理效果的 影響
    由于造紙黑液的 pH 值在12 以上, 因此以黃孢原毛平革菌、側耳菌和S22 菌株為試驗菌株, 研究在不同的 堿性條件下 菌株的 掛膜生長情況和對黑液廢水的 處理效果. 廢水培養基中含
      1. 0 g/ L 的 葡萄糖, 0. 2 g/ L 的 酒石酸銨, 調節至不同的 pH 值, 其它成分和培養條件見
      1. 3 及
      1. 4.

    由圖7 和圖8 可見, 當廢水培養基的 pH 在
      7. 0~
      9. 0 范圍內時, 黃孢原毛平革菌對黑液廢水的 處理效果最佳, 木質素降解率和COD 去除率分別可達78% 和65% .在pH
      10. 0 和pH
      11. 0 條件下, 則以S22 菌株對黑液廢水的 處理效果最好, 木質素降解率和COD 去除率分別可達84% 和69% , 木質素可從960 mg/ L 降為154 mg/ L, 􀀂 可從4 850 mg/ L 降為1 504 mg/ L. 有文獻報道Ox ys􀀁p orus sp. 和Pl. chrysosp or ium 能夠降解木質素, 它們的 木質素降解率分別為70%和60%[ 14] , 均低于上述實驗結果. 此結果表明, 這3 種菌株在較強的 堿性環境中都能顯著地降解木質素和去除COD, 同時掛膜生長的 情況表明它們在堿性條件下均能生長掛膜. 但每種菌株生長的 適宜pH 是不同的 , 黃孢原毛平革菌和側耳菌在pH
      7. 0, pH
      8. 0 和pH
      9. 0 條件下生長掛膜比較好, pH
      10. 0 和pH
      11. 0 時次之。聚丙烯酰胺為使污水達到排入某一水體或再次使用的水質要求對其進行凈化的過程。而S22 菌株在pH
      8. 0~
      10. 0 范圍內生長掛膜的 情況差不多, pH
      11. 0 時稍差一些. 由于造紙黑液廢水是強堿性的 , 因此這3 株白腐真菌能夠在堿性環境中生長掛膜并降解木質素的 獨特優勢, 為以生物技術治理造紙黑液的 進一步研究奠定了基礎. 白腐真菌在堿性環境中的 這種生長與降解木質素的 能力尚未見報道.

      2. 4 􀀁 掛膜微生物對黑液廢水的 半連續化處理將黃孢原毛平革菌、側耳菌和S22 菌株接種于新鮮的 廢水培養基中: 葡萄糖
      1. 0 g/ L, 酒石酸銨0. 2 g / L, 調節pH 值為
      7. 0, 其它成分見
      1. 3, 培養16 d, 完成第一次循環. 然后將掛膜載體投入第二批新鮮的 廢水培養基中, 在同樣的 條件下培養16 d, 如此循環3 次. 置換液的 比例為100%.

    由表1 的 實驗(experiment)結果可知, 在相同的 培養條件下, 在第2 次和第3 次循環中, 木質素降解率和COD 去除率都逐漸增大, 表明生物膜可以較長時間地維持活性, 持續地處理廢水. 隨著新鮮培養基的 更換, 脫落下來的 老化生物膜和部分代謝產物被移去, 減少了后者對木質素降解酶的 反饋抑制作用; 同時微生物不斷地從新鮮的 廢水培養基中汲取營養, 繼續生長, 維持生物膜的 活性, 從而使黑液廢水的 處理效果得以穩定. 同時可見, 由于采用掛膜生長的 方式, 易于實現半連續(Continuity)化處理. 與游離生長方式相比, 掛膜生物量在半連續化處理過程中具有生物量流失較少, 生物量的 重復利用率高以及處理效果更佳的 優勢, 由此也為生物膜法連續處理黑液廢水的 可行性奠定了基礎. 這方面的 研究工作正在進行中.
    3 􀀁 結論

      3. 1 􀀁 在所考察的 5 株白腐真菌中, 以黃孢原毛平革菌、側耳菌和S22 菌株在20% 的 黑液廢水中的 掛膜生長情況較好, 對廢水中木質素的 降解和COD 的 去除能力較強.

      3. 2 􀀁 在廢水培養基中添加適量的 碳源 和氮源 有利于木質素的 降解和COD 的 去除, 但過量的 碳氮源反而導致木質素降解率和COD 去除率的 下降. 以側耳菌為實驗菌株, 在pH
      6. 0 的 廢水中添加
      1. 0 g/ L 的 葡萄糖和0. 2 g/ L的 酒石酸銨處理效果最佳.

      3. 3 􀀁 廢水培養基中無機鹽的 存在對菌絲的 生長十分重要, 有助于白腐真菌的 新陳代謝, 更好地發揮白腐真菌降解酶作用機制; 適量的 碳氮源
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