光合细菌及其在化工有机废水处理方面的应用.pdf

化?工?环?保?2003 年 8 月ENVIRONMENTAL PROTECTION OF CHEMICAL INDUSTRY第 23卷第 4期专论与综述光合细菌及其在化工有机?废水处理方面的应用?宋志文1,郭本华1,曹军2(1.青岛建筑工程学院 环境工程系,山东 青岛 266033;2.中国科学院 沈阳应用生态研究所,辽宁 沈阳 110016)摘要 光合细菌作为一类古老的细菌类群,已经在众多领域得到应用。利用光合细菌处理有机废水具有处理有机负荷高、占地面积小、便于管理、能耗低、投资费用少、菌体可以回收利用等优点,已经引起人们的重视。对光合细菌在处理化工有机废水方面的研究和应用进行了综述,指出光合细菌处理法的优缺点和发展趋势,认为光合细菌在有机废水处理方面的应用前景广阔。关键词 光合细菌;生物法;废水处理 中图分类号 X703?文献标识码 A?文章编号 1006-1878(2003)04-0209-05?光合细菌(Photosynthetic Bacteria,简称 PSB)是自然界中广泛存在的比较古老的细菌类群,是具有原始光能合成体系的原核生物,能在厌氧条件下进行不放氧的光合作用。目前所知的 PSB 可分为着色杆菌科、外硫红螺菌科、紫色非硫细菌、绿色硫细菌、多细胞丝状绿细菌、螺旋杆菌科、含细菌叶绿素的专性好氧菌等 7 大类群1,其中紫色非硫细菌由于其分解利用有机物能力强,因而得到广泛应用。PSB 广泛分布在海洋、湖泊、水田、污泥、土壤、极地、温泉等各个角落。由于 PSB 能耐受高浓度有机物,具有去除和分解有机物的能力,人们开始研究利用PSB 这一生理特性来处理高浓度有机废水。在此过程中 PSB 表现出处理有机负荷高、占地面积小、能耗低、投资费用少等优势,同时产生的菌体还可以进行综合利用,因此 PSB 处理有机废水越来越受到人们重视2。1?PSB 研究历史1836 年 Ehrenberg 最早记录了 2 种使沼泽、湖泊变红的光合微生物,这类微生物的生长与光、H2S的存在有关;1883 年 Engelman 根据?红色微生物?聚集生长在波长与细菌内色素吸收波长相一致的光线下的事实,认为这类微生物能进行光合作用;1931年 Van Niel 提出光合作用的共同反应式,用生物化学统一性观点解释生物的光合成现象后,才把这类细菌称为 PSB,对其进行了分类和生理学研究,奠定了现代 PSB 研究工作的基础3。20 世纪前半叶,人们一直没有发现 PSB 的实际应用价值,到 20 世纪60 年代,许多科学家先后证实了 PSB 能显著降低有机废水中的 BOD 和COD。1978 年,日本小林正泰等提出利用 PSB 处理有机废水的设想和工艺,先后成功地对粪尿、食品、淀粉、皮革及豆制品加工废水进行处理,建立了一批日处理几十、几百乃至几千吨高浓度有机废水的大、中型实用系统,效果良好。美国、澳大利亚、英国、法国、德国、丹麦等国使用此类技术处理城市污水,也取得了比较好的效果。我国早在 20 世纪 50 年代就开始对 PSB 进行多方面的基础理论研究,1987 年 11 月?第一届中日光合细菌国际学术会议?在上海召开,大大推动了我国 PSB的研究和应用4。2?PSB 处理有机废水的基本原理20 世纪 60 年代日本学者小林正泰观测到高浓度粪便污水在自然放置时,生物类群在污水中交替 收稿日期 2002-10-26;修订日期 2002-12-26 基金项目 山东省教育厅项目(J02L05)作者简介 宋志文(1966?),河北省玉田县人,博士,青岛建筑工程学院环境与市政工程学院副教授,主要从事环境生物技术方面的研究。变化,在 BOD 高达 10000 mg/L 的污水中,首先是异养微生物的大量生长,把高分子的碳水化合物、脂肪、蛋白质分解,产生低级脂肪酸等低分子有机物,异养菌逐渐减少;接着,利用低分子有机物的 PSB迅速增殖,BOD 逐渐降至 1000 mg/L,约 2 周后PSB 减少,由绿藻类所代替,并进一步把 BOD 降至30 mg/L 以下,这一发现揭示了自然界对高浓度有机污水的净化是通过微生物的生态学演替而实现的,其中 PSB 担当了主要角色 5。PSB 之所以在有机废水处理中起作用,是与其细胞结构和物质能量代谢分不开的,尤其是紫色非硫细菌,其细胞内有能进行光合作用的载色体,载色体颗粒中含有菌绿素和类胡萝卜素,能进行光合磷酸化反应和光氧化还原反应,在好氧条件下细胞内缺少这种载色体,但只要将其置于光照条件下就很快形成。在好氧黑暗条件下,此类细菌通过三羧酸循环来实现有机酸的代谢。在厌氧光照条件下,三羧酸循环被抑制,这类细菌能迅速转变代谢途径,并能把有机酸异化与同化的氧化还原反应紧密相联,这种具有多重代谢方式的特性,使得 PSB 既不象好氧菌那样受溶解氧的限制,自身可利用光能进行高效的基质代谢,又不象专性厌氧菌对 O2那样敏感,即使环境中 O2增加,其降解活性也不受影响,可通过氧化磷酸化取得能量。PSB 在厌氧、好氧条件下均可降解有机化合物的特性,正是其应用于污水处理的原因。PSB 污水处理法正是基于上述原理而建立的一个高浓度有机废水处理的人工生态系统,其工艺流程见图 1。图 1?PSB 法处理有机废水工艺流程?有机废水经初沉池进入可溶化处理阶段,在微生物作用下,大分子物质转变为小分子物质,供 PSB利用,PSB 处理槽出水经沉淀池进入氧化塘处理后排放,也可以不经过氧化塘直接排放。沉淀池中的菌体污泥一部分可以补充到 PSB 处理槽,其余可以进行综合利用。在这个系统中不同微生物在不同的阶段有效地发挥作用,从而使废水中的高浓度有机物能高效率地得到降解。3?PSB 在化工有机废水处理方面的应用PSB 对多种有机物有较强的分解能力,并且能耐受高浓度的盐分,对氰、酚等有毒物质的耐受性较强。一些学者研究使用 PSB 处理化工有机废水,取得了一些成果。刘建荣等 6,7(1993 年)将 PSB 固定于活性污泥上,进行好氧条件下处理焦化废水的动态试验,采用的流程如图 2 所示。PSB 活性污泥反应器的容积为 4000 mL,停留时间为 12 h,水温为 30.5 35?,溶解氧质量浓度为 4.2 6.8 mg/L,pH 为 8.59.0,经过 15 d 驯化和 15 d 连续测定,焦化废水中酚的质量浓度可由进水的 135 347 mg/L 降至 718 mg/L,去除率为 95%,COD 去除率为 68%74%。图 2?PSB 法处理焦化废水工艺流程在试验研究的基础上,建立了焦化废水 PSB 法处理系统。应用结果表明,处理系统对酚去除率达94%,氰化物、BOD 去除率均在 90%以上,氨氮、硫化物去除率均在 60%以上。处理后的水全部用于熄焦,增加了水的重复利用,减少了有害物质的排放 8。韩庆祥等9(1998 年)采用软性纤维固定红假单胞菌,在 28 L 柱式反应器内,对炼油厂催化裂化与加氢废水(已经过汽提及厌氧消化预处理)进行处?210?化?工?环?保?2003年?第 23 卷?理。反应器进水 COD 为 470 mg/L、溶解氧质量浓度为 0.5 1.5 mg/L,处理结果表明,当废水停留时间为70 h 时,处理后出水的 COD 小于 100 mg/L(脱菌体后),出水中菌体的质量浓度为 42.5 mg/L,COD去除率为 80.4%;当废水停留时间为 50 h 时,COD去除率达到最大值。作者认为,用 PSB 处理该废水,若以达到排放标准为目的,废水停留时间可为 70 h,如还有后续处理工艺,则废水停留时间可为 50 h。方明成等 10(1998年)对 PSB 法处理制药废水的可行性进行了研究。废水为制药厂生产非抗菌素类生化制剂的排水,其 BOD 为 9000 mg/L、COD为 20000 mg/L,处理结果表明,驯化后 PSB 对制药废水可以较快适应,用其处理制药废水是可行的,并且确立了厌氧酸化?半微氧半黑暗的工艺流程,预酸化过程使小分子物质增多,从而使 PSB 营养条件大为改善,表现为 COD 去除率的提高。韩庆祥11(1999 年)进行了 PSB 法处理尼龙66 盐生产废水的研究。尼龙 66 盐生产废水经萃取后,仍含有大量的甲酸、乙酸和少量丙酸,这些小分子有机酸可作为 PSB 生长所需的碳源。在柱式反应器内,用沼泽红单假单胞菌连续处理尼龙 66 盐生产废水,进水 COD 为 1140 mg/L,经过 60 h 处理后,出水 COD 为 150 mg/L,PSB 质量浓度(干重)为 5.5 g/L。谢冰等12(1999 年)进行了 PSB 法处理有机磷农药废水的研究。久效磷和亚磷三甲酯生产过程中产生的废水,经碱解沉淀和超声气浮预处理后,其COD 和毒性降低、可生化性提高,然后采用以 PSB为主的生化处理,在 COD 容积负荷为 0.8 kg/(m3?d)、进水 COD 为 2000 2500 mg/L 的条件下,出水COD 为 200 mg/L,去除率为 90%左右。PSB 接触氧化池和普通接触氧化池两级生化处理比普通活性污泥对有机磷废水中有机磷的去除率高 10%左右。谢冰等13(1999 年)用复合 PSB 法处理高浓度磺胺和苯甲酸废水,结果表明,复合菌群的处理效率好于单一 PSB 或普通活性污泥,降解效率高出18.2%39.3%,且污泥结构好,复合菌群处理系统中微生物的种类丰富,PSB 的数量可达 37%。杨云龙等 14(2001 年)采用聚集?交联固定法将紫色非硫细菌和其他异养菌固定化后,用 SBR 工艺处理亚硫酸钠造纸废水,在好氧条件下,当进水COD 为 710 970 mg/L、停留时间为 8 h 时,出水COD 为 150 350 mg/L,COD 去除率为 70%左右,木质素去除率为 75%左右。与生化法相比,固定化 PSB-SBR 系统具有废水处理效果好、启动快、耐冲击负荷、停留时间短等优点。4?PSB 处理化工有机废水的优缺点和发展趋势?用 PSB 法处理高浓度有机废水,是近 20 a 来废水生物处理法的一个新进展,与活性污泥法相比,PSB 法具有以下优点:(1)有机物负荷高,可处理浓度很高的有机废水,且不需稀释,并且废水的 BOD越高处理效果越好;(2)设备规模小,占地面积小,动力消耗低;(3)脱氮除磷效果好,耐盐能力强;(4)管理简易,受季节影响小,在 10 40?温度范围内均可处理,且不会发生污泥膨胀现象;(5)产生的菌体可综合利用,不存在污泥处理问题,更不会形成二次污染;(6)前期投资少,见效快,可操作性强,运行费用低。用 PSB 法处理高浓度有机废水,虽然具有许多优点,但也有不足之处:(1)需要不断地添加新鲜菌体;(2)菌体细胞自然沉降困难,需用离心机或化学絮凝剂来收集,增加了费用;(3)出水 BOD 在 200mg/L 左右,一般不能达到排放标准,还要配合其他处理方法进行进一步处理 15。为了解决菌体细胞沉降困难的问题,一些学者尝试使用固定化细胞技术和固定生物(PSB)膜法处理有机废水。牛志卿等16(1994 年)采用聚集?交联法固定红螺菌用于处理活性艳红 X-3B 染液,脱色率在 75%以上。宋秀兰等 17(2001 年)用聚集?交联固定化胶质红环菌,在好氧条件下进行降解吲哚的试验,固定化胶质红环菌好氧降解吲哚的最佳条件是温度为22 40?、pH 为 5.5 8.5,吲哚的去除率最高可达 97.0%。原生质体融合技术也被用于 PSB 的研究。程树培等18(1996 年)采用原生质体融合技术,将PSB 与酵母的原生质体融合,构建成具有双亲优势的融合子杂种细胞,融合细胞在降解味精废水 BOD的速率上具有优势,对净化去除废水中有机污染物具有潜力,为废水资源化生产单细胞蛋白质提供了更为理想的菌株来源。PSB 中的许多红螺菌和某些绿硫菌在代谢过程?211?第 4 期?宋志文等.光合细菌及其在化工有机废水处理方面的应用中能产氢,PSB 产氢具有产氢速率高、能量转化率和产生氢气纯度高、产氢不产氧、可利用碳源广泛等优点19。利用有机废水产氢是 PSB 产氢的一个重要的研究开发内容。有机废水为 PSB 提供了大量廉价的有机基质,尤其是高浓度有机废水,其溶解氧极易为好氧或兼性厌氧微生物消耗,从而造成厌氧环境,有利于 PSB 产氢,产氢的同时也伴随着有机物的降解和 PSB 菌体的生成,废水可以得到净化。利用桔子加工废水、造纸废水、乳品加工废水、制糖废水、禽畜废水、豆制品废水和酒糟废水生物产氢都已有报道20,21。5?结语PSB 法作为一种新的有机废水生物处理技术,已经越来越受到人们的重视,并且在许多国家得到推广和应用。虽然在应用过程中还存在着一些不足,但随着人们对其研究的不断深入,特别是在工艺路线以及高效菌种的分离筛选与菌种改造方面的努力,PSB 必将在废水生物处理方面得到广泛的应用,从而更大程度地造福于人类。参考文献1?东秀珠,蔡妙英.常见细菌系统鉴定手册 M.北京:科学出版社,20012?谢磊,杨润昌,胡勇有.PSB 在有机废水处理中的应用 J.环境污染与防治,2000,22(4):36 383?刘如林.光合细菌及其应用M.北京:中国农业科学出版社,19914?吉海平,李君.光合细菌应用动态 J.生物工程进展,1997,17(4):46 505?小林正泰.光合细菌处理高浓度有机废水J.发酵与工业,1978,36(9):753 7606?刘建荣,梁则智,吴国庆.废水的光合细菌法处理 J.煤炭转化,1993,16(2):51 547?刘建荣,吴国庆.PSB 活性污泥法处理含酚废水的研究 J.环境科学与技术,1993,(3):1 48?赵俊娥,冯国丽.光合细菌处理焦化废水J.山西科技,2002,(4):17 199?韩庆祥,钱新民,王宇新等.固定化光合细菌处理催化裂化与加氢废水J.化工环保,1998,18(2):67 7310方明成,吴珊,李桂枝,光合细菌处理制药废水可行性研究J.水利水电科技进展,1998,18(5):36 3811韩庆祥.光合细菌处理尼龙 66盐废水 J.石油化工高等学校学报,1999,11(4):43 4612谢冰,史家,岳宝等.有机磷农药废水处理技术J.化工环保,1999,19(2):89 9213谢冰,史家,徐亚同.复合光合细菌法处理化工高浓度有机废水研究 J.上海环境科学,1999,18(10):46346514杨云龙,薛嵘,吴国庆.固定化 PSB 处理亚硫酸钠造纸废水J.中国环境科学,2001 21(4):351 35415崔战利.光合细菌的基本特性及应用价值J.黑龙江八一农垦大学学报,1999,11(1):20 2516牛志卿,吴国庆,张琳等.固定化紫色非硫光合细菌降解活性艳红 X-3B的研究 J 环境科学,1994,15(5):49 5217宋秀兰,田建民,康静文.固定化胶质红环菌在好氧条件下降解吲哚的研究J.环境科学学报,2001,21(4):510 51218程树培,崔益斌,夏伏虎等.光合细菌与酵母跨界融合子降解味精废水性能测定 J.环境科学,1996,17(3):5719朱核光,史家.生物产氢研究进展 J.应用与环境生物学报,2002,8(1):98 10420Mitsui A.,Matsunaga T.,Ikemoto H.Organic and In-organic Wastewater Treatment and Simultaneous Pho-toproduction of Hydrogen by Immobilized Photosyn-thetic Bacteria J,Develop.Industr.Microbiol,1985,26:209 22221刘双江,杨惠芳,周培瑾.固定化光合细菌处理豆制品废水产氢研究J.环境科学,1995,16(1):42 44Photosynthetic Bacteria and Its Application in Treatment ofChemical Organic WastewaterSong Zhiwen1,Guo Benhua1,Cao Jun2(1.Qingdao Institute of Architecture and Engineering,Shandong Qingdao 266033,China;2.Institute of Applied Ecology,Chinese Academy of Science,Liaoning Shenyang 110016,China)?212?化?工?环?保?2003年?第 23 卷?化?工?环?保?2003 年 8 月ENVIRONMENTAL PROTECTION OF CHEMICAL INDUSTRY第 23卷第 4期甲壳素和壳聚糖在水处理中的应用赵丽,王萍(兰州铁道学院 化工学院,甘肃 兰州 730070)摘要 介绍了天然有机高分子化合物?甲壳素和壳聚糖的制备、化学结构和特性,阐述了其在水处理中的应用及发展前景。甲壳素和壳聚糖的来源广泛,其性能优良、无毒、无公害、可生物降解,可用作吸附剂、絮凝剂、分离膜材料、离子交换剂和杀菌剂,是一类非常有开发利用前景的新型水处理材料。关键词 甲壳素;壳聚糖;水处理 中图分类号 X703?文献标识码 A?文章编号 1006-1878(2003)04-0213-03?甲壳素(chitin)又名甲壳质、壳多糖、壳蛋白,是由 N-乙酰氨基葡萄糖通过?-(1,4)糖苷键缩合而成的直链多糖,大量存在于甲壳动物、昆虫和细菌中,是自然界含量仅次于纤维素的第二大天然有机高分子化合物。据估计,自然界中甲壳素的生物合成量近1?1010t/a1,是一种取之不尽、用之不竭的自然资源。壳聚糖(chitoson,缩写 CTS)是甲壳素脱去N-乙酰基的产物,一般而言,甲壳素中的 N-乙酰基脱去 55%以上就可称之为壳聚糖,故壳聚糖也称为脱乙酰甲壳素。1?甲壳素和壳聚糖的制备、化学结构、特性?甲壳素的提取一般是用虾、蟹壳为原料,首先将其进行酸浸、碱煮,分别脱去其中的碳酸钙、蛋白质,然后用质量分数为 1%的高锰酸钾溶液对其进行氧化处理,除去其中的杂质,即得到甲壳素产品,其化学结构式如下:?甲壳素的化学结构与纤维素相似,分子链长也一样,不同点是在葡萄糖基上有一个乙酰氨基,因此它在淡碱液中不膨润,不溶于铜氨溶液。甲壳素经浓碱液处理,脱去乙酰基后,即得到壳聚糖产品,其化学结构式如下:收稿日期 2002-08-14;修订日期 2002-09-23作者简介 赵丽(1972?),女,新疆乌鲁木齐市人,兰州铁道学院化工学院讲师,环境工程专业研究生,主要从事化学法水处理技术的研究与开发工作。Abstract:Photosynthetic bacteria is a kind of ancient microorganism and has been applied in many areas.Applied in organic wastewater treatment,photosynthetic bacteria process is characterized by higher or-ganic load,less land occupation,easy control,less energy dissipation,lower investment and utilizablebiomass and so on.The research and application of photosynthetic bacteria in treatment of chemical or-ganic wastewater are reviewed,pointing out its advantages and disadvantages and development trend.Itis considered that the photosynthetic bacteria process has vast prospects in treatment of chemical organicwastewater.Key words:photosynthetic bacteria;biological process;wastewater treatment