掛膜生長白腐真菌處理草漿造紙黑液廢水

中國污水處理工程網時間：2013-7-26 11:26:29

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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 (Phanerochaetechrysosporium)和側耳菌 (Pleurotusostieatus)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( Phanerochaete chrysosp or ium ) 由廣州微生物研究所提供, 側耳菌( Pleur otus os tieatus ) 和香菇菌( Lenti􀀁nus edodes ) 由本院菌種室提供, 變色栓菌( Tr ametes versicolor )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( 柱狀) 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( 黑液􀀁= 20%) 用于試驗, 以下簡稱黑液廢水, 其木質素􀀂為800~ 1 000 mg/ L, 􀀂( COD) = 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( 黑液􀀁= 20%) 中添加適量葡萄糖和酒石酸銨( 視具體試驗而定) , 􀀂( KH2PO4 ) = 1. 0 g/ L, 􀀂( Mg O4.7H2O) = 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 ( 120 r / mim) , 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( D280 nm) [ 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( 60%以上) , 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(65%) , 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%, 􀀂( COD) 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。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( 圖3) , 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( 0 g/ L 的情況) 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 的去除情況見圖4. 從圖中可見, COD 去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%, 􀀂( COD) 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 去除率雖有提高, 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( 不添加碳氮源) ,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( 酒石酸銨) 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( pH 6. 0) , 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,􀀂( COD) 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( pH 值為7. 0~ 11. 0) 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%( pH 9. 0) 和65%( pH 8. 0) .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% ( pH10) 和69%( pH 10) , 木質素可從960 mg/ L 降為154 mg/ L, 􀀂( COD) 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。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%.具體參見http://www.bnynw.com更多相關技術文檔。

由表1 的實驗結果可知, 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( 葡萄糖) 和氮源( 酒石酸銨) 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; 適量的碳氮源對掛膜也是不可缺少的.

3. 4 􀀁 黃孢原毛平革菌、側耳菌和S22 菌株在堿性較強的廢水中也能生長掛膜, 其中S22 菌在pH 10. 0 時木質素降解率和COD 去除率最高, 分別達84%和69%. 表明白腐真菌具有對造紙黑液廢水的適應能力以及顯著降解廢水中木素等污染物質的能力.

3. 5 􀀁 游離菌絲對黑液廢水雖然也有一定的處理能力, 但在重復利用性方面具有一定的局限性, 容易流失, 因此不適合應用于黑液廢水的半連續化或連續化處理過程. 而生物膜對黑液廢水的半連續化處理結果則表明了生物膜的可持續利用性, 體現了生物膜的優越性, 同時也表明了生物膜法連續處理黑液廢水的可行性. 雖然還有許多問題有待于進一步研究, 但本文的研究為造紙黑液廢水的生物處理提供了一種新的技術和方法.（安徽大學生命科學學院）