CN105884039B - 一种用于处理高浓度苯酚废水的微生物固化床反应器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于处理高浓度苯酚废水的微生物固化床反应器,属于微生物固化床反应器技术领域。本发明的技术方案要点为:一种用于处理高浓度苯酚废水的微生物固化床反应器,以黄孢原毛平革菌厚垣孢子菌丝球作为反应器的填充介质,该黄孢原毛平革菌厚垣孢子菌丝球由大量黄孢原毛平革菌厚垣孢子组成。本发明以黄孢原毛平革菌厚垣孢子菌丝球为填充介质,具有运行稳定和处理效率高等优点。
Description
技术领域
本发明属于微生物固化床反应器技术领域,具体涉及一种用于处理高浓度苯酚废水的微生物固化床反应器。
背景技术
苯酚是一类重要的工业有机化合物,其可以通过皮肤及黏膜的接触而吸入或经口腔浸入生物体内,与细胞原浆中的蛋白质接触形成不溶性蛋白而使细胞失去活性。长期饮用被苯酚污染的水源,会出现慢性中毒,产生头痛、疲劳、失眠和白血球下降等症状。大量的苯酚排入水环境后,会造成好氧微生物大量繁殖,并大量消耗水中的溶解氧,导致鱼类等水生生物因缺氧而死亡。当水中溶解的氧耗尽后,这类污染物则在水中厌氧性微生物作用下继续转化,先发酵成脂肪酸等中间产物,继而进一步转化为甲烷、水和二氧化碳等稳定性物质,同时放出硫化氢、硫醇、粪臭素和氨等具恶臭的气体,使水变黑、发臭,导致水环境质量进一步恶化。由于苯酚广泛应用于肥料、油漆、橡胶、药品和香水等产品的生产,并在石油、玩具、造纸、肥皂制造过程中也频繁使用,因此其存在于很多工业废水中,目前,在世界范围内苯酚都被列入优先处理的污染物。
苯酚废水通常使用活性污泥法来处理,但是传统的活性污泥法存在着占地面积大,污泥处理成本高等缺点,同时高浓度寡营养的苯酚废水对污泥中的微生物有抑制作用,使得处理效率低、出水不达标(王旭, 杜启云, 王韬,等. 活性污泥法处理高浓度苯酚废水的研究. 天津工业大学学报, 2007(6):32-35)。近来国内外学者使用固定化细胞(酶)来处理高浓度苯酚废水(段青, 王晓光, 栾兴社. 固定化微生物细胞降解苯酚的研究进展. 山东科学, 2007, 20(2):45-49;Chandrakant K, Aravind M, Manjunath N, et al.Phenol degradation by immobilized cells of Arthrobacter citreus.Biodegradation, 2006, 17(1):47-55)。固定化处理方法有着耐受浓度高、降解效率高和处理能力强的特点,然而固定化也存在着技术复杂,使用过程中活性下降,无法长期使用的缺点。此外,固定化技术本身的成本也较高。
黄孢原毛平革菌(Phanerochaete chrysosporium)是一种白腐真菌,能产生胞外过氧化物酶系,该酶系由木素过氧化物酶和锰过氧化物酶两类同功酶组成,由于该酶系独特的降解机理,其不但能够降解多环芳烃、氯代芳烃、染料、***和农药等有机污染物,而且对人工合成的有机污染物也有很强的降解能力(Cameron MD, Timofeevski S, Aust SD.Enzymology of Phanerochaete chrysosporium with respect to the degradation ofrecalcitrant compounds and xenobiotics. Applied Microbiology Biotechnology,2000, 54(6):751-758)。P. chrysosporium在特定的培养条件下会产生厚垣孢子菌丝球(chlamydospore mycelium pellet),其与一般菌丝球的不同在于其由大量细胞壁厚、寿命长、能抗御不良外界环境的厚垣孢子组成(Chung E, Oh J, Hwang S, et al. Enhancedproduction of manganese peroxidase from immobilized Phanerochaete chrysosporium due to the increased autolysis of chlamydospore-like cells.Biotechnology Letters, 2005, 27(7):477-481)。厚垣孢子菌丝球属于厚垣孢子的自我固定化,而厚垣孢子本身又类似于固定化的酶,这是由于细胞壁的增厚,导致P. chrysosporium产生的许多胞外酶包括木质素过氧化物酶、锰过氧化物酶都被包裹在孢子细胞内。所以利用厚垣孢子菌丝球处理工业废水,省去了固定化酶与固定化细胞的过程。同时由于P. chrysosporium能降解各种不同的化学物,具有广谱的底物范围,所以在实际处理废水中具有很大的应用潜力。
目前通常使用的固定化反应器包括固定填充床、流化床和搅拌槽式反应器等。其中固化床反应器因其处理废水的高效、简单、实用等特点而具有显著的优势。在固化床中,液体、载体和气泡在反应器内循环流动,从而提供了巨大的载体表面积,有利于微生物与废水的充分接触,具有良好的传质效果。因此固定化微生物反应器具有密度高、反应快、抗污染能力强、可连续使用、产物分离方便等特点。目前已有利用固定化细胞反应器处理苯酚的研究(Prieto MB, Aurelio H, Serra JL, et al. Degradation of phenol byRhodococcus erythropolis UPV-1 immobilized on Biolite in a packed-bedreactor. Journal of Biotechnology, 2002, 97(1):1-11),但是,利用P. chrysosporium厚垣孢子菌丝球作为固化床填充物用于苯酚废水处理的研究尚未见报道。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供了一种用于处理高浓度苯酚废水的微生物固化床反应器,该微生物固化床反应器以黄孢原毛平革菌厚垣孢子菌丝球作为填充介质,不仅能够高效处理苯酚废水,而且处理成本相对低廉。
本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案,一种用于处理高浓度苯酚废水的微生物固化床反应器,其特征在于:以黄孢原毛平革菌厚垣孢子菌丝球作为反应器的填充介质,该黄孢原毛平革菌厚垣孢子菌丝球由大量黄孢原毛平革菌厚垣孢子组成。
所述的黄孢原毛平革菌厚垣孢子菌丝球的具体制备过程为:将活化后的黄孢原毛平革菌转接到PDA培养基上,于37℃培养一周,然后取菌体在无菌水中配制成菌旋液,再将菌旋液接种至液体培养基中,在30℃和130rpm的条件下置于摇床中振荡培养7天获得黄孢原毛平革菌厚垣孢子菌丝球,黄孢原毛平革菌厚垣孢子菌丝球经收集后,蒸馏水洗涤,抽滤除去水分后备用,所述的PDA培养基为土豆煮汁1000mL、葡萄糖20g和琼脂20g,所述的液体培养基中各组分的浓度分别为葡萄糖10.0g/L、酒石酸铵2.0g/L、苯甲醇0.5mL/L、KH2PO42.0g/L、MgSO4·7H2O 0.5g/L、吐温80 0.5mL/L、维生素B1 0.001g/L、微量元素溶液70mL/L,调pH至4.5,使用前采用121℃、20min条件进行灭菌,其中微量元素溶液中各组分的质量浓度分别为:氨基乙酸0.5g/L、MgSO4·7H2O 3.0g/L、NaCl 1.0g/L、FeSO4·7H2O 0.1g/L、CoCl2·H2O 0.1g/L、CaCl2·2H2O 0.1g/L、ZnSO4·7H2O 0.1g/L、CuSO4·5H2O 0.01g/L、KAl(SO4)2·12H2O 0.01g/L、HBO3 0.01g/L、Na2MoO4·2H2O 0.01g/L和MnSO4·H2O 0.1g/L。
所述的反应器为柱状反应器,其高度为100cm,直径为20cm,反应器中填充黄孢原毛平革菌厚垣孢子菌丝球的质量为20-50g,通过恒流泵泵入苯酚废水的质量浓度低于2g/L,降解效率达到73.14%-100%。
进一步优选,所述的反应器中填充黄孢原毛平革菌厚垣孢子菌丝球的质量为40g,通过恒流泵泵入苯酚废水的质量浓度低于1g/L,降解效率达到95%以上。
本发明所述的黄孢原毛平革菌厚垣孢子菌丝球为厚垣孢子的集合,厚垣孢子菌丝球本身是一种细胞的自固定化形式,同时厚垣孢子类似一种自固定化的酶,由于细胞壁的增厚,其产生的许多胞外酶包括木质素过氧化物酶、锰过氧化物酶都被包裹在孢子细胞内,这使得厚垣孢子菌丝球不但能够耐受高浓度且没有其他营养的苯酚废水,而且具有较好的降解能力。
具体实施方式
以下通过实施例对本发明的上述内容做进一步详细说明,但不应该将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例,凡基于本发明上述内容实现的技术均属于本发明的范围。
实施例1
1、黄孢原毛平革菌厚垣孢子菌丝球的制备
将活化后的P.chrysosporium转接到PDA培养基上,于37℃培养一周,然后取少量菌体在无菌水内配置成 2×107 cfu/mL的菌悬液,在无菌操作条件下,将1mL菌悬液接种至装有200mL液体培养基的500mL三角瓶中,在30℃和130rpm的条件下,摇床振荡培养7天获得P.chrysosporium厚垣孢子菌丝球,厚垣孢子菌丝球经收集后,蒸馏水洗涤、抽滤除去水分后备用。
液体培养基成分:葡萄糖10.0g/L、酒石酸铵2.0g/L、苯甲醇0.5mL/L、KH2PO4 2.0g/L、MgSO4·7H2O 0.5g/L、吐温80 0.5mL/L、维生素B1 0.001g/L和微量元素溶液70mL/L,调pH至4.5,使用前采用121℃、20min条件进行灭菌。
微量元素溶液:氨基乙酸0.5g/L、MgSO4·7H2O 3.0g/L、NaCl 1.0g/L、FeSO4·7H2O0.1g/L、CoCl2·H2O 0.1g/L、CaCl2·2H2O 0.1g/L、ZnSO4·7H2O 0.1g/L、CuSO4·5H2O0.01g/L、KAl(SO4)2·12H2O 0.01g/L、HBO3 0.01g/L、Na2MoO4·2H2O 0.01g/L和MnSO4·H2O0.1g/L。
2、反应器操作
在高100cm、直径为20cm的柱状反应器中填充20-50g厚垣孢子菌丝球,分别配置苯酚浓度为1.0g/L的模拟废水,反应器采用顺流式上部进水,底部出水的方式,于下方取样,进行连续进水实验,水流流速为3mL/min,之后两小时间隔取样,测定苯酚浓度,并计算反应器稳定运行时苯酚降解率。
3、苯酚的测定方法
苯酚的测定采用4-氨基安替比林法来测定(Fiamegos Y, Stalikas C, PilidisG. 4-Aminoantipyrine spectrophotometric method of phenol analysis : Study ofthe reaction products via liquid chromatography with diode-array and massspectrometric detection. Analytica Chimica Acta, 2002, 467(1–2):105–114)。原理是苯酚与4-氨基安替比林和铁***反应生成黄色染料,在pH=8.0时,在510nm处有最大光吸收。
4、实验结果
实验表明,当反应器中填充40g厚垣孢子菌丝球时,废水中苯酚能够被有效的去除,降解率可稳定在95%以上。不同的填充量对苯酚的降解率影响(表1)如下:
表1 不同的菌丝球填充量对于苯酚的降解率影响
填充量(g) | 1week | 2weeks | 3weeks | 4weeks |
20 | 80.14% | 79.54% | 81.24% | 80.99% |
30 | 85.32% | 88.14% | 84.14% | 88.63% |
40 | 95.35% | 97.24% | 96.54% | 95.85% |
50 | 96.32% | 94.12% | 95.32% | 94.24% |
实施例2
1、黄孢原毛平革菌厚垣孢子菌丝球的制备
将活化后的P.chrysosporium转接到PDA培养基上,于37℃培养一周,然后取少量菌体在无菌水内配置成2×107cfu/mL 的菌悬液,在无菌操作条件下,将1mL菌悬液接种至装有200mL液体培养基的500mL三角瓶中,在30℃和130rpm的条件下,摇床振荡培养7天获得P.chrysosporium厚垣孢子菌丝球,厚垣孢子菌丝球经收集后,蒸馏水洗涤、抽滤除去水分后备用。
液体培养基成分:葡萄糖10.0g/L、酒石酸铵2.0g/L、苯甲醇 0.5mL/L、KH2PO42.0g/L、MgSO4·7H2O 0.5g/L、吐温80 0.5mL/L、维生素B1 0.001g/L、微量元素溶液70mL/L,调pH至4.5,使用前采用121℃、20min条件进行灭菌。
微量元素溶液:氨基乙酸 0.5g/L、MgSO4·7H2O 3.0g/L、NaCl 1.0g/L、FeSO4·7H2O 0.1g/L、CoCl2·H2O 0.1g/L、CaCl2·2H2O 0.1g/L、ZnSO4·7H2O 0.1g/L、CuSO4·5H2O0.01g/L、KAl(SO4)2·12H2O 0.01g/L、HBO3 0.01g/L、Na2MoO4·2H2O 0.01g/L和MnSO4·H2O0.1g/L。
2、反应器操作
在高100cm、直径为20cm的柱式反应器中填充40g厚垣孢子菌丝球,分别配置苯酚浓度为0.1g/L、0.5g/L、1g/L、1.5g/L、2g/L的模拟废水。反应器采用顺流式上部进水,底部出水的方式,于下方取样,进行连续进水实验,水流流速为3mL/min,每2h间隔取样,测定苯酚浓度,计算反应器稳定运行时苯酚的降解率。
3、苯酚的测定方法
苯酚的测定采用4-氨基安替比林法来测定(Fiamegos Y, Stalikas C, PilidisG. 4-Aminoantipyrine spectrophotometric method of phenol analysis : Study ofthe reaction products via liquid chromatography with diode-array and massspectrometric detection[J]. Analytica Chimica Acta, 2002, 467(1–2):105–114)。原理是苯酚与4-氨基安替比林和铁***反应生成黄色染料,在pH=8.0时,在510nm处有最大光吸收。
4、实验结果
实验结果显示(表2),反应器运行过程中,在苯酚浓度小于1.5g/L时,废水中苯酚能够被反应器有效的降解,降解效率在87%以上,当苯酚浓度为2.0g/L时,降解率略有下降。不同初始浓度对苯酚降解效率的影响如下表。
表2 不同苯酚初始浓度对降解率的影响
苯酚浓度(g/L) | 1week | 2week | 3week | 4 week |
0.1 | 100% | 100% | 100% | 100% |
0.5 | 100% | 99.8% | 100% | 100% |
1.0 | 97.23% | 98.12% | 96.37% | 95.98% |
1.5 | 90.76% | 88.39% | 87.42% | 88.66% |
2.0 | 70.15% | 78.21% | 76.14% | 73.14% |
针对苯酚废水处理过程中存在的问题,本专利发明了一种能够连续处理高浓度苯酚废水的固化床反应器,该反应器以厚垣孢子菌丝球为填充介质,具有运行稳定,处理效率高等优点,此外,与其它固定化细胞(酶)反应器相比,因不需要专门的细胞或酶固定化操作,因此废水处理成本大大降低。黄孢原毛平革菌厚垣孢子菌丝球相较于一般的固定化细胞(酶)有着制备简单、成本低和易储藏等优点。
以上实施例描述了本发明的基本原理、主要特征及优点,本行业的技术人员应该了解,本发明不受上述实施例的限制,上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理,在不脱离本发明原理的范围下,本发明还会有各种变化和改进,这些变化和改进均落入本发明保护的范围内。
Claims (3)
1.一种用于处理高浓度苯酚废水的微生物固化床反应器,其特征在于:以黄孢原毛平革菌厚垣孢子菌丝球作为反应器的填充介质,该黄孢原毛平革菌厚垣孢子菌丝球由大量黄孢原毛平革菌厚垣孢子组成,所述的黄孢原毛平革菌厚垣孢子菌丝球的具体制备过程为:将活化后的黄孢原毛平革菌转接到PDA培养基上,于37℃培养一周,然后取菌体在无菌水中配制成菌旋液,再将菌旋液接种至液体培养基中,在30℃和130rpm的条件下置于摇床中振荡培养7天获得黄孢原毛平革菌厚垣孢子菌丝球,该黄孢原毛平革菌厚垣孢子菌丝球经收集后,蒸馏水洗涤,抽滤除去水分后备用,所述的PDA培养基组分为土豆煮汁1000mL、葡萄糖20g和琼脂20g,所述的液体培养基中各组分的浓度分别为葡萄糖10.0g/L、酒石酸铵2.0g/L、苯甲醇0.5mL/L、KH2PO4 2.0g/L、MgSO4·7H2O 0.5g/L、吐温80 0.5mL/L、维生素B10.001g/L、微量元素溶液70mL/L,调pH至4.5,使用前采用121℃、20min条件进行灭菌,其中微量元素溶液中各组分的质量浓度分别为:氨基乙酸0.5g/L、MgSO4·7H2O 3.0g/L、NaCl1.0g/L、FeSO4·7H2O 0.1g/L、CoCl2·H2O 0.1g/L、CaCl2·2H2O 0.1g/L、ZnSO4·7H2O0.1g/L、CuSO4·5H2O 0.01g/L、KAl(SO4)2·12H2O 0.01g/L、HBO3 0.01g/L、Na2MoO4·2H2O0.01g/L和MnSO4·H2O 0.1g/L。
2.根据权利要求1所述的用于处理高浓度苯酚废水的微生物固化床反应器,其特征在于:所述的反应器为柱状反应器,其高度为100cm,直径为20cm,反应器中填充黄孢原毛平革菌厚垣孢子菌丝球的质量为20-50g,通过恒流泵泵入苯酚废水的质量浓度低于2g/L,降解效率达到73.14%-100%。
3.根据权利要求2所述的用于处理高浓度苯酚废水的微生物固化床反应器,其特征在于:所述的反应器中填充黄孢原毛平革菌厚垣孢子菌丝球的质量为40g,通过恒流泵泵入苯酚废水的质量浓度低于1g/L,降解效率达到95%以上。
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黄孢原毛平革菌(Phanerochaete chrysosporium)厚垣孢子降解阿特拉津的探究;王莹等;《河南师范大学学报(自然科学版)》;20160331;第44卷(第02期);第102-103页 * |
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