絮凝剂产生菌与解决印染废水分析

绪论

随着纺织印染行业的迅速发展，各种复杂的染料中间体，新型印染助剂和整理剂的开发使用，使得印染废水的成分更加复杂化，COD 进一步增加，可生化性不断减低，导致活性污泥在印染废水中生长并驯化困难。新型染料的开发使用，加剧了印染废水脱色难的问题，对印染废水处理技术提出了严峻的挑战，因此急需开发新的印染废水处理工艺解决以上难题。絮凝沉淀是治理印染废水时经常要用到的方法，通过絮凝沉淀的预处理可以去除大很大部分的有机物质和色度，减轻后续处理工艺的负担。絮凝沉淀中的絮凝剂包括化学絮凝剂和微生物絮凝剂两大类，其中常用的化学絮凝剂主要有无机高分子絮凝剂和有机高分子絮凝剂。无机高分子絮凝剂一般用量较大，且添加到水体中的金属盐类会对人体健康造成不利的影响，对环境产生二次污染；而有机高分子絮凝剂在环境中的残留物不易被自然降解，同时聚丙烯酰胺的单体有神经毒性和“三致”效应，因此这两类絮凝剂的使用都会对人类健康和生态环境产生不利的影响。
而微生物絮凝剂则是一种安全、可降解并对人体健康和环境无危害的新型水处理絮凝剂。微生物絮凝剂（Bioflocculant）就是利用生物技术，从微生物或其分泌物中提取、纯化而获得的一种安全、高效、且能自然降解的新型水处理剂[1]。与传统的絮凝剂相比，微生物絮凝剂的种类繁多；絮凝过程高效无毒；对环境无污染等特点。同时，微生物絮凝剂絮凝后的残渣可以被生物降解，可以消除二次污染。日本学者首先于上世纪 70 年代在研究酞酸酯生物降解的过程中发现了具有絮凝作用的微生物培养液[2]。此后，关于微生物絮凝剂的报道逐步增多。有报道用 Alcaligeneslatus 生产的微生物絮凝剂和 1.5 mL 1 %的聚氨基葡糖处理某造纸厂废水时，可在废水中看见明显的絮体，脱色率达 94.6 %。Ryuichiro Kurane 等人采用红平红球菌（Rhodococcus erythropolis）S-1 菌株，发酵生产絮凝剂 NOC-1，并且把它用于畜产废水处理、膨胀污泥的处理、砖场生产废水处理以及废水的脱色处理获得了较好的效果。由此认识到，生物絮凝剂在印染废水处理方面巨大的发展潜力。鉴于微生物絮凝无毒、无二次污染等优势，以及作为印染废水脱色剂的巨大发展潜力。本实验进行了一系列的研究，旨在开发出一种能应用于印染废水处理工艺中的新型微生物絮凝剂。

1.1 印染废水概况
1.1.1 印染废水的来源
印染废水是印染厂加工棉、麻、化学纤维及其混纺产品过程中排出的废水。印染包括退浆、煮炼、漂白、丝光、染色、印花、整理等几个工序。每个工序在生产的过程中都有废水产生，分别排出退浆废水、煮炼废水、漂白废水、丝光废水、染色废水、印花废水和皂液废水、整理废水。印染废水通常是指上述各类废水的综合废水。印染废水的水质随加工纤维的种类及各工序工艺的不同存在较大的差异。印染废水中的主要污染物来源：退浆废水中的浆料、纤维及纤维降解产物；煮炼废水和丝光废水中的碱液、纤维屑和纤维表面的杂质；染色废水中的染料和染色助剂；印花废水中的印花浆料和助剂；整理废水中的整理剂和助剂。1.1.2 印染废水的特性和危害就印染废水而言，其含有的主要污染物为有机物，并且随加工的纤维种类和加工工艺、及各工序采用的材料的不同而异。一般情况下，印染废水水质 pH 值为 6~10，COD为 400~1000 mg/L，BOD 为 100~400 mg/L，SS 为 100~200 mg/L，色度为 100~500 倍[3]。从废水处理技术角度看，印染废水是一种组成复杂的混合废水，主要有以下特点：水量大、COD 高、而 BOD/COD 比值小、可生化性差、色度高[4]。
（1）水量大：据统计，2003 年纺织行业废水排放总量为 1.4×106千吨，约占全国工业废水排放量的 6 %。其中印染废水约占纺织印染业废水的 80 %。据不完全统计我国日排放印染废水达 3000~4000 千吨[5]。
（2）COD 高：据统计，2003 年纺织行业产生废水 COD 总量在工业行业领域排第四位。近年来，随着印染业的发展，纺织行业产生废水 COD 总量稳步上升，目前仅落后造纸行业，占据第二位。随着 PVA 浆料、人造丝碱解物和新型助剂等难生化降解有机物大量使用而进入印染废水，印染废水的 COD 浓度由原有的数百上升为 2000~3000mg/L，新型的印染工艺的发展也为印染废水 COD 处理增加了难度。如近年来风行的碱减量工艺，由于纤维中大量的对苯二甲酸被溶出，导致 COD 含量大幅增加，其废水中COD 可达 20000~80000 mg/L；同样原理，海岛丝工艺的废水中 COD 高达 20000~100000mg/L。
（3）BOD5/COD 比值小、可生化性差：新型工艺中大量采用了 PVA 浆料和新型的印染助剂，在印染工作完成后随废水排出，使得印染废水中的 COD 迅速增加，导致BOD5/COD 则由原来的 0.4~0.5 下降到 0.2 左右。对印染废水的生物处理提出了严峻的挑战。需要人为的增加前处理来提高印染废水的 BOD5/COD 比值及可生化性，这也无形的增加了印染废水处理的成本和难度。
（4）色度高：印染废水中的有机物主要是一些浆料、染料分子、染色助剂和染色整理剂。随废水排出的染料是引起色度高的主要原因，染料分子主要以芳烃和杂环为母体，并带有显色基团和极性基团。这些发色基团都为不饱和原子团，能吸收可见光。印染废水中的污染组分浆料、染料、助剂等本身毒性不大。但是印染废水的色度是对水生生态系统是致命的，染料随废水进入水体，降低水体的透明度，并吸收进入水体的光线，影响水生植物的生长，降低了水体中溶解氧的含量，导致水生动物的生长困难。染料的可生物降解性差，使得进入环境中的染料很难通过水体自净的方式去除。

2 微生物絮凝剂产生菌的筛选分离及鉴定··························9
2.1 材料和方法························10
2.2 结果与讨论······················13
2.3 本章小结····················19
3 菌株 BF-0 培养条件的优化研究 ······················20
3.1 材料与方法·····················20
3.2 结果与讨论····················22
3.3 本章小结·····················29
4 絮凝剂 BF-0 成分分析及絮凝机理初探····························30
4.1 材料与方法·························30
4.2 结果和讨论··························32
4.3 本章小结·························35

结论
本文通过筛选获得了效果较好的产絮凝剂菌种，并对该菌株进行生理生化、分子生物学鉴定，同时对该菌株的培养条件进行了优化研究；絮凝剂组成成分分析，最后对获得的生物絮凝剂进行了模拟印染废水混凝试验。经过上述一系列的研究得出以下结论：
（1）获得了两株絮凝活性良好的高效絮凝剂产生菌。两株菌经过形态学分析、生理生化特性分析以及 16S rDNA 序列同源性比对等方法鉴定，一株为 B. amyloliquefaciensBF-0，另一株为 Bacillus licheniformis. BF-1。为了进一步提高微生物絮凝产生菌的絮凝活性和产凝能力，可使用人工诱变育种技术，对两株菌进行诱变，筛选出产絮凝剂活性更强的菌株。
（2）通过 B. amyloliquefaciens BF-0 发酵产絮凝剂培养条件研究，得出 BF-0 菌株的絮凝活性与菌株生长呈正相关，并在稳定期后达到稳定，最大细胞生长量与最高絮凝活性的时间均在 12 h 左右。相比其他的微生物絮凝剂产生菌获得最佳产凝活性的 48 h 和72 h，其发酵时间明显缩短，这点在工业应用中的价值是不可估量的。

参考文献
[1] 陈元彩，肖 锦．环境科学进展．1999,7(3):84-89[2] Kurane R et al,Agric Biol Chem. 1979, 43 (5): 907-917
[3] 马春燕．印染废水深度处理及回用技术研[D]：[博士学位论文]．上海：东华大学，2007
[4] 马春燕，谭书琼，奚旦立．印染废水处理原则及方法[J]．印染，2010,16:30-32
[5] 谭 艺，林亲铁．印染废水深度处理与回用技术研究进展[J]．广东化工，2009，36(198)：132
[6] 吴 键，戴 桂．微生物细胞的絮凝与微生物絮凝剂[J]．环境污染与防治，1994,(6):27-29
[7] Salehizadeh H, Shojaosadati S A. http://www.dxlws.com/dxdflw/ Extracellular biopolymeric flocculants Recent trendsand biotechnological importance[J]. Biotechnology Advances, 2001, 19(5): 371-385
[8] Takeda M, Kurane R, Koizumi J, et al. Aprotein bioflocculant produced by Rhodococcuserythropolis[J]. Agric. Biol. Chem., 1991, 55: 2663-2664
[9] Kurane R, Hatamochi K, Kakuno T, et al. Purification and characterization of liquidbioflocculant produced by Rhodococcus erythropolis[J]. Biosci.Biotechnol. Biochem., 1994,58: 1977-1982
[10] Nakamura J, Miyashiro S, Hirose Y, et al. Modes of flocculation of yeast cell flocculantproduced by Aspergillus sojae AJ-7002[J]. Agric. Biol. Chem. , 1976a, 40: 1565-1571