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焦化废水处理工艺
发布时间:2020-12-21  文章来源:AUMA电动执行器_矿浆浓度计_电力巡检机器人_机器人成套方案_熄焦控制系统_鞍山开普自动化系统工程有限公司  浏览量:2610

苯酚是造纸、炼焦、纺织和石油化工等工业废水中的主要污染物,即使在低浓度下对生物体也有***害作用,如果不加以处理,会对人类健康和农作物的生长造成不良影响〔1〕,中国等许多国家已将其列为重点污染物。在环境中,利用微生物的活动降解苯酚具有处理成本低、二次污染小等优点〔2〕。国内外学者已分离得到一些降解苯酚的菌株,主要有假单胞菌(Pseudonomonas sp.)、酵母菌(Yeast trichosporon)、真养产碱菌(Alcaligenes eutrophus)等〔3, 4〕。这些菌种的生长都能以苯酚为单一碳源,但不同的微生物菌种和实验条件会导致微生物降解能力差异较大。

本实验从焦化废水处理系统中分离出一株沙雷氏菌株,该菌种能以苯酚为******碳源和能源,并且能够适应焦化废水复杂的水质环境。对该菌株的生长特性和动力学特性进行了研究,以进一步了解焦化废水中微生物的特性,从而为焦化废水的生物处理提供一定的理论基础。

1 材料与方法

1.1 实验材料

1.1.1 菌株

实验所用菌株分离自首都钢铁集团焦化厂曝气池中的活性污泥。

1.1.2 培养基

富集培养基:牛肉膏5.0 g,蛋白胨10.0 g,NaCl 5.0 g,蒸馏水1 000 mL。

******碳源培养基:KH2PO4 2.0 g,NH4Cl 1.0 g, CaCl2·2H2O 60.0 mg,MgCl2·6H2O 50.0 mg,FeCl3· 6H2O 2.5 mg,NaNO3 10.0 mg,Na2SO4 10.0 mg,蒸馏水1 000 mL,苯酚(根据需要加入)。

1.2 实验方法

1.2.1 菌种的驯化和分离

首先取5 mL 活性污泥,在富集培养基中对其进行富集培养,培养24 h 后转移到******碳源培养基中进行筛选。为使苯酚降解菌成为活性污泥体系中的优势菌种,在******碳源培养基中利用苯酚为******碳源进行梯度驯化,同时对水质进行监测并观察微生物生长情况。因为首钢焦化废水在进入生物处理系统前经过预处理,苯酚质量浓度在400 mg/L 左右,因此实验确定******碳源培养基中苯酚的质量浓度***终达到400 mg/L,共驯化288 h。

取经过驯化后的菌种培养液倍比稀释,涂布于富集培养基平板上,于30 ℃恒温培养箱中倒置培养,然后根据菌落形态,如菌落大小、边缘性状、菌落颜色、隆起程度和表面形状等的差别,对各菌落反复划线分离,得到纯菌株。之后将各菌落接种在富集培养基斜面上,于4 ℃冰箱中保藏,备用。

1.2.2 苯酚降解菌的筛选

用接种环取各接种斜面菌苔上的菌落,分别接种于装有50 mL 400 mg/L 苯酚及富集培养基的三角瓶内,调pH 为7.5,温度为30 ℃,在转速为120 r/min 的条件下振荡培养,同时做不接种对照。分别测定不同培养时间下各培养瓶内苯酚浓度,计算苯酚降解率。选取苯酚降解率较高的菌株作为优势菌株。

1.2.3 菌种******降解条件研究和动力学实验方法

通过研究pH、温度、菌种量和初始苯酚浓度对菌株生长及降解苯酚的影响,确定菌株***适生长条件。苯酚降解动力学实验在菌株***适生长条件下进行,******碳源培养基中初始苯酚质量浓度在0~400 mg/L,通过考察不同培养时间下菌体生长和苯酚降解情况,对菌株的生长特性和动力学特性进行研究。

1.2.4 分析方法

菌种浓度的测定采用比浊法〔5〕,使用分光光度计于波长600 nm 处测定其OD 值。苯酚含量采用 4-氨基安替吡啉直接吸光光度法进行测定〔6〕。

2 结果与讨论

2.1 菌种的分离及生理生化特性

经过分离纯化,共得到3 株具有较强降酚能力的菌株。经过进一步筛选,确定其中一株具有较高的苯酚降解效率。该菌株在富集培养基上生长,菌落表面光滑,呈圆形凸起,质地湿润,边缘整齐,呈红色。其生理生化特性如表 1 所示。初步确定该菌种为沙雷氏菌属〔7〕。后续实验均以该菌株为研究对象。

2.2 菌种降解条件研究

2.2.1 pH 对菌株降酚性能的影响

分别选取不同初始pH 的******碳源培养基对菌株进行培养,其他培养条件:温度为30 ℃,菌种量为 5%,初始苯酚质量浓度为400 mg/L,培养时间为 24 h。pH 对菌株降酚性能的影响

当pH<8.0 时,苯酚降解率随 pH 的升高而增大;当pH>8.0 时,苯酚降解率随pH 的升高而降低。这可能是由于pH 过高,抑制了菌种的生长和降酚酶的活性。相对而言,在pH=8.0 的条件下,菌株降解苯酚的效果******。

2.2.2 温度对菌株降酚性能的影响

分别在温度为15、20、25、30、35 ℃的条件下培养菌株,其他培养条件:pH 为8.0,菌种量为5%,初始苯酚质量浓度为400 mg/L,培养时间为24 h。温度对菌株降酚性能的影响实验结果表明,在30~35 ℃ 范围内,菌株降酚性能较好,这说明在此温度内菌株细胞内的酶促反应速率较大,降解苯酚的速率较快。在温度为15 ℃和40 ℃时,降酚性能较低,这是因为在低温下酶的活性降低,而高温下,酶发生变性,丧失了生物活性。在温度为30 ℃下,菌株的生长情况和降酚性能******。

2.2.3 菌种量对菌株降酚性能的影响

本实验选用菌种量分别为2%、5%、10%,其数值为菌种菌悬液与培养基的体积比。其他培养条件: pH 为8.0,温度为30 ℃,初始苯酚质量浓度为400 mg/L。菌种量对菌株降酚性能的影响

随着菌种量的增加,苯酚降解率也在增加,这也说明了菌种量的增加,可缩短菌株的迟滞期。虽然适当增加投菌量,有利于快速去除水体中的苯酚,但过多的增加投菌量并不能有效提高降解速率,反而增加了处理成本。综合考虑,本实验采用的菌种量为5%。

2.2.4 初始苯酚浓度对菌株降酚性能的影响

调节初始苯酚质量浓度为100、200、300、400、 500 mg/L,其他培养条件:pH 为8.0,温度为30 ℃,菌种量为5%,培养时间为12 h。初始苯酚浓度对菌株降酚性能的影响

随着苯酚初始浓度的增加,菌株的生长繁殖速率和苯酚的降解速率随之下降。由此可以看出,苯酚对该菌株有一定的***性,可抑制菌体的生长和繁殖,影响其对苯酚的降解。

2.3 菌种生长曲线及降解特性

将增值培养所得的菌种菌悬液接种于苯酚质量浓度为400 mg/L 的******碳源培养基中,在******培养条件下进行振荡培养。测定不同培养时间下的菌种浓度和苯酚浓度

菌株经过32 h 停滞期后进入对数增长期,60 h 以后处于稳定期。在52 h 内,该菌株能将400 mg/L 的苯酚完全降解。由苯酚降解曲线还可以看出,苯酚的降解主要发生在菌种的对数增长期,这主要是因为菌株在对数增长期时增值能力较强,对碳源的需求量大。培养120 h 后,碳源相对减少,随着营养物质的逐渐减少,菌体开始部分死亡,此阶段为菌株生长的衰亡期。菌种浓度下降的原因有3 个: 一是部分菌体因为粘结形成菌胶团而沉积在培养瓶底部; 二是菌种受到大量代谢废物的***害而发生自溶现象,造成培养液中的菌体密度下降;三是培养基中营养物质减少,导致菌种的生长速率逐渐下降甚至为0,死亡数渐增,菌种进入衰亡期。

2.4 菌种降解动力学研究

2.4.1 低浓度苯酚菌株生长动力学

对单底物生物降解,一般采用Monod 动力学模型描述菌种细胞的比增长速率。Monod 方程描述的是微生物生长和限制生长的基质浓度之间的关系,适用于******基质不进行自我抑制情况。

由图 5 可知,实验数据与模型预测吻合良好。当苯酚初始质量浓度<50 mg/L 时,菌种的比增长速率随着苯酚浓度的增加而增大,当苯酚初始质量浓度>50 mg/L 时,菌种的比增长速率有所下降,此时,苯酚对菌种的生长产生了抑制作用。

拟合所得Monod 方程动力学参数:μmax=0.438 h-1, KS=27.206 mg/L。所得Monod 方程为μ= 0.438 S/(27.206+S) 。

2.4.2 高浓度苯酚菌株生长动力学

对于存在有***底物的污水,***物浓度达到一定值后微生物的活动将会受到抑制。目前,相关学者已经提出了几个数学模型用来定量描述有***底物的抑制效果,其中大多数是由酶反应动力学演变而来, Haldane 方程是其中***常用的底物抑制细胞生长动力学模型之一。方程表示为:

实验数据与模型预测吻合良好。当苯酚初始质量浓度>50 mg/L 时,随着苯酚浓度的增加,菌种的比增长速率逐渐下降,这是因为当苯酚浓度较高时,底物抑制作用成为主导作用,菌株的生长速率受到抑制。

拟合所得Haldane 方程动力学参数: μmax = 0.398 h-1,KS=9.70 mg/L,Ki=263.96 mg/L。所得Haldane 方程为μ= 0.398S/(9.7+S+ S2/263.96)。

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