生物技術(shù)在印染廢水處理中的應(yīng)用

1、生物技術(shù)在印染廢水處理中的應(yīng)用*(河北科技大學(xué) 生物科學(xué)與工程學(xué)院 河北 石家莊 050018)摘要：針對(duì)生物技術(shù)在印染廢水處理中的應(yīng)用，分別介紹了厭氧生物技術(shù)和酶催化技術(shù)在印染廢水處理中的應(yīng)用。最后，對(duì)生物技術(shù)在印染廢水處理中的發(fā)展方向進(jìn)行了總結(jié)。關(guān)鍵詞：印染廢水 厭氧生物技術(shù) 酶催化技術(shù)Application of biotechnology to the treatment process of printing and dying wastewater*(Hebei university of since and technology school of biological sinc

2、e and medical engineering Hbei Shijiazhuang 050018)Abstract:Aiming at the application of biotechnology to the treatment process of printing and dying wastewater,this paper introduce how to use anaerobic biological treatment and enzymatic catalysis technology to deal with printing and dying wastewate

3、r.Finally,the developing trend of the biotechnology in the treatment process of printing and dying wastewater.Key words: printing and dying wastewater anaerobic biological treatment enzymatic catalysis technology0 引言紡織印染工業(yè)作為中國(guó)具有優(yōu)勢(shì)的傳統(tǒng)支柱行業(yè)之一，20世紀(jì)90年代以來(lái)獲得迅猛發(fā)展，其用水量和排水量也大幅度增長(zhǎng)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)日排放印染廢水量為3000-4000k

4、t，是各行業(yè)中的排污大戶之一。因?yàn)橛∪緩U水有機(jī)物含量高、堿性大、水質(zhì)變化大、廢水量大而成為極難處理的工業(yè)廢水之一。加強(qiáng)印染廢水的處理可以緩解我國(guó)水資源嚴(yán)重匱乏的問(wèn)題，對(duì)保護(hù)環(huán)境、維持生態(tài)平衡起著極其重要的作用。生物技術(shù)應(yīng)用于印染廢水的處理，具有處理費(fèi)用低運(yùn)行較穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。再近些年來(lái)越來(lái)越受關(guān)注?，F(xiàn)代生物技術(shù)在環(huán)境污染治理領(lǐng)域的應(yīng)用主要集中在三個(gè)方面：1.具有高效凈化能力的微生物種類及菌株的尋找分離、篩選以及基因工程菌的人工構(gòu)建；2.常規(guī)生物處理技術(shù)的生物學(xué)原理及強(qiáng)化方法；3.自然生物處理技術(shù)及氧化塘、生物塘、以及綜合生物塘、人工濕地等處理方法。進(jìn)來(lái)，厭氧生物技術(shù)和酶催化技術(shù)以低耗、高負(fù)荷、運(yùn)行

5、費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)而被受關(guān)注。1 厭氧生物技術(shù)在印染廢水處理中的應(yīng)用1.1 印染廢水厭氧降解菌20世紀(jì)30年代，人們發(fā)現(xiàn)乳酸桿菌能脫去著色乳制品的顏色，之后，關(guān)于細(xì)菌脫色作用的研究報(bào)道陸續(xù)出現(xiàn)。Yatona等，用假單胞菌、節(jié)桿菌和芽孢桿菌等微生物進(jìn)行染料脫色降解試驗(yàn)。我國(guó)亦廣泛開(kāi)展了染料脫色菌研究。研究表明，微生物具有極高的降解有機(jī)染料能力。目前，分離得到的脫色微生物主要有真菌(酵母菌、曲霉、青霉)、藻類(小球藻、顫藻)和細(xì)菌(假單胞菌、芽孢桿菌、腸道菌、產(chǎn)堿桿菌、轉(zhuǎn)化桿菌等)，其脫色能力及最佳脫色條件各不相同。這三類微生物中，細(xì)菌在代謝多樣性、生長(zhǎng)速率及脫色能力等方面具有優(yōu)勢(shì)，最有希望在廢水處理中

6、得到廣泛應(yīng)用。Kudlich等認(rèn)為，鞘氨醇單胞菌BN6不需要染料或還原性黃素的跨膜運(yùn)輸，在胞外可降解偶氮染料。這一體系中的醌作為氧化還原介體(RM)，被細(xì)胞膜上的還原酶還原為氫醌，爾后在培養(yǎng)液中對(duì)偶氮染料進(jìn)行純粹的化學(xué)還原降解(圖1)。圖1 偶氮還原酶降解偶氮染料的可能機(jī)理目前已發(fā)現(xiàn)的偶氮染料脫色菌，大多數(shù)是在厭氧條件下非特異性地還原偶氮雙鍵，使偶氮染料脫色。這一過(guò)程是由酶催化的這種酶通常稱為偶氮還原酶。研究表明，厭氧條件下進(jìn)行的偶氮還原反應(yīng)，底物專一性相當(dāng)?shù)?，很多還原型的中間介質(zhì)均能使偶氮化合物還原。目前多數(shù)觀點(diǎn)認(rèn)為，細(xì)菌是利用胞內(nèi)產(chǎn)生的特異性偶氮還原酶完成降解作用的。其具體途徑可能一步完成

7、，也可能由兩步連續(xù)反應(yīng)組成(圖2)。圖2鞘氨醇單胞菌BN6降解偶氮染料的可能機(jī)理Yah等，利用HPLC、MS和離子阱等技術(shù)，初步證明了加氫偶氮苯中問(wèn)體的存在，并提出降解反應(yīng)分兩步完成，第一步為控速步驟，中間體不穩(wěn)定，一旦形成就會(huì)迅速被還原為相應(yīng)的胺。1.2厭氧-好氧聯(lián)合處理技術(shù)在廣泛開(kāi)展染料脫色菌研究的同時(shí)，開(kāi)發(fā)了厭氧一好氧聯(lián)合處理技術(shù)。該技術(shù)利用厭氧消化作用可顯著降低色度、降解PVA和提高BODCOD比值等。戚新，根據(jù)高濃度印染廢水水質(zhì)特性，開(kāi)發(fā)了氣浮-厭氧-好氧處理工藝，并獲得了較好的效益。該系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果表明，在進(jìn)水平均CODcr2 883 mgL和設(shè)定的水力停留時(shí)間(HRT)下，氣浮單元

8、出水CODcr，為1 5390 mgL，厭氧池出水CODcr為l 1920 mgL，好氧池出水CODcr為2253 mgL，總CODcr去除率為922，處理費(fèi)用173元/t水，且處理出水可回用于生產(chǎn)，具有推廣應(yīng)用的潛力。呂宏德，針對(duì)印染廢水為主加少量生活污水的綜合廢水，采用生化+物化的處理工藝。其中，生化工藝為厭氧、好氧，物化工藝為混凝沉淀。該工藝處理效果穩(wěn)定，處理出水達(dá)到國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)。吳慧芳等，采用厭氧折流板反應(yīng)器(ABR)水解生物接觸氧化法處理印染廢水，在ABR的HRT為12 h的條件下，測(cè)定了ABR各格室及生物接觸氧化池出水的色度、CODcr結(jié)果表明，ABR出水色度達(dá)到行業(yè)一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)，

9、最終出水COD達(dá)到行業(yè)二級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)。高品等，對(duì)某染織廠廢水處理系統(tǒng)存在的問(wèn)題及水質(zhì)進(jìn)行了分析，在充分利用現(xiàn)有設(shè)施的前提下，提出了厭氧兼氧水解酸化生物接觸氧化混凝沉淀改造工藝。結(jié)果表明，改造后的廢水處理系統(tǒng)，其對(duì)COD、BOD5、SS、色度的去除率分別為904、914、875、879，出水水質(zhì)達(dá)到了GBT 42871992一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)。1.3 厭氧生物處理厭氧法通過(guò)厭氧分解作用，以降解含偶氮基、蒽醌基和三苯甲烷基染料。這些染料的降解產(chǎn)物為芳香胺類化合物，屬致癌物質(zhì)且在厭氧條件下不能繼續(xù)被降解。因此，使用厭氧反應(yīng)器直接處理印染廢水鮮有報(bào)道。不過(guò)，新型高效厭氧處理裝置的效能已大大提高對(duì)進(jìn)水COD濃度

10、的要求電大為降低。COD值為2 000 mgL的廢水，通過(guò)厭氧消化一級(jí)生物處理也可達(dá)標(biāo)。浙江農(nóng)業(yè)大學(xué)環(huán)保系用管道厭氧處理和向上流動(dòng)厭氧污泥層(UASB)串聯(lián)處理絲綢印染廢水，HRT為1011天時(shí)，COD去除率90，脫色率80以上，若再配以過(guò)濾，效果更佳1.4 厭氧細(xì)胞固定化研究細(xì)胞固定化是指通過(guò)物理、化學(xué)手段使游離細(xì)菌固定在載體上，并使其保持活性而反復(fù)利用。這是生物工程領(lǐng)域中的一項(xiàng)新興技術(shù)，在化工、發(fā)酵生產(chǎn)、能源、醫(yī)藥等行業(yè)應(yīng)用廣泛。用于污水處理方面，按照細(xì)胞的制備方法可分為載體結(jié)合法、交聯(lián)法和包埋法。固定化載體會(huì)阻礙有機(jī)污染物的擴(kuò)散，對(duì)細(xì)胞起保護(hù)作用，使其表面的實(shí)際污染物濃度降低，毒性減小。

11、細(xì)胞經(jīng)固定化后，在裁體與細(xì)胞之間建立了某種物理或化學(xué)聯(lián)系增加了細(xì)胞膜的穩(wěn)定性。固定化細(xì)胞所處的微環(huán)境與游離細(xì)胞不同，這種微環(huán)境的變化可能引起細(xì)胞形態(tài)結(jié)構(gòu)、生理特性及代謝活性的改變。以上固定化細(xì)胞特有的性能，使微生物對(duì)有毒物質(zhì)的承受能力及降解能力明顯提高。固定化微生物技術(shù)與其它環(huán)境治理技術(shù)相比，具有以下特點(diǎn)：(1)可以保持反應(yīng)器內(nèi)微生物的高濃度和高活性，有助于提高污染物的處理負(fù)荷和去除效率；(2)污泥產(chǎn)量低，減輕了后續(xù)污泥處理負(fù)擔(dān)；(3)形成顆粒態(tài)，利于沉淀過(guò)程的泥水分離；(4)將某些難降解的微生物固定化，能有效處理某些廢水；(5)該技術(shù)對(duì)有毒物質(zhì)的承受能力強(qiáng)，穩(wěn)定性好。固定化細(xì)胞是一種很有前途

12、的處理技術(shù)，特別適用于抑菌性強(qiáng)的廢水處理。今后的研究熱點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)這一技術(shù)的實(shí)用化與工業(yè)化。2 酶催化技術(shù)在印染廢水處理中的應(yīng)用2.1 酶催化技術(shù)的研究與發(fā)展現(xiàn)狀生物酶是一種對(duì)環(huán)境友好的生物催化劑,具有較大優(yōu)越性。如反應(yīng)速度快、處理?xiàng)l件( 如溫度、pH 值等) 較溫和、操作安全易控制和可取代強(qiáng)堿等化學(xué)品。生物酶僅對(duì)特定的底物起作用, 對(duì)基質(zhì)損傷小, 處理產(chǎn)生的廢水可生物降解, 降低水及能源的消耗。酶作為生物催化劑是生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的重要一環(huán), 它廣泛應(yīng)用于輕工、化工、醫(yī)藥衛(wèi)生、食品、環(huán)保等行業(yè), 酶制劑生產(chǎn)已成為21 世紀(jì)的新興產(chǎn)業(yè)之一, 即利用酶的催化特性對(duì)對(duì)象進(jìn)行有用物質(zhì)的生產(chǎn)或有害廢物的分解。

13、幾年來(lái),環(huán)保用酶制劑與酶技術(shù)已經(jīng)開(kāi)始引起學(xué)術(shù)界的關(guān)注。我國(guó)從20 世紀(jì)60 年代開(kāi)始注意酶工程研究和酶制劑的開(kāi)發(fā),與國(guó)外在這方面的研究相比, 國(guó)內(nèi)環(huán)保用酶的研究工作剛剛起步, 在實(shí)現(xiàn)工業(yè)化、商品化應(yīng)用方面基本處于空白。國(guó)內(nèi)酶制劑工業(yè)的現(xiàn)狀是投入少、缺乏核心技術(shù)、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不合理、品種單一, 重復(fù)建設(shè)現(xiàn)象嚴(yán)重, 酶制劑應(yīng)用領(lǐng)域僅局限于淀粉加工、洗滌劑工業(yè)等, 影響了酶制劑行業(yè)的發(fā)展及應(yīng)用領(lǐng)域的開(kāi)拓。環(huán)保用酶受此影響, 處理成本高, 使用推廣慢。2.2 環(huán)保用酶催化技術(shù)應(yīng)用歷史采用酶制劑進(jìn)行廢水處理已經(jīng)有相當(dāng)長(zhǎng)的研究歷史,近幾年得到較快的應(yīng)用。酶與酶技術(shù)的應(yīng)用對(duì)解決生活污水、工業(yè)廢水、垃圾滲濾液的無(wú)

14、害化處理帶來(lái)嶄新的突破, 對(duì)環(huán)保領(lǐng)域帶來(lái)新的技術(shù)革命具有積極的意義。第一, 在產(chǎn)品加工過(guò)程中用酶來(lái)替代化學(xué)品( 生物過(guò)程代替化學(xué)過(guò)程反應(yīng)溫和) 可以降低生產(chǎn)活動(dòng)中的污染水平, 有利于實(shí)現(xiàn)工藝過(guò)程生態(tài)化或無(wú)廢生產(chǎn), 真正實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn); 第二, 酶作為生物催化劑, 只對(duì)產(chǎn)品內(nèi)容起作用, 使產(chǎn)品在過(guò)程中產(chǎn)生的污染大大減少, 利于環(huán)境保護(hù); 第三, 酶的反應(yīng)條件溫和, 專一性強(qiáng), 催化效率高等自身的特點(diǎn), 決定了對(duì)污染物處理和環(huán)境監(jiān)測(cè)具有高效、快速、可靠的優(yōu)點(diǎn)。因此, 酶工程技術(shù)在環(huán)境治理領(lǐng)域具有廣闊的前景。隨著高效酶制劑的大量生產(chǎn)、酶固定化技術(shù)、酶反應(yīng)器等技術(shù)研究的不斷成熟, 環(huán)保用酶與酶技術(shù)在廢水

15、處理工程實(shí)踐方面得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。早在20 世紀(jì)80 年代, 固定化酶已被用于水和空氣的凈化。國(guó)外利用固定化酶處理工業(yè)廢水的研究與應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)成熟, 將能處理廢水的酶制成固定化酶, 根據(jù)所處理物質(zhì)的不同, 選用不同的固定化酶。也可以裝成多酶酶柱, 以彌補(bǔ)單一酶的局限性。如果某些酶不能并存, 就各自單獨(dú)裝柱。2.3 生物酶催化技術(shù)去除污染物的機(jī)理將生物酶催化技術(shù)應(yīng)用于污染物的去除,是采用不同于普通微生物菌的系列生物酶、菌結(jié)合技術(shù), 通過(guò)酶打開(kāi)污染物質(zhì)中更復(fù)雜的化學(xué)鏈, 將其迅速降解為小分子, 從高分子有機(jī)物降解為低分子有機(jī)物或CO2、H2O 等無(wú)機(jī)物, 降低COD 值, 從而達(dá)到去除污染物的目的

16、, 大大降低污水處理費(fèi)用。生物酶處理有機(jī)物的機(jī)理是先通過(guò)酶反應(yīng)形成游離基, 然后游離基發(fā)生化學(xué)聚合反應(yīng)生成高分子化合物沉淀。與其他微生物處理相比, 酶處理法具有催化效能高、反應(yīng)條件溫和、對(duì)廢水質(zhì)量及設(shè)備情況要求較低, 反應(yīng)速度快,對(duì)溫度、濃度和有毒物質(zhì)適應(yīng)范圍廣, 可以重復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)。2.4 酶催化技術(shù)優(yōu)點(diǎn)應(yīng)用酶催化技術(shù)處理印染廢水, 可以高效迅速的降解廢水中的污染物濃度, 包括COD、BOD、染料中的苯系、萘系、蒽醌系以及苯胺、硝基苯、酚類污染物以及廢水中的各種助劑污染物, 并可提高廢水的可生化性, 為后續(xù)處理創(chuàng)造條件。（1） 污水處理效率高, 出水水質(zhì)好。與傳統(tǒng)方法比較, 酶促污水處理效率

17、高出幾十倍。（2） 有效處理高濃度難降解廢水,尤其是高濃度難降解印染廢水。（3）技術(shù)適應(yīng)性強(qiáng)。生物酶可在常溫常壓、溫和的反應(yīng)條件下進(jìn)行高效的催化反應(yīng), 污染物中難降解物質(zhì)在酶的催化下能得以處理, 降解速度快, 反應(yīng)時(shí)間短,并且生物酶穩(wěn)定性較高, 有利于底物、產(chǎn)物的分離, 可以在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)連續(xù)裝柱反應(yīng),其反應(yīng)過(guò)程可以嚴(yán)格控制, 可實(shí)現(xiàn)連續(xù)化、自動(dòng)化的廢水處理, 提高了酶的利用效率, 降低處理成本, 大大提高處理效果。（4）生物酶反應(yīng)器需氧量小, 不需要攪拌, 可在常溫下進(jìn)行,其副產(chǎn)物少,反應(yīng)器的容積負(fù)荷可以根據(jù)進(jìn)水水量與水質(zhì)進(jìn)行任意調(diào)節(jié)和控制,多級(jí)生物酶反應(yīng)器可根據(jù)廢水處理量, 設(shè)并聯(lián)或者串聯(lián),

18、 連接用管閥自動(dòng)開(kāi)啟或閉合。（5）酶生物反應(yīng)器較之傳統(tǒng)的生物濾池等菌群處理方法, 基本無(wú)污泥產(chǎn)生, 運(yùn)行方便,操作簡(jiǎn)單, 大大降低運(yùn)行成本。（6）運(yùn)行中無(wú)不良?xì)馕? 不產(chǎn)生池蠅。（7）建設(shè)投資和運(yùn)營(yíng)成本顯著下降。項(xiàng)目建設(shè)投資少, 運(yùn)行成本低。3 展望在科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展的今天，運(yùn)用生物技術(shù)這種低能耗、高效的方式進(jìn)行印染廢水的處理必將成為一種主流。同時(shí)，運(yùn)用生物技術(shù)處理印染廢水的方式也可以滿足印染廢水處理逐漸復(fù)雜化、規(guī)?；蛧?yán)格化的要求。隨著厭氧生物技術(shù)、酶催化技術(shù)等生物技術(shù)的不斷發(fā)展，印染廢水將會(huì)得到更恰當(dāng)，更妥善的處理。運(yùn)用生物技術(shù)來(lái)處理印染廢水也可以很好的保護(hù)生態(tài)環(huán)境，避免印染廢水對(duì)環(huán)境的破壞（如造成水體缺氧、污染地下水等）?？傊锛夹g(shù)處理印染廢水的方式的逐步完善將給印染廢水的處理帶來(lái)新的希望。參考文獻(xiàn)：1沈東升，我國(guó)印染廢水處理技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)J.環(huán)境污染與防治，1996，18（1）2陳世和.微生物學(xué)原來(lái)M.上海同濟(jì)大學(xué)出版社，20003尤進(jìn)人，王福，辛仁洪.生物厭氧-好氧處理在印染廢水治理中的應(yīng)用J.印染，2006，32（16）4SuzukiY,Y oda T,RuhulA,etal Molecular cloning and characterization of the gene coding for azoreducaste from Bacillus sp.