嗜黑液菌的生物反应特性及应用研究

【摘要】： 制浆造纸工业是我国水污染最严重的行业之一，其中草类碱法制浆工艺产生的黑液具有COD浓度高，碱性强，含盐量大等特点，使得黑液的治理成为目前工业废水处理中最难解决的问题。本文从黑液塘底泥中分离出能够降解黑液组分的嗜黑液菌，并研究了该类微生物的生物特性和黑液厌氧降解机理，同时设计出新的折流式厌氧反应器，通过研究其动力学特性，来实现黑液厌氧生物降解过程。 本文主要的内容和结论为： (1)以草浆厂的黑液贮存塘底泥作为菌种的来源，在相应的培养基中进行一定条件下的培养，通过多次微生物的纯化分离后，得到纯种微生物，再对该微生物进行特征培养，从形态学和生理学的角度对其进行了初步鉴定。结果表明，分离出的微生物不但能够适应制浆黑液这种强碱、强渗透压、高浓度盐含量的极端环境，而且生长繁殖良好，因此，认为该微生物可能是一种兼性厌氧的嗜碱性放线菌，并命名为嗜黑液菌，通过生物特性研究发现该微生物能够较大量地降解黑液中的木质素和聚糖类。 (2)利用培养的极端微生物对草浆黑液进行生化降解，通过测定草浆黑液中的木质素、聚糖含量、pH、COD等参数的变化分析了草浆黑液的生物降解机理。另外，研究了厌氧降解后木质素的甲氧基、羰基、羧基和醌基等官能团的变化，以及木质素分子量的分布变化，核磁共振氢谱和元素组成分析。研究结果表明：制浆黑液在极端厌氧微生物的生化作用下，不但其中50％以上的聚糖类物质能被极端微生物降解，而且结构复杂的木质素也能被降解，总降解率最高可达到30％以上，研究发现，黑液在厌氧降解过程中，其木质素结构会发生一定的变化，主要表现为分子量大于4950的大分子木质素发生碎片化反应，生成可溶性小分子有机物。木质素结构中的香豆满和松脂醇结构的破坏，以及β-O-4和β-β键的断裂都有可能发生。木质素在厌氧降解过程中，还会发生脱甲基反应，从而在微生物作用下，一方面发生β-醚键的氧化断裂，另一方面通过无氧还原代谢作用，使木质素逐渐降解为小分子的有机酸。 (3)设计了一种新型折流式反应器，命名为中心流式折流厌氧反应器CABR(Center Anaerobic Baffled Reactor)，针对制浆黑液难生物降解的特点，从设计上对以下几个方面进行了强化，并获得到了较好的效果：通过填加少量颗粒活性炭促进污泥的颗粒化，同时采用污泥内循环的方式，并增加最外层反应室的体积来提高污泥停留时间，保证了生长缓慢的厌氧微生物在反应器中保持一定的数量；采用污泥内循环搅拌和废水的外循环搅拌，从而保证固液能够充分混合接触，提高了传质效率；采用折流式的方式，将反应器隔成三个独立的反应室，而且根据不同阶段的微生物的世代时间，每个反应室设计成不同的容积，这样，使不同的微生物生活在相对独立的空间，不会受到其它微生物和不良环境的影响。从实验结果和动力学参数的计算结果来看，中层微生物降解基质的能力较强，而且反应速度较快，而内层微生物的增长速率快，消耗有机物的能力也较强。 (4)对反应器的基质降解动力学和微生物增长动力学方程进行了初步研究，得出相应的动力学参数。并通过实验探讨了基质降解和微生物增长的影响因素。结果表明，污泥浓度的增加，有助于提高厌氧微生物对于黑液环境的适应性，因此微生物的活性较高，COD去除率、糖类化合物去除率和产气量随着污泥浓度的增加而增加，pH下降得也较多；黑液初始COD浓度增加，一方面增加了营养物质对微生物的供给，一方面其它毒性物质也同时增加，因此，当黑液初始COD浓度在较低范围内(小于2000mg／L)，COD去除率、糖去除率糖和产气量逐渐增加，而当黑液初始COD大于2000mg／L时，变化趋势则相反；当水力停留时间增加时，则黑液COD的去除率增加，同时由于污泥停留时间也相应增加，微生物能充分厌氧降解黑液中有机物；增加回流比也是通过增加污泥在反应器的停留时间，从而能够保持反应器中生长足够数量的厌氧微生物来降解有机物。经过实验，本反应器CABR对黑液COD的处理效率能达到60％左右。