摘要:比较了几株白腐真菌在造纸黑液废水中的挂膜生长状况及其对黑液废水的处理效果 .结果表明 ,在 pH 6 .0的废水中添加葡萄糖 1.0 g/L ,酒石酸铵 0 .2 g/L及适量无机盐时 ,黄孢原毛平革菌 (Phanerochaetechrysosporium)和侧耳菌 (Pleurotusostieatus)以及本实验室自选的白腐真菌S2 2的挂膜状况和对黑液废水的处理效果最好 .废水中添加的葡萄糖和酒石酸铵的浓度分别为 1.0g/L和 0 .2 g/L时 ,侧耳菌的挂膜和对黑液废水的处理效果最佳 .S2 2菌在 pH10 .0时其木质素降解率和COD去除率最高 ,分别可达 84 %和 6 9% .黄孢原毛平革菌、侧耳菌和S2 2菌能够在碱性较强的废水中生长挂膜并显著降解木质素 ,表现出对废水很强的适应能力 .生物膜对黑液废水的半连续化处理结果表明了生物膜法的优越性 . 关键词:白腐真菌,黑液废水,木质素,COD 目前我国造纸工业中草类制浆占有很大比重 ,造纸原料经高温碱液蒸煮脱木素后排出的黑液废水是造纸工业最大的污染源 ,已对环境造成极大威胁 . 废水中所含的氯化木素及其降解产物如氯代酚、氯代儿茶酚和齐聚类衍生物等是产生造纸黑液废水毒性和颜色的主要物质 .白腐真菌是自然界中唯一能够降解天然高分子物质———木质素的一类真菌 ,它们对木素类污染物质的独特降解能力和降解机制 ,使得它们在废水脱色和降低COD方面表现出了良好的处理效果 ,从而日益引起人们的重视[1~ 3 ] .黄孢原毛平革菌可利用化学机械法制浆废液中的碳源繁衍 ,对废液中的污染物质具有显著的降解能力[4,5] . 用白腐菌处理蔗渣浆CEH漂白废水和制浆漂白废水 ,可有效地进行脱色[6~ 8] .本文主要考察了 5株不同的白腐真菌在造纸黑液废水中挂膜生长的状况 ,以及对黑液废水中木质素和COD的去除效果 ,并对影响菌株挂膜和木质素降解的碳氮源浓度、无机盐的存在和 pH值等因素进行了研究 ,从而为白腐真菌在造纸黑液废水治理中的实际应用提供了一定的理论依据 . 1 材料与方法
实验结果表明( 图3) , 葡萄糖质量浓度为1. 0 g/ L 和10. 0g / L 时木质素降解率大致相同, 在d 10 时, 木质素降解率分别为68%和67%, 木质素含量从920 mg/ L 分别降低至294 mg/L 和304 mg/ L. 但在d 7 时, 1. 0 g/ L 条件下已有65%的木质素降解, 而10. 0 g/ L 时木质素降解率为58%, 说明在1. 0 g/ L条件下不仅降解率高而且降解速率较快. 随后降解率的提高不甚明显. 葡萄糖浓度为20. 0 g/ L 和50. 0 g/ L 时, 木质素降解率明显下降. 同时注意到, 在不添加碳氮源的情况下, 有无机盐存在时木质素降解率可达58%, 没有无机盐时木质素降解率只有45%, 这一方面表明无机盐对木质素的降解起着重要作用, 另一方面也表明白腐真菌可以利用废水本身所含的某些物质生长并分泌木质素降解酶. 当仅仅不添加碳源( 0 g/ L 的情况) 时, 木质素降解率只低于1. 0 g/ L 和10. 0 g/ L 条件下的木质素降解率, 而比其他浓度条件下的木质素降解率都要高. 这说明白腐真菌虽然可以利用废水本身所含的某些物质生长, 但在废水中添加适量的碳源对于木质素降解率的提高是非常必要的, 而过多的碳源显然不利于木质素的有效降解.
COD 的去除情况见图4. 从图中可见, COD 去除率的变化趋势与木质素降解率类似. 葡萄糖浓度为1. 0 g/ L 时COD 去除率最高达45%, ( COD) 从4 580 mg / L 降低至2 519 mg/ L;葡萄糖浓度提高到10. 0 g/ L 时, COD 去除率虽有提高, 但只增加了3%, 提高的程度不大; 而当葡萄糖浓度增大到20. 0 g/L 和50. 0 g / L 时, COD 去除率则显著下降, 低于35%. 当不添加任何成分时, COD 虽有一定程度的去除, 但比其它条件下的COD 去除率都要低; 而一旦添加了无机盐( 不添加碳氮源) ,COD 去除率从29%提高到37%. 因此在COD 的去除过程中,无机盐是起了一定作用的. 据文献报道[ 3, 11] , 在木质素降解和纸浆漂白废水脱色的过程中, 木质素过氧化物酶和锰过氧化物酶是主要的木质素降解酶. 以香菇菌处理制浆厂废水时, 发现适量的碳源有利于菌丝生长, 但只在一定浓度范围内对COD的去除有效, 过量的碳源会影响木质素降解酶的活力, 从而影响废水的处理效果[ 12] . 在本实验中, 葡萄糖浓度控制在1. 0 g/L 即可, 过多无益.从挂膜生长的情况来看, 在葡萄糖浓度为1. 0 g / L 和10. 0g / L 的废水培养基中, 侧耳菌的挂膜情况明显优于其它条件下的膜生长情况, 目视观察在4~ 5 d 时基本完成挂膜. 在20. 0g / L 和50. 0 g/ L 的浓度条件下, 生物量较少, 导致挂膜量也较小. 在不添加碳氮源只有无机盐的废水中, 以及当不添加任何成分时, 生物量很小且挂膜也很少. 因此过量的碳源及不添加碳源显然都对生长不利; 无机盐的存在对菌丝的生长挂膜十分重要, 从而影响着木质素的降解和COD 的去除.
由图可见, 酒石酸铵浓度的大小对黑液废水的处理效果有较大影响. 当不添加氮源时, 木质素降解率和COD 去除率分别为63%和35%; 随着酒石酸铵的浓度增大至0. 2 g/ L, 木质素降解率和COD 去除率分别增大至70%和48%, 木质素可从925 mg/ L 降为278 mg/ L,( COD) 可从4 570 mg/ L 降为2 376 mg/ L; 继续增大氮源浓度至2. 0 g/ L 时, 木质素降解率和COD 去除率均显著下降, 仅为34%和29%; 当酒石酸铵浓度增大到10. 0 g/ L 时, 木质素降解率仅为27%, COD 去除率也仅为21%. 由此可见, 适量添加氮源能够有效地提高侧耳菌对黑液废水的处理效果, 但过量的氮源可能会抑制木质素降解酶的分泌, 因而抑制侧耳菌对木质素的降解作用, 从而影响黑液废水的处理效果.侧耳菌在黑液废水中的挂膜生长情况与上述木质素降解情况基本一致, 在0 g/ L 和0. 2 g/ L 的氮源浓度下, 生物膜生长良好, 生长量大, 挂膜快, 4~ 5 d 时基本完成挂膜. 而在其它浓度条件下, 生物量较少, 挂膜量小. 因此选择0. 2 g/ L 的酒石酸铵浓度较适宜.在上述考察外加碳氮源影响的实验中, 随着葡萄糖和酒石酸铵浓度的增大, 黑液废水的初始COD 也相应增大, 但由于微生物在生长过程中是不断消耗碳氮源的, 因此难以将黑液本身的COD 与碳氮源所占的COD 区分开来. 故在本实验中仍以总COD 去除率来计算.
由图7 和图8 可见, 当废水培养基的pH 在7. 0~ 9. 0 范围内时, 黄孢原毛平革菌对黑液废水的处理效果最佳, 木质素降解率和COD 去除率分别可达78%( pH 9. 0) 和65%( pH 8. 0) .在pH 10. 0 和pH 11. 0 条件下, 则以S22 菌株对黑液废水的处理效果最好, 木质素降解率和COD 去除率分别可达84% ( pH10) 和69%( pH 10) , 木质素可从960 mg/ L 降为154 mg/ L, ( COD) 可从4 850 mg/ L 降为1 504 mg/ L. 有文献报道Ox ysp orus sp. 和Pl. chrysosp or ium 能够降解木质素, 它们的木质素降解率分别为70%和60%[ 14] , 均低于上述实验结果. 此结果表明, 这3 种菌株在较强的碱性环境中都能显著地降解木质素和去除COD, 同时挂膜生长的情况表明它们在碱性条件下均能生长挂膜. 但每种菌株生长的适宜pH 是不同的, 黄孢原毛平革菌和侧耳菌在pH 7. 0, pH 8. 0 和pH 9. 0 条件下生长挂膜比较好, pH 10. 0 和pH 11. 0 时次之。而S22 菌株在pH 8. 0~10. 0 范围内生长挂膜的情况差不多, pH 11. 0 时稍差一些. 由于造纸黑液废水是强碱性的, 因此这3 株白腐真菌能够在碱性环境中生长挂膜并降解木质素的独特优势, 为以生物技术治理造纸黑液的进一步研究奠定了基础. 白腐真菌在碱性环境中的这种生长与降解木质素的能力尚未见报道.
由表1 的实验结果可知, 在相同的培养条件下, 在第2 次和第3 次循环中, 木质素降解率和COD 去除率都逐渐增大, 表明生物膜可以较长时间地维持活性, 持续地处理废水. 随着新鲜培养基的更换, 脱落下来的老化生物膜和部分代谢产物被移去, 减少了后者对木质素降解酶的反馈抑制作用; 同时微生物不断地从新鲜的废水培养基中汲取营养, 继续生长, 维持生物膜的活性, 从而使黑液废水的处理效果得以稳定. 同时可见, 由于采用挂膜生长的方式, 易于实现半连续化处理. 与游离生长方式相比, 挂膜生物量在半连续化处理过程中具有生物量流失较少, 生物量的重复利用率高以及处理效果更佳的优势, 由此也为生物膜法连续处理黑液废水的可行性奠定了基础. 这方面的研究工作正在进行中. |