（环境工程专业论文）降解btx的复合微生物菌剂制备及高效降解菌的研究.pdf

浙江工业大学硕士研究生学位论文 能力都达到最高。当苯、甲苯、乙苯和邻二甲苯的浓度分别低于 5 0 0 m g l 、3 0 0 m g l 、1 0 0 m g l 和1 2 5 m g l 时，菌株生长良好，且苯系 物在1 2 0 h 内大致被降解完全。菌株对单一底物和混合底物的降解特性 表明，其在混合底物的情况下生长与降解能力要稍弱于对单一底物的 降解能力，菌株苯2 2 、甲苯3 - 1 、甲苯3 2 、h 1 4 对4 种苯系化合物 的降解难易程度分别为邻二甲苯 乙苯 甲苯 苯、邻二甲苯 乙苯 苯 甲苯、邻二甲苯 乙苯 苯 甲苯、邻二甲苯 乙苯 甲苯 苯。 基于上述菌株的降解特性制备的菌剂，其对苯系物的降解性能与 对应菌株降解性能相似，表明上述菌株在本试验的制备工艺中均可实 现高密度发酵，而保留其对目标污染物的高效降解性能，可用于高效 菌剂的制备。 对选育的野生型菌株进行6 0 c o 丫射线诱变，成功获得两株对b t x 降解能力得到进一步提升的正突变株1 1 0 0 0 4 、7 1 0 0 0 1 。正突变菌 株1 1 0 0 0 4 相对于原始野生型菌株苯2 - 2 ，对苯、甲苯、邻二甲苯的 降解能力可分别提高4 1 6 、3 1 6 、3 3 左右；突变菌株7 1 0 0 0 1 相对于原始菌株h 1 4 ，其降解能力的提高更为明显，对苯、甲苯、邻 二甲苯的降解能力分别提高了7 0 、3 1 4 、3 3 3 。同时这两株菌株 具有良好的的传代稳定性，其诱变获得的优良性状不会因传代而丢失， 可为特效菌剂制备奠定基础。 关键词：苯系物，复合微生物菌剂，去除率，菌株选育，p c r d g g e ， 诱变育种 1 1 浙江工业大学硕士研究生学位论文 r e s e a r c ho np r e p a r a t i o no fc 0 口o s i t e c r o o r g a n i s ma g e n ta n di t sm g h e f f i c i e n c y c r o b i a ls t r a i n sd e g r ad i n gb t x a bs t r a c t t h ea c t i v a t e ds l u d g ew i t hh i g he f f i c i e n c yf o r t h er e m o v a lo fb e n z e n e ， t o l u e n e ，a n dd - x y l e n e ( b t x ) w a si n o c u l a t e do nas p e c i f i cc a r r i e ra n d e n r i c h e dv i aaf e r m e n t a t i o np r o c e s s t h u s ，t h ec o m p o s i t em i c r o o r g a n i s m a g e n ta p p l i e df o rb t xd e g r a d a t i o nw a ss u c c e s s f u l l yp r e p a r e d i nt h e m i c r o o r g a n i s ma g e n t ，t h ea c t i v eo r g a n i s m sw a sm o r et h a n10 9c f u g ，a n d w a t e rc o n t e n tw a sl e s st h a n5 t h em i c r o o r g a n i s ma g e n t ，i n s t e a do ft h e a c c l i m a t e da c t i v a t e ds l u d g e ，c o u l db ee m p l o y e df o rt h es t a r t u po ft h e r e a c t o rt op u r i f yb t xw i t h o u ts u b s t a n t i a ll o s so fr e m o v a lc a p a c i t y t h e e f f e c to fs e v e r a lo p e r a t i n gp a r a m e t e r s ，i n c l u d i n gp h ，d r y i n gt e m p e r a t u r e a n dt h ec a r d e rp r o p o r t i o n ，o nt h ep e r f o r m a n c eo fm i c r o o r g a n i s ma g e n t w a si n v e s t i g a t e di nd e t a i l w i t ha ni n i t i a lp ho f 9 0 ，d r y i n gt e m p e r a t u r eo f 3 5 。c ，a n dt h ec a r d e rp r o p o r t i o no f8 5 ：1o ：5 ，t h eb e s tm i c r o o r g a n i s m a g e n tw e r eo b t a i n e d c o m p a r e dt ot h ea c t i v a t e ds l u d g e ，t h em i c r o o r g a n i s m a g e n th a sh i g hs t a b i l i t y , w h i c hc o u l db es t o r e df o rs i xm o n t h so rm o r ea t4 f o u rm i c r o b i a ls t r a i n sc a p a b l eo fd e g r a d i n gb t e xw e r es c r e e n e d f r o mt h eh i g h e f f i c i e n c yc o m p l e xs e e d i n gs l u d g e ，w h i c hw e r en a m e df o r b e n z e n e2 - 2 ，t o l u e n e3 1 ，t o l u e n e3 - 2 ，a n dh 1 4 ，r e s p e c t i v e l y b a s i n go n n i 浙江工业大学硕士研究生学位论文 a n a l y s i so ft h es t r a i n s m o r p h o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c s ，p h y s i o l o g i c a la n d b i o c h e m i c a lc h a r a c t e r i s t i c s ，16 sr d n as e q u e n c e sa n dt h e b i o l o g i d e n t i f i c a t i o n ，t h e s ef o u rs t r a i n sb e l o n g e dt om i c r o b a c t e r i u mo x y d a n s ， b u r k h o l d e r i a c e p a c i a ，m y c o b a c t e r i u mc o s m e t i c u m ， a n db a c i l l u s a m y l o l i q u e f a c i e n sr e s p e c t i v e l y t h e s ef o u rs t r a i n sw e r ep r o p o s e da sn e w s p e c i e sw h i c hc a ne f f i c i e n t l yd e g r a d eb t xa c c o r d i n gt ot h er e l e v a n t l i t e r a t u r e s t h e s ef o u rs t r a i n sb e n z e n e2 - 2 ，t o l u e n e3 1 ，t o l u e n e3 - 2 ，a n dh 1 4 c o u l dg r o wb e t w e e n15 - 35 cw i t ht h eo p t i m u mg r o w t ht e m p e r a t u r eo f30 ，a n dt h eo p t i m u mg r o w t hp hw e r e8 ，6 ，7 ，a n d8r e s p e c t i v e l y s t r a i n s g r o w e d w e l la n db t e xc o u l db ed e g r a d e di n12 0 hw h e nt h ec o n c e n t r a t i o n o fb e n z e n e ，t o l u e n e ，e t h y l b e n z e n e ，d - x y l e n ew e r el o w e rt h a n5 0 0 m g l ， 30 0 m g l ，10 0 m g la n d12 5 m g l ，r e s p e c t i v e l y t h e s em i c r o b i a ls t r a i n s c o u l dg r o ww e l la n dh a dh i g h e rr e m o v a le f f i c i e n c yf o rs i n g l es u b s t r a t e t h a nf o rt h eb t e xm i x t u r e s b t e xa ss u b s t r a t e sc o u l db ed e g r a d e db y s t r a i nb e n z e n e2 - 2 ，t o l u e n e3 - 1 ，t o l u e n e3 - 2 ，h 1 4i nt h ef o l l o w i n go r d e r ： d - x y l e n e e t h y l b e n z e n e t o l u e n e b e n z e n e ，o x y l e n e e t h y l b e n z e n e b e n z e n e t o l u e n e ，d - x y l e n e e t h y l b e n z e n e b e n z e n e t o l u e n e ，a n do x y l e n e e t h y l b e n z e n e t o l u e n e b e n z e n e ，r e s p e c t i v e l y t h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t si n d i c a t e dt h e s ef o u rs t r a i n sc o u l db e s u c c e s s f u l l yp r e p a r e df o rm i c r o o r g a n i s ma g e n tw i t h o u ts u b s t a n t i a ll o s so f r e m o v a lc a p a c i t yf o rb t x t w op o s i t i v em u t a n ts t r a i n sn a m e da sl - 10 0 0 4a n d7 10 0 0 1w e r e s e l e c t e dv i aa ni n d u c t i o nb y6 0 c o 丫g a m m ar a y sf o rt h eo r i g i n a la n d w i l d t y p es t r a i n s c o m p a r e dt oi t so r i g i n a ls t r a i nb e n z e n e2 - 2 ，s t r a i n i v 浙江工业大学硕士研究生学位论文 1 10 0 0 - 4 r e m o v a lc a p a c i t i e sf o rb t xc o u l db ee n h a n c e db y41 6 ， 31 6 a n d3 3 ；w h i l et h a to fs t r a i n7 1 0 0 0 1w e r ee n h a n c e db y7 0 ， 31 4 ，3 3 3 ，a n dt h e s et w os t r a i n s h a v eh i g h p a s s a g es t a b i l i t y , i n d i c a t i n gt h e i rp o t e n t i a lf o rt h ep r e p a r a t i o no fh i g h - e f f i c i e n c ym i c r o b i a l a g e n t k e yw o r d s ：b t x ，c o m p l e xm i c r o o r g a n i s ma g e n t ，r e m o v a le f f i c i e n c y , s t r a i ns c r e e n i n g ，p c r - d g g e ，m u t a t i o nb r e e d i n g v 浙江工业大学硕士研究生学位论文 英文缩写英文全称 b t x b t e x m l s s m 【l s s s v i c f u d n a p c r d g g e 符号说明 b e n z e n e ，t o l u e n e ，x y l e n e 中文全称 三苯类化合物 b e n z e n e ，t o l u e n e ，e t h y l b e n z e n e ，x y l e n e 苯系化合物 m i x e dl i q u i ds u s p e n d e ds o l i d 混合液悬浮固体 m i x e dl i q u i dv o l a t i l es u s p e n d e ds o l i d 混合液挥发性悬浮固体 s l u d g ev o l u m ei n d e x c o l o n yf o r m i n eu n i t d e o x y 曲0 n u c l e i ca c i d p o l y m e r a s ec h a i nr e a c t i o n 污泥体积指数 菌落形成单位 脱氧核糖核酸 聚合酶链反应 d e n a t u r i n gg r a d i e n tg e le l e c t r o p h o r e s i s变性梯度凝胶电泳 i x 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江 工业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的 法律责任。 作者签名： 吒吩 日凝州年j 只弓旧 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 日期。一年j 月多日 醐：9 f 竹朋f 日 浙江工业大学硕士研究生学位论文 1 1b t x 的危害 1 1 1b t x 的污染现状 第一章绪论 b t e x 为苯及其衍生物的统称，是挥发性有机化合物( v o c s ) d e 主要组成成分 之一1 1 1 。它通常包括苯、甲苯、乙苯、邻、间、对位的二甲苯。目前，苯、甲苯、 乙苯、邻二甲苯等苯系物正以每年百万吨的数量被制造出来，这些化合物广泛地 用于燃料和工业溶剂，而且它们和多环芳香化合物、氯代联苯是生产医药、农药、 塑料聚合物、炸药和其它日用品的最初原料【2 】。b t e x 等苯系物在生产、利用时 会不可避免地泄漏到环境中，造成严重的环境污染。 大气中的苯系物主要来源于化工原料加工和使用过程、燃料的燃烧及汽车尾 气的排放等【3 4 】。特别是汽车尾气的排放，随着机动车的飞速发展，机动车排气污 染对大气环境的影响越发严重，以杭州为例，2 0 0 0 年6 月杭州市环境空气中6 种 苯系物的浓度平均达3 0 7 8 1 9 6 5 4 t g m 3 ，苯系物污染较为严重，杭州市空气中的 苯系物总量约是澳门的1 8 3 倍，远远高于i 彭 1 - 的监测结果【5 7 】；此外室内现代装 修和居室装潢引起的室内环境污染【引，引发头痛、头晕、恶心甚至中毒死亡的报 导时有发生，室内装饰材料释放出的挥发性有机物( v o c s ) ，主要是苯、甲苯、二 甲苯等，对室内空气中b t e x 总浓度的贡献很高，己引起人们的重视。 苯系物不仅对大气环境造成了严重污染，对水体污染也很严重。美国1 9 7 7 年公布的水中1 2 9 优先污染物苯系物占3 种【9 】，1 9 8 9 年中国水环境优先控制污染 物黑名单中包括6 种苯系物( 苯、甲苯、乙苯、邻二甲苯、对二甲苯、间二甲苯) 。 苯系物的工业污染源主要是石油、化工、炼焦产生的废水。同时，在油漆、染料、 塑料、合成橡胶、合成树脂、合成纤维、合成药物及农药、医药有机化工等行业 的废水中也含有较高含量的苯系物。在我国工业污染源调查的1 7 个重点行业中， 苯系物在1 5 个行业中都作为产品或原料使用【姗，因此，在这些企业排放的废水 中常常含有苯系物，对接纳水体构成一定威胁。对我国长江、松花江、珠江、太 湖、沱江等1 4 条河流、湖泊的水质进行监测，苯系物的检出率为1 4 3 ( 异丙 浙江工业大学硕士研究生学位论文 苯卜7 1 4 ( 甲苯和乙苯) 。 苯系物中除苯为世界卫生组织公布的具有致癌、致畸、致突变作用的有害污 染物以外，其它几种化合物对人体和水生生物均有不同程度的毒性。目前我国对 石油等能源的需求很大，且其需求量正处于逐年快速增长状态，短期内不会有所 下降，以现在的状况，要限制b t e x 的使用是不现实的，而研究b t e x 污染降解 和修复技术显得十分重要和迫切。工业中实际排放的有机废气、废水中主要以 b t x 为主，故本实验研究主要以b t x 研究对象，附带考察乙苯的降解。 1 1 2b t x 的物理化学性质 苯系物( b t x ) 为具有芳香味的挥发性液体，微不溶于水，而易溶于各种有机 溶剂如乙醇、乙醚、汽油和丙酮等。苯及其同系物统称为芳香烃，在结构上都具 有苯环，有刺激性。芳香烃中毒一般由于吸入其蒸气所致。高浓度的芳香烃蒸气 主要对中枢神经系统具有麻醉作用，急性毒性与其分子结构之间无明显关系，慢 性毒性也是对中枢神经系统有毒作用，少数可致造血系统的损害。三苯化合物的 毒性见表1 1 ，其中苯的毒性最强，见表1 2 。 2 浙江工业大学硕士研究生学位论文 3 浙江工业大学硕士研究生学位论文 表1 - 2 苯吸入对人体的危害圯i t a b l e1 - 2h a r mt oh u m a nb o d i e so fi n h a l i n gb e n z e n e 1 1 3b t x 对人类生态环境的潜在危害 苯系物是工业生产中重要的溶剂和化工原料，也是汽油的主要组成成分。当今， 苯系物特别是纯苯的生产和使用量逐年增加，我国纯苯年均生产和消费能力正分 别以9 8 2 和7 的速率递增，预计到2 0 1 1 年纯苯的生产量和消费量将分别达到 5 1 5 万6 2 0 万吨和5 1 7 万吨，由此带来的环境污染和对人体的健康危害也日益受 到关注1 1 3 1 。 ( 1 ) b t x 对大气环境的污染 v o c s 是继颗粒物和二氧化硫之后，又一大类空气污染物【1 4 】。它的危害主要 表现在以下几个方面：大气中的苯，甲苯等有害物质对机体有致癌作用，且当大 气中几种毒性物质共存时，由于毒性的相加与协同作用，所产生的危害更大【1 5 】； 多数的挥发性有机物易燃易爆，在阳光的照射下，会与大气中的氮氧化合物、碳 氢化合物发生光化学反应，生成光化学烟雾，刺激人们的眼睛和呼吸系统，危害 人们的身体健康，且危害植物的生长。部分v o c s 的光化学反应性见表1 - 3 1 6 1 。 正是由于v o c s 的上述危害，世界各国都通过立法不断限制v o c s 的排放量。我 国1 9 9 7 年颁布并实施的大气污染物综合排放标准中，限定了3 3 种污染物的 排放限值，其中就包括苯、甲苯、二甲苯等挥发性有机物【1 7 1 。 4 浙江工业大学硕士研究生学位论文 表l - 3 部分v o c s 的光化学反应性分类 t a b l e1 - 3p h o t o c h e m i c a lr e a c t i v i t yo fv o c s ( 2 ) b t x 对水体环境的污染 b t x 有机废水的危害主要表现在：它可以在水面形成一层薄油膜，妨碍空气 中的氧进入水体，使水体缺氧，引起水中生物的死亡，破坏水中生态平衡，而油 类的氧化作用又将加速水体恶化，使水质变坏变臭，导致对水体的污染，危害人 体健康【阁。油中一些低沸点芳香烃化合物对水中生物有直接毒害作用，而b t x 通过非正常途径进入环境中后，随着自然界的物质迁移，通过食物链最终进入人 体，进而导致三致( 致癌、致畸、致突变) 等问题【1 9 1 。 ( 3 ) b t x 对人体的危害 苯系污染物已经被世界卫生组织确定为强烈致癌物质【2 0 1 。苯系污染物可对人 体产生严重危害。苯类物质主要以蒸汽形式被吸入，其液体可以经皮肤吸收和摄 入，它们主要对眼睛、呼吸道和皮肤有强烈的刺激性作用。慢性苯中毒会出现过 敏性皮炎、喉头水肿、支气管炎及血小板下降等疾病。长期吸入苯系物能导致再 生障碍性贫血初期时齿龈和鼻粘膜处有类似坏血病的出血症，并出现神经衰弱样 的症状，表现为头昏、失眠、乏力、记忆力减退、思维及判断力降低等症状。随 后出现白细胞减少和血小板减少，严重时可使骨髓造血机能发生障碍，导致再生 障碍性贫血。若造血功能完全损坏，可发生致命的粒性白细胞消失症，并可引起 白血病。近年来，诸多劳动卫生学资料报道：长期接触苯系混合物的工人中再生 障碍性贫血罹患率较高伫1 1 。 苯系物可导致胎儿先天性缺陷问题已经引起了国内外专家的关注，有学者曾 报道，在整个妊娠期间吸入大量苯的妇女，她们所生的婴儿多有小头畸形中枢神 5 浙江工业大学硕士研究生学位论文 经系统功能障碍及生长发育迟缓等缺陷。专家们进行的动物实验也证明，甲苯可 通过胎盘进入胎鼠体内，胎鼠血中甲苯含量可达母鼠血中苯含量的7 5 ，胎鼠会 出现体重下降，骨化延迟等症状f 2 l 】。 1 2b t x 的污染治理技术研究进展 1 2 1 物理法 ( 1 ) 物理吸附 物理吸附法是处理低浓度b t x 的有效方法之一，它是通过吸附剂对b t x 进行 吸附净化，然后将净化后的气体排入大气，吸附吸收法作为传统的v o c s 净化方法 已得到广泛的应用。目前，常用的吸附剂有颗粒活性炭、活性炭纤维、沸石、分 子筛、多孔粘土矿石、活性氧化铝、硅胶和高聚物吸附树脂等。在吸附法中，最 常用的吸附剂是活性碳2 2 之4 1 ，其它吸附剂( 如沸石) 的应用正逐渐受到重视。 y u c h u nc h i a n g 等【2 5 】，利用三类活性炭来吸附四种v o c s 。r r b a n s o d e 等【2 6 1 ，利用 核桃壳状活性炭和杏仁壳状活性炭对二氯甲烷、苯、四氯化碳、l ，1 ，1 三氯甲烷、 氯仿和l ，1 二氯甲烷进行吸附处理。结果表明所有的活性炭对苯的吸附能力都比对 其他有机物的吸附能力强，因为苯有着高的吸附热和低的熵变。吸附法还常常与 其他净化方法( 吸收、冷凝、催化燃烧等) 联合使用。苏建华等【2 7 】采用自制的高效液 体吸收剂吸收和活性炭吸附实现了对苯乙烯废气的净化效率达7 4 以上。但吸附法 存在吸附剂再生、运行费用高及产生二次污染的问题，从而限制了其应用。 ( 2 ) 冷凝法 冷凝法是用来回收v o c s 中有价值成分、资源化再利用的处理方法，其基本原 理是利用气态污染物在不同温度和压力下的蒸汽压不同，通过调节温度和压力使 某些有机物过饱和从而发生凝结作用，使该成分得以净化和回收。 在回收含有价值成分的废气时。由于废气中v o c s 的含量常处于“爆炸极限 的浓度范围内，因此对运行的设备要求高。在实际应用中，常将该方法与吸附法、 焚烧法和使用溶剂吸收等联合使用，从而降低运行成本。吴家信等采用冷凝除雾 催化燃烧法的研究成果已应用与韶关综合化工厂和广州制漆厂，收到了很好的效 果【2 8 】；刘忠生，李花伊等采用冷凝催化燃烧法处理乙烯厂富含水蒸气的恶臭废气， 处理后的气体符合国家排放标准【2 9 1 。 6 浙江工业大学硕士研究生学位论文 ( 3 ) 电晕法 电晕法【3 0 】处理v o c s 的原理是通过陡峭、脉冲窄的高压脉电晕，在常温下获得 非平衡态v o c s 离子体，既产生大量的高能电子或高能电子激发产生的0 、o h 、n 等活性粒子，并且还可以产生臭氧，各种活性粒子和臭氧会与v o c s 发生反应，破 坏v o c s 分子中的c c 、c = c 、或c - 一h 等化学键，由于0 、o h 基及臭氧具有强氧 化能力，结果使c h 分解氧化产生c 0 2 和h 2 0 3 1 ，3 2 1 。 由于反应器长时间操作的稳定性和效率低等方面原因，该方法目前还未能实用 化和商业化。 ( 4 ) 吹脱蒸馏法 采用吹脱或蒸馏法同样可以处理含苯系物废水【3 3 】。吹脱或蒸馏法主要用来处 理废水中低沸点、高挥发性的烃类化合物。苯用气提法进行去除，可使废水中的 苯浓度降低到1 0 m l 以下。含苯及甲苯的废水可在填料塔中用空气进行吹脱处理。 在温度为1 2 。c 、空气流率为0 7 k g m i n 、废水流率为8 5 k g m i n ，塔长2 7 8 m 的条件下 进行处理，苯的去除率为9 6 7 ，甲苯的去除率为9 6 2 。也可将含苯及甲苯的废 水加热到9 0 9 8 ，以蒸馏的方法进行回收。 ( 5 ) 膜基吸收净化技术 膜基吸收净化技术处理有机废气中的b t x ，具有流程简单、b t x 回收率高、 能耗低、无二次污染等优点【3 4 3 6 1 ，国内学者己进行了以管式硅橡胶膜分离处理含 苯废气的研究，测定出二甲苯对空气的分离因子。目前，该法正迅速发展成为石 油化工、制药、食品加工等行业回收v o c s 的有效方法【3 7 矧。 1 2 2 化学法 ( 1 ) 催化燃烧法 催化燃烧法的净化率一般可达9 5 3 9 , 4 0 1 ，但只适合于处理高浓度、小风量且 废气温度较高的有机废气，而且要求气体的温度较高( 约2 5 0 - - - 2 7 0 c ) ，为了提高废 气温度，要消耗大量的能源才能维持催化反应的进行，使运转费用提高f 4 。所以 一般和吸附法联用，目前应用最多的方法是吸附催化燃烧法。 ( 2 ) 光催化氧化法 与吸附法一样，催化氧化也是传统的v o c s 处理方法。常用于气体流量和浓度 7 浙江工业大学硕士研究生学位论文 波动的场合。光催化氧化法主要是利用催化剂的光催化性，氧化吸附在催化剂表 面的v o c s ，最终产生c 0 2 和h 2 0 。光催化降解的速率主要受吸附效率和光催化反 应速率的影响，具有较高吸附性能的v o c 不定有较快的降解速率，因此选择光 催化剂至关重要。k e v e r a e r t 等【4 2 1 ，利用v 2 0 5 w 0 3 t i 0 2 作为催化剂进行催化氧化。 r s g f e r r e i r a 等【4 3 1 ，利用p d v 2 0 5 a l 2 0 3 作为催化剂对苯进行催化氧化，实验表 毒。 明p d v 2 0 5 a 如0 3 比v 2 0 5 a l 2 0 3 和p d a l 2 0 3 的活性都要强。v 2 0 5 的增加降低 了钯的分散量，提高了苯的转化率。但是光催化氧化法存在着催化剂的失活、催 化剂难以固定，且催化剂固定化后催化效率降低的缺点，因此该技术目前尚未大 规模工业应用。 ( 3 ) 微波催化氧化技术 微波催化氧化技术将传统的解析方式转变为微波解析，微波能的应用大大减 少了能量的消耗，并缩短了解析时间，能使吸附剂经2 0 次解析后基本上保持原有 吸附能力【删。 1 2 3 生物降解技术 上述这些对b t x 的污染修复技术，均有各自优缺点，如吸附法、冷凝法虽然 回收效果好，但需消耗大量的能量，成本偏高；燃烧法，催化氧化法有可能造成 二次污染；而生物降解技术具有设备简单、投资少、运行费用低、少二次污染等 优点，为b t x 的高效降解提供了可行的途径。 近年来，随着一些b t x 降解菌的发现，b t x 的微生物降解技术受到广泛关注。 在废气废水生物处理系统中，微生物是工作的主体，筛选、培育出优势高效降解 菌是系统实现高效运行的关键。近年来，国内外陆续分离筛选出一些难降解有机 物的高效降解菌，包括降解芳香族化合物的真菌属( c l a d o p h i a l o p h o r as p ) 、降解 三氯甲烷的假单胞菌( p s e u d o m o n a sa e r u g i n o s a ) 、降解氯乙烯的洋葱伯克霍尔德 菌( b u r k h o l d e r i ac e p a c i a ) 和假单胞菌( p s e u d o m o n a sc e p a c i a ) 等【4 5 4 引。而国内外 在开展对反应器中微生物的群落、优势菌种的代谢途径和特征研究，开发驯化时 间短、降解速率快、环境适应性强的系列高效复合菌剂方面报道较少。国内目前 在复合微生物菌剂研究方面，朱永光、严平【4 9 】等人根据炼油废水成分分析的结果 筛选出降解烷烃、苯系物、苯酚等难降解化合物的高效降解菌，通过正交实验确 8 浙江工业大学硕士研究生学位论文 定各组成菌株的最佳配比，制成高效降解炼油废水的复合微生物菌剂，将其投加 到s b r 反应器后，能将体系处理效率提高2 5 3 9 。综合国内外研究现状，未见复 合微生物菌剂应用废气生物处理系统的报道。 废气生物处理的主要处理工艺有生物滴滤塔、生物滤池、生物洗涤塔( 见图1 1 ) 等。针对无回收价值的低浓度v o c s 废气，净化的实质是附着在滤料介质中的微生 物，利用废气中的有机成分作为碳源和能源，将有机物同化为c 0 2 、h 2 0 和细胞质 的过程【5 0 1 。与常规处理法相比，该技术具有设备简单、投资少、运行费用低、少 二次污染等优点f 5 ，尤其在处理低浓度、大风量的有机废气时更显其经济性1 5 2 。 废水的主要处理工艺有活性污泥法、生物膜法、生物滤池等，活性污泥法是废水 生物处理的主要方法，其运行方式很多，主要有传统活性污泥法、阶段曝气法、 生物吸附法、s b r 法等；膜生物反应器( m b r ) 是生物处理工艺与膜分离技术相结合 的一种高效废水处理工艺装置，与传统的活性污泥法不同，膜的加入使得反应器 中污泥丝状菌膨胀和污泥产气问题迎刃而解【5 3 1 。迄今，欧洲、日本和北美等国家 已成功地将生物法应用于化工、轻工等相关行业的废气净化，投入运行的装置数 千套；而在我国有关该领域的研究已有一定基础，但应用还处于起步阶段，且理 论研究和实际应用还不够深入，一些工程化问题尚需迸一步探索和解决。中科院 生态环境研究中心、清华大学、同济大学、昆明理工大学等均进行生物处理有机 废水、v o c s 和恶臭气体的研究【5 4 1 。目前，国内外在生物净化领域的主要研究方向 主要集中于微生物种类、生物反应器和最佳工艺条件。 9 浙江工业大学硕士研究生学位论文 净化詹气搏 蝻略瑕节毒 生物过燕塔 气薯糟 生物洗涤塔 图1 1 生物法主要处理工艺 f i g1 - 1m a i nb i o l o g i c a lt r e a t m e n tp r o c e s s 今后b t x 生物降解的主要研究方向有【5 5 】：优势混合菌的培养，降解菌降解性 能的定量分析，高效广谱基因工程降解菌的构建，厌氧一好氧生物处理工艺的开 发等方面。要实现b t x 化合物的完全降解还存在许多问题有待解决，包括如何使 实验室条件下的生物降解更有效的放大；如何延长菌种的有效传代数；基因工程 菌的稳定性和安全性评价；如何克服生物降解的限速步骤，提高降解速率等。另 外，许多降解菌的代谢途径目前尚不明确，以及众多新合成的有机化合物环境转 化行为的研究仍属空白，给合理评价应用新物质的环境影响带来困难，因此对b t x 化合物的生物降解还需要进行更深入的研究和探索。 1 3 复合微生物菌剂的研究进展 微生物菌剂是指以生物学、环境学、生态学、化学等多学科理论为基础，以 监测、改善环境状况和强化处理系统稳定、高效为目标，通过菌群构建等科学方 法得到的具有特殊功能的生物制品。通过生物强化技术引入能够降解目标化合物 的微生物菌剂( 纯菌株或混合菌株) 。微生物菌剂有颗粒状、干粉状，也有液态的， 1 0 浙江工业大学硕士研究生学位论文 事实上就是多种菌种和相应载体的混合配方。菌种的来源有：自然界分离筛选， 经过处理的变异菌株和遗传工程构建的工程菌株。 复合微生物菌剂是一种混合菌培养体系，可利用其中的多种微生物单独或多 种之间的协同作用来高效地降解各种复杂的污染物。按不同污染环境的实际需要， 选育各种类型的降解菌组成使用于不同污染环境的微生物菌群，经发酵扩大培养， 制成微生物菌剂，有目的地投加到各类生化反应构筑物中，从而达到高效降解目 标污染物的目的【5 6 j 。 1 3 1 微生物技术领域 复合微生物菌剂的概念最早是在生物学领域提出的，最初复合微生物菌剂主 要应用于农业，广泛应用于作物栽培、动物饲养等领域，从而达到现代农业生产 的优质、高产、低耗、高效的目的，实现农业生产及其环境的稳定平衡【5 7 1 。刘佳 鸣，张谨等发明的高效复合微生物菌剂具有促进农作物生长发育、促早熟、抗旱、 抗病虫害等特点，用于养殖业能够克服禽畜服用抗生素、激素、防腐剂产生的多 种副作用，改善肉质中残留药物含量。该复合微生物菌剂由无菌水、葡萄糖、5 4 0 6 放线菌、固氮菌、根瘤菌、巨大芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌、硅酸盐菌组成【5 8 】。王 景迢发明的生物菌剂具有固氮，解磷、钾，分解纤维素、木质素，分解蛋白质及 有害有机酸，抑制和杀灭病原菌，克服连作障碍等多种功能。可以起到促进增根、 促早熟、防虫抗病、改善品质、改良土壤、提高产量、增加效益等综合作用。另 外，使用有益的微生物菌群与土壤微生物协同作用，能够促进植物( 农作物) 生长， 保证动物( 主要是人类) 生存、生活条件，维护自然界生态平衡，构成了农业战线 上的绿色工程【5 9 1 。薛景珍，王德清等【删发明的高效复合微生物菌剂含有芽孢杆菌 等九个菌群2 5 种菌共同发酵而成的，该产品对粮油的作物、蔬菜和果树等作物具 有明显的增产和抗病防病效果，起到了肥料和农药的双重功效，对生态农业的发 展，提高产品品质的作用是十分巨大的。 1 3 2 环保领域 随着复合微生物菌剂的进一步发展，菌剂开始逐渐涉足环保领域。复合微生 物菌剂应用于环保领域最早是用来处理与降解一些较容易处理的污染物，比如同 浙江工业大学硕士研究生学位论文 养殖业相关的禽畜粪便、居民生活废水和市政管网污水污泥等【6 l 6 2 】。胡国斌等发 明一种微生物菌剂，它可有效地解决规模化养殖场禽畜粪便对环境的污染，同时 实现废弃资源的综合开发利用。该菌剂由解脂雅洛氏酵母菌、绿色木霉菌、高温 芽孢杆菌、生黑链霉菌、诺卡氏菌五种菌株组成，可用作粪便处理剂。该茵剂制 备方法简单，成本低，将除臭和发酵功能有机地结合在一起，有效地利用了微生 物的转化和代谢发热作用，实现了禽畜粪便水分和臭味的快速脱除，同时废弃物 可作为优质的有机肥料使用，无环境污染【6 3 1 。宗绪成等删发明的一种处理化粪池 和市政管网污水污泥的微生物菌剂，每毫升菌剂中包含有活菌数大于3 0 1 0 9 ， 对城市化粪池、市政管网生活污水污泥处理效果明显，c o d 平均处理率达到 8 1 6 ，污泥削减6 7 左右。且在污水污泥的处理过程中设备简单、操作方便， 可降低后续二级污水处理厂2 3 以上的处理成本。 随后，复合微生物菌剂开始应用于垃圾渗滤液、一些难降解的炼油废水和 v o c s 的无害化处理。利用微生物菌剂可以去除垃圾渗滤液中的有毒有害物质， 同时保留渗滤液中的肥效成分，将黑臭的垃圾渗滤液转化为高效复合液体有机肥 料，使之成为室内外观赏性植物、林业、草坪等的灌溉水源【6 5 】。宗绪成等发明的 一种微生物菌剂可对有机废水进行处理，由于采用了多种菌种组合的方式对有机 废水进行处理，避免了因单一菌种对污水处理不耐高冲击负荷及处理不彻底性 阐。针对目前废水处理中处理效率不高和处理后仍含难降解污染物等缺点，李旭 东开发了一种处理炼油废水的微生物菌剂，能降解多种难降解有机化合物【5 6 1 。周 亮等【6 7 】将微生物菌剂强化处理炼油废水的中试研究，在c o d 平均容积负荷提高 o 5 1 k g m 3 d 的情况下，其平均去除率较活性污泥处理系统提高了3 5 4 7 ；在 n h 4 + - n 平均容积负荷提高了0 0 3 5 k g m 3 d 的情况下，其平均去除率比活性污泥 微生物系统提高了5 9 2 8 ，为微生物菌剂的实际工程应用提供了科学依据和参 考。综合国内外研究现状，发现复合微生物菌剂应用于v o c s 废气生物处理系统 的报道很少，所以如何将复合微生物菌剂应用到v o c s 处理将是以后研究的重点。 1 4p c r - d g g e 技术在环境工程生物处理研究中的应用 p c r d g g e 技术作为一种指纹分析技术，克服了传统培养技术的局限性，可 直接利用微生物的1 6 sr d n a 或一些特殊的功能基因在遗传水平上研究生物处理 1 2 浙江工业大学硕士研究生学位论文 系统中微生物的多样性和种群动态变化等。近年来，p c r - d g g e 技术用于环境微 生物种群的研究越来越多，涉及的领域也越来越广泛。 ( 1 ) 微生物多样性分析 p c r - d g g e 已被广泛用于废水生物处理过程中总体细菌种群或者具体细菌 种群的遗传多样性分析。c u r t i s 等【6 8 】采用p c r - d g g e 比较不同污水处理厂的活性 污泥中总微生物群落的多样性；陈红歌等【删采用p c r d g g e 技术研究了垃圾填 埋场细菌种群空间分布及组成多样性；刘新春等7 0 】采用p c r d g g e 法解析了活 性污泥系统中微生物群落结构变化，比较了常温条件下运行的2 个不同活性污泥 系统中微生物群落结构的动态变化；h e u e r 等【7 l 】采用p c r - d g g e 研究了不同土壤 放线菌类的遗传多样性，并检测马铃薯根际的放线菌种类变化。 ( 2 ) 微生物群落动态变化研究 p c r d g g e 的最大优势之是可以同时分析多个样品，是检测环境变化后引 起微生物群落变化的一个强有力的工具。w 缸d 等【7 2 】采用p c r - d g g e 研究了温泉 中微生物群落的动态变化；d o n n e r 等【7 3 增艮踪了远洋的动态变化过程中细菌群落结 构和活性的连续变化。从不同时间、不同地点的水样提取细菌总d n a 的1 6 sr d n a p c r d g g e 条带变化反映纤维素酶和酯酶的酶活性变化；f e r r i s 掣7 4 】采用d g g e 技术研究了热泉微生物膜中温度梯度变化时微生物群落的分布变化。d g g e 条带 分析表明相同温度的同一位置和不同位置的样品具有相似的d g g e 条带，但是不 同温度时具有不同的条带。 ( 3 ) 其他 p c r d g g e 技术除了可以研究微生物群落的复杂性外，还可对富集和筛选培 养过程中的菌株进行分析和跟踪。t e s k e 等使用r d n a 片段d g g e 跟踪混合培 养和纯培养过程中细菌菌株的筛选分离过程，并分离得到d e s u l f o v i b r i o 和 a r c o b a c t e r 。p c r - d g g e 技术可对自然环境中氨化细菌、亚硝酸菌、硝酸菌、反 硝化菌和硫酸还原菌的分类和分布提供更完整的信息，监测、跟踪生物群落中微 生物群落结构及其随时间、空间的动态变化。 浙江工业大学硕士研究生学位论文 1 5 课题研究意义和内容 1 5 1 课题研究意义 苯系物广泛应用于石油、化工、农药、纺织、造纸、油漆、制鞋等工业的生 产过程，构成了水体和工业废气中常见的有机污染物。苯系物具有“三致