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1、基于制革废水处理的新型Aspergillus sp菌丝球制剂在ALSMB生物反应器中的应用作者：陈维嘉 陈容斌指导老师：何平 副教授（华南农业大学生命科学学院 广州 510642）摘 要：本项目首先从制革污泥中驯化出一株能吸附Cr3的同时分泌出脂肪酶水解油脂的菌株，经鉴定为曲霉（Aspergillus sp），该菌能自身凝絮成球，具有一定机械强度因而无需固定化载体便可直接填充生物反应器。 根据Aspergillus sp菌丝球制剂的特性开发适于该种微生物制剂的ALSMB（Air Lift Simulative Moving Bed,气升式模拟移动床）生物反应器。该反应器借助于压缩空气的喷射，实
2、现强化传质传氧。通过回转阀直接往各个反应柱中添加不同的反应液，产生Aspergillus sp菌丝球模拟移动的效果，达到废水处理、重金属回收、微生物制剂再生的目的，因此能减少物料的机械磨损，实现生物反应器的连续操作。这将提高废水治理效率，降低治理成本。制革废水经Aspergillus sp菌丝球处理后的Cr3去除率高达98%，回收率多于93%，油脂去处率可达90%，达到国家水质排放标准。因此由Aspergillus sp菌丝球填充的ALSMB生物反应器具有巨大的应用前景和市场潜力。关键词：曲霉(Aspergillus sp)；菌丝球；生物吸附； Cr3；油脂降解；气升式 ；模拟移动床我国制革工
3、业行业总产值约1300多亿元，主要由制革、制鞋、皮件、毛皮4个主体行业组成。上规模企业较少，企业规模以小型为主，小型企业约占全行业企业总数的97%以上，企业虽分布全国各地，但其中以乡镇小型企业最为兴旺；生产集中度比较低，技术落后。在我国现有情况下，由于技术、资金等方面的原因，绝大部分企业都面临着制革废水污染的困扰。全国每年排放的制革废水中Cr3有3500万吨，CODCr有15万吨，BOD有7万吨,但全国采取了不同治理措施的企业仅有1015，以大企业为主，中小型企业几乎没有。现阶段含铬废水多用加NaOH作沉淀法处理，但因NaOH碱性太强中和过程中容易使局部废液超过最佳pH的控制范围而产生溶胶现象
4、，部分铬反被溶解。虽然用MgO处理pH值较易控制,但价格昂贵,较少采用。化学法需要加入大量的沉淀剂过滤后产生大量的废渣，生产过程长，容易造成二次污染所以，采用微生物吸附剂处理含铬废水，在实际应用中具有重要的意义。而现阶段对于油脂废水的处理方法主要有物理法、化学法和生物法等。其中如化学絮凝、吸附、盐析、臭氧氧化、电解、气浮、膜分离等物理化学方法,由于投资大、占地广、流程复杂,又需要特殊设备,其结果也仅仅是对污染物的稀释,聚集或在不同环境中的迁徙,还有产生二次污染的问题。因而逐渐的不受欢迎。生物处理法则是利用生物主要是微生物的生命活动过程对废水中的油脂进行转移和转化,将油脂作为微生物所需的碳源和能
5、源,并在酶的催化作用下将其水解成甘油、脂肪酸,最后降解为H2O、CO2等代谢终产物。整个过程都在温和的条件下进行,无需加投化学药剂,且微生物具有来源广、易培养、繁殖快、对环境适应性强和易实现变异等特性。目前，国内利用微生物降解有机污染物，同时吸附重金属离子的研究尚少。有人分离出能利用废水中有机物生长，吸附Cr6+ 的微生物。但该微生物对油脂的分解作用不明显，而且被制成生物膜，虽能吸附Cr6+ 但随着生物膜的加厚，内层生物菌将由于水流的冲刷而脱落，所吸附到的铬离子又将回到水中，造成二次污染。而本项目的曲霉能自身凝絮成球，具有一定机械强度因而无须进行固定化，吸附到的Cr3能用解脱剂解吸，回收重利用
6、，不会对环境造成二次污染，而且该种菌丝球能分泌胞外脂肪酶把制革废水中的油脂水解，从而减少废水中的有机污染物含量。国外有人成功培育出能通过降解苯酚将Cr6+还原成金属Cr的菌株，但能降解油脂并吸附Cr的菌株却未见报导。本研究针对中小型企业，选育出一种能以油脂（约占CODCr 的25%）作为碳源，吸附Cr3的曲霉。该曲霉能够自身凝絮成菌丝球，并用解吸剂对Cr3进行解吸，使Cr3得以回收再利用。所以该曲霉能对制革废水中的有机和无机污染物进行同时处理，提高废水治理效率，降低治理成本。生物反应器的设计和应用是当前生物工艺过程成功进行商业化的瓶颈因素。为开发适于该种微生物制剂的生物反应器，本项目首次提出A
7、LSMB（Air Lift Simulative Moving Bed,气升式模拟移动床）的概念。ALSMB生物反应器是根据Aspergillus sp菌丝球的特点设计的。用Aspergillus sp菌丝球填充ALSMB生物反应器处理制革废水是利用微生物细胞壁对Cr3的吸附作用以及微生物的生命活动过程对废水中的油脂进行转移和转化,将油脂作为微生物所需的碳源和能源。该反应器主要由三个反应床和空气压缩机组成，借助于压缩空气的喷射，造成反应器内流体循环流动，以达到气液固三相混合，强化传质传氧的目的。采用通气搅拌代替机械搅拌能减少反应器内的剪切应力，减少菌丝球的机械磨损。由于传统固定床吸附分离操作简
8、单,易于实施,属间歇操作,故处理量少、不易实现自动控制;连续移动床降低了吸附剂的寿命,使生产成本增加,同时固体吸附剂很难实现轴向活塞流动, 影响了吸附效率。而模拟移动床吸附操作具有固定床良好的装填性能和移动床可连续操作的优点,并能保持吸附塔在等温、等压下操作。因此该反应器采用模拟移动床的形式即填充于反应床中的Aspergillus sp菌丝球无须取出，通过直接往各个反应柱中添加不同的反应液，达到废水处理、重金属回收、制剂再生的目的，从而减少物料的机械磨损，实现生物反应器的连续操作。与前述的方法相比较，整个废水处理过程具有温度条件范围宽，投资少，运行费用低，处理效率高，无二次污染等特点。所以，采
9、用ASLMB生物反应器处理制革废水，能在回收重金属的同时消除有机污染，在实际应用中具有重要的意义。1.实验材料1.2 实验原料 种泥：取自制革厂生产车间排放口下水道1.1 培养基部分 KH2PO4 0.2% , (NH4)2SO4 0.2% ， MgSO4 0.02, CaCl2 0.02，另添加油脂10000 mg/L。2. 实验方法：2.1油脂含量的测定 采用紫外分光光度计法。将发酵液离心后用石油醚萃取，经处理后，在230mm波长下定光吸收值。2.2铬的测定用高锰酸钾把三价铬氧化成六价铬，用二苯碳酰二肼比色，分光光度法测水中的六价铬 2.3计算方法：2.3.1油脂降解率的计算降解率=废水中
10、起始油重量(mg)降解后油的重量(mg)/废水中起始油重量(m)100%2.3.2铬吸附率的计算 吸附率=废水中起始总铬重量(mg)吸附后总铬重量(mg)/废水中起始总铬重量(mg)100%2.3.3铬解吸率的计算 解吸率=废水中解吸前总铬重量(mg)解吸附后总铬重量(mg) /废水中起始总铬重量(mg)吸附后总铬重量(mg) 100%3.Aspergillus sp菌丝球的性质分析3.1菌种鉴定 从制革污泥中获得一株对Cr3、油脂有较强吸附分解能力的菌株，对其进行了初步提纯复壮，把该菌接入查氏培养基中观察菌落形态：表面谷黄色，背面灰黄色，表面有明显的同心圆环和辐射状钩纹，中心稍有隆起，质地紧
11、密边缘整齐显白色，有淡黄色水样液滴渗出，经鉴定为曲霉Aspergillus sp。（经习平根教授鉴定，图1）3.2菌丝球的制备： 把复筛所得菌株接入发酵培养机中进行扩大培养。在37 , 200 r/ min的条件下培养50 h霉菌形成直径约为1.2-1.5 mm的菌丝球。由于大粒径吸附剂比表面积小且微孔内铬的传质速度不能满足内表面物理、化学吸附与生物积累的反应潜能而产生了内扩散阻力.虽然减小球径可降低内扩散的影响。但菌丝球球径过小，会使球体实度增大，菌丝缠绕紧密，增加传质阻力，同时会增加固液分离的难度。考虑到上述因素本实验所用菌丝球直径约1.5 mm。把菌丝球用滤纸过滤，再用去离子水冲洗菌体三
12、次，自然条件下凉3 h后用于菌种筛选吸附实验(图2)。 图2 Aspergillus sp菌丝球4.ALSMB生物反应器原理4.1 Aspergillus sp菌丝球使用步骤经研究，应用Aspergillus sp菌丝球处理制革废水包含三个步骤：4.1.1废水处理Aspergillus sp菌丝球与制革废水充分接触反应，吸附Cr3,同时分解油脂和其它有机污染物。4.1.2解吸加入解吸剂解吸，把吸附在Aspergillus sp菌丝球细胞壁表面的Cr3洗脱。4.1.3再生加入再生剂进行再生，使Aspergillus sp菌丝球能重新吸附Cr3。4.3气升式反应器原理气升式反应器是近二十年来在强化
13、鼓泡塔传质的基础上发展起来的一种新型的气液固反应器，气升式环流生物反应器(ALR)是借助于压缩空气或其它气体喷射，造成反应器内流体的循环流动，以达到气液固混合，强化传质的目的。菌丝球图3我们设计的气升式双向内环流动态反应器体积0.25L，装液量0.2 L，载菌量反应器示意图如图5所示，该反应器内装有玻璃导流筒，底部有一个中心气升喷嘴.气流的大小由旋转阀来控制。气体在上升管底部连续喷入，在顶部空间气体被排出。这样，便在上升管和下降管之间产生液相密度差，由于此密度差的存在，上升管内的液体从底部流向顶部，下降管内的液体从顶部流向底部导致液体在反应器内循环流动。通气搅拌能提高液体的含氧量，有利于铬在液
14、体中的扩散以及油脂的氧化分解，相对于机械搅拌能更好的保护菌丝球的形体（如图8）。4.4模拟移动床原理模拟移动床通过液体出入口位置的相对变化实现固体菌丝球的模拟移动，其吸附机理与移动床相类似，按液流位置和所起作用不同，整个床层可以分成三个区(如图4)，则三个区所起的作用分别为:I区是菌丝球处理废水段。循环流动的菌丝球将废水中的铬吸附同时分泌出脂肪酶水解油脂,处理后的废水由排水口排出。II区(解吸区): 用1.5mol/L的硫酸加入反应床中使菌丝球上的铬解吸下来。解吸后的解吸剂能回收再用。回转阀继续移动进入III区。III区(再生区):此区是菌丝球的再新区。再生剂与菌丝球接触，使菌丝球恢复吸附能力
15、。I区(反应区) II区(解吸区) III区(再生区)床体变换方向图4 4.5ALSMB生物反应器操作流程ALSMB生物反应器是通过回转阀上各个喷口与单个反应床位置的变换实现反应床由I区（反应区）、II区（解吸区）、III区(再生区)的切换。其中1喷口与废水处理池相连。2喷口与解吸剂储备池相连。3喷口与再生剂储备池相连。4喷口与I床相连。5喷口与II床相连。6喷口与III床相连。先对I区通气，然后回转阀上的1号喷口由上往下向I区（反应区）通入待处理制革废水，接触反应适当时间后，处理过的废水由4号喷口（与净水排放池相对）排出，而菌丝球被反应床下的滤网挡隔而留在反应床内。此时I区（反应区）变为II区（解吸区），上方回转阀喷口由1切换至2，水泵把解吸剂从储备池中吸入添加到反应床中，解吸反应后溶有Cr3的解吸剂通过下方回转阀的切换（由净水排放池切换至解吸剂储备池）重新回流进入解吸剂储备池。最后II区（解吸区）变为III区(再生区)，上方回转阀喷口由2切换至3，再生剂喷入到反应床中，经再生反应后，下方回转阀由解吸剂储备池切换至再生剂储备池，再生剂进入储备池，可供再次使用。
