FeOM对苯胺降解特性及对生物海绵铁体系内铁菌相互作用特性的研究

摘要

水污染问题是造成当前国家水资源短缺的一个重要因素，而难降解有机废水的未达标排放是造成水污染的重要原因。近年来，随着“水污染防治行动计划”的实施，国家对水污染治理提出更加严格的要求。苯胺一种有毒物质，在工业生产的广泛应用中给生态系统造成严重的危害。在生物法处理苯胺废水的研究中，高效苯胺降解菌是目前研究最为广泛的课题之一。但是具有铁氧化功能的苯胺高效菌的研究却鲜有报道。另外，在Fe0-生物铁法中，零价铁与高效菌株之间相互作用及相互强化特征的研究也未见报道。
　　本文通过污泥驯化、富集培养、分离提纯及菌种筛选等过程分离筛选出一株具有铁氧化功能的高效苯胺降解菌，并将其命名为ZL-1菌株。通过对该菌株的形态特征观察、生理生化实验及16S rDNA分子生物学鉴定确定该菌株为产酸克雷伯式菌。接着对该菌株的生长曲线及苯胺降解特性进行了研究，结果表明:①ZL-1菌株的生长符合Logistic模型，并且能够以苯胺作为生命活动的唯一碳源和氮源;②ZL-1菌株降解苯胺的终产物为氨氮，未发现有硝氮及亚硝氮生成;③在500mg/L的苯胺溶液中，ZL-1菌株最适生长条件为:pH7.0，温度25℃，盐度0.5％，DO越高，苯胺的去除效果越好;④ZL-1菌株能够承受的苯胺浓度为1500mg/L，当反应器运行24h后，该浓度下的苯胺开始被迅速降解;⑤当向反应器中分别投加外加碳源、氮源及磷源时，外加碳源对苯胺的降解没有促进作用;而在外加氮源中，硝酸钠能够促进苯胺的降解。当C∶N=3∶1时，20h内能够提高7.9％的苯胺降解率;另外，当C∶P=1∶1时，20h内苯胺的去除率达到了98.2％，过高过低的磷盐都会抑制苯胺的降解。
　　在利用海绵铁(Fe0)与ZL-1菌株组成的生物海绵铁体系处理模拟苯胺废水时发现:在24小时的时间内，该体系对苯胺的去除率比ZL-1菌株单独降解苯胺的去除率高出近20％。ZL-1菌株是一株铁氧化菌，Fe2+是其生命活动的基本元素之一，而铁氧化酶活性反映了其对Fe2+的利用能力大小。铁氧化菌在利用Fe2+的同时，也对Fe2+的溶出促进作用，为此研究比较了3株不同的具有Fe2+氧化能力的菌株对海绵铁溶出的影响。
　　在24h的时间内，投加ZL-1菌株的反应器的海绵铁溶出量比未加菌液的反应器多60mg/L左右;比投加PF-1菌株（铁氧化酶活性为零）的反应器多近35mg/L;比投加MH-1菌株（铁氧化酶活性最好）的反应器多溶出86mg/L。在此基础上，对各菌株作用下的海绵铁腐蚀行为进行了研究，结果表明: PF-1菌株是一株地衣芽孢杆菌，没有铁氧化酶活性，但能够发酵葡萄糖产酸和向胞外分泌大量粘液，粘液的存在造成海绵铁上生物膜的形成，生物膜的产生促进了氧浓差或其他浓差极化电池的形成，从而加速了海绵铁的腐蚀速率;ZL-1菌株一株兼性厌氧的产酸克雷伯式菌，在厌氧条件下能够发酵葡萄糖产酸。而海绵铁是一种多孔性物质，可同时为微生物提供好氧、兼氧及厌氧的微环境，这种微环境可促使ZL-1菌株发酵产酸，从而加速海绵铁的溶出;MH-1菌株是一株专性好氧的恶臭假单胞菌，不会分泌粘液和发酵产酸，它的生命活动需要消耗大量的氧气，从而降低了海绵铁吸氧腐蚀的速率。通过80天的腐蚀研究得出:在PF-1菌株的铁氧化酶活性＜ZL-1菌株酶活性＜MH-1菌株酶活性条件下，PF-1菌株作用下的海绵铁的平均腐蚀速率＞ZL-1菌株作用下的平均腐蚀速率＞MH-1菌株作用下的平均腐蚀速率。
　　在ZL-1菌株生物腐蚀机理研究的基础上，考察了外界条件对ZL-1菌株作用下海绵铁溶出的影响，结果表明:在ZL-1菌株正常生长条件下，溶液的pH越低，DO越大，海绵铁投加量越多及海绵铁的粒径越小，ZL-1菌株作用下的海绵铁溶出量越多;但是ZL-1菌株作用下的海绵铁的溶出量却随着菌液投加量的增多呈现先增加后减小的趋势，其中在菌液投加量为20％时海绵铁的溶出量最大。
　　在海绵铁(Fe0)与ZL-1菌株组成的生物海绵铁体系中，铁的溶出不仅能够满足ZL-1菌株自身生长需要，同时还可促进体系中类Fenton作用的产生。通过对该体系类Fenton效应影响因素的研究，结果表明:发生类Fenton作用的H2O2来自两个方面:一方面是ZL-1菌株自身生命活动产生的，另一方面在酸性环境中，海绵铁与O2作用产生的。另外，H2O2的产生受环境影响很大，pH值越低，海绵铁粒径越小，H2O2的生成量越多，对于海绵铁投加量及菌泥投加量来说，H2O2的生成量均随着其投加量增多，呈现增大后减小的趋势，海绵铁投加量为90g/L，菌泥投加量为2.5g/L，生成的H2O2最多。
　　另外，·OH的产生受环境影响也很大，pH值、海绵铁粒径、海绵铁投加量及菌泥投加量对其产生的影响规律与H2O2的相似。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题背景

1．1．1 课题来源

1．1．2 拟选课题的研究背景

1．2 苯胺废水的处理现状

1．2．1 苯胺的性质、来源及危害

1．2．2 生物法处理苯胺废水的研究现状

1．2．3 高效苯胺降解菌的研究进展

1．3 Fe0-生物铁法强化废水处理的研究

1．3．1 传统生物铁法

1．3．2 Fe0-生物铁法及其特点

1．3．3 生物海绵铁体系的研究进展进展

1．3．4 生物海绵铁体系在水处理中的应用

1．3．5 生物海绵铁体系类Fenton效应的研究

1．4 海绵铁的腐蚀研究

1．4．1 电化学腐

1．4．2 生物腐蚀

1．5 课题的目的与意义

1．5．1 课题的目的

1．5．2 课题的意义

1．7 技术路线

2 生物海绵铁体系中具有铁氧化功能的高效苯胺降解菌的筛选

2．1 研究目的与内容

2．1．1 研究目的

2．1．2 研究内容

2．2 实验材料

2．2．1 活性污泥来源

2．2．2 培养基

2．2．3 海绵铁

2．2．4 实验仪器

2．3 实验方法

2．3．1 污泥驯化

2．3．2 富集培养

2．3．3 分离纯化

2．3．4 菌种筛选

2．3．5 一株具有铁氧化功能的高效苯胺降解菌株的鉴定

2．4 分析方法

2．5 实验结果与讨论

2．5．1 具有铁氧化功能的高效降解苯胺降解菌的筛选

2．5．2 ZL-1菌株的形态、生理生化特性

2．5．3 ZL-1菌株的分子水平鉴定

2．6 本章小结

3 菌株ZL-1降解苯胺的特性研究

3．1 研究目的与内容

3．1．1 研究目的

3．1．2 研究内容

3．2 实验材料与方法

3．2．1 实验材料

3．2．2 实验方法

3．2．3 分析方法

3．3 实验结果与讨论

3．3．2 菌株ZL-1降解苯胺影响因素的研究

3．4 本章小结

4 ZL-1菌株对生物海绵铁体系中铁溶出影响研究

4．1 研究目的与内容

4．1．1 研究目的

4．1．2 研究内容

4．2 实验材料与方法

4．2．1 实验材料

4．2．2 实验方法

4．2．3 分析方法

4．3 实验结果与讨论

4．3．2 菌株ZL-1对海绵铁的腐蚀行为研究

4．3．3 海绵铁腐蚀的表面化学分析

4．3．4 海绵铁溶出机理探讨

4．3．5 菌株ZL-1作用下海绵铁溶出影响因素研究

4．4 本章小结

5 菌株ZL-1作用下的生物海绵铁体系类Fenton效应研究

5．1 研究目的与内容

5．1．1 研究目的

5．1．2 研究内容

5．2 实验材料与实验方法

5．2．1 实验材料

5．2．2 实验方法

5．2．3 实验分析

5．3 实验结果与讨论

5．3．1 pH对菌泥ZL-1与海绵铁组成的生物海绵铁体系类Fenton效应影响

5．3．2 海绵铁投加量对菌泥ZL-1与海绵铁组成的体系类Fenton效应影响

5．3．3 菌泥投加量对菌泥ZL-1与海绵铁组成的体系类Fenton效应影响

5．3．4 海绵铁粒径对菌泥ZL-1与海绵铁组成的体系类Fenton效应影响

5．4 本章小结

6 结论和建议

6．1 结论

6．2 建议

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果