酵母菌法處理含醇醚化工廢水及應(yīng)用的研究.pdf

1、醇醚類物質(zhì)是化工行業(yè)中重要的大宗生產(chǎn)原料，涉及人們生產(chǎn)、生活的各行各業(yè)，但其生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢水會污染環(huán)境，危害人類健康。大多醇醚物質(zhì)具有較強(qiáng)的生物毒性，可經(jīng)多種途徑進(jìn)入人體，危害人體健康。例如，甲醇作為一種強(qiáng)烈的神經(jīng)和血管毒性物質(zhì)，主要引起代謝性酸中毒、視力障礙及神經(jīng)系統(tǒng)癥狀，胃腸道癥狀也較為常見;長、短期暴露乙二醇均可引起腎、腦、肺等多個臟器的病變，尤以腎臟病理改變最為明顯;長期暴露在高濃度乙醇環(huán)境下工作可引起鼻粘膜和眼的刺激，以及

2、頭痛、頭暈、惡心等癥狀;石油醚的蒸氣或霧對眼睛、粘膜和呼吸道也有刺激性。因此有必要對含醇醚類的廢水及時進(jìn)行處理。然而，此類廢水量大面廣，當(dāng)生產(chǎn)工藝有所調(diào)整時，廢水處理工藝往往需要做出相應(yīng)改變，隨之增加出很多額外的處理成本，據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)報道，目前，對含醇醚類化工廢水的處理普遍存在工程龐大、靈活性不足等問題亟待解決。
　　酵母菌是人類文明史中被應(yīng)用得最早的微生物之一，在食品、醫(yī)藥、現(xiàn)代生物學(xué)研究、新能源開發(fā)、單細(xì)胞蛋白（Single C

3、ell Protein，SCP）的生產(chǎn)中，酵母菌都突顯出巨大的價值。日本于20世紀(jì)90年代首次成功利用酵母菌處理廢水，并將相關(guān)研究工作發(fā)表于Journal of Fermentation and Bioengineering和Water Science and Technology，使酵母菌法成為廢水處理技術(shù)之一，開拓了酵母菌資源化應(yīng)用方向。盡管酵母菌法相對于傳統(tǒng)微生物法起步晚、應(yīng)用案例少，但是，由于作為真菌的酵母菌對廢水水質(zhì)適應(yīng)范圍更

4、廣，能去除多種污染物，尤其對醇醚類物質(zhì)具有更強(qiáng)的去除能力，且污泥量少，可產(chǎn)生單細(xì)胞蛋白，酵母菌法因其優(yōu)點(diǎn)被各國研究人員所關(guān)注，近年來，我國也開展了相關(guān)酵母菌法廢水處理研究工作。
　　根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)以及前期研究工作基礎(chǔ)，本文圍繞酵母菌法廢水處理開展相關(guān)研究，從酵母菌生物生理特點(diǎn)入手，具體開展如下研究工作:探討酵母菌法廢水處理的作用機(jī)制，分析廢水的可生化性，考察菌濃度-反應(yīng)時間關(guān)系以獲得最佳菌濃度點(diǎn)及最高反應(yīng)速率，考察引種方式對廢水處理

5、效果的影響，考察連續(xù)進(jìn)水流量與反應(yīng)器有效容積的比例關(guān)系以進(jìn)一步提高反應(yīng)速率及反應(yīng)器處理能力，形成一條簡單高效的廢水處理工藝，根據(jù)獲得的數(shù)據(jù)建立酵母菌法處理廢水的反應(yīng)動力學(xué)方程，分析酵母菌廢水處理過程及對污染物的去除方式;構(gòu)建中試裝置，對現(xiàn)場廢水進(jìn)行處理，通過約1年的持續(xù)運(yùn)行，評價酵母菌法廢水處理的的效果及裝置運(yùn)行穩(wěn)定性，分析酵母菌法廢水處理的成本效益，為將來技術(shù)的推廣奠定基礎(chǔ)。
　　具體工作內(nèi)容如下:
　　(1)酵母菌法實驗

6、室實驗研究:
　　(a)酵母菌法廢水處理作用機(jī)制理論研究
　　分析酵母菌生理生化特點(diǎn)，如其形態(tài)、結(jié)構(gòu)等，簡述酵母菌應(yīng)用發(fā)展史，敘述酵母菌處理醇醚廢水的生物過程及特點(diǎn)，對污染物的去除作用機(jī)制，分析相關(guān)因素對酵母菌法廢水處理的影響。
　　(b)廢水的可生化性及菌種選擇
　　根據(jù)目標(biāo)廢水水質(zhì)特點(diǎn)，結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)與中國工業(yè)微生物菌種保藏管理中心相關(guān)信息檢索，選擇3株對醇醚廢水有去除優(yōu)勢的酵母菌作為廢水處理菌株，配制模擬廢水

7、，以模擬實驗法檢驗廢水的可生化性，并且從3株酵母菌中選擇一株廢水處理能力最優(yōu)的菌株，分別考察接種量、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間對廢水的處理效果，開展探索性實驗研究，確定酵母菌對醇醚廢水處理的可行性。
　　(c)酵母菌法廢水處理的工藝研究及反應(yīng)動力學(xué)方程建立
　　根據(jù)酵母菌處理廢水的生化生理過程，考察菌濃度-反應(yīng)時間關(guān)系以獲得最佳菌濃度點(diǎn)及最高反應(yīng)速率，考察引種方式對廢水處理效果的影響，考察連續(xù)進(jìn)水流量與反應(yīng)器有效容積的比例關(guān)系以進(jìn)一

8、步提高反應(yīng)速率及反應(yīng)器處理能力，形成一條簡單高效的廢水處理工藝，對獲得的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析，建立反應(yīng)動力學(xué)方程并驗證其準(zhǔn)確性。
　　(d)酵母菌法處理廢水作用方式研究
　　對酵母菌分別進(jìn)行滅活與不滅活處理，研究其不同狀態(tài)下對污染物的去除能力，結(jié)合反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)以及底物變化情況，分析酵母菌廢水處理過程及對主要污染物的去除情況。
　　(2)酵母菌法現(xiàn)場中試研究
　　(a)中試裝置構(gòu)建及試運(yùn)行
　　對現(xiàn)場廢水生

9、產(chǎn)情況進(jìn)行調(diào)研。根據(jù)實際廢水處理需求及實驗室研究結(jié)果，設(shè)計研發(fā)中試裝置并試運(yùn)行。
　　(b)中試裝置長期持續(xù)運(yùn)行效果評估
　　以自主研發(fā)的中試裝置對現(xiàn)場實際廢水進(jìn)行處理，考慮到企業(yè)生產(chǎn)調(diào)整、季節(jié)變化對廢水處理效果的影響，通過約1年的持續(xù)運(yùn)行，對出水水質(zhì)監(jiān)測以檢驗中試裝置長期運(yùn)行的穩(wěn)定效果，評估酵母菌法對廢水處理的實際效果。
　　(c)酵母菌法廢水處理成本效益分析
　　依據(jù)中試裝置運(yùn)行效果，結(jié)合材料成本、人工成本、

10、處理效率、能耗等對酵母菌法廢水處理技術(shù)的實際經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行分析。
　　實驗結(jié)果如下:
　　(1)酵母菌法實驗室實驗研究:
　　(a)廢水的可生化性及菌種選擇
　　根據(jù)目標(biāo)廢水配制模擬廢水，實驗結(jié)果表明，酵母菌法對于該廢水具有良好的處理效果，該廢水具有較好的可生化性，根據(jù)實驗結(jié)果選擇Saccharomyces cerevisiae作為廢水處理菌株，在接種量為10％(v/v)、反應(yīng)溫度為30℃、反應(yīng)時間為48 h條件下

11、，化學(xué)需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）去除率達(dá)87.11％。在此條件下，廢水處理時間較長，處理能力較低，需要開展進(jìn)一步研究提高反應(yīng)速率與處理能力。
　　(b)酵母菌法廢水處理的工藝研究及反應(yīng)動力學(xué)方程建立
　　工藝參數(shù)研究
　　為進(jìn)一步提高反應(yīng)速率與處理能力，開展酵母菌法廢水處理工藝參數(shù)的研究:①菌濃度與反應(yīng)時間呈現(xiàn)一定的菌濃度-反應(yīng)時間關(guān)系，于20 g/L時的酵母菌濃度獲得最短反應(yīng)時間;

12、②以菌體引種作為引種方式可以避免外來物質(zhì)的引入，相對于菌液引種表現(xiàn)出更好的廢水處理效果;③考察了連續(xù)進(jìn)水流量與反應(yīng)器有效容積比例關(guān)系，實驗結(jié)果顯示，每分鐘進(jìn)水流量控制在反應(yīng)器有效容積的5％以內(nèi)，廢水出水COD可穩(wěn)定在500mg/L，且反應(yīng)器日處理量可達(dá)自身有效容積的40倍（以20 h計），當(dāng)進(jìn)水COD過高時需要適當(dāng)降低進(jìn)水流量以延長HRT。
　　小試工藝形成及反應(yīng)動力學(xué)方程建立
　　實驗室小試處理采用完全混合曝氣（又稱連續(xù)（

13、流）攪拌曝氣）方式處理，工藝參數(shù):反應(yīng)體系為1L，進(jìn)水COD為3000 mg/L左右，菌濃度為19-21 g/L，流量30-40mL/min，溫度25-30℃，DO維持在2-4 mg/L，在此條件下，廢水出水COD可穩(wěn)定在500 mg/L。對獲得的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，建立酵母菌廢水處理的反應(yīng)動力學(xué)方程:t=i(S(o)-Se)/0.5721X0.258Se，0＜X≤20 g/L。
　　(c)酵母菌法處理廢水作用方式研究
　　酵

14、母菌對含醇醚類廢水的COD去除完全通過生物降解作用，滅活后的酵母菌對COD無去除作用。菌濃度的增加可提高酵母菌與底物的親和度及結(jié)合效率，促進(jìn)醇醚類物質(zhì)的轉(zhuǎn)化與降解，在相同的反應(yīng)條件及時間下，高濃度的酵母菌更快進(jìn)入三羧酸循環(huán)(Tricarboxylic Acid Cycle，TCA)的后續(xù)反應(yīng)中。以酵母菌法對廢水處理，當(dāng)廢水COD由3000 mg/L降至500 mg/L時，廢水中乙醇、乙二醇、石油醚的去除率均達(dá)到約80％。
　　(2

15、)酵母菌法現(xiàn)場中試研究
　　(a)中試裝置的構(gòu)建及試運(yùn)行
　　本文根據(jù)現(xiàn)場廢水水量與水質(zhì)特點(diǎn)以及實驗室研究結(jié)果，結(jié)合反應(yīng)動力學(xué)規(guī)律，設(shè)計制作酵母菌廢水處理中試裝置并現(xiàn)場試運(yùn)行。所研制的中試裝置集進(jìn)水、出水、曝氣、液位控制、加熱、溫控、膜過濾于一體。裝置外形尺寸為100×110×120 cm，采用高密度聚乙烯材質(zhì)，根據(jù)水量可進(jìn)行裝置串聯(lián)或并聯(lián)運(yùn)行。所研制的中試裝置對實際廢水具有良好的處理效果，對于實際廢水的處理效果與實驗室處理

16、效果相近，反應(yīng)動力學(xué)推導(dǎo)合理，適用于現(xiàn)場實際廢水的處理。
　　(b)中試裝置長期持續(xù)運(yùn)行效果評估
　　根據(jù)現(xiàn)場廢水生產(chǎn)情況，采用完全混合曝氣方式進(jìn)行處理，中試工藝參數(shù)為:反應(yīng)體系為1000 L，進(jìn)水COD在1000-6000mg/L，流量為10-40 L/min，溫度為25-30℃，維持DO在2-4 mg/L，菌濃度為16-22 g/L，在此條件下，出水COD穩(wěn)定在500mg/L，出水COD達(dá)到園區(qū)接管排放標(biāo)準(zhǔn)(CJ343-

17、2010)，中試裝置日處理能力可達(dá)40 t（以20h計）。約1年的持續(xù)運(yùn)行表明本文研制的中試裝置運(yùn)行穩(wěn)定。當(dāng)接二級中試裝置進(jìn)行處理時，出水COD則可下降至80 mg/L，出水COD達(dá)到江蘇省污水排放標(biāo)準(zhǔn)(DB32/939-2006)。
　　(c)酵母菌法廢水處理成本效益分析
　　本文自主研發(fā)的廢水處理中試裝置，每噸廢水純處理成本僅為0.14元，節(jié)約該企業(yè)目前廢水處理成本44.496萬元，且本裝置便攜靈活，無需土建，可作為便攜

18、式小型應(yīng)急廢水處理站使用，能適應(yīng)各種地形要求，具有極佳的推廣價值。
　　根據(jù)本文研究結(jié)果可知，酵母菌法對含醇醚類廢水具有良好的處理效果;本研究形成了一套高效簡單的廢水處理工藝，反應(yīng)器日處理量可達(dá)自身有效容積40倍（以20 h計）;所研制的中試裝置可滿足現(xiàn)場廢水的處理需求，節(jié)約企業(yè)廢水處理成本。
　　與常規(guī)廢水處理技術(shù)相比，本研究具有如下創(chuàng)新點(diǎn):
　　相比于以細(xì)菌為主導(dǎo)地位的傳統(tǒng)微生物法，本文選用酵母菌（真菌）作為廢水處

19、理菌種，水質(zhì)適應(yīng)范圍更廣，無需預(yù)處理，工藝更簡單，對污染物去除效率更高;
　　不同于對酵母菌的傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)，本文利用酵母菌在有氧條件下代謝效率高的特點(diǎn)，通過酵母菌的有氧呼吸作用，以醇醚類有機(jī)物質(zhì)作為碳源使酵母菌生長的同時對醇醚類物質(zhì)進(jìn)行降解以達(dá)到廢水處理的目的;
　　提出以高濃度酵母菌、菌體引種、小比例流量連續(xù)進(jìn)水以提高反應(yīng)速率和處理能力，利用20 g/L的菌濃度，控制每分鐘進(jìn)水流量在反應(yīng)器有效容積的5％以內(nèi)，實現(xiàn)反應(yīng)器于自

20、身有效容積40倍的日處理量（以20 h計）;
　　形成可快速啟動和耐沖擊負(fù)荷，且適合小型化、一體化工程應(yīng)用的廢水處理工藝路線及單元技術(shù)與關(guān)鍵技術(shù)參數(shù);
　　研發(fā)具有投資少、體積小、占地少、可現(xiàn)場快速拼裝的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化中試裝置，實現(xiàn)裝置可移動、易運(yùn)輸、無需土建的特點(diǎn)。
　　研究成果的推廣有助于減輕醇醚類廢水的環(huán)境污染與健康危害問題，有利于建設(shè)環(huán)境友好型化工行業(yè)，達(dá)到環(huán)境保護(hù)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展相協(xié)調(diào)的目的，符合國家水污染防治“十