浅析微生物降解含酚废水

浅析微生物降解含酚废水
摘要：微生物降解法处理含酚废水作为一种简便、高效的处理方法，具有传统方法所无法比拟的优点。

文中从降酚菌的来源、苯酚的生物降解途径以及固定化微生物技术在处理含酚废水中的应用等方面介绍了微生物降解法处理含酚废水的过程。

预期该领域具有十分广阔的应用前景。

关键词：微生物降解苯酚代谢途径固定化微生物
苯酚及其衍生物是被广泛应用于染料、农药、医药合成等行业生产中的原料或中间体，是工业排放废水中主要的有害污物组成成份，是最常见的水体污染物。

水中含酚量>l0mg/L时，鱼类等水生生物不能生存；含酚量>l00mg/L的水若用于灌溉，必将导致农作物的减产和枯死。

据国家环保总局统计2003年我国酚类物质排放量约为3000吨。

由于苯酚是“三致”（致癌、致畸、致突变）污染物，未经处理直接排放不仅会使受纳水体BOD5值增大，还会毒害水生生物的生存，破坏水生生态系统，因此苯酚被列入国家环保总局1989年通过的“水中优先控制污染物黑名单”中。

对于含苯酚废水的处理，传统多采用化学法和物化法，如溶剂萃取法、活性炭吸附，大孔聚苯乙烯树脂吸附脱酚，化学氧化等，但对于高浓度含酚废水的处理，虽然萃取法对酚类物质去除率很高，但有机溶剂会造成对环境的二次污染，吸附法由于活性炭需再生因而增加了处理成本，与萃取法和活性炭吸附法相比，微生物降解法不仅经济、安全，而且处理的污染物阈值低、残留少、无二次污染，其应用前景广阔，为此国内外学者对如何利用微生物处理废水中的酚及其衍生物进行了大量的研究。

根据国内外最新研究报道，下面就降酚菌的来源、微生物降解苯酚的代谢途径以及固定化微生物技术在处理含酚废水中的应用等方面作一介绍。

一．降酚菌的来源
1.降酚菌的筛选、驯化与保存
近几十年的研究表明，许多微生物经长时间的驯化后具有降解苯酚的能力。

如某些细菌、藻类、酵母菌、真菌等。

从自然界中筛选具有降酚能力的菌株大多采用富集培养技术，其大致方法是：首先将收集到的标本如活性污泥予富集培养
基中增菌；然后选用合适的方法获得单菌落；再将菌体接种于含酚的筛选平板中
获得苯酚降解菌。

苯酚降解菌种的培养液配方是在基础培养液中添加一定浓度的苯酚配制而成，接种用活性污泥取自某炼油化工厂废水处理车间生化反应池，取下层污泥20mL接种于含100mL基础培养液的培养瓶中，置于35℃恒温水浴摇床中振荡培养，摇床转速采用150r/min。

驯化时以苯酚为唯一碳源，控制培养液pH在7.0左右。

因苯酚对生物具有毒害作用，驯化时采取逐步提高其浓度的方式来进行，同时设置空白对照实验。

培养后的微生物经离心分离洗涤后，用pH7.0的磷酸盐缓冲液配制成一定浓度的菌液，置于5℃冰箱中保存。

2.降酚菌降解苯酚实验的结果与讨论
配制一定苯酚浓度的模拟废水置于250mL培养瓶中，根据实验条件，添加一定量的驯化微生物，调节溶液pH值和反应温度，置于上述摇床中进行苯酚的生物降解实验，每隔一定时间取样分析培养瓶中苯酚浓度和微生物量，同时，设
置不加微生物的空白实验进行对照。

2.1微生物降解苯酚的最大浓度
微生物降解有毒有机化合物时需考虑化合物浓度本身对降解性能的影响。

芳香类有机物通常在低浓度时可被微生物降解，但浓度较高时则表现出对微生物的强烈毒性，为考察苯酚的最大降解浓度，分别配制150mL苯酚浓度为0mg/L、300mg/L、400mg/L、500mg/L、600mg/L和700mg/L含基础培养基的模拟水样，置于250mL培养瓶中，各加入2.5mL菌液（细菌干重0.28mg/mL），调节pH值至7.0，置于35℃恒温振荡器中培养8h后测定溶液中苯酚浓度，作不同初始浓度下苯酚的降解速率曲线，结果如图1所示。

图1苯酚初始浓度(mg/L)
从上图可以看出，苯酚初始浓度较小时，降解速率随基质浓度的提高而增大，
当浓度超过500mg/L以后则表现出对微生物降解的抑制作用，进一步提高苯酚浓度，抑制效应急剧增强，浓度为700mg/L时的降解速率仅为500mg/L时降解
速率的43%。

2.2微生物的最佳投加浓度
微生物浓度对于污染物降解时间影响明显，浓度越低，达到一定处理效果所需时间越长，浓度过高，降解则受到包括溶解氧等其它条件的制约，降解速率不再上升。

为考察这方面的影响，配制苯酚浓度为500mg/L含基础培养基的模拟水样，分别取150mL置于各培养瓶中，添加不同量的菌种后将上述各个培养瓶置于35.0℃的恒温水浴摇床中进行降解实验，12h后测定反应液中苯酚浓度，作出苯酚降解速率和微生物浓度间的关系曲线，结果如图2所示。

图2菌种添加浓度与降解速率间的关系
从图2可以看出，当反应液中细菌浓度不足400mg/L时，苯酚降解速率与微生物浓度呈线性正相关，微生物浓度超过400mg/L后，进一步提高微生物浓
度对苯酚降解速率的影响效果不明显。

2.3不同温度条件下微生物对苯酚的降解
温度对微生物具有广泛的影响，总体上说，微生物的全部降解过程都取决于生化反应，而生化反应速率受温度的影响，在最适生长温度范围内，反应温度升高，降解速率随之增加。

为确定微生物降解苯酚的最适温度，配制浓度为500mg/L 含基础培养基的苯酚水样，取150mL置于各个250mL培养瓶中，添加菌液至菌种浓度为400mg/L，分别于20℃、25℃、30℃、35℃、40℃条件下考察微生物降解情况，得到如图3所示的实验结果。

从图3可以看出，30～35℃范围内，微生物降解苯酚的速率较高，超出此范围，温度的升高和降低都将使苯酚降解速率
下降。

故在利用驯化微生物处理含酚废水时，要适当控制废水的温度，从而使该类微生物保持较高的降解能力，达到较好的处理效果。

图3不同反应温度下的降解速率
2.4不同pH值下苯酚的降解
微生物的生化反应是在酶的催化作用下进行的，酶的基本成分为蛋白质，是具有离解基团的两性电解质，pH值对微生物生长繁殖的影响体现在酶的离解过程中，此外，酶的催化作用还取决于基质的电离状况，pH对基质电离状况的影响也进而会影响到酶的催化活性。

正是如此，溶液pH值的波动会对微生物种群产生较大影响，为考察此方面的情况，配制浓度为500mg/L的含培养基的苯酚水样，取150mL置于各个250mL培养瓶中，分别调节反应液pH值为5.0、5.5、6.0、6.5、7.0、7.5后，添加菌液至菌种浓度为400mg/L，于35℃条件下培养10小时
后测定苯酚降解速率，得到如图4所示的实验结果。

图4不同pH条件下的降解情况
从图4可知，反应液的pH值对微生物降解苯酚的能力产生较大的影响，在pH=5.0时，苯酚去除效果明显低于pH值在5.5～6.5之间时处理效果。

而当pH
值大于7.0后进一步提高pH值会使降解效果下降，说明弱酸性环境较有利于驯化微生物降解苯酚。

二．微生物降解苯酚的代谢途径
近几十年的研究表明，许多微生物参与了此类有机毒物的具有重要环保意义的生物降解反应。

这些微生物包括根瘤菌、藻类、酵母菌、醋酸钙不动杆菌、假单胞菌、真养产碱菌、反硝化菌等苯酚降解菌。

许多科学家对苯酚降解菌的功能特性进行了大量而深入的研究，已基本了解了微生物降解苯酚的几条途径。

一般来说，细菌体内存在着编码两条途径的基因，即编码间位途径酶的基因和编码邻位途径酶的基因。

在有氧情况下，苯酚的微生物降解通过这两个独立的代谢系统进行，如图5所示，降解苯酚的代谢是将苯酚分解为邻苯二酚，邻苯二酚由邻位和间位途径经环裂解，邻位和间位途径是两个独立的代谢系统。

邻位途径产生β一酮基己二酸中间产物，间位途径产生α-酮基己二酸中间产物，最后均形成三羧酸循环的中间物。

图5好氧微生物降解苯酚的代谢途径
1．苯酚；2．邻苯二酚；3．2一羟基粘糠半醛；4．2一羟基粘酸；5．4一氧代己二酸；6．2一氧代戊烯酸；7．2一氧代4一羟基戊酸；8．内脂；9．p一酮基己二酸；①．苯酚羟化酶；②．邻苯二酚1，2加氧酶；③．顺，顺一粘糠酸内脂酶；④．邻苯二酚2。

3加氧酶；⑤．2一羟基粘糠酸内脂酶；⑥．4一氧代己二酸异构酶；⑦．4一氧代己二酸脱酸酶；⑧．2一氧代4一羟基戊酸酶
在厌氧条件下，苯酚的微生物降解则可能通过的第一步是Kolbe—Schmitt
羧化反应。

如图6所示，苯酚的厌氧代谢将苯酚羧化为4-羟基苯甲酸。

图6厌氧微生物降解苯酚的代谢途径
1．苯酚；3．4一羟基苯甲酸；4．4一羟基苯甲酰辅酶A；5．苯甲酰辅酶A；6．环己烯甲酰辅酶A；①，②．苯酚羧化酶系统；③．4一羟基苯甲酰辅酶A合成酶；
④．4一羟基苯甲酰辅酶A还原酶；⑤．苯甲酰辅酶A还原酶
三．固定化微生物技术在处理含酚废水中的应用
用微生物降解法处理含酚废水的方法很多，如活性污泥法、生物膜法、厌氧生物处理法和自然生物处理法等。

目前普遍采用的是活性污泥生物处理法，但这种方法存在着生物浓度低，微生物菌体易流失，产生大量的污泥，占地面积大，处理效率低等不足之处。

20世纪80年代开始将固定化技术向环境应用科学领域渗透，使生物治理技术登上了一个新台阶。

按照工程设计的要求，微生物被控制在反应器的载体上后，可以按照处理要求，控制反应器内的生物量和传质量，因而处理效能提高，菌体不易流失和污染，其抗毒及忍耐力明显提高，剩余污泥也大为减少。

近年来国内外一直致力于用固定化技术进行废水处理的研究。

用于固定化细胞的载体主要分为两大类：一类是天然高分子凝胶载体，如琼脂、海藻酸钙等；另一类是有机合成高分子载体，如聚丙烯酰胺凝胶、聚乙烯醇凝胶等。

天然高分子凝胶一般对生物无毒，传质性能较好，但强度低，在厌氧条件下易被生物分解。

有机合成高分子凝胶一般强度较好，但传质性能稍差，在进行细胞包埋时有时对细胞活性有影响。

周定等分别对以琼脂、海藻酸钙、聚乙烯醇、聚丙烯酰胺等为载体所制备的固定化细胞的微生物相对活性、耐微生物性能及曝气强度等方面进行了系统比较后，认为海藻酸钙作为固定化载体在各项性能上均优于其它载体。

而且利用固定化微生物法处理酚的最大容积负荷等于悬浮法处理的2倍，而污泥发生量仅为悬浮法处理的十分之一。

与此同时，往废水中投加少量的营养物不仅可以保持固定化微生物颗粒的活力不减还可使颗粒内部微生物增殖，从而提高活性。

为了提高固定化细胞的机械强度、降酚活性及稳定性等，孙艳等通过添加硅藻土或用已二胺一戊二醛对固定化细胞表面进行化学处理，把用海藻酸钙包埋法制得固定化细胞的方法进行了改进。

此外，人们发现聚乙烯醇作为一种新型的包埋载体，它具有强度高、化学稳定性好、价格低廉等优点，是一种具有实用潜力的包埋材料，近年来在国内外对此进行了较广泛的研究。

Amanda等研究了用聚乙烯醇一硼酸法包埋酚降解Pseudomonas在流化床反应器中处理含酚废水，固定化颗粒在三相流化床反应器中连续运行两周，进水酚浓度从250mg/L逐渐提高到1300mg/L，出水酚浓度均为0mg/L，且固定化颗粒具有良好的机械强度，没有观察到明显的破碎现象。

刘和等采用聚乙烯醇一活性炭核包埋法进行微生物固定化使其兼具包埋法和吸附法的优点，当处理苯酚浓度为2148.0mg/L的高浓度含酚废水时，经24h处理后，对苯酚的去除率为50.1％；当处理苯酚浓度为180.7mg/L的含酚废水时，经6h处理后，对苯酚的去除率为89.1％。

结语
从受污染的环境中分离获得高效的酚类物质降解菌,研究其降解特性，然后应用到含酚等难降解污染物的废水处理系统中，是难降解污染物的废水处理的一条有效途径，将这些降解菌应用在处理废水的生物降解反应器、给水设备系统中遭受污染的地方和废物倾泻处具有广泛的应用前景。

固定化微生物在废水处理中的应用十分广泛。

与传统降解苯酚的方法相比，固定化微生物技术能将单位体积内的微生物细胞浓度大大提高而不析出，具有处理效率高；有利于优势菌种的固定，提高降解难降解有机物的降解效率；对有毒物质的抵抗效率强，稳定性好。

因此，在有机废水，特别是含酚废水这样的高毒性，难降解的有机废水处理领域有独特的应用优势。

相信随着该技术的不断研究与发展，固定化微生物技术在处理废水领域一定会获得广泛应用。