CN113998837A - 一种利用生物质和真菌处理染料废水的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用生物质和真菌处理染料废水的方法，包括生物质预处理、吸附、回收分离、固态发酵等步骤。本发明的方法利用农业废弃物秸秆和真菌固态发酵技术设计了染料废水处理新方法，使得染料分子通过吸附作用快速附着在秸秆表面，明显减少了废水中染料成分的含量。相对于活性炭吸附剂，废弃秸秆的价格更加低廉且来源广泛；培养出的白腐真菌对染料污染物具有很好的降解去除效果，通过真菌固体发酵技术处理吸附染料的秸秆，减少化学药剂使用量和残留药剂对环境的污染。整体操作简单、成本低廉、绿色环保。
Description
技术领域
本发明涉及染料废水处理技术领域，具体是指一种利用废弃生物质和真菌固体发酵处理染料废水的方法。
背景技术
随着我国染料生产量的逐年增加，产生了大量对环境和人体存在危害的染料废水，其有机物含量高、成分复杂、具有生物毒性。鉴于染料废水有很大的危害，因此染料废水达标排放显得极为重要。目前，常用吸附法、微生物分解法、光催化法、臭氧法等处理染料废水。但由于成本和二次污染等问题，在实际应用中都存在局限。
现有处理染料废水主要分类为物理法、化学法、生物法，但都存在不足。如吸附法没有完全降解掉染料；絮凝法中残留的絮凝剂可能对人体有害，同时无机絮凝剂使用量大会产生大量污泥，污泥处理成本高；臭氧氧化法中连续供应臭氧价格昂贵，成本高；电解法不适合处理水量较大的染料废水；单一生物法处理成分复杂、水质不稳定的染料废水难度大，同时存在脱色效果一般的问题。
为了应对现有技术的不足，申请号为CN200810228636.6的中国发明专利公开了一种采用固定化真菌菌体对印染废水脱色的方法，将培养的一种或几种真菌孢子或菌丝段配成浓度为10-10个/ml的接种悬液，将接种悬液按体积比5％-20％接种于装有固定化基质材料的液体培养基中，而后在20℃-35℃下以60-200r/min振动培养3-7天，待菌丝体覆盖基质材料固定后将其高温灭活，最后将其投放于印染废水中即可脱色处理。
申请号为201410081449.5的中国发明专利公开了一种采用废弃秸秆处理印染废水的方法，用多糖化合物处理废弃秸秆，将废弃秸秆进行化学改性其次采用改性废弃秸秆对印染废水进行吸附，降低了废水的处理成本，是一种经济环保的处理方法。
但是上述技术处理仍然具有处理过程复杂，成本较高，同时处理效果不尽如人意，处理后的废弃物仍然需要进一步处理的问题。针对上述技术问题，本发明提出了一种利用农业废弃物结合真菌，通过固态发酵技术降解染料废水的方法，以此来降低染料废水处理成本，提高处理效率。本发明所述的染料废水处理方法具有简单高效、价格低廉、无二次污染的优点，同时能够对处理完废水的秸秆进行资源化回收。
发明内容
对于上文中叙述到的染料废水处理现状，本发明提供了一种利用秸秆和真菌，结合固态发酵技术处理染料废水的方法。秸秆可用于染料废水吸附，具有吸附率高、材料来源广泛、成本低的特点；真菌可用于染料废水的降解，具有降解率高、操作简单、费用低的优势。
为实现上述目的，本发明所设计的一种染料废水处理方法具体步骤如下：
一种利用生物质和真菌处理染料废水的方法，包括如下步骤：
1)生物质预处理：回收废弃生物质，处理成小段，干燥后备用；
2)吸附：将经过步骤1)处理的生物质投加到染料废水中进行吸附；
3)回收分离：分离出吸附了染料的生物质进行下一步处理；
4)固态发酵：在通过步骤3)分离出的生物质中接种白腐真菌，在室温的条件下发酵。
在一个优选方案中，生物质的预处理包括将生物质切成1-3厘米的小段，晾干或者烘干。
在以上方案中，所用生物质优选选自小麦秸秆、玉米秸秆、花生壳或其任何组合。
在本发明方法中，所用白腐真菌优选选自血红密孔菌、平菇、香菇或其任何组合。
优选地，接种白腐真菌之前还包括真菌筛选、纯化、复壮的步骤。
在优选的方案中，接种白腐真菌并进行固态发酵的步骤之后还包括将通过步骤3)分离出的生物质与上一发酵循环的部分经过了发酵的生物质直接混合的步骤。其中，混合步骤包括将发酵池中经过发酵的生物质移除一部分，然后用分离出的生物质补足，将新补进来的生物质与原有经过发酵的生物质混合均匀。
在一个优选方案中，回收分离的方法包括过滤，在过滤之后还包括将过滤出的生物质干燥粉碎并进行灭菌处理的步骤。
本发明方法中用于处理的染料废水优选为含有结晶紫的染料废水。
在本发明的方法中，固态发酵条件为在避光、恒温25-35℃条件下保湿培养5-7天。
本发明的有益效果是利用农业废弃物秸秆和真菌固态发酵技术设计了染料废水处理新方法，使得染料分子通过吸附作用快速附着在秸秆表面，明显减少了废水中染料成分的含量。相对于活性炭吸附剂，废弃秸秆的价格更加低廉且来源广泛；培养出的白腐真菌对染料污染物具有很好的降解去除效果，通过真菌固体发酵技术处理吸附染料的秸秆，减少化学药剂使用量和残留药剂对环境的污染。整体操作简单、成本低廉、绿色环保。
附图说明
图1是小麦秸秆(WS)、花生壳(PS)、玉米秸秆(CS)对不同浓度结晶紫溶液的吸附率；
图2是添加不同质量花生壳(PS)对同一浓度结晶紫溶液吸附效果图；
图3是血红密孔菌、平菇、香菇分别对小麦秸秆(WS)、花生壳(PS)、玉米秸秆(CS)中结晶紫的降解率；
图4是血红密孔菌、平菇、香菇在小麦秸秆(WS)、花生壳(PS)、玉米秸秆(CS)上分泌漆酶的活力值；
图5是固态发酵处理后小麦秸秆(WS)、花生壳(PS)、玉米秸秆(CS)的损失量；
图6是血红密孔菌、平菇、香菇分别对小麦秸秆(WS)、花生壳(PS)、玉米秸秆(CS)上染料降解效果图。
具体实施方式
本发明属于染料废水处理应用技术领域，具体涉及一种利用真菌固态发酵处理吸附染料废水的废弃秸秆。具体为将秸秆预处理成1-3cm的小段，投加到浓度为10mg/L-400mg/L的染料废水中吸附处理。而后将真菌接种在吸附染料的秸秆上，在室温下固态发酵处理5-7天。本技术基于固态发酵技术，综合利用秸秆和真菌对染料废水进行吸附和发酵降解，降低排水色度和污染物浓度，从而解决染料废水产量大、色度深、变化大等难题。
本发明选择了三种典型的白腐真菌，分别为血红密孔菌SYBC-L3(Genbank数据库中的登录号为JX861099)、平菇和香菇。其中血红密孔菌SYBC-L3采自中国亚热带广东省，平菇和香菇购自菜市场。
另外，本发明提供了上述三种白腐真菌的制备方法，血红密孔菌SYBC-L3是从腐朽的干枯木头，平菇和香菇是从各自的子实体上分离得到的纯化菌种。
本发明中的白腐真菌具有利用秸秆和染料污染物生长的能力，可用于染料废水的生物降解。本发明中所述的染料废水选自结晶紫。
在一个代表性实施例中，本发明的利用废弃生物质和真菌处理染料废水的方法包括以下步骤：①秸秆预处理：用铡刀将小麦秸秆、花生壳、玉米秸秆截成规格为1-3cm的小段，在室外自然晾干后备用；②吸附染料废水：秸秆按照2、6、10、14、18gL-1的量添加到50ml浓度为50mg/L的结晶紫溶液中，在自然pH、室温条件下吸附12小时；秸秆按照2gL-1的量添加到50ml浓度为10、50、100、200、400mgL-1的结晶紫溶液中，在自然pH、室温条件下吸附12小时，染料吸附于秸秆中；③筛选与纯化血红密孔菌、平菇、香菇：将从自然环境中获得的真菌在避光、恒温30℃条件下，利用PDA培养基进行不断筛选得到最终纯化的菌株；④固态发酵：过滤出②所述的吸附染料废水的秸秆；将③所述的菌株接种于秸秆中，在避光、恒温30℃条件和一定湿度条件下培养5-7天，通过血红密孔菌、平菇、香菇固态发酵降解去除结晶紫。
所用染料废水结晶紫溶液的优选浓度范围是10～400mgL-1。
吸附的优选条件是温度25℃，搅拌转速160r/min，吸附时间12h。
血红密孔菌、平菇、香菇的接种量优选为1个菌片/3g秸秆；固态发酵温度是25～35℃，秸秆与灭菌水比例为1：3～1：5，发酵时间5～18天。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在一个代表性实施例中，本发明方法的基本步骤包括如下：
①秸秆预处理：将回收的小麦秸秆、花生壳、玉米秸秆截成小段，自然晾干后备用；
②真菌筛选、纯化、复壮：将血红密孔菌、平菇、香菇菌种活化备用；
③吸附：将步骤①预处理好的秸秆投加到染料废水中进行吸附；
④过滤：分离出吸附染料的秸秆进行下一步处理；
⑤固态发酵：将步骤②中活化后的真菌接种在步骤④中的秸秆，在室温的条件下发酵。
实施例1：废弃秸秆的预处理
为增加秸秆对染料废水的接触面积和提高吸附效率，同时利于秸秆与染料废水过滤分离，需要将秸秆进行筛选和预处理，具体工艺如下：用铡刀将小麦秸秆、花生壳、玉米秸秆截成规格为1-3cm的小段，在室外自然晾干后备用。
实施例2：血红密孔菌、平菇、香菇菌种的筛选、纯化、复壮
采用组织印迹法进行分离筛选，分离筛选方法如下：取腐朽木头、平菇子实体、香菇子实体放在烧杯中，用无菌水浸泡2小时。然后将液体样品稀释成不同梯度并涂布在含有4％2,6-二甲氧基苯的PDA(20％土豆提取物，2％葡萄糖，2％琼脂)培养基上。每天观察培养基上菌落的生长情况及菌落周边是否有红色变色圈的出现，将菌落周边出现红色变色圈的菌株挑选出来转接在新的PDA培养基上，最终获得纯化的菌种。将纯化的菌种接种在PDA斜面上后置于4℃的冰箱中保存，以备后续使用。
为恢复低温储存状态下真菌的活性，需要将真菌进行复壮培养，具体工艺如下：在无菌操作下将低温保存的菌种置于PDA培养基中再放置在30℃的条件下恒温培养8-12h，逐级扩大培养得到纯而壮的培养物，即获得活力旺盛的、接种数量足够的真菌。
实施例3：小麦秸秆、花生壳、玉米秸秆对染料废水的吸附
相较于传统物理法、化学法、生化法治理染料废水，本技术所采用的生物法是选取秸秆废弃物作为吸附剂，其吸附效率达到90％左右，实现了“以废治废”的理念。在此基础上利用真菌的生长代谢降解染料废水中的污染物，真正实现有效去除，无二次污染。降低企业治理成本的同时增加农民收入。
染料废水浓度对吸附效果的影响：将染料废水的浓度分别调节为10，50，100，200，400mgL-1，将添加量为2gL-1的小麦秸秆、花生壳、玉米秸秆添加到盛有50毫升的染料废水的离心管中。在自然pH、室温条件下振荡12小时后，将反应后的溶液在4000转/分的条件下离心5分钟，将上清液取出后用紫外-可见光分光计在590nm波长下测出透光率，通过预先拟合好的标准曲线计算出吸附后的染料废水浓度，并通过以下公式计算出吸附率：
秸秆添加量对吸附效果的影响：将染料废水的浓度分别调节为50mgL-1，将添加量调节为2，6，10，14，18gL-1的小麦秸秆、花生壳、玉米秸秆添加到盛有50毫升的染料废水的离心管中。在自然pH、室温条件下振荡12小时后，将反应后的溶液在4000转/分的条件下离心5分钟，将上清液取出后用紫外-可见光分光计在590nm波长下测出透光率，通过预先拟合好的标准曲线计算出吸附后的染料废水浓度，并通过以下公式计算出吸附率：
如图1所示，小麦秸秆、花生壳、玉米秸秆对染料废水均有很好的吸附效果，当染料废水浓度为10mgL-1时吸附率最高将近90％。随着染料废水浓度的增加，吸附率虽然在下降，可即便当染料废水浓度高达400mgL-1，也可吸附近40％的染料废水。说明小麦秸秆、花生壳、玉米秸秆在吸附染料废水方面具有可行性。如图2所示，以花生壳为例，随着花生壳在染料废水中添加量的增加，对染料废水的去除率也逐渐提高。通过肉眼可见，随着花生壳在染料废水中添加量的增加，深紫的染料废水变得越来越清澈。
实施例4：白腐真菌在染料污染物处理中的应用
将吸附染料的秸秆从染料废水中分离出来，具体工艺如下:用网孔尺寸适当的滤网将吸附染料的秸秆滤出。
将吸附染料的小麦秸秆、花生壳、玉米秸秆在80摄氏度下烘干后粉碎，按质量计，按照固液比1：4加入去离子水，在121摄氏度、0.12MPa条件下保温20分钟后，用灭菌后的秸秆作为固态发酵培养基底。将PDA平板上培养活化好的血红密孔菌、平菇、香菇菌种分别接种在吸附染料的小麦秸秆、花生壳、玉米秸秆上，在避光、30摄氏度恒温条件下培养5-7天。测量得出血红密孔菌和平菇的降解效果很好，在三种秸秆上降解率均能达到90％左右。见图3。
经分析得出，真菌能够降解染料废水最最有效的成分为漆酶，漆酶是一种新型的绿色生物催化剂，在染料废水处理、土壤修复、食品加工、生物制药、化学合成、布匹染色与脱色、生物燃料等领域有广泛的用途。测量血红密孔菌(Pycnoporus sp)、平菇(Pleurorusostreatus)、香菇(Lentinus edodes)分泌出的酶活，发现血红密孔菌在小麦秸秆，花生壳，玉米秸秆上分泌的酶的活力总是最高。尤其是在花生壳上，最高达到2.9U/g。见图4。
如图5所示，将降解后剩余的秸秆残渣进行称重，测得秸秆的生物量损失率。发现秸秆都有不同程度的损失，最低为26％，最高为43％。说明秸秆可为真菌的生产提供养料。
在深度发酵18天后，如图6所示，通过肉眼可见，吸附在小麦秸秆、花生壳、玉米秸秆上的染料废水被平菇和血红密孔菌降解的消失殆尽，呈现出秸秆原来的颜色，发酵后的秸秆符合直接回田的标准。同时也说明本发明的技术在处理染料废水上具有可行性。
上面结合附图和具体实施例对本发明的实施方式作了详细的说明，但是本发明不限于上述实施方式，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
Claims (10)
1.一种利用生物质和真菌处理染料废水的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
1)生物质预处理：回收废弃生物质，处理成小段，干燥后备用；
2)吸附：将经过步骤1)处理的生物质投加到染料废水中进行吸附；
3)回收分离：分离出吸附了染料的生物质进行下一步处理；
4)固态发酵：在通过步骤3)分离出的生物质中接种白腐真菌，在室温的条件下发酵。
2.如权利要求1所述的利用生物质和真菌处理染料废水的方法，其特征在于，生物质的预处理包括将生物质切成1-3厘米的小段，晾干或者烘干。
3.如权利要求1所述的利用生物质和真菌处理染料废水的方法，其特征在于，所用生物质包括小麦秸秆、玉米秸秆、花生壳或其任何组合。
4.如权利要求1所述的利用生物质和真菌处理染料废水的方法，其特征在于，所用白腐真菌包括血红密孔菌、平菇、香菇或其任何组合。
5.如权利要求1所述的利用生物质和真菌处理染料废水的方法，其特征在于，接种白腐真菌之前还包括真菌筛选、纯化、复壮的步骤。
6.如权利要求1所述的利用生物质和真菌处理染料废水的方法，其特征在于，接种白腐真菌并进行固态发酵的步骤之后还包括将通过步骤3)分离出的生物质与上一发酵循环的部分经过了发酵的生物质直接混合的步骤。
7.如权利要求6所述的利用生物质和真菌处理染料废水的方法，其特征在于，混合步骤包括将发酵池中经过发酵的生物质移除一部分，然后用分离出的生物质补足，将新补进来的生物质与原有经过发酵的生物质混合均匀。
8.如权利要求1所述的利用生物质和真菌处理染料废水的方法，其特征在于，回收分离的方法包括过滤，在过滤之后还包括将过滤出的生物质干燥粉碎并进行灭菌处理的步骤。
9.如权利要求1所述的利用生物质和真菌处理染料废水的方法，其特征在于，用于处理的染料废水为含有结晶紫的染料废水。
10.如权利要求1所述的利用生物质和真菌处理染料废水的方法，其特征在于，固态发酵条件为在避光、恒温25-35℃条件下保湿培养5-7天。
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