固定化漆酶深度处理制浆造纸废水.docx

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固定化漆酶深度处理制浆造纸废水造纸工业废水是一种水量大、色度高、悬浮物含量大、有机物浓度高、组分复杂的难处理有机废水。目前我国造纸工业废水排放量及COD排放量均居我国各类工业排放量的首位，造纸工业对水环境的污染不但是我国造纸工业污染防治的首要问题，也是我国工业废水进行达标处理的首要。近几年经多方不懈努力，造纸工业水污染防治已经取得了一定的成绩，初步实现了“增产减污”的目标。但目前造纸行业还有约占排放总量50%的废水尚未进行达标处理，废液排入江河中不仅严重污染水源，也会造成大量的资源浪费，废水污染防治任务还相当繁重。目前，造纸废水的处理方法主要有物理法、化学法、生物法和物理化学法。近年来研究表明，漆酶及能产生漆酶的真菌在处理造纸废水处理方面显示出特有的作用。在漆酶存在下进行曝气处理可有效去除制浆造纸工业废水中的溶解性木素及氯酚类化合物，也就是废水中的有色物质和有毒物质可被有效去除，并且经过漆酶处理的废水可生化性得到很大提高。1试验部分1.1材料、试剂及设备水样取自陕西某造纸厂二沉池出水，BOD5为28～33.6mg/L；COD为234～340mg/L；NH4+-N质量浓度为5mg/L；色度为666倍；SS质量浓度为40～80mg/L；pH为6.9～7.8。试剂：1-羟基苯并三唑，分析纯；硫酸铜，分析纯；磷钼酸，分析纯。设备：pH测定仪，PB-10型；蠕动泵；气体流量计，LZB型玻璃转子流量计（0.016～0.16m3/h）；液体流量计，LZB型玻璃转子流量计（1～10m3/h）；空气泵；紫外-可见分光光度计，UV759型；离心机，TDL-40B型；BOD5测试仪，BODTrakTM；BOD5培养箱，一恒LRH-70型光照生化培养箱。1.2试验流程取500mL的水样，调节废水pH至弱酸性，加入一定量的固定化漆酶、CuSO4溶液和HBT介体，在一定温度条件下曝气反应一段时间后分别测定COD和BOD5。1.3分析指标及方法COD的测定采用快速消解分光光度法（HJ/T399－2007）；BOD5的测定参照稀释和接种法（HJ505－2009），采用BOD5测试仪直接读数。脱色率的测定采用紫外分光光度法，调节废水pH为7.6，用蒸馏水或者去离子水作对照，测定其在波长465nm下的吸光度。在浓度较低时废水的色度与其最大吸收波长的吸光度值成正比，可以用废水在该处的吸光度变化来反映废水色度的变化。造纸废水脱色率F的计算见式（1）：F=(A0-A)/A0×100%。（1）式中，A0为初始时刻废水在465nm处的吸光度；A为t时刻废水在465nm处的吸光度。2结果与讨论2.1最适反应时间取5份500mL的水样，调节废水pH为6.5，固定化漆酶投加量为0.2g/L，CuSO4投加量为10mg/L，HBT介体的投加量为4mg/L，在25℃下曝气反应0、2、4、6、8、12h后分别测定COD和BOD5，从而确定最佳反应时间。COD去除率和B/C随时间变化如图1所示。从图1中可以看出，在反应的前3h内，废水的COD有所增大，分析原因可能为HBT浓度过高，开始的时候被氧化形成HBT自由基，该自由基可氧化漆酶蛋白质的活性基团，使漆酶部分失活，失去降解COD的能力，3h后HBT浓度降到正好满足氧化有机物的浓度，因此，残存下来的未失活的固定化漆酶才得以发挥作用；在10h的时候有较高的B/C值，但较8h无明显提高，考虑到停留时间在实际工程中要尽可能的短，因此本试验选择8h的处理时间，废水经8h处理后BOD5提高了50%，可生化性得到很大提高。2.2最适固定化漆酶投加量取5份一定量的水样，调节废水pH为6.5，控制固定化漆酶的投加量为0.2、1、5、10、15g/L，控制CuSO4和HBT介体的投加量分别为10mg/L和4mg/L，在室温下曝气反应8h后测定水样COD的去除率，从而确定最佳固定化漆酶投加量。不同投加量的固定化漆酶在相同条件下与废水反应8h后得COD的去除率见表1。由表1可知，漆酶作为一种多酚氧化酶，它可催化氧化酚类或芳胺类等多种底物。氧化酚或芳胺时先失去一个电子生成自由基，后者发生一系列非酶反应，氧化成醌，在有O2存在时，还原态漆酶被氧化，O2还原成水。底物自由基不稳定，可进一步发生键的断裂或生成，导致裂解或聚合反应。因此，底物分子可进一步聚合生成复杂的产物，也可催化芳香环支链Cα－Cβ键断裂。木素中主要的易受漆酶攻击的特征功能基是苯环上的酚羟基和甲氧基，尤其是酚羟基，特别容易受漆酶的攻击。当固定化漆酶投加量为0.2g/L时，COD去除率最高。2.3最适硫酸铜投加量取8份一定量的水样，调节废水pH为5.5，控制固定化漆酶投加量为0.2g/L，控制CuSO4投加量分别为0、2、4、6、8、10、12mg/L，控制HBT介体投加量为4mg/L，在25℃条件下曝气反应一段时间后测定不同CuSO4投加量对废水COD的影响，从而确定最佳CuSO4投加量。CuSO4投加量对COD去除率的影响如图2所示。由图2可知，当CuSO4投加量为10mg/L时具有较高的COD去除率，继续增大投加量，COD去除率反而下降。分析原因可能为高浓度的Cu2+可能与漆酶活性部位的酸性氨基酸残基中的游离ω-羧基阴离子结合，影响了漆酶分子的电荷分布及电子传递作用，从而减弱了活性中心与底物的结合反应速度，导致COD去除率下降。本试验在水样pH为5.5的条件下控制CuSO4投加量为10mg/L可取得更高的COD去除率。2.4最适HBT投加量取6份一定量的水样，调节废水pH为6.5，控制固定化漆酶投加量为0.2g/L，CuSO4投加量为10mg/L，再分别控制每份水样中HBT介体的投加量为0、2、4、6、8、10mg/L，在35℃下曝气反应一定时间后测定不同介体投加量对色度去除率的影响，从而确定最佳介体投加量。色度去除率随HBT投加量的变化见表2。应的速控步。当HBT/底物值较小的时候，氧化态HBT作为单电子氧化剂能被可逆的还原为HBT，当比值较大的时候，氧化态HBT作为三电子氧化剂不可逆地还原为苯并三唑（BT），不能还原为HBT，同时，高浓度的自由基却会氧化漆酶蛋白质的活性基团，影响固定化漆酶的活性，导致脱色率下降。2.5最适磷钼酸投加量将磷钼酸代替HBT作为介体，取9份一定量水样，调节废水pH为4左右，控制固定化漆酶投加量为0.2g/L，CuSO4投加量为10mg/L，再分别控制每份水样中磷钼酸的投加量为0、100、200、300、400、500、600、800mg/L，25℃下曝气反应一定时间后测定不同介体浓度对色度去除率的影响，从而确定最佳磷钼酸介体投加量。磷钼酸投加量与色度去除率变化见表3。由表3可知，当磷钼酸的投加量为500mg/L时可达到最大的脱色率，继续增大磷钼酸投加量，去除率反而下降。分析原因可能为两方面，一方面因为大量的介体自由基氧化漆酶活性基团，导致酶活下降，去除率降低。另一方面，对于一些HPC，特别是Mo系HPC，作为一种强氧化剂在一定条件下容易转变为更为稳定的还原态，而还原态自由基呈深蓝色，导致废水色度又升高。2.6磷钼酸介体最适pH取5份一定量的水样，分别调节废水pH为3.5、4.5、5.5、6.5、7.5，控制固定化漆酶投加量为0.2g/L，CuSO4投加量为10mg/L，磷钼酸投加量为500mg/L，在25℃下曝气反应8h后测定色度的去除率，从而确定最佳反应pH。色度去除率随pH变化见表4。由表4可知，随着pH的升高，色度去除率呈下降趋势，在pH为3.5时具有最高的色度去除率，分析原因可能为酶的活性部分一般含有酸性或碱性基团，这些基团因外界pH的变化处于不同的离解状态，即酶和底物结合的程度不同，所以导致酶所发挥的效应也不同。在与草浆二沉出水反应时最佳反应pH为3.5，前面固定化漆酶酶学性质研究中最佳反应pH有所不同，分析原因可能为与漆酶作用的底物不同，其最佳反应pH也不同。2.7最适温度取3份一定量的水样，调节废水pH为6.5左右，控制固定化漆酶投加量为0.2g/L，CuSO4投加量为10mg/L，磷钼酸投加量为500mg/L，分别在25、35、45℃下曝气反应一定时间后测定色度的去除率，从而确定最佳反应温度。色度去除率与温度的关系见表5。由表5可知，当反应温度为25℃具有较高的色度去除率，分析原因有二：一是因为固定化漆酶在25℃具有良好的稳定性，不会因温度的因素而导致自身失活；二是因为25℃的条件下酶的催化反应速度也较快。所以综合以上两点原因使得固定化漆酶在25℃的条件下取得良好的色度脱除率。随着反应时间的延长及使用批次的增多，35℃和45℃下反应的固定化漆酶较25℃下的固定化漆酶会更快的失活，其色度去除率会逐渐下降。3结论优化了固定化漆酶深度处理制浆造纸废水的最佳工艺条件，得出如下结论：在温度为25℃，水样pH为6.5的条件下，固定化漆酶投加量为0.2g/L，CuSO4投加量为10mg/L，HBT投加量为4mg/L，反应8h色度去除率可达到85%左右，COD去除率为12.51%。在其它条件不变的情况下，若把HBT改为磷钼酸，控制磷钼酸投加量为500mg/L，反应8h后色度去除率达50%左右。