采用混合培养法对乙酸 、苯甲酸 、异酞酸 、 甲苯酸和对苯二甲酸进行生物降解 ：PTA污水处理法外文翻译资料

 2022-08-08 11:08

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采用混合培养法对乙酸 、苯甲酸 、异酞酸 、 甲苯酸和对苯二甲酸进行生物降解 ：PTA污水处理法

C .B .CHIDAMBA RAJ （成员） 、N .RAMKUMAR 、A .HAJA JAHABAR SIRAJ和Sp.CHIDAMBARM

摘要

采用混合细菌培养的连续搅拌槽反应器 ，研究了乙酸 、苯甲酸 、 异酞酸 , 甲苯酸和苯二甲酸的生物降解速率 。这种培养物较早适应于苯甲醛等其他底物，对 二 甲 苯、1,4-二氧六环、乙 二 醇、甲醇和苯酚，其中许多通常存在于 PTA和PFY的植物中。在混合培养中，显示捕食的阻尼振荡是明显的。在生物降解过程中，直接的微观观察控制了不同微生物物种的兴衰。生物氧化遵循Monod动力学，动力学常数表明，对甲苯酸的降解一般更难 。在混合底物中，苯甲酸、对苯二甲酸和对甲苯酸的降解直到大部分较简单的化合物如乙酸和乙二醇被消耗才开始，这一观察表明控制论模型适用于混合培养系统。

关键词：控制论模型；二氧六环；对苯二甲酸的生成；微生物生态学；苯酚；废水处理

引文

对苯二甲酸 (PTA)制备过程 产生含有芳烃化合物，除乙酸外 ，还包括对苯二甲酸、 苯甲酸、异酞酸和对甲苯酸 。在高压下的结晶阶段，用于净化粗物质以产生对苯二甲酸嘌呤，产生高化学需氧量(COD)的废物。在这一阶段 ，苯甲酸、对甲苯酸、异酞酸和其他对苯二甲酸的同系物作为杂质从PTA中分离出来。对苯二甲酸和苯甲酸对COD的影响。这种废水必须经过处理，以符合当地废水排放标准 。近几年来 ，对PTA的需求急剧 增长，以制造PTA从对 二甲苯 。因此，这些化合物在工艺废水中的生物 降解速率引起了人们的极大兴趣。基于我们的成功经验，能够在非无菌条件下工作的混合培养是首。这 种混合培养通常被认为具有成本效益 ，以及多功能生物反应器并确保了工业的长期无故障运行 。为了降解目标芳烃和相关化合物 ，富集了混合培养物并对其性能进行了进一步的研究 。目的是描述微生物群落中明显的捕食者相互作用 ，并通过建立合适的动力学方程来比较乙酸、苯甲酸、异眼 酸、甲苯酸和对苯二甲酸的降解速率 。这种关于有氧微生物的研究似乎到目前为止还没有报道 ；Guyot 之前的报道，Macarie和Noyola重点研究目标化 合物的厌氧消化 。

材料和方法

除了摇瓶外，还使用了两种不同的生物反应器系统来观察微生物的行为和收集动力学数据。 该系统由一个连续搅拌槽反应器(CSTR)组成 ， 工作体积为1441(开口容器：74厘米*74厘米 )用隔膜 泵将合成废水泵入其中，提供每天0.12-0.7的稀释率。在第二个系统中,最多有四个 CSTR(每个大约12升有效体积；大小为47厘米的容器 47厘米*47厘米)串联和组成。

图1污染物的化学结构

合成废水的制备方法是 ， 污染物浓度代表PTA生产设施的实际污染物的化学结构如图1所示 任何废水的组成一般随时间而变化 ，但在限度内 。因此 ，任何为此目的的微生物培养都应能够容忍污染物浓度的不时变化 ，并显示出良好的生物降解性能 。本研究中使用的混合培养物与不同组成的合成废水定期喂食 。当输入特定成分的废水时 ，跟踪系统的瞬态行为 ；当各种参数达到稳定值时 ，注意稳态读数 ，以便进一步分析和解释 。水中各种污染物浓度的 一般水平见表1 ，主要成分占COD的95%以上 。当培养物适应于底物的混合物时 ，乙酸 、苯甲酸 、异酞酸 、对甲苯酸和对苯二甲酸的降解率是最主要的 。为了测量单个污染物的降解速率 ，将特定的化合物溶于水中 ， 并以水溶液作为合成废水 。因此 ，当苯甲酸作为唯一的碳 （单一污染物）来源时 ，通过 在一升水中溶解一克苯甲酸来制备合成废水 ；在此条 件下 ，入口pH为4 . 5-5 . 0 。同样 ，在对苯二甲酸的 情况下 ，将两克物质溶解(使用NaOH)在一升水中 ，以 组成合成废水(pH5.7-6.2) . 每升废水中30毫克氮作为 NH4 和15毫克磷作为PO43—作为营养物质提供 。用Nessler化法 、钒钼磷酸比色法和叠氮阳离子法进行分析。 通过在10000rpm下离心100毫升样品10分钟来估计生物量浓度并在105摄氏度处干燥沉积物以恒定其重量 。

结果和讨论

稳定性

混合细菌培养在几周内富集 。实验室地区的 土壤样品被添加到含芳香酸 中 。废水中不时加入来自旧石化容器 （主要是 油和油脂容器）的液体样品 。一般情况下 ，废水中 的培养物每周在新鲜液体中传代 。重复传代 和添加各种细菌样品的目的是开发一种稳定的混合培养物 ， 以合理的速率降解目标污染物 。 通过COD值评 估生物降解率 。 经过几周的富集 ，COD值表明了图2 所示的生物降解的稳定模式 ；两组数据如下 ， 一个从大约6000毫克升的COD开始(以毫克每升计的合成废水的组成，乙酸880 、苯甲酸600 、对甲苯酸900和对苯 二甲酸 1600)；另一种从COD 约3400mgl 开始(以毫克每升计的合成废水的组成乙酸850 ，苯甲酸 410 ，异酞酸130，对甲苯酸650和对苯二甲酸150) 。这些数据是在批量实验中采集的，培养物总是保持在含有目标污染物的水中 ，因此微生物是预先适应的 ； 因此 ， 图2没有表明COD去除中的任何时间滞后 。 在摇瓶培养中， 连续监测了6个多月的培养状况 。 图中显示了生物降解的典型过程；每个月显示一 条曲线的样本 。 生物降解的趋势在几个月内保持不变，表明混合培养的性能在很长一段时间内是稳定的 ，最后对混合培养进行了检测混合培养对酸的生物降解。

图2 摇瓶中生物降解的典型时间过程

在一个连续的低流动系统中，包含三个CSTR串联 ；入口和出口COD值相当稳定(图3(B)-(D))，并且是一致的，尽管白天与夜间温度变化 ，季节温度变化 ，低速率和pH的微小变化，该系统在任何时候都是在非无菌条件下运行的，因此 ，机载和水载微生物可以自由进入系统 。此外，有一次大约5克面包酵母被故意引入生物反应器中。还有一次大约100毫升的浓缩悬浮液含有巴氏杆菌。然而，混合培养作为一个单一的实体 ，似乎在任何这种进入的生物体中占主导地位，生物降解的模式仍然没有改变 。预计在浓缩过程中 （几个月内完成），常见的空气传播或水传播细菌已进入该系统 ，本应根据降解目标化学品的能力以及与培养中其 他生物的相容性来选择 。经过几个月的浓缩后 ，任何生物都不可能发生位移 ，因此预计将有稳定的生物降解模式 。在摇瓶中的现象表明，在生物降解过程中，肉汤的颜色发生了变化 。最初合成废水是无色的，因为获得了温和的颜色(白色或淡黄色）。

图3混合培养的长期性能

(A)来自摇瓶模式的数据 ；(B 、C和D)来自连续低流动模式的数据 。由于电力中断 ，以及机械维护和维修 ，生物反应器系统中的出口COD在某些日子没有被测量 。该系统采用进口COD在2000-6000毫克每升范围内运行。定期对混合培养物进行COD负荷的逐步增减 。

图4 具有阻尼振荡的瞬态行为

生物反应器系统以每天0.31稀释率稳定运行，(进口COD：2200毫克每升，出口COD：1420毫克每升)以苯甲酸为唯一污染物。稀释率突然提高到每天0.48，在随后的几天中观察到响应1。在响应1之后收集，收集后，系统达到稳态 ；通过将稀释率提高到0.15,再次扰动系统。这导致了响应2。在图4(B)中，响应3是根据右边的Y轴绘制的。在稳态系统（入口）扰动下观察到响应3，COD ：2200毫克每升，苯甲酸为唯一碳源 ，出口COD ：440毫克每升，稀释率0.15每天通过将稀释率提高到0.2.每天。当系统稳定运行时，观察到响应4,出口COD为1430毫克每升利用苯甲酸作为唯一底物，突然切换到含有对苯二甲酸的废水作为唯一污染物，入口COD为3000毫克每升稀释率为0.31每天。许多芳香化合物降解的阶段是羟基化，然后是裂解苯环采用双加氧酶型 酶,通常能够分泌开环所需的酶 ，而捕食者则不太可能被 赋予类似的能力 。因此 ，当系统中的猎物种群减少时，更多的底物分子在白酒中仍然没有被包裹 ，表现出较高的COD ，反之亦然 。因此 ，出口COD可能分阶 段上升或下降 ，这取决于猎物的数量 。解释过于简 单 ，但现实是复杂的 ，这种混合培养由几个（两个以上）物种组成 ， 其中多个物种可能有能力打开环 ；可能有多个捕食者 。还有生化途径由于芳烃的降解是通过几个化学中间体 ，这意味着任何数量的中间体可能积累在系统中 （由于适当的微生物物种的 数量减少而被捕食，以显示更高的COD 。因此 ，出口COD值的上升和下降可归因于捕食在混合文化 中熟悉的乐伏尔泰拉模型。捕食是一种重要的不能和稳定的相互作用 案件 。这吸引人们对其成分和组成的好奇心。我们实验室的早期研究 。用含尿素的混合培养 ， 发现至少有不同属与巴氏杆菌一起存在，尿素是唯一的底物 。在目前的情况下 ，有多个底物 ，因此几个物种的参与是预期的 。在琼脂平板上重复传代分离的尝试表明至少有六种 ，其中一些属于假单胞菌科，有棒状和球菌， 革兰氏阳性和革兰氏阴性细胞都存在 。斯莱特 所说的谨慎角度来讲在这方面是最合适的 ：一个需要在 混合培养研究中加以说明术问题是确定混合物的组成部分的问题 ，并试图单独增加组成部分的数量。是否始终承认所有组 成部分的数目是令人怀疑的 ，与此相关的是认识到一个 组成数目的存在和作用的差异 ，这一群体可能存在于比种群主要成员低数量级的水平 。因此 ，在我们的混合培养中有六个以上成员的机会是公平 的。上述原因由于生长缓慢的生物体的存在而复杂化这似乎很少受到关注 。可能有一些生物的种群相对较小 ，但发挥着关键作用。

图5 在四个连续排列的CSTR系统中活细胞数

图6 三个CSTR系列 ： (A)COD降低值； (B)微生物光密度(MOD)与养分消耗值

CSTRIII ：pH7 . 6；COD460毫克每升细菌组成，当它通过连续的CSTR时下降 。当使用多种底物时 ，在CSTRII中可以大量棒状物 ，当苯甲酸是唯一的底物时，棒状物体是明显明显不存在的。然而，当生长在苯甲酸上的培养物接种在含有多种污染物的中时 ，在CSTRII中再次观察到棒状物 。因此对于苯甲酸作为唯 一底物的情况由于 种群太小 ，不能在显微镜下观察 。三个反应器串联的累积停留时间分别为21,43和62小时 。在RST反应器中 ，MOD增 加 ，在第二个反应器中减少 ，然后在第三个反应器中几乎保持稳定 ；为了实际目的 ，MOD是活细胞计数的 另一种表示 ， 因此它与图5中的活细胞计数模式的相 似性是显著的。从逻辑上讲 ，那些具有消除目标化合物能力的物种应该能够在酸性pH下生长良好，这 些物种有助于MOD； 随着pH变得碱性 ， 其他物种慢慢接管并继续降解污染物 。此外 ，应当指出的是 ，在 CSTRsI和II中 ，氮的消耗是很多的（最 多可达43小时）， 而在反应堆III中则不是 ；仅在 CSTRI中 ，P的消耗是很重要的 。这一证据表明 ，在 RST反应器中生长明显的细菌使用了明显的氮和磷 ，而这些物种的生长似乎在第二个反应器中停止 。其他细菌倾向于在第三个反应器中生长 ，其中（无机）氮和磷的消耗几乎为零 ，这表明第三个反应器中的 这些物种几乎完全通过捕食和寄生生长 ，这完全取决于白酒中存在的微生物物种的（有机）氮和磷 。对生物反应器中的氮和磷水平进行分析 ，确保这些组分在生 物反应器中以可追踪的水平存在 ，从而使这些组分中 的任何一种都不会被去除 。它还有助于确定消耗的营养物质的数量；消耗率通常在COD:N:P 从200:8:2到200:2:0.5之间 。

图7 采用线性回归方法绘制图上的直 线

对苯二甲酸和对苯二甲酸的标准差分别为0.80和0.82 。用图7测定COD去除的动力学常数（表2） 。劳伦斯和麦克卡蒂的模型计算了生物质产量(每毫克消耗的底物产生的生物量)和生物量衰变(单位时间内每毫 克存在于系统中的生物量衰减的生物量毫克)的值 Km对苯二甲酸的降解速率远高于苯甲酸,表明对苯二 甲 酸 的 降 解 速 率 远 慢 于 苯 甲 酸 。从生物质产量 的值可以看出,苯甲酸产生的生物质比 对苯二甲酸产生的生物质多 ；大约46%的传入苯甲酸 转化为生物质，其余的被氧化为CO2还有水 。生物质污泥产量较高 ，通常需要较高的废水处理系统污泥 处理和处置成本.生物量衰变应该 取决于微生物联合体的生命周期 ，而不是取决于所使 用的底物的性质 。因此 ，它的价值保持不变 ，无论 底物性质的差异 。

COD去除率的动力学常数

Km,

毫克每升

qmax,

每小时

Yg，

毫克每毫克

b，

每小时

苯甲酸

对苯二甲酸

390

2110

0 .1

0 .3

0 . 46

0 . 29

0 . 014

0 . 014

数值如表所示

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