本發(fā)明涉及染料廢水處理技術領域，尤其涉及一種利用海洋黑曲霉菌絲球和氣升式反應器處理染料廢水的方法。

背景技術：

染料廢水的治理一直是環(huán)境保護的核心問題之一。雖然傳統(tǒng)的處理方法，如絮凝、離子交換、高級氧化技術、活性炭吸附等對特定污染物的去除效率較高，但存在著有毒化學品用量大、設備價格昂貴、操作成本高以及適用范圍有限等方面的缺陷，使其應用受到了很大的限制。相比于傳統(tǒng)的物理化學方法，生物處理法是一種更為經(jīng)濟的處理方式。

其中，真菌是污水治理過程中一個良好的選擇。因為真菌細胞壁上存在大量的功能基團，如羥基、羧基、氨基、磺酸鹽和磷酸鹽基團等，這些基團賦予真菌良好的吸附性能。與此同時，真菌菌絲在培養(yǎng)過程中易形成菌絲球，即實現(xiàn)自固定化的過程，具有處理效率高、運行穩(wěn)定、反應器生物量大、污泥產(chǎn)生量少以及易于固液分離等一系列優(yōu)點。

因此，真菌菌絲球在染料廢水處理上有著廣闊的應用前景。但是，目前應用真菌菌絲球進行染料廢水處理還存在著許多亟待解決的問題：

(1)實際的染料廢水是一個復雜的混合體系，需要篩選出一株對多種染料均具備脫色能力的高效菌株；

(2)反應器的設計是菌絲球能否投入實用的關鍵，而現(xiàn)有的研究大多在搖瓶中進行試驗，規(guī)模很小且成本較高，距實際應用還有較遠的距離，因此需要設計制造較為合理的生物反應器來實現(xiàn)規(guī)模的擴大；

(3)現(xiàn)有的菌絲球處理污水技術，其重復利用率往往較低，或是在菌絲球重復利用之后難以達到最初的脫色效率，因此需要建立一種高效的批次操作方法，實現(xiàn)菌絲球的高效重復利用，進一步降低廢水處理成本。

海洋黑曲霉由于其特殊的生長環(huán)境而具有較強的抗逆性，因而在各類廢水中具有較強的生存能力，是廢水處理的上佳之選。

與此同時，海洋黑曲霉的耐鹽和耐酸能力極強，在高鹽的酸性廢水中依然能保持較強的吸附能力，具有很高的實用價值。該類菌種培養(yǎng)過程中的成球能力也很強，所形成的菌絲球是表面毛絨狀的、內(nèi)部多孔網(wǎng)狀的球體結構(如圖1所示)，具有極大的比表面積，對廢水中的染料分子、重金屬離子以及不溶性顆粒均具備較強的吸附能力。

目前，常用的生物反應器有攪拌釜式反應器、固定床、流化床、氣升式反應器等等。黑曲霉菌絲球為表面毛絨狀的球體，雖然有很大的比表面積，十分利于吸附進行，但存在機械強度不高、菌絲球之間易團聚等弱點。攪拌釜式反應器的傳質效率很高，但攪拌釜產(chǎn)生的剪切力較大，易造成菌絲球破碎；固定床和流化床則容易造成菌絲球團聚并最終堵塞反應器。

因此，為了更好地發(fā)揮海洋黑曲霉的廢水處理能力，有必要針對現(xiàn)有的生物反應器進行改造并配合處理能力強的海洋黑曲霉菌種，來提高染料廢水的處理效果。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種利用海洋黑曲霉菌絲球和氣升式反應器處理染料廢水的方法，采用該方法處理染料廢水不僅能夠實現(xiàn)海洋黑曲霉菌絲球的重復利用，還能夠顯著提高多批次染料廢水的處理效果。

一種利用海洋黑曲霉菌絲球和氣升式反應器處理染料廢水的方法，包括以下步驟：

(1)培養(yǎng)獲得海洋黑曲霉的菌絲球；

(2)將所述菌絲球接入氣升式反應器中進行間歇性的多批次染料廢水的處理；其中，每個批次處理結束后，向氣升式反應器中加入碳源和氮源，用于培養(yǎng)菌絲球，使菌絲球恢復脫色能力，待培養(yǎng)結束后，再重新進行下一批次染料廢水的處理；

所述氣升式反應器，包括反應腔體，所述反應腔體的底部設有空氣進口，側壁上設有僅供廢水排出的廢水出口和供菌絲球和廢水一同排出的總出口；

所述廢水出口位于總出口上方，所述菌絲球的總體積＜廢水出口至氣升式反應器底部的體積。

菌絲球在氣升式反應器(簡稱反應器)中與染料廢水充分接觸，實現(xiàn)染料廢水的處理，處理完成后的廢水經(jīng)廢水出口排出，而菌絲球仍保留在反應器中等待下一批待處理的染料廢水；在處理下一批染料廢水之前，需向反應器中添加一定量的碳、氮源，并進行曝氣培養(yǎng)，讓脫色能力減弱的菌絲球重新恢復脫色能力，以提高下一批染料廢水的處理效果。

每一批廢水處理結束后，均停止曝氣，菌絲球因重力向下沉積，堆疊在反應器的底部，而廢水位于上方；將廢水出口打開，就能夠將廢水排出；由于菌絲球會受壓變形，所以廢水出口必須高于菌絲球堆疊高度，否則菌絲球會堵塞出口。

作為優(yōu)選，所述染料廢水中染料為剛果紅、氨基黑10B和鉻黑T中的至少一種。

若要提高處理效率，具體菌株的選擇非常重要；雖然海洋黑曲霉均為表面毛絨狀的球體，對廢水中的染料分子、重金屬離子以及不溶性顆粒均具備較強的吸附能力，但不同菌株間仍存在一定差異。

本實驗室已自行從浙江東部沿海10-30m深的海域中采集到海泥樣品進行分離篩選，得到了一株海洋黑曲霉(命名為Aspergillusniger ZJUBE-1，保藏在中國典型培養(yǎng)物保藏中心，保藏號為CCTCC M 2010132)；發(fā)現(xiàn)該海洋黑曲霉是耐鹽纖維素酶的生產(chǎn)菌株，對剛果紅、鉻黑T、萘酚綠B、甲基藍、莧菜紅、酸性藍29、氨基黑10B等多種染料均具備較強的脫色能力；將其在工業(yè)生產(chǎn)之后的廢棄菌絲體用于染料廢水的處理，既能實現(xiàn)廢物利用，又能完成污水處理。

作為優(yōu)選，所述的海洋黑曲霉為海洋黑曲霉(Aspergillusniger)ZJUBE-1CCTCC M 2010132。

菌絲球培養(yǎng)條件及培養(yǎng)基對菌絲球自身蓬松程度有影響，進而影響其染料廢水的處理效果。

作為優(yōu)選，步驟(1)中，所述菌絲球的培養(yǎng)條件為：140～160rpm/min、25～35℃下，培養(yǎng)3～5天。

作為優(yōu)選，所述菌絲球的培養(yǎng)基為：葡萄糖10～15g/L，NH₄Cl2～3g/L，KH₂PO₄ 2～3g/L，MgSO₄·5H₂O 0.5～1.0g/L，酵母提取物2～3g/L，pH 5.0～6.0。

若處理時間過短，則染料的吸附效率無法達到較高水平；若處理時間過長，菌絲球對染料的吸附已經(jīng)接近飽和，無法繼續(xù)進行有效吸附，會造成時間與能耗的浪費；若通氣量過低，會導致菌絲球流動不充分，降低吸附效率；若通氣量過大，則會導致菌絲球破碎。

作為優(yōu)選，步驟(2)中，每批次的染料廢水的處理時間為8～12h，處理溫度為室溫20～30℃，通氣量為0.5～1L/min。

具體地，步驟(2)中，所述碳源為葡萄糖，所述氮源為NH₄Cl。

葡萄糖添加量過低會導致菌絲球再生長不充分，顯著降低下一批次的廢水處理效率；葡萄糖添加量過高則會使廢水中的雜菌生長過快，導致廢水的二次污染。作為優(yōu)選，步驟(2)中，所述葡萄糖的添加量與所述菌絲球的濕重接種量的比例為0.3～0.5g：20～30g。

作為優(yōu)選，所述NH₄Cl的添加量與所述菌絲球的濕重接種量的比例為0.02～0.04：20～30。

作為優(yōu)選，步驟(2)中，所述培養(yǎng)的時間為8～12h；培養(yǎng)過程中的通氣量為0.5～1L/min。

在染料廢水中沒有基本營養(yǎng)物質，菌絲球處理一段時間后會自然沉降，且沉降高度基本不變，比較穩(wěn)定，只有在加入葡萄糖再生長之后體積會變大。為了保證廢水出口高度高于菌絲球堆疊高度，作為優(yōu)選，所述氣升式反應器的側壁上設有多個不同高度的廢水出口。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

(1)本發(fā)明利用海洋黑曲霉菌絲球并結合配套的氣升式反應器進行半連續(xù)化的廢水處理工藝，通過在各批次處理工藝之間增加菌絲球脫色能力的恢復培養(yǎng)步驟，使得本發(fā)明方法實現(xiàn)了菌絲球的充分利用，降低了處理成本，且染料廢水的處理效果得到顯著提高。

(2)本發(fā)明方法簡單、快速、高效，不需要任何的物理或化學前處理，且菌絲球具備較強的耐鹽耐酸性能，能實現(xiàn)菌絲球的重復利用，極大地降低了廢水處理的成本。

附圖說明

圖1為本發(fā)明采用的海洋黑曲霉(Aspergillusniger)ZJUBE-1CCTCC M 2010132菌絲球在體視顯微鏡下(A)和掃描電子顯微鏡下(B)的圖像。

圖2為本發(fā)明利用海洋黑曲霉菌絲球處理染料廢水的氣升式反應器的結構示意圖；

其中，(a)為氣升式反應器的外觀結構示意圖；(b)為氣升式反應器的側面視圖；(c)為運行過程中氣升式反應器的內(nèi)部運行圖；(d)為氣升式反應器停止曝氣后的內(nèi)部示意圖。

具體實施方式

本發(fā)明采用的海洋黑曲霉為海洋黑曲霉(Aspergillusniger)ZJUBE-1CCTCC M 2010132；保藏在中國典型培養(yǎng)物保藏中心，保藏號為CCTCC M 2010132，在劉杰鳳等發(fā)表的《一株耐鹽纖維素酶海洋曲霉的篩選及產(chǎn)酶條件研究》文獻中公開過；本發(fā)明不涉及該菌株的保藏。

本發(fā)明利用海洋黑曲霉菌絲球在氣升式反應器中處理染料廢水的步驟如下：

1、海洋黑曲霉菌絲球的制備

將保存于4℃的含海洋黑曲霉(Aspergillusniger)ZJUBE-1CCTCC M 2010132的固體斜面取出，用無菌水制成濃度為n＝10⁶～10⁹mL^-1的孢子懸液，以1～3％的接種量接入預先配制的、含100mL菌絲球培養(yǎng)液的500mL特制錐形瓶中，于160～180rpm/min、25～35℃下?lián)u床培養(yǎng)3～5天；然后，用水將多余的菌絲體洗去，過濾收集菌絲球，放入冰箱備用。

用于制備菌絲球的培養(yǎng)基：葡萄糖 10～15g/L，NH₄Cl2～3g/L，KH₂PO₄ 2～3g/L，MgSO₄·5H₂O 0.5～1.0g/L，酵母提取物 2～3g/L，pH 5.0～6.0。

(2)氣升式反應器的結構

如圖2所示，本發(fā)明采用的氣升式反應器的主體是一個直徑為6.5cm、高40cm的圓形玻璃柱，內(nèi)部中空，外壁上開有若干進/出口；其中，1為空氣入口，用于連接空氣泵，負責往反應器的腔體輸送空氣，為菌絲球提供氧來源和傳質動力；2為總出口，用于排放剩余染料廢水和菌絲球，實現(xiàn)的徹底更新；3～6為不同高度的廢水出口，僅用于排放處理后的染料廢水，各個廢水出口的規(guī)格相同。

每批廢水處理結束后，菌絲球會快速自然沉降至廢水出口下方，此時打開廢水出口將已處理廢水的排放，但把菌絲球保留在反應器內(nèi)，用于下一批染料廢水的處理。在所有批次的廢水處理結束之后，可開啟總出口，用于清空反應器內(nèi)的菌絲球和已處理的廢水。

(3)利用新氣升式反應器處理染料廢水的方法

a)取20～40g(干重率為1.2％)的菌絲球加入到上述氣升式反應器中，再加入自來水300mL直至液面到達廢水出口，再加入含染料的廢水600mL，染料品種有剛果紅、鉻黑T、萘酚綠B、甲基藍、莧菜紅、酸性藍29、氨基黑10B等，染料濃度為50～150mg/L；隨后，開啟空氣泵使反應器運行8～12h，通氣量為0.5～1L/min，溫度為25～30℃；測定運行后染料廢水的處理效果；

染料廢水的處理效果用所含染料最大吸光值的變化率來表征(染料去除率Y％)，即：

其中，A₁為開啟空氣泵前氣升式反應器內(nèi)溶液的吸光值；A₂為氣升式反應器內(nèi)廢水處理結束后溶液的吸光值。

b)在單批廢水處理完畢之后，停止曝氣，菌絲球可在1分鐘之內(nèi)自然沉降至反應器底部；在菌絲球沉降完畢之后，打開廢水出口3，將已處理的廢水進行排放。隨后，往剩余的溶液中加入葡萄糖0.3～0.5g，NH₄Cl0.02～0.04g，并繼續(xù)通氣8～12h，進行菌絲球脫色能力的恢復培養(yǎng)(此相當于菌絲球的“再生長”過程)；

c)處理后的菌絲球可用于第二批廢水的處理，并且可以不斷循環(huán)使用。菌絲球經(jīng)過恢復培養(yǎng)后其直徑有所增加，停止曝氣后，菌絲球的沉降高度可能高于廢水出口3，可根據(jù)其實際沉降高度選擇廢水出口4～6進行排放。

實施例1

一種利用海洋黑曲霉菌絲球和氣升式反應器處理染料廢水的方法，具體如下：

(1)將海洋微黑曲霉(Aspergillusniger)ZJUBE-1CCTCC M 2010132的固體斜面取出，用無菌水制成濃度為n＝10⁷mL^-1的孢子懸液，以2％的接種量接入預先配制的、含100mL菌絲球培養(yǎng)液的500mL特制錐形瓶中，于160rpm/min、28℃下?lián)u床培養(yǎng)3天；然后用水將多余的菌絲體洗去，過濾收集菌絲球，放入冰箱備用。

用于制備菌絲球的培養(yǎng)基：葡萄糖10g/L，NH₄Cl2g/L，KH₂PO₄2g/L，MgSO₄·5H₂O 0.5g/L，酵母提取物2g/L，pH 5.5。

(2)稱取30g(濕重)的菌絲球加入到氣升式反應器中，加入自來水300mL直至液面到達最低廢水出口(即廢水出口3)，再加入染料濃度為50mg/L的含染料(氨基黑10B)的廢水600mL，初始pH 6.0，隨后開啟空氣泵，通氣量為1L/min，溫度25℃。

測定廢水處理8h后的染料去除率，去除率達95.9％。

實施例2

一種利用海洋黑曲霉菌絲球和氣升式反應器處理染料廢水的方法，具體如下：

(1)將海洋微黑曲霉(Aspergillusniger)ZJUBE-1CCTCC M 2010132的固體斜面取出，用無菌水制成濃度為n＝10⁷mL^-1的孢子懸液，以2％的接種量接入預先配制的、含100mL菌絲球培養(yǎng)液的500mL特制錐形瓶中，于160rpm/min、28℃下?lián)u床培養(yǎng)3天；然后用水將多余的菌絲體洗去，過濾收集菌絲球，放入冰箱備用。

用于制備菌絲球的培養(yǎng)基：葡萄糖10g/L，NH₄Cl2g/L，KH₂PO₄2g/L，MgSO₄·5H₂O 0.5g/L，酵母提取物2g/L，pH 5.5。

(2)稱取30g(濕重)的菌絲球加入到氣升式反應器中，加入自來水300mL直至液面到達最低廢水出口(即廢水出口3)，再加入染料濃度為50mg/L的含染料(剛果紅)的廢水600mL，初始pH 6.0，隨后開啟空氣泵，通氣量為1L/min，溫度25℃。

測定廢水處理10h后的染料去除率，去除率達95.9％。

實施例3

一種利用海洋黑曲霉菌絲球和氣升式反應器處理染料廢水的方法，具體如下：

(1)將海洋微黑曲霉(Aspergillusniger)ZJUBE-1CCTCC M 2010132的固體斜面取出，用無菌水制成濃度為n＝10⁷mL^-1的孢子懸液，以2％的接種量接入預先配制的、含100mL菌絲球培養(yǎng)液的500mL特制錐形瓶中，于160rpm/min、28℃下?lián)u床培養(yǎng)3天；然后用水將多余的菌絲體洗去，過濾收集菌絲球，放入冰箱備用。

用于制備菌絲球的培養(yǎng)基：葡萄糖10g/L，NH₄Cl2g/L，KH₂PO₄2g/L，MgSO₄·5H₂O 0.5g/L，酵母提取物2g/L，pH 5.5。

(2)稱取30g(濕重)的菌絲球加入到氣升式反應器中，加入自來水300mL直至液面到達最低廢水出口(即廢水出口3)，再加入染料濃度為50mg/L的含染料(鉻黑T)的廢水600mL，初始pH分別為2.0、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0、8.0、9.0，隨后開啟空氣泵，通氣量為1L/min，溫度25℃。

測定廢水處理12h后的染料去除率，分別為97.1％、97.4％、95.4％、94.4％、92.5％、78.5％、54.1％、38.6％。

實施例4

一種利用海洋黑曲霉菌絲球和氣升式反應器處理染料廢水的方法，具體如下：

(1)將海洋微黑曲霉(Aspergillusniger)ZJUBE-1CCTCC M 2010132的固體斜面取出，用無菌水制成濃度為n＝10⁷mL^-1的孢子懸液，以2％的接種量接入預先配制的、含100mL菌絲球培養(yǎng)液的500mL特制錐形瓶中，于160rpm/min、28℃下?lián)u床培養(yǎng)3天；然后用水將多余的菌絲體洗去，過濾收集菌絲球，放入冰箱備用。

用于制備菌絲球的培養(yǎng)基：葡萄糖10g/L，NH₄Cl2g/L，KH₂PO₄2g/L，MgSO₄·5H₂O 0.5g/L，酵母提取物2g/L，pH 5.5。

(2)稱取30g(濕重)的菌絲球加入到氣升式反應器中，加入自來水300mL直至液面到達最低廢水出口(即廢水出口3)，再加入含染料(鉻黑T)的廢水600mL，染料濃度分別為50、100、150、200、250、375、500mg/L，初始pH 6.0，隨后開啟空氣泵，通氣量為1L/min，溫度25℃。

測定廢水處理12h后的染料去除率，分別為98.1％、98.7％、97.0％、94.5％、93.8％、81.9％、66.7％。

實施例5

一種利用海洋黑曲霉菌絲球和氣升式反應器處理染料廢水的方法，具體如下：

(1)將海洋微黑曲霉(Aspergillusniger)ZJUBE-1CCTCC M 2010132的固體斜面取出，用無菌水制成濃度為n＝10⁷mL^-1的孢子懸液，以2％的接種量接入預先配制的、含100mL菌絲球培養(yǎng)液的500mL特制錐形瓶中，于160rpm/min、28℃下?lián)u床培養(yǎng)3天；然后用水將多余的菌絲體洗去，過濾收集菌絲球，放入冰箱備用。

用于制備菌絲球的培養(yǎng)基：葡萄糖10g/L，NH₄Cl2g/L，KH₂PO₄2g/L，MgSO₄·5H₂O 0.5g/L，酵母提取物2g/L，pH 5.5。

(2)稱取30g(濕重)的菌絲球加入到氣升式反應器中，加入自來水300mL直至液面到達最低廢水出口(即廢水出口3)，再加入含染料(鉻黑T)的廢水600mL，染料濃度為50mg/L，pH自然，隨后開啟空氣泵，通氣量為1L/min，溫度25℃，廢水處理12h。

(3)在單批廢水處理完畢之后，停止曝氣，菌絲球在1分鐘之內(nèi)自然沉降至反應器底部；在菌絲球沉降完畢之后，打開廢水出口，將已處理的廢水進行排放。隨后，往剩余的溶液中加入葡萄糖0.5g，NH₄Cl0.04g，并繼續(xù)通氣12h，進行菌絲球脫色能力的恢復培養(yǎng)。

(4)處理后的菌絲球可用于第二批廢水的處理，再加入染料(鉻黑T)的廢水600mL，染料濃度為50mg/L，初始pH 6.0，隨后開啟空氣泵，通氣量為1L/min，溫度25℃，廢水處理12h。

(5)再次重復步驟(3)～(4)4次。

測定第一批至第五批廢水處理后的染料去除率，分別為97.1％、95.4％、95.5％、88.7％、85.9％。

(6)對照實驗：菌絲球經(jīng)步驟(2)處理廢水之后不進行再生長培養(yǎng)，將已處理的廢水進行排放后直接加入新的染料廢水，進行第2～5批廢水處理，測定第一批至第五批廢水處理后的染料去除率，分別為97.5％、89.8％、84.0％、75.1％、51.5％。

實施例6

一種利用海洋黑曲霉菌絲球和氣升式反應器處理染料廢水的方法，具體如下：

(1)將海洋微黑曲霉(Aspergillusniger)ZJUBE-1CCTCC M 2010132的固體斜面取出，用無菌水制成濃度為n＝10⁷mL^-1的孢子懸液，以2％的接種量接入預先配制的、含100mL菌絲球培養(yǎng)液的500mL特制錐形瓶中，于160rpm/min、28℃下?lián)u床培養(yǎng)3天；然后用水將多余的菌絲體洗去，過濾收集菌絲球，放入冰箱備用。

用于制備菌絲球的培養(yǎng)基：葡萄糖10g/L，NH₄Cl2g/L，KH₂PO₄2g/L，MgSO₄·5H₂O 0.5g/L，酵母提取物2g/L，pH 5.5。

(2)稱取30g(濕重)的菌絲球加入到氣升式反應器中，加入自來水300mL直至液面到達最低廢水出口(即廢水出口3)，再加入含染料(鉻黑T)的廢水600mL，染料濃度為50mg/L，pH自然，隨后開啟空氣泵，通氣量為1L/min，溫度25℃，廢水處理12h。

(3)在單批廢水處理完畢之后，停止曝氣，菌絲球在1分鐘之內(nèi)自然沉降至反應器底部；在菌絲球沉降完畢之后，打開廢水出口，將已處理的廢水進行排放。隨后，往剩余的溶液中加入葡萄糖0.3g，NH₄Cl0.02g，并繼續(xù)通氣12h，進行菌絲球脫色能力的恢復培養(yǎng)。

(4)處理后的菌絲球可用于第二批廢水的處理，再加入染料(鉻黑T)的廢水600mL，染料濃度為50mg/L，初始pH 6.0，隨后開啟空氣泵，通氣量為1L/min，溫度25℃，廢水處理12h。

(5)再次重復步驟(3)～(4)9次。

測定第一批至第十批廢水處理后的染料去除率，分別為96.5％、93.3％、90.1％、91.5％、85.9％、85.9％、89.4％、86.3％、80.4％、72.8％、70.0％。