发酵制药废水有色物质特征解析与脱色机理研究

发布时间：2020-03-30 11:51

【摘要】：色度是工业废水的一个重要水质污染指标,而发酵制药废水因其色度高、难脱色而成为废水处理的一个难点,污水出水色度很难达标。本研究采用红外光谱等现代化学分析仪器方法,以维生素C生产(VC)废水为研究对象,建立基于发色基团分析的发酵制药废水有色物质特征解析方法,对维生素C生产废水中有色物质特征进行解析,分析其发色基团、共轭结构与助色团,解析废水色度形成机制,并进行维生素C废水的脱色规律研究,分析废水脱色机理,为开发发酵制药废水的有效脱色工艺奠定理论基础,为其他高色度工业废水的脱色机理研究提供借鉴。研究结果如下：1、维生素C废水生化处理出水的红外光谱分析表明,在官能团区(1640-1620cm-1)的吸收峰,为羰基C=O (1870-1600 cm-1)伸缩吸收峰,在3450-3250 cm-1处有吸收峰为羟基-OH(3700-3200 cm-1)或氨基-NH2(3500-3300 cm-1)伸缩振动吸收峰,羟基(-OH)或氨基(-NH2)为助色团,2500-2000存在着细小吸收峰,为共轭结构吸收峰。紫外光谱分析表明,在265-270 nm处存在吸收峰,为羰基发色基团,在210 nm处存在精细吸收峰,表明有共轭结构存在。2、研究中采用2种方法验证了维生素C生产废水中发色基团为羰基C=O。对二级生化处理出水采用正丁醇萃取分离有色物质,通过气-质(GC/MS)联检分析直接检验法验证了废水中存在C=O发色基团。萃取分离、气-质联检分析法要进行萃取剂的筛选、有色物质的分离萃取,分离操作比较繁琐、耗时。“果糖胺FMN试剂盒检测方法(NBT法)可间接验证酰胺基(美拉德反应产物)的存在,也即发色基团C=O的存在。果糖胺试剂盒间接验证法方法简单、操作方便,是一种理想的、验证C=O的方法。研究中还确定了间接验证法的药剂投加量、pH、水温、反应时间等反应最佳条件。3、维生素C生产废水中各种高色度废水(多母液、废酸(碱)液、甲醇残液和混合进水)、二级生化处理过程(厌氧UASB处理、好氧MBBR处理)出水、深度处理各单元(臭氧催化氧化、电解氧化、AF-MBBR、内曝气生物滤塔及二级催化氧化)出水具有相同的发色物质结构特征：发色基团为羰基(C=O)、助色团为羟基/氨基(-OH/-NH2),都存在共轭结构。原水中各有色废水中色度主要由大分子(5 kDa)有机物所决定。叔丁醇萃取分离出的多母液有色物质CG/MS联用检出分子碎片也证明发色基团为羰基(C=O)。4、研究表明：4种典型的发酵制药(VB12、土霉素、青霉素与链霉素)废水的有色物质特征与维生素C相同,即具有相同的发色基团、助色团,都具有共轭结构。但废水成分不同,基团吸收峰发生了一定移动。如土霉素母液中羰基(C=O)吸收峰发生了紫移,波数减小,吸收峰位置由1640-1600 cm-1移到了1581 cm-1处。土霉素母液中紫外吸收峰也从265-270 nm处移到了249 nm左右。VB12生化处理出水中,小分子有机物含量虽低,但对废水色度有很大的贡献,而大分子的有机物虽然含量高,但对色度的贡献很小。土霉素废水中,分子量为lk-3k Da的有机物对色度贡献最大。5、在常规二级生化处理过程中,在厌氧发酵处理单元里,由于水解作用,增加了有色物质的助色团-OH,加深废水颜色,色度增加了40.2%。好氧处理有一定的脱色效果,色度平均脱色率为26.5+8.6%。深度处理中,高级氧化的臭氧催化氧化与电解氧化单元对色度的去除作用大,去除率分别达到45.5%、49.9%。中间段的生化反应器脱色作用较小,生物滤塔的作用最小,色度去除率为14.4%。二级催化氧化虽然对整个工艺的脱色贡献较小(色度去除率10.7%),但是单元去除效率(79.4%)最高,脱色效果好。6、在维生素C二级生化处理、深度处理过程中,沿着处理工艺流程,废水发色有机物中发色基团(C=O)、助色团(-OH/-NH2、R-O-C)吸收峰都逐渐降低,说明它们在处理过程中得到了破坏或去除,色度也逐渐减小。但是共轭结构的精细吸收峰却没有完全消失,说明色度形成基础仍然存在,因此,废水仍有一定的色度。深度处理末端的纳滤与二级反渗透的出水有机污染物含量极低,紫外光谱上发色基团吸收峰值极低,共轭结构的精细吸收峰完全消失,有色物质成色结构被完全去除,废水中有色物质被完全去除。7、深度处理生物脱色反应器内生物膜表面的微生物主要是短杆菌、椭圆形、球菌。AF-MBBR生物膜较厚,膜内部空隙较多,而生物滤池陶粒填料上的生物膜较薄,表面比较平整,生物膜内部空隙不多,其生物活性与脱色效果较差。低温不利于厌氧微生物的生存与生长,所以其微生物多样性指数(H平均为3.1571)也比高温条件下(H平均为3.2513)低；葡萄糖碳源在高温条件下,减小微生物多样性,在低温条件下则增加微生物多样性,内循环曝气生物滤塔微生物体系比较稳定。生化反应器存在着不同功能的微生物,其中能分解的微生物,如新鞘氨醇杆菌(Novosphingobium aromaticivorans)、脱氮副球菌(Paracoccus denitrificans)、玫瑰红红球菌(Rhodococcus rhodochrous)等,能分析芳香化合物等复杂结构,破坏发色物质共轭结构,是生化反应器脱色的主要微生物类群。
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：X787

【参考文献】