黃玲琴，翁國(guó)永

(1.三門縣水務(wù)有限公司， 浙江臺(tái)州 317100； 2.浙江黃巖自來(lái)水公司， 浙江臺(tái)州 318020； 3.浙江省城市供水水質(zhì)監(jiān)測(cè)網(wǎng)臺(tái)州監(jiān)測(cè)站， 浙江臺(tái)州 318020)

紅薯是高產(chǎn)耐旱抗瘠作物，富含淀粉、可溶性糖、蛋白質(zhì)、粗纖維、果膠、氨基酸、維生素以及多種礦物質(zhì)，具有獨(dú)特的保健作用，引起國(guó)內(nèi)外農(nóng)業(yè)和醫(yī)學(xué)界的重視[1-2]。紅薯淀粉廢水是以鮮紅薯或紅薯干為原料，采用沉淀法加工淀粉時(shí)產(chǎn)生的廢水。在廣大的農(nóng)村地區(qū)紅薯加工生產(chǎn)淀粉是農(nóng)民增收創(chuàng)富的重要手段之一[3]。紅薯加工過(guò)程中產(chǎn)生了大量的廢水，淀粉廢水處理是目前淀粉生產(chǎn)廠家難以解決的問(wèn)題[4]，尤其是農(nóng)村小型淀粉加工廠，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的降低COD處理就直接排入溝渠，對(duì)重金屬幾乎沒(méi)有進(jìn)行任何處理。紅薯廢水錳含量高達(dá)4.0 mg/L，不經(jīng)過(guò)處理會(huì)對(duì)環(huán)境和農(nóng)田造成污染和危害。

金屬錳屬于地殼的主要成分之一，以多種化合價(jià)位形式廣泛存在于自然界[5]。當(dāng)水體中的錳含量超過(guò)一定濃度時(shí)，會(huì)對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生十分不利的影響，對(duì)動(dòng)植物產(chǎn)生極大的毒害作用[6]。如何解決地表水錳污染問(wèn)題已經(jīng)成為環(huán)境保護(hù)中一個(gè)非常重要的項(xiàng)目。 目前國(guó)內(nèi)外除錳工藝主要是曝氣后加入強(qiáng)氧化劑、絮凝劑、氫氧化物等，然后過(guò)濾。日本多采用自然氧化法和接觸氧化法除錳。生物除錳法不需要投加任何藥劑，投資及運(yùn)行費(fèi)用低，是目前最經(jīng)濟(jì)、高效的除錳方法，已成為當(dāng)前除錳技術(shù)的主流[7]。生物除錳法在去除紅薯加工產(chǎn)生的廢水中一直未得到應(yīng)用，也未進(jìn)行系統(tǒng)性的理論研究。筆者根據(jù)紅薯廢渣富含錳氧化細(xì)菌的特點(diǎn)，從紅薯廢渣中分離出錳氧化菌，利用選擇性培養(yǎng)基進(jìn)行擴(kuò)大培養(yǎng)，著床在石英砂濾池中，收集的紅薯廢水慢慢通過(guò)濾池，錳的去除率在98%以上，二價(jià)錳離子被氧化成四價(jià)二氧化錳小顆粒被截留在石英砂上，達(dá)到去除錳的目的。

1 材料與方法

1.1材料

1.1.1試驗(yàn)樣本。試驗(yàn)樣本來(lái)源于三門佃石水庫(kù)上游掛簾村紅薯加工處的紅薯廢渣。

1.1.2試驗(yàn)器材。顯微鏡(BX43F，Olymplus公司)、原子吸收分光光度儀(耶拿ZEEnit 700p)、高速冷凍離心機(jī)(TGL-20M)、WIGGENS恒溫振蕩培養(yǎng)箱(WS-300)、紫外分光光度計(jì)(UV-2450，Spectrophotometer公司)、立式壓力蒸汽滅菌器(LDIM-60KCS)、超凈工作臺(tái)(SW-CJ-1D)、電熱恒溫水浴鍋(Senxin Instrument公司)、梅特勒臺(tái)式pH計(jì)(Mettler Toledo Conductivity公司)、隔水式培養(yǎng)箱(SENXIN GRP-9160)、微量移液器(Eppendorf公司)。

1.1.3錳細(xì)菌篩選及富集培養(yǎng)基。平板培養(yǎng)基及其斜面培養(yǎng)基(JFM Ⅱ 培養(yǎng)基)：2.0 g/L檸檬酸，8.0 g/L檸檬酸三鈉，4.0 g/L MnSO4，1.3 g/L檸檬酸鐵銨， 0.2 g/L CaCl2，0.5 g/L NaNO3，15.0 g/L瓊脂,pH 6.8～7.0，120 ℃滅菌30 min[8-9]。種子液體培養(yǎng)基(PYCM液體培養(yǎng)基)：0.2 g/L酵母浸膏，0.2 g/L MnSO4·H2O，0.2 g/L NaNO3，0.8 g/L蛋白胨，0.2 g/L MgSO4·7H2O，0.1 g/L CaCl2，0.1 g/L(NH4)2CO3，0.1 g/L K2HPO4，pH 7.0。

1.2方法

1.2.1紅薯廢渣樣本微生物菌株分離。在搖瓶中加入適量沸石，加入60 mL滅菌生理鹽水，取紅薯廢渣樣本置于滅菌研缽中，搗碎，將10.0 g研磨過(guò)的紅薯樣本加入搖瓶，于搖床中30 ℃振蕩20 min，搖床轉(zhuǎn)速為120 r/min。用滅菌的生理鹽水稀釋上述紅薯廢渣懸浮液，稀釋倍數(shù)依次為10、100、1 000倍，吸取適量不同稀釋倍數(shù)的懸浮液涂布到平板選擇培養(yǎng)基上。在30 ℃培養(yǎng)箱中倒置培養(yǎng)，20 d后觀察微生物菌體生長(zhǎng)狀況。培養(yǎng)基上長(zhǎng)出的棕色、黑褐色，直徑為1～5 mm，中心凸起，表面光滑，邊緣顏色較淺整齊的為目標(biāo)菌[10]。用接種環(huán)挑取目標(biāo)菌落，在JFM Ⅱ 固體培養(yǎng)基平板上劃線，連續(xù)劃折線3次，在電鏡上檢測(cè)得到純種為止，斜面接種培養(yǎng)后冷藏。

1.2.2產(chǎn)氧化除錳活性物質(zhì)微生物的篩選及擴(kuò)大培養(yǎng)。將分離得到的目標(biāo)菌落接種在JFM Ⅱ 固體培養(yǎng)基中， 27 ℃條件下隔水式培養(yǎng)箱培養(yǎng)10 d。查看菌落所呈現(xiàn)的顏色，根據(jù)Mn(Ⅱ)發(fā)生氧化出現(xiàn)的褐色菌落顏色的深淺程度加以初步確認(rèn)該菌株對(duì)Mn(Ⅱ)的氧化性能。用過(guò)硫酸法和TMPD法測(cè)定其中錳，過(guò)硫酸法結(jié)果呈紅色且TMPD法結(jié)果呈藍(lán)色的菌落具有氧化二價(jià)錳成為四價(jià)錳的能力[11]。從JFM Ⅱ 固體培養(yǎng)基中挑取6個(gè)典型氧化菌接入PYCM液體培養(yǎng)基進(jìn)行搖瓶培養(yǎng)7 d，每天投加50% PYCM液體培養(yǎng)基，連續(xù)投加3 d增加菌液量待用。

1.2.3廢水過(guò)濾池的工程應(yīng)用。農(nóng)村紅薯加工一般以村一級(jí)的規(guī)模集中加工，廢水相對(duì)比較集中，小型的生物過(guò)濾池可以達(dá)到去除廢水中錳的要求。濾池面積為2.4 m×3.6 m，濾層厚度為600 mm，濾料采用0.6～1.2 mm石英砂。將菌種擴(kuò)大培養(yǎng)液注入濾池，加水浸沒(méi)整個(gè)砂層表面，菌液浸泡砂層24 h。然后放出菌液置于容器內(nèi)待用，砂層晾干24 h，如此反復(fù)3次，使菌種著床在石英砂表面。

2 結(jié)果與分析

2.1紅薯碎漿清洗次數(shù)與清洗廢液錳含量的變化關(guān)系鮮紅薯經(jīng)破碎打漿后，需清洗5次，每次清洗后需要及時(shí)排放上層廢水。漿液上層廢水中二價(jià)錳離子的含量較高，錳的含量隨著清洗次數(shù)的增加而減小(圖1)。隨著淀粉純度的增加、顏色的純化而結(jié)束清洗。最后的清洗液廢水的錳含量<0.1 mg/L，可以直接排放。5次的廢水集中存放，便于統(tǒng)一處理。

2.2高水位廢水一次性排放各時(shí)段錳含量變化高水位廢水一次性排放是把一次生產(chǎn)的所有廢水集中起來(lái)排放到廢液濾池中，在濾池中集中盛放數(shù)天，然后一次性把廢液池中的廢水排放。由圖2可知，錳氧化細(xì)菌主要分布在砂層表面的10 cm內(nèi)，一次性排放的前15 min，石英砂濾層的吸附作用排放出的廢水錳含量比未經(jīng)過(guò)濾層的原廢水含量要低，接近濾層頂部的廢水錳含量最低。濾層層面上部的廢水經(jīng)過(guò)濾層的微生物過(guò)濾，錳含量比較穩(wěn)定，錳去除率比較理想，但未達(dá)到濾層表面的最低含量，說(shuō)明錳的去除與微生物作用的時(shí)間關(guān)系相關(guān)。

圖2 高水位廢水一次性排放各時(shí)段錳含量變化Fig.2 The change of Mn content of high water discharge after one-off discharge at each stage

2.3高水位廢水連續(xù)排放時(shí)出水錳濃度與排放出時(shí)間的關(guān)系受廢水濾池容積的影響，2次生產(chǎn)周期間產(chǎn)生的廢水量是相對(duì)穩(wěn)定的。2次生產(chǎn)周期的廢水必須及時(shí)處理。濾池的出水速率和周期間的排放次數(shù)以及濾池的水量成反比，濾池的出水率越大，周期間的處理次數(shù)越多，濾池每次的處理量越小，相對(duì)來(lái)說(shuō)處理效果越好。高水位廢水連續(xù)排放時(shí)廢水的水位始終維持在高位，控制進(jìn)水與出水閥門保持水位，出水錳含量與排放時(shí)間的關(guān)系見(jiàn)圖3。高水位排放時(shí)濾層表面的溶解氧相對(duì)較低，出水錳含量雖然恒定，但出水錳濃度較高。

圖3 高水位廢水連續(xù)排放時(shí)出水錳濃度與排放出時(shí)間的關(guān)系Fig.3 The relationship between the concentration of Mn2+ in cleaning fluid of high water discharge after continuous continuous discharge and discharge time

2.4低水位廢水連續(xù)不間斷排放時(shí)出水錳含量與排放時(shí)間的關(guān)系連續(xù)不間斷排放是指開(kāi)啟一定大小的濾池出水閥門，在生產(chǎn)期間控制這個(gè)開(kāi)閉度，保持一定的出水速率。同樣，廢水進(jìn)水也保持這個(gè)速率，從而達(dá)到進(jìn)水和出水的平衡，在廢水處理過(guò)程中保持濾池的水位穩(wěn)定。由圖4可知，前20 min出水錳含量相對(duì)穩(wěn)定，在0.22～0.26 mg/L。這部分排出來(lái)的水是濾層下面20 cm的水，至濾層表面排出來(lái)的水錳含量達(dá)到最低(0.09 mg/L)?？刂茷V速和進(jìn)水量，出水和進(jìn)水達(dá)到平衡，出水錳的含量始終保持在最低(0.09 mg/L)，即最佳工藝條件。

圖4 低水位廢水連續(xù)不間斷排放時(shí)出水錳含量與排放時(shí)間的關(guān)系Fig.4 The relationship between the concentration of Mn2+ in cleaning fluid of low water discharge after continuous continuous discharge and discharge time

3 結(jié)論

從鮮紅薯碎漿中分離得到的錳氧化細(xì)菌對(duì)鮮紅薯生產(chǎn)淀粉產(chǎn)生的含錳廢水具有很好的去除效果。錳氧化細(xì)菌主要分布在濾層表面的20 cm左右，從表面往下層微生物濃度依次減小。微生物去除廢水中的錳離子與廢水在濾池的有效部位停留時(shí)間具有很大的正相關(guān)。連續(xù)排放去除廢水中的錳離子比一次性排放的去除效果更佳。濾池水位的高低與錳去除效果相關(guān)，最佳的去除方法是水位稍超過(guò)濾層，低流速的連續(xù)排放去除效果最佳，出水錳含量始終小于0.1 mg/L，達(dá)到地表水環(huán)境質(zhì)量合格標(biāo)準(zhǔn)。

[1] 張松樹,劉蘭服.河北省甘薯發(fā)展優(yōu)勢(shì)及產(chǎn)業(yè)化對(duì)策[J].河北農(nóng)業(yè)科學(xué),2004,8(1):86-88.

[2] 方降龍,海子彬，謝顯傳，等.農(nóng)村紅薯淀粉低污染生產(chǎn)模式探討[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技,2014(18):213-214.

[3] 孫艷麗,李慶鵬，孫君茂.鮮甘薯淀粉加工工藝現(xiàn)狀分析及其建議[J].中國(guó)食物與營(yíng)養(yǎng),2009(4):25-27.

[4] 李萌茵,張金民，李淵華.紅薯淀粉廢水的應(yīng)用研究[J].農(nóng)業(yè)科技通訊,2015(7):162-164.

[5] 陳蒙亮,王鶴立.地下水除鐵除錳技術(shù)研究進(jìn)展[J].西南給排水，2012(1)：40-45.

[6] 趙晗,許文娟,郝瑩，等.環(huán)境中耐錳細(xì)菌的篩選鑒定及除錳性能研究[J].環(huán)境與健康雜志，2016，33(4)：303-307.

[7] HALLBERG K B，JOHNSON D B.Biological manganese removal from acid mine drainage in constructed wetlands and prototype bioreactors [J].Sci Total Environ, 2005,338(1/2):115-124.

[8] 國(guó)際水協(xié)會(huì)第五屆世界水大會(huì)籌備委員會(huì).生物固錳除錳機(jī)理與工程技術(shù)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2005:108-112.

[9] 鮑志戎,孫書菊，王國(guó)彥，等.自來(lái)水廠除錳濾砂的催化活性分析[J].環(huán)境科學(xué),1997，18(1):39-42.

[10] 諸葛健,王正祥.工業(yè)微生物實(shí)驗(yàn)技術(shù)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)輕工業(yè)出版社，1994.

[11] 東秀珠，蔡妙英.常見(jiàn)細(xì)菌系統(tǒng)鑒定手冊(cè)[M].北京：科學(xué)出版社，2001.