曾 軍,武 磊,高 雁,楊紅梅,林 青,霍向東

(1.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院微生物應(yīng)用研究所/新疆特殊環(huán)境微生物實驗室,烏魯木齊 830091;2. 克拉瑪依瑞恒畜牧開發(fā)有限責(zé)任公司,新疆克拉瑪依 834000)

0 引 言

【研究意義】淀粉加工業(yè)是我國重要的農(nóng)產(chǎn)品加工業(yè)[1]。針對于玉米和馬鈴薯為原材料的淀粉加工廢水[2-3],需研發(fā)出新型處理技術(shù)。基于光合細(xì)菌的污水處理是目前能夠同時達(dá)到環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益的相統(tǒng)一的方法[4]。光合細(xì)菌生物量與污染物去除效率成正相關(guān),而廢水pH值是制約其污染物高效降解的主要因素[5-8]。利用嗜酸光合細(xì)菌開展一步法原位廢水處理對于降低廢水處理成本具有重要意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】對于淀粉廢水處理主要分為生化法和化學(xué)絮凝法,其中生化處理方法因其處理濃度高、速度快、成本低廉等優(yōu)點而被應(yīng)用最為廣泛[9-11]。目前,生化處理法主要集中在一是厭氧處理法,該技術(shù)主要采用廢水中原生菌株發(fā)酵,其缺點是厭氧發(fā)酵過程中往往伴隨有大量惡臭氣體排出污染環(huán)境,雖然近些年來該技術(shù)與污水處理設(shè)施及絮凝法相結(jié)合,處理能力和效率雖有提升但仍存在大量問題而未被廣泛使用[12-14];二是好氧處理法,該技術(shù)所需反應(yīng)時間短,惡臭氣體少,但由于其僅能處理COD含量較低的廢水,而對于淀粉廢水往往需要結(jié)合活性污泥法一起使用[15-17]。光合細(xì)菌法處理淀粉廢水是近10年來興起的廢水處理技術(shù),其克服了厭氧處理法的效率低下及惡臭氣體不可控,同時其能夠耐受高濃度有機(jī)物,并且其自身含有反硝化基因,硫代謝基因能夠?qū)⑺w有機(jī)物降解的同時還能降解水體氨氮,磷酸鹽,硫化物等達(dá)到脫臭目的[18-20]?！颈狙芯壳腥朦c】目前,關(guān)于光合細(xì)菌降解淀粉廢水主要集中在單菌或者與其他菌株復(fù)配,并且結(jié)果顯示其發(fā)揮降解效果需要中性偏堿環(huán)境,而酸性廢水首先需要調(diào)節(jié)pH值至中性,提高了處理成本,而對于酸性環(huán)境直接利用嗜酸光合細(xì)菌處理酸性廢水研究,尚未見報道[21-25]。需研究嗜酸光合細(xì)菌耦合萎縮芽孢桿菌在實驗室條件下降解馬鈴薯淀粉廢水污染物。【擬解決的關(guān)鍵問題】研究光合細(xì)菌和萎縮芽孢桿菌復(fù)配比例、接種量、培養(yǎng)方式等,優(yōu)化出實驗室條件下淀粉廢水污染物(COD、氨氮、硫醇、硫化氫等)高效降解工藝,探討2株菌協(xié)同降解廢水機(jī)制。

1 材料與方法

1.1 材 料

1.1.1 淀粉廢水

淀粉廢水樣品采集于新疆阿克蘇地區(qū)拜城縣某馬鈴薯淀粉生產(chǎn)企業(yè)淀粉廢水收集池。

1.1.2 菌種

嗜酸光合細(xì)菌RhodoblastussphagnicolaPNSB-MHW由研究組實驗室分離和鑒定并且保藏于中國普通微生物菌種保藏管理中心(保藏號:CGMCC NO:20882)。萎縮芽孢桿菌(Bacillusatrophaeus)由研究組實驗室分離和鑒定并且保藏于新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院微生物應(yīng)用研究所。

1.1.3 儀器

消化爐(聚創(chuàng)JC-XH-20C型),恒溫光照培養(yǎng)箱(上海一恒MGC-250BP-2型光照培養(yǎng)箱),超凈工作臺(上海SC-CJ-3FD),滅菌鍋(上海申安LDZH-100L),分光光度計(上海儀電分析L5),光照培養(yǎng)箱(上海博訊BSD-250),COD檢測儀(北京連華永興科技有限公司5B-3C(V8),酸堿測定儀(上海雷磁pHSJ-3F)。

1.1.4 培養(yǎng)基

MRS培養(yǎng)基(青島海博生物),NB培養(yǎng)基(青島海博生物),NA培養(yǎng)基(青島海博生物),RCVBN培養(yǎng)基(青島海博生物)。

1.1.5 菌種活化

光合細(xì)菌液體活化使用RCVBN培養(yǎng)基,培養(yǎng)基配制和滅菌按照說明書操作,30℃條件下,光照強(qiáng)度5 000 lx,靜置培養(yǎng)7 d;固體培養(yǎng)采用雙層平板法:將菌種畫線或者均勻接種于RCVBN培養(yǎng)基上然后在平板上層倒入40℃左右1.5%的無菌瓊脂溶液,封蓋在平板表面,凝固后倒置放入光照培養(yǎng)箱,30℃條件下,光照強(qiáng)度5 000 lx,培養(yǎng)7 d。萎縮芽孢桿液體菌種活化采用NB培養(yǎng)基,培養(yǎng)基配制和滅菌按照說明書操作,接種量10%,液體培養(yǎng)于30℃,150 r/min轉(zhuǎn)速震蕩培養(yǎng)24 h。固體培養(yǎng)使用NA培養(yǎng)基,培養(yǎng)基配制和滅菌按照說明書操作。

某中學(xué)綜合樓抗震性能化設(shè)計思路與實現(xiàn)方案研究……………………………………………… 李軒直，余文柏（3-1）

1.2 方 法

1.2.1 試驗設(shè)計

取300 mL馬鈴薯淀粉廢水裝入500 mL透明三角瓶中,每組實驗5個重復(fù)。處理組:①菌株最佳復(fù)配比例(光合細(xì)菌:萎縮芽孢桿菌=1∶1,1∶5,1∶10,1∶100,5∶1,10∶1,100∶1);②復(fù)合菌接種量(1%,5%,10%,15%,20%,30%);③培養(yǎng)方式:光照厭氧培養(yǎng),30℃條件下,光照強(qiáng)度5 000 lx,靜置培養(yǎng);④黑暗好氧,30℃條件下,放置于搖床避光150 r/min轉(zhuǎn)速震蕩培養(yǎng);⑤光照厭氧-黑暗好氧,30℃條件下,光照強(qiáng)度5 000 lx,靜置培養(yǎng)72 h之后,厭氧光照∶黑暗好氧=12 h ∶12 h繼續(xù)培養(yǎng)72 h,黑暗階段150 r/min震蕩培養(yǎng),連續(xù)重復(fù)循環(huán)培養(yǎng)。⑥乙酸鈉添加量(0、1、3、5 g/L),實驗培養(yǎng)均為1周。

1.2.2 測定指標(biāo)

淀粉廢水中化學(xué)需氧量值(COD)測定采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)HJ 828-2017水質(zhì)化學(xué)需氧量的測定重鉻酸鹽法;水體氨氮檢測采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)HJ 535-2009納氏試劑分光光度法;硝氮和亞硝酸鹽檢測參照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)HJT 346-2007水質(zhì)硝酸鹽氮的測定紫外分光光度法,總磷含量測定參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T11893-1989水質(zhì)總磷的測定鉬酸銨分光光度法。

1.3 數(shù)據(jù)處理

使用SPSS 21.0 軟件和Microsoft Excel 2010進(jìn)行實驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析及作圖,采用單因素ANOVA進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 淀粉廢水理化指標(biāo)

研究表明,馬鈴薯淀粉廢水中化學(xué)需氧量(COD)值超過了(10 842 ± 421.00) mg/L,pH 4.98,屬于高有機(jī)質(zhì)酸性廢水。此外,淀粉廢水在存放中散發(fā)著濃郁的臭味,氨氣含量(351.32±12.10) mg/L,硫化氫氣味31 mg/L,總磷(324.79±10.04) mg/L。

2.2 光合細(xì)菌與萎縮芽孢桿菌復(fù)配對淀粉廢水COD的降解影響

2.2.1 淀粉廢水對光合細(xì)菌與萎縮芽孢桿菌生長的影響

研究表明,RhodoblastussphagnicolaPNSB-MHW(PSB)接種入馬鈴薯淀粉廢水第2 d開始進(jìn)入生長指數(shù)期,第8 d達(dá)到平臺期,并且其能夠在初始pH 4.5左右情況下生長,發(fā)酵結(jié)束后pH在8.0～9.0。由于萎縮芽孢桿菌(Bacillus atrophaeus)(BA)最適生長pH為6.5～7.0,將淀粉廢水液初始pH調(diào)節(jié)為7.0,菌株在淀粉廢水中第2 d起進(jìn)入指數(shù)期,第5 d進(jìn)入對數(shù)期,并且發(fā)酵液pH值隨著培養(yǎng)時間的增加而降低,在第5 d時pH降低至4.0左右,之后其pH始終維持在該水平。圖1

注:A:光合細(xì)菌生長曲線;B:萎縮芽孢桿菌生長曲線

2.2.2 淀粉廢水對光合細(xì)菌與萎縮芽孢桿菌復(fù)合菌生長的影響

研究表明,BA在起始培養(yǎng)pH 4.5不生長,菌體濃度基本沒有變化,而復(fù)配PSB后,BA菌體濃度在第4 d開始呈現(xiàn)出上升趨勢,其培養(yǎng)16 d的菌體濃度是單獨培養(yǎng)的2倍。PSB菌體濃度隨著培養(yǎng)時間增加而增加,而復(fù)配BA后光合細(xì)菌菌體濃度呈現(xiàn)出直線上升趨勢,其活菌數(shù)是單獨培養(yǎng)的4倍左右。BA 培養(yǎng)液pH沒有發(fā)生變化維持在初始狀態(tài),PSB培養(yǎng)液pH隨培養(yǎng)時間增加而升高,最終升高至7.5左右,而復(fù)合菌pH呈現(xiàn)出培養(yǎng)前8 d隨時間增加而增加,但第9 d開始急劇下降,到11 d時下降到達(dá)最低的5.0,隨后又呈現(xiàn)出直線上升趨勢,最后pH為8.5左右。圖2

注:A:添加光合細(xì)菌對萎縮芽孢桿菌生長的影響;B:添加萎縮芽孢桿菌對光合細(xì)菌的影響;C:復(fù)合菌發(fā)酵淀粉廢水pH值變化曲線

2.2.3 光合細(xì)菌與萎縮芽孢桿菌復(fù)配比例對淀粉廢水COD的降解效率影響

研究表明,BA活菌數(shù)較高條件下比PSB數(shù)量較高處理下淀粉廢水降解效率要更低,而PSB∶BA=10∶1的比例下COD降解效率最高,達(dá)到了89.23%。BA活菌數(shù)較高處理下發(fā)酵結(jié)束時pH較低,而PSB較高處理下發(fā)酵結(jié)束時pH值較高在8.0～8.7。隨著BA接種量的提高其沉降速度逐漸降低,而隨著PSB數(shù)量的提高,沉降速度顯著的提高。PSB∶BA=10∶1無論是在COD降解率還是在最后的絮凝沉降效果均表現(xiàn)的最好,復(fù)合菌PSB∶BA=10∶1比例條件下144 h COD降解效率接近90%。圖3

注:A:復(fù)合菌復(fù)配比例對馬鈴薯淀粉廢水COD降解率的比較;B:馬鈴薯淀粉廢水復(fù)合菌不同復(fù)配比例降解后pH值比較;C:光合細(xì)菌和萎縮芽孢桿菌不同復(fù)配比例對馬鈴薯淀粉廢水降解后絮凝沉降速度比較;D:光合細(xì)菌和萎縮芽孢桿菌10∶1復(fù)配對馬鈴薯淀粉廢水COD降解率的影響驗證

2.3 淀粉廢水COD降解效率的影響因素

2.3.1 復(fù)合菌接種量對淀粉廢水COD降解效率的影響

研究表明,隨著復(fù)合菌接種量的提高淀粉廢水COD降解效率呈現(xiàn)出先升高后降低趨勢,其中接種量超過15%時淀粉廢水降解率均超過90%,之后降解率并未有顯著提升,確定復(fù)合菌接種量為15%。圖4

圖4 復(fù)合菌接種量處理下馬鈴薯淀粉廢水降解效率變化

2.3.2 培養(yǎng)方式對淀粉廢水COD降解效率的影響

研究表明,光照厭氧-黑暗好氧條件下COD降解效率最高為95%,其次是黑暗好氧處理。由于光合細(xì)菌能夠在厭氧光照條件下快速生長降解COD同時產(chǎn)堿,而萎縮芽孢桿菌屬于好氧菌需要在有氧氣條件下才能起作用,設(shè)定的光照厭氧-黑暗好氧條件是首先進(jìn)行光照厭氧72 h,讓嗜酸光合細(xì)菌生長產(chǎn)堿,之后厭氧光照∶黑暗通氧=12 h∶12 h,進(jìn)行反應(yīng),在此條件下其COD降解效率為95.21%。圖5

圖5 不同培養(yǎng)條件下淀粉廢水COD降解效率比較

2.3.3 外源添加乙酸鈉對淀粉廢水的降解效率的影響

研究表明,添加不同濃度乙酸鈉均可以提高淀粉廢水COD的降解率,但提高幅度并不大,添加1 g/L的乙酸鈉能夠?qū)U水COD降解率提高至98%左右。圖6

圖6 乙酸鈉添加量處理下淀粉廢水COD降解效率變化

2.4 復(fù)合菌對淀粉廢水總體污染物降解效果評價

研究表明,復(fù)合菌在最佳條件下6 d對水體中氨氮,硝態(tài)氮,總磷降解率均>98%,并且對于淀粉廢水惡臭源的硫醇和硫化氫降解效率也達(dá)到了98%以上,水質(zhì)達(dá)到了國家污水排放標(biāo)準(zhǔn)。圖7

圖7 復(fù)合菌處理下淀粉廢水污染物降解曲線

3 討 論

3.1 馬鈴薯淀粉廢水降解條件優(yōu)化

研究結(jié)果顯示RhodoblastussphagnicolaPNSB-MHW和Bacillusatrophaeus按照活菌數(shù)10∶1比例復(fù)配,接種量為廢水總體積的15%,30℃,0～72 h先進(jìn)行厭氧光照(1 000～2 000 lx)培養(yǎng),之后厭氧光照∶黑暗好氧=12 h ∶12 h繼續(xù)培養(yǎng)72 h,培養(yǎng)前在污水中添加1 g/L乙酸鈉能夠使淀粉廢水COD降解率達(dá)到98.21%,對水體中氨氮,硝氮,總磷,硫醇,硫化氫等污染物降解效率均達(dá)到了98%以上,同時發(fā)酵結(jié)束后發(fā)酵液pH=8.0～8.5,在此pH條件下,菌體開始自絮凝,其能夠?qū)⑽鬯袘腋⌒灶w粒以及高色度的顆粒性物質(zhì)沉淀(8 cm/h)。該結(jié)果也與其他利用光合細(xì)菌處理馬鈴薯淀粉廢水相關(guān)研究結(jié)果一致。采用類球紅桿菌單菌,連續(xù)光照培養(yǎng)42 h,之后采用間歇曝氣對淀粉廢水進(jìn)行處理,其廢水COD降解率達(dá)到了98.1%[25]。王劍秋等[7]采用紫色非硫光合細(xì)菌配合污水處理設(shè)施SBR對淀粉廢水進(jìn)行處理COD去除率最高達(dá)到90%。這些研究共同的工藝條件均為單菌或者以光合細(xì)菌為核心,并且其中最主要的一個工藝就是需要先對馬鈴薯廢水pH值進(jìn)行調(diào)節(jié)至中性,以及處理結(jié)束后需要使用絮凝沉淀工藝。

3.2 復(fù)合菌降解淀粉廢水機(jī)理

研究所使用的嗜酸光合細(xì)菌與萎縮芽孢桿菌由于其最適生長pH值的不同,而造成了2株菌生態(tài)位的分化。由于萎縮芽孢桿菌能夠利用淀粉類物質(zhì)產(chǎn)生吲哚乙酸,而該植物激素又能夠促進(jìn)光合細(xì)菌生長,因此使得其具有耦合降解淀粉廢水的潛力[26-27]。由于淀粉廢水中含有大量的有機(jī)酸,蛋白質(zhì)等物質(zhì),其能夠作為光合細(xì)菌電子受體而被利用,從而使得光合細(xì)菌處理后的淀粉廢水溶液pH升高,而pH值的升高又激活了萎縮芽孢桿菌的活性。通過黑暗好氧培養(yǎng)從而促進(jìn)芽孢類菌株的生長產(chǎn)生淀粉酶類進(jìn)而加速廢水COD的降解速率。此外,由于在酸性條件下萎縮芽孢桿菌能夠產(chǎn)生芽孢從而對較低pH具有耐受性,而當(dāng)pH升高其活性激活后,繼而采用好氧處理方式從而使得萎縮芽孢桿菌快速生長,其利用淀粉等物質(zhì)所產(chǎn)生的糖類又將廢水pH降低,而光合細(xì)菌利用所產(chǎn)生的有機(jī)酸使得廢水中pH在一段時間內(nèi)保持平穩(wěn),當(dāng)?shù)矸壑兴犷愇镔|(zhì)消耗殆盡后水體中pH升高至8.0～8.5。在堿的作用下光合細(xì)菌菌體以及其他細(xì)菌和蛋白質(zhì)表面都帶有負(fù)電荷從而使水體開始出現(xiàn)絮凝沉淀[28]。

4 結(jié) 論

處理淀粉廢水最佳的復(fù)配比例為PSB∶BA=10∶1、接種量=15%、厭氧光照∶黑暗通氧=12 h∶12 h的培養(yǎng)條件下,最終實現(xiàn)淀粉廢水污染物(COD,氨氮,硫醇,硫化氫等)實驗室一步法高效降解(降解率>98%)。