光合細(xì)菌(Z08)啤酒廢水資源化研究

戴 曉，張光明

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)城市水資源與水環(huán)境國家重點實驗室，哈爾濱 150090，gmgwen@gmail.com)

光合細(xì)菌(Z08)啤酒廢水資源化研究

戴 曉，張光明

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)城市水資源與水環(huán)境國家重點實驗室，哈爾濱 150090，gmgwen@gmail.com)

為了優(yōu)化光合細(xì)菌處理啤酒廢水的工藝條件以實現(xiàn)污水資源化，利用一株新的光合細(xì)菌(Z08)處理啤酒廢水并回收菌體，探討在光照厭氧、黑暗好氧、自然光微氧3種不同的環(huán)境條件對廢水處理效果以及菌體增長的影響.結(jié)果表明:光照厭氧條件下COD去除率(88%)大于自然光微氧條件下COD去除率(74%)，大于黑暗好氧條件下COD去除率(62%);光照厭氧條件下菌體總量增長率(38%)大于自然光微氧條件下菌體總量增長率(－35%)，大于黑暗好氧條件下菌體總量增長率(－43%);光照厭氧條件所需水力停留時間(240 h)大于自然光微氧條件所需水力停留時間(60 h)，大于黑暗好氧條件所需水力停留時間(36 h).光合細(xì)菌可以實現(xiàn)啤酒廢水的處理與資源化，推薦的工藝條件為:白天厭氧，夜晚好氧，光線不足時補(bǔ)充光源.在此條件下既可以快速降解污染物，又能獲得較高的光合細(xì)菌增長量，此條件時廢水中有機(jī)物轉(zhuǎn)化為單細(xì)胞蛋白的轉(zhuǎn)化率達(dá)到26%，有效地實現(xiàn)了污水資源化.

光合細(xì)菌;Z08;啤酒廢水;資源化

高濃度有機(jī)廢水的處理與資源化是環(huán)境領(lǐng)域關(guān)注的熱點.傳統(tǒng)污水處理都采用活性污泥，雖然能夠有效地去除廢水中的污染物，但是會產(chǎn)生大量的剩余污泥，造成二次污染，處理處置困難，而且無法實現(xiàn)水中有用物質(zhì)的資源化.光合細(xì)菌污水處理提供了一條可以同時實現(xiàn)污染物消減與資源回收的新途徑，而且沒有有害污泥的產(chǎn)生.

光合細(xì)菌是多種廣泛分布在海洋、河流、湖泊和土壤中，擁有2套能量代謝途徑的微生物的總稱［1］，光合細(xì)菌能利用多種物質(zhì)作為碳源和能源合成很多營養(yǎng)物質(zhì)，如單細(xì)胞蛋白、生物高聚物、抗生素、類胡蘿卜素、泛酸、以及一些藥用物質(zhì)［2－4］.這些物質(zhì)能夠應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、生物制氫、食品工業(yè)等［5－9］.因此，光合細(xì)菌污水處理可以同時實現(xiàn)污染消減與資源回收.

我國是啤酒生產(chǎn)大國，全國啤酒廢水排放量達(dá)3億m3，對環(huán)境造成嚴(yán)重污染.啤酒廢水為高濃度有機(jī)廢水，目前常用水解酸化－接觸氧化、SBR、CASS、UASB 等工藝［10－11］進(jìn)行處理，流程長，產(chǎn)生大量剩余污泥，并且無法有效地回收利用其中的有益物質(zhì).使用光合細(xì)菌處理啤酒廢水能夠有效處理污染物，并且可以將其中的有用物質(zhì)轉(zhuǎn)化為菌體，回收單細(xì)胞蛋白.本文通過光合細(xì)菌在啤酒廢水處理中不同的處理條件下的COD降解情況和菌體生長情況，研究光合細(xì)菌處理啤酒廢水的最優(yōu)工藝條件以實現(xiàn)污水的資源化.

1 材料與方法

1.1 材料

從土壤中分離得到1株新型光合細(xì)菌，經(jīng)16SrDNA鑒定為紅螺菌科、紅假單胞菌屬、球形紅假 單 胞 菌 (Rhodobacter－sphaeroids)，命 名 為Z08［12］，全球統(tǒng)一編號 GU990615.啤酒廢水采用人工配水，COD、總氮、總磷質(zhì)量濃度分別為8 000～10 000、1.0、2.6 mg/L，與實際啤酒廢水近似，由于啤酒廢水C/N比例失調(diào)，所以在本實驗中添加800 mg/L的NH4Cl溶液和80 mg/L的KH2PO3溶液以補(bǔ)充N源和P源，并用NaOH溶液調(diào)節(jié)pH值為6.7.光合細(xì)菌純培養(yǎng)采用HCH培養(yǎng)基［12］.

1.2 方法

光合細(xì)菌接種與馴化:HCH培養(yǎng)基在121℃條件下滅菌20 min，冷卻后在無菌操作臺上接入168 mg/L的Z 08，接種后的混合液封口膜密封，置于磁力攪拌器上，在25～30℃條件下，光照培養(yǎng)48 h，保存在4℃條件下備用.將純培養(yǎng)的Z08按上述的接種量接種至HCH培養(yǎng)基和啤酒廢水體積比為1∶1的混合液中，馴化培養(yǎng)96 h，馴化好后，將Z08用超濾膜濾出，按不同的F/M(廢水COD質(zhì)量/菌質(zhì)量)接種到啤酒廢水中.

光合細(xì)菌處理污水常用的2種條件是光照厭氧和黑暗好氧，另外在前期研究中發(fā)現(xiàn)自然光微氧也可實現(xiàn)光合細(xì)菌的增長［12］，因此，本文比較了這3種方法.試驗在室溫下進(jìn)行.光照厭氧條件，采用白熾燈與節(jié)能燈供光，照度約為1 200 lx，這是光合細(xì)菌培養(yǎng)中常用的照度，溶解氧小于0.1 mg/L;黑暗好氧條件，空氣曝氣，溶解氧2～4 mg/L;自然光微氧條件，采用自然光，溶解氧0.3～0.5 mg/L.黑暗好氧與自然光微氧條件下投菌量 F/M= 1，光照厭氧條件下投菌量F/M=0.5.

COD采用快速消解法測定(5B－ 1，聯(lián)華科技).溶解氧采用YSI－DO200溶氧儀測定.光密度采用紫外可見分光光度計(T 6，PurKinje General Instrument Com)在660 nm條件下測定，記為OD660.光密度與細(xì)菌干重的關(guān)系［12］為:細(xì)菌干重/(mg·L－1)=839.55×OD660.菌體蛋白采用食品分析標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行.

2 結(jié)果與討論

2.1 光照厭氧條件下處理效果

圖1為光照厭氧條件下的COD和Z08干重變化曲線，可見，在光照厭氧條件下，廢水COD去除率較高但去除速度較慢，經(jīng)過240 h的處理，COD去除率達(dá)到88%，這是因為在厭氧條件下菌體的適應(yīng)期長并且代謝速率低.菌體干重在前72 h輕微下降，在72～96 h進(jìn)入對數(shù)生長期，96～120 h再次輕微下降，120～144 h輕微上升，144 h后基本保持不變.96～144 h菌體干重先下降后上升，其原因是由于Z08隨時間的變化大量消耗了啤酒廢水中易吸收的營養(yǎng)物質(zhì)，營養(yǎng)物質(zhì)缺乏的同時Z08產(chǎn)生消化其他營養(yǎng)物質(zhì)的酶，造成了菌體干重的變化.光照厭氧處理既較好地處理了廢水又大量積累了菌體蛋白，但對COD的處理效率低.

圖1 光照厭氧條件下的COD和Z08干重變化曲線

2.2 自然光微氧條件下處理效果

圖2為自然光微好氧條件下COD和Z08干重變化曲線，可見，在自然光微氧條件下，廢水COD在0～60 h隨時間逐漸減少，60～90 h反而增大，達(dá)到最高降解率(74%)的時間為60 h.菌體干重在0～60 h基本保持不變，60 h后下降.0～60 h COD下降同時菌體干重不變，主要原因是在此條件下Z08的繁殖數(shù)量與死亡數(shù)量平衡，Z08保留了在厭氧條件下繁殖以維持種群數(shù)量的特點，又保留了好氧條件下快速降解有機(jī)物的能力.60 h后由于有機(jī)物質(zhì)已經(jīng)基本耗盡，Z08進(jìn)入內(nèi)源呼吸期，開始分解自身物質(zhì)，細(xì)胞破碎造成COD上升同時菌體干重下降.自然光微氧條件下廢水處理效果效好，但是細(xì)胞沒有明顯增長，不能積累菌體蛋白.

圖2 自然光微好氧條件下COD和Z08干重變化曲線

2.3 黑暗好氧條件下處理效果

圖3為黑暗好氧條件下的COD和Z08干重變化曲線，可見，在黑暗好氧條件下，COD在0～36 h隨時間減少，在36～90 h反而上升.達(dá)到最高降解率(62%)的時間是36 h.其可能原因是，在有氧條件下Z08對有機(jī)物的利用率高，36 h后有機(jī)物質(zhì)已經(jīng)基本耗盡，Z08進(jìn)入內(nèi)源呼吸期，開始分解自身物質(zhì)，導(dǎo)致細(xì)胞質(zhì)釋放到水中，COD上升.菌體干重在0～36 h緩慢減少，36～60 h迅速下降，60 h后基本不變.分析原因是在黑暗好氧條件下，Z08以分解代謝為主，繁殖受到抑制.此條件下廢水處理效率高，但是無法積累菌體蛋白.

圖3 黑暗好氧條件下的COD和Z08干重變化曲線

2.4 3種環(huán)境條件比較

由表1可見，在以上3種條件下，廢水中有機(jī)物都能得到降解，光照厭氧條件下COD處理率最高，但黑暗好氧條件下降解最快，而菌體只有在光照厭氧條件下才有明顯增長.分析發(fā)現(xiàn)，溶解氧越高，有機(jī)物降解速率越快，說明Z08在有氧條件下主要通過分解有機(jī)物獲取能量，效率較高;另一個原因是，有光照時，Z08能夠進(jìn)行光能合成，減少了對水中有機(jī)物的利用.同時，溶解氧有抑制Z08生長的作用，在厭氧條件下Z08增長量為38%，而在有氧條件下沒有觀察到Z08的增長.光照條件對Z08生長起主要作用，在黑暗條件下，菌體下降，在自然光環(huán)境中可以保持穩(wěn)定，在光照條件下增加.

表1 3種條件下COD降解效果和菌體產(chǎn)量

2.5 最優(yōu)條件的推薦

綜合以上分析，對3種方案進(jìn)行優(yōu)化，本文提出Z08處理啤酒廢水應(yīng)采用的條件:白天厭氧，夜晚好氧的條件，白天光線不足時可增加補(bǔ)充光源.這樣既可以發(fā)揮厭氧條件下Z08大量繁殖的優(yōu)勢，又保留了好氧條件下高效分解有機(jī)物的優(yōu)點，既能高效凈水，又能夠大量回收菌體實現(xiàn)資源化.

3次重復(fù)試驗表明，該靈活處理方法可以在48 h內(nèi)COD去除率達(dá)70%，其中乙醇含量從4 261.7 mg/L降低至 51 mg/L，去除率達(dá)到98.6%，表明光合細(xì)菌對小分子有機(jī)物的利用極為高效.相對應(yīng)的菌體增量為25%，菌體產(chǎn)率(菌體增加量/COD去除量)達(dá)到0. 41，這一菌體產(chǎn)率與好氧條件下活性污泥的菌體產(chǎn)率類似.由于啤酒廢水中不含有毒物質(zhì)，而所用的Z08菌株屬于Rhodobacter－sphaeroids，菌體安全無毒，長期被用于飼料，尤其是對蝦與蟹苗的開口飼料添加劑.因此，從啤酒廢水中培養(yǎng)的Z08可以被用作飼料或餌料，從而實現(xiàn)資源化，與此同時，避免了傳統(tǒng)處理工藝中活性污泥的二次污染.實現(xiàn)光合細(xì)菌資源化的另一途徑是提取其中的單細(xì)胞蛋白，本實驗中對所收獲的Z08菌體進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其中單細(xì)胞蛋白含量達(dá)到菌體干重的56.8%，蛋白質(zhì)含量很高.相應(yīng)地，啤酒廢水中有機(jī)物(以COD計)的蛋白轉(zhuǎn)化率為26%.

上述結(jié)果表明，光合細(xì)菌可以高效地降解啤酒廢水中的有機(jī)污染物質(zhì)，尤其是其中的小分子有機(jī)物，去除率達(dá)到98.6%，而且沒有廢棄污泥的產(chǎn)生;與此同時，啤酒廢水也可作為基質(zhì)培養(yǎng)光合細(xì)菌，菌體產(chǎn)率達(dá)到41%，所收獲的Z08菌體可以作為飼料或餌料;光合細(xì)菌Z08在處理啤酒廢水的同時，合成單細(xì)胞蛋白，蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)化率為26%，所形成的單細(xì)胞蛋白安全無毒，可以作為飼料添加劑利用.

3 結(jié)論

1)在有氧環(huán)境下，Z08對啤酒廢水有機(jī)物的利用效率較高，主要以分解代謝為主.在厭氧環(huán)境中，Z08分解啤酒廢水有機(jī)物效率較低，主要以合成代謝為主，生物量增長明顯.

2)光照厭氧條件雖然能夠同時高效降解有機(jī)物并獲得較好的生物量增長，但所需時間太長;自然光照微好氧條件下COD降解時間較長，菌體僅能保持穩(wěn)定數(shù)量，不能夠大量繁殖;黑暗好氧條件雖然能夠高效處理COD，但是生物增長受到抑制，甚至出現(xiàn)負(fù)增長.

3)Z08處理啤酒廢水應(yīng)采用的最優(yōu)條件:白天厭氧，夜晚好氧，光線不足時增加補(bǔ)充光源，這樣既可以發(fā)揮厭氧條件下Z08大量繁殖的優(yōu)勢，又保留了黑暗好氧條件下高效分解有機(jī)物的優(yōu)點，既能高效凈水，又能夠大量回收菌體實現(xiàn)資源化.在最優(yōu)條件下，48 h內(nèi)啤酒廢水中COD去除率達(dá)到70%，污水中有機(jī)物轉(zhuǎn)化為菌體單細(xì)胞蛋白的轉(zhuǎn)化率達(dá)到26%.

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Brewery wastewater treatment and resource recovery by photosynthetic bacteria Z08

DAI Xiao，ZHANG Guang－ming

(State Key Laboratory of Water Resource and Environment，Harbin Institute of Technology，Harbin 150090，China，gmgwen@gmail.com)

This paper discusses the possibility and optimal conditions of brewery wastewater treatment using a new strain of photosynthetic bacteria(Z08).Light－anaerobic，natural light－microaerobic，and dark－aerobic operational conditions were explored to treat the wastewater and recover bacterial protein.The results show that the COD removal ratio under light－anaerobic condition(88%)is greater than that under natural light－microaerobic condition(74%)，ant it is also greater than that under dark－aerobic condition(62%);total bacterial growth ratio under light－anaerobic condition(38%)is greater than that under natural light－microaerobic condition(－35%)，and it is also greater than that under dark－aerobic condition(－43%);hydraulic retention time under light－anaerobic condition(240 h)is longer than that under natural light－microaerobic condition(60 h)and that under dark－aerobic condition(36 h).It is feasible to use Z08 to treat beer wastewater and recover bacteria cell mass.The recommended conditions are as follows:anaerobic in daytime and aerobic at night，with additional artificial light when needed.Under such conditions，pollutants in the wastewater can be rapidly transformed into bacterial cell mass for utilization with a transformation efficiency of 26%for single cell protein.

photosynthetic bacteria;Z08;brewery wastewater;resource recovery

X703.1

A

0367－6234(2010)06－0937－04

2010－03－01.

國家自然科學(xué)基金資助項目(50978072);城市水資源

與水環(huán)境國家重點實驗室自主課題(2008QN01).

戴 曉(1985—)，男，碩士研究生;

張光明(1973—)，女，教授，博士生導(dǎo)師.

(編輯 魏希柱)