優(yōu)化絮凝復(fù)合菌在馬鈴薯淀粉廢水中培養(yǎng)及資源化處理?xiàng)l件的研究

張懷予，彭 濤，馬文錦，張小燕，陳興葉，殷 欣，路宏科，金 紅，楊旭星

(甘肅省輕工研究院，甘肅蘭州730000)

甘肅省是我國(guó)馬鈴薯主產(chǎn)區(qū)之一，總產(chǎn)量位居全國(guó)第一，馬鈴薯淀粉的加工是我省的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)［1］。馬鈴薯淀粉加工中，平均每生產(chǎn)1t淀粉需消耗6.5t左右的馬鈴薯，排放20t左右的廢水，廢水含有大量糖類(lèi)、蛋白質(zhì)、礦物質(zhì)等，CODCr通常 8000～30000mg/L，蛋白質(zhì)含量在 2000～8000mg/L［2］。若此廢水直接排放不僅污染水體，且浪費(fèi)資源。研究一種快速、高效、低耗的淀粉廢水處理方法則是當(dāng)務(wù)之急。我國(guó)薯類(lèi)淀粉行業(yè)廢水處理方法主要有生物法和絮凝沉淀法［3］。生物處理法一般分為耗氧和厭氧生物法，運(yùn)行時(shí)必須幾種工藝方法串聯(lián)使用。該工藝不僅占地面積大，能耗大，而且運(yùn)行成本高，處理周期長(zhǎng)，易受環(huán)境條件影響。絮凝沉淀法成本較低、工藝簡(jiǎn)單、適應(yīng)性強(qiáng)，尤其能降低薯類(lèi)淀粉廢水的濁度和色度，去除多種高分子有機(jī)物而被廣泛采用［4-5］。絮凝劑是整個(gè)處理技術(shù)的關(guān)鍵，決定著廢水處理的效果，常用無(wú)機(jī)、有機(jī)和微生物絮凝劑(Microbial flocculants，MBF)［6-7］。傳統(tǒng)絮凝劑在使用中具有不安全性、對(duì)環(huán)境造成二次污染等缺點(diǎn)，在許多領(lǐng)域已禁止或限量使用［8-9］。而MBF是由微生物產(chǎn)生并具有絮凝活性的代謝產(chǎn)物，主要有糖蛋白、多糖、蛋白質(zhì)、纖維素和DNA以及有絮凝劑活性的菌體等［10-12］，是具有應(yīng)用范圍廣、絮凝活性高、安全無(wú)毒、無(wú)污染、能自然降解、脫色效果獨(dú)特等特點(diǎn)的新一代絮凝劑［13-14］，且多種微生物組成復(fù)合菌群后，通過(guò)共生、協(xié)調(diào)作用所產(chǎn)絮凝活性將會(huì)比單一菌株所產(chǎn)絮凝效果更好，對(duì)環(huán)境變化的適應(yīng)性也更強(qiáng)［15-16］。另外，生產(chǎn)菌的種類(lèi)繁多、生長(zhǎng)快，更易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。

本研究擬在馬鈴薯淀粉廢水中優(yōu)化絮凝復(fù)合菌的培養(yǎng)和將其用于廢水處理的絮凝條件。實(shí)驗(yàn)將薯類(lèi)淀粉廢水處理的生物法和絮凝沉淀法結(jié)合，處理后回收的絮凝沉淀物質(zhì)還可以作為動(dòng)物飼料添加劑進(jìn)行綜合利用，旨在提高馬鈴薯淀粉廢水的利用率和提供資源化處理廢水的新途徑。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

馬鈴薯淀粉廢水 甘肅薯界淀粉集團(tuán)有限公司;牛肉浸膏(生化試劑) 上海乳品廠;高嶺土、硫酸亞鐵、硝酸鉀、氯化鈉、氯化鉀、硫酸鎂、乙醇、磷酸氫二鉀、氯化鈣 均為分析純;供試菌株 甘肅省輕工研究院食品發(fā)酵室篩選的 N1短桿菌(Brevibacterium sp.)和 N2短小芽孢桿菌(Bacillus pumilus)組成;牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基 牛肉膏3g，蛋白胨 10g，NaCl 5g，pH7.0～7.2，水 1000mL，121℃滅菌20min。保藏、復(fù)壯菌株時(shí)則采用牛肉膏蛋白胨瓊脂培養(yǎng)基，復(fù)合菌構(gòu)建選用牛肉膏蛋白胨液體培養(yǎng)基。

恒溫?fù)u床 上海天呈科技有限公司;培養(yǎng)箱 上海精密儀器儀表公司;高壓滅菌鍋 上海茸研儀器設(shè)備有限公司;pH計(jì) 上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司;電子天平 奧豪斯國(guó)際貿(mào)易有限公司;7200型分光光度計(jì) 上海合利儀器有限公司;UV756CRT紫外分光光度計(jì) 上海佑科儀器儀表有限公司;PB203-N型分析天平 Metler-Toledo公司;六聯(lián)攪拌器 武漢市梅宇儀器有限公司;XSP-10C顯微鏡 上海光學(xué)儀器廠。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 菌株活化復(fù)壯 菌株復(fù)壯參照純種分離法，4℃保存試管中分別挑取1環(huán)菌種，連續(xù)兩次經(jīng)劃線(xiàn)或梯度稀釋轉(zhuǎn)接于牛肉膏蛋白胨瓊脂平板，30℃培養(yǎng) 72～96h，得到純菌落［17］。

1.2.2 構(gòu)建復(fù)合菌 分別挑取復(fù)壯菌株于牛肉膏蛋白胨液體培養(yǎng)基中培養(yǎng)24h，取1mL各菌懸液按等體積進(jìn)行復(fù)配，于30℃ 150r/min液體發(fā)酵培養(yǎng)48～72h 形成復(fù)合菌液［18］。

1.2.3 馬鈴薯淀粉廢水培養(yǎng)絮凝復(fù)合菌營(yíng)養(yǎng)條件的優(yōu)化 以馬鈴薯淀粉廢水為主要培養(yǎng)基質(zhì)，30℃150r/min搖床培養(yǎng)48h，高嶺土絮凝率為測(cè)定指標(biāo)，通過(guò)單因素分析實(shí)驗(yàn)，確定添加碳源、氮源、無(wú)機(jī)鹽種類(lèi)和濃度，以及初始pH對(duì)復(fù)合菌培養(yǎng)的影響，每個(gè)實(shí)驗(yàn)2個(gè)平行。

1.2.3.1 碳源種類(lèi)和投加量對(duì)絮凝率的影響 在未添加營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的廢水中分別添加1g的葡萄糖、果糖、蔗糖、淀粉及1mL的無(wú)水乙醇、甘油作為外加碳源，定容至100mL于300mL三角瓶中，加入1mL復(fù)合菌液發(fā)酵培養(yǎng)，分別測(cè)定絮凝率，并以不加碳源的廢水為對(duì)照。

在100mL的廢水中對(duì)選出的碳源，按照單因素法以絮凝率為指標(biāo)，確定其最佳投加量。

1.2.3.2 氮源種類(lèi)和投加量對(duì)絮凝率的影響 在廢水中(補(bǔ)充確定了種類(lèi)和投加量的碳源)分別添加0.1g 尿素、(NH4)2SO4、NH4NO3、NH4CI、蛋白胨、酵母膏，定容至100mL于300mL三角瓶中，加入1mL復(fù)合菌液發(fā)酵培養(yǎng)，考察其對(duì)絮凝率的影響，并以不加氮源的廢水為對(duì)照。

在100mL補(bǔ)充了碳源的廢水中對(duì)選出的氮源，按照單因素法以絮凝率為指標(biāo)，確定其最佳投加量。

1.2.3.3 無(wú)機(jī)鹽種類(lèi)和投加量對(duì)絮凝率的影響 在廢水中(補(bǔ)充確定了種類(lèi)和投加量的碳源、氮源)分別添加 0.05g NaCl、KH2PO4、FeSO4、KCl、MgSO4，并定容至100mL于300mL三角瓶中，加入1mL復(fù)合菌液發(fā)酵培養(yǎng)，考察其對(duì)絮凝率的影響，并以不加無(wú)機(jī)鹽的廢水為對(duì)照。

在100mL補(bǔ)充了碳源、氮源的廢水中對(duì)選出的無(wú)機(jī)鹽，按照單因素法以絮凝率為指標(biāo)，確定其最佳投加量。

1.2.3.4 不同初始pH條件下培養(yǎng)復(fù)合菌對(duì)絮凝率的影響 在100mL廢水中(補(bǔ)充確定了種類(lèi)和投加量的碳源、氮源、無(wú)機(jī)鹽)分別調(diào)節(jié)初始 pH為4、5、6、7、8、9，進(jìn)行發(fā)酵培養(yǎng)，考察其對(duì)絮凝率的影響。

1.2.3.5 優(yōu)化營(yíng)養(yǎng)條件 依據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以主要影響因素乙醇、NH4NO3、KH2PO4和pH為考察因素，分別選取3個(gè)水平，高嶺土絮凝率為指標(biāo)，通過(guò)L9(34)正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，對(duì)馬鈴薯淀粉廢水培養(yǎng)復(fù)合菌的營(yíng)養(yǎng)條件進(jìn)行優(yōu)化，以確定最佳培養(yǎng)方案，因素水平表見(jiàn)表1。

表1 因素水平表Table 1 Factors and levels of orthogonal experiment

1.2.4 馬鈴薯淀粉廢水中絮凝條件的優(yōu)化 通過(guò)單因素分析實(shí)驗(yàn)，確定馬鈴薯淀粉廢水所培養(yǎng)的絮凝復(fù)合菌投加量、廢水pH、助凝劑種類(lèi)和濃度、沉降時(shí)間和攪拌速度對(duì)馬鈴薯淀粉廢水COD去除率影響，每個(gè)實(shí)驗(yàn)重復(fù)2次。

1.2.4.1 復(fù)合菌投加量對(duì)COD去除率的影響 將最適營(yíng)養(yǎng)條件下發(fā)酵培養(yǎng)的復(fù)合菌，分別按0.25、0.5、0.75、1、1.25、1.5、1.75、2mL 添加，并加入 3mL 1%CaCl2溶液，廢水定容至100mL，140r/min攪拌5min，靜置10min，測(cè)定對(duì)COD去除率影響。

1.2.4.2 廢水不同pH對(duì)COD去除率的影響 添加1mL的廢水培養(yǎng)復(fù)合菌、3mL 1%CaCl2溶液，用廢水定容至100mL，并調(diào)節(jié) pH 為3、4、5、6、7、8、9，140r/min攪拌5min，靜置10min，測(cè)定對(duì)COD去除率影響。

1.2.4.3 助凝劑種類(lèi)和濃度對(duì)COD去除率的影響 添加1mL的廢水培養(yǎng)復(fù)合菌，300μL 1mol/L NaCl、KCl、CaCl2、MgCl2、CuCl2、FeCl3、AlCl3溶液，用廢水定容至100mL，140r/min 攪拌 5min，靜置 10min，測(cè)定COD去除率影響。

確定了助凝劑種類(lèi)后，按照單因素法以COD去除率影響為指標(biāo)，確定其最佳投加量。

1.2.4.4 沉降時(shí)間對(duì)COD去除率的影響 加入1mL的廢水培養(yǎng)復(fù)合菌和3mL 1%CaCl2溶液，用廢水定容至100mL，140r/min 攪拌5min，分別靜置5、10、15、20、25、30min后，測(cè)定對(duì)COD去除率影響。

1.2.4.5 攪拌速度對(duì)COD去除率的影響 加入1mL的廢水培養(yǎng)復(fù)合菌和3mL 1%CaCl2溶液，用廢水定容至100mL，分別在 100、140、180、220、260、300r/min條件下攪拌，靜置10min，測(cè)定對(duì)COD去除率影響。

1.2.4.6 響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn) 在單因素實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，根據(jù)Box-Behnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，選擇對(duì)絮凝效果影響較大的3個(gè)因素為自變量，即絮凝復(fù)合菌投加量、助凝劑CaCl2用量、攪拌速度，以COD去除率為響應(yīng)值，利用響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)馬鈴薯淀粉廢水的絮凝條件進(jìn)行優(yōu)化，以確定最佳絮凝沉淀方案，因素水平表見(jiàn)表2。

表2 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)因素水平表Table 2 Factors and levels of response surface design

1.2.5 絮凝效果分析 在最佳絮凝沉淀?xiàng)l件下，對(duì)馬鈴薯淀粉廢水進(jìn)行資源化處理，測(cè)定廢水的COD和濁度值，并回收粗蛋白物質(zhì)。

1.2.6 測(cè)定方法

1.2.6.1 絮凝率 于蒸餾水中加入1mL菌發(fā)酵液、3mL 1%CaCl2溶液、0.5g高嶺土定容至 100mL，300r/min攪拌 0.5min，140r/min攪拌 5min，靜置10min，以不加絮凝劑的高嶺土懸濁液為對(duì)照，注射器吸取上清液液面下1cm處液體測(cè)其OD550吸光度值［19-20］。

A:為對(duì)照所測(cè)吸光度值;B:加入絮凝劑樣品的吸光值;絮凝率:表示投加絮凝劑前后，水樣中懸浮物去除率。

1.2.6.2 COD去除率 于馬鈴薯淀粉廢水中加入1mL絮凝劑溶液、3mL 1% CaCl2溶液，定容至100mL，并用攪拌器于 140r/min攪拌 5min，靜置10min，以馬鈴薯淀粉廢水溶液為對(duì)照，吸取上清液，測(cè)定絮凝后廢水溶液的COD，計(jì)算COD去除率［21］。

A:為對(duì)照所測(cè)COD值;B:加入絮凝劑樣品的COD值。

1.2.6.3 馬鈴薯淀粉廢水水質(zhì)及粗蛋白物質(zhì)的測(cè)定 化學(xué)需氧量(COD)測(cè)定方法同GB 11914-89《水質(zhì)化學(xué)需氧量的測(cè)定重鉻酸鉀法》［22］;懸浮固形物含量(SS)采用干燥恒重法測(cè)定［19］;總氮(TN)測(cè)定方法同HJ 636-2012《水質(zhì) 總氮的測(cè)定 堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法》［23］;總磷(TP)測(cè)定方法參照GB 11893-89《水質(zhì)總磷的測(cè)定 鉬酸銨分光光度法》［24］;pH 采用酸度計(jì)測(cè)定。

粗蛋白物質(zhì)的測(cè)定方法參照GB/T 6432-94《飼料中粗蛋白測(cè)定方法》［25］。

1.3 數(shù)據(jù)處理

正交分析采用DPS 7.05處理軟件，響應(yīng)面分析采用Design-Expert 8.0.6設(shè)計(jì)軟件。

2 結(jié)果與討論

2.1 馬鈴薯淀粉廢水培養(yǎng)絮凝復(fù)合菌營(yíng)養(yǎng)條件的優(yōu)化

2.1.1 馬鈴薯淀粉廢水水質(zhì)分析 為了充分利用廢水培養(yǎng)復(fù)合菌產(chǎn)生高效的絮凝活性物質(zhì)，則測(cè)定馬鈴薯淀粉廢水的水質(zhì)。如表3所示，廢水中含有大量的有機(jī)物質(zhì)，其中COD為8537mg/L，SS為221mg/L，TN為756mg/L，TP為92.1mg/L，并偏酸性，為微生物提供了良好的生長(zhǎng)環(huán)境，也嚴(yán)重超過(guò)了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 25461-2010《淀粉工業(yè)水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，必須經(jīng)過(guò)有效治理，方可進(jìn)行排放。

表3 馬鈴薯淀粉廢水水質(zhì)特征Table 3 Characteristics of potato starch wastewater

2.1.2 營(yíng)養(yǎng)條件的優(yōu)化

2.1.2.1 營(yíng)養(yǎng)條件種類(lèi)、投加量及pH對(duì)絮凝率的影響 在馬鈴薯淀粉廢水中添加不同碳源后，結(jié)果如圖1A所示，6種碳源均能被復(fù)合菌利用，其中以乙醇和蔗糖為碳源時(shí)，所產(chǎn)微生物的絮凝活性較高，絮凝率分別達(dá)到82.01%和71.87%，之后為葡萄糖、淀粉、甘油和果糖，分別為 49.27%、32.15%、28.13%和18.17%。當(dāng)廢水添加最佳碳源乙醇后，結(jié)果如圖1B所示，隨著添加量的增加，絮凝率呈單峰變化趨勢(shì)，當(dāng)投加量增加至1.5mL/100mL時(shí)，絮凝率達(dá)到最大值88.10%，之后則迅速下降，表明碳源濃度對(duì)微生物的培養(yǎng)和絮凝劑的產(chǎn)生在1～2mL/100mL之間為最佳范圍。

在補(bǔ)充1.5mL/100mL乙醇為碳源后，分別在廢水中添加不同種類(lèi)的氮源，結(jié)果如圖1C所示，6種氮源均能被復(fù)合菌所用，其中以添加硝酸銨對(duì)復(fù)合菌產(chǎn)絮凝劑的絮凝效果影響最顯著，絮凝率達(dá)到89.36%，之后依次為氯化銨、蛋白胨、硫酸銨、尿素、酵母膏，絮凝率分別為82.55%、78.31%、64.20%、55.59%、53.88%。圖1D表明隨著NH4NO3添加量的增加，復(fù)合菌產(chǎn)絮凝劑的絮凝率先增高，當(dāng)添加量為0.2g/100mL時(shí)，達(dá)最大值90.62%，之后則開(kāi)始迅速下降，表明氮源過(guò)高或過(guò)低都不利于復(fù)合菌產(chǎn)絮凝劑。

圖1 營(yíng)養(yǎng)條件種類(lèi)、投加量及pH對(duì)絮凝率的影響Fig.1 Effects of different additional nutrition sources，dosages and pH on flocculating activity

圖1E結(jié)果顯示，在補(bǔ)充了1.5mL/100mL碳源乙醇和0.2g/100mL氮源NH4NO3的廢水中，添加5種無(wú)機(jī)鹽后，對(duì)絮凝活性均有影響，其中絮凝效果最好的為磷酸二氫鉀，絮凝率達(dá)到91.84%，其次為硫酸亞鐵，絮凝率為82.42%，之后則為氯化鈉、氯化鉀、硫酸鎂，絮凝率分別為70.11%、63.62%、62.31%。之后廢水中添加KH2PO4，圖1F表明隨著KH2PO4含量的增加，復(fù)合菌產(chǎn)絮凝劑的絮凝率逐漸升高，添加至0.4g/100mL時(shí)，絮凝效果最佳，達(dá)到92.33%，之后開(kāi)始下降，由此顯示KH2PO4投加量的最佳范圍為0.3～0.5g/100mL。

作為培養(yǎng)基的馬鈴薯淀粉廢水初始pH對(duì)復(fù)合菌產(chǎn)絮凝劑的絮凝率影響較大，圖1G表明，在所考察范圍內(nèi)，復(fù)合菌最適宜的培養(yǎng)初始pH為7左右，當(dāng)pH為7時(shí)絮凝率達(dá)最大值92.84%，而pH過(guò)高或過(guò)低均會(huì)影響微生物的生長(zhǎng)和絮凝劑的產(chǎn)生，最適范圍在 pH6～7。

2.1.2.2 正交設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)優(yōu)化營(yíng)養(yǎng)條件 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果表4表明，對(duì)高嶺土絮凝率影響的各因素主次順序?yàn)锳＞D＞B＞C，即影響最大是碳源乙醇，依次分別是pH、氮源NH4NO3和無(wú)機(jī)鹽KH2PO4。方差分析表5可知，乙醇、NH4NO3、pH對(duì)絮凝率的影響均達(dá)到極顯著水平，KH2PO4則影響不顯著。不考慮交互作用，復(fù)合菌在廢水中的最佳培養(yǎng)條件為A2B1C1D2，即乙醇 1.5mL/100mL、NH4NO30.15g/100mL、KH2PO40.35g/100mL、pH7.0。進(jìn)一步對(duì)正交實(shí)驗(yàn)所得最佳營(yíng)養(yǎng)條件進(jìn)行驗(yàn)證，所得絮凝率達(dá)到96.44%，高于正交設(shè)計(jì)的各組實(shí)驗(yàn)。

表4 L9(34)實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 4 Result of L9(34)experiment

2.2 馬鈴薯淀粉廢水中絮凝條件的優(yōu)化

2.2.1 單因素對(duì)COD去除率的影響 由圖2A可知，隨著復(fù)合菌投加量增加，COD去除率出現(xiàn)由低—高—低的變化趨勢(shì)，當(dāng)產(chǎn)絮凝劑復(fù)合菌投放量為1mL/100mL時(shí)，去除率達(dá)最大值83.81%。當(dāng)投放量大于1mL/100mL時(shí)，去除率降低，這是由于投藥量加大時(shí)，廢水中增加的聚合物將膠體微粒包裹，增加了膠體微粒的穩(wěn)定性［20］。

廢水pH對(duì)絮凝效果的影響如圖2B所示，當(dāng)pH在4～6之間時(shí)，COD去除率較好，均在85%以上，當(dāng)廢水的pH為5時(shí)，COD去除率達(dá)到最大值86.97%。此較佳pH范圍也正是馬鈴薯淀粉廢水的pH范圍，因此在實(shí)際處理操作中無(wú)需添加酸或堿調(diào)節(jié)廢水的pH，從而降低廢水處理成本。

表5 營(yíng)養(yǎng)條件優(yōu)化的方差分析表Table 5 Variance analysis of nutrition conditions optimization

圖2 單因素對(duì)COD去除率的影響Fig.2 Effects of single factors on COD removal rate

圖2C和圖2D表明，當(dāng)添加廢水培養(yǎng)的絮凝復(fù)合菌，及 300μL 1mol/L NaCl、KCl、CaCl2、MgCl2、CuCl2、FeCl3、AlCl3溶液后，COD 去除效果較好的是CaCl2、MgCl2，COD 去除率均達(dá)到 70% 以上，其中CaCl2助凝效果最佳，去除率達(dá)到72.64%，而其他種類(lèi)的助凝劑都有一定得抑制作用。確定了助凝劑種類(lèi)后，通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)，分別添加1%CaCl2溶液0.5、1、2、3、4、5mL/100mL，結(jié)果表明助凝劑 CaCl2隨著投放量增加呈單峰型變化，當(dāng)2mL/100mL時(shí)為COD去除率最佳，達(dá)到85.87%，之后去除率不斷下降。

沉降時(shí)間對(duì)廢水絮凝效果的影響，如圖2E所示，復(fù)合菌所產(chǎn)絮凝劑具有良好的沉降性能，在沉降10min時(shí)COD去除率即可達(dá)到80%以上，當(dāng)15min時(shí)，達(dá)到最大值81.85%，沉降20min后COD去除率減小，從處理成本考慮，本實(shí)驗(yàn)選擇10min作為最佳時(shí)間。

由圖2F可知，絮凝效果隨著攪拌轉(zhuǎn)速的增加而增加，當(dāng)轉(zhuǎn)速在 100～180r/min時(shí)，COD去除率從76.53%上升到88.03%，繼續(xù)增加轉(zhuǎn)速到220r/min時(shí)，去除率開(kāi)始下降，當(dāng)?shù)竭_(dá) 300r/min時(shí)，降至72.31%?？赡苡捎谵D(zhuǎn)速過(guò)大或者過(guò)小都會(huì)影響絮凝活性物質(zhì)與大分子有機(jī)物質(zhì)的充分接觸和絮凝結(jié)合，最終影響COD去除效果。

2.2.2 響應(yīng)面優(yōu)化絮凝條件實(shí)驗(yàn)

2.2.2.1 響應(yīng)面優(yōu)化結(jié)果 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了三因素三水平共17個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的響應(yīng)面分析實(shí)驗(yàn)，共由12個(gè)析因點(diǎn)實(shí)驗(yàn)，及5個(gè)中心點(diǎn)實(shí)驗(yàn)組成，中心點(diǎn)實(shí)驗(yàn)重復(fù)5次，用以估計(jì)實(shí)驗(yàn)誤差。響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。

2.2.2.2 模型的建立及方差檢驗(yàn) 利用Design-Expert 8.0.6軟件對(duì)表6中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次線(xiàn)性回歸擬合，得到數(shù)學(xué)模型:

回歸統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果見(jiàn)表7。

由表7可看出，二次回歸模型p＜0.0001極顯著，因變量與所考察自變量之間的關(guān)系顯著;復(fù)數(shù)相關(guān)系數(shù)R2=0.9848表明所建立的模型可以用來(lái)解釋98.48%COD去除率的變化;失擬項(xiàng)p=0.9461＞0.05不顯著，表明模型擬合程度較好，實(shí)驗(yàn)所得二次回歸方程能很好地對(duì)馬鈴薯淀粉廢水絮凝處理工藝進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)。同時(shí)可知，除了復(fù)合菌投加量和攪拌速度交互作用(AC)不顯著(p＞0.05)外，攪拌速度、復(fù)合菌投加量和氯化鈣投加量交互作用(AB)、氯化鈣投加量和攪拌速度(BC)交互作用顯著(p＜0.05)，其余項(xiàng)均對(duì)COD去除率有著極顯著的影響，故各因素對(duì)COD去除率的影響不是簡(jiǎn)單的線(xiàn)性關(guān)系，對(duì)方程影響的顯著程度依次是復(fù)合菌投加量＞氯化鈣投加量＞攪拌速度。

表7 方差分析結(jié)果Table 7 Results of variance analysis

表6 響應(yīng)面分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 6 Results of response surface design

2.2.2.3 絮凝條件響應(yīng)面分析與優(yōu)化 通過(guò)Design-Expert軟件分析，得到響應(yīng)面圖，可直觀反映各因素交互作用對(duì)響應(yīng)值的影響，其中等高線(xiàn)的形狀可反映出交互作用的強(qiáng)弱，橢圓形表示兩兩因素交互作用顯著，圓形則與之相反。

由圖3A所示，當(dāng)攪拌速度一定時(shí)，隨著復(fù)合菌投加量和CaCl2投加量的增加，COD去除率先增高后快速下降，表明若適當(dāng)?shù)耐瑫r(shí)增加復(fù)合菌投加量和CaCl2投加量時(shí)，可增大COD去除率;當(dāng)復(fù)合菌投加量0.75～1mL/100mL，CaCl2投加量1～2mL/100mL 范圍內(nèi)，對(duì)COD去除率有增效作用，可提升廢水處理效果。由表7和圖3A可知，等高線(xiàn)橢圓，則復(fù)合菌和CaCl2投加量對(duì)去除率的交互作用顯著。

圖3B可知，當(dāng)CaCl2投加量在一定條件下，復(fù)合菌投加量對(duì)COD去除率的影響呈先增大后減小趨勢(shì)，攪拌速度對(duì)去除率則呈先增大后輕微減小趨勢(shì)，當(dāng)復(fù)合菌投加量1mL/100mL，攪拌速度180r/min時(shí)，COD去除率會(huì)達(dá)到最大值。等高線(xiàn)接近圓形，表明兩因素在一定范圍內(nèi)交互作用不顯著。

圖3C表明，當(dāng)復(fù)合菌投加量不變時(shí)，隨著CaCl2投加量和攪拌速度增加，COD去除率先增大后緩慢減小;在 CaCl2投加量 1～2mL/100mL，攪拌速度140～180r/min范圍內(nèi)，去除率明顯升高，在 CaCl2投加量2～3mL/100mL，攪拌速度 180～220r/min范圍內(nèi)，COD去除率緩慢減小。等高線(xiàn)為橢圓，兩因素交互作用顯著。

2.2.2.4 廢水處理絮凝條件確定及驗(yàn)證 對(duì)二次回歸方程求一階偏導(dǎo)，得出馬鈴薯淀粉廢水絮凝處理的最佳條件為:復(fù)合菌投加量0.98mL/100mL，CaCl2投加量2.08mL/100mL，攪拌速度186.83r/min，此條件下得到理論COD去除率預(yù)測(cè)值為88.82%。

對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，將復(fù)合菌投加量修正為1mL/100mL，CaCl2投加量 2mL/100mL，攪拌速度為187r/min，得出馬鈴薯淀粉廢水的 COD去除率為89.10%，與理論預(yù)測(cè)值88.82%較為接近，說(shuō)明模型的擬合程度較好，回歸方程的分析和預(yù)測(cè)可靠，可利用此工藝條件絮凝處理馬鈴薯淀粉廢水。

2.3 絮凝效果分析

利用最佳工藝處理馬鈴薯淀粉廢水，COD由8537mg/L下降至 931mg/L，COD去除率達(dá)到89.10%;濁度值由221mg/L下降至19mg/L，濁度去除率達(dá)到91.40%。

圖3 多因素對(duì)COD去除率的響應(yīng)面圖Fig.3 Response surface showing the effects of three factors on COD removal rate

將處理后的廢水過(guò)濾沉淀物，經(jīng)干燥后稱(chēng)重，得粗蛋白物質(zhì)6.23g/L，可作為動(dòng)物蛋白飼料添加劑。

3 結(jié)論

通過(guò)單因素和正交實(shí)驗(yàn)，馬鈴薯淀粉廢水培養(yǎng)絮凝復(fù)合菌的最優(yōu)營(yíng)養(yǎng)條件為乙醇1.5mL/100mL、NH4NO30.15g/100mL、KH2PO40.35g/100mL、pH7.0。

在單因素實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，通過(guò)Box-Bahnken響應(yīng)面分析實(shí)驗(yàn)，得到絮凝復(fù)合菌處理馬鈴薯淀粉廢水工藝的最優(yōu)條件為復(fù)合菌投加量1mL/100mL，CaCl2投加量2mL/100mL，攪拌速度187r/min，COD去除率理論預(yù)測(cè)值為88.82%，所處理馬鈴薯淀粉廢水的COD去除率實(shí)際值為89.10%。

利用最優(yōu)工藝處理馬鈴薯淀粉廢水，COD降至931mg/L，COD去除率達(dá)到 89.10%;濁度值降至19mg/L，濁度去除率達(dá)到91.40%，同時(shí)得粗蛋白物質(zhì)6.23g/L，可作為動(dòng)物蛋白飼料添加劑。

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