釀醋廢水廉價(jià)制備降解煤化工廢水微生物絮凝劑*

房亞玲，柴　濤，郭嘉昒，武　杰，閆飛飛

(中北大學(xué) 化工與環(huán)境學(xué)院，山西 太原 030051)

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釀醋廢水廉價(jià)制備降解煤化工廢水微生物絮凝劑*

房亞玲，柴濤，郭嘉昒，武杰，閆飛飛

(中北大學(xué) 化工與環(huán)境學(xué)院，山西 太原 030051)

摘要:從生活污水中篩選出了一株能夠降解煤化工廢水的微生物絮凝劑產(chǎn)生菌，為降低菌種的培養(yǎng)成本，以釀醋廢水作為廉價(jià)培養(yǎng)基對菌種進(jìn)行培養(yǎng)，研究不同釀醋廢水體積分?jǐn)?shù)、 外加碳源、 外加氮源對煤化工廢水絮凝率的影響，并對培養(yǎng)成本進(jìn)行分析. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，培養(yǎng)菌種的最適釀醋廢水體積分?jǐn)?shù)為80%； 最佳碳源為淀粉，絮凝率達(dá)91.77%； 最佳氮源為氯化銨，絮凝率達(dá)92.59%，綜合成本考慮，選擇外加氮源. 在釀醋廢水中外加氯化銨培養(yǎng)微生物絮凝劑產(chǎn)生菌，對煤化工廢水的絮凝率達(dá)92.59%，COD去除率達(dá)68.50%，色度去除率達(dá)95.60%，培養(yǎng)成本降低了1.84元/L.

關(guān)鍵詞:釀醋廢水； 煤化工廢水； 廉價(jià)培養(yǎng)基； 微生物絮凝劑

0引言

微生物絮凝劑是由微生物發(fā)酵、 分離并提取的具有絮凝活性的微生物代謝產(chǎn)物，其成份主性能好，并且有安全無害、 不產(chǎn)生二次污染、 易于生物降解、 適用范圍廣、 生產(chǎn)周期短等優(yōu)點(diǎn)[1-2]，是目前備受親睞的一種絮凝劑.

培養(yǎng)基成本較高是導(dǎo)致微生物絮凝劑工業(yè)化發(fā)展緩慢的一個(gè)重要原因[3-5]，目前國內(nèi)眾多學(xué)者大量研究了以糖蜜廢水、 啤酒廢水、 豆腐廢水作為廉價(jià)培養(yǎng)基對菌種進(jìn)行培養(yǎng)[6-8]，而以釀醋廢水作為廉價(jià)培養(yǎng)基還鮮有報(bào)道. 釀醋的原料有糯米、 高粱、 甘薯干、 淀粉等，其排出的廢水含有豐富的碳源和氮源. 山西作為釀醋大省，釀醋廢水較多，而釀醋廢水有機(jī)物濃度、 色度較高，直接排放會(huì)造成環(huán)境污染，但對釀醋廢水進(jìn)行處理又需要較高的成本[9].

本研究擬以釀醋廢水作為廉價(jià)培養(yǎng)基，對降解煤化工廢水的微生物絮凝劑產(chǎn)生菌進(jìn)行培養(yǎng)，在使釀醋廢水得到資源化的同時(shí)又降低了菌種的培養(yǎng)成本.

1材料與設(shè)備

1.1菌種來源

中北大學(xué)生活污水； 北京市某煤礦排出的煤化工廢水.

1.2廢水來源及水質(zhì)

1) 煤化工廢水： 北京市某煤礦排出的煤化工廢水，COD： 7 500～8 500 mg/L，色度： 1 820倍，pH： 7.5.

2) 釀醋廢水： 太原市東湖醋業(yè)有限公司，COD： 13 240 mg/L，pH： 5.4～5.6，TN： 149 mg/L，碳氮比： 89∶1，色度： 240倍.

1.3實(shí)驗(yàn)所需材料

主要試劑： 高嶺土懸濁液(4 g/L)、 1% CaCl2溶液、 5% NaOH溶液、 5% HCI溶液、 乳糖、 蔗糖、 淀粉、 葡萄糖、 (NH4)2SO4、 蛋白胨、 NH4Cl、 尿素；

初篩液體培養(yǎng)基： 牛肉膏3 g、 蛋白胨10 g、 氯化鈉5 g、 蒸餾水1 000 mL、 pH=7；

復(fù)篩固體培養(yǎng)基： 牛肉膏3 g、 蛋白胨10 g、 氯化鈉5 g、 瓊脂15～20 g、 蒸餾水1 000 mL、 相應(yīng)體積分?jǐn)?shù)的煤化工廢水、 pH=7；

發(fā)酵培養(yǎng)基： 相應(yīng)體積分?jǐn)?shù)的釀醋廢水、 不同碳氮源、 pH=7.

1.4主要設(shè)備

壓力蒸汽滅菌鍋； 721分光光度計(jì)； 恒溫振蕩培養(yǎng)箱； 無菌操作臺(tái)； 電子天平； 顯微鏡； 冰箱； COD測定裝置.

2測定方法

2.1菌種的篩選

2.1.1菌種的分離純化

本實(shí)驗(yàn)中菌種的分離純化采用稀釋涂布平板法，將生活污水以及煤化工廢水稀釋成10-1, 10-2, 10-3, 10-4, 10-5, 10-6, 10-77個(gè)濃度梯度，然后將10-6, 10-7濃度梯度的水涂在平板培養(yǎng)基上，于30 ℃下培養(yǎng)48 h. 選取單菌落反復(fù)進(jìn)行涂布，直至菌種純化為止.

2.1.2初篩

將純化的單菌落分別接種到液體培養(yǎng)基中，在30 ℃、 120 r/min的條件下于恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)72 h，以對高嶺土懸濁液的絮凝率作為指標(biāo)，篩選出具有絮凝活性的菌種[10].

具體步驟： 在100 mL燒杯中加入0.2 g高嶺土，再加入50 mL蒸餾水，制備成高嶺土懸濁液. 分別取1 mL菌液于燒杯中，加入5 mL 1%CaCl2溶液，用5%HCl 或5%NaOH調(diào)節(jié)pH至7，攪拌3 min，靜置5 min，用721分光光度計(jì)在550 nm 處測定上清液的吸光度.

式中：A為對照上清液的吸光度OD550 nm；B為樣品上清液的吸光度OD550 nm.

2.1.3復(fù)篩

煤化工廢水成分復(fù)雜，較難降解，因此需選取對煤化工廢水具有耐受性的菌種. 分別將單菌落接種于含10%, 20%, 30%, 40%, 50%廢水的固體培養(yǎng)基上，選取存活較好的菌種，并對煤化工的絮凝率進(jìn)行測定，篩選出降解煤化工廢水的優(yōu)勢菌種.

2.2煤化工廢水絮凝率的測定方法

在100 mL燒杯中依次加入30 mL煤化工廢水、 1 mL菌液和5 mL 1%的CaCl2溶液，用5%HCl或5%NaOH將溶液的pH調(diào)為7，攪拌3 min，凈置2 h，在上清液液面以下2 cm處取樣，在550 nm波長下測定樣品吸光度. 絮凝率計(jì)算公式為

式中：E為煤化工廢水的吸光度OD550 nm；D為水樣絮凝后上清液的吸光度OD550 nm.

3結(jié)果與分析

3.1降解煤化工廢水的微生物絮凝劑篩選

3.1.1菌種的分離純化

經(jīng)過分離純化后，從中北大學(xué)生活污水中分離純化得到4種菌為MBFS1、 MBFS2、 MBFS3、 MBFS4，從煤化工廢水中分離純化出兩種菌為MBFF5、 MBFF6.

3.1.2初篩

將純化后的菌種對高嶺土懸濁液進(jìn)行絮凝率的測定，結(jié)果如圖 1 所示.

圖 1　不同菌種的絮凝活性Fig.1　The flocculating activity of different strains

如圖 1 所示，菌種MBFS2、 MBFS3、 MBFF5、 MBFF6對高嶺土絮凝率較低，分別為7.73%, 16.32%, 15.67%, 21.44%. 菌種MBFS1和菌種MBFS4對高嶺土絮凝率則較高，分別為60.94%、 63.22%. 在絮凝過程中，MBFS1和MBFS4絮凝速率快，沉降時(shí)間短，因此選取MBFS1和MBFS4作為復(fù)篩菌種.

3.1.3復(fù)篩

為篩選出對煤化工廢水具有耐受性的菌種，將初篩得到的兩種菌分別涂布到含40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90%, 100%煤化工廢水的固體培養(yǎng)基上. 結(jié)果如圖 2，圖 3 所示，MBFS1在含80%、 100%煤化工廢水的培養(yǎng)基上生長均較好； 而MBFS4在含40%廢水培養(yǎng)基上生長良好，在60%廢水培養(yǎng)基上則幾乎沒有生長. 因此，菌種MBFS1對煤化工廢水有很好的耐受性，選擇菌種MBFS1對煤化工廢水進(jìn)行降解.

圖 2　MBFS1的生長情況隨廢水體積分?jǐn)?shù)的變化Fig.2　The change of MBFS1 growth condition with the volume fraction of wastewater

圖 3　MBFS4的生長情況隨廢水體積分?jǐn)?shù)的變化Fig.3　The change of MBFS4 growth condition with the volume fraction of wastewater

3.2釀醋廢水體積分?jǐn)?shù)對菌種絮凝活性的影響

用蒸餾水稀釋釀醋廢水至體積分?jǐn)?shù)分別為20%, 40%, 60%, 80%, 100%，用5% HCl和5% NaOH將溶液的pH調(diào)為7，高溫滅菌，冷卻后在25 ℃下培養(yǎng)24 h，然后對煤化工廢水進(jìn)行絮凝，結(jié)果如圖 4 所示.

圖 4　不同體積分?jǐn)?shù)對絮凝活性的影響Fig.4　Effect of different volume fraction on flocculating activity

用80%的釀醋廢水培養(yǎng)菌種，菌種的絮凝活性最好. 當(dāng)釀醋廢水體積分?jǐn)?shù)過低時(shí)，菌種生長所需的營養(yǎng)物質(zhì)不足，導(dǎo)致菌種的絮凝活性較低，而當(dāng)釀醋廢水體積分?jǐn)?shù)過高時(shí)，培養(yǎng)基的滲透壓過大，有機(jī)負(fù)荷較高，抑制了絮凝活性物質(zhì)的分泌. 因此，培養(yǎng)菌種的最適體積分?jǐn)?shù)為80%，絮凝率為69.60%.

3.3釀醋廢水中C源對菌種絮凝活性的影響

向80%的釀醋廢水中添加濃度為15 g/L的不同碳源，觀察其對煤化工廢水絮凝率的影響. 如圖 5 所示，當(dāng)以蔗糖或淀粉作為碳源時(shí)，絮凝率最高，分別為92.08%和91.77%時(shí). 添加蔗糖或淀粉時(shí)，可觀察到在對煤化工廢水絮凝過程中，礬花形成速度較快，沉降時(shí)間較短； 而當(dāng)添加其他碳源時(shí)，絮凝速度慢，沉降時(shí)間較長. 可能是絮凝劑中的某些成分利用不同的糖類作用時(shí)酶種類以及作用位點(diǎn)不同[11]. 以蔗糖和淀粉作為碳源，當(dāng)兩者絮凝率相差較小的情況下，淀粉比蔗糖的成本低. 因此，用釀醋廢水作為廉價(jià)培養(yǎng)基時(shí)，添加的最佳碳源為淀粉，絮凝率達(dá)到 91.77%.

圖 5　不同碳源對絮凝活性的影響Fig.5　Effect of different carbon sources on flocculation activity

3.4釀醋廢水中N源對菌種絮凝活性的影響

在80%的釀醋廢水中不添加碳源，只添加濃度為0.5 g/L的不同氮源. 考察不同的氮源對煤化工廢水絮凝率的影響. 如圖 6 所示，總體來看，添加氮源后，絮凝率都有所提高，說明釀醋廢水中沒有足夠的氮源. 當(dāng)添加NH4Cl時(shí)，絮凝率最高，蛋白胨次之，可能是菌種對有機(jī)氮源吸收不完全，從而抑制了微生物絮凝劑的合成，導(dǎo)致無機(jī)氮所培養(yǎng)的菌種高于有機(jī)氮[12]. 因此，最佳氮源為NH4Cl，絮凝率達(dá)92.59%.

釀醋廢水雖含有碳氮源，但可能其所含的碳氮源種類并不是微生物菌種所需要的能量類型，或者其所含的碳氮源的量不足以供微生物所生長. 將添加碳源與添加氮源培養(yǎng)下的菌種對煤化工廢水的絮凝率進(jìn)行比較，可看出在釀醋廢水中添加氯化銨時(shí)，絮凝率最高. 因此，以氯化銨作為外加氮源來培養(yǎng)菌種，其分泌的微生物絮凝劑對煤化工廢水的絮凝率達(dá)92.59%，COD從8 000 mg/L下降到2 520 mg/L，色度從1 820倍下降到 80倍.

圖 6　不同氮源對絮凝活性的影響Fig.6　Effect of different nitrogen sources on flocculation activity

3.5成本預(yù)算分析

以培養(yǎng)1 L菌種發(fā)酵液所需的藥品計(jì)算，成本分析如表 1 所示，表1中左邊為牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基所需的成本，其培養(yǎng)成本主要來源于牛肉膏、 蛋白胨、 NaCl的成本，右邊為釀醋廢水培養(yǎng)基的成本，由上文可知，只需在釀醋廢水中添加氯化銨即可，因此其成本主要來源于氯化銨.

表 1　兩種培養(yǎng)基成本對比

由表 1 可知，以釀醋廢水作為廉價(jià)培養(yǎng)基培養(yǎng)降解煤化工廢水的微生物絮凝劑產(chǎn)生菌，培養(yǎng)成本降低了1.84 元/L.

4結(jié)論

1)從中北大學(xué)生活污水中篩選出了一株可以降解煤化工廢水的微生物絮凝劑產(chǎn)生菌，經(jīng)優(yōu)化得知： 釀醋廢水最佳體積分?jǐn)?shù)為80%，最佳碳源為淀粉，最佳氮源為氯化銨.

2) 在釀醋廢水中添加氯化銨作為廉價(jià)培養(yǎng)基，對降解煤化工廢水的微生物絮凝劑產(chǎn)生菌進(jìn)行培養(yǎng)，絮凝劑對煤化工廢水的絮凝率達(dá)92.59%，COD去除率達(dá)68.50%，色度去除率達(dá)95.60%，為煤化工廢水的后續(xù)處理創(chuàng)造了有利條件.

3) 以釀醋廢水作為廉價(jià)培養(yǎng)基不僅節(jié)約了釀醋廢水的處理成本，還使培養(yǎng)菌種的培養(yǎng)基成本降低了1.84元/L，從而實(shí)現(xiàn)了廢水的資源化利用.

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Microbial Flocculants Derived from Vinegar Wastewater for the Degradation of Coal Chemical Wastewater

FANG Ya-ling，CHAI Tao，GUO Jia-hu，WU Jie，YAN Fei-fei

(School of Chemical and Environmental Engineering，North University of China，Taiyuan 030051，China)

Abstract:With the aim of reducing the strain cultivation cost, the microbial flocculants-producing strain capable of degrading coal chemical wastewater was successfully screened from the domestic sewage by cultivating the strain using the vinegar brewing wastewater as the cheap medium. The effects of volume fraction, carbon source, and nitrogen source on the flocculation rate of coal chemical wastewater were investigated, and the cultivation cost was also analyzed. The results show that the optimum volume fraction was found to be 80%, and the best carbon source was starch with the flocculation rate reaching 91.77%.In addition, the best nitrogen source was determined as ammonium chloride with the flocculation rate being up to 92.59%. In consideration of the overall cost, the extra nitrogen source was needed to be added. Furthermore, the vinegar brewing wastewater could be used as the medium to cultivate the flocculants-producing stain with a flocculating rate of 92.59% concerning coal chemical wastewater. Meanwhile, the COD removal rate was founded to be 68.5%, the color removal rate was 95.60% and cultivation cost was reduced by 1.84 yuan/L.

Key words:vinegar wastewater； coal chemical wastewater； cheap medium； microbial flocculant

文章編號(hào):1673-3193(2016)02-0157-05

*收稿日期:2015-07-27

作者簡介：房亞玲(1990-)，女，碩士生，主要從事微生物處理廢水研究.

通信作者：柴濤(1968-)，女，教授，博士，主要從事納米材料的制備、含能材料的超細(xì)化、廢水處理等研究.

中圖分類號(hào):X703

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

doi:10.3969/j.issn.1673-3193.2016.02.011