淀粉廢水生產(chǎn)微生物絮凝劑及發(fā)酵動力學(xué)特征

郭俊元，張宇哲，趙 凈 （成都信息工程大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，四川 成都 610225）

淀粉廢水生產(chǎn)微生物絮凝劑及發(fā)酵動力學(xué)特征

郭俊元*，張宇哲，趙 凈 （成都信息工程大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，四川 成都 610225）

以淀粉生產(chǎn)廢水為原料制備微生物絮凝劑，考察了外加磷酸鹽、氮源對微生物絮凝劑產(chǎn)量和絮凝活性的影響，分析了絮凝菌的生長與代謝特征，檢測了發(fā)酵過程中pH值、COD、氨氮、及總磷的變化規(guī)律，分別利用Logistic和Luedeking-Piret模型對絮凝菌生長和代謝產(chǎn)物生成的動力學(xué)過程進(jìn)行了擬合，并探索了微生物絮凝劑對淀粉廢水的絮凝沉降性能.結(jié)果表明，外加 6g/L的磷酸鹽（K2HPO4：KH2PO4=2：1，w/w）和2g/L的尿素，所制備微生物絮凝劑的產(chǎn)量和絮凝活性分別顯著提高至0.96g/L和92.8%.在對數(shù)生長期，菌體干重、細(xì)胞濃度OD600和菌落數(shù)分別迅速增加至1.58g/L、0.86和5.3×107cfu/mL，淀粉廢水培養(yǎng)基的COD、氨氮、總磷分別由7836、975、712mg/L迅速降低至1736、188、146mg/L. 絮凝菌發(fā)酵結(jié)束后， 發(fā)酵培養(yǎng)基的pH值由6.8略降至6.5.絮凝菌代謝獲得的微生物絮凝劑中多糖含量為96.2%，基本不含蛋白質(zhì).Logistic和 Luedeking-Piret模型的擬合結(jié)果能夠較好地描述絮凝菌生長和代謝產(chǎn)物生成的動力學(xué)過程.此外，本實驗制備的微生物絮凝劑在投加量為30mg/L時，能夠去除淀粉廢水中48.6%的COD和71.9%的濁度.

淀粉廢水；微生物絮凝劑；生長曲線；發(fā)酵動力學(xué)

絮凝技術(shù)是國內(nèi)外常用的一種提高水質(zhì)處理效率的方法，技術(shù)核心是絮凝劑，與常規(guī)使用的聚合氯化鋁（PAC）、聚丙烯酰胺（PAM）、聚合氯化鐵（PFS）等相比，微生物絮凝劑具有高效、易降解和環(huán)境友好等優(yōu)點，能夠最大限度地避免二次污染問題［1-4］.目前，微生物絮凝劑已逐步應(yīng)用于畜產(chǎn)廢水、印染廢水、食品加工廢水、重金屬廢水等的處理，但制備成本高制約著其推廣應(yīng)用［5-7］.以富含有機物或氮磷營養(yǎng)鹽的廢水或廢棄物為原料生產(chǎn)微生物絮凝劑，是降低制備成本的有效途徑，例如：More［8］、Sun［9］等利用污泥制備生物制劑，以實現(xiàn)降低制備成本的目的.本文作者也曾以剩余污泥制備微生物絮凝劑，并分析了其有效成分［10］.目前對于微生物絮凝劑的制備、成分分析、及其在廢水中應(yīng)用等的研究，取得了極大的進(jìn)展.然而，對于培養(yǎng)基各成分在微生物代謝生成絮凝劑過程中的貢獻(xiàn)、微生物生長和代謝過程之間的動力學(xué)關(guān)系等的研究非常缺乏［11-13］.

實驗采用富含有機質(zhì)的淀粉生產(chǎn)廢水為原料制備微生物絮凝劑，考察絮凝菌發(fā)酵過程中菌體濃度、代謝產(chǎn)物濃度、基質(zhì)濃度、pH值等的變化規(guī)律，利用Logistic和Luedeking-Piret模型對絮凝菌生長和代謝產(chǎn)物生成的動力學(xué)過程進(jìn)行擬合，以期制定最佳的控制策略，為菌株發(fā)酵過程的優(yōu)化提供先決條件，為提高經(jīng)濟效益和實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)提供理論基礎(chǔ).

1 材料與方法

1.1 實驗材料

1.1.1 實驗試劑配制 高嶺土（分析純，天津恒興化學(xué)試劑制造公司），配制 4g/L的懸濁液.NaOH和 HCl（分析純，天津大茂化學(xué)試劑廠）均配制1mol/L的溶液.

1.1.2 微生物菌株和微生物絮凝劑 實驗所用菌株為紅平紅球菌（Rhodococcus erythropolis），保藏于中國典型微生物保藏中心（No.10543）.微生物絮凝劑是菌株利用淀粉生產(chǎn)廢水發(fā)酵制備，廢水水質(zhì)如表1所示：

表1 淀粉廢水水質(zhì)Table 1 Water quality of the potato starch wastewater

微生物絮凝劑的制備包括種子培養(yǎng)和發(fā)酵培養(yǎng).種子培養(yǎng)基：蒸餾水1L、葡萄糖20g、酵母粉5g、牛肉膏2g、硫酸鎂2g、氯化鈉10g、pH=7.挑取少許菌至種子培養(yǎng)基中，于發(fā)酵溫度35℃、搖床速度150r/min下培養(yǎng)得種子液.將種子液以2%（V/V）的接種量接種至淀粉廢水培養(yǎng)基中，相同條件下發(fā)酵 72h得到發(fā)酵液.發(fā)酵液于6000r/min、4℃條件下離心 10min，收集上清液，與兩倍體積的丙酮充分混合，24h后采用相同條件進(jìn)行離心提純，將離心后獲得的沉淀物真空干燥，獲得微生物絮凝劑.

1.2 實驗方法

1.2.1 微生物菌株生長量和菌落數(shù)的測定 實驗采用比濁法測定菌體細(xì)胞密度，實驗過程中，以未接種的發(fā)酵培養(yǎng)基（采用相同的手段進(jìn)行滅菌和發(fā)酵培養(yǎng)）作為對照組，對不同發(fā)酵階段的發(fā)酵液，使用分光光度計測定波長600nm處的OD值，以反應(yīng)本文微生物菌株的細(xì)胞數(shù)量.菌落數(shù)則是采用平板計數(shù)法進(jìn)行計數(shù).

1.2.2 絮凝率的測定 1.0L高嶺土懸液（4g/L）中加入0.5g CaCl2溶液作為助凝劑，再加入2mL發(fā)酵液，常溫條件下，快速攪拌1min （180r/min），慢速攪拌4min （80r/min），靜置10min，取上清液，使用分光光度計測定波長 550nm處的 OD值（OD550），同時以未接種的培養(yǎng)基作對照.計算公式如下：

式中：FR為絮凝率；A為絮凝后高嶺土懸液的OD550；B為高嶺土原懸濁液的OD550.

1.2.3 微生物絮凝劑成分檢測 本實驗所制備的微生物絮凝劑其多糖含量采用苯酚—硫酸法測定，蛋白質(zhì)含量采用考馬斯亮藍(lán)法測定［14-15］.

1.2.4 發(fā)酵動力學(xué) Logistic動力學(xué)方程能夠反應(yīng)菌株生長過程中因菌體濃度的增加對自身生長的抑制作用，常用來表述菌株生長的動力學(xué)過程［16-17］.Logistic方程如下：

式中：X（t）為不同發(fā)酵時間的菌株濃度，g/L；X0為發(fā)酵初始菌株濃度，g/L；Xm為最大菌株濃度，g/L；t為發(fā)酵時間，h；μm為最大比生長速率，h-1.

Luedeking-Piret方程描述發(fā)酵過程中菌株生長和代謝產(chǎn)物生成之間的3種關(guān)系.①相關(guān)：代謝產(chǎn)物的生成伴隨著菌株生長，而且在菌株生長開始就有代謝產(chǎn)物生成，菌株生長進(jìn)入穩(wěn)定期后代謝產(chǎn)物的活性和生成量也達(dá)到最大，如寄生曲霉菌［7］；②部分相關(guān)：菌株生長階段并無代謝產(chǎn)物生成，代謝產(chǎn)物是在菌株生長穩(wěn)定期產(chǎn)生的，如地衣芽孢桿菌［18］；③不相關(guān).如式（3）所示：當(dāng)m1≠0、m2=0時，產(chǎn)物生成和菌株生長之間相關(guān)；當(dāng)m1≠0、m2≠0時，產(chǎn)物生成和菌株生長之間部分相關(guān)；當(dāng)m1=0、m2≠0時，表示產(chǎn)物生成和菌株生長之間不相關(guān).

式中：P為絮凝劑產(chǎn)量，g/L；m1和m2分別是與菌株生長和菌株濃度相關(guān)的參數(shù).

1.2.5 微生物絮凝劑絮凝沉降淀粉廢水 1L淀粉廢水中依次投加 0.5g CaCl2和一定量的微生物絮凝劑，常溫條件下200r/min攪拌10min，靜沉30min，取上清液，檢測其中的 COD濃度和濁度，從而明確微生物絮凝劑對淀粉廢水的絮凝沉降性能及其最佳使用量.相同條件下，分別研究0.5g CaCl2和上述最佳使用量的微生物絮凝劑單獨處理淀粉廢水的效果.

1.2.6 分析方法 根據(jù)《水和廢水監(jiān)測分析方法（第四版）》［19］，COD濃度采用重鉻酸鉀法測定；氨氮采用水楊酸-次氯酸鹽光度法測定；總磷采用鉬銻抗分光光度法測定；pH值采用多功能pH計（DELTA320A）檢測.

2 結(jié)果與討論

2.1 微生物絮凝劑的制備

2.1.1 外加磷酸鹽對制備微生物絮凝劑的影響研究表明，適量的磷酸鹽有利于微生物發(fā)酵產(chǎn)生絮凝劑［20］.由圖1可知，微生物絮凝劑的產(chǎn)量和絮凝活性均隨著磷酸鹽的增加呈先上升后下降趨勢，磷酸鹽（K2HPO4：KH2PO4=2：1，w/w）濃度為6g/L時，絮凝劑產(chǎn)量和絮凝率分別達(dá)到最大值（0.75g/L和78.4%）.磷酸鹽濃度較低時，不足以提供微生物細(xì)胞合成核酸、磷脂等含磷化合物所需的重要元素；過高的磷酸鹽含量則會抑制微生物細(xì)胞外多糖的分泌，從而降低發(fā)酵液的黏度、活性、產(chǎn)量［21］.整體而言，與不添加磷酸鹽的淀粉廢水培養(yǎng)基所制備得到的絮凝劑相比（絮凝劑產(chǎn)量和絮凝率分別為0.12g/L和66.8%），添加磷酸鹽后，絮凝劑產(chǎn)量和絮凝活性均有提高，說明磷酸鹽可以促進(jìn)微生物絮凝劑產(chǎn)量的提高和絮凝活性的表達(dá).

圖1 外加磷酸鹽對微生物絮凝劑產(chǎn)量和絮凝率的影響Fig.1 Effects of extra phosphate salts on bioflocculant yields and its flocculating activities

2.1.2 外加碳源對制備微生物絮凝劑的影響實驗過程中，種子培養(yǎng)基中的碳源主要由葡萄糖提供，葡萄糖的濃度為 20g/L，采用《水和廢水監(jiān)測分析方法（第四版）》［19］中的重鉻酸鉀法測定得知，種子培養(yǎng)基中COD濃度約為17410mg/L，高于淀粉廢水發(fā)酵培養(yǎng)基中 COD的濃度7836mg/L.由此，開展了外加碳源對微生物絮凝劑及其絮凝率的影響研究，淀粉廢水中添加不同濃度的葡萄糖、蔗糖、水溶性淀粉、乙醇、甲醇，使得淀粉廢水發(fā)酵培養(yǎng)基中COD濃度達(dá)到與種子培養(yǎng)基中的17410mg/L一致后，按照2%（V/V）的接種量接種種子液，于發(fā)酵溫度35℃、搖床速度150r/min下發(fā)酵72h得到發(fā)酵液，按照1.1.2中的方法提取微生物絮凝劑，并按照1.2.2中的方法檢測其對高嶺土懸液的絮凝率.結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與未添加碳源的0.75g/L和78.4%相比，添加不同碳源后的淀粉廢水發(fā)酵培養(yǎng)基所制備的微生物絮凝劑及其絮凝活性的增加幅度分別僅為 0.7%～1.1%和1.3%～2.1%，考慮到經(jīng)濟成本，實驗制備微生物絮凝劑的過程中無需外加碳源.

2.1.3 外加氮源對制備微生物絮凝劑的影響由2.1.2可知，淀粉廢水發(fā)酵培養(yǎng)基中的有機質(zhì)足夠滿足微生物的增殖和代謝.然而，由淀粉廢水水質(zhì)可知，氮源的含量較低.因此，本實驗研究了外加氮源對微生物絮凝劑制備的影響.由圖2可知，分別添加2g/L的（NH4）2SO4、牛肉膏、尿素等無機或有機氮源，所制備的微生物絮凝劑其產(chǎn)量和絮凝活性均有所提高，說明上述氮源均有助于微生物的發(fā)酵及絮凝劑的積累，外加2g/L的尿素后，所制備的微生物絮凝劑其產(chǎn)量和絮凝活性分別增加到0.96g/L和92.8%.Li等［18］的研究也顯示出氮源對于微生物絮凝劑制備的不可或缺.

圖2 外加氮源對微生物絮凝劑產(chǎn)量和絮凝率的影響Fig.2 Effects of extra nitrogen sources on bioflocculant yields and its flocculating activities

綜上所述，本實驗需在淀粉廢水中外加6g/L的磷酸鹽（K2HPO4：KH2PO4=2：1，w/w）和2g/L的尿素，以提高微生物絮凝劑的絮凝活性和產(chǎn)量，在此條件下，淀粉廢水發(fā)酵培養(yǎng)基中COD、氨氮、總磷的濃度分別為7836、975、712mg/L，pH基本沒有變化.

2.2 生長曲線

由圖3可知，6～60h是菌株對數(shù)生長期，能充分利用淀粉廢水中豐富的有機物及外加的氮磷生長，菌體干重、細(xì)胞濃度 OD600和菌落數(shù)分別持續(xù)增加至1.58g/L、0.86和5.3×107cfu/mL.菌株在 78h進(jìn)入衰亡期，菌體干重和細(xì)胞濃度 OD600依然有所增加，菌落數(shù)則逐漸減少.菌體干重的增加是由于其中不僅包含活菌，還包含死亡的菌；OD600的上升趨勢則歸因于絮凝菌死亡引起的濁度增加；菌落數(shù)降低是由于其表述的是發(fā)酵過程中的活菌數(shù)，因此，菌落數(shù)的變化能夠反應(yīng)細(xì)菌在發(fā)酵過程中的真實生長趨勢［21］.

圖3 菌株的生長曲線Fig.3 Growth curve of the strain

圖4 菌株生長與微生物絮凝劑生產(chǎn)的關(guān)系Fig.4 Relations between cell growth and bioflocculant production

由圖4可知，實驗過程中，微生物絮凝劑的積累基本上是伴隨著菌株生長過程的，絮凝劑產(chǎn)量隨著培養(yǎng)時間的延長迅速增加至峰值 0.97g/L（60h），其對高嶺土懸液的絮凝率亦達(dá)到最大（93.1%）.菌株進(jìn)入衰亡期后，絮凝劑的產(chǎn)量繼而降低，培養(yǎng)時間延長至90h時，微生物絮凝劑的產(chǎn)量隨之降低至約 0.77g/L，在衰亡期，絮凝劑產(chǎn)量的減少，可能與菌體細(xì)胞自溶和酶活性的降低有關(guān)［22］.上述結(jié)果說明代謝產(chǎn)物的生成和菌株生長之間的關(guān)系屬于相關(guān)型.

2.3 發(fā)酵過程參數(shù)分析

由圖 5可知，菌株處于對數(shù)生長期時，淀粉廢水發(fā)酵培養(yǎng)基中 COD和氨氮含量分別從7836、975mg/L迅速降低至1736、188mg/L.穩(wěn)定期后期，COD和氨氮含量緩慢減少，并維持在低水平，這是由于在對數(shù)生長期，菌體對有機物和氮源的利用速率較快.衰亡期（78～90h）氨氮含量有著緩慢回升的趨勢，是由于菌體細(xì)胞大量死亡及菌體自溶致使胞內(nèi)蛋白釋放到培養(yǎng)基中的緣故［20］.

由圖6可知，當(dāng)?shù)矸蹚U水發(fā)酵培養(yǎng)基中分別添加牛肉膏、尿素、（NH4）2SO4作為氮源時，在發(fā)酵過程中，均會有很少量的 NO3-產(chǎn)生，NO3

-的最大產(chǎn)生量為 7.5mg/L，同時實驗還發(fā)現(xiàn)，發(fā)酵過程中，發(fā)酵培養(yǎng)基中幾乎沒有NO2-產(chǎn)生.

圖5 淀粉廢水培養(yǎng)基COD、氨氮隨菌株生長的變化Fig.5 Changes of COD and ammonium of the potato starch wastewater medium with cell growth

圖6 發(fā)酵過程中硝酸鹽含量的變化Fig.6 Changes of NO3-during the fermentation process

由圖7可知，菌株處于對數(shù)生長期時，總磷的含量迅速減少至 146mg/L.菌株穩(wěn)定期內(nèi)總磷含量緩慢減少，衰亡期（78～90h）總磷含量繼續(xù)下降，說明菌體在對數(shù)生長期利用磷源的速率較快，磷不僅被菌株同化成為細(xì)胞組分，而且參與代謝過程中的磷酸化作用，用于貯存能量.微生物絮凝劑制備過程中，磷酸鹽不止提供生物生長所需磷元素，而且可調(diào)節(jié)發(fā)酵過程中pH值的變化.圖7中pH值先上升后下降，上升是由于絮凝菌生長和代謝過程中消耗了培養(yǎng)基中的酸性多糖類物質(zhì)；隨著菌體進(jìn)入穩(wěn)定期，pH值略有下降，這是由于絮凝菌以有機物氧化分解的中間代謝產(chǎn)物為最終電子受體進(jìn)行發(fā)酵，產(chǎn)生有機酸等物質(zhì)，導(dǎo)致了pH值的下降［21］.但整體而言，pH值變化并不顯著，維持在6.4～7.0之間，這歸因于磷酸鹽的調(diào)節(jié)作用［20］.培養(yǎng)基中H+濃度增加時，與弱堿性鹽（K2HPO4）結(jié)合形成弱酸性化合物，培養(yǎng)基 pH值不會過度降低；相反，pH值也不會過度升高.事實上，與發(fā)酵前發(fā)酵培養(yǎng)基的pH值6.8相比，發(fā)酵結(jié)束后， pH值略降至6.5.

圖7 淀粉廢水培養(yǎng)基總磷、pH值隨菌株生長的變化Fig.7 Changes of TP and pH value of the potato starch wastewater medium with cell growth

2.4 發(fā)酵動力學(xué)特征

發(fā)酵過程中，X0=0.02g/L，Xm=1.72g/L.對式（2）進(jìn)行非線性擬合（圖 8），得知 μm=0.125.從而得到菌株生長動力學(xué)方程：

由圖8可知，計算值和實測值之間的擬合度R2=0.99847＞0.90，說明該方程能夠較好地擬合實驗數(shù)據(jù)，并準(zhǔn)確地描述菌株的生長過程.

圖8 菌株生長動力學(xué)模型擬合曲線Fig.8 Fitting curves of cell growth kinetics of the strain

由于菌株發(fā)酵過程中代謝產(chǎn)物的生成和菌株生長之間相關(guān)（m2=0），因此，菌株產(chǎn)絮凝劑的動力學(xué)研究主要集中在生長期和穩(wěn)定期.對式（3）兩邊求導(dǎo)，整理后得出：

對式（5）進(jìn)行非線性擬合（圖9），知m1=0.628.從而得到絮凝劑生產(chǎn)動力學(xué)方程：

圖9 微生物絮凝劑生產(chǎn)動力學(xué)模型擬合曲線Fig.9 Fitting curves of bioflocculant production kinetics

由圖9可知，計算值和實測值之間的擬合度R2=0.99544＞0.90，說明該方程能夠較好地擬合實驗數(shù)據(jù)，并準(zhǔn)確地描述菌株產(chǎn)絮凝劑的動力學(xué)過程.

2.5 微生物絮凝劑成分分析及絮凝機理初探

通過苯酚—硫酸法和考馬斯亮藍(lán)法檢測，發(fā)現(xiàn)本實驗所制備的微生物絮凝劑中多糖含量為96.2%，基本不含蛋白質(zhì)，初步說明本實驗所制備的微生物絮凝劑其主要活性成分為多糖類物質(zhì)，而非蛋白質(zhì).為進(jìn)一步驗證微生物絮凝劑的活性成分，實驗分別研究了糖化酶（糖原磷酸化酶）、糖苷酶和蛋白酶對其絮凝活性的影響.實驗結(jié)果表明，經(jīng)胃蛋白酶、胰蛋白酶催化水解30min后，絮凝活性保留了原來的 99.5%左右，而胃蛋白酶、胰蛋白酶本身不具備絮凝活性，說明本實驗所制備的微生物絮凝劑表達(dá)絮凝活性的不是蛋白質(zhì)類物質(zhì)；經(jīng)過糖苷酶處理30min后，發(fā)現(xiàn)絮凝活性沒有降低或消失，而糖苷酶本身不具備絮凝活性，說明本實驗所制備的微生物絮凝劑表達(dá)絮凝活性的成分中不含有糖蛋白類物質(zhì)經(jīng)過淀粉酶、纖維素酶和糖化酶處理30min后，絮凝活性均下降到 12.6%以下，而淀粉酶、纖維素酶和糖化酶本身不具備絮凝活性，說明本實驗所制備的微生物絮凝劑表達(dá)絮凝活性的是糖類物質(zhì).由此，進(jìn)一步說明本實驗所制備的微生物絮凝劑其主要活性成分為多糖類物質(zhì).

實驗繼而采用紅外光譜分析手段檢測了微生物絮凝劑的特征功能基團，3400～3500cm-1內(nèi)的吸收峰是—OH和NH2伸縮振動，其中3430cm-1處的吸收峰是羥基中的—OH［23］；1632cm-1處的吸收峰為—COO-反對稱伸縮振動；1400cm-1處的吸收峰是—COO-對稱伸縮振動［1］；1080和 545cm-1處的吸收峰為C—O的伸縮振動［24］.上述功能基團均是糖類物質(zhì)的特征基團.因此，本實驗所制備的微生物絮凝劑其主要活性成分為多糖類物質(zhì).本文作者曾采用相同的菌株，以剩余污泥和豬場廢水為基質(zhì)制備微生物絮凝劑，其主要成分為蛋白質(zhì)類物質(zhì)，這可能是由于不同的營養(yǎng)成分和生物-物理環(huán)境所導(dǎo)致的［10］.

由2.1.3可知，當(dāng)助凝劑CaCl2（0.5g/L）存在時，微生物絮凝劑對高嶺土懸液的絮凝率可達(dá)到92.8%，Ca2+通過庫侖引力將帶負(fù)電荷的高嶺土顆粒拉近，并與之形成Ca2+—膠體顆粒結(jié)合物，進(jìn)而減小了膠體顆粒的擴散雙電層的厚度，拉近了膠體顆粒之間的距離，微生物絮凝劑像一種橋接劑，主要通過其功能基團和 Ca2+之間的離子鍵將兩個或兩個以上的 Ca2+—膠體顆粒結(jié)合物吸附到絮凝劑高分子鏈上，從而完成了膠體顆粒的絮凝.Ca2+—膠體顆粒結(jié)合物吸附到一條微生物絮凝劑分子鏈上的同時，可以吸附到其它微生物絮凝劑分子鏈上，進(jìn)而生成一種三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的絮凝體，絮凝體在迅速沉降的過程中快速網(wǎng)捕和卷掃膠體顆粒，最終達(dá)到理想的絮凝效果.

2.6 微生物絮凝劑處理淀粉廢水的性能

以本實驗中的淀粉廢水為處理對象，探討了本實驗所制備的微生物絮凝劑對淀粉廢水的絮凝沉降，結(jié)果如圖10所示.

圖10 微生物絮凝劑絮凝沉降淀粉廢水Fig.10 Effects of bioflocculant on settlement of potato starch wastewater

保持淀粉廢水 pH不變的前提下，在助凝劑CaCl2（0.5g/L）存在時，當(dāng)微生物絮凝劑投加量由10mg/L增加至30mg/L時，淀粉廢水中COD和濁度的去除率迅速增加至 48.6%和 71.9%，繼續(xù)增加微生物絮凝劑，對于 COD和濁度去除的促進(jìn)作用則變得不明顯.然而，在相同條件下，僅0.5g/L的CaCl2處理淀粉廢水時，淀粉廢水中COD和濁度的去除率為11.3%和19.5%；在相同條件下，僅30mg/L的微生物絮凝劑處理淀粉廢水時，淀粉廢水中COD和濁度的去除率為29.1%和42.4%.由此說明，Ca2+能夠顯著促進(jìn)微生物絮凝劑絮凝沉降淀粉廢水.

3 結(jié)論

3.1 淀粉廢水培養(yǎng)基中外加 6g/L的磷酸鹽（K2HPO4：KH2PO4=2：1，w/w）和2g/L的尿素，所制備微生物絮凝劑的產(chǎn)量和絮凝活性分別顯著提高至0.96g/L和92.8%.

3.2 菌株發(fā)酵過程中， 淀粉廢水培養(yǎng)基的COD、氨氮、總磷迅速由7836、975、712mg/L降低至 1736、188、146mg/L. 絮凝菌發(fā)酵結(jié)束后， 發(fā)酵培養(yǎng)基的pH值由6.8略降至6.5.

3.3 Logistic和 Luedeking-Piret模型分別能夠較準(zhǔn)確地模擬菌株生長過程和菌株產(chǎn)絮凝劑的動力學(xué)過程.

3.4 絮凝菌代謝獲得的微生物絮凝劑中多糖含量為96.2%，基本不含蛋白質(zhì).

3.5 在助凝劑CaCl2（0.5g/L）存在時，微生物絮凝劑體現(xiàn)出了對淀粉廢水較好的絮凝沉降性能，當(dāng)微生物絮凝劑投加量為 30mg/L時，淀粉廢水中COD和濁度的去除率分別達(dá)到48.6%和71.9%.

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《中國環(huán)境科學(xué)》獲評“2014中國最具國際影響力學(xué)術(shù)期刊”

2014年12月，中國環(huán)境科學(xué)學(xué)會主辦的《中國環(huán)境科學(xué)》被評為“2014中國最具國際影響力學(xué)術(shù)期刊”.

“中國最具國際影響力學(xué)術(shù)期刊”是《中國學(xué)術(shù)期刊（光盤版）》電子雜志社有限公司、清華大學(xué)圖書館、中國學(xué)術(shù)國際評價研究中心對我國5600余種中外文學(xué)術(shù)期刊，根據(jù)總被引頻次、影響因子、被引半衰期等計算出的國際影響力綜合評價指標(biāo)CI進(jìn)行排序，遴選出的排名前5%的期刊.獲評“中國最具國際影響力學(xué)術(shù)期刊”的科技類期刊共175種.

自2012年開始此項評選以來，《中國環(huán)境科學(xué)》已連續(xù)3年獲此殊榮.

《中國環(huán)境科學(xué)》編輯部

Production and fermentation kinetics characteristics of a bioflocculant by using potato starch wastewater.

GUO Jun-yuan*， ZHANG Yu-zhe， ZHAO Jing （College of Resources and Environment， Chengdu University of Information Technology， Chengdu 610225， China）. China Environmental Science， 2016，36（9）：2681～2688

Potato starch wastewater was used for bioflocculant-producing bacteria Rhodococcus erythropolis to produce bioflocculant. Effects of extra phosphate and nitrogen in potato starch wastewater medium on bioflocculant yield and its flocculating activity were discussed. In addition， solution pH values and concentrations of COD， ammonium， and total phosphorus （TP） in the fermentation process were examined， and growth and producing kinetics of the bacteria were described by using Logistic and Luedeking-Piret models. Furthermore， settlement of the potato starch wastewater by this bioflocculant was investigated. The bioflocculant yield and its flocculating activity increased to 0.96g/L and 92.8% when the extra phosphate （K2HPO4： KH2PO4= 2：1， w/w） and nitrogen were adjusted to 6g/L and 2g/L， respectively. During the logarithm phase， cell dry weight， cell density OD600， and the number of colonies were increased to 1.58g/L， 0.86 and 5.3×107cfu/mL， respectively. Concentrations of COD， ammonium， and TP of the potato starch medium were consumed rapidly from 7836， 975， and 712mg/L to 1736， 188， and 146mg/L， respectively. After the fermentation， pH value of the potato starch medium was slightly decreased to 6.5. The bioflocculant obtained during the strain’s metabolism mainly contained 96.2% of polysaccharide， and there was almost no protein. Cell growth and bioflocculant production could be simulated with both the Logistic and Luedeking-Piret equations pretty well. Furthermore， when the bioflocculant dose was adjusted to 30mg/L， it can remove 48.6% of COD and 71.9% of turbidity from the potato starch wastewater in this study.

potato starch wastewater；bioflocculant；growth curve；fermentation kinetics

X703.1

A

1000-6923（2016）09-2681-08

2016-01-29

國家自然科學(xué)基金資助（項目批準(zhǔn)號：51508043）；四川省科技廳應(yīng)用基礎(chǔ)項目（2016JY0015）；成都市科技局科技惠民技術(shù)研發(fā)項目（2015-HM01-00149-SF）；成都信息工程大學(xué)中青年學(xué)術(shù)帶頭人科研人才基金資助（J201515）

* 責(zé)任作者， 講師， gjy@cuit.edu.cn

郭俊元（1985-），男，山西人，講師，博士，主要從事水污染控制工程與資源化研究和環(huán)境微生物技術(shù)研究.發(fā)表論文10余篇.