制漿中段廢水處理優(yōu)勢菌的鑒定及其對COD去除效果的研究

黨亞攀 蘭善紅

(1.華南理工大學(xué)環(huán)境與能源學(xué)院，工業(yè)聚集區(qū)污染控制與生態(tài)修復(fù)教育部重點實驗室，廣東廣州，510006；2. 東莞理工學(xué)院生態(tài)環(huán)境與建筑工程學(xué)院，廣東東莞，523808)

·廢水處理優(yōu)勢菌·

制漿中段廢水處理優(yōu)勢菌的鑒定及其對COD去除效果的研究

黨亞攀1蘭善紅2,*

(1.華南理工大學(xué)環(huán)境與能源學(xué)院，工業(yè)聚集區(qū)污染控制與生態(tài)修復(fù)教育部重點實驗室，廣東廣州，510006；2. 東莞理工學(xué)院生態(tài)環(huán)境與建筑工程學(xué)院，廣東東莞，523808)

本實驗從制漿中段廢水的活性污泥中分離純化得到1株優(yōu)勢菌，采用MIDI Sherlock?全自動微生物鑒定系統(tǒng)鑒定為缺陷短波單胞菌。研究pH值和溫度對該優(yōu)勢菌生長曲線和對制漿中段廢水的處理效果發(fā)現(xiàn)，該缺陷型短波單胞菌在pH值5、30℃時的生長狀況最好，CODCr的去除率最高達(dá)38.5%，在pH值為6～8范圍內(nèi)對CODCr也有較好的去除效果，去除率可達(dá)30%以上。將該優(yōu)勢菌投加到好氧活性污泥系統(tǒng)中，制漿中段廢水的CODCr去除率可提高15%以上。

優(yōu)勢菌；制漿中段廢水；鑒定；生長

制漿中段廢水中由于毒性物質(zhì)較多，降解優(yōu)勢菌在污泥中難富集，導(dǎo)致微生物對廢水的處理效果差。目前對生化處理廢水的強化技術(shù)在不斷地研究中，如在好氧活性污泥系統(tǒng)中添加增強微生物生長代謝的物質(zhì)[1]，或直接在污泥系統(tǒng)中投加針對某類污染物降解的優(yōu)勢菌[2]。

目前對優(yōu)勢菌增強廢水處理的研究已取得較好的成果。Sun等人[3]將所篩選出的優(yōu)勢菌應(yīng)用于上流式厭氧污泥床與序批式污泥反應(yīng)器相結(jié)合的系統(tǒng)中，使污水的COD、總氮、氨氮等的去除率均達(dá)到95%以上。Yang等人[4]從礦山排水中進(jìn)行菌種的分離鑒定，以豐富對微生物群落的認(rèn)識，同時分析其中的優(yōu)勢菌，考察優(yōu)勢菌能否在現(xiàn)有成效的基礎(chǔ)上提高礦廠廢水的處理效果。Li等人[5]以合成PTA(對苯二甲酸)廢水為對象，在不同溫度下微生物對該廢水的處理效果進(jìn)行研究，實驗發(fā)現(xiàn)D-變形菌在所研究細(xì)菌群中，高溫時是厭氧處理的主力軍，其他溫度等條件下優(yōu)勢菌各不相同，優(yōu)勢菌的存在使特定污染物的去除量更高。孫友友等人[6]將所篩選出的多個純種菌株進(jìn)行混合，來組成復(fù)合菌群，發(fā)現(xiàn)由于優(yōu)勢菌的引入，尤其是它們在共同作用時，可以使造紙廢水的處理效果有很大提高。同樣有研究證明，與普通活性污泥工藝相比較，好氧活性污泥通過經(jīng)篩選分離獲得的優(yōu)勢菌強化后，對制漿中段廢水的處理效果明顯增強，廢水的色度以及CODCr都有明顯降低[7- 8]。

本課題組在實驗室中通過馴化獲得一株能夠降解制漿中段廢水的優(yōu)勢菌，對該優(yōu)勢菌進(jìn)行鑒定，并對其生長代謝進(jìn)行研究，以期為制漿中段廢水的強化生化處理提供良好的優(yōu)勢菌種。

1 材料與方法

1.1 廢水來源及水質(zhì)

山東某造紙廠制漿中段廢水，采用硫酸鹽法制漿；廢水絮凝后CODCr濃度為600 mg/L左右，pH值為7.0左右。以絮凝后的制漿中段廢水作為實驗廢水。

1.2 分析方法

采用精密型pH試紙對溶液pH值進(jìn)行測定；CODCr濃度采用便攜式水質(zhì)分析儀測定(DR2700，HACH，美國)；采用MIDI Sherlock?全自動微生物鑒定系統(tǒng)對分離純化的純菌落進(jìn)行鑒定，該儀器由美國MIDI公司生產(chǎn)，配套設(shè)備為安捷倫氣相色譜GC6850，該系統(tǒng)的菌庫包括TSBA6、CLIN6、BHIBLA3、ACTIN1。

1.3 實驗方法

(1)優(yōu)勢菌種的篩選及純化：將經(jīng)制漿中段廢水馴化后污泥上清液接種于牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基采用四區(qū)劃線法進(jìn)行菌種分離，在生化培養(yǎng)箱中于30℃培養(yǎng)24 h，選取其中的幾個不同的典型菌落進(jìn)一步在固體培養(yǎng)基上進(jìn)行分離純化，直至菌落為單一菌種繁殖而成為止。

(2)pH值對優(yōu)勢菌生長的影響實驗：將滅菌的制漿中段廢水按m(COD)∶m(N)∶m(P)=100∶5∶1加入N、P營養(yǎng)元素，分別加入5個已經(jīng)滅菌的錐形瓶中，每個錐形瓶中加200 mL廢水，用精密pH試紙分別調(diào)節(jié)pH值為5、6、7、8、9；挑取斜面培養(yǎng)基菌落2～3環(huán)，配制為50 mL的均勻菌液，每個錐形瓶中各自加入2 mL菌液，用滅菌棉花塞住錐形瓶，在30℃環(huán)境中震蕩，測定不同時間的OD600，得出優(yōu)勢菌在不同pH值下的生長曲線。

(3)pH值對優(yōu)勢菌處理制漿中段廢水的影響：將滅菌的制漿中段廢水(m(COD)∶m(N)∶m(P)=200∶5∶1)分別加入至5個錐形瓶中，每個錐形瓶廢水加入量為200 mL，并加入0.01 g優(yōu)勢菌種(濕)，pH值分別調(diào)節(jié)為5、6、7、8、9。在30℃下進(jìn)行曝氣，以24 h為一個周期，運行10個周期后，監(jiān)測進(jìn)出水CODCr濃度，計算CODCr去除率。

(4)溫度對優(yōu)勢菌處理制漿中段廢水影響：pH值影響實驗的基礎(chǔ)上確定的合適pH值條件下，選取10℃(代表低溫)、30℃(代表中溫)和45℃(高溫微生物生長的下限)3個溫度，實驗方法同1.3(3)，計算不同溫度下的CODCr去除率。

2 結(jié)果及討論

2.1 優(yōu)勢菌的篩選與鑒定

經(jīng)分離純化獲得一株優(yōu)勢菌，其菌落如圖1所示。該菌落為米白色，呈草帽狀，濕潤透明，呈隆起狀態(tài)，邊緣粗糙且不整齊。

圖1 牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基上的菌落

從牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基上挑取菌落，經(jīng)過涂片固定、初染、媒染、脫色及復(fù)染等染色程序，觀察其革蘭氏染色反應(yīng)，染色結(jié)果為菌體呈現(xiàn)紅色，判定為革蘭氏陰性菌。提取微生物脂肪酸，進(jìn)行鑒定[9]。鑒定結(jié)果如圖2和表1所示。

菌落中所提取的脂肪酸在系統(tǒng)的TSBA6中比對上3種菌，相似度最高的為Brevundimonas-diminuta，

圖2 脂肪酸匹配圖

菌庫(Library)相似指數(shù)(SimIndex)菌名(EntryName)TSBA66.200.683Brevundimonas-diminuta(Pseudomonasdiminuta)0.458Enterococcus-casseliflavus/gallinarum(Streptococcus)0.421Pediococcus-pentosaceus.(TSBA)

相似指數(shù)為0.683，大于0.5，鑒定結(jié)果可用。結(jié)合革蘭氏染色反應(yīng)，優(yōu)勢菌的鑒定結(jié)果為缺陷短波單胞菌。

根據(jù)伯杰氏細(xì)菌鑒定手冊[10]，缺陷短波單胞菌Brevundimonas-diminuta(Pseudomonasdiminuta)(BD)革蘭氏陰性菌，染色反應(yīng)為紅色，這與以上革蘭氏染色實驗結(jié)果一致，細(xì)菌個體短小，從形狀來看屬于桿菌類。從外觀來看，整個菌落像是一個草帽，但菌落的邊緣并不平整，菌落的中間會有一個向上凸起的弧度，菌落呈現(xiàn)出淡淡的灰白色。這與實驗中培養(yǎng)的菌落的觀察一致。這種細(xì)菌是一種較為嚴(yán)格的好氧菌，它在30℃時的生長代謝速度最快，在37℃的環(huán)境中也能生長，有些菌株甚至可以在41℃條件下生長，但是在4℃時則不會生長。

2.2 優(yōu)勢菌生長及其對廢水處理的研究

2.2.1 pH值對缺陷短波單胞菌生長的影響

除了營養(yǎng)物質(zhì)，微生物的生命活動及生長與pH值也存在著極大的關(guān)系，不同的微生物生長所要求的pH值不同。30℃時缺陷短波單胞菌在不同pH值下的生長曲線如圖3(a)所示。

圖3 不同pH值下缺陷短波單胞菌生長曲線

通過圖3(a)的生長曲線可以看出，對于缺陷短波單胞菌來說，30℃條件下，略微偏酸性的環(huán)境更加適合其生長。在pH值5的條件下，缺陷短波單胞菌經(jīng)過大約7 h的停滯期，開始大量生長，進(jìn)入對數(shù)期，在經(jīng)過26 h左右細(xì)胞數(shù)目達(dá)到最大值，此后經(jīng)過一定時間的穩(wěn)定之后，細(xì)菌數(shù)量開始緩慢下降，細(xì)菌生長進(jìn)入衰亡期。pH值6時，停滯期相對較長，大約在22 h左右才開始進(jìn)入對數(shù)生長期，但之后生長速度較為迅速，在30 h左右細(xì)菌總量已經(jīng)達(dá)到最大值，此后經(jīng)過一定的穩(wěn)定時間，細(xì)菌生長開始進(jìn)入衰亡期，菌體總量緩慢下降。在pH值7、pH值8環(huán)境中的停滯期時間大致相同，大約34 h左右，此后細(xì)菌的生長開始進(jìn)入對數(shù)生長期，大約在54～55 h左右，細(xì)菌生長總量達(dá)到最大值，此后菌體生長開始進(jìn)入停滯期，細(xì)菌總量緩慢下降。在pH值9的環(huán)境下，停滯期達(dá)到40 h左右，在第46 h時，缺陷短波單胞菌才開始大量生長，并在56 h左右菌體總量達(dá)到最大值，與pH值7、pH值8環(huán)境下達(dá)到最大值的時間大致相同，此后開始進(jìn)入細(xì)菌總量緩慢下降的衰亡期。

因為該菌在pH值5的條件下生長狀況良好，于是猜測它在pH值小于5的條件下可能也有生長，因此考察pH值小于5時的生長情況，結(jié)果如圖3(b)所示。

由圖3(b)缺陷短波單胞菌生長曲線看出，在pH值4的環(huán)境下，缺陷短波單胞菌在經(jīng)過大約58 h的停滯期后才開始進(jìn)入對數(shù)生長期，觀察生長曲線也可以看出，pH值4條件下的對數(shù)期生長速度相對于pH值5、pH值6、pH值7、pH值8和pH值9條件下的對數(shù)期的生長速度更為緩慢，而且達(dá)到菌體最大量所需要的時間更久。pH值2和pH值3的環(huán)境中，在測定生長曲線的80 h內(nèi)，細(xì)菌總量幾乎沒有變化，可以推斷缺陷短波單胞菌在pH值較低的條件下特別是pH值小于4時生長極為緩慢，或者根本不會生長。生長曲線測定結(jié)束時測定每組pH值發(fā)現(xiàn)初始設(shè)定pH值為5、6、7、8、9的5個錐形瓶溶液的pH值都接近5，初始設(shè)定pH值為2、3、4的錐形瓶中溶液的pH值幾乎沒有變化，缺陷短波單胞菌可以在生長代謝的過程中產(chǎn)生一定量的酸性物質(zhì)，導(dǎo)致溶液酸化[9]，而初始pH值為7～9時經(jīng)歷較長的延滯期后的生長，有可能是pH值已經(jīng)降低。而對pH值的監(jiān)測，也證實了這一結(jié)果。因此缺陷短波單胞菌合適的生長pH值為5左右。

2.2.2 pH值對缺陷短波單胞菌處理制漿中段廢水的影響

不同pH值條件下，缺陷短波單胞菌對制漿中段廢水CODCr的去除效果如圖4所示。

圖4 pH值對CODCr去除率的影響

通過圖4可以看出，缺陷短波單胞菌在30℃、pH值5～9對制漿中段廢水都有一定處理效果，CODCr去除率基本都在20%以上。在pH值5時的處理效果最好，CODCr去除率可達(dá)38.5%。pH值6～8時的CODCr去除效果相差不大，但是要略差于pH值5條件下的CODCr去除效果。這3個pH值條件下的最高CODCr去除率分別可以達(dá)到33.3%、31.8%、30.2%。pH值9條件下，CODCr去除率最低，為20.3%。由于缺陷短波單胞菌的產(chǎn)酸性，在pH值為6～9時，整個運行周期內(nèi)，廢水大分子有機物水解為有機酸，使系統(tǒng)中微環(huán)境pH值降低，這種行為不僅為自身生長繁殖提供了有利條件，而且增強對制漿中段廢水CODCr的降解效果。

研究表明，缺陷短波單胞菌在pH值為5～8，對多環(huán)芳烴具有較好的降解效果[11]，這與制漿中段廢水中的木素類有機物相似，該研究中適合處理廢水的pH值與本研究得到的結(jié)果相似。

綜上所述，缺陷短波單胞菌在較廣泛的初始pH值范圍內(nèi)對制漿中段廢水CODCr都有一定的去除效果，這種單一菌株在pH值5～8對制漿中段廢水均有較好的處理效果，在pH值9環(huán)境中也有一定處理效果。

2.2.3 溫度對缺陷短波單胞菌處理制漿中段廢水的影響

圖5 溫度對CODCr去除率的影響

在pH值為5時，溫度對缺陷短波單胞菌對制漿中段廢水CODCr的去除效果如圖5所示。

從圖5可以看出，缺陷短波單胞菌在30℃時對廢水的處理效果最好，CODCr去除率達(dá)37.1%，在10℃和45℃時，對CODCr也有一定去除，但去除率不太高，10℃為9.11%，45℃為19.9%，這是因為溫度過低或者過高影響了微生物體內(nèi)的酶的活性，導(dǎo)致相同時間去除的CODCr的量減少。因此，缺陷短波單胞菌的最適溫度應(yīng)在30℃左右，這與伯杰氏鑒定手冊中所述的缺陷短波單胞菌的生長溫度一致。而在高溫時的降解效果明顯高于低溫，在伯杰氏鑒定手冊中描述缺陷短波單胞菌能在高達(dá)41℃條件下正常生長代謝，而在45℃下盡管抑制微生物生長代謝，但偏離41℃不太大，因此CODCr去除率也不太低。

2.3 缺陷短波單胞菌強化好氧活性污泥處理制漿中段廢水的研究

將缺陷短波單胞菌制成菌粉，加入經(jīng)制漿中段廢水馴化的好氧活性污泥系統(tǒng)中，加入量為0.1 g/L，考察優(yōu)勢菌對好氧活性污泥處理制漿中段廢水的強化作用，并以不加優(yōu)勢菌的好氧活性污泥系統(tǒng)作為對照，結(jié)果如圖6所示。

圖6 優(yōu)勢菌對好氧活性污泥處理制漿中段 廢水的強化效果

由圖6可以看出，缺陷短波單胞菌的加入可以提高好氧活性污泥降解制漿中段廢水的效果，CODCr去除率提高15%以上。在運行的10個周期內(nèi)，作為對照的好氧活性污泥系統(tǒng)CODCr去除率波動幅度較大，添加優(yōu)勢菌后，CODCr去除率在86.9%～89.2%之間，波動幅度很小。表明缺陷短波單胞菌不僅可以強化好氧活性污泥處理制漿中段廢水，而且可以起到穩(wěn)定出水水質(zhì)的作用。

3 結(jié) 論

(1)從實驗室經(jīng)制漿中段廢水的活性污泥中分離純化獲得1株優(yōu)勢菌，通過MIDI Sherlock?全自動微生物鑒定系統(tǒng)鑒定為缺陷短波單胞菌。

(2)缺陷短波單胞菌生長的最適pH值為5，在該條件下，對制漿中段廢水的處理效果最好，CODCr的去除率最高可達(dá)38.5%。在溫度30℃時，該優(yōu)勢菌對制漿中段廢水處理效果最好，溫度偏高或偏低，處理效果下降，但高溫效果優(yōu)于低溫效果。

(3)缺陷短波單胞菌可強化好氧活性污泥處理制漿中段廢水的效果，且具有穩(wěn)定出水水質(zhì)的作用。

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(責(zé)任編輯：馬 忻)

Identification, Growth and COD Removal Efficiency of a Preponderant Bacterium for Degradation of Pulping Effluent

DANG Ya-pan1LAN Shan-hong2，*

(1.SchoolofEnvironmentandEnergy,TheKeyLabofPollutionControlandEcosystem,RestorationinIndustryClustersofMinistryofEducation,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou,GuangdongProvince, 510006;2.SchoolofEnvironmentandCivilEngineering,DongguanUniversityofTechnology,Dongguan,GuangdongProvince, 523808)

(*E-mail: llsshhh@163.com)

In this paper, a purified strain was isolated from activated sludge of pulping effluent, which was identified asBrevundimonasdiminutaby MIDI Sherlock?automatic Microbial Identification System. Effect of pH and temperature on the growth curve of the preponderant bacterium the degradation efficiency of pulping effluent were studied. The experimental results showed that the removal efficiency of COD was the best when pH was 5 at the temperature of 30℃. COD removal efficiency reached 38.5%. The removal efficiency also reached a significant level when pH was 6～8, reached up to 30%. The treatment efficiency of pulping effluent by the aerobic activated sludge system increased by more than 10% in the presence ofBrevundimonasdiminuta.

preponderant bacteria; pulping effluent; identification; growth

黨亞攀先生，在讀碩士研究生；主要從事水處理技術(shù)研究工作。

2016- 12- 19(修改稿)

廣東省教育廳自然科學(xué)項目(2015KTSCX140)；2016年大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃省級項目(201611819053)。

X793

A

10.11980/j.issn.0254- 508X.2017.03.007

*通信作者：蘭善紅，教授；研究方向：水處理技術(shù)以及絮凝吸附材料合成等。