微生物絮凝劑在制酒廢水處理方面的研究進(jìn)展

刁 歡，李呂木

（1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)，安徽合肥230088； 2.安徽新華學(xué)院，安徽合肥230088）

微生物絮凝劑在制酒廢水處理方面的研究進(jìn)展

刁 歡1，2，李呂木1

（1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)，安徽合肥230088； 2.安徽新華學(xué)院，安徽合肥230088）

微生物絮凝劑應(yīng)用范圍越來越廣，在制酒領(lǐng)域的研究也逐漸增多。本文綜述了微生物絮凝劑的絮凝機(jī)理、制酒廢水的絮凝菌種以及微生物絮凝劑分別在啤酒廢水、白酒廢水、糖蜜酒精廢水中的應(yīng)用研究進(jìn)展。

微生物絮凝劑； 制酒廢水； 研究進(jìn)展

目前，我國酒精生產(chǎn)企業(yè)有千余家，制酒廢水主要來自于生產(chǎn)過程中酒精蒸餾后產(chǎn)生的廢水、生產(chǎn)設(shè)備的洗滌水、沖洗水，以及復(fù)雜生產(chǎn)過程中的冷卻水等，廢水年產(chǎn)量超過400萬t。酒精廢水基本都是高濃度、高酸度的有機(jī)廢水，對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重，其COD濃度高達(dá)50000 mg/L，懸浮物SS達(dá)10000 mg/L，總氮濃度高于1000 mg/L，且大多數(shù)制酒廢水中的SS顆粒細(xì)小、致密、黏度大，處理難度較大。若直接進(jìn)行廢水的厭氧處理，容易造成厭氧污泥流失；若直接排放周邊，會(huì)加速周邊水體富營養(yǎng)化，污染地下飲用水，以及破壞水體生態(tài)系統(tǒng)；酒精行業(yè)的廢水污染已經(jīng)成為酒精生產(chǎn)企業(yè)的大難題。因酒精廢水妥善處理要求資金投入大、技術(shù)管理嚴(yán)格、設(shè)備規(guī)模較大等原因，所以多數(shù)酒精企業(yè)對(duì)其廢水的回收利用率很低。如何高效、經(jīng)濟(jì)的處理酒精廢水，已成為環(huán)保行業(yè)重要課題。

在制酒廢水處理中，絮凝沉淀法工藝簡單、成本低且應(yīng)用普遍。絮凝劑的有效開發(fā)與利用是關(guān)鍵。絮凝劑主要分為無機(jī)、有機(jī)和微生物絮凝劑[1]。制酒工業(yè)現(xiàn)有廢水處理工藝主要是采用無機(jī)化學(xué)絮凝劑與氣浮等廢水處理專業(yè)設(shè)備、裝置相結(jié)合的模式，具有低成本、高效率特點(diǎn)，是目前應(yīng)用比較廣泛的處理模式。但常用的化學(xué)絮凝劑易殘留，且殘留單體（如丙烯酰胺）為神經(jīng)性致毒劑，可能引起神經(jīng)毒性和癌癥，中毒后會(huì)呈現(xiàn)肌體無力、運(yùn)動(dòng)失調(diào)等不良癥狀[2-4]。安全、無毒、高效、無二次污染、可降解的“綠色”微生物絮凝劑越來越被關(guān)注。

微生物絮凝劑（microbial flocculant，MBF）是由微生物（如細(xì)菌、酵母、霉菌、放線菌等）在一定的培養(yǎng)條件下通過自身新陳代謝產(chǎn)生的具有絮凝活性的產(chǎn)物，并通過發(fā)酵、提取、精制等方法獲得，獲得的產(chǎn)物具有生物降解性且安全、高效、成本低等特點(diǎn)[5]，主要組分包括糖蛋白、多糖、蛋白質(zhì)、纖維素和核酸等。作為新式污水處理技術(shù)，微生物絮凝劑因高效、安全、零殘留、綠色環(huán)保的特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于生活污水、豬場污水、印染污水以及制酒廢水等各類廢水處理。

本文將從微生物絮凝劑的絮凝機(jī)理、絮凝制酒廢水的微生物種類、在制酒廢水中的應(yīng)用進(jìn)展進(jìn)行綜述。

表1 制酒廢水處理相關(guān)絮凝菌及相關(guān)參數(shù)

1 微生物絮凝劑作用機(jī)理

微生物的絮凝作用報(bào)道最早始于法國學(xué)者Pasteur（1876年），他發(fā)現(xiàn)并報(bào)道了酵母菌在發(fā)酵后期具有絮凝能力[6]，此后，根據(jù)對(duì)微生物絮凝劑成分、組成的研究，國內(nèi)外研究者總結(jié)出了多種絮凝機(jī)理，但被普遍接受的機(jī)理主要有吸附架橋機(jī)理、電中和機(jī)理、化學(xué)反應(yīng)學(xué)說、卷捕作用、酯合假說、粘質(zhì)學(xué)說等。也有些專家認(rèn)為，絮凝過程復(fù)雜多變，單一的機(jī)理很難概括所有現(xiàn)象，吸附機(jī)理并非單一的。羅平等[7]的研究表明，微生物的絮凝機(jī)理是在氫鍵作用下的“吸附架橋”機(jī)理模式；朱艷彬等的研究表明，微生物絮凝機(jī)理是兩性電解質(zhì)的電中和作用及代謝殘留物吸附架橋作用的共同結(jié)果[8]；馬放等[9]研究發(fā)現(xiàn)，在不同的水質(zhì)條件下，電中和、吸附架橋和網(wǎng)捕卷掃3種模式可相互協(xié)同。微生物絮凝劑的絮凝能力取決于自身的分子結(jié)構(gòu)、形狀、分子質(zhì)量和所帶基團(tuán)。一般情況下，絮凝劑直線型分子結(jié)構(gòu)較好，比交聯(lián)的或支鏈結(jié)構(gòu)的絮凝劑絮凝效果好。此外絮凝劑分子質(zhì)量越大，絮凝活性越高[10]。同時(shí)，絮凝劑的添加量、絮凝環(huán)境(如溫度、pH值、金屬離子和濃度、通氣量等)是影響絮凝效果的主要因素[11-16]。He J等[17]的報(bào)道指出，通過對(duì)深海細(xì)菌V3a’所產(chǎn)生的微生物絮凝劑HBF-3絮凝機(jī)理研究表明，HBF-3對(duì)高嶺土絮凝主要是由于Ca2+的架橋作用。

2 絮凝制酒廢水的微生物種類

有關(guān)絮凝菌的報(bào)道起源很早，但有關(guān)制酒廢水的絮凝菌報(bào)道起步較晚。近年來有很多學(xué)者報(bào)道了在制酒廢水處理領(lǐng)域應(yīng)用較好的絮凝菌，主要有細(xì)菌、酵母、霉菌等，具體匯總見表1。

3 微生物絮凝劑在制酒廢水中應(yīng)用

國內(nèi)啤酒和白酒行業(yè)產(chǎn)生廢水量較大，其廢水有效處理已成為環(huán)保領(lǐng)域研究的關(guān)注重點(diǎn)。

3.1 微生物絮凝劑在啤酒廢水中的應(yīng)用

中國是全球最大啤酒生產(chǎn)和消費(fèi)國，啤酒年生產(chǎn)量較大，產(chǎn)1 t啤酒的耗水量8～25 t，我國啤酒廢水年產(chǎn)量約為4億立方米。啤酒廢水綜合利用效率低，排放后對(duì)環(huán)境造成較嚴(yán)重的污染。啤酒工業(yè)廢水中含有糖、醇等有機(jī)物，濃度高，易腐敗，其中COD、BOD普遍較高。一般企業(yè)多采用好氧生物處理法，花費(fèi)較高、電量消耗大，且經(jīng)處理后的廢水N、P含量仍然偏高[31]。有學(xué)者采用微生物絮凝菌處理啤酒廢水，取得較好效果，尤其可有效去除COD、SS。徐放等[32]通過研究培養(yǎng)基絮凝菌、培養(yǎng)條件、絮凝劑的投加量對(duì)啤酒廢水的處理效果。研究結(jié)果表明，利用酵母膏培養(yǎng)基培養(yǎng)的MBF-1型菌，菌液對(duì)啤酒廢水COD的去除率最高達(dá)到90.8%，COD去除能力最高達(dá)到55.3 mg/mL，啤酒廢水處理效果比較理想。陳燁等[33]用硅酸鹽細(xì)菌GY03菌株所產(chǎn)生的微生物絮凝劑處理啤酒廠廢水，結(jié)果顯示，處理后啤酒廢水SS去除率高達(dá)93.59%，對(duì)BOD、CODcr也有較好效果，且絮凝效果優(yōu)于化學(xué)絮凝劑。Zhang ZQ等[34]利用1 L啤酒廢水作為絮凝微生物碳源主要成分，添加0.5 g/L尿素、0.5 g/L酵母浸出粉以及0.2～0.5 g/L(NH4)2SO4，最佳培養(yǎng)條件下，以啤酒洗槽廢水作為碳源，培養(yǎng)絮凝菌，所產(chǎn)絮凝劑MMF1成分為蛋白質(zhì)和多糖，它對(duì)靚藍(lán)印染廢水有很好的絮凝效果，COD和色度最高去除率可達(dá)到79.2%和86.5%。蘆艷等[19]以利用啤酒廢水作為唯一碳源和氮源的培養(yǎng)基，僅添加0.5%的KH2PO4無機(jī)鹽，所產(chǎn)生的微生物絮凝劑對(duì)高嶺土懸液的絮凝率高達(dá)93.5%。啤酒廢水營養(yǎng)豐富，張迎明等[27]利用稀釋10倍啤酒廢水作為廉價(jià)培養(yǎng)基,直接培養(yǎng)篩選到的絮凝球菌，在最佳的培養(yǎng)條件下所得絮凝劑的絮凝效果最高為96.8%。Liu Z Y在實(shí)驗(yàn)過程中利用啤酒廢水作為Klebsiellasp TG-1菌的廉價(jià)培養(yǎng)基，雖然絮凝率不如豆腐渣培養(yǎng)基，但也可以達(dá)到43%[30]。Ugbenyen A M報(bào)道，利用3種海洋細(xì)菌混合培養(yǎng)產(chǎn)微生物絮凝劑對(duì)廢水絮凝實(shí)驗(yàn)，其中對(duì)于啤酒廢水的絮凝率高達(dá)93.7%，以及對(duì)啤酒廢水的濁度清除達(dá)92%，清除效果顯著[35]。Luo Z S也報(bào)道指出，Klebsiellasp菌株yz-6產(chǎn)生的微生物絮凝劑MBF-6對(duì)乳品廢水、啤酒廢水、糖蜜廢水均非常有效，絮凝劑主要成分有95.1%的多糖和3.4%的蛋白質(zhì)[36]。Feng L D等[37]篩選出的芽孢菌種所產(chǎn)生的高效微生物絮凝劑MBF3-3對(duì)綜合性的廢水處理效果較好，其中對(duì)于啤酒廢水的處理時(shí)的添加量低于常用的聚酰胺（PAC），且多種金屬離子對(duì)其絮凝性有促進(jìn)作用。Cosa S等[38]利用2株海洋微生物混合培養(yǎng)，并提取微生物絮凝劑，其可有效去除啤酒廢水中99.7%的COD，且濁度去除率為93.9%，其主要成分是多糖類；將啤酒廢水直接作為微生物廉價(jià)培養(yǎng)基，可使啤酒廢水資源有效利用，并大大降低微生物絮凝菌的培養(yǎng)成本。

3.2 微生物絮凝劑在白酒廢水中的應(yīng)用

中國是白酒發(fā)源地，也是生產(chǎn)大國。白酒行業(yè)生產(chǎn)量大，釀酒過程中產(chǎn)生大量廢水，且基本都是高濃度有機(jī)廢水。廢水成分復(fù)雜，酸度高，色度也較高，主要含有低碳醇、脂肪酸、氨基酸等物質(zhì)。楊濤等[18]研究報(bào)道，用紫色非硫細(xì)菌01S菌株處理有機(jī)釀酒廢水，在自然（或白熾燈）光照、pH7.0、溫度28～30℃條件下，菌株生長良好，培養(yǎng)液能夠明顯降解釀酒廢水，COD的去除率為82.2%。王伊娜等[21]利用制酒廢水培養(yǎng)酵母菌HJ4，在最佳培養(yǎng)條件下獲得微生物絮凝劑MBF4，在白酒廢水中應(yīng)用，對(duì)其色度和濁度有超過80%的去除率，對(duì)COD的去除率有的較好、有的較低，穩(wěn)定性不好，結(jié)果表明，制酒廢水可以作為混合型酵母菌的廉價(jià)培養(yǎng)基。王麗麗等[22]利用制酒廢水作替代培養(yǎng)基，在所產(chǎn)復(fù)合型生物絮凝劑MFHJ4的最佳合成條件下，MFHJ4的產(chǎn)量最高可達(dá)3.85 g/L。常洪娟等[25]利用誘變篩選菌株，獲得產(chǎn)胞外多糖高產(chǎn)菌株副干酪乳桿菌，在最佳生產(chǎn)工藝下制備乳酸菌微生物絮凝劑，對(duì)酒精糟液的絮凝率為95.5%以及COD去除率為97.5%；彭瑞昊等[26]選用酒精廢醪液作為培養(yǎng)基培養(yǎng)環(huán)境微生物，篩選獲得酒精廢醪液的最佳生長菌株ZJ-15，獲得的微生物絮凝劑對(duì)部分重金屬離子有吸附作用。張帆等[29]利用白酒廢水替代高成本的普通培養(yǎng)基對(duì)蠟狀芽孢桿菌(Bacillus cereus)、膜璞畢赤酵母(Pichia membranifaciens)和混合菌(HXJ-1)分別進(jìn)行培養(yǎng)，HXJ-1比單菌株長勢(shì)更佳；混菌可以直接利用白酒廢水產(chǎn)生微生物絮凝劑，且不需要調(diào)節(jié)pH值；混菌產(chǎn)絮周期短，比單菌縮短了24 h；混菌能利用高濃度的制酒廢水且只外加少量氮源，有利于節(jié)約絮凝劑培養(yǎng)成本和綜合利用制酒廢水。在此基礎(chǔ)上，最佳培養(yǎng)條件下，張帆研究團(tuán)隊(duì)提取的絮凝劑對(duì)高嶺土絮凝率約為89.50%[28]。通過對(duì)微生物絮凝劑XJBF-1理化性質(zhì)的研究表明，其主要成分是多糖63.40%，總蛋白質(zhì)為0.87%，分子量較低，為50789 U，且為線性結(jié)構(gòu)，安全性實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)實(shí)驗(yàn)魚苗基本沒有急性毒性，可作為無毒水處理劑[39]。

3.3 微生物絮凝劑在糖蜜酒精廢水中的應(yīng)用

糖蜜酒精廢水是以糖蜜為原料發(fā)酵生產(chǎn)酒精，在此過程中產(chǎn)生的高濃度有機(jī)廢水。糖蜜酒精廢水色度高、酸度高，且含有大量的碳水化合物、脂肪、蛋白質(zhì)、纖維素等，若直接排放，易造成周邊環(huán)境水體富營養(yǎng)化。國內(nèi)外對(duì)糖蜜酒精廢水脫色處理的研究較多。成文等在以糖蜜酒精廢水為產(chǎn)絮霉菌的廉價(jià)培養(yǎng)基主要成分，絮凝劑產(chǎn)量較高，與優(yōu)質(zhì)淀粉培養(yǎng)基產(chǎn)量接近；HE-P7和HHE-A26的培養(yǎng)菌液也具有良好的絮凝作用，達(dá)到淀粉培養(yǎng)基的90%以上[20]。易小暢等以啤酒酵母為出發(fā)菌株，單獨(dú)用糖蜜酒精廢水稀釋40倍作培養(yǎng)基時(shí)效果最佳；稀釋糖蜜酒精廢液和葡萄糖培養(yǎng)基聯(lián)合使用（7∶3比例）最大絮凝率超過70%，對(duì)湖塘水中濁度的去除率也較高[40]。Yadav S等[41]利用4種菌株最佳復(fù)合比例（4∶3∶2∶1）并在最佳條件下培養(yǎng)10 d，其色度降解了75%，COD去除了71%。范艷霞等[42]研究表明，菌群在10%（v/v）糖蜜廢水中添加少量營養(yǎng)物質(zhì)，并調(diào)節(jié)pH值、培養(yǎng)7 d，有較好的脫色效果，為46.2%。Zhuang X以糖蜜酒精廢液作為唯一碳源代替蔗糖培養(yǎng)芽孢菌，所產(chǎn)生的微生物絮凝劑可有效去除甘蔗精煉過程中的廢水中的膠質(zhì)懸浮物、色度和濁度[43]；微生物脫色糖蜜酒精廢水是一個(gè)較復(fù)雜的生化過程，微生物的組成、結(jié)構(gòu)和生長狀態(tài)決定處理效果的好壞，因此微生物的生長條件是處理的關(guān)鍵因素。

4 展望

微生物絮凝劑相較于傳統(tǒng)絮凝劑，具有安全、高效、無殘留、易降解，無二次污染等優(yōu)點(diǎn)，在制酒廢水領(lǐng)域的應(yīng)用越來越受關(guān)注，且可以將制酒廢水作為廉價(jià)培養(yǎng)基進(jìn)行廢物利用，既減少處理制酒廢水的高額費(fèi)用，也可以對(duì)難處理的廢棄物進(jìn)行綜合利用。經(jīng)濟(jì)環(huán)保，應(yīng)用前景廣闊，今后的研究方向可能為：

（1）針對(duì)性地選育對(duì)制酒廢水絮凝效果好的高效絮凝劑產(chǎn)生菌?；蚬こ毯桶l(fā)酵技術(shù)的合理使用，可有效提高微生物絮凝劑的生產(chǎn)效率。

（2）對(duì)高效制酒廢水絮凝菌進(jìn)行基因表達(dá)、克隆，確定起絮凝作用的基因并加以轉(zhuǎn)化應(yīng)用。

（3）利用制酒廢水作為廉價(jià)培養(yǎng)基，探究添加比例、形式，變廢為寶，廢資源再生轉(zhuǎn)化，獲得高效收益。

（4）深入研究微生物絮凝劑的作用機(jī)理、分子構(gòu)架以及動(dòng)力學(xué)，以研制更有效、更安全的新型超級(jí)絮凝劑。

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Research Progress in Alcohol-Making Wastewater Treatment by Microbial Flocculant

DIAO Huan1,2and LI Lümu1
(1.Anhui Agricultural University,Hefei,Anhui 230088;2.Anhui Xinhua College,Hefei,Anhui 230088,China）

The extensive use of microbial flocculant has become the research focus in alcohol industry.In this paper,the research progress in the flocculation mechanism of microbial flocculant,the flocculating bacteria species of alcohol-making wastewater,and the use of microbial flocculant in beer wastewater/Baijiu wastewater/molasses alcohol wastewater was reviewed.

microbial flocculant;alcohol-making wastewater;research progress

TS262；X797

A

1001-9286（2017）12-0109-05

10.13746/j.njkj.2017192

安徽省教育廳省級(jí)質(zhì)量工程項(xiàng)目（2015ckjh115）；國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目（201512216017）；安徽新華學(xué)院校級(jí)科研團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目（2016kytd008）。

2017-07-10

刁歡（1982-），女，安徽巢湖人，副教授，碩士，主要研究方向?yàn)槲⑸锇l(fā)酵，E-mail：532045301@qq.com。

優(yōu)先數(shù)字出版時(shí)間：2017-10-13；地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/52.1051.TS.20171013.0918.001.html。