酵母菌在廢水處理中的應(yīng)用及動力學(xué)模型研究進(jìn)展

申秋華 王曉杰

摘 要：該文介紹了酵母菌在味精廢水、含油廢水和金屬離子廢水處理方面的應(yīng)用情況，并總結(jié)分析了酵母菌處理廢水的動力學(xué)模型。

關(guān)鍵詞：酵母菌;廢水處理;動力學(xué)模型

中圖分類號 X792文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 1007-7731（2021）02-0018-03

Research and Application Progress of Yeast in Wastewater Treatment

SHEN Qiuhua et al.

（Department of Coastal Defense Engineering， Naval Service College， Tianjin 300450， China）

Abstract： This paper introduced the application on treatment of oily sewage， monosodium glutamate wastewater， metal ion wastewater using yeast， and analyzed the dynamic models of yeasts in wastewater treatment.

Key words： Yeasts; Wastewater treatment; Dynamic model

1 前言

隨著城市工業(yè)化進(jìn)程的加快，越來越多的生活污水和工業(yè)廢水被排放到水體中，廢水的大量排放對環(huán)境安全構(gòu)成了巨大威脅[1-3]。對生態(tài)環(huán)境來說，排放的大量廢水中不僅含有危害極大的污染物，而且會對生態(tài)環(huán)境造成不可逆轉(zhuǎn)的破壞。隨著環(huán)境污染的日益嚴(yán)重，開發(fā)一種經(jīng)濟(jì)、簡單、高效的廢水處理技術(shù)已成為當(dāng)今廢水處理領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)。

目前，世界各國圍繞廢水治理先后開展了多方面的研究工作，對不同類型的廢水處理工藝展開分析，其處理方法主要有物理化學(xué)法、廢液資源化利用法、生物法等3類[4]。其中，物理化學(xué)法通常僅限于單純的水處理，如濃縮焚燒法、沉淀法、電化學(xué)法和氧化法等。雖然物理化學(xué)方法已取得了一定的效果，但處理效率不高，并且操作成本相對較高。比如，對于糖蜜酒精廢液，王彥玲等[4，5]通過臭氧氧化法實(shí)施脫膠處理，僅實(shí)現(xiàn)了50.36%的廢液脫膠率。廢液資源化利用法的優(yōu)點(diǎn)是考慮了資源的回收利用，諸如農(nóng)灌法，經(jīng)貯存池收集沉淀處理后的廢水可向農(nóng)田內(nèi)直接排放，供灌溉之用，經(jīng)由地面過濾、自然生化與吸附作用，可將廢水內(nèi)有機(jī)物降解去除。但是這類方法必須施用得當(dāng)，否則會燒死農(nóng)作物或者使土壤板結(jié)[4，6-7]。目前，生物法被認(rèn)為是廢水處理中最有效、最經(jīng)濟(jì)的處理方法，特別是針對金屬離子、高含量有機(jī)物、含偶氮染料等不易降解的廢水，同時(shí)在促進(jìn)廢水處理工藝向無二次污染、無害、無毒方向發(fā)展方面起著關(guān)鍵性作用。生物處理技術(shù)目前唯一的不足是微生物處理能力較低，自身難以實(shí)現(xiàn)資源化。因此，尋找一種高效有益的微生物菌種來代替現(xiàn)有菌種是當(dāng)前課題研究的關(guān)鍵。

2 酵母菌在廢水處理中的應(yīng)用

酵母菌是人類文明史中應(yīng)用最早的微生物，屬于單細(xì)胞真核微生物。目前已知的酵母有1000多種，包括子囊菌、擔(dān)子菌和類酵母3種。酵母菌因自身具備可生成特殊代謝物質(zhì)、代謝效率高、生長快等特征，已被廣泛應(yīng)用于處理食品廢水、酒精廢水和醫(yī)藥廢水等領(lǐng)域。酵母菌廢水處理工藝最早源于第二次世界大戰(zhàn)，該時(shí)期蛋白質(zhì)產(chǎn)量高度不足，各學(xué)者開始研究將糖蜜廢液、酒精廢液等有機(jī)廢料當(dāng)作原料生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白[4，8-9]。此時(shí)的研究方向只是單純的生產(chǎn)單細(xì)胞菌體蛋白，對廢水處理效果并未有量的指標(biāo)。隨著酵母菌研究的深入與其他相關(guān)廢水處理工藝的開發(fā)，酵母菌在廢水處理方面得到了更好、更深入的應(yīng)用，在環(huán)境、社會、和經(jīng)濟(jì)等方面表現(xiàn)出了特殊的優(yōu)越性。酵母處理廢水作為一種新型的方法，具有高效、廉價(jià)的特點(diǎn)[9]。酵母是食品行業(yè)中一種廢棄的微生物，其廉價(jià)性可以有效地降低生物吸附劑的成本。酵母作為微生物學(xué)研究的一種理想模式生物，具有安全、無毒、來源廣泛的特點(diǎn)。

2.1 味精廢水 味精廢水的處理利用一直是環(huán)境保護(hù)的一大難題。廢水中有機(jī)物和懸浮物含量高，COD含量高達(dá)40000～70000mg/L，BOD含量高達(dá)20000～40000mg/L，NH3-N含量在6000～8000mg/L。常規(guī)的處理手段很難達(dá)到廢水排放標(biāo)準(zhǔn)。由于味精廢水對環(huán)境造成的污染問題日趨嚴(yán)重，回收處理味精廢水中的可利用成分一直是人們努力研究的方向。黑亮等采用酵母菌對味精廢水進(jìn)行處理的可能性展開實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明，在7h內(nèi)酵母菌對廢水BOD的去除率可達(dá)99%，COD去除率與TOC去除率可達(dá)82.9%、84.2%[8-10]。

2.2 含油廢水 工業(yè)生產(chǎn)中，植物油、食用油會產(chǎn)生大量的廢水，這類加工廢水的特點(diǎn)是COD與BOD的濃度高，達(dá)到10000mg/L以上，含油量達(dá)3000mg/L以上。含油廢水的處理通常是將廢水酸化除油后再進(jìn)行生物氧化，這種方法不僅工藝復(fù)雜、成本高，而且大量含油污泥的處置也是一個(gè)技術(shù)難題。與之相比，采用酵母菌處理不僅工藝簡單，而且可以利用濾渣生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白（SCP），實(shí)現(xiàn)廢水污泥的資源化和污水的零排放[11、12]。早在20世紀(jì)70年代，日本就開始利用酵母菌處理高濃度有機(jī)廢水，將酵母菌處理工藝用于活性污泥的前段，處理后廢水用常規(guī)活性污泥法進(jìn)行進(jìn)一步處理即可達(dá)排放標(biāo)準(zhǔn)，從而大大降低了廢水的污染程度。對于豆油加工廢水，Chigusa等[13]從廢水中分離出了9株混合酵母菌，之后利用該混合菌株投加到豆油加工廢水處理裝置中，在進(jìn)水COD、BOD和油濃度分別為39300mg/L、18200mg/L、11900mg/L的條件下，該工藝對COD、BOD和油的去除率均達(dá)到93%以上，并且整個(gè)污水處理裝置連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行了1年以上。鄭少奎等[14]利用酵母菌對高含量色拉油加工廢水進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)24h即可去除85.2%的TOC。酵母菌在色拉油加工廢水中的生長條件與酵母菌本身最佳生長條件相似，如酸性條件、溫度、供氧等。Zheng S等[15]研究發(fā)現(xiàn)，酵母菌處理色拉油加工廢水過程中，初始碳氮比嚴(yán)重影響除油效率和蛋白產(chǎn)量，廢水中碳氮比為6∶1～8∶1時(shí)處理效果最好。

2.3 金屬離子廢水 現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)活動，如采礦、冶金、印染及油、煤等含金屬的燃料，使許多種含金屬離子的廢水排入到水體中，金屬離子已成為水體污染的重要污染物之一。傳統(tǒng)的處理金屬廢水方法有很多，如沉淀法、螯合樹脂法、膜技術(shù)、活性炭吸附工藝等。但這些工藝各有優(yōu)缺點(diǎn)，如螯合樹脂不能通過毒性檢驗(yàn)，已在食品工業(yè)和飲用水處理中被禁止使用;膜技術(shù)選擇性小，處理后的廢水濃度較高，仍需進(jìn)一步處理。近幾十年來，酵母菌吸附法在去除廢水中的金屬離子方面顯示出了突出優(yōu)勢，尤其是對低含量重金屬污染廢水的處理，呈現(xiàn)出非常廣泛的應(yīng)用前景。Dan N P等[16]通過試驗(yàn)對比了酵母菌和細(xì)菌處理高鹽廢水的效果，結(jié)果表明，酵母菌系統(tǒng)效率更高，尤其在高鹽條件下，細(xì)菌系統(tǒng)中細(xì)菌的生長受到嚴(yán)重抑制，性能明顯下降;由于酵母菌生長過程吸收較多的養(yǎng)分，其對廢水的脫氮除磷能力也較強(qiáng)。葉佩青等[17]利用解脂假絲酵母對Cr（Vl）、Ni（II）和Cu（II）3種模擬重金屬廢水與實(shí)際重金屬廢水進(jìn)行了試驗(yàn)，研究pH、處理時(shí)間和菌體濃度的影響，結(jié)果表明，pH、處理時(shí)間和菌體濃度均是顯著影響因素，菌體濃度1g/L處理120min時(shí)，對Cr、Ni和Cu的去除率分別為81.6%～84.6%、84.0%～100%、84.l%～100%。國內(nèi)外有關(guān)酵母菌處理金屬離子廢水的研究已經(jīng)由基礎(chǔ)理論階段上升到了對其吸附機(jī)理的研究。吳會軍等[18]以海藻酸鈉和聚乙烯醇包埋法固定啤酒酵母菌，對廢水中的Ni2+、Zn2+、Cu2+進(jìn)行生物吸附，結(jié)果表明，酵母菌對Cu2+的吸附率最高，Ni2+的吸附率最小。在最佳處理?xiàng)l件下，固定化啤酒酵母菌對Ni2+和Cu2+的吸附率分別為80.17%、95.27%。

3 酵母菌在廢水處理中的動力學(xué)模型

動力學(xué)研究是工藝設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，并有助于探討吸附機(jī)理。酵母菌廢水處理動力學(xué)主要是研究菌體生長過程中污染物降解動態(tài)平衡及其內(nèi)在規(guī)律的關(guān)系。比如，酵母菌的菌體生長速率與污染物降解速率間的聯(lián)系，以及反應(yīng)條件、環(huán)境因素對生長速率和降解速率的影響。通過動力學(xué)研究優(yōu)化和調(diào)控最優(yōu)反應(yīng)條件，諸如酵母菌降解污染物過程中菌體濃度、溶解氧、酸堿度以及溫度等工藝指標(biāo);依據(jù)動力學(xué)模型，對程序進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用計(jì)算機(jī)的在線控制，使生產(chǎn)控制達(dá)到自動化、最佳化。

3.1 Monod模型 Monod模型描述基質(zhì)濃度與微生物生長速率的關(guān)系，計(jì)算公式如下：

[μ=μmaxSKS+S] （1）

式中，μ：比生長速率;μmax：最大比生長速率;S：基質(zhì)濃度;KS：底物利用常數(shù)，其數(shù)值相當(dāng)于μ正處于μmax一半時(shí)的底物濃度。

Monod模型為理想化、簡單化、經(jīng)驗(yàn)化模型。Monod方程屬于一類典型的均衡生長模型，細(xì)胞生長僅有的變量是細(xì)胞濃度;只有一種基質(zhì)是菌體生長的限制基質(zhì)。Berg等、Petuccelli等分別在各自的研究中使用Monod模型研究菌體生長與基質(zhì)降解的變化規(guī)律。Monod模型僅在菌體生長較慢和細(xì)胞密度濃度較低的條件下，當(dāng)菌體細(xì)胞濃度較高時(shí)采用下述方程：

[μ=μmaxSKS+KS0S0+S] （2）

式中，μ：比生長速率;μmax：最大比生長速率;S：基質(zhì)濃度;S0：基質(zhì)初始濃度;KS：底物利用常數(shù)，其數(shù)值相當(dāng)于μ正處于μmax一半時(shí)的底物濃度;[KS0]：無因次初始飽和常數(shù)。

Monod模型是一種理想的情況，實(shí)際上菌體生長狀況涉及誘導(dǎo)問題、阻遏問題與抑制問題等眾多因素。

3.2 Michaelis-Menten模型 Michaelis-Menten模型的動力學(xué)方程為：

[dSdt=dPdt=Vmax×SKM+S]? （3）

式中，dS/dt：基質(zhì)降解速率;dP/dt：產(chǎn)物合成速率;Vmax：最大降解速率;S：基質(zhì)濃度;KM：底物利用常數(shù)。

Michaelis-Menten模型最初用于酶催化反應(yīng)機(jī)理研究中，生成產(chǎn)物一步的速率要慢于底物與酶生成復(fù)合物的可逆反應(yīng)速率。當(dāng)基質(zhì)對酶的活性無抑制作用時(shí)，Michaelis-Menten方程被代表性的使用。因此，在生化法處理工業(yè)廢水過程中，當(dāng)基質(zhì)對菌體的生長無抑制作用時(shí)，常選用Michaelis-Menten模型研究菌體生長與基質(zhì)降解的變化規(guī)律動力學(xué)。

3.3 Haldane模型 Haldane模型的動力學(xué)方程為：

[dSdt=Vmax×SKM+S+Sn/Ki] （4）

式中，dS/dt：基質(zhì)降解速率;Vmax：最大降解速率;S：基質(zhì)濃度;KM：底物利用常數(shù);Ki：抑制常數(shù)。

實(shí)際上，在絕大多數(shù)生化法處理工業(yè)廢水的過程中，基質(zhì)對菌體生長和酶生成的抑制作用是十分明顯的。因此，Michaelis-Menten模型基本上是不用于廢水處理的生化法中的。由于Haldane模型考慮了基質(zhì)對菌體生長的抑制作用，而被廣泛應(yīng)用。尤其在NH4作為基質(zhì)并對菌體的生長產(chǎn)生抑制作用的情況下，利用Michaelis-Menten方程描述消化率。

3.4 Contois模型 Contois模型的特點(diǎn)是細(xì)胞生長率不僅與基質(zhì)濃度有關(guān)，而且與細(xì)胞濃度有關(guān)。其表達(dá)式如下：

[μ（X，S）=μmaxSKsX+S] （5）

式中，μ：比生長速率;μmax：最大比生長速率;S：基質(zhì)濃度;KS：Contois常數(shù);X：細(xì)胞濃度。

由于Contois方程的預(yù)測能夠很好地符合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在1959年被Contois提出。由于其考慮了多方面的影響因素，如：基質(zhì)的種類及濃度，中間產(chǎn)物的生成，最終產(chǎn)物濃度，細(xì)胞的濃度及死亡等，Contois模型已經(jīng)在工業(yè)廢水好氧降解方面得到了廣泛的應(yīng)用。通過比較模型預(yù)測與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，使模型得到了很好的驗(yàn)證，而且與其他模型相比，Contois模型能更好地描述實(shí)驗(yàn)結(jié)果。例如，Beltran-Heredia[19、20]等利用Contois生長動力學(xué)模型研究了黑橄欖工業(yè)廢水的降解;Nelson[19]等利用Contois生長動力學(xué)模型分析了工業(yè)廢水穩(wěn)態(tài)處理過程;張振家[20]等在采用間歇活性污泥法處理磺胺廢水的研究中，應(yīng)用Contois型動力學(xué)模型的一級反應(yīng)式對廢水中有機(jī)物降解進(jìn)行描述。另外，Mustafa[20]等在利用UASB生物反應(yīng)器處理紡織廢水研究中，通過模型預(yù)測與實(shí)驗(yàn)對比，結(jié)果表明，Contois模型能應(yīng)用于生物好氧反應(yīng)器中，并且Contois模型對于生物好氧反應(yīng)的模型預(yù)測與實(shí)驗(yàn)結(jié)果十分接近，可以通過實(shí)驗(yàn)室小試的數(shù)據(jù)直接為UASB這樣的大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)進(jìn)行預(yù)測。

4 結(jié)語

酵母菌是一種寶貴的微生物資源，其對高酸度環(huán)境、高糖環(huán)境、高碳環(huán)境、高滲透壓環(huán)境等具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，這使得它在制油、制糖、味精、石油等行業(yè)的廢水處理中具有較好的應(yīng)用前景[21]。酵母菌處理廢水技術(shù)是集廢水處理和資源回收利用等為一體的資源化的綜合處理技術(shù)[8]。隨著人們對酵母菌研究和利用的不斷深入，以酵母菌為核心技術(shù)的新型生物廢水處理技術(shù)要求相當(dāng)寬松，其優(yōu)越性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了傳統(tǒng)污水處理工藝，值得推廣和應(yīng)用。

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（責(zé)編：張宏民）