發(fā)酵性絲孢酵母處理精煉大豆油廢水的工藝優(yōu)化及動(dòng)力學(xué)分析

吳 松

(大唐東北電力試驗(yàn)研究院有限公司,吉林 長(zhǎng)春 130102)

精煉大豆油產(chǎn)生的廢水中含有高濃度的有機(jī)化合物和低濃度的有毒物質(zhì)[1]，它可被某些油脂酵母如發(fā)酵性絲孢酵母(Trichosporonfermentans)處理并合成油脂。發(fā)酵性絲孢酵母合成油脂可以分為從頭合成和非從頭合成兩種方式。從頭合成是指以親水性基質(zhì)如葡萄糖等為碳源，在細(xì)胞內(nèi)經(jīng)過(guò)一系列的生理生化過(guò)程，最終形成油脂并儲(chǔ)存在細(xì)胞內(nèi)。非從頭合成是指將環(huán)境中的烷烴類(lèi)、脂肪酸類(lèi)等疏水性基質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞內(nèi)，以油脂的形式儲(chǔ)存起來(lái)[2]。精煉大豆油廢水屬于高濃度有機(jī)廢水，主要有機(jī)物為磷脂、皂鈉和甘油三酯，這3種物質(zhì)均含有長(zhǎng)鏈脂肪酸結(jié)構(gòu)，因此，酵母處理精煉大豆油廢水合成油脂方式傾向于非從頭合成脂質(zhì)。發(fā)酵性絲孢酵母對(duì)磷脂、皂鈉和甘油三酯的代謝能力決定了其對(duì)廢水化學(xué)需氧量(COD)的降解能力[3]。Yu等[4]研究了發(fā)酵性絲孢酵母在搖瓶中處理精煉大豆油廢水，并在5 L攪拌式反應(yīng)器中驗(yàn)證了搖瓶試驗(yàn)中的最佳廢水處理?xiàng)l件，發(fā)現(xiàn)：COD和含油量的去除率分別為 94.7% 和89.9%，生物量和油脂量分別為7.9 g/L和43%，這表明發(fā)酵性絲孢酵母在精煉大豆油廢水處理中存在巨大潛力。但其未在5 L攪拌式反應(yīng)器內(nèi)對(duì)發(fā)酵性絲孢酵母處理精煉大豆油廢水進(jìn)行系統(tǒng)研究。正交試驗(yàn)方法已廣泛用于各種廢水處理?xiàng)l件的優(yōu)化實(shí)驗(yàn)中[5-7]，均取得了優(yōu)異的優(yōu)化效果。在研究反應(yīng)器中生物質(zhì)的特定生長(zhǎng)速率時(shí)，有幾種眾所周知的動(dòng)力學(xué)模型，包括Tessier[8]、Monod[9]和Moser[10]等。Monod模型是廢水生物處理建模領(lǐng)域中使用最為廣泛的模型；Tessier模型與Monod模型有相似的擬合曲線(xiàn)；Moser模型是在Monod模型中引入了參數(shù)n，對(duì)數(shù)據(jù)有更好的擬合[11]。Nelson等[12]通過(guò)Tessier模型分析了具有可變屈服系數(shù)的恒化器模型，并確定了使反應(yīng)堆性能和反應(yīng)堆生產(chǎn)速率最大化的條件，以及可能在反應(yīng)堆中產(chǎn)生振蕩的參數(shù)區(qū)域。Liu等[13]分別通過(guò)Tessier、Monod和Moser等模型分析了連續(xù)生物反應(yīng)器的頻率響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)除了數(shù)據(jù)擬合和周期性操作適合區(qū)分這些模型外，這些模型通常沒(méi)有區(qū)別。潘文揚(yáng)等[11]通過(guò)Tessier、Monod和Moser模型分析了XZ菌株(芽孢桿菌)降解合成制藥廢水的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并將所得動(dòng)力學(xué)參數(shù)用于制藥廢水生物處理反應(yīng)器的優(yōu)化設(shè)計(jì)。本研究利用正交試驗(yàn)研究在5 L攪拌式反應(yīng)器中進(jìn)行精煉大豆油廢水生物處理的較佳條件，并對(duì)其進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，以期為精煉大豆油產(chǎn)生的廢水的工業(yè)化處理提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)與方法

1.1 原料與試劑

為了實(shí)驗(yàn)的可控性和操作簡(jiǎn)便，本研究使用的廢水是根據(jù)吉林省某豆油生產(chǎn)加工廠的精煉大豆油廢水的水質(zhì)分析結(jié)果而配制的模擬廢水。精煉大豆油原廢水和模擬廢水水質(zhì)情況見(jiàn)表1。發(fā)酵性絲孢酵母(TrichosporonfermantansCICC 1368)，購(gòu)于中國(guó)工業(yè)微生物菌種保藏管理中心。實(shí)驗(yàn)所用試劑均為市售分析純。

表1 精煉大豆油廢水和模擬廢水水質(zhì)

液體酵母培養(yǎng)基：葡萄糖20 g/L，酵母粉10 g/L，蛋白胨10 g/L。固體酵母培養(yǎng)基：葡萄糖20 g/L，酵母體10 g/L，蛋白胨10 g/L，瓊脂10 g/L。所用培養(yǎng)基均在1.013×105Pa飽和蒸汽下滅菌20 min。

酵母菌種子液：將菌體在固體酵母培養(yǎng)基上培養(yǎng)12 h，無(wú)菌操作取1環(huán)，轉(zhuǎn)接到250 mL錐形瓶(裝液量50 mL)液體酵母培養(yǎng)基中，30 ℃、 150 r/min條件下培養(yǎng)24～72 h。

1.2 廢水處理的正交試驗(yàn)

基于一些經(jīng)驗(yàn)和參考文獻(xiàn)[14-17]，本研究選擇溫度、轉(zhuǎn)速、進(jìn)氣量和接種量(5 L攪拌式反應(yīng)器內(nèi)加入的發(fā)酵性絲孢酵母菌種子液與廢水的體積比值)4個(gè)因素采用L9(34)進(jìn)行正交試驗(yàn)[18]，以COD去除率為考核指標(biāo)，考察4個(gè)因素對(duì)廢水生物處理效果的影響。具體操作如下：在5 L攪拌反應(yīng)器內(nèi)，加入 2 L 模擬廢水和適量酵母菌種子液，在不同溫度(26～30 ℃)、轉(zhuǎn)速(100～500 r/min)、進(jìn)氣量(1～3 L/min)和接種量(5%～15%)條件下運(yùn)行36 h考察發(fā)酵性絲孢酵母菌處理精煉大豆油廢水的效果。整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程為48 h，每4 h取樣測(cè)定廢水中各項(xiàng)指標(biāo)。

1.3 廢水各項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)定

1.3.1生物量的測(cè)定 將一定量的菌體在3 000 r/min下離心5 min，用去離子水洗滌兩次，冷凍干燥至質(zhì)量恒定，稱(chēng)質(zhì)量后換算為單位體積內(nèi)的生物量。

1.3.2COD的測(cè)定 COD由571型COD測(cè)定儀測(cè)定，由于COD測(cè)定儀的上限為150 mg/L，待測(cè)樣品需要用去離子水稀釋至適宜濃度。取2 mL稀釋后的待測(cè)樣品放入COD消解管，加入3 mL重鉻酸鉀專(zhuān)用氧化劑，擰緊管帽將液體搖勻，將消解管放入消解裝置中，165 ℃消解10 min，冷卻至室溫，把消解結(jié)束后的樣品倒入石英比色皿中，放入COD測(cè)定儀進(jìn)行測(cè)量。

1.3.3含油量的測(cè)定 含油量由JLBG-129紅外分光測(cè)油儀測(cè)定，該測(cè)油儀的工作原理依照國(guó)家環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)《水質(zhì)石油類(lèi)和動(dòng)植物油的測(cè)定紅外分光光度法》(HJ637—2012)。待測(cè)樣品首先經(jīng)四氯化碳萃取，萃取體積比為1 ∶2，然后將下層有機(jī)相轉(zhuǎn)移至已加入一定量的無(wú)水硫酸鈉的吸附柱中，脫水過(guò)濾后的濾出液接入5 cm石英比色皿，放入測(cè)油儀進(jìn)行測(cè)量。

1.3.4油脂的提取與計(jì)算 采用酸熱法[18]對(duì)微生物油脂進(jìn)行提取。取一定量的冷凍干燥后菌體置于離心管中，加入4 mol/L的鹽酸，鹽酸與菌體的比為20 ∶1(mL ∶g)，混合均勻后，靜置30 min，然后沸水浴加熱8 min，再用冰浴迅速冷卻20 min。加入原混合溶液2倍體積的氯仿-甲醇(體積比2 ∶1)混合溶劑，振蕩混勻10 min，之后在4 500 r/min下離心5 min，取下層氯仿層。再加入剩余溶液等體積的0.15%氯化鈉溶液，振蕩混勻5 min，在4 500 r/min下離心5 min，取下層清液，80 ℃烘干至質(zhì)量恒定，并測(cè)量其質(zhì)量，油脂的質(zhì)量(g)、產(chǎn)量(g/L)和生物體含油量(%)按式(1)～(3)計(jì)算。

油脂質(zhì)量=離心管總質(zhì)量-離心管質(zhì)量

(1)

油脂產(chǎn)量=油脂質(zhì)量/發(fā)酵液體積

(2)

生物體含油量=油脂產(chǎn)量/生物量×100%

(3)

1.4 降解動(dòng)力學(xué)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

依據(jù)潘文揚(yáng)等[11]的方法，通過(guò)預(yù)測(cè)試分別確定了最高濃度點(diǎn)、最佳濃度點(diǎn)和閾值濃度點(diǎn)的COD，并據(jù)此設(shè)定了COD和含油量的濃度梯度來(lái)模擬廢水降解動(dòng)力學(xué)過(guò)程，依據(jù)公式(4)～(6)可得到菌體的降解動(dòng)力學(xué)參數(shù)。在此降解動(dòng)力學(xué)研究中，最大和最小COD質(zhì)量濃度點(diǎn)分別設(shè)定為20 000和4 000 mg/L，4個(gè)點(diǎn)設(shè)定為13 000 mg/L附近。最高和最低含油量質(zhì)量濃度點(diǎn)設(shè)定為5 000和600 mg/L，4個(gè)點(diǎn)設(shè)定為2 000 mg/L附近。所有濃度值均基于接種后的實(shí)際測(cè)量值(與設(shè)定值有些許不同)。

μ=ln(Xe/X0)/t

(4)

q=μ(S0-Se)/(X0(eμt-1))

(5)

p=μ(U0-Ue)/(X0(eμt-1))

(6)

式中：μ—生物量比增長(zhǎng)率，h-1;Xe—廢水處理36 h時(shí)生物量，mg/L；X0—廢水初始生物量，mg/L；t—廢水處理時(shí)間，h;q—COD比降解率，h-1;S0—廢水初始COD,mg/L；Se—廢水處理36 h時(shí)COD，mg/L;p—含油量比降解率，h-1;U0—廢水初始含油量，mg/L；Ue—廢水處理36 h時(shí)含油量，mg/L。

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

通過(guò)非線(xiàn)性回歸分析擬合動(dòng)力學(xué)模型和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。參數(shù)估計(jì)基于非線(xiàn)性最小二乘準(zhǔn)則。擬合結(jié)果的方差分析由Origin 8.0執(zhí)行，回歸系數(shù)(R2)和F檢驗(yàn)值用于評(píng)估模型的擬合優(yōu)度。

2 結(jié)果與討論

2.1 精煉大豆油廢水處理的工藝優(yōu)化

以COD去除率作為評(píng)估指標(biāo)，采用正交試驗(yàn)對(duì)精煉大豆油廢水處理進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)表2。

從表2中可以看出對(duì)廢水處理結(jié)果影響最大的是轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速不僅影響著生物反應(yīng)器內(nèi)的相間混合和溶氧，而且大的轉(zhuǎn)速會(huì)產(chǎn)生大的剪切應(yīng)力，這會(huì)影響酵母的正常生長(zhǎng)，進(jìn)而影響廢水處理。由正交試驗(yàn)可知較佳處理工藝條件為A2B2C2D2，即溫度28 ℃、轉(zhuǎn)速300 r/min、進(jìn)氣量2 L/min和接種量10%。在此條件下進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，廢水處理和酵母生長(zhǎng)及產(chǎn)油情況如圖1所示。

表2 精煉大豆油廢水處理的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果分析

由圖1可知，在5 L攪拌式反應(yīng)器中發(fā)酵性絲孢酵母處理精煉大豆油廢水36 h后，廢水COD和含油量的去除率分別為97.31%和89.09%，生物量和生物體含油量分別達(dá)到9.27 g/L和51.9%。比Yu等[4]在5 L攪拌式反應(yīng)器中利用發(fā)酵性絲孢酵母處理精煉大豆油廢水處理時(shí)間縮短4 h，生物量和生物體含油量分別增加了1.37 g/L和8.90個(gè)百分點(diǎn)。

圖1 廢水處理(a)和酵母生長(zhǎng)及產(chǎn)油(b)隨時(shí)間變化情況

2.2 動(dòng)力學(xué)分析

2.2.1動(dòng)力學(xué)參數(shù)的確定 實(shí)驗(yàn)中，在配備好的6組廢水(1.4節(jié))中接入菌體后，立即測(cè)定該6組廢水的S0、U0和X0，然后在溫度28 ℃、轉(zhuǎn)速300 r/min、進(jìn)氣量2 L/min和接種量10%下處理48 h。在 36 h 時(shí)對(duì)6組廢水取樣測(cè)定Se、Ue和Xe。依據(jù)式(4)～(6)可計(jì)算得到廢水降解動(dòng)力學(xué)參數(shù)，結(jié)果如表3所示。由表3可知，隨著6組廢水COD的逐漸降低，菌體的生物量、生物量比增長(zhǎng)率、COD比降解率和含油量比降解率均逐漸降低，可得出菌體生長(zhǎng)和降解廢水所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)都是與廢水中的物質(zhì)含量成正比的。

表3 6組廢水樣的36 h動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2.2生物量增長(zhǎng)模型以及COD和含油量降解模型研究 基于表3數(shù)據(jù)，本研究中采用Monod模型、Tessier模型和Moser模型分別對(duì)S、μ、s、q、U、μ和U、p進(jìn)行擬合，對(duì)比擬合優(yōu)度，找出最佳模型。動(dòng)力學(xué)參數(shù)的結(jié)果以及統(tǒng)計(jì)學(xué)檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4、圖2和圖3。

表4 動(dòng)力學(xué)方差分析結(jié)果1)

a1.S-μ-Monod; a2.S-μ-Tessier; a3.S-μ-Moser; b1.S-q-Monod; b2.S-q-Tessier; b3.S-q-Moser

a1.U-μ-Monod; a2.U-μ-Tessier; a3.U-μ-Moser； b1.U-p-Monod; b2.U-p-Tessie; b3.U-p-Moser

3種模型關(guān)于COD的理論產(chǎn)率系數(shù)(YT，S)由公式Y(jié)T,S=μmax/qmax可得，依據(jù)表3數(shù)據(jù)計(jì)算得：YT, S, Monod=0.889，YT, S, Tessier=0.714，YT, S, Moser不能被直接計(jì)算是因?yàn)閰?shù)n取值不同。同樣，3種模型關(guān)于含油量的理論產(chǎn)率系數(shù)(YT,U)由公式Y(jié)T,U=μmax/pmax和表3數(shù)據(jù)計(jì)算可得：YT, U, Monod=1.396，YT, U, Tessier=1.548，YT, U, Moser不能被直接計(jì)算是因?yàn)閰?shù)n取值不同。由于精煉大豆油廢水有毒物質(zhì)濃度低，可忽略其對(duì)菌體生理生長(zhǎng)的抑制。由于Moser模型中的參數(shù)n為冪指數(shù)，它的不同會(huì)使得μ、q和p所在關(guān)聯(lián)式的最終取值為不同數(shù)量級(jí)，因此在計(jì)算理論產(chǎn)率系數(shù)時(shí)，無(wú)法對(duì)Moser模型中μmax/qmax和μmax/pmax進(jìn)行計(jì)算，也就是說(shuō)無(wú)法對(duì)Moser模型的YT, S, Moser和YT, U, Moser進(jìn)行計(jì)算。從表4的擬合結(jié)果可知，根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)檢驗(yàn)的結(jié)果，擬合結(jié)果的F檢驗(yàn)值均大于F0.01,(2, 4)=18.00(根據(jù)查找F檢驗(yàn)臨界值表所得)，結(jié)果顯示除了數(shù)據(jù)擬合和擬合優(yōu)度的偏差適合區(qū)分這些模型外，這些模型通常沒(méi)有區(qū)別[12]。說(shuō)明3種模型都可以用于模擬發(fā)酵性絲孢酵母在精煉大豆油廢水中的生物量增長(zhǎng)和污染物基質(zhì)的降解。依據(jù)擬合模型的相關(guān)系數(shù)(R2)可知，3個(gè)模型中，Tessier模型提供了最好的生物量增長(zhǎng)擬合優(yōu)度；Monod模型提供了最好的COD降解擬合優(yōu)度；Moser模型提供了最好的含油量降解擬合優(yōu)度，與Monod模型相比，參數(shù)n的引入使得U在降解擬合中變化更為靈活。結(jié)合動(dòng)力學(xué)參數(shù)μmax、qmax、pmax、Ks, μ、Ks, q、Ku, μ和Ku, p的值，可用于評(píng)估含油廢水生物處理反應(yīng)器的設(shè)計(jì)和優(yōu)化運(yùn)行。

3 結(jié) 論

3.1利用發(fā)酵性絲孢酵母處理精煉大豆油生產(chǎn)中產(chǎn)生的廢水，通過(guò)正交試驗(yàn)得到廢水生物處理的較佳條件：溫度28 ℃、轉(zhuǎn)速300 r/min、進(jìn)氣量2 L/min和接種量10%。在該條件下，精煉大豆油廢水經(jīng)36 h處理后，其COD和含油量的去除率分別為97.31%和89.09%，微生物的生物量和生物體含油量分別達(dá)到9.27 g/L和51.9%。

3.2通過(guò)Monod、Tessier和Moser模型研究了發(fā)酵性絲孢酵母生物量增長(zhǎng)和精煉大豆油廢水的污染物降解，發(fā)現(xiàn)Tessier模型相比于Monod和Moser模型更適合研究微生物的增長(zhǎng)，建立的針對(duì)發(fā)酵性絲孢酵母生物量增長(zhǎng)的動(dòng)力學(xué)方程式，其所得到的動(dòng)力學(xué)參數(shù)可用于評(píng)估含油廢水生物處理反應(yīng)器的設(shè)計(jì)和優(yōu)化運(yùn)行。