嗜酸光合细菌耦合萎缩芽孢杆菌降解马铃薯加工淀粉废水条件优化

曾 军,武 磊,高 雁,杨红梅,林 青,霍向东

(1.新疆农业科学院微生物应用研究所/新疆特殊环境微生物实验室,乌鲁木齐 830091;2. 克拉玛依瑞恒畜牧开发有限责任公司,新疆克拉玛依 834000)

0 引 言

【研究意义】淀粉加工业是我国重要的农产品加工业[1]。针对于玉米和马铃薯为原材料的淀粉加工废水[2-3],需研发出新型处理技术。基于光合细菌的污水处理是目前能够同时达到环境效益和经济效益的相统一的方法[4]。光合细菌生物量与污染物去除效率成正相关,而废水pH值是制约其污染物高效降解的主要因素[5-8]。利用嗜酸光合细菌开展一步法原位废水处理对于降低废水处理成本具有重要意义。【前人研究进展】对于淀粉废水处理主要分为生化法和化学絮凝法,其中生化处理方法因其处理浓度高、速度快、成本低廉等优点而被应用最为广泛[9-11]。目前,生化处理法主要集中在一是厌氧处理法,该技术主要采用废水中原生菌株发酵,其缺点是厌氧发酵过程中往往伴随有大量恶臭气体排出污染环境,虽然近些年来该技术与污水处理设施及絮凝法相结合,处理能力和效率虽有提升但仍存在大量问题而未被广泛使用[12-14];二是好氧处理法,该技术所需反应时间短,恶臭气体少,但由于其仅能处理COD含量较低的废水,而对于淀粉废水往往需要结合活性污泥法一起使用[15-17]。光合细菌法处理淀粉废水是近10年来兴起的废水处理技术,其克服了厌氧处理法的效率低下及恶臭气体不可控,同时其能够耐受高浓度有机物,并且其自身含有反硝化基因,硫代谢基因能够将水体有机物降解的同时还能降解水体氨氮,磷酸盐,硫化物等达到脱臭目的[18-20]。【本研究切入点】目前,关于光合细菌降解淀粉废水主要集中在单菌或者与其他菌株复配,并且结果显示其发挥降解效果需要中性偏碱环境,而酸性废水首先需要调节pH值至中性,提高了处理成本,而对于酸性环境直接利用嗜酸光合细菌处理酸性废水研究,尚未见报道[21-25]。需研究嗜酸光合细菌耦合萎缩芽孢杆菌在实验室条件下降解马铃薯淀粉废水污染物。【拟解决的关键问题】研究光合细菌和萎缩芽孢杆菌复配比例、接种量、培养方式等,优化出实验室条件下淀粉废水污染物(COD、氨氮、硫醇、硫化氢等)高效降解工艺,探讨2株菌协同降解废水机制。

1 材料与方法

1.1 材 料

1.1.1 淀粉废水

淀粉废水样品采集于新疆阿克苏地区拜城县某马铃薯淀粉生产企业淀粉废水收集池。

1.1.2 菌种

嗜酸光合细菌RhodoblastussphagnicolaPNSB-MHW由研究组实验室分离和鉴定并且保藏于中国普通微生物菌种保藏管理中心(保藏号:CGMCC NO:20882)。萎缩芽孢杆菌(Bacillusatrophaeus)由研究组实验室分离和鉴定并且保藏于新疆农业科学院微生物应用研究所。

1.1.3 仪器

消化炉(聚创JC-XH-20C型),恒温光照培养箱(上海一恒MGC-250BP-2型光照培养箱),超净工作台(上海SC-CJ-3FD),灭菌锅(上海申安LDZH-100L),分光光度计(上海仪电分析L5),光照培养箱(上海博讯BSD-250),COD检测仪(北京连华永兴科技有限公司5B-3C(V8),酸碱测定仪(上海雷磁pHSJ-3F)。

1.1.4 培养基

MRS培养基(青岛海博生物),NB培养基(青岛海博生物),NA培养基(青岛海博生物),RCVBN培养基(青岛海博生物)。

1.1.5 菌种活化

光合细菌液体活化使用RCVBN培养基,培养基配制和灭菌按照说明书操作,30℃条件下,光照强度5 000 lx,静置培养7 d;固体培养采用双层平板法:将菌种画线或者均匀接种于RCVBN培养基上然后在平板上层倒入40℃左右1.5%的无菌琼脂溶液,封盖在平板表面,凝固后倒置放入光照培养箱,30℃条件下,光照强度5 000 lx,培养7 d。萎缩芽孢杆液体菌种活化采用NB培养基,培养基配制和灭菌按照说明书操作,接种量10%,液体培养于30℃,150 r/min转速震荡培养24 h。固体培养使用NA培养基,培养基配制和灭菌按照说明书操作。

某中学综合楼抗震性能化设计思路与实现方案研究……………………………………………… 李轩直，余文柏（3-1）

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

取300 mL马铃薯淀粉废水装入500 mL透明三角瓶中,每组实验5个重复。处理组:①菌株最佳复配比例(光合细菌:萎缩芽孢杆菌=1∶1,1∶5,1∶10,1∶100,5∶1,10∶1,100∶1);②复合菌接种量(1%,5%,10%,15%,20%,30%);③培养方式:光照厌氧培养,30℃条件下,光照强度5 000 lx,静置培养;④黑暗好氧,30℃条件下,放置于摇床避光150 r/min转速震荡培养;⑤光照厌氧-黑暗好氧,30℃条件下,光照强度5 000 lx,静置培养72 h之后,厌氧光照∶黑暗好氧=12 h ∶12 h继续培养72 h,黑暗阶段150 r/min震荡培养,连续重复循环培养。⑥乙酸钠添加量(0、1、3、5 g/L),实验培养均为1周。

1.2.2 测定指标

淀粉废水中化学需氧量值(COD)测定采用行业标准HJ 828-2017水质化学需氧量的测定重铬酸盐法;水体氨氮检测采用行业标准HJ 535-2009纳氏试剂分光光度法;硝氮和亚硝酸盐检测参照行业标准HJT 346-2007水质硝酸盐氮的测定紫外分光光度法,总磷含量测定参照国家标准GB/T11893-1989水质总磷的测定钼酸铵分光光度法。

1.3 数据处理

使用SPSS 21.0 软件和Microsoft Excel 2010进行实验数据的统计分析及作图,采用单因素ANOVA进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 淀粉废水理化指标

研究表明,马铃薯淀粉废水中化学需氧量(COD)值超过了(10 842 ± 421.00) mg/L,pH 4.98,属于高有机质酸性废水。此外,淀粉废水在存放中散发着浓郁的臭味,氨气含量(351.32±12.10) mg/L,硫化氢气味31 mg/L,总磷(324.79±10.04) mg/L。

2.2 光合细菌与萎缩芽孢杆菌复配对淀粉废水COD的降解影响

2.2.1 淀粉废水对光合细菌与萎缩芽孢杆菌生长的影响

研究表明,RhodoblastussphagnicolaPNSB-MHW(PSB)接种入马铃薯淀粉废水第2 d开始进入生长指数期,第8 d达到平台期,并且其能够在初始pH 4.5左右情况下生长,发酵结束后pH在8.0～9.0。由于萎缩芽孢杆菌(Bacillus atrophaeus)(BA)最适生长pH为6.5～7.0,将淀粉废水液初始pH调节为7.0,菌株在淀粉废水中第2 d起进入指数期,第5 d进入对数期,并且发酵液pH值随着培养时间的增加而降低,在第5 d时pH降低至4.0左右,之后其pH始终维持在该水平。图1

注:A:光合细菌生长曲线;B:萎缩芽孢杆菌生长曲线

2.2.2 淀粉废水对光合细菌与萎缩芽孢杆菌复合菌生长的影响

研究表明,BA在起始培养pH 4.5不生长,菌体浓度基本没有变化,而复配PSB后,BA菌体浓度在第4 d开始呈现出上升趋势,其培养16 d的菌体浓度是单独培养的2倍。PSB菌体浓度随着培养时间增加而增加,而复配BA后光合细菌菌体浓度呈现出直线上升趋势,其活菌数是单独培养的4倍左右。BA 培养液pH没有发生变化维持在初始状态,PSB培养液pH随培养时间增加而升高,最终升高至7.5左右,而复合菌pH呈现出培养前8 d随时间增加而增加,但第9 d开始急剧下降,到11 d时下降到达最低的5.0,随后又呈现出直线上升趋势,最后pH为8.5左右。图2

注:A:添加光合细菌对萎缩芽孢杆菌生长的影响;B:添加萎缩芽孢杆菌对光合细菌的影响;C:复合菌发酵淀粉废水pH值变化曲线

2.2.3 光合细菌与萎缩芽孢杆菌复配比例对淀粉废水COD的降解效率影响

研究表明,BA活菌数较高条件下比PSB数量较高处理下淀粉废水降解效率要更低,而PSB∶BA=10∶1的比例下COD降解效率最高,达到了89.23%。BA活菌数较高处理下发酵结束时pH较低,而PSB较高处理下发酵结束时pH值较高在8.0～8.7。随着BA接种量的提高其沉降速度逐渐降低,而随着PSB数量的提高,沉降速度显著的提高。PSB∶BA=10∶1无论是在COD降解率还是在最后的絮凝沉降效果均表现的最好,复合菌PSB∶BA=10∶1比例条件下144 h COD降解效率接近90%。图3

注:A:复合菌复配比例对马铃薯淀粉废水COD降解率的比较;B:马铃薯淀粉废水复合菌不同复配比例降解后pH值比较;C:光合细菌和萎缩芽孢杆菌不同复配比例对马铃薯淀粉废水降解后絮凝沉降速度比较;D:光合细菌和萎缩芽孢杆菌10∶1复配对马铃薯淀粉废水COD降解率的影响验证

2.3 淀粉废水COD降解效率的影响因素

2.3.1 复合菌接种量对淀粉废水COD降解效率的影响

研究表明,随着复合菌接种量的提高淀粉废水COD降解效率呈现出先升高后降低趋势,其中接种量超过15%时淀粉废水降解率均超过90%,之后降解率并未有显著提升,确定复合菌接种量为15%。图4

图4 复合菌接种量处理下马铃薯淀粉废水降解效率变化

2.3.2 培养方式对淀粉废水COD降解效率的影响

研究表明,光照厌氧-黑暗好氧条件下COD降解效率最高为95%,其次是黑暗好氧处理。由于光合细菌能够在厌氧光照条件下快速生长降解COD同时产碱,而萎缩芽孢杆菌属于好氧菌需要在有氧气条件下才能起作用,设定的光照厌氧-黑暗好氧条件是首先进行光照厌氧72 h,让嗜酸光合细菌生长产碱,之后厌氧光照∶黑暗通氧=12 h∶12 h,进行反应,在此条件下其COD降解效率为95.21%。图5

图5 不同培养条件下淀粉废水COD降解效率比较

2.3.3 外源添加乙酸钠对淀粉废水的降解效率的影响

研究表明,添加不同浓度乙酸钠均可以提高淀粉废水COD的降解率,但提高幅度并不大,添加1 g/L的乙酸钠能够将废水COD降解率提高至98%左右。图6

图6 乙酸钠添加量处理下淀粉废水COD降解效率变化

2.4 复合菌对淀粉废水总体污染物降解效果评价

研究表明,复合菌在最佳条件下6 d对水体中氨氮,硝态氮,总磷降解率均>98%,并且对于淀粉废水恶臭源的硫醇和硫化氢降解效率也达到了98%以上,水质达到了国家污水排放标准。图7

图7 复合菌处理下淀粉废水污染物降解曲线

3 讨 论

3.1 马铃薯淀粉废水降解条件优化

研究结果显示RhodoblastussphagnicolaPNSB-MHW和Bacillusatrophaeus按照活菌数10∶1比例复配,接种量为废水总体积的15%,30℃,0～72 h先进行厌氧光照(1 000～2 000 lx)培养,之后厌氧光照∶黑暗好氧=12 h ∶12 h继续培养72 h,培养前在污水中添加1 g/L乙酸钠能够使淀粉废水COD降解率达到98.21%,对水体中氨氮,硝氮,总磷,硫醇,硫化氢等污染物降解效率均达到了98%以上,同时发酵结束后发酵液pH=8.0～8.5,在此pH条件下,菌体开始自絮凝,其能够将污水中悬浮性颗粒以及高色度的颗粒性物质沉淀(8 cm/h)。该结果也与其他利用光合细菌处理马铃薯淀粉废水相关研究结果一致。采用类球红杆菌单菌,连续光照培养42 h,之后采用间歇曝气对淀粉废水进行处理,其废水COD降解率达到了98.1%[25]。王剑秋等[7]采用紫色非硫光合细菌配合污水处理设施SBR对淀粉废水进行处理COD去除率最高达到90%。这些研究共同的工艺条件均为单菌或者以光合细菌为核心,并且其中最主要的一个工艺就是需要先对马铃薯废水pH值进行调节至中性,以及处理结束后需要使用絮凝沉淀工艺。

3.2 复合菌降解淀粉废水机理

研究所使用的嗜酸光合细菌与萎缩芽孢杆菌由于其最适生长pH值的不同,而造成了2株菌生态位的分化。由于萎缩芽孢杆菌能够利用淀粉类物质产生吲哚乙酸,而该植物激素又能够促进光合细菌生长,因此使得其具有耦合降解淀粉废水的潜力[26-27]。由于淀粉废水中含有大量的有机酸,蛋白质等物质,其能够作为光合细菌电子受体而被利用,从而使得光合细菌处理后的淀粉废水溶液pH升高,而pH值的升高又激活了萎缩芽孢杆菌的活性。通过黑暗好氧培养从而促进芽孢类菌株的生长产生淀粉酶类进而加速废水COD的降解速率。此外,由于在酸性条件下萎缩芽孢杆菌能够产生芽孢从而对较低pH具有耐受性,而当pH升高其活性激活后,继而采用好氧处理方式从而使得萎缩芽孢杆菌快速生长,其利用淀粉等物质所产生的糖类又将废水pH降低,而光合细菌利用所产生的有机酸使得废水中pH在一段时间内保持平稳,当淀粉中酸类物质消耗殆尽后水体中pH升高至8.0～8.5。在碱的作用下光合细菌菌体以及其他细菌和蛋白质表面都带有负电荷从而使水体开始出现絮凝沉淀[28]。

4 结 论

处理淀粉废水最佳的复配比例为PSB∶BA=10∶1、接种量=15%、厌氧光照∶黑暗通氧=12 h∶12 h的培养条件下,最终实现淀粉废水污染物(COD,氨氮,硫醇,硫化氢等)实验室一步法高效降解(降解率>98%)。