馬鈴薯淀粉廢水中高絮凝菌種的絮凝研究

馬姝雯，王明明

（西北民族大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院，甘肅蘭州730124）

馬鈴薯淀粉廢水中高絮凝菌種的絮凝研究

馬姝雯，王明明*

（西北民族大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院，甘肅蘭州730124）

從馬鈴薯淀粉廢水中篩選分離出高效絮凝菌種白地霉、青霉、紅曲霉、酵母菌，以高嶺土懸濁液為模擬絮凝對象，分別進(jìn)行單菌種、復(fù)配菌種的絮凝實(shí)驗(yàn)，優(yōu)化培養(yǎng)條件，測定其絮凝率、廢水培養(yǎng)基COD值和BOD5值。結(jié)果表明：單菌種絮凝時(shí)白地霉的絮凝效果最好，其最優(yōu)絮凝條件為35℃，pH5.0，培養(yǎng)5d，此時(shí)絮凝率高達(dá)92.39%；白地霉經(jīng)培養(yǎng)后廢水培養(yǎng)基COD去除率達(dá)到90.32%，BOD5去除率達(dá)到86.0%。通過對復(fù)配菌種的絮凝效果進(jìn)行比較，得出白地霉與青霉復(fù)配的絮凝效果最好，絮凝率為92.47%，經(jīng)培養(yǎng)后廢水培養(yǎng)基COD去除率達(dá)到93.21%，BOD5去除率達(dá)到90.15%。

馬鈴薯淀粉廢水，高絮凝菌種，絮凝率

馬鈴薯淀粉生產(chǎn)中產(chǎn)生的廢水主要來自兩個(gè)部分：一是清洗馬鈴薯產(chǎn)生的廢水，這部分廢水主要成分為馬鈴薯表面的泥沙，經(jīng)沉淀處理后可循環(huán)使用。二是生產(chǎn)淀粉工藝過程產(chǎn)生的廢水，這部分廢水不能循環(huán)使用，廢水中主要含有淀粉、蛋白質(zhì)、糖、纖維等有機(jī)物，COD、BOD5濃度很高。這部分廢水的處理國內(nèi)目前主要有化學(xué)絮凝和生物處理兩種方法，兩種方法各有利弊。蘭州大學(xué)王友樂等[1]從蘭州大學(xué)校園花園里的土壤、蘭州雁兒灣污水處理廠二沉池活性污泥霉變物和不同廠家生產(chǎn)的4種醬油中分離出菌種，再經(jīng)馬鈴薯淀粉廢水培養(yǎng)分離出了兩株絮凝性較高的根霉，復(fù)配后實(shí)驗(yàn)表明對馬鈴薯淀粉廢水有較好的絮凝效果。

在實(shí)際生產(chǎn)中馬鈴薯淀粉廢水中的蛋白質(zhì)具有自動(dòng)凝聚的趨勢，但這種凝聚方式形成的顆粒很小，絮凝很不穩(wěn)定。根據(jù)這個(gè)特性我們從馬鈴薯淀粉廢水自然沉淀物中篩選出來具有優(yōu)良絮凝性能的三株霉菌和一株酵母菌，研究其絮凝特性，優(yōu)化培養(yǎng)條件。

微生物絮凝劑是一類由微生物產(chǎn)生的有絮凝活性的代謝產(chǎn)物主要成分為糖蛋白、多糖、蛋白質(zhì)、纖維素和DNA等[2]，具有良好的絮凝沉淀性能，安全、高效、無毒，可生物降解，且不產(chǎn)生二次污染，它的研究已成為絮凝劑領(lǐng)域的熱點(diǎn)，在給排水處理等方面有廣闊的應(yīng)用前景。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

菌種 由蘭州中盛瑞澤馬鈴薯淀粉有限公司馬鈴薯淀粉工藝廢水沉淀物中分離；牛肉膏、蛋白胨、瓊脂粉、高嶺土、葡萄糖、尿素[CO（NH2）2]、氯化鈉（NaCl）、氯化鈣（CaCl2）、硫酸銨[（NH4）2SO4]、磷酸氫二鉀（K2HPO4）、磷酸二氫鉀（KH2PO4）、重鉻酸鉀（K2Cr2O7）、硫酸鉻鉀[CrK（SO4）2·12H2O]、硫酸亞鐵（FeSO4·7H2O）、1，10-菲咯啉（C12H8N2·H2O）、硝酸銀（AgNO3）、硫酸銀（Ag2SO4）、濃硫酸（H2SO4）、濃磷酸（H3PO4）、硫酸亞鐵銨[Fe（NH4）2（SO4）2·6H2O]、亞硫酸鈉（Na2SO3）、硫酸汞（HgSO4） 以上藥品均為分析純。

潔凈工作臺 吳江市生化凈化設(shè)備廠；DPH-9297型電熱恒溫培養(yǎng)箱 上海雷韻實(shí)驗(yàn)儀器制造有限公司；HZP-250型全溫振蕩培養(yǎng)箱 江蘇太倉市實(shí)驗(yàn)設(shè)備廠；LDZX-75KBX型立式壓力蒸汽滅菌器 上海龍捷儀器設(shè)備有限公司；光學(xué)顯微鏡 德國徠卡儀器有限公司；722E型可見光分光光度計(jì) 無錫市英之城高速分析儀器有限公司；TGL-16M型高速臺式冷凍離心機(jī) 江蘇省金壇市恒豐儀器制造有限公司；DHG-9241A型電熱恒溫干燥箱 上海精宏儀器有限公司；PB-10型臺式酸度計(jì) 德國賽多利斯儀器有限公司；ZK型高速自控組織搗碎機(jī) 江蘇省龍崗醫(yī)療器械廠；ME11型數(shù)碼顯微鏡 德國徠卡儀器有限公司。

1.2 培養(yǎng)基

固體培養(yǎng)基：馬鈴薯葡萄糖培養(yǎng)基（PDA）；液體種子培養(yǎng)基：PDA液體培養(yǎng)基；廢水培養(yǎng)基：稀釋后的馬鈴薯淀粉工藝廢水，121℃滅菌30min；以上培養(yǎng)基放在37℃溫箱中培養(yǎng)24h。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 高絮凝菌種的分離和純化 采用稀釋倍數(shù)法對菌種進(jìn)行分離，選取形態(tài)不同的有代表性的單個(gè)菌落鏡檢，初步確定為純菌株后，再經(jīng)多次平板劃線分離純化，直到得到的菌落特征一致為止。挑取培養(yǎng)的不同菌落的菌絲，接種到PDA液體培養(yǎng)基中，30℃150r/min搖床培養(yǎng)72h，再從中吸取20mL菌種發(fā)酵液進(jìn)行絮凝實(shí)驗(yàn)，從而初步篩選出廢水中高效絮凝菌株。

1.3.2 菌種的鑒定 用無菌水制成菌懸液，稀釋，接種0.2mL至不同的生化鑒定培養(yǎng)基中進(jìn)行鑒定實(shí)驗(yàn)，具體操作方法見參考文獻(xiàn)。觀察菌落外部形態(tài)特征，根據(jù)魏景超著《真菌鑒定手冊》，確定高絮凝菌種類型。

1.3.3 單菌種絮凝實(shí)驗(yàn)

1.3.3.1 絮凝率的計(jì)算[3]以0.1%（W/W）的高嶺土懸濁液為模擬實(shí)驗(yàn)對象，采用1%（W/W）的氯化鈣溶液作為助凝劑，在98mL高嶺土懸濁液中加入1%氯化鈣溶液1mL，再加入1mL各菌種發(fā)酵液或其復(fù)配液，在300r/min條件下快速攪拌60s，然后在100r/min下慢速攪拌10min，靜置10min后，從上層清液移取1mL測定其吸光度，同時(shí)以不加發(fā)酵液的高嶺土懸液作空白對照實(shí)驗(yàn)。絮凝率計(jì)算公式如下：

絮凝率（%）=（A-B）/A×100

式中：A—空白實(shí)驗(yàn)在550nm處的吸光度，B—樣液實(shí)驗(yàn)在550nm處的吸光度。

1.3.3.2 絮凝活性分布的確定 將10mL發(fā)酵液在15000r/min下，離心20min，取上清液。得到的菌體經(jīng)蒸餾水潤洗后再離心，重復(fù)此過程3次，然后菌體用蒸餾水定容到10mL得到菌液，分別取離心后的上清液、菌液、未離心發(fā)酵液各0.5mL進(jìn)行絮凝率測定，測定其絮凝活性。

1.3.3.3 單菌種絮凝率測定方法 對篩選后的菌種發(fā)酵液各取0.5mL，然后加入到0.1%的高嶺土懸液中，測定上清液吸光度，以此為依據(jù)比較絮凝率。

1.3.3.4 菌種培養(yǎng)時(shí)間對絮凝效果的影響 將斜面菌種接種到液體培養(yǎng)基上，30℃、150r/min振蕩培養(yǎng)，每一天取樣一次，測定其對高嶺土懸液的絮凝率。

1.3.3.5 菌種培養(yǎng)溫度對絮凝效果的影響 分別吸取不同菌株發(fā)酵液20mL，在不同溫度，水浴30min，吸取菌種發(fā)酵液10mL，測定其對高嶺土懸液的絮凝率。

1.3.3.6 不同培養(yǎng)pH條件對絮凝效果的影響 分別吸取不同菌株發(fā)酵液20mL，在不同pH條件下，30℃水浴30min，吸取發(fā)酵液10mL，測定其對高嶺土懸液的絮凝率。

1.3.3.7 最優(yōu)菌種培養(yǎng)條件正交實(shí)驗(yàn) 在溫度、pH對絮凝效果影響實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，以高嶺土懸液絮凝率為指標(biāo)，對溫度、pH、時(shí)間3個(gè)因素進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)（L16（43）），確定最優(yōu)絮凝菌種的培養(yǎng)條件，見表1。

表1 因素水平設(shè)計(jì)表（L16（43））Table.1 The design table of factor levels（L16（43））

1.3.4 復(fù)合菌種絮凝實(shí)驗(yàn) 為取得更好的絮凝沉降效果，在單菌種實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步進(jìn)行復(fù)合菌種絮凝實(shí)驗(yàn)。各取每種菌種的發(fā)酵液1mL，分別兩兩、三三、四四等進(jìn)行復(fù)配，再取復(fù)配后的發(fā)酵液0.5mL加入到0.1%的高嶺土懸液中。根據(jù)馬鈴薯淀粉實(shí)際生產(chǎn)過程中，工藝廢水條件，確定在28℃pH=5，放置1h后觀察其絮凝效果，并測定絮凝率。

1.3.5 COD值、BOD5值測定 在絮凝效果測定基礎(chǔ)上，對馬鈴薯工藝廢水進(jìn)行單菌種和復(fù)配菌種降解效果比較，測定單菌種和復(fù)配后菌種COD、BOD5值，比較COD、BOD5的的去除率，COD的測定[4]采用重鉻酸鉀法；BOD5的測定[5]采用生化需氧量法，COD、BOD5值委托蘭州市環(huán)境保護(hù)局環(huán)境監(jiān)測站測定。

2 結(jié)果與分析

2.1 菌種的分離和純化

從馬鈴薯淀粉廢水中分離提純出7種不同的絮凝菌株。每種菌種發(fā)酵液各取0.5mL，然后加入到0.1%的高嶺土懸液中，觀察各種菌株發(fā)酵液對高嶺土懸液的絮凝效果，同時(shí)記錄絮凝顆粒大且高嶺土懸液上層液變?yōu)榍宄旱木辏瑴y定吸光度，計(jì)算絮凝率并篩選出4個(gè)高絮凝菌株，命名為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ。

2.2 廢水中高絮凝菌種的鑒定

對上述篩選出的菌種進(jìn)行菌種鑒定，菌種Ⅰ菌落白色，呈平面擴(kuò)散，有細(xì)細(xì)的絨毛，鏡檢觀察并結(jié)合《真菌鑒定手冊》[6]確定是白地霉；菌種Ⅱ菌落顏色為青綠色，有絨毛，鏡檢觀察并結(jié)合《真菌鑒定手冊》[6]確定是一種青霉菌；菌種Ⅲ有細(xì)細(xì)的絨毛，在菌落被挑起時(shí)中心顏色為紅色，鏡檢時(shí)菌種有松散的網(wǎng)絡(luò)狀，根據(jù)《真菌鑒定手冊》[6]鑒定是一種紅曲霉菌；菌種Ⅳ有酒香味，鏡檢觀察并結(jié)合《真菌鑒定手冊》[6]確定為酵母菌。

在進(jìn)行起壟的過程中，農(nóng)戶應(yīng)該對壟寬進(jìn)行控制，保持起壟寬度在80cm左右，壟頂寬度在54-56cm，壟高為13cm左右，同時(shí)也應(yīng)保持壟頂?shù)钠秸Ｔ谶@樣的情況下，小行距控制在35cm左右的情況下，每壟可以播種兩行花生，每穴播種單粒種子，并將播種深度控制在5cm上下，穴距控制在12cm左右。通過科學(xué)的起壟和密植，每畝地塊可以種植花生1.4萬穴，更好的提升了土地的利用率。

2.3 單菌種絮凝實(shí)驗(yàn)

2.3.1 單菌種絮凝活性的分布 實(shí)驗(yàn)測定Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四種菌株的發(fā)酵液、上清液、菌液的絮凝活性分布，結(jié)果見表2。

表2 絮凝活性測定數(shù)據(jù)表Table.2 Table of determination data about flocculation activity

從表2得出菌種絮凝率除Ⅱ菌種菌液、Ⅲ菌種菌液及其發(fā)酵液和Ⅳ的菌液的離散程度較大外，其余的均小于50%，因此各絮凝率的平均值很可靠[7]。菌體Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的絮凝活性都是：發(fā)酵液＞上清液＞菌液。因此4種菌種的發(fā)酵液的絮凝效果最好，而菌液的絮凝效果最差。

2.3.2 單菌種絮凝率測定 在以上實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，對篩選后Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四個(gè)菌種發(fā)酵液進(jìn)行單菌種絮凝率測定，見表3。

表3 單菌種絮凝率測定數(shù)據(jù)表Table.3 Table of determination data about flocculation rate of single strain

由表3的結(jié)果分析可知，Ⅰ菌的發(fā)酵液對高嶺土懸浮液的絮凝率為92.24%；Ⅱ菌為84.34%；Ⅲ菌為76.60%；Ⅳ菌的絮凝率為80.83%。由此可知，白地霉的絮凝率最高，青霉菌次之，絮凝率最低的是紅曲霉菌。

2.3.3 菌種培養(yǎng)時(shí)間絮凝效果研究 從圖1可以得到，四種菌種在培養(yǎng)2～5d的時(shí)間內(nèi)，都能達(dá)到較好的絮凝效果，其中白地霉的絮凝率均大于其他三種菌。

2.3.4 不同溫度下菌種的絮凝效果實(shí)驗(yàn) 從圖2可以得到，四種菌種在10～70℃的范圍內(nèi)，都能達(dá)到較好的絮凝效果，而且在常溫的情況下（20～35℃）可達(dá)到最佳絮凝效果，有利于馬鈴薯工藝廢水處理。相同溫度下白地霉的絮凝率均大于其他三種菌。

2.3.5 不同pH條件下各菌種絮凝效果實(shí)驗(yàn) 由圖3可以看出，pH在中性偏酸性條件下，即在pH4.0～7.5時(shí)，4種菌種經(jīng)培養(yǎng)后的發(fā)酵液對高嶺土懸液的絮凝率均大于60%，此pH范圍符合一般霉菌和酵母菌生長繁殖所需的范圍。同2.3.3、2.3.4的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，相同pH下，白地霉的絮凝率均大于其他三種菌，因此，選擇白地霉為最優(yōu)絮凝菌種。

圖1 4種菌種不同培養(yǎng)時(shí)間的絮凝率Fig.1 The flocculating rate of the four strains with different culture time

圖2 4種菌種不同溫度下的絮凝率Fig.2 The flocculation rate of four stains at different temperatures

圖3 4種菌種不同pH下的絮凝率Fig.3 The flocculating rate of the four strains with different pH

2.3.6 最優(yōu)菌種白地霉培養(yǎng)條件正交實(shí)驗(yàn) 由表4可以看出，溫度對白地霉絮凝效果影響最大，其次是pH，時(shí)間影響最小。白地霉在35℃，pH5.0，培養(yǎng)5d，以此條件做驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，絮凝率為92.39%；高于表4中其他組合的絮凝率。

表4 白地霉培養(yǎng)條件正交表L16（43）Table.4 The orthogonal table of Cultural conditions ofgeotrichum candidum.L16（43）

其他3種絮凝菌種做同上正交及驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，其最佳培養(yǎng)條件為青霉在35℃pH5.5，培養(yǎng)2d；酵母菌在35℃pH6.0，培養(yǎng)5d；紅霉在35℃pH4.5，培養(yǎng)3d，以此條件做驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，其絮凝率分別為青霉84.38%，酵母菌81.75%，紅霉為78.31%。在此條件下培養(yǎng)的菌種做復(fù)配菌種絮凝實(shí)驗(yàn)。

2.4 復(fù)配菌種絮凝實(shí)驗(yàn)

4種菌種進(jìn)行兩兩（復(fù)配比1∶1）、三三（復(fù)配比1∶1∶1）、四四（復(fù)配比1∶1∶1∶1）等復(fù)配，復(fù)配出11種復(fù)合絮凝菌種，測定其對高嶺土懸液的絮凝率，數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4 復(fù)配菌種絮凝率Fig.4 The flocculation rate of mixed strains

由圖4可以比較出11種復(fù)配菌種的絮凝率，結(jié)果為：Ⅰ+Ⅱ＞Ⅱ+Ⅲ+Ⅳ＞Ⅱ+Ⅳ、Ⅰ+Ⅳ＞Ⅰ+Ⅱ+Ⅳ＞Ⅰ+Ⅱ+Ⅲ+Ⅳ＞Ⅰ+Ⅱ+Ⅳ＞Ⅰ+Ⅱ+Ⅲ＞Ⅰ+Ⅲ、Ⅱ+Ⅲ＞Ⅲ+Ⅳ。

其中菌白地霉與青霉復(fù)配后的絮凝效果最好，絮凝率為92.47%，酵母菌與紅曲霉菌復(fù)配后的絮凝率最低為78.49%。

2.5 COD、BOD5去除效果分析

在絮凝效果測定基礎(chǔ)上，對馬鈴薯工藝廢水進(jìn)行單菌種和復(fù)配菌種降解效果比較，測定COD、BOD5值，比較COD、BOD5的去除率。

2.5.1 單菌種的COD與BOD5去除率 從圖5中可以看出，Ⅰ菌（白地霉）的COD和BOD5的去除率最高，分別達(dá)到90.32%和86.0%；Ⅲ菌（紅曲霉）的COD和BOD5的去除率最低，分別是75.06%和76.0%。

圖5 單菌種的COD與BOD5去除率Fig.5 The removal rate of COD and BOD5of single strain

2.5.2 復(fù)配菌種的COD與BOD5去除率 從圖6可以看出所有復(fù)配菌種的COD和BOD5去除率均達(dá)到60%以上，最好的復(fù)配菌是Ⅰ、Ⅱ（白地霉與青霉），COD去除率93.21%，BOD5去除率90.15%；最差為復(fù)配菌Ⅲ、Ⅳ（酵母菌與紅曲霉菌），其COD和BOD5分別達(dá)到62.31%和60.25%。

圖6 復(fù)配菌種的COD和BOD5去除率Fig.6 The removal rate of COD and BOD5of mixed strains

3 結(jié)論

3.1本研究從馬鈴薯淀粉工藝廢水中分離篩選出4種高絮凝菌株，分別是白地霉、青霉、酵母菌和紅曲霉。以高嶺土懸濁液為模擬絮凝對象，通過絮凝活性的分布實(shí)驗(yàn)4種菌種發(fā)酵液的絮凝效果最好。

3.2通過實(shí)驗(yàn)表明單菌種絮凝效果為白地霉最好，其培養(yǎng)條件為：35℃pH5.0，培養(yǎng)5d，絮凝率為92.39%。

3.3復(fù)合菌種絮凝實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，復(fù)配菌白地霉與青霉菌種的絮凝率最高為92.47%，酵母菌與紅曲霉菌種復(fù)配的絮凝率最低為78.49%。

3.4對馬鈴薯工藝廢水進(jìn)行單菌種和復(fù)配菌種降解效果比較，其中白地霉對工藝廢水中的COD和BOD5去除率最高；復(fù)配菌種白地霉與青霉復(fù)配后對馬鈴薯工藝廢水中COD去除率為93.21%，BOD5去除率為90.15%，去除率最高。

[1]王有樂，張寶茸，范志明，等.淀粉廢水培養(yǎng)復(fù)合型微生物絮凝劑產(chǎn)生菌研究[J].工業(yè)水處理，2009，29（10）：55-59.

[2]王鎮(zhèn)，王孔星，謝裕敏.幾株絮凝劑產(chǎn)生菌的特性研究[J].微生物學(xué)報(bào)，1995，35（2）：121-129.

[3]王宇，任一兵，劉文全，等.微生物絮凝劑產(chǎn)生菌的篩選及絮凝活性的測定[J].攀枝花學(xué)院學(xué)報(bào)，2009（3）：12-13.

[4]國家技術(shù)監(jiān)督局編.水質(zhì)、化學(xué)需氧量的測定、重鉻酸鹽法（GB 11914-1989）[M].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1991：1-4.

[5]環(huán)境保護(hù)部編水質(zhì)五日生化需氧量（BOD5）的測定、稀釋與接種法（HJ 505-2009）[M].北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2009：2-9.

[6]魏景超.真菌鑒定手冊[M].上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，1979：105-111，132-135，489.

[7]郝拉娣，于化東.標(biāo)準(zhǔn)差與標(biāo)準(zhǔn)誤[J].編輯學(xué)報(bào)，2005，17（2）：116-118.

Study on the flocculation of high efficient flocculation strain in potato starch wastewater

MA Shu-wen，WANG Ming-ming*
（Life Science and Engineering College，Northwest University for Nationalities，Lanzhou 730124，China）

High effective flocculation strain geotrichum candidum，penicillium，erythromycin，and yeast were isolated from potato starch waste water.Choosing kaolin suspension as the research object，authors had carried out flocculation experiments on single strain and mixed strains，respectively.These cultivation conditions were optimized and the flocculation rate，COD values，and BOD5values were determined in this experiment. The effective flocculation method was found was to be with geotrichum candidum and under the flocculation rate of 92.39%，when single strain was flocculated.Cultivated in waste water medium，the best flocculation effect of geotrichum candidum was achieved under the optimized conditions，which were the temperature of 35℃，the pH of 5.0，and a fermentation time of 5d.The removal efficiencies of COD and BOD5were 90.32% and 86.0%，respectively.In the case of the flocculation of mixed strains，the best flocculation effect was realized with the combination of geotrichum candidum and penicillium，with a flocculating rate at 92.47%.The removal efficiency of COD and BOD5were 93.21%and 90.15%，respectively.

potato starch wastewater；high flocculating strain；flocculation rate

TS201.3

A

1002-0306（2014）04-0170-05

2013－05－24 *通訊聯(lián)系人

馬姝雯（1963-），女，大學(xué)本科，副教授，研究方向：農(nóng)產(chǎn)品深加工。

甘肅省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（101RJZA081）。