酵母菌在廢水處理中的應用

韋嘉怡 張藝凡 王 藝 王科雅 張致遠 張 政 付夢杰

(南京工程學院 環境工程學院,江蘇 南京 211167)

在可持續發展的要求下,做好污水處理工作對于改善人居環境,加快生態文明建設,推動發展綠色低碳經濟,建設美麗中國具有重要的意義。高濃度有機廢水、含重金屬離子廢水和有毒廢水的排放會對生態系統造成影響,如:產生的沼氣發生爆炸,對自然湖泊造成污染等,也會對人體健康產生危害。近年來,酵母菌在廢水處理方面的研究不斷增加,此方面的研究論文數量也在穩定上升。

20世紀70年代后期,日本國稅廳釀造研究所開始研究酵母菌廢水處理技術,Yoshizawa[1]發表了相關的文章,引起了人們對酵母菌廢水處理技術的重視。20世紀90年代,日本最先實現了利用酵母菌進行廢水處理。該技術在日本得到了廣泛認可,已有50多家工廠采用了該技術處理廢水(如味精廢水、啤酒廢水、豆制品廢水、水產品加工廢水等)[2]。酵母菌是一類真核微生物的通俗名稱,一般具有以下5個特點[3]:(1)個體一般以單細胞狀態存在;(2)增殖方式大多為出芽繁殖,也有的為裂殖;(3)能發酵糖類產能;(4)細胞壁中含有甘露聚糖;(5)喜在高糖、強酸的水生環境中生長。酵母菌自身的特點使得它在高濃度有機廢水、含重金屬離子廢水和有毒廢水處理方面有廣泛的應用前景,近年來成為研究熱點。

1 酵母菌在高濃度有機廢水處理中的應用

高濃度有機廢水主要來自化工制藥、印染以及食品加工等過程。此類廢水中有機物濃度高、pH低,化學需氧量(COD)可高達幾萬甚至幾十萬(單位mg·L-1),且成分復雜。該類廢水若直接排放會對水環境以及人體健康造成嚴重危害。我國高濃度有機廢水分布廣泛且產生量大,一直是廢水處理的一大難題。目前常用的高濃度有機廢水處理方法有分離減量、化學氧化、生物降解等,但仍只能解決部分問題。利用酵母菌處理該類廢水不僅高效廉價,某些工藝中還可以得到單細胞蛋白,實現資源化利用,創造一定的經濟效益[4]。

1.1 酵母菌對大豆加工廢水的處理

我國豆制品大多以作坊形式進行生產,生產規模較小但分布廣泛。因此豆制品生產場所的廢水較難集中處理。豆制品主要以豆腐為主,排放水COD一般較高,最高可達幾萬。周敬敬[5]利用產朊假絲酵母菌在最佳條件下,即轉速160 r·min-1、溫度28 ℃、酵母菌投加量20%、初始COD為4 800 mg·L-1、處理時間18 h,處理大豆加工廢水,其COD去除率可達到90%。酵母菌對此類廢水去除效率高,且無二次污染。

1.2 酵母菌對皂素廢水的處理

皂素廢水是一種具有色度大、污染物濃度高、強酸性、溫度高等特點的高濃度有機廢水。其中,黃姜皂素生產廢水中含有大量的無機酸與有機物,其pH約為1～2,COD高達10 000～20 000 mg·L-1,色度≥1 000,BOD/COD=0.5～0.7,可生化性強[6]。凌云[7]通過研究發現,在溫度30 ℃,pH=4.0,廢水停留時間為5 d的條件下,進水COD為15 000 mg·L-1,出水COD在1 200 mg·L-1左右。雖然仍沒有達到排放標準,但其操作簡便,COD降低明顯,為今后對皂素廢水的處理提供了基礎。

1.3 酵母菌對味精廢水的處理

味精廢水是提取味精過程中的廢水,主要含菌體蛋白、氨基酸、有機酸、殘鹽、殘糖及硫酸根等污染物,COD高達20 000～70 000 mg·L-1,具有強酸性,是典型的高濃度有機廢水。如果不加處理就大量排放,將會改變水體的pH值,從而污染環境、影響農作物生長與漁業生產等。黑亮等[8]利用酵母菌對味精廢水進行連續小試處理發現,酵母菌生長的適宜溫度為28～30 ℃,pH在6.0以下。將酵母菌在好氧條件下直接處理味精廢水,出水COD的去除率基本上穩定在80%～88%之間。此外,分析出水的酵母菌,發現其中含有一定量的蛋白質,可作為單細胞蛋白進行回收利用。

1.4 酵母菌對纖維素乙醇廢水的處理

纖維素乙醇通過預處理和酶解手段先將富含木質纖維素的原料水解成富含可利用糖(葡萄糖、木糖等)的纖維素水解液,再經過乙醇發酵和精餾工藝獲得[9]。在木質纖維素水解工藝中,廢水中會殘留大量的半纖維素和木質素。因此,纖維素乙醇廢水具有COD高、固體懸浮物含量高、色度高、pH低等特點。劉猛[10]利用纖維素乙醇廢水培養黏紅酵母生產微生物油脂,其中累積的油酸可以抵抗不良環境,對纖維素乙醇廢水的處理效果良好,對COD、總氮(TN)、總磷(TP)的去除率分別達到83.15%、70.52%、90.16%,不僅能夠有效去除COD,對TN、TP也有較好的去除效果。但是其出水水質仍無法達到排放標準,還需要進行后續處理來提高水質。

2 酵母菌在含重金屬離子廢水處理中的應用

重金屬在水體中可以以陽離子、氧化陰離子或有機絡合物形式存在,它們大多來源于人類活動產生的酸性物質,如工業廢水、垃圾填埋場滲濾液、城市和農業廢水等。隨著工業的迅速發展,越來越多含有重金屬的廢水在未經處理的情況下被排入水體中,造成水體的污染[11]。物理法與化學法處理濃度較低的重金屬廢水時,原材料成本較高、生產周期長且容易造成二次污染。采用酵母菌對重金屬廢水進行處理具有原料來源豐富、去除效率高、選擇性好、成本較低、無二次污染等特點,具有廣闊的發展前景。

2.1 酵母菌對含六價鉻離子廢水的處理

Cr6+對人體傷害十分嚴重。如鉻酸鹽,當其溶解時易揮發,會對暴露的皮膚造成腐蝕。攝入大量六價鉻會對腎臟與肝臟造成損傷,還易引起惡心、腸胃不適等。邵昭[12]以酵母菌作為吸附劑對Cr6+進行動力學與熱力學吸附,吸附過程符合準二級動力學方程與Langmuir模型。對 Cr6+吸附的最佳溶液初始pH值為2,吸附量會隨著菌體投量的增加而下降。

2.2 酵母菌對含鎳離子廢水的處理

Ni2+是重金屬離子污染中常見的一種,過量的Ni2+會引起心、肺、腦、肝和腎的病變。含Ni2+的廢水排入水體中也會嚴重影響食物鏈,對人體造成危害。吳會軍[13]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+進行生物吸附,結果表明,在最佳處理條件下,固定化啤酒酵母菌對Ni2+的吸附率可以達到80.17%。因此,用酵母菌可以有效處理含Ni2+的廢水。

2.3 酵母菌對含汞離子廢水的處理

水中的Hg2+主要來源于貴金屬回收、金屬冶煉廠、電池以及體溫計等的生產過程。大量Hg2+隨廢水被排入水體中會對水體及人類健康產生影響。朱一民等[14]利用啤酒酵母菌對Hg2+進行生物吸附,發現啤酒酵母菌對Hg2+吸附效果良好,在最佳條件下,對Hg2+的去除率可達到96%。因此在處理廢水中的Hg2+時可以優先考慮酵母菌。

3 酵母菌在有毒廢水處理中的應用

近年來,隨著石油加工、有機化工、農藥等重污染行業的發展,廢水中有毒有機物的排放對水環境與飲用水安全造成了威脅。常見的有毒有機物有苯酚、甲胺磷、阿維菌素等。此類有毒有機物易污染地下水及土壤,人體長期暴露在有毒環境中容易誘發癌癥等疾病。

3.1 酵母菌對含苯酚廢水的處理

苯酚是典型的酚類污染物,在難降解有毒廢水中出現頻率較高。苯酚含量超過5.5 mg·L-1即可引起水中生物的死亡,當攝入量超過1 g·kg-1時,會造成動物和人死亡。周江亞等[15]從苯酚降解顆粒污泥中分離出假絲酵母菌。在酵母菌投量0.41 g·L-1、苯酚初始質量濃度1.03 g·L-1、溫度30.04 ℃的最佳條件下,苯酚的降解率可達到99.1%。利用假絲酵母菌降解苯酚具有快速有效、科學合理的特點,對含苯酚廢水的處理具有指導作用。

3.2 酵母菌對含甲胺磷廢水的處理

甲胺磷是一種劇毒有機磷殺蟲劑,近年來產量居于國家農藥之首,但其同時也會對環境引起嚴重的污染與危害。劉斌斌等[16]從廢水中分離出魯式酵母菌WY-3,該菌可以利用甲胺、乙胺、硫酸銨作氮源生長,并能夠有效降解甲胺磷。這給含有機磷農藥廢水的處理提供了新的思路,但有待進一步研究和應用。

3.3 酵母菌對阿維菌素發酵廢水的處理

阿維菌素是一種高效農藥抗生素,是阿維鏈霉菌經深層液體發酵產生的,主要用于農作物殺蟲以及動物體內外驅蟲。阿維菌素發酵廢水具有高COD、高氮、高磷等特點,并具有一定的毒性。宋新明[17]以阿維菌素為原料配置培養液,經酵母菌發酵處理后可實現阿維菌素發酵廢水再利用。此舉大大降低了阿維菌素對環境的污染,且符合可持續發展要求。

4 結語

目前,酵母菌已可以應用于處理多種類型的廢水,相較于傳統的活性污泥處理,酵母菌對廢水的處理效率能夠高出數倍。然而,在利用酵母菌處理廢水的過程中仍然存在著一些問題。首先,酵母菌通常僅用于廢水的預處理過程,為保障出水水質,還需要增加后續處理。第二,利用酵母菌處理廢水需要對pH進行控制,一般在酸性條件下運行,且pH不能低于2.5,否則會產生抑制作用。第三,酵母菌的培養需要適合的生存條件與足夠的馴化時間。第四,酵母菌屬于繁殖力較強的異養細菌,酵母菌的大量繁殖會對水體中的其他細菌造成影響。第五,酵母菌對有機物的污染有較強的處理效果,對硝酸鹽等污染物的處理效果不明顯。因此應結合實際情況對酵母菌進行多方面的研究。如,對酵母菌進行基因改造,以獲得品質優良的菌種,在保證處理效果的前提下,降低成本、實現資源化利用,以滿足生產與應用。