嗜酸光合細菌耦合萎縮芽孢桿菌降解馬鈴薯加工淀粉廢水條件優化

曾 軍,武 磊,高 雁,楊紅梅,林 青,霍向東

(1.新疆農業科學院微生物應用研究所/新疆特殊環境微生物實驗室,烏魯木齊 830091;2. 克拉瑪依瑞恒畜牧開發有限責任公司,新疆克拉瑪依 834000)

0 引 言

【研究意義】淀粉加工業是我國重要的農產品加工業[1]。針對于玉米和馬鈴薯為原材料的淀粉加工廢水[2-3],需研發出新型處理技術。基于光合細菌的污水處理是目前能夠同時達到環境效益和經濟效益的相統一的方法[4]。光合細菌生物量與污染物去除效率成正相關,而廢水pH值是制約其污染物高效降解的主要因素[5-8]。利用嗜酸光合細菌開展一步法原位廢水處理對于降低廢水處理成本具有重要意義。【前人研究進展】對于淀粉廢水處理主要分為生化法和化學絮凝法,其中生化處理方法因其處理濃度高、速度快、成本低廉等優點而被應用最為廣泛[9-11]。目前,生化處理法主要集中在一是厭氧處理法,該技術主要采用廢水中原生菌株發酵,其缺點是厭氧發酵過程中往往伴隨有大量惡臭氣體排出污染環境,雖然近些年來該技術與污水處理設施及絮凝法相結合,處理能力和效率雖有提升但仍存在大量問題而未被廣泛使用[12-14];二是好氧處理法,該技術所需反應時間短,惡臭氣體少,但由于其僅能處理COD含量較低的廢水,而對于淀粉廢水往往需要結合活性污泥法一起使用[15-17]。光合細菌法處理淀粉廢水是近10年來興起的廢水處理技術,其克服了厭氧處理法的效率低下及惡臭氣體不可控,同時其能夠耐受高濃度有機物,并且其自身含有反硝化基因,硫代謝基因能夠將水體有機物降解的同時還能降解水體氨氮,磷酸鹽,硫化物等達到脫臭目的[18-20]。【本研究切入點】目前,關于光合細菌降解淀粉廢水主要集中在單菌或者與其他菌株復配,并且結果顯示其發揮降解效果需要中性偏堿環境,而酸性廢水首先需要調節pH值至中性,提高了處理成本,而對于酸性環境直接利用嗜酸光合細菌處理酸性廢水研究,尚未見報道[21-25]。需研究嗜酸光合細菌耦合萎縮芽孢桿菌在實驗室條件下降解馬鈴薯淀粉廢水污染物。【擬解決的關鍵問題】研究光合細菌和萎縮芽孢桿菌復配比例、接種量、培養方式等,優化出實驗室條件下淀粉廢水污染物(COD、氨氮、硫醇、硫化氫等)高效降解工藝,探討2株菌協同降解廢水機制。

1 材料與方法

1.1 材 料

1.1.1 淀粉廢水

淀粉廢水樣品采集于新疆阿克蘇地區拜城縣某馬鈴薯淀粉生產企業淀粉廢水收集池。

1.1.2 菌種

嗜酸光合細菌RhodoblastussphagnicolaPNSB-MHW由研究組實驗室分離和鑒定并且保藏于中國普通微生物菌種保藏管理中心(保藏號:CGMCC NO:20882)。萎縮芽孢桿菌(Bacillusatrophaeus)由研究組實驗室分離和鑒定并且保藏于新疆農業科學院微生物應用研究所。

1.1.3 儀器

消化爐(聚創JC-XH-20C型),恒溫光照培養箱(上海一恒MGC-250BP-2型光照培養箱),超凈工作臺(上海SC-CJ-3FD),滅菌鍋(上海申安LDZH-100L),分光光度計(上海儀電分析L5),光照培養箱(上海博訊BSD-250),COD檢測儀(北京連華永興科技有限公司5B-3C(V8),酸堿測定儀(上海雷磁pHSJ-3F)。

1.1.4 培養基

MRS培養基(青島海博生物),NB培養基(青島海博生物),NA培養基(青島海博生物),RCVBN培養基(青島海博生物)。

1.1.5 菌種活化

光合細菌液體活化使用RCVBN培養基,培養基配制和滅菌按照說明書操作,30℃條件下,光照強度5 000 lx,靜置培養7 d;固體培養采用雙層平板法:將菌種畫線或者均勻接種于RCVBN培養基上然后在平板上層倒入40℃左右1.5%的無菌瓊脂溶液,封蓋在平板表面,凝固后倒置放入光照培養箱,30℃條件下,光照強度5 000 lx,培養7 d。萎縮芽孢桿液體菌種活化采用NB培養基,培養基配制和滅菌按照說明書操作,接種量10%,液體培養于30℃,150 r/min轉速震蕩培養24 h。固體培養使用NA培養基,培養基配制和滅菌按照說明書操作。

某中學綜合樓抗震性能化設計思路與實現方案研究……………………………………………… 李軒直，余文柏（3-1）

1.2 方 法

1.2.1 試驗設計

取300 mL馬鈴薯淀粉廢水裝入500 mL透明三角瓶中,每組實驗5個重復。處理組:①菌株最佳復配比例(光合細菌:萎縮芽孢桿菌=1∶1,1∶5,1∶10,1∶100,5∶1,10∶1,100∶1);②復合菌接種量(1%,5%,10%,15%,20%,30%);③培養方式:光照厭氧培養,30℃條件下,光照強度5 000 lx,靜置培養;④黑暗好氧,30℃條件下,放置于搖床避光150 r/min轉速震蕩培養;⑤光照厭氧-黑暗好氧,30℃條件下,光照強度5 000 lx,靜置培養72 h之后,厭氧光照∶黑暗好氧=12 h ∶12 h繼續培養72 h,黑暗階段150 r/min震蕩培養,連續重復循環培養。⑥乙酸鈉添加量(0、1、3、5 g/L),實驗培養均為1周。

1.2.2 測定指標

淀粉廢水中化學需氧量值(COD)測定采用行業標準HJ 828-2017水質化學需氧量的測定重鉻酸鹽法;水體氨氮檢測采用行業標準HJ 535-2009納氏試劑分光光度法;硝氮和亞硝酸鹽檢測參照行業標準HJT 346-2007水質硝酸鹽氮的測定紫外分光光度法,總磷含量測定參照國家標準GB/T11893-1989水質總磷的測定鉬酸銨分光光度法。

1.3 數據處理

使用SPSS 21.0 軟件和Microsoft Excel 2010進行實驗數據的統計分析及作圖,采用單因素ANOVA進行方差分析。

2 結果與分析

2.1 淀粉廢水理化指標

研究表明,馬鈴薯淀粉廢水中化學需氧量(COD)值超過了(10 842 ± 421.00) mg/L,pH 4.98,屬于高有機質酸性廢水。此外,淀粉廢水在存放中散發著濃郁的臭味,氨氣含量(351.32±12.10) mg/L,硫化氫氣味31 mg/L,總磷(324.79±10.04) mg/L。

2.2 光合細菌與萎縮芽孢桿菌復配對淀粉廢水COD的降解影響

2.2.1 淀粉廢水對光合細菌與萎縮芽孢桿菌生長的影響

研究表明,RhodoblastussphagnicolaPNSB-MHW(PSB)接種入馬鈴薯淀粉廢水第2 d開始進入生長指數期,第8 d達到平臺期,并且其能夠在初始pH 4.5左右情況下生長,發酵結束后pH在8.0～9.0。由于萎縮芽孢桿菌(Bacillus atrophaeus)(BA)最適生長pH為6.5～7.0,將淀粉廢水液初始pH調節為7.0,菌株在淀粉廢水中第2 d起進入指數期,第5 d進入對數期,并且發酵液pH值隨著培養時間的增加而降低,在第5 d時pH降低至4.0左右,之后其pH始終維持在該水平。圖1

注:A:光合細菌生長曲線;B:萎縮芽孢桿菌生長曲線

2.2.2 淀粉廢水對光合細菌與萎縮芽孢桿菌復合菌生長的影響

研究表明,BA在起始培養pH 4.5不生長,菌體濃度基本沒有變化,而復配PSB后,BA菌體濃度在第4 d開始呈現出上升趨勢,其培養16 d的菌體濃度是單獨培養的2倍。PSB菌體濃度隨著培養時間增加而增加,而復配BA后光合細菌菌體濃度呈現出直線上升趨勢,其活菌數是單獨培養的4倍左右。BA 培養液pH沒有發生變化維持在初始狀態,PSB培養液pH隨培養時間增加而升高,最終升高至7.5左右,而復合菌pH呈現出培養前8 d隨時間增加而增加,但第9 d開始急劇下降,到11 d時下降到達最低的5.0,隨后又呈現出直線上升趨勢,最后pH為8.5左右。圖2

注:A:添加光合細菌對萎縮芽孢桿菌生長的影響;B:添加萎縮芽孢桿菌對光合細菌的影響;C:復合菌發酵淀粉廢水pH值變化曲線

2.2.3 光合細菌與萎縮芽孢桿菌復配比例對淀粉廢水COD的降解效率影響

研究表明,BA活菌數較高條件下比PSB數量較高處理下淀粉廢水降解效率要更低,而PSB∶BA=10∶1的比例下COD降解效率最高,達到了89.23%。BA活菌數較高處理下發酵結束時pH較低,而PSB較高處理下發酵結束時pH值較高在8.0～8.7。隨著BA接種量的提高其沉降速度逐漸降低,而隨著PSB數量的提高,沉降速度顯著的提高。PSB∶BA=10∶1無論是在COD降解率還是在最后的絮凝沉降效果均表現的最好,復合菌PSB∶BA=10∶1比例條件下144 h COD降解效率接近90%。圖3

注:A:復合菌復配比例對馬鈴薯淀粉廢水COD降解率的比較;B:馬鈴薯淀粉廢水復合菌不同復配比例降解后pH值比較;C:光合細菌和萎縮芽孢桿菌不同復配比例對馬鈴薯淀粉廢水降解后絮凝沉降速度比較;D:光合細菌和萎縮芽孢桿菌10∶1復配對馬鈴薯淀粉廢水COD降解率的影響驗證

2.3 淀粉廢水COD降解效率的影響因素

2.3.1 復合菌接種量對淀粉廢水COD降解效率的影響

研究表明,隨著復合菌接種量的提高淀粉廢水COD降解效率呈現出先升高后降低趨勢,其中接種量超過15%時淀粉廢水降解率均超過90%,之后降解率并未有顯著提升,確定復合菌接種量為15%。圖4

圖4 復合菌接種量處理下馬鈴薯淀粉廢水降解效率變化

2.3.2 培養方式對淀粉廢水COD降解效率的影響

研究表明,光照厭氧-黑暗好氧條件下COD降解效率最高為95%,其次是黑暗好氧處理。由于光合細菌能夠在厭氧光照條件下快速生長降解COD同時產堿,而萎縮芽孢桿菌屬于好氧菌需要在有氧氣條件下才能起作用,設定的光照厭氧-黑暗好氧條件是首先進行光照厭氧72 h,讓嗜酸光合細菌生長產堿,之后厭氧光照∶黑暗通氧=12 h∶12 h,進行反應,在此條件下其COD降解效率為95.21%。圖5

圖5 不同培養條件下淀粉廢水COD降解效率比較

2.3.3 外源添加乙酸鈉對淀粉廢水的降解效率的影響

研究表明,添加不同濃度乙酸鈉均可以提高淀粉廢水COD的降解率,但提高幅度并不大,添加1 g/L的乙酸鈉能夠將廢水COD降解率提高至98%左右。圖6

圖6 乙酸鈉添加量處理下淀粉廢水COD降解效率變化

2.4 復合菌對淀粉廢水總體污染物降解效果評價

研究表明,復合菌在最佳條件下6 d對水體中氨氮,硝態氮,總磷降解率均>98%,并且對于淀粉廢水惡臭源的硫醇和硫化氫降解效率也達到了98%以上,水質達到了國家污水排放標準。圖7

圖7 復合菌處理下淀粉廢水污染物降解曲線

3 討 論

3.1 馬鈴薯淀粉廢水降解條件優化

研究結果顯示RhodoblastussphagnicolaPNSB-MHW和Bacillusatrophaeus按照活菌數10∶1比例復配,接種量為廢水總體積的15%,30℃,0～72 h先進行厭氧光照(1 000～2 000 lx)培養,之后厭氧光照∶黑暗好氧=12 h ∶12 h繼續培養72 h,培養前在污水中添加1 g/L乙酸鈉能夠使淀粉廢水COD降解率達到98.21%,對水體中氨氮,硝氮,總磷,硫醇,硫化氫等污染物降解效率均達到了98%以上,同時發酵結束后發酵液pH=8.0～8.5,在此pH條件下,菌體開始自絮凝,其能夠將污水中懸浮性顆粒以及高色度的顆粒性物質沉淀(8 cm/h)。該結果也與其他利用光合細菌處理馬鈴薯淀粉廢水相關研究結果一致。采用類球紅桿菌單菌,連續光照培養42 h,之后采用間歇曝氣對淀粉廢水進行處理,其廢水COD降解率達到了98.1%[25]。王劍秋等[7]采用紫色非硫光合細菌配合污水處理設施SBR對淀粉廢水進行處理COD去除率最高達到90%。這些研究共同的工藝條件均為單菌或者以光合細菌為核心,并且其中最主要的一個工藝就是需要先對馬鈴薯廢水pH值進行調節至中性,以及處理結束后需要使用絮凝沉淀工藝。

3.2 復合菌降解淀粉廢水機理

研究所使用的嗜酸光合細菌與萎縮芽孢桿菌由于其最適生長pH值的不同,而造成了2株菌生態位的分化。由于萎縮芽孢桿菌能夠利用淀粉類物質產生吲哚乙酸,而該植物激素又能夠促進光合細菌生長,因此使得其具有耦合降解淀粉廢水的潛力[26-27]。由于淀粉廢水中含有大量的有機酸,蛋白質等物質,其能夠作為光合細菌電子受體而被利用,從而使得光合細菌處理后的淀粉廢水溶液pH升高,而pH值的升高又激活了萎縮芽孢桿菌的活性。通過黑暗好氧培養從而促進芽孢類菌株的生長產生淀粉酶類進而加速廢水COD的降解速率。此外,由于在酸性條件下萎縮芽孢桿菌能夠產生芽孢從而對較低pH具有耐受性,而當pH升高其活性激活后,繼而采用好氧處理方式從而使得萎縮芽孢桿菌快速生長,其利用淀粉等物質所產生的糖類又將廢水pH降低,而光合細菌利用所產生的有機酸使得廢水中pH在一段時間內保持平穩,當淀粉中酸類物質消耗殆盡后水體中pH升高至8.0～8.5。在堿的作用下光合細菌菌體以及其他細菌和蛋白質表面都帶有負電荷從而使水體開始出現絮凝沉淀[28]。

4 結 論

處理淀粉廢水最佳的復配比例為PSB∶BA=10∶1、接種量=15%、厭氧光照∶黑暗通氧=12 h∶12 h的培養條件下,最終實現淀粉廢水污染物(COD,氨氮,硫醇,硫化氫等)實驗室一步法高效降解(降解率>98%)。