高效微生物絮凝剂产生菌GL-6发酵条件优化及对含油废水处理的研究

高效微生物絮凝剂产生菌GL-6发酵条件优化及对含油废水处理的研究

高艺文1,李伟斯2,李政1,杨磊1

(1.辽宁石油化工大学化学化工与环境学部，辽宁 抚顺 113001；2.临沂市环境保护局，山东 临沂 276000)

摘要：从油田采出水中分离筛选出一株高效微生物絮凝剂产生菌GL-6(芽孢杆菌，Bacillus sp.)，通过单因素实验(碳源浓度、有机氮源浓度、初始pH值)和3因素3水平正交实验确定GL-6的最佳发酵条件。结果表明，在碳源浓度为20 g·L-1、有机氮源浓度为0.5 g·L-1、初始pH值为7.0的发酵条件下，菌株GL-6所产絮凝剂的絮凝效果最好。在最佳发酵条件下，微生物絮凝剂对含油废水中浊度、石油类和COD 的去除率分别达到92.4%、62.1%和20.0%，絮凝效果优于无机絮凝剂，具有广阔的应用前景。

关键词：微生物絮凝剂产生菌；发酵条件；含油废水

基金项目：辽宁省教育厅科学研究项目(L2014148)

收稿日期：2015-04-30

作者简介：高艺文，女，山东龙口人，研究方向：水污染控制，E-mail:1783234693@qq.com;通讯作者：李政，博士，讲师，E-mail:lizheng.zz@163.com。

doi：10.3969/j.issn.1672-5425.2015.09.014

中图分类号：X 703 文献标识码：A

微生物絮凝剂(microbial flocculant，MBF)是一种由微生物产生的有絮凝活性的有机高分子物质[1-2]。微生物絮凝剂是一种新兴的绿色水处理剂，与传统絮凝剂相比，具有安全、高效、可生物降解、无毒、无二次污染等特点，因此有逐步取代传统絮凝剂的趋势，受到了越来越多的关注[3-5]。但由于用量大、成本高等问题制约了其发展应用[6-8]。因此，寻找高效微生物絮凝剂产生菌，优化其发酵条件具有现实意义。

作者从油田采出水中筛选获得一株絮凝剂产生菌GL-6，通过单因素实验和正交实验确定GL-6的最佳发酵条件，考察在最佳发酵条件下所得微生物絮凝剂对含油废水的处理效果，以期为微生物絮凝剂在含油废水处理领域的应用提供参考。

1实验

1.1　材料、培养基与仪器

絮凝剂产生菌GL-6筛选自油田采出水，经鉴定为芽孢杆菌(Bacillussp.)。

含油废水来源于某炼油厂污水处理车间隔油池后未加絮凝剂处理的污水，水质指标：浊度80 FTU，石油类150.23 mg·L-1，COD 835.42 mg·L-1。

发酵培养基：葡萄糖 20 g，酵母膏 0.5 g，尿素 0.5 g，K2HPO45 g，KH2PO42 g，(NH4)2SO40.2 g，MgSO4·7H2O 0.2 g，蒸馏水 1 000 mL，pH 值7.0～7.2。

OIL-510型红外分光测油仪，北京华夏科创仪器技术有限公司；微波密封消解COD速测仪，德国Berghof；SH-2500H型便携式浊度仪，上海海恒机电仪表有限公司；DBJ-623型六联变速搅拌机，解放军四三三二厂；HZQ型水浴振荡器，哈尔滨东联电子技术开发有限公司。

1.2　方法

1.2.1菌株GL-6最佳发酵条件的确定

通过单因素实验考察碳源浓度(5 g·L-1、10 g·L-1、15 g·L-1、20 g·L-1、25 g·L-1、30 g·L-1)、有机氮源浓度(0.1 g·L-1、0.3 g·L-1、0.5 g·L-1、0.7 g·L-1、0.9 g·L-1)和初始pH值(5.0、6.0、7.0、8.0、9.0、10.0)对GL-6所产微生物絮凝剂絮凝效果的影响。

在单因素实验的基础上，选取碳源浓度、有机氮源浓度和初始pH值进行3因素3水平正交实验。

1.2.2絮凝实验

在500 mL烧杯中加入300 mL含油废水和5 mL GL-6发酵液，置于六联变速搅拌机上搅拌，分别先后设置转速和时间为快速200 r·min-1搅拌2 min，慢速20 r·min-1搅拌5 min，搅拌完成后静置10 min。在烧杯内同一高度用注射器吸取上清液，测定微生物絮凝剂对含油废水的处理效果。

1.2.3浊度、石油类和COD去除率的测定

含油废水的浊度采用浊度计法[9]测定，按GB/T 16488-1996对含油废水的石油类含量进行测定，参照文献[10]对含油废水的COD值进行测定。

2结果与讨论

2.1　碳源浓度的影响

在发酵培养基中分别加入5 g·L-1、10 g·L-1、15 g·L-1、20 g·L-1、25 g·L-1、30 g·L-1的葡萄糖作为唯一碳源，在30 ℃、120 r·min-1的条件下培养48 h，测定微生物絮凝剂对含油废水中浊度、石油类和COD的去除效果，结果如图1所示。

图1　碳源浓度对絮凝效果的影响 Fig.1　Effect of carbon source concentration on flocculation efficiency

由图1可知，随着葡萄糖浓度的增加，菌株GL-6所产微生物絮凝剂对含油废水中浊度、石油类、COD的去除率呈先上升后下降的趋势；当葡萄糖浓度为20 g·L-1时，微生物絮凝剂对含油废水的处理效果达到最优。由此可知，在一定浓度范围内提高葡萄糖的添加量，对微生物絮凝剂产生菌产絮能力的提高有促进作用；但是葡萄糖的添加量过高，会对菌株的产絮能力有抑制作用。这可能是因为：葡萄糖过量的情况下会发生不完全氧化的现象，产生的中间产物(如丙酮酸、乳酸、乙酸等)会使培养基由中性变为酸性，进而抑制微生物絮凝剂产生菌的生长[11]。因此，初步确定发酵培养基的最佳碳源浓度为20 g·L-1。

2.2　有机氮源浓度的影响

在发酵培养基中以20 g·L-1的葡萄糖作为碳源，然后分别加入0.1 g·L-1、0.3 g·L-1、0.5 g·L-1、0.7 g·L-1、0.9 g·L-1的酵母膏作为有机氮源，在30 ℃、120 r·min-1的条件下培养48 h，测定微生物絮凝剂对含油废水中浊度、石油类和COD的去除效果，结果见图2。

图2　有机氮源浓度对絮凝效果的影响 Fig.2　Effect of organic nitrogen source concentration on flocculation efficiency

由图2可知，随着酵母膏浓度的增加，菌株GL-6所产微生物絮凝剂对含油废水中浊度、石油类、COD的去除率呈先上升后下降的趋势；当有机氮源浓度为0.7 g·L-1时，微生物絮凝剂对含油废水的处理效果达到最优。由此可知，一定浓度的有机氮源对微生物絮凝剂产生菌产絮能力的提高有促进作用；但是过高浓度的有机氮源会对菌株的产絮能力有抑制作用。这可能是因为：碳源浓度一定、有机氮源过量的情况下，碳氮比减小，系统呈营养失衡状态，不利于微生物絮凝剂产生菌的生长，导致絮凝活性降低。因此，初步确定发酵培养基的最佳有机氮源浓度为0.7 g·L-1。

2.3　初始pH值的影响

将发酵培养基的初始pH值分别设定为5.0、6.0、7.0、8.0、9.0、10.0，在30 ℃、120 r·min-1的条件下培养48 h，测定微生物絮凝剂对含油废水中浊度、石油类和COD的去除效果，结果如图3所示。

图3　初始pH值对絮凝效果的影响 Fig.3　Effect of initial pH value on flocculation efficiency

由图3可知，随着初始pH值的升高，含油废水中浊度、石油类、COD的去除率升高，当初始pH值为7.0时，处理效果最好，浊度、石油类和COD的去除率均达到最大值。此后，随着初始pH值的继续升高，处理效果逐渐变差。这可能是因为：过酸或过碱的环境不利于菌体生长，对代谢产物的生成产生不良影响，使絮凝效果变差[12-13]。另外，体系pH值会改变微生物表面的电荷性质，进一步影响微生物絮凝剂的絮凝效果[14]。可见，菌株GL-6适于在中性偏碱性的条件下进行发酵，所产微生物絮凝剂对含油废水中浊度、石油类、COD的去除率达到最大。因此，初步确定发酵培养基最佳初始pH值为7.0。

2.4　正交实验

结合单因素实验，设计碳源浓度、有机氮源浓度和初始pH值的3因素3水平正交实验，优化GL-6的发酵条件，正交实验的结果与分析见表1。

表1正交实验的结果与分析

Tab.1Results and analysis of orthogonal experiment

编号有机氮源浓度g·L-1碳源浓度g·L-1初始pH值石油类去除率%10.5207.063.7120.5258.059.9230.5309.057.2540.7209.060.6450.7257.058.6360.7308.059.5270.9208.060.1880.9259.059.3790.9307.058.14k160.29361.51060.867k259.59759.30759.567k359.23058.30358.687R1.0633.2072.180

从表1可看出，菌株GL-6的发酵条件对含油废水中石油类去除率影响的主次顺序为：碳源浓度>初始pH值>有机氮源浓度。该微生物絮凝剂产生菌的最佳发酵条件为：碳源浓度20 g·L-1，有机氮源浓度0.5 g·L-1，初始pH值7.0。

2.5　最优发酵条件下的絮凝效果

菌株GL-6在葡萄糖20 g·L-1、酵母膏0.5 g·L-1、初始pH值7.0的发酵培养基中，于30 ℃、120 r·min-1条件下培养48 h，获得微生物絮凝剂。分别使用相同浓度的微生物絮凝剂、聚合氯化铝(PAC)和聚丙烯酰胺(PAM)处理相同的含油废水，比较3者对含油废水的处理效果，结果如图4所示。

图4　不同絮凝剂絮凝效果比较 Fig.4　Flocculation efficiency comparison of different flocculants

由图4可知，对菌株GL-6的发酵条件进行优化后，所产MBF对含油废水中浊度、石油类和COD的去除率分别达到92.4%、62.1%和20.0%。MBF、PAC和PAM对含油废水中浊度的去除能力相当，均在90%以上；MBF、PAC和PAM对石油类的去除率分别为62.1%、35.9%、41.3%，对COD的去除率分别为20.0%、15.6%和13.6%，因此与无机絮凝剂相比，MBF对石油类和COD的去除效果更好。

3结论

从油田采出水中分离筛选出一株高效微生物絮凝剂产生菌GL-6(芽孢杆菌，Bacillussp.)，通过单因素实验和正交实验得到微生物絮凝剂产生菌GL-6的最佳发酵条件为：葡萄糖20 g·L-1，酵母膏0.5 g·L-1，初始pH值7.0。菌株GL-6在最优发酵条件下所产微生物絮凝剂对含油废水中浊度的去除率为92.4%，对石油类的去除率为62.1%，对COD的去除率为20.0%。相同浓度的微生物絮凝剂对含油废水的絮凝效果优于无机絮凝剂,因此具有广阔的应用前景。

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Optimization of Fermentation Conditions of A High Efficient Microbial

Flocculant-Producing Strain GL-6 and Its Application in Oily

Wastewater Treatment

GAO Yi-wen1,LI Wei-si2,LI Zheng1,YANG Lei1

(1.CollegeofChemistry,ChemicalEngineeringandEnvironmentalEngineering,

LiaoningShihuaUniversity,Fushun113001,China；

2.LinyiEnvironmentalProtectionBureau,Linyi276000，China)

Abstract：A high efficient microbial flocculant-producing strain GL-6 (Bacillus sp.) was screened from oilfield produced water.The optimum fermentation conditions of GL-6 were determined by single factor experiment(carbon source concentration,organic nitrogen source concentration,initial pH value) and orthogonal experiment.Results showed that，the optimum conditions were carbon source concentration of 20 g·L-1,organic nitrogen source concentration of 0.5 g·L-1,initial pH value of 7.0.Under above conditions,the turbidity removal rate was up to 92.4%,the removal rates of petroleum and COD were up to 62.1% and 20.0%,respectively.The microbial flocculant was much better than inorganic flocculants and had a broad prospect in application.

Keywords：microbial flocculant-producing strain；fermentation condition；oily wastewater