酿醋废水廉价制备降解煤化工废水微生物絮凝剂*

房亚玲，柴　涛，郭嘉昒，武　杰，闫飞飞

(中北大学 化工与环境学院，山西 太原 030051)



酿醋废水廉价制备降解煤化工废水微生物絮凝剂*

房亚玲，柴涛，郭嘉昒，武杰，闫飞飞

(中北大学 化工与环境学院，山西 太原 030051)

摘要:从生活污水中筛选出了一株能够降解煤化工废水的微生物絮凝剂产生菌，为降低菌种的培养成本，以酿醋废水作为廉价培养基对菌种进行培养，研究不同酿醋废水体积分数、 外加碳源、 外加氮源对煤化工废水絮凝率的影响，并对培养成本进行分析. 实验结果表明，培养菌种的最适酿醋废水体积分数为80%； 最佳碳源为淀粉，絮凝率达91.77%； 最佳氮源为氯化铵，絮凝率达92.59%，综合成本考虑，选择外加氮源. 在酿醋废水中外加氯化铵培养微生物絮凝剂产生菌，对煤化工废水的絮凝率达92.59%，COD去除率达68.50%，色度去除率达95.60%，培养成本降低了1.84元/L.

关键词:酿醋废水； 煤化工废水； 廉价培养基； 微生物絮凝剂

0引言

微生物絮凝剂是由微生物发酵、 分离并提取的具有絮凝活性的微生物代谢产物，其成份主性能好，并且有安全无害、 不产生二次污染、 易于生物降解、 适用范围广、 生产周期短等优点[1-2]，是目前备受亲睐的一种絮凝剂.

培养基成本较高是导致微生物絮凝剂工业化发展缓慢的一个重要原因[3-5]，目前国内众多学者大量研究了以糖蜜废水、 啤酒废水、 豆腐废水作为廉价培养基对菌种进行培养[6-8]，而以酿醋废水作为廉价培养基还鲜有报道. 酿醋的原料有糯米、 高粱、 甘薯干、 淀粉等，其排出的废水含有丰富的碳源和氮源. 山西作为酿醋大省，酿醋废水较多，而酿醋废水有机物浓度、 色度较高，直接排放会造成环境污染，但对酿醋废水进行处理又需要较高的成本[9].

本研究拟以酿醋废水作为廉价培养基，对降解煤化工废水的微生物絮凝剂产生菌进行培养，在使酿醋废水得到资源化的同时又降低了菌种的培养成本.

1材料与设备

1.1菌种来源

中北大学生活污水； 北京市某煤矿排出的煤化工废水.

1.2废水来源及水质

1) 煤化工废水： 北京市某煤矿排出的煤化工废水，COD： 7 500～8 500 mg/L，色度： 1 820倍，pH： 7.5.

2) 酿醋废水： 太原市东湖醋业有限公司，COD： 13 240 mg/L，pH： 5.4～5.6，TN： 149 mg/L，碳氮比： 89∶1，色度： 240倍.

1.3实验所需材料

主要试剂： 高岭土悬浊液(4 g/L)、 1% CaCl2溶液、 5% NaOH溶液、 5% HCI溶液、 乳糖、 蔗糖、 淀粉、 葡萄糖、 (NH4)2SO4、 蛋白胨、 NH4Cl、 尿素；

初筛液体培养基： 牛肉膏3 g、 蛋白胨10 g、 氯化钠5 g、 蒸馏水1 000 mL、 pH=7；

复筛固体培养基： 牛肉膏3 g、 蛋白胨10 g、 氯化钠5 g、 琼脂15～20 g、 蒸馏水1 000 mL、 相应体积分数的煤化工废水、 pH=7；

发酵培养基： 相应体积分数的酿醋废水、 不同碳氮源、 pH=7.

1.4主要设备

压力蒸汽灭菌锅； 721分光光度计； 恒温振荡培养箱； 无菌操作台； 电子天平； 显微镜； 冰箱； COD测定装置.

2测定方法

2.1菌种的筛选

2.1.1菌种的分离纯化

本实验中菌种的分离纯化采用稀释涂布平板法，将生活污水以及煤化工废水稀释成10-1, 10-2, 10-3, 10-4, 10-5, 10-6, 10-77个浓度梯度，然后将10-6, 10-7浓度梯度的水涂在平板培养基上，于30 ℃下培养48 h. 选取单菌落反复进行涂布，直至菌种纯化为止.

2.1.2初筛

将纯化的单菌落分别接种到液体培养基中，在30 ℃、 120 r/min的条件下于恒温培养箱中培养72 h，以对高岭土悬浊液的絮凝率作为指标，筛选出具有絮凝活性的菌种[10].

具体步骤： 在100 mL烧杯中加入0.2 g高岭土，再加入50 mL蒸馏水，制备成高岭土悬浊液. 分别取1 mL菌液于烧杯中，加入5 mL 1%CaCl2溶液，用5%HCl 或5%NaOH调节pH至7，搅拌3 min，静置5 min，用721分光光度计在550 nm 处测定上清液的吸光度.

式中：A为对照上清液的吸光度OD550 nm；B为样品上清液的吸光度OD550 nm.

2.1.3复筛

煤化工废水成分复杂，较难降解，因此需选取对煤化工废水具有耐受性的菌种. 分别将单菌落接种于含10%, 20%, 30%, 40%, 50%废水的固体培养基上，选取存活较好的菌种，并对煤化工的絮凝率进行测定，筛选出降解煤化工废水的优势菌种.

2.2煤化工废水絮凝率的测定方法

在100 mL烧杯中依次加入30 mL煤化工废水、 1 mL菌液和5 mL 1%的CaCl2溶液，用5%HCl或5%NaOH将溶液的pH调为7，搅拌3 min，净置2 h，在上清液液面以下2 cm处取样，在550 nm波长下测定样品吸光度. 絮凝率计算公式为

式中：E为煤化工废水的吸光度OD550 nm；D为水样絮凝后上清液的吸光度OD550 nm.

3结果与分析

3.1降解煤化工废水的微生物絮凝剂筛选

3.1.1菌种的分离纯化

经过分离纯化后，从中北大学生活污水中分离纯化得到4种菌为MBFS1、 MBFS2、 MBFS3、 MBFS4，从煤化工废水中分离纯化出两种菌为MBFF5、 MBFF6.

3.1.2初筛

将纯化后的菌种对高岭土悬浊液进行絮凝率的测定，结果如图 1 所示.

图 1　不同菌种的絮凝活性Fig.1　The flocculating activity of different strains

如图 1 所示，菌种MBFS2、 MBFS3、 MBFF5、 MBFF6对高岭土絮凝率较低，分别为7.73%, 16.32%, 15.67%, 21.44%. 菌种MBFS1和菌种MBFS4对高岭土絮凝率则较高，分别为60.94%、 63.22%. 在絮凝过程中，MBFS1和MBFS4絮凝速率快，沉降时间短，因此选取MBFS1和MBFS4作为复筛菌种.

3.1.3复筛

为筛选出对煤化工废水具有耐受性的菌种，将初筛得到的两种菌分别涂布到含40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90%, 100%煤化工废水的固体培养基上. 结果如图 2，图 3 所示，MBFS1在含80%、 100%煤化工废水的培养基上生长均较好； 而MBFS4在含40%废水培养基上生长良好，在60%废水培养基上则几乎没有生长. 因此，菌种MBFS1对煤化工废水有很好的耐受性，选择菌种MBFS1对煤化工废水进行降解.

图 2　MBFS1的生长情况随废水体积分数的变化Fig.2　The change of MBFS1 growth condition with the volume fraction of wastewater

图 3　MBFS4的生长情况随废水体积分数的变化Fig.3　The change of MBFS4 growth condition with the volume fraction of wastewater

3.2酿醋废水体积分数对菌种絮凝活性的影响

用蒸馏水稀释酿醋废水至体积分数分别为20%, 40%, 60%, 80%, 100%，用5% HCl和5% NaOH将溶液的pH调为7，高温灭菌，冷却后在25 ℃下培养24 h，然后对煤化工废水进行絮凝，结果如图 4 所示.

图 4　不同体积分数对絮凝活性的影响Fig.4　Effect of different volume fraction on flocculating activity

用80%的酿醋废水培养菌种，菌种的絮凝活性最好. 当酿醋废水体积分数过低时，菌种生长所需的营养物质不足，导致菌种的絮凝活性较低，而当酿醋废水体积分数过高时，培养基的渗透压过大，有机负荷较高，抑制了絮凝活性物质的分泌. 因此，培养菌种的最适体积分数为80%，絮凝率为69.60%.

3.3酿醋废水中C源对菌种絮凝活性的影响

向80%的酿醋废水中添加浓度为15 g/L的不同碳源，观察其对煤化工废水絮凝率的影响. 如图 5 所示，当以蔗糖或淀粉作为碳源时，絮凝率最高，分别为92.08%和91.77%时. 添加蔗糖或淀粉时，可观察到在对煤化工废水絮凝过程中，矾花形成速度较快，沉降时间较短； 而当添加其他碳源时，絮凝速度慢，沉降时间较长. 可能是絮凝剂中的某些成分利用不同的糖类作用时酶种类以及作用位点不同[11]. 以蔗糖和淀粉作为碳源，当两者絮凝率相差较小的情况下，淀粉比蔗糖的成本低. 因此，用酿醋废水作为廉价培养基时，添加的最佳碳源为淀粉，絮凝率达到 91.77%.

图 5　不同碳源对絮凝活性的影响Fig.5　Effect of different carbon sources on flocculation activity

3.4酿醋废水中N源对菌种絮凝活性的影响

在80%的酿醋废水中不添加碳源，只添加浓度为0.5 g/L的不同氮源. 考察不同的氮源对煤化工废水絮凝率的影响. 如图 6 所示，总体来看，添加氮源后，絮凝率都有所提高，说明酿醋废水中没有足够的氮源. 当添加NH4Cl时，絮凝率最高，蛋白胨次之，可能是菌种对有机氮源吸收不完全，从而抑制了微生物絮凝剂的合成，导致无机氮所培养的菌种高于有机氮[12]. 因此，最佳氮源为NH4Cl，絮凝率达92.59%.

酿醋废水虽含有碳氮源，但可能其所含的碳氮源种类并不是微生物菌种所需要的能量类型，或者其所含的碳氮源的量不足以供微生物所生长. 将添加碳源与添加氮源培养下的菌种对煤化工废水的絮凝率进行比较，可看出在酿醋废水中添加氯化铵时，絮凝率最高. 因此，以氯化铵作为外加氮源来培养菌种，其分泌的微生物絮凝剂对煤化工废水的絮凝率达92.59%，COD从8 000 mg/L下降到2 520 mg/L，色度从1 820倍下降到 80倍.

图 6　不同氮源对絮凝活性的影响Fig.6　Effect of different nitrogen sources on flocculation activity

3.5成本预算分析

以培养1 L菌种发酵液所需的药品计算，成本分析如表 1 所示，表1中左边为牛肉膏蛋白胨培养基所需的成本，其培养成本主要来源于牛肉膏、 蛋白胨、 NaCl的成本，右边为酿醋废水培养基的成本，由上文可知，只需在酿醋废水中添加氯化铵即可，因此其成本主要来源于氯化铵.

表 1　两种培养基成本对比

由表 1 可知，以酿醋废水作为廉价培养基培养降解煤化工废水的微生物絮凝剂产生菌，培养成本降低了1.84 元/L.

4结论

1)从中北大学生活污水中筛选出了一株可以降解煤化工废水的微生物絮凝剂产生菌，经优化得知： 酿醋废水最佳体积分数为80%，最佳碳源为淀粉，最佳氮源为氯化铵.

2) 在酿醋废水中添加氯化铵作为廉价培养基，对降解煤化工废水的微生物絮凝剂产生菌进行培养，絮凝剂对煤化工废水的絮凝率达92.59%，COD去除率达68.50%，色度去除率达95.60%，为煤化工废水的后续处理创造了有利条件.

3) 以酿醋废水作为廉价培养基不仅节约了酿醋废水的处理成本，还使培养菌种的培养基成本降低了1.84元/L，从而实现了废水的资源化利用.

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Microbial Flocculants Derived from Vinegar Wastewater for the Degradation of Coal Chemical Wastewater

FANG Ya-ling，CHAI Tao，GUO Jia-hu，WU Jie，YAN Fei-fei

(School of Chemical and Environmental Engineering，North University of China，Taiyuan 030051，China)

Abstract:With the aim of reducing the strain cultivation cost, the microbial flocculants-producing strain capable of degrading coal chemical wastewater was successfully screened from the domestic sewage by cultivating the strain using the vinegar brewing wastewater as the cheap medium. The effects of volume fraction, carbon source, and nitrogen source on the flocculation rate of coal chemical wastewater were investigated, and the cultivation cost was also analyzed. The results show that the optimum volume fraction was found to be 80%, and the best carbon source was starch with the flocculation rate reaching 91.77%.In addition, the best nitrogen source was determined as ammonium chloride with the flocculation rate being up to 92.59%. In consideration of the overall cost, the extra nitrogen source was needed to be added. Furthermore, the vinegar brewing wastewater could be used as the medium to cultivate the flocculants-producing stain with a flocculating rate of 92.59% concerning coal chemical wastewater. Meanwhile, the COD removal rate was founded to be 68.5%, the color removal rate was 95.60% and cultivation cost was reduced by 1.84 yuan/L.

Key words:vinegar wastewater； coal chemical wastewater； cheap medium； microbial flocculant

文章编号:1673-3193(2016)02-0157-05

*收稿日期:2015-07-27

作者简介：房亚玲(1990-)，女，硕士生，主要从事微生物处理废水研究.

通信作者：柴涛(1968-)，女，教授，博士，主要从事纳米材料的制备、含能材料的超细化、废水处理等研究.

中图分类号:X703

文献标识码:A

doi:10.3969/j.issn.1673-3193.2016.02.011