酵母菌在废水处理中的应用及动力学模型研究进展

申秋华 王晓杰

摘 要：该文介绍了酵母菌在味精废水、含油废水和金属离子废水处理方面的应用情况，并总结分析了酵母菌处理废水的动力学模型。

关键词：酵母菌;废水处理;动力学模型

中图分类号 X792文献标识码 A文章编号 1007-7731（2021）02-0018-03

Research and Application Progress of Yeast in Wastewater Treatment

SHEN Qiuhua et al.

（Department of Coastal Defense Engineering， Naval Service College， Tianjin 300450， China）

Abstract： This paper introduced the application on treatment of oily sewage， monosodium glutamate wastewater， metal ion wastewater using yeast， and analyzed the dynamic models of yeasts in wastewater treatment.

Key words： Yeasts; Wastewater treatment; Dynamic model

1 前言

随着城市工业化进程的加快，越来越多的生活污水和工业废水被排放到水体中，废水的大量排放对环境安全构成了巨大威胁[1-3]。对生态环境来说，排放的大量废水中不仅含有危害极大的污染物，而且会对生态环境造成不可逆转的破坏。随着环境污染的日益严重，开发一种经济、简单、高效的废水处理技术已成为当今废水处理领域的一个热点。

目前，世界各国围绕废水治理先后开展了多方面的研究工作，对不同类型的废水处理工艺展开分析，其处理方法主要有物理化学法、废液资源化利用法、生物法等3类[4]。其中，物理化学法通常仅限于单纯的水处理，如浓缩焚烧法、沉淀法、电化学法和氧化法等。虽然物理化学方法已取得了一定的效果，但处理效率不高，并且操作成本相对较高。比如，对于糖蜜酒精废液，王彦玲等[4，5]通过臭氧氧化法实施脱胶处理，仅实现了50.36%的废液脱胶率。废液资源化利用法的优点是考虑了资源的回收利用，诸如农灌法，经贮存池收集沉淀处理后的废水可向农田内直接排放，供灌溉之用，经由地面过滤、自然生化与吸附作用，可将废水内有机物降解去除。但是这类方法必须施用得当，否则会烧死农作物或者使土壤板结[4，6-7]。目前，生物法被认为是废水处理中最有效、最经济的处理方法，特别是针对金属离子、高含量有机物、含偶氮染料等不易降解的废水，同时在促进废水处理工艺向无二次污染、无害、无毒方向发展方面起着关键性作用。生物处理技术目前唯一的不足是微生物处理能力较低，自身难以实现资源化。因此，寻找一种高效有益的微生物菌种来代替现有菌种是当前课题研究的关键。

2 酵母菌在废水处理中的应用

酵母菌是人类文明史中应用最早的微生物，属于单细胞真核微生物。目前已知的酵母有1000多种，包括子囊菌、担子菌和类酵母3种。酵母菌因自身具备可生成特殊代谢物质、代谢效率高、生长快等特征，已被广泛应用于处理食品废水、酒精废水和医药废水等领域。酵母菌废水处理工艺最早源于第二次世界大战，该时期蛋白质产量高度不足，各学者开始研究将糖蜜废液、酒精废液等有机废料当作原料生产单细胞蛋白[4，8-9]。此时的研究方向只是单纯的生产单细胞菌体蛋白，对废水处理效果并未有量的指标。随着酵母菌研究的深入与其他相關废水处理工艺的开发，酵母菌在废水处理方面得到了更好、更深入的应用，在环境、社会、和经济等方面表现出了特殊的优越性。酵母处理废水作为一种新型的方法，具有高效、廉价的特点[9]。酵母是食品行业中一种废弃的微生物，其廉价性可以有效地降低生物吸附剂的成本。酵母作为微生物学研究的一种理想模式生物，具有安全、无毒、来源广泛的特点。

2.1 味精废水 味精废水的处理利用一直是环境保护的一大难题。废水中有机物和悬浮物含量高，COD含量高达40000～70000mg/L，BOD含量高达20000～40000mg/L，NH3-N含量在6000～8000mg/L。常规的处理手段很难达到废水排放标准。由于味精废水对环境造成的污染问题日趋严重，回收处理味精废水中的可利用成分一直是人们努力研究的方向。黑亮等采用酵母菌对味精废水进行处理的可能性展开实验研究，结果表明，在7h内酵母菌对废水BOD的去除率可达99%，COD去除率与TOC去除率可达82.9%、84.2%[8-10]。

2.2 含油废水 工业生产中，植物油、食用油会产生大量的废水，这类加工废水的特点是COD与BOD的浓度高，达到10000mg/L以上，含油量达3000mg/L以上。含油废水的处理通常是将废水酸化除油后再进行生物氧化，这种方法不仅工艺复杂、成本高，而且大量含油污泥的处置也是一个技术难题。与之相比，采用酵母菌处理不仅工艺简单，而且可以利用滤渣生产单细胞蛋白（SCP），实现废水污泥的资源化和污水的零排放[11、12]。早在20世纪70年代，日本就开始利用酵母菌处理高浓度有机废水，将酵母菌处理工艺用于活性污泥的前段，处理后废水用常规活性污泥法进行进一步处理即可达排放标准，从而大大降低了废水的污染程度。对于豆油加工废水，Chigusa等[13]从废水中分离出了9株混合酵母菌，之后利用该混合菌株投加到豆油加工废水处理装置中，在进水COD、BOD和油浓度分别为39300mg/L、18200mg/L、11900mg/L的条件下，该工艺对COD、BOD和油的去除率均达到93%以上，并且整个污水处理装置连续稳定运行了1年以上。郑少奎等[14]利用酵母菌对高含量色拉油加工废水进行了研究，发现24h即可去除85.2%的TOC。酵母菌在色拉油加工废水中的生长条件与酵母菌本身最佳生长条件相似，如酸性条件、温度、供氧等。Zheng S等[15]研究发现，酵母菌处理色拉油加工废水过程中，初始碳氮比严重影响除油效率和蛋白产量，废水中碳氮比为6∶1～8∶1时处理效果最好。

2.3 金属离子废水 现代工业生产活动，如采矿、冶金、印染及油、煤等含金属的燃料，使许多种含金属离子的废水排入到水体中，金属离子已成为水体污染的重要污染物之一。传统的处理金属废水方法有很多，如沉淀法、螯合树脂法、膜技术、活性炭吸附工艺等。但这些工艺各有优缺点，如螯合树脂不能通过毒性检验，已在食品工业和饮用水处理中被禁止使用;膜技术选择性小，处理后的废水浓度较高，仍需进一步处理。近几十年来，酵母菌吸附法在去除废水中的金属离子方面显示出了突出优势，尤其是对低含量重金属污染废水的处理，呈现出非常广泛的应用前景。Dan N P等[16]通过试验对比了酵母菌和细菌处理高盐废水的效果，结果表明，酵母菌系统效率更高，尤其在高盐条件下，细菌系统中细菌的生长受到严重抑制，性能明显下降;由于酵母菌生长过程吸收较多的养分，其对废水的脱氮除磷能力也较强。叶佩青等[17]利用解脂假丝酵母对Cr（Vl）、Ni（II）和Cu（II）3种模拟重金属废水与实际重金属废水进行了试验，研究pH、处理时间和菌体浓度的影响，结果表明，pH、处理时间和菌体浓度均是显著影响因素，菌体浓度1g/L处理120min时，对Cr、Ni和Cu的去除率分别为81.6%～84.6%、84.0%～100%、84.l%～100%。国内外有关酵母菌处理金属离子废水的研究已经由基础理论阶段上升到了对其吸附机理的研究。吴会军等[18]以海藻酸钠和聚乙烯醇包埋法固定啤酒酵母菌，对废水中的Ni2+、Zn2+、Cu2+进行生物吸附，结果表明，酵母菌对Cu2+的吸附率最高，Ni2+的吸附率最小。在最佳處理条件下，固定化啤酒酵母菌对Ni2+和Cu2+的吸附率分别为80.17%、95.27%。

3 酵母菌在废水处理中的动力学模型

动力学研究是工艺设计的基础，并有助于探讨吸附机理。酵母菌废水处理动力学主要是研究菌体生长过程中污染物降解动态平衡及其内在规律的关系。比如，酵母菌的菌体生长速率与污染物降解速率间的联系，以及反应条件、环境因素对生长速率和降解速率的影响。通过动力学研究优化和调控最优反应条件，诸如酵母菌降解污染物过程中菌体浓度、溶解氧、酸碱度以及温度等工艺指标;依据动力学模型，对程序进行设计，利用计算机的在线控制，使生产控制达到自动化、最佳化。

3.1 Monod模型 Monod模型描述基质浓度与微生物生长速率的关系，计算公式如下：

[μ=μmaxSKS+S] （1）

式中，μ：比生长速率;μmax：最大比生长速率;S：基质浓度;KS：底物利用常数，其数值相当于μ正处于μmax一半时的底物浓度。

Monod模型为理想化、简单化、经验化模型。Monod方程属于一类典型的均衡生长模型，细胞生长仅有的变量是细胞浓度;只有一种基质是菌体生长的限制基质。Berg等、Petuccelli等分别在各自的研究中使用Monod模型研究菌体生长与基质降解的变化规律。Monod模型仅在菌体生长较慢和细胞密度浓度较低的条件下，当菌体细胞浓度较高时采用下述方程：

[μ=μmaxSKS+KS0S0+S] （2）

式中，μ：比生长速率;μmax：最大比生长速率;S：基质浓度;S0：基质初始浓度;KS：底物利用常数，其数值相当于μ正处于μmax一半时的底物浓度;[KS0]：无因次初始饱和常数。

Monod模型是一种理想的情况，实际上菌体生长状况涉及诱导问题、阻遏问题与抑制问题等众多因素。

3.2 Michaelis-Menten模型 Michaelis-Menten模型的动力学方程为：

[dSdt=dPdt=Vmax×SKM+S]  （3）

式中，dS/dt：基质降解速率;dP/dt：产物合成速率;Vmax：最大降解速率;S：基质浓度;KM：底物利用常数。

Michaelis-Menten模型最初用于酶催化反应机理研究中，生成产物一步的速率要慢于底物与酶生成复合物的可逆反应速率。当基质对酶的活性无抑制作用时，Michaelis-Menten方程被代表性的使用。因此，在生化法处理工业废水过程中，当基质对菌体的生长无抑制作用时，常选用Michaelis-Menten模型研究菌体生长与基质降解的变化规律动力学。

3.3 Haldane模型 Haldane模型的动力学方程为：

[dSdt=Vmax×SKM+S+Sn/Ki] （4）

式中，dS/dt：基质降解速率;Vmax：最大降解速率;S：基质浓度;KM：底物利用常数;Ki：抑制常数。

实际上，在绝大多数生化法处理工业废水的过程中，基质对菌体生长和酶生成的抑制作用是十分明显的。因此，Michaelis-Menten模型基本上是不用于废水处理的生化法中的。由于Haldane模型考虑了基质对菌体生长的抑制作用，而被广泛应用。尤其在NH4作为基质并对菌体的生长产生抑制作用的情况下，利用Michaelis-Menten方程描述消化率。

3.4 Contois模型 Contois模型的特点是细胞生长率不仅与基质浓度有关，而且与细胞浓度有关。其表达式如下：

[μ（X，S）=μmaxSKsX+S] （5）

式中，μ：比生长速率;μmax：最大比生长速率;S：基质浓度;KS：Contois常数;X：细胞浓度。

由于Contois方程的预测能够很好地符合实验结果，在1959年被Contois提出。由于其考虑了多方面的影响因素，如：基质的种类及浓度，中间产物的生成，最终产物浓度，细胞的浓度及死亡等，Contois模型已经在工业废水好氧降解方面得到了广泛的应用。通过比较模型预测与实验数据，使模型得到了很好的验证，而且与其他模型相比，Contois模型能更好地描述实验结果。例如，Beltran-Heredia[19、20]等利用Contois生长动力学模型研究了黑橄榄工业废水的降解;Nelson[19]等利用Contois生长动力学模型分析了工业废水稳态处理过程;张振家[20]等在采用间歇活性污泥法处理磺胺废水的研究中，应用Contois型动力学模型的一级反应式对废水中有机物降解进行描述。另外，Mustafa[20]等在利用UASB生物反应器处理纺织废水研究中，通过模型预测与实验对比，结果表明，Contois模型能应用于生物好氧反应器中，并且Contois模型对于生物好氧反应的模型预测与实验结果十分接近，可以通过实验室小试的数据直接为UASB这样的大规模工业化生产进行预测。

4 结语

酵母菌是一种宝贵的微生物资源，其对高酸度环境、高糖环境、高碳环境、高渗透压环境等具有较强的适应性，这使得它在制油、制糖、味精、石油等行业的废水处理中具有较好的应用前景[21]。酵母菌处理废水技术是集废水处理和资源回收利用等为一体的资源化的综合处理技术[8]。随着人们对酵母菌研究和利用的不断深入，以酵母菌为核心技术的新型生物废水处理技术要求相当宽松，其优越性远远超出了传统污水处理工艺，值得推广和应用。

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（责编：张宏民）