发酵性丝孢酵母处理精炼大豆油废水的工艺优化及动力学分析

吴 松

(大唐东北电力试验研究院有限公司,吉林 长春 130102)

精炼大豆油产生的废水中含有高浓度的有机化合物和低浓度的有毒物质[1]，它可被某些油脂酵母如发酵性丝孢酵母(Trichosporonfermentans)处理并合成油脂。发酵性丝孢酵母合成油脂可以分为从头合成和非从头合成两种方式。从头合成是指以亲水性基质如葡萄糖等为碳源，在细胞内经过一系列的生理生化过程，最终形成油脂并储存在细胞内。非从头合成是指将环境中的烷烃类、脂肪酸类等疏水性基质转运到细胞内，以油脂的形式储存起来[2]。精炼大豆油废水属于高浓度有机废水，主要有机物为磷脂、皂钠和甘油三酯，这3种物质均含有长链脂肪酸结构，因此，酵母处理精炼大豆油废水合成油脂方式倾向于非从头合成脂质。发酵性丝孢酵母对磷脂、皂钠和甘油三酯的代谢能力决定了其对废水化学需氧量(COD)的降解能力[3]。Yu等[4]研究了发酵性丝孢酵母在摇瓶中处理精炼大豆油废水，并在5 L搅拌式反应器中验证了摇瓶试验中的最佳废水处理条件，发现：COD和含油量的去除率分别为 94.7% 和89.9%，生物量和油脂量分别为7.9 g/L和43%，这表明发酵性丝孢酵母在精炼大豆油废水处理中存在巨大潜力。但其未在5 L搅拌式反应器内对发酵性丝孢酵母处理精炼大豆油废水进行系统研究。正交试验方法已广泛用于各种废水处理条件的优化实验中[5-7]，均取得了优异的优化效果。在研究反应器中生物质的特定生长速率时，有几种众所周知的动力学模型，包括Tessier[8]、Monod[9]和Moser[10]等。Monod模型是废水生物处理建模领域中使用最为广泛的模型；Tessier模型与Monod模型有相似的拟合曲线；Moser模型是在Monod模型中引入了参数n，对数据有更好的拟合[11]。Nelson等[12]通过Tessier模型分析了具有可变屈服系数的恒化器模型，并确定了使反应堆性能和反应堆生产速率最大化的条件，以及可能在反应堆中产生振荡的参数区域。Liu等[13]分别通过Tessier、Monod和Moser等模型分析了连续生物反应器的频率响应，发现除了数据拟合和周期性操作适合区分这些模型外，这些模型通常没有区别。潘文扬等[11]通过Tessier、Monod和Moser模型分析了XZ菌株(芽孢杆菌)降解合成制药废水的实验数据，并将所得动力学参数用于制药废水生物处理反应器的优化设计。本研究利用正交试验研究在5 L搅拌式反应器中进行精炼大豆油废水生物处理的较佳条件，并对其进行动力学分析，以期为精炼大豆油产生的废水的工业化处理提供依据。

1 实验与方法

1.1 原料与试剂

为了实验的可控性和操作简便，本研究使用的废水是根据吉林省某豆油生产加工厂的精炼大豆油废水的水质分析结果而配制的模拟废水。精炼大豆油原废水和模拟废水水质情况见表1。发酵性丝孢酵母(TrichosporonfermantansCICC 1368)，购于中国工业微生物菌种保藏管理中心。实验所用试剂均为市售分析纯。

表1 精炼大豆油废水和模拟废水水质

液体酵母培养基：葡萄糖20 g/L，酵母粉10 g/L，蛋白胨10 g/L。固体酵母培养基：葡萄糖20 g/L，酵母体10 g/L，蛋白胨10 g/L，琼脂10 g/L。所用培养基均在1.013×105Pa饱和蒸汽下灭菌20 min。

酵母菌种子液：将菌体在固体酵母培养基上培养12 h，无菌操作取1环，转接到250 mL锥形瓶(装液量50 mL)液体酵母培养基中，30 ℃、 150 r/min条件下培养24～72 h。

1.2 废水处理的正交试验

基于一些经验和参考文献[14-17]，本研究选择温度、转速、进气量和接种量(5 L搅拌式反应器内加入的发酵性丝孢酵母菌种子液与废水的体积比值)4个因素采用L9(34)进行正交试验[18]，以COD去除率为考核指标，考察4个因素对废水生物处理效果的影响。具体操作如下：在5 L搅拌反应器内，加入 2 L 模拟废水和适量酵母菌种子液，在不同温度(26～30 ℃)、转速(100～500 r/min)、进气量(1～3 L/min)和接种量(5%～15%)条件下运行36 h考察发酵性丝孢酵母菌处理精炼大豆油废水的效果。整个试验过程为48 h，每4 h取样测定废水中各项指标。

1.3 废水各项指标的测定

1.3.1生物量的测定 将一定量的菌体在3 000 r/min下离心5 min，用去离子水洗涤两次，冷冻干燥至质量恒定，称质量后换算为单位体积内的生物量。

1.3.2COD的测定 COD由571型COD测定仪测定，由于COD测定仪的上限为150 mg/L，待测样品需要用去离子水稀释至适宜浓度。取2 mL稀释后的待测样品放入COD消解管，加入3 mL重铬酸钾专用氧化剂，拧紧管帽将液体摇匀，将消解管放入消解装置中，165 ℃消解10 min，冷却至室温，把消解结束后的样品倒入石英比色皿中，放入COD测定仪进行测量。

1.3.3含油量的测定 含油量由JLBG-129红外分光测油仪测定，该测油仪的工作原理依照国家环境保护标准《水质石油类和动植物油的测定红外分光光度法》(HJ637—2012)。待测样品首先经四氯化碳萃取，萃取体积比为1 ∶2，然后将下层有机相转移至已加入一定量的无水硫酸钠的吸附柱中，脱水过滤后的滤出液接入5 cm石英比色皿，放入测油仪进行测量。

1.3.4油脂的提取与计算 采用酸热法[18]对微生物油脂进行提取。取一定量的冷冻干燥后菌体置于离心管中，加入4 mol/L的盐酸，盐酸与菌体的比为20 ∶1(mL ∶g)，混合均匀后，静置30 min，然后沸水浴加热8 min，再用冰浴迅速冷却20 min。加入原混合溶液2倍体积的氯仿-甲醇(体积比2 ∶1)混合溶剂，振荡混匀10 min，之后在4 500 r/min下离心5 min，取下层氯仿层。再加入剩余溶液等体积的0.15%氯化钠溶液，振荡混匀5 min，在4 500 r/min下离心5 min，取下层清液，80 ℃烘干至质量恒定，并测量其质量，油脂的质量(g)、产量(g/L)和生物体含油量(%)按式(1)～(3)计算。

油脂质量=离心管总质量-离心管质量

(1)

油脂产量=油脂质量/发酵液体积

(2)

生物体含油量=油脂产量/生物量×100%

(3)

1.4 降解动力学的实验设计

依据潘文扬等[11]的方法，通过预测试分别确定了最高浓度点、最佳浓度点和阈值浓度点的COD，并据此设定了COD和含油量的浓度梯度来模拟废水降解动力学过程，依据公式(4)～(6)可得到菌体的降解动力学参数。在此降解动力学研究中，最大和最小COD质量浓度点分别设定为20 000和4 000 mg/L，4个点设定为13 000 mg/L附近。最高和最低含油量质量浓度点设定为5 000和600 mg/L，4个点设定为2 000 mg/L附近。所有浓度值均基于接种后的实际测量值(与设定值有些许不同)。

μ=ln(Xe/X0)/t

(4)

q=μ(S0-Se)/(X0(eμt-1))

(5)

p=μ(U0-Ue)/(X0(eμt-1))

(6)

式中：μ—生物量比增长率，h-1;Xe—废水处理36 h时生物量，mg/L；X0—废水初始生物量，mg/L；t—废水处理时间，h;q—COD比降解率，h-1;S0—废水初始COD,mg/L；Se—废水处理36 h时COD，mg/L;p—含油量比降解率，h-1;U0—废水初始含油量，mg/L；Ue—废水处理36 h时含油量，mg/L。

1.5 统计学分析

通过非线性回归分析拟合动力学模型和实验数据。参数估计基于非线性最小二乘准则。拟合结果的方差分析由Origin 8.0执行，回归系数(R2)和F检验值用于评估模型的拟合优度。

2 结果与讨论

2.1 精炼大豆油废水处理的工艺优化

以COD去除率作为评估指标，采用正交试验对精炼大豆油废水处理进行分析，结果见表2。

从表2中可以看出对废水处理结果影响最大的是转速，转速不仅影响着生物反应器内的相间混合和溶氧，而且大的转速会产生大的剪切应力，这会影响酵母的正常生长，进而影响废水处理。由正交试验可知较佳处理工艺条件为A2B2C2D2，即温度28 ℃、转速300 r/min、进气量2 L/min和接种量10%。在此条件下进行验证试验，废水处理和酵母生长及产油情况如图1所示。

表2 精炼大豆油废水处理的正交试验设计及结果分析

由图1可知，在5 L搅拌式反应器中发酵性丝孢酵母处理精炼大豆油废水36 h后，废水COD和含油量的去除率分别为97.31%和89.09%，生物量和生物体含油量分别达到9.27 g/L和51.9%。比Yu等[4]在5 L搅拌式反应器中利用发酵性丝孢酵母处理精炼大豆油废水处理时间缩短4 h，生物量和生物体含油量分别增加了1.37 g/L和8.90个百分点。

图1 废水处理(a)和酵母生长及产油(b)随时间变化情况

2.2 动力学分析

2.2.1动力学参数的确定 实验中，在配备好的6组废水(1.4节)中接入菌体后，立即测定该6组废水的S0、U0和X0，然后在温度28 ℃、转速300 r/min、进气量2 L/min和接种量10%下处理48 h。在 36 h 时对6组废水取样测定Se、Ue和Xe。依据式(4)～(6)可计算得到废水降解动力学参数，结果如表3所示。由表3可知，随着6组废水COD的逐渐降低，菌体的生物量、生物量比增长率、COD比降解率和含油量比降解率均逐渐降低，可得出菌体生长和降解废水所需的营养物质都是与废水中的物质含量成正比的。

表3 6组废水样的36 h动力学实验结果

2.2.2生物量增长模型以及COD和含油量降解模型研究 基于表3数据，本研究中采用Monod模型、Tessier模型和Moser模型分别对S、μ、s、q、U、μ和U、p进行拟合，对比拟合优度，找出最佳模型。动力学参数的结果以及统计学检验结果见表4、图2和图3。

表4 动力学方差分析结果1)

a1.S-μ-Monod; a2.S-μ-Tessier; a3.S-μ-Moser; b1.S-q-Monod; b2.S-q-Tessier; b3.S-q-Moser

a1.U-μ-Monod; a2.U-μ-Tessier; a3.U-μ-Moser； b1.U-p-Monod; b2.U-p-Tessie; b3.U-p-Moser

3种模型关于COD的理论产率系数(YT，S)由公式YT,S=μmax/qmax可得，依据表3数据计算得：YT, S, Monod=0.889，YT, S, Tessier=0.714，YT, S, Moser不能被直接计算是因为参数n取值不同。同样，3种模型关于含油量的理论产率系数(YT,U)由公式YT,U=μmax/pmax和表3数据计算可得：YT, U, Monod=1.396，YT, U, Tessier=1.548，YT, U, Moser不能被直接计算是因为参数n取值不同。由于精炼大豆油废水有毒物质浓度低，可忽略其对菌体生理生长的抑制。由于Moser模型中的参数n为幂指数，它的不同会使得μ、q和p所在关联式的最终取值为不同数量级，因此在计算理论产率系数时，无法对Moser模型中μmax/qmax和μmax/pmax进行计算，也就是说无法对Moser模型的YT, S, Moser和YT, U, Moser进行计算。从表4的拟合结果可知，根据统计学检验的结果，拟合结果的F检验值均大于F0.01,(2, 4)=18.00(根据查找F检验临界值表所得)，结果显示除了数据拟合和拟合优度的偏差适合区分这些模型外，这些模型通常没有区别[12]。说明3种模型都可以用于模拟发酵性丝孢酵母在精炼大豆油废水中的生物量增长和污染物基质的降解。依据拟合模型的相关系数(R2)可知，3个模型中，Tessier模型提供了最好的生物量增长拟合优度；Monod模型提供了最好的COD降解拟合优度；Moser模型提供了最好的含油量降解拟合优度，与Monod模型相比，参数n的引入使得U在降解拟合中变化更为灵活。结合动力学参数μmax、qmax、pmax、Ks, μ、Ks, q、Ku, μ和Ku, p的值，可用于评估含油废水生物处理反应器的设计和优化运行。

3 结 论

3.1利用发酵性丝孢酵母处理精炼大豆油生产中产生的废水，通过正交试验得到废水生物处理的较佳条件：温度28 ℃、转速300 r/min、进气量2 L/min和接种量10%。在该条件下，精炼大豆油废水经36 h处理后，其COD和含油量的去除率分别为97.31%和89.09%，微生物的生物量和生物体含油量分别达到9.27 g/L和51.9%。

3.2通过Monod、Tessier和Moser模型研究了发酵性丝孢酵母生物量增长和精炼大豆油废水的污染物降解，发现Tessier模型相比于Monod和Moser模型更适合研究微生物的增长，建立的针对发酵性丝孢酵母生物量增长的动力学方程式，其所得到的动力学参数可用于评估含油废水生物处理反应器的设计和优化运行。