固定化微生物絮凝菌在废水脱色中的应用.pdf

固定化微生物絮凝菌在废水脱色中的应用 陈一萍 泉州师范学院资源与环境学院, 福建 泉州 362000 摘要 从筛选到的微生物絮凝菌中构建出比单一菌群产生更高絮凝活性絮凝剂的复合菌群, 并对其进行固定化, 将固 定化后的细胞应用于染料废水的处理。 研究发现, 利用海藻酸钙包埋絮凝菌能较长时间保持细胞高的活性, 且固定化 菌群对染料废水具有较好的脱色效果, 并在一定程度上可以达到连续生产絮凝剂的目的。 关键词 微生物絮凝菌; 固定化; 脱色; 连续生产 STUDY ON DECOLORIZING OF PRINTING AND DYEING WASTEWATER WITH IMMOBILIZED BIOFLOCCULANT-PRODUCING MICROORGANISMS Chen Yiping College of Resources and Environment of Quanzhou Normal University , Quanzhou 362000, China Abstract Multiple microorganisms which can produce BF with higher efficiency are constructed.And the bioflocculant -producing microorganisms are immobilizedby Ca -alginate. The results show that the immobilizedof bioflocculant -producing microorganisms are a better efficiency than common biological treatment in decolorizing of printing and dyeing wastewater and it has a bright future. Keywords bioflocculant-producing microorganisms; immobilized; decolorizing ; continuous production 0 引言 印染行业是工业废水排放大户 ,据不完全统计, 全国印染废水每天排放量为 3 10 6 ～ 4 10 6 m 3 。 染料 废水成分复杂、水质变化大、 色度高 ,是环境工程中较 难解决的问题, 现今对于废水脱色几乎没有特效的方 法,特别是对于那些可溶性色素更难处理。因此, 开 发更高效的印染废水的处理方法, 对缓解我国水资源 严重匮乏的问题及对保护环境 、 维持生态平衡将起着 极其重要的作用。微生物絮凝剂 MBF 是一种具有 生物分解性和安全性的新型、高效、无毒的质优价廉 的绿色水处理剂 , 具有高效 、 无毒 、易降解 、 无二次污 染和用途广泛及脱色效果独特等特点 [ 1- 2] 。但是目前 国内外主要致力于单一菌群所产生的 MBF 的研究, 单一菌株必存在着适用范围有限 、产量小 、 成本高等 问题 ,影响其实际大规模应用 。解决这一难题的有效 途径是寻找能产生更高效 MBF 的复合菌群来代替单 菌产絮凝剂 ,并优化运行条件, 探索出高效生产微生 物絮凝剂的新工艺 。因此本实验将通过构建能产高 效MBF 的复合菌群并对其进行固定化, 希望能够在 较低投资的情况下解决废水的脱色问题 。 1 实验 1. 1 实验材料 菌种 由泉州市水质净化中心二沉池浓缩污泥及 氧化沟内活性污泥中筛选到的微生物絮凝菌 , 斜面 保存 。 液体培养基 发酵培养用 牛肉膏3. 0 g, 蛋白胨 10. 0 g ,NaCl 5. 0 g , 水1 L, pH 7. 0, 温度 121 ℃灭菌 20 min 加 15 ～ 20 g琼脂制成固体培养基,供分离及菌 种保藏用 。 1. 2 实验方法 1. 2. 1 复合型微生物絮凝菌的生长 用无菌水或液体培养基注入菌种试管,用接种环 将菌苔刮下, 再将菌种悬液以无菌吸管定量吸出加 入,或直接倒入液体培养基。整个接种过程要求无菌 操作, 在30 ℃、 120 r min恒温振荡培养90 h。 每隔一定 时间取出培养液 ,一部分用分光光度计测定其光密度 OD660nm,所测得的光密度值用于近似表示微生物量, 另一部分用于絮凝率的测定 [ 3] 。 1. 2. 2 复合菌群的固定化 先将 最适 生 长 条 件 下 培 养 的细 菌 悬 液 在 65 环 境 工 程 2009年 4 月第27 卷第2 期 4 000 r min下离心10 min, 弃去上清液, 获得湿菌体, 并测其湿菌重, 分成三份, 两份用于固定化 , 另一份 备用 。 1 琼脂包埋法。将含 8的琼脂熔化, 取8 mL冷 却到 50～ 60 ℃ 迅速与2 mL含一定量湿菌的悬液混合 均匀 ,注意不要产生气泡 ,马上放到冰箱中冷却,即制 成琼脂浓度为 6. 6的凝胶 。然后切成边长为3 mm 左右的立方体小块 ,用灭菌生理盐水洗净 ,放到培养 基中活化 ,也可放在生理盐水中冰箱保存。 2 海藻酸钙包埋法。将海藻酸钠加热溶于水 ; 将 海藻酸钠溶液与等量的离心所得的菌体细胞混合均 匀,使海藻酸钠最终浓度为 2～ 4; 将海藻酸钠与 菌体混合液用针形管滴入 5～ 10的 CaCl2溶液 中,固定化一定的时间; 滤出颗粒 , 用生理盐水洗净, 备用 。制备的包埋颗粒如需长时间存放 ,需将该颗粒 放入培养液中保存以保持其降解活性。 1. 2. 3 固定化微生物絮凝菌活化时间的选择 经包埋固定化后的微生物絮凝菌在制备好的固 定化小球中会暂时失去活性, 使用前必须让其活性恢 复。为了考察菌株在固定化颗粒内部活性恢复的情 况和对固定化小球中菌群的生长和生理特征进行测 定,必须先破坏小球 ,使菌体释放出来, 将包含相同量 菌种的固定化小球放入0. 5 mol L NaH2PO4 pH 6. 5 溶液中,振荡至小球完全溶解 。往菌体中加入培养液 于30 ℃、 120 r min恒温振荡培养一定的时间 ,使其自 然恢复活性。活化时间通过光密度来测量。 1. 2. 4 固定化后的微生物絮凝菌脱色效果的研究 将染料废水调节到规定的 pH 值, 然后分别往溶 液中加入一定用量的活化后的固定化菌种,絮凝一段 时间后,观察絮凝效果,并计算相应的絮凝率 ,确定微 生物絮凝剂絮凝染料废水的效果。游离细胞的脱色 实验条件与固定化细胞相同, 并做无细胞的空白对照 实验 。 2 结果与讨论 2. 1 复合菌群的构建 通过常规的微生物划线分离法 ,将筛选到絮凝效 果较好的微生物 6 株进行混合培养, 测定其发酵液离 心上清液的絮凝率, 构建出高活性的MBF 菌群。表 1 为单独培养和混合培养时菌种絮凝活性的比较。 从表 1 可以看出 , 这 6 种菌株能在培养基中共 生,且它们之间存在着较好的协同作用使得混合后复 合菌群的絮凝率明显高于单一菌群所产 MBF 的絮凝 率。因此 , 构建出的复合菌群可供进一步的实验 所用 。 表 1 菌种絮凝活性的比较 菌株编号MBF1MBF2MBF3MBF4MBF5MBF6复合菌群 絮凝率 48 . 82340 . 453 . 435 . 142 . 378. 2 2. 2 复合型微生物絮凝菌生长曲线的研究 图1 为复合型微生物絮凝菌的生长曲线。由图 1 可见 ,培养液的絮凝率随着细胞生长量的增加而同 步上升,在菌体生长达到静止期 40 ～ 60 h 时絮凝率 随之达到最高, 之后随着菌体进入衰亡期而有所下 降。因此, 培养时间以 40～ 60 h为宜。 图 1 MBF 生长变化与絮凝效果的关系 2. 3 复合型微生物絮凝菌的固定化 2. 3. 1 固定化基质材料的选择 一般而言, 细胞经固定化后活性都有所变化。图 2 反映了不同载体的固定化细胞絮凝能力的大小。 同等条件下游离细胞在短时间内絮凝率一般在 55 左右。而以琼脂 、 海藻酸钙为载体的固定化细胞, 絮 凝效果均比游离细胞好 。这可能是由于包埋后固定 化细胞的微环境适于细胞生长 , 可快速增殖 ,且包埋 法催化活性的保留和存活力都较高 。但以琼脂为包 埋剂的固定化小球强度较差, 易破碎, 且脱色效果略 差于海藻酸钙。海藻酸钙固定化小球在制备过程中 比较容易, 小球成型后机械强度与弹性好 ,易于下沉, 对微生物没有毒害作用, 固定化细胞的活性较高, 脱 色效果较好 。综合分析, 海藻酸钙作为微生物絮凝剂 的固定化材料是最佳的选择。此外 ,脱色一段时间后 分别测定海藻酸钙固定化菌和游离菌的生物量,发现 同样的接种量, 固定化菌的生物量达0. 7912 g ,而游离 菌的生物量仅达0. 1042 g ,这可能是固定化载体内部 有较好的孔隙度 ,可以不断地利用染料废水进行增殖 66 环 境 工 程 2009年 4 月第27 卷第2 期 细胞 ,并且高度密集微生物的强抵抗力和载体的阻挡 作用对固定化后的菌体起到较好的保护作用 。 图 2 不同载体的固定化细胞脱色情况比较 2. 3. 2 固定化微生物絮凝菌在载体中的生长情况 固定化是将微生物细胞截留在水不溶性的凝胶 聚合物孔隙的网络空间中 ,凝胶聚合物的网络可以阻 止细胞的泄露, 同时能让基质渗入和产物扩散出来。 为了考察菌株在固定化颗粒内部的生长情况 ,将未培 养和培养后的微生物絮凝菌通过光密度的测定并未 发现有溶液的混浊现象发生, 说明凝胶颗粒内部的细 菌并未发生明显的泄露, 并且固定化颗粒具有一定的 机械强度 ,在长时间的培养过程中并没有因为互相间 的摩擦 、 碰撞而改变其颗粒的大小形态或破损和粘 连。固定化载体的多孔结构有利于微生物细胞在颗 粒内部的生长和繁殖 ,而凝胶表面的球壳可阻止细菌 的泄露 。并且选用的载体具有安全 、 制备简单 、 反应 条件温和、成本低廉 , 且适用于大多数微生物细胞的 固定化。因此选用海藻酸钙作为微生物絮凝剂的固 定化材料是确实可行的。 图 3 固定化菌种活化过程 2. 3. 3 固定化菌群活化时间的考察 考察菌株在固定化颗粒内部活性恢复情况,结果 如图 3 所示 ,从图中可以发现固定化菌群大概在60 h 后活性到达最大 。因此选60 h为最佳活化时间 。 2. 4 不同接种量的固定化菌群脱色能力的研究 在生物降解污染物中需要考虑到微生物的浓度, 当微生物的浓度较低时, 所需要的培养时间会过长, 从而导致整个降解过程的平均反应速率会下降。而 当微生物的浓度较高时, 会造成菌体之间对基质和氧 气等的竞争作用 , 同样会造成平均反应速率的下降, 并且从经济角度考虑也不合适 。因此,需进一步考察 固定化菌群接种量对脱色效果的影响 。按接种量为 5、 10、15、20、25分别投加固定化颗粒 , 以 不接菌为对照, 测定脱色率。实验结果如图 4 所示。 图 4 不同接种量对脱色效果的影响 由图 4 可以看出 , 在最初的时间里, 接种量与脱 色率明显成正比 ,7 h后接种量的影响就不再突出 ,尤 其是接种量为 15、20、25在7 h后脱色率相近。 当在10 h时, 其脱色率几乎相同, 均达到 90 以上 ,明 显高于未接菌的对照 。因此, 在较短时间内得到好的 去除效果, 可以加大接种量 ,同时考虑到成本问题通 常采用接种量为 15。10 h后处理过水的透光率几 乎与自来水相近 ,产污泥量少 ,固液分离效果好,无须 额外添加 Ca 2 。 2. 5 固定化菌种重复使用效果 为了考察混合固定化包埋颗粒重复用于底物的 降解情况, 将一次脱色完毕后的包埋复合菌株颗粒用 生理盐水洗涤后重新使用 ,来考察固定化菌群对染料 降解的重复使用情况, 实验结果如图 5 所示 , 从图 5 中可以看出经过一次使用之后染料的脱色率比第 1 次的有所下降。在重复使用 2次后, 固定化菌群脱色 率减少到 30 左右。这可能是由于固定化载体中的 细胞的活性有所下降所致。如果对载体上的菌群采 用循环新鲜营养液使其繁殖再生, 又可继续处理废 水。经过连续培养60 h后包埋颗粒仍保持完好 ,未见 67 环 境 工 程 2009年 4 月第27 卷第2 期 破损和粘连现象 ,也没有明显的溶液混浊现象 ,说明 菌种并无明显的泄露 。 图 5 固定化菌种重复使用情况 3 结论 通过构建能产高效MBF 的复合菌群并对其进行 固定化,研究发现利用海藻酸钙包埋后的微生物絮凝 菌能在较长时间内保持较高的活性 ,且固定化后的细 胞对染料废水具有较好的脱色效果 。如果对固定化 菌群不断地重新培养复活 ,可达到连续生产微生物絮 凝剂的目的 。 参考文献 [ 1] 魏敏, 陈位锁. 生物技术在印染废水处理中的研究与应用[ J] . 山东化工, 2007, 36 7 14 -17. [ 2] 李旭, 李小明, 杨麒, 等. 微生物絮凝剂产生菌的研究进展[ J] . 生物技术, 2006, 16 2 92 -95. [ 3] 陈一萍. 微生物絮凝剂处理印染废水的研究[ J] . 泉州师范学 院学报 自然科学 , 2007, 25 2 97 -101. 作者通信处 陈一萍 362000 福建泉州师院资源与环境学院 电话 0595 22913072 E -mail chenyiping2005qztc. edu. cn 2008- 04-30 收稿 上接第 64页 1 503 m 3 h ,并逐步加大曝气量, 经过将近10 d左右培 养驯化, MLSS 增长到2 860 mg L, 出水 COD 也降到 75 mg L, 微生物活性良好 , 生物相有所增加 , 随后 MLSS 稳定在4 500～ 5 500 mg L ,出水水质稳定。 5 运行效果与经济指标 该污水处理厂总投资6 152万元 ,占地53 360 m 2 , 于2007 年3 月进入调试运行, 2 个月后正常运行, 并 通过当地环保部门的验收 ,运行费用 0. 32 元 m 3 。处 理后污水的各项指标均达到排放标准要求,各种污染 物的去除效果见表 2。 表 2 废水处理效果mg L 项目ρ COD ρ BOD5 ρ SS ρ NH3-Nρ TP 进水水质455151. 818924 . 51 . 15 出水水质8413. 1238 . 60 . 26 去除率 81 . 591. 487. 864 . 977 . 4 6 结论和建议 1 污水提升泵房前增设隔油池 。由于进水中石 油废水占有较大比例, 所以污水经曝气 、厌氧消化会 在氧化沟水层表面形成大量浮泥, 严重阻碍表曝机充 氧能力; 浮泥长时间不清理在氧化沟廊道中形成泥层 滞留, 造成缺氧环境使底层污泥变质, 而且浮泥阻碍 水体流动, 增加表曝机充氧负荷。污水提升泵房前增 设隔油池, 即可以减少浮泥的产生, 而且隔油经过二 次提炼回收利用 。 2 氧化沟外廊道安装推进器 。在氧化沟外廊道 安装推进器可以消除废水中石油成分产生浮泥的负 面影响。因为推动器可以推动外廊道底部泥层流动, 避免形成死泥; 另外 ,由于叶轮的搅拌作用,水层表面 浮泥会迅速溶于水中 ,在一定程度上起到充氧功能, 降低表曝机工作负荷 。 采用 Carrousel 氧化沟工艺处理昌邑市工业和生 活混合污水 ,工艺合理 、技术可靠 、运行稳定 、 投资费 用和运行费用低 ,达到GB18918- 2002 二级排放标准 的处理要求 。 作者通信处 李国会 066004 河北秦皇岛北大街西段 73 号 中国 环境管理干部学院环境工程系 E -mail congresslisohu. com 2008- 04-28 收稿 68 环 境 工 程 2009年 4 月第27 卷第2 期