糖蜜酒精废液优势降解菌群试验研究

2017-03-15 09:59:18 4

  糖蜜酒精废液是一种呈棕色的高浓度有机废水,是造成水体污染的重要污染源〔1〕。糖蜜酒精废液有机物含量高,同时也含有微生物所需要的大部分营养元素〔2〕。但糖蜜酒精废液具有的高浓度、高有机酸含量、低pH、强腐蚀性等特性会抑制微生物在糖蜜酒精废液中的生长繁殖,导致糖蜜酒精废液成为一种具有较好可生化性却很难有效进行生化处理的有机工业废水〔3〕。为此,笔者针对糖蜜酒精废液筛选出了能适应其特点、且降解性能好的优势菌种,并对优势菌的生态位、代谢产物及降解性能进行了研究。该项研究可有效解决糖蜜酒精废液处理难度大、处理效率不高、处理系统不稳定等问题,具有很高的应用价值。

  1 材料与方法

  1.1 优势菌种来源及构成

  实验菌种为按照李楠等〔4, 5, 6, 7〕筛选菌种的方法从处理糖蜜酒精废液的UASB反应器颗粒污泥中分离、纯化得到的8株优势菌种,编号分别为NO.1、NO.2、NO.3、NO.4、NO.5、NO.6、NO.7、NO.8,经鉴定分别为皮杆菌属、棒杆菌属、微小杆菌属、微小杆菌属、乳杆菌属、纤维单胞菌属、丙酸菌属、红长命菌属〔8, 9〕。

  1.2 优势菌种基础生态位测定

  优势菌种pH生态位测定:配制不同pH的液体培养基,灭菌后,将菌种分别接入不同pH的培养液中,于37 ℃培养48 h,测定菌液中细菌的量。

  优势菌种溶解氧耐性测定:将每株菌种分别接入4个pH=6.8的培养基,然后分别在溶解氧为0.11、0.42、0.80、1.15 mg/L的条件下培养48 h,测定菌液中细菌的量。

  菌液中细菌的量以菌液在波长为420 nm处的OD值表示〔10〕。

  1.3 代谢产物测定

  取培养好的复合菌群20 mL进行离心,然后将收集的复合菌群分别转移到pH为4.0、5.5、6.8的500 mL葡萄糖质量浓度为10 g/L的培养液中,于37 ℃培养1周后,采用高效液相色谱法测定不同pH条件下的液相末端产物〔11, 12, 13〕。

  1.4 污泥培养及降解实验

  将取自广西某厂COD为24 000 mg/L、pH为4.3的糖蜜酒精原液按照实验要求配制成不同COD浓度和pH的废液。对取自UASB反应器的颗粒污泥进行高压灭菌处理,然后按1∶10的质量比在培养器中加入优势菌群和灭活污泥,以配制的糖蜜酒精废液为基质进行污泥驯化培养。以驯化培养好的污泥进行降解实验。

  2 结果与讨论

  2.1 优势菌种的生态位

  优势菌种pH生态位实验结果如表 1所示。

  由表 1可知,菌株NO.8在pH为4.4~10范围内均生长很好,其对pH的耐性范围很宽;菌株NO.4、NO.6、NO.7同样也具有较宽的pH耐性范围,在弱酸或弱碱性环境中都能良好生长;菌株NO.1、NO.2、NO.3、NO.5在偏酸性环境中生长相对较好。从表 1还可以看出,所有优势菌种都能适应偏酸性环境,其中菌株NO.3、NO.8在pH=4.4条件下也能良好生长,正好位于糖蜜酒精废液pH 为3.5~4.5的范围之内。结果表明,优势菌种都能较好地适应糖蜜酒精废液的酸性环境。

  优势菌种溶解氧耐受实验结果如表 2所示。

  实验结果表明,8种优势菌株均具有一定范围的溶解氧耐受能力。其中菌株NO.3、NO.4、NO.5、NO.8在溶解氧为1.15 mg/L时仍有很好的生长繁殖能力,其OD值都在0.6以上;菌株NO.1、NO.2、NO.6、NO.7的溶解氧耐受能力相对较弱,但溶解氧耐受上限也达到了0.8 mg/L。

  由表 1、表 2可知,8株优势菌种存在6种由pH和DO 2个因子构成的基础生态位。其中,NO.1、NO.2的基础生态位:pH为5.2~6.8,DO为0.11~0.80 mg/L;NO.3、NO.5的基础生态位:pH为4.4~6.8,DO为0.11~1.15 mg/L;NO.4的基础生态位:pH为 5.2~9.2,DO为0.11~1.15 mg/L;NO.6、NO.7的基础生态位:pH为5.2~8.4,DO为0.11~0.80 mg/L;NO.8的基础生态位:pH为4.4~9.2,DO为0.11~1.15 mg/L。综上可知,8株优势菌种组成的复合菌群不仅具有很宽的生态位空间,而且不同的生态位空间都具有相应的优势菌种,表明复合菌群具有生态位的多样性,对外界环境有很好的适应能力,具有较强的系统稳定性。

  2.2 复合菌群主要代谢产物

  复合菌群的主要代谢产物如表 3所示。

  表 3表明,pH=4.0时细胞内酸性末端产物的积累是影响复合菌群代谢的限制因素,此时无论乙酸含量还是有机酸总量都是最多的〔14, 15, 16〕。当pH=5.5时,NADH+/NAD+平衡成为主要的影响因素,由于丙酸代谢途径能够氧化过多的NADH+,为使NADH+再生,产乙酸氧化过程与丙酸代谢途径相偶联,因此在pH=5.5时末端产物丙酸所占比例显著增加〔17〕。当pH=6.8时,细菌的大量繁殖对NADH+(NADPH+)的需求量增加,此时合成代谢控制发酵途径,所以在此pH条件下,乙酸和丁酸的比例有所增加。复合菌群代谢产物分析结果表明,在pH为4.0、5.5、6.8时,复合菌群都能通过代谢途径来调节最终代谢产物以适应外界条件的变化。

  2.3 温度对复合菌群降解性能的影响

  分别取200 mL糖蜜酒精废液于250 mL反应装置中,其中1#、2#瓶COD为4 141.6 mg/L,3#、4#瓶COD为11 845.3 mg/L。调节pH至6.8,控制1#、3#瓶温度为37 ℃,2#、4#瓶温度为25 ℃,添加复合菌群培养的污泥2 g进行降解实验,考察温度对复合菌群降解性能的影响,结果如图 1、图 2所示。

图 1 1#、2#瓶的COD降解曲线

 
图 2 3#、4#瓶的COD降解曲线

  由图 1可知,降解反应时间达到10 d时,1#瓶的COD去除率为75.5%,2#瓶的COD去除率为53.25%,1#瓶的COD去除率比2#瓶高出22%。由图 2可知,当降解反应时间达到10 d时,3#瓶的COD去除率为51.24%,4#瓶的COD去除率仅为18.8%,两者差值达32%。实验结果表明,温度对复合菌群的降解性能有重要的影响,特别是在COD浓度较高的情况下,温度对复合菌群降解效果的影响更为显著。

  2.4 COD浓度对复合菌群降解性能的影响

  取COD为4 900 mg/L(低浓度)、12 000 mg/L(中浓度)、24 000 mg/L(高浓度)的糖蜜酒精废液各200 mL分别置于3个250 mL的血清瓶中,调节pH至6.8,添加复合菌群培养的污泥2 g,于37 ℃条件下进行降解实验,考察COD浓度对复合菌群降解性能的影响,结果见图 3,相应的pH的变化见图 4。

 图 3 COD浓度对复合菌群降解性能的影响

 
图 4 不同COD浓度下pH的变化

  图 3表明,当降解反应时间达到10 d时,低、中、高COD浓度下的COD去除率分别为74.7%、52.3%和25.1%,呈下降趋势。降解过程中相应的pH(见图 4)则呈现出迅速下降然后缓慢上升的过程,这是由于降解过程中糖蜜酒精废液中还原糖等有机物大量水解导致pH迅速下降,但在低pH条件下复合菌群代谢产物发生改变以及水解产物不断被降解,又引起pH缓慢上升。COD浓度对复合菌群降解性能影响实验结果表明,为了缩短处理系统启动时间,保证系统能够稳定运行,初始COD浓度不宜超过12 000 mg/L。

  2.5 pH对复合菌群降解性能的影响

  分别取200 mL COD为4 683.5 mg/L的糖蜜酒精废液于3个250 mL血清瓶中,调节pH分别至4.0、6.8、8.0,添加复合菌群培养的污泥2 g,于37 ℃条件下进行降解实验,考察pH对复合菌群降解性能的影响,结果见图 5,相应的pH的变化见图 6。

图 5 pH对复合菌群降解性能的影响

 
图 6 不同起始pH条件下pH的变化

  图 5显示,当pH为6.8和8.0时,COD去除率基本一致,说明在起始pH为6.8~8.0范围内,pH对复合菌群的降解性能影响不大;在起始pH为4.0,即接近糖蜜酒精原液pH的条件下,COD去除率则受到较大影响。由图 6可以看出,在起始pH为6.8和8.0时,pH的变化呈先降后升,最后达到7.0左右,pH变化过程是典型的厌氧降解反应pH变化过程;在起始pH为4.0时,虽然低pH条件改变了复合菌群的代谢类型和代谢产物,使微生物的降解性能受到一定影响,导致COD去除率下降,但是整个过程中反应系统的pH一直都在不断地上升,直至与 pH为6.8和8.0时的反应系统的pH基本一致。由此可见,该复合菌群具有较强的调节系统pH的能力,能使pH从4.0逐步上升到7.0左右。尽管低pH影响了系统的降解效果,延长了系统的启动周期,但是该复合菌群能够使整个系统逐渐恢复到正常状态,对于保持处理系统的稳定性具有重要意义。具体参见污水技术资料更多相关技术文档。

  3 结论

  从处理糖蜜酒精废液的UASB反应器颗粒污泥中筛选出优势菌株,并对优势菌的生态位、代谢产物及降解性能进行了研究。

  (1)优势菌的生态位研究表明,8株优势菌种组成的复合菌群具有很宽的生态位,且在不同生态位空间都有相应的优势菌种,该复合菌群具有生态位的多样性和很强的生态系统稳定性,能够适应糖蜜酒精废液的低pH条件。

  (2)复合菌群代谢产物研究表明,复合菌群能通过代谢途径来调节最终代谢产物以适应外界条件的变化,并且能够逐渐改变外界环境并使之向复合菌群最佳的生态位空间迁移。该复合菌群具有较强的环境适应和调控能力,可以作为处理高浓度、偏酸性糖蜜酒精废液生物反应器启动和运行调控的优势菌群。

  (3)通过复合菌群对糖蜜酒精废液的降解实验,对复合菌群的降解特性及COD、pH、温度等各种生态因子对复合菌群降解性能的影响进行了分析,为该复合菌群的工程应用奠定了基础。

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