（环境科学专业论文）糖蜜酒精废液优势降解菌群的实验研究.pdf

硕士学位论文：糖蜜酒精废液优势降解菌群的试验研究 适合的降解条件，为复合菌群今后工程应用奠定了基础。 ( 6 ) 对复合菌群在不同p h 条件下的代谢产物进行分析，得出了该复 合菌群主要为。乙酸型”代谢从理论上说明该复合菌群是针对糖蜜酒 精废液的高效优势复合菌群，能够作为糖蜜酒精废液生物处理的高效优 势菌种。 ( 7 ) u a s b 中试结果说明该复合菌群对酒精废水是一种有效的复合菌 群，可以应用于糖蜜酒精废水的厌氧生物反应器。 关键词：糖蜜酒精废液；优势复合菌群；生物降解；最佳培养条件； 生态关系 硕士学位论文：糖蜜酒精废液优势降解菌群的试验研究 a b s t r a c t m o l a s s e sa l c o h o lw a s t e w a t e ri sn o to n l yak i n do fd i f f i c u l t l yt r e a t m e n t i n d u s t r i a l w a s t e w a t e r , b u ta l s o ah o t i s s u e c o m p a r i s o n a l lk i n d so f t r e a t m e n t p r o c e s s ，a n a e r o b i c b i o t r e a t m e n ti saw e l lc h o s e nt ot r e a t m o l a s s e sa l c o h o l i cw a s t e w a t e r ，u a s bi sa ne f f e c t i v ea n a e r o b i ct r e a t m e n t p r o c e s s e sf o rm o l a s s e sa l c o h o l i cw a s t e w a t e r h o w e v e r , t h em i c r o b eg r o u p s a n dt h es t r u c t u r eo fe c o s y s t e ma r ed e c i s i v ef a c t o r st od e c i d ew h e t h e ru a s b r e a c t o r ss m o o t h l ys t a r t u pa n dw e l lr u n n i n g i no r d e rt or e s o l v et h ep r o b l e m s e x i t i n gi nu a s bt r e a t m e n tp r o c e s s ，s e l e c t i n gb a c t e r i u mt h a tn o to n l yh a v e d e g r a d a b i l i t y t om o l a s s e sa l c o h o l i cw a s t e w a t e rb u ta l s oh a v eas t r o n g r e g u l a t o r yc a p a c i t yt oe c o s y s t e mw h i c hc a ni m p r o v i n gs u r v i v a lc o n d i t i o no f m e t h a n ep r o d u c i n gb a c t e r i u m d o m i n a n tc o m p o u n db a c t e r i u mw h i c hc o u l d s h o r t e nu a s bs t a r t u pc y c l e ，a c c e l e r a t et h ef o r mo fa n a e r o b i cg r a n u l a r s l u d g ea n di m p r o v et h ep r o c e s s i n ge f f e c t so fu a s b f i r s t l y , e i g h ts t r a i n sb a c t e r i aw h i c hh a v eg o o da d a p t a b i l i t ya n dh i g h a b i l i t yo fd e g r a d a t i o nw e r ei s o l a t e da n di d e n t i f i e d e n r i c h m e n ti n c u b a t i o n e x p e r i m e n t r e s e a r c h e d c o m p o u n d b a c t e r i u m c u l t u r i n gc o n d i t i o n s a n d n u t r i t i o nr e q u i r e m e n t a n a l y z e dt h ei n f l u e n c eo fe c o l o g i c a lf a c t o ro nt h e d e g r a d a t i o nc a p a b i l i t yo fc o m p o u n db a c t e r i a ，a tl a s t ，r e s e a r c h e d t h e e c o l o g i c a lr e l a t i o n s h i pa n dm e t a b o l i t e so fd o m i n a n tc o m p o u n db a c t e r i u m a p p l y i n gp h y s i o l o g i c a le c o l o g yp o i n t s t h em a i nc o n c l u s i o n so ft h i sp a p e r w e r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： ( 1 ) t h r o u g ht h ei d e n t i f i c a t i o nt ot h ee i g h ts t r a i n s t h e ya r eb e l o n gt o d e r m a b a c t e r ；c o r y n e b a c t e r i u m ；e x i g u o b a c t e r ；l a c t o b a c i l l u s ；c e l l u l o m o n a s ； p r o p i o n i b a c t e r i u m ；r u b r i v i v a xs e v e ng e n u s ( 2 ) t h ee x p e r i m e n to fe i g h td o m i n a n tb a c t e r i u mm i x e dc u l t u r i n gs h a r e d t h a tt h eo p t i m a lc u l t u r i n gc o n d i t i o n si sp h 6 8 ，t e m p e r a t u r e3 7 c ( 3 ) a n a l y z e dt h ei n f l u e n c eo fc 、nr e s o u r c e sa n dm i c r o e l e m e n to nt h e d e g r a d a t i o nc a p a b i l i t yo fc o m p o u n db a c t e r i a ，t h er e s u l t ss h o w e dt h a ta d d i n g s u i t a b l eg l u c o s ea n dm i c r o e l e m e n tc a no b v i o u s l yi m p r o v et h ed e g r a d a t i o n a b i l i t yo fc o m p o u n db a c t e r i a t h eo p t i m u ma d d i n gq u a n t i t yi sg l u c o s e o 5 9 i ，n h 4 n 0 3 1 9 1 ，f e 2 + 5 m g l 、c a 2 + 2 5 m g 1 m 硕士学位论文：糖蜜酒精废液优势降解苗群的试验研究 ( 4 ) t h er u d i m e n t a ln i c h er e s e a r c ho nc o m p o u n db a c t e r i u mi n d i c a t i o n t h a tt h ec o m p o u n dd o m i n a n tb a c t e r i u mn o to n l yh a v eav e r yw i d en i c h e s p a c ea n dh a v ed i f f e r e n td o m i n a n ts t r a i n i nt h ed i f f e r e n ta r e a so fn i c h e s p a c e s o ，t h ed o m i n a n tc o m p o u n db a c t e r i u mh a sd i v e r s i t yo fn i c h ea n d c o u l dt oa d a p tt h ec h a n g e so fe n v i r o n m e n t ( 5 ) t h r o u g hc o m p o u n db a c t e r i u md e g r a d a t i o ne x p e r i m e n t s a n a l y z e dt h e i n f l u e n c eo ft e m p e r a t u r e ，c o dc o n c e n t r a t i o n ，p ha n do t h e rf a c t o r st ot h e d e g r a d a b i l i t yo fc o m p o u n db a c t e r i u m a c h i e v i n gt h eo p t i m a ld e g r a d a t i o n c o n d i t i o no fc o m p o u n db a c t e r i u ma n dl a i dt h ef o u n d a t i o nf o rf u t u r e a p p l i c a t i o n ( 6 ) t h em e t a b o l i t e si nd i f f e r e n tp hc o n d i t i o n si n d i c a t i o nt h a tc o m p o u n d b a c t e r i u mi sa c e t a t et y p em e t a b o l i s m t h er e s u l t sf r o mt h e o r yi n d i c a t i o n t h a tc o m p o u n db a c t e r i u ma r ee f f e c t i v et om o l a s s e sa l c o h o lw a s t e w a t e ra n d c o u l db eu s e da sd o m i n a n ts t r a i ni nm o l a s s e sa l c o h o lw a s t e w a t e rt r e a t m e n t ( 7 ) u a s b p i l o t s c a l ee x p e r i m e n tr e s u l t sf u r t h e rp r o v et h a tc o m p o u n d b a c t e r i u mi se f f e c t i v ea n dc a nu s ea sd o m i n a n tb a c t e r i u mi nt h et r e a t m e n to f m o l a s s e sa l c o h o lw a s t e w a t e r k e y w o r d s ：m o l a s s e sa l c o h o lw a s t e w a t e r ；d o m i n a n tc o m p o u n db a c t e r i a ： b i o d e g r a d a t i o n ； o p t i m a lc u l t u r i n gc o n d i t i o n s ：e c o l o g i c a lr e l a t i o n i v 中南林业科技大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独 立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用 的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰 写的成果作品，也不包含为获得中南林业科技大学或其他教 育机构的学位或证书所使用过的材料。对本文的研究作出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：小l 遗森勿 占年6 月，口日 中南林业科技大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文 的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件或电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权中南林 业科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保 存和汇编本学位论文。 本学位论文属于： 1 、 保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请您在以上相应方框打 作者签名：纠渤参 导师签名： v w 年6 月i o 日 硕士学位论文：糖蜜酒精废液优势降解菌群的试验研究 1 绪言 糖蜜酒精废液是一种高浓度且捧放量大的有机废液，不进行妥善处 理据，将会对环境造成严重的污染危害据报道，我国酒精工业排放的 高浓度有机废水每年达5 0 0 0 万吨。废水中所含c o d ( 约3 6 0 万t ) 和 b o d ( 约1 8 0 万t ) 约占全国工业废水中c o d 和b o d 总量的1 8 ，是造成 水体污染的重要污染源【1 1 糖蜜酒精废水有机物含量高，成份多而复杂 虽然在糖蜜酒精废液中几乎包含了所有微生物生长需要的营养元素，但 由于各营养元素的相对比例并不适合微生物的生长要求，甚至在一定程 度上抑制了某些重要微生物的生长，这些因素导致了糖蜜酒精废液成为 一种很难有效处理的有机工业废水。目前虽然有很多针对酒精废液的处 理方法，但是由于投资大、处理效果不理想等原因而得不到应用。因此， 针对酒精废液分离出具有高效降解性能的微生物，并研究微生物的生长 条件，调节糖蜜酒精废液中营养元素的比例，改善微生物生长环境，开 发出具有高效降解性能的复合菌群是很有意义的 1 1 糖蜜酒精废液概述 1 1 1 糖蜜酒精废液的产生及特点 我国现有甘蔗制糖企业约三百多家，其中9 0 配备糖蜜酒精车间， 规模一般为日产酒精2 0 4 0 m 3 t 甘蔗糖蜜是制糖过程的副产品，用其生 产酒精不仅成本低，而且由于近几年来酒精市场兴旺，酒精产品可获取 很好的经济效益。在糖价下跌时，不少糖厂生产酒精的效益大于白砂糖。 由于目前我国生产酒精的技术多为利用低糖或中低糖发酵，在酒精生产 过程中产生大量的有机污染废水，每生产l m 3 酒精排放废水1 3 1 5 m 3 酒 精生产的废水主要来自蒸馏发酵成熟醪时，从粗馏塔底部排放的蒸馏残 留物一酒精糟( 即高浓度有机废水) ，以及生产过程中的洗涤水( 中浓度有 机废水) 和蒸煮，糖化、发酵、工艺的冷却水 2 1 。 酒精是以糖蜜、淀粉类谷物或薯类和大米等为原料发酵酿制而成， 在这类原料中除含有糖份、淀粉外，还含有蛋白质，脂肪、无机盐、纤 维素等p 】。在酒精酿造过程中，仅是部分碳水化合物经微生物发酵转化 为乙醇及其他产物，而剩余的碳水化合物和非碳水化合物如蛋白质、无 机盐、粗脂肪等残留在母液中，作为工业废水而排放。糖蜜酒精废液的 硕士学位论文：糖蜜酒精废液优势降解菌群的试验研究 特点主要如下【j 。 ( 1 ) 废水c o d 浓度高，可生化性好，属高浓度有机废水 ( 2 ) 固形物高达1 0 2 0 ，能干化回收，但粘性大，附加值低 ( 3 ) 含有大量有机质、蛋白质、维生素、l q 、p 、k 等，无毒无害 “) p h 值3 5 4 5 ，含有无机酸及有机酸，腐蚀性强 ( 5 ) 色度高，含有类黑色素，难以物化、生化去除 1 1 2 糖蜜酒精废液主要成分及危害 糖蜜酒精废液含有丰富的有机物及矿物质，属无毒、有害、高浓度 的有机废水，其主要成分见表1 i t ”1 表i i 糖蜜酒精废液的主要成份 t a b l e l it h em a i nc o m p o n e n t so fm o l a s s e sa l c o h o lw a s t e w a t e r 这种废液的c o d 和b o d 5 分别高达9 1 0 4 - 1 2 x 1 0 4 m g l 和5 1 0 4 - 8 1 0 4 m g l ，p h 值为3 5 4 5 ，含糖1 9 2 9 ，固形物含量为1 0 - 1 2 ( 质 量分数) ，此外还含有s 0 4 、c l 及有机酸等，属超高浓度有机酸性废液。 另外，废液中含有约1 0 具有肥效的各种有机物质以及钙、镁、氮、磷、 钾、锰和其它微量元素，尤其钾最为丰富，直接排放浪费大量有用资源l 摹】。 糖蜜酒精废液呈棕色，含有多种色素成份色素主要由酚类和氨基 氮化物等组成一由多酚类物质氧化成褐色素，还原糖碱分解、缩合和聚 合而成的棕色素，还原糖与氨基酸反应生成褐色素，糖热分解为焦糖色 素及酚类与铁反应生成的深色化合物等这些化合物耐温、耐光照，在 4 1 l 的p h 值范围内，颜色不会变浅，难被微生物降解，也是造成糖蜜酒 精废液难处理的重要原因之一( 9 1 。 由于每生产一吨酒精会产生约1 3 - 1 5 吨的废液，一个2 0 m 3 d 的酒精 2 硕士学位论文；糖蜜酒精废液优势降解菌群的试验研究 生产厂排放废液的污染程度相当于一个3 0 万人口的城市生活污水的捧放 量糖厂生产需要大量供水，一般糖厂都依河而建，由于酒精废液的处 理技术滞后，各糖厂的酒精废液有的经简单处理，有的不经处理就直接 排入河流中，造成河水严重污染1 1 0 虽然这种废液无毒，但大量废液排 入江河，使江河缺氧，鱼虾绝迹，河水发臭，造成严重的环境污染 i , i 3 处理糖蜜酒精废液的紧迫性 糖业生产在为经济发展做出贡献的同时也给环境带来了严重的污 染由于糖厂排放的废水中糖分和有机质含量高、p h 偏低。排放后容易 造成农作物死亡、江河水质被污染、水中生物死亡、水体富营养化、破 坏生态环境等严重后果 i h 尽管，近年来国内外都对糖蜜酒精废液的治 理问题给予了极大的关注，并针对糖蜜酒精废液的处理、开发和利用做 了不少研究工作。但由于资金、技术等多方面因素的制约，还没有找到 投资省、运行费用低、达标可靠的技术，使糖蜜酒精废液治理问题成为 我国环境保护工作中棘手问题之一 1 2 - 1 3 1 随着人们环保意识的增强，糖蜜酒精废液的治理问题，己成为影响 到糖厂的生存，并关系到农村经济的发展和沿河流域人民的身体健康的 重要问题，同时也引起各级政府及环保部门的高度重视研究开发针对 糖蜜酒精废液高效的处理方法或技术已是当务之急。 1 2 糖蜜酒精废液处理技术进展 1 2 i 糖蜜酒精废液资源化处理 针对糖蜜酒精废液中有机物含量高，具有丰富的n 、p 、k 等元素， 大部分污染物可被微生物降解等特点，国内外对糖蜜酒精废液处理、利 用途径进行了长期的探索，并取得了许多成功的经验1 1 4 。目前，国内外 通常采用的糖蜜酒精废液资源化技术主要有以下几种。 1 2 1 1 农灌法 农灌法是将糖蜜酒精废液经过一定的处理后用来灌溉农田该法可 使糖蜜酒精废液中含有的丰富有机质和n 、p 、k 等元素被农作物吸收利 用，形成自然循环过程。该方法投资少，操作简单但其施用要视土壤 的类型而定，如不加区别地长期使用，由于养分单一，易破坏土壤的结 构，引起土壤板结和营养元素失衡而引起肥力降低 1 5 - 1 6 。另外，对酒精 3 硕士学位论文：糖蜜酒精废液优势降解菌群的试验研究 产量高、附近农田少的厂家，农灌法不适宜农灌法主要缺陷在于1 1 ”j ： 需大量的废液贮存池；菲律宾某酒精厂的试验证明农灌法只适合于 酸性土壤；农灌用量要有控制，用糖蜜酒精废液作肥料施加过量，会 增加甘蔗汁和糖蜜的灰分，对制糖和酒精生产都不利；据r i e g e r 1 9 1 报导 巴西的废液用量是根据甘蔗的种类和土壤而作调整的：农灌法只适用 于农作物需水季节 1 2 1 2 浓缩焚烧处理法 焚烧法是另一种广泛采用的酒精废液治理方法，其原理是将废液浓 缩至一定浓度，使热值达到一定水平后，用专用的焚烧炉进行焚烧【2 在经济发达的国家，如美、法、英、德、意等国，大都采用蒸发浓缩的 方法处理糖蜜酒精废液，我国的许多厂家也采用了这种处理方法。目前 酒精废液浓缩后燃烧的治理途径有两种形式【2 u ： ( 1 ) 糖蜜酒精废液经初步处理后浓缩至7 5 一8 5 ，然后制成纯干粉或 加入辅料制成混合干粉，得到的干粉可以用于配制或直接作为饲料、肥 料、水泥或减水剂等。 ( 2 ) 将初步处理过的废液浓缩到含固形物6 0 左右后，用高压泵通过 喷嘴雾化，喷入炉膛燃烧的火焰中，使废液在1 1 0 0 1 2 5 0 的高温下燃烧， 或者将浓缩液与一定比例的蔗渣混合均匀后送入锅炉燃烧，并回收反应 热和钾灰。 浓缩处理可实现废液的零排放，治理较为彻底，是目前国内外比较 推崇的治理方法。但该法设备投资大，浓缩的能耗高，且还存在蒸发过 程中设备腐蚀和积垢严重等问题。对生产产品的处理工艺，产品质量常 常不稳定，档次不高，缺乏竞争力易使生产陷入困境而影响废液的治理。 对焚烧工艺，焚烧排出的废气还需要再进行处理，另外焚烧技术目前也 未完全过关 2 2 - 2 4 】。 1 2 1 3 锅炉烟道气浓缩法 酒精废液经添加石灰乳中和后，p h 值大于6 ，再泵到混合池，与锅 炉间废水( 包括除尘水和锅炉冲灰水) 混合，在混合池内，废水进一步得 到了中和，p h 值升高，基本达到7 0 后，将混合废水泵去曲筛，分离出 废渣( 约占2 5 ) 和滤液( 约占7 5 ) 。废渣排到渣池，废液进入渣水分离 器，分离出来的废渣与曲筛排出的废渣一起排出厂外作肥料用，由分离 器出来的清液用作锅炉冲灰水和除尘器除尘水，冲灰和除尘后的废水再 4 硕士学位论文：糖蜜酒精废液优势降解菌群的试验研究 次回到混合池中与酒精车间的废水混合，进入下一轮循环，如此不断重 复，约十天后向外排放一次 2 5 1 。糖蜜酒精废液用锅炉烟气除尘净化，利 用烟气的余热使废水水份蒸发浓缩，同时利用烟灰吸附废水中的有机物。 经该方法处理后的废液经反复循环，浓度越来越大，最后呈浓浆而 排放废水c 0 1 ) 的降低主要靠烟灰的吸附作用，有机物质部分进入了锅 炉炉灰中，排放的浓浆不能直接排入河流，可与其它废渣混合堆肥这 是一种简易的酒精废液处理方法，但不能实现达标排放，且堆肥会造成 二次污染。 1 2 1 4 回收酵母法 糖蜜酒精废水中含有酒精酵母和糖等有机物，可为微生物生长提供 碳源和氮源。因此，国内一些糖厂采用物化法絮凝回收废液中的酵母【2 们 用此法提取的酵母产品，因系统回收率低，产量不稳定，或回收的固体 含蛋白质偏低，难以达到产品标准，因此其回收酵母不能形成产业，回 收的产品只能用于堆肥或用于其它方面。此外还存在生产成本高的问题 国外有的生产厂在处理中并不提取酵母，而是将废液浓缩后直接作饲料 添加剂【27 l ，但用浓缩废液做饲料添加剂的用量必须控制好，以免废液中 钾的较高浓度而造成牲畜腹泻。我国酒精废液中含钾量均较高，目前， 还没有用此技术生产饲料添加剂的先例【2 叭。废水回收酵母后，c o d 约可 降低3 0 ，废水仍不能达标排放，还需进一步处理。 1 2 2 糖蜜酒精废液生化处理方法 1 2 2 1 氧化塘处理 氧化塘是利用天然微生物自净作用的处理系统，是比较传统的废水 处理办法其基本原理是废水在塘中缓慢流动或存储，滞留时间较长， 塘中微生物的代谢活动可使废水中的有机物降解待自然氧化达到国家 排放标准后，再排入农田做灌溉用，由于氧化塘的资金投入较少，自然氧 化技术在国外糖厂中是使用较多的处理办法【2 9 1 ，它只需一个足够容积的 氧化塘即可，这也是它的优点之一，此外，几乎不需要人员管理，也几乎不 需要投入其他运行成本 3 0 1 。氧化塘的特点是运行成本低，操作简单，但 一次性投资大，需要场地大，而且排灌农田还受季节的限制，更为可惜 的是浪费了酒精废液的糖份、蛋白质、氨基酸和氮、磷、钾等元素，还 得定期清理氧化塘的沉淀物 3 h 5 硕士学位论文：糖蜜酒精废液优势降解菌群的试验研究 由于自然氧化法所需的氧化塘的容积需求相当大，一般氧化塘满足 不了生产的需要。工厂经过几年的生产运转，往往是废渣和废水填满了氧 化塘，在氧化塘四周溢流出废水和废渣【3 2 1 。这些废水没有经过足够的氧化 时间，c o d 和b o d 的去除率比较低，它的c o d 和b o d 远未能达到排放 标准，就往外排放，特别是下雨的时候，大量的污水随着雨水一起往外排， 引起周围环境的污染因此，总的来说，自然氧化技术的治理效果因受到 诸多因素的影响，从目前使用情况来看，该方法是不太理想的。 1 2 2 2 厌氧生物处理法 糖蜜酒精废液可生化性好，c o d 可去除率可达9 0 以上。除氧化塘 外，一些糖厂采用厌氧工艺处理废液，使处理过程产生经济效益。其基 本原理是废液经厌氧发酵产生沼气，酒精废液经过机械除渣，送去厌氧 发酵池，厌氧微生物对有机物进行分解( 即厌氧发酵) ，发酵所产生的气 体就是沼气1 3 3 1 。我国自1 9 6 7 年第一座酒精废水沼气池在河南南阳酒精 厂投入运行以来，用厌氧方法处理酒精废液在我国已经历了3 0 多年的历 程。3 0 多年来各种类型的厌氧反应器相继应用于酒糟废水的处理中，一 定程度上缓解了酒精废水对环境的污染。 处理酒精废水的厌氧工艺主要有以下几类； ( 1 ) 普通厌氧消化池 普通厌氧消化池简称a d t ，又称为传统或常规消化池，废液由沉淀池 底部向上层排出，沼气从池顶部排出。消化池结构比较简单，可以直接处 理悬浮固体含量较高的废液。但是消化池也存在难以保持大量的活性微 生物，水力停留时间比较长，有机负荷低，管理不方便等很多缺陷。 ( 2 ) 厌氧生物滤池 a f 是一种内部填充有微生物载体的厌氧生物反应器【3 4 1 。厌氧生物滤 池还可分为升流式生物滤池和降流式生物滤池，r a j c y k 3 5 】认为可用升流 式生物滤池处理酒精废水；a t h a n a s o p 【36 】认为降流式厌氧生物滤池非常适 合具有高c o d 浓度并能发酵产气的糖蜜酒精废水的处理。典型的生产性 a f 呈筒状，常用直径和高度分别为6 2 6m 和3 1 3m 。滤池中可维持相当 高的微生物浓度，一般可达5 1 5k g v s s m 3 ，故a f 能承受较高的有机物体 积负荷。由于较高的污泥浓度和长达1 0 0 d 以上的泥龄，a f 具有良好的运 行稳定性，较能承受水质或水量的冲击负荷，在常温下能处理城市污水等 低浓度有机废水，a f 的另一特点是反应器内污泥产率低，运行启动快 1 3 7 。 6 硕士学位论文：糖蜜酒精废液优势降解菌群的试验研究 厌氧生物滤池的主要优点是：处理能力比较好，滤池内可保持比较 高的微生物浓度，不需另外再设泥水分离设备，操作简单方便。不足之 处在于滤料费用较高，滤料容易堵塞；堵塞后不容易清洗等缺点，对布 水装置要求也比较高，易发生短流。影响处理效果 ( 3 ) 厌氧一好氧生化法 厌氧一好氧工艺是处理高浓度有机废水的常用方法对于糖蜜酒精 废液，只经过厌氧处理是无法达到排放标准的，故一般使用厌氧一好氧 法两级处理的方法对厌氧部分，通常需要多级串联才能达到要求对 好氧部分，采用的方法有氧化塘法、曝气法，和生物滤塔法等。一般说 来，氧化塘的成本、能耗、运行费用均较低，但自净效率也低，占地面 积大，且易污染地下水：生物滤塔法的运行费用也低，设备简单。但占地 面积也较大，处理时间长，对于一些难以降解的有机物无法处理：相对而 言，曝气法占地面积较小，但运行费用与能耗较高【”】。 厌氧一好氧法可生产沼气而回收糖蜜酒精废液中蕴含的能源，使废 物资源化，这是该法最突出的优点。不足之处是占地面积大，投资大， 直接将废液处理到达标排放的难度大，沼气的利用也是生产实际中不好 解决的问题。 “) 升流式厌氧污泥床 上流式活性污泥床反应器简称u s a b 反应器，是荷兰学者在2 0 世纪 。7 0 年代开发的，u a s b 反应器上部设有气、固、液三相分离器，下部为 污泥悬浮区和污泥床，废水从反应器底部流入，上升流动至反应器顶部 流出 3 9 - 4 0 。进行固液分离后，污泥可自行回流到污泥床区，污泥床可保 持很高浓度的污泥浓度u a s b 反应器的最大特点是能在反应器内实现 污泥颗粒化，具有很好的沉降性能和很高的产甲烷活性因此，u a s b 反 应器具有很高的容积负荷 4 1 - 4 2 。u a s b 反应器不仅适于处理高、中浓度 的有机废水，也适合于处理像城市废水这样低浓度的有机废水，以u a s b 为代表的厌氧处理法具有较高的容积负荷能力，特别是在高浓度有机废 水的处理上发挥了很大作用 4 3 - 4 4 。 u a s b 工艺具有其他厌氧处理工艺难以比拟的优点，尤其是u a s bi 艺能够实验厌氧污泥的颗粒化，使其固体停留时间长达1 0 0 d ，固、液、 气三相分离实现一体化【4 5 1 。具有很高的容积负荷和处理效率，非常适合 各种高浓度有机废水的厌氧生化处理同时该工艺具有结构紧凑，处理能 力大，效果好，投资省等优点【4 6 1 。 但是该方法也具有一定的选择性，在某些情况下不能形成颗粒污泥， 而且处理过程中形成的h 2 s 对设备的腐蚀问题、n h 3 对微生物的毒害问 7 硕士学位论文：糖蜜酒精废液优势降解菌群的试验研究 题等也比较突出，使其应用受到一定的限制 4 7 - 4 8 1 该工艺不适于处理高 悬浮固体浓度的废水。三相分离器还没有一个成熟的设计方案，颗粒污泥 的培养较困难 4 9 - 5 0 与传统的好氧处理工艺相比较，厌氧处理工艺具有以下优点【“1 ( 1 ) 厌氧处理不但能源需求很少而且能产生大量的可利用的能源 ( 2 ) 厌氧工艺的剩余污泥量远少于好氧工艺。污泥经过厌氧处理后， 性质稳定，宜于脱水，污泥处置费用低。 ( 3 ) 厌氧过程对营养元素要求低 ( 4 ) 适于处理高浓度废水，处理效率高。 ( 5 ) 投资成本一般较低，运行管理费用也大大低于好氧工艺。 ( 6 ) 由于厌氧工艺中细菌的组成及代谢途径具有多样性，许多在好氧 工艺中难以降解的复杂有机物在厌氧工艺中可以被顺利降解。 高浓度有机废水厌氧处理是一种把环境保护、能源回收与生态良性 循环结合起来的综合系统处理技术，具有较好的环境与经济效益，是一 种变废为宝的可持续发展环保技术p ”。 1 3 高效优势菌种研究进展 当前，提高厌氧生物降解处理效果主要有以下几种途径：1 ) 研发或 改进现有的厌氧生物处理工艺，以提高工艺的处理水平2 ) 从反应器中 微生物角度出发，提高反应器中微生物的生物量；具体措施包括加入载 体形成生物膜、培养厌氧颗粒污泥等。3 ) 厌氧生物降解过程是一个多菌 群、多层次的厌氧发酵过程，参与生物降解过程的微生物种类多，关系 复杂，微生物种群之间存在多种生态关系，如何保持厌氧生物降解过程 中微生态系统的平衡及开发针对特定废水的优势菌群也已经成为提高反 应器处理效果的重要途径 5 3 1 。 1 3 1 高效优势菌的提出 高效优势菌就是对某种特定的污染物或者特定的某种废水具有较高 的去除降解效果的微生物。高效优势菌一般来源于被污染的水、土壤或 驯化好的污泥中。在某种特定污染环境中能够存活的这些菌种即使不能 利用污水中的污染成分做养分来源，也对该环境有一定的耐受能力通 过对微生物的筛选、分离、纯化得到具有降解性能或对污染物降解具有 促进作用的优势菌或优势菌群 5 4 1 。 近年来，世界各国的专家和学者做了很多工作研究具有某种特定降 8 硕士学位论文s 糖蜜酒精废液优势降解菌群的试验研究 解能力的微生物群体，也就是高效优势的微生物菌体这些工作主要涉 及到长期驯化具有特定降解能力的微生物群体，从特定环境里分离纯化 得到具有特定降解能力的菌种以及通过基因手段改造微生物以使之具有 特定的降解能力等几部分5 5 1 1 3 2 优势菌种的生物强化 生物强化技术产起源于2 0 世纪7 0 年代中期，8 0 年代以来得到广泛 的研究和应用【5 ”。该技术的主要原理是：由于天然生态系统的微生物对污 染物的降解不一定有效。为了提高生物降解反应器中微生物的降解能力， 通过投加外源高效微生物来保持并强化反应器中存在微生物的活性，从 而提高生物降解效果。生物强化所利用的微生物来源于原有的生物降解 体系或经过驯化、富集、筛选、培养获得1 5 7 1 ，甚至是原来降解体系中不 存在的外源微生物。 优势菌种对污染物的生物强化作用主要表现为，优势菌种对污染物 的直接降解作用和优势菌种问的共代谢作用以及优势菌种对生物降解系 统中微生物种群和群落的调节作用p 引 1 3 3 优势复合菌群的生物强化 在微生物降解过程中，很多生物反应过程不是单一微生物能够完成 的，而通过两种或多种微生物的共同作用一起完成的。厌氧生物降解过程 就是依靠不同微生物的共同作用完成了水解酸化、产氢产乙酸、产甲烷 等一系列的生物过程使得污染物最终得以降解 耳前，美国，日本等国通过对菌种的混合培养，获得了具有降解能 力的复合菌群，其中一些高效优势降解菌已被制成微生物制剂p 9 1 。日本 琉球大学于2 0 世纪8 0 年代初期研制出一种复合微生物制剂e m ( e f f e c t i v e m i c r o o r g a n i s m ) ，它是一种由好氧和厌氧微生物菌群组成的互利共生体， 包括了1 0 个属8 0 多个微生物，其中主要代表微生物有光合细菌、乳酸 菌、酵母菌和放线菌等 6 0 - 6 2 。各种微生物在其生长过程中产生有用物质 及其分泌物能够作为其它微生物体生长的基质和原料，通过相互协作形 成一个稳定的、复杂的、功能广泛的微生物群聚菌群。h s b ( h i g hs o l u t i o n b a c t e r i a ) 技术于1 9 9 1 年在台湾获得了专利，h s b 是一个复杂的微生物 群概念，现在已经发展到1 0 0 余种，如反硝化产碱菌、脱氮硫杆菌、氧 化硫杆菌等等 6 3 1 。王银善i “】等报道，对复合菌群处理p v a 废水的研究 结果表明，系统引入联合菌群后，p v a 等有机物就可被有效地降解，而且 9 硕士学位论文：糖蜜酒精废液优势降解菌群的试验研究 联合菌群能长期维持降解系统的生态平衡与稳定贾省芬等【6 习从城市污 水及工业废水中分离选育出多功能混合菌群，包括具有絮凝作用的芽抱 杆菌同时兼有降解功能 综上所述，优势复合菌群的生物降解和生物转化作用正在不断的被 认识，对复合优势菌群的开发和应用，也成为废水生物处理一个重要内 容。 1 3 4 优势种群之间的微生态关系 微生物是生物降解反应的主体，随着微生物技术的发展，生物降解 的研究已经从生物降解反应器中微生物数量和活性研究，逐渐转移到对 微生物系统中微生物生物降解机制、不同菌群之间的相互协调关系的研 究，因而导致了对微生物生态系统的研究【的】。在以微生物为主的污染物 生物降解和受污染环境的生物修复过程中，存在着由多种微生物构成的 微生态系统，不同类型微生物之间存在着内在的相互依存、相互作用的 微生物生态关系，即微生态关系【6 7 】。对于污染物成分比较复杂的糖蜜酒 精废液及其厌氧生化处理过程，复合菌群之间的微生态关系更为重要【6 ” 微生物构成的微生态系统是一个高度开放的生态系统，它具有自我 更新能力和不断地与外界进行物质和能量代谢的机能，具有发育、繁殖、 生长和衰亡等生物有机体的特性 6 9 1 。微生态系统在其形成过程中，经历 了微生态系统形成的初期、成长期和成熟期，表现出微生态系统的时间 特征，从而产生了微生态系统的演替【7 0 l 。不同类型的微生物形成的微生 态系统及其群落的演替既是微生物对环境的适应，又是微生物自身恢复 的重要过程 7 1 - 7 2 。微生态系统的演替特性对研究生物降解过程中微生态 系统的生物降解特征，微生态系统对外界环境条件变化的适应性及生物 降解过程中生态系统的恢复都是有重要意义的。 微生态系统中各微生物种群、数量、时间和空间配置，构成了微生 态系统的基本结构【。乃】。当外界干预因素影响超过了微生态系统的自身调 节能力或其代谢功能的生态阀限值时，则会引起微生态系统的结构与功 能失调，即微生态系统平衡被破坏或失调【7 4 】。系统平衡失调的特征从外 部压力对微生态系统的作用来说，有两个方面的破坏作用：即一方面损坏 微生态系统的结构，导致系统的功能降低；另一方面是引起系统功能的 衰退，导致系统结构的解体当微生态系统平衡失调时，微生态系统的 物质循环和能量流动受阻，对环境的调节功能下降，最终导致微生态系 统破坏，从而使生物降解功能减弱或丧失1 7 5 硕士学位论文：糖蜜酒精废液优势降解菌群的试验研究 1 3 5 微生态系统的生物降解机制 微生态系统的生物降解是多种微生物之间的协同作用的结果微生 物之间的协作机制可分为化学、物理和遗传信息三个水平微生物通过 三种水平的协作机制，一方面使得微生态系统具备完整的降解酶系或基 因组分；另一方面为微生物种群间基因信息的交换和重组提供了适宜的 条件和可能，并导致新的有效降解途径的产生。在难降解化合物的生物 降解微生态系统中，由于微生物之间发生的基因交换与基因重组，从而 获得该化合物的降解能力 7 6 7 7 】 微生物种群构成的微生态系统，与单个微生物菌种的作用相比，由 于微生物间存在着有效联系，使微生态系统的生物降解更为有效生物 降解微生态系统中，一种或几种微生物能为其它微生物生长繁殖提供维 生素b 、氨基酸或其它生长因子，或者微生态系统中微生物彼此间相互提 供生长因子，为微生物的生长繁殖、提高代谢活性创造了条件，也进一 步加强了微生态系统的稳定性，改善了系统生物降解的性能1 7 。】 生物降解过程中，微生物代谢产物的积累通常对自身或其它微生物 的生物活性产生抑制作用。生物降解微生态系统中多样性微生物的存在， 使得微生物每一步的代谢过程都有相应的其它微生物参与，多样性的微 生物能及时分解生物降解过程中形成的各种中间产物1 7 9 1 微生态系统中 微生物的多样性避免了生物降解与转化过程中因中间产物积累而产生的 抑制作用，从而保证了生物降解过程的顺利进行。 1 3 6 优势复合菌群发展前景 高效优势复合菌群不仅可以提高污染物的去除降解效果，还可以改 善污泥性能，减少污泥量在工程实际中复合菌能够提高冲击负荷，缩短 系统启动周期，提高系统运行稳定性和处理效果另外，通过投加复合菌 群不仅能够改善原有生态系统的结构，强化微生态系统处理能力，还能加 快厌氧颗粒统污泥的形成随着世界范围的环境问题日益严重，优势复合 菌群在环保领域各个方面的应用将越来越广泛，在处理污水、净化空气、 改善土壤、促进有机物分解转化、消除环境恶臭、资源循环利用等方面 都将会得到广泛应用【8 们。随着环保研究工作的不断深入和开展，高效优势 菌种的研究开发已经成为提高生物法处理高浓度有机废水和其他难处理 废水效果的一个重要手段。并且由于其独有的优越性，必将在以后的废水 生化处理工艺中发挥更大的作用，应用潜力很大。 硕士学位论文z 糖蜜酒精废液优势降解菌群的试验研究 1 4 本研究的目的、内容、意义 综上可知，糖蜜酒精废液属于污染面极广、有机物含量高、成分复 杂，治理难度大的一类废水，由于废水排放量很大，是我国环境污染的 重要源头。虽然针对糖蜜酒精废液开发了许多处理工艺，但是由于糖蜜 酒精废液c o d 浓度高，成分复杂等原因，糖蜜精废液仍然很难进行经济 有效的处理。 1 4 1 本课题的目的 为了解决糖蜜酒精废水处理难度大、处理效率低的问题，我们从目 前对糖蜜酒精处理效率较高的u a s b 反应器的颗粒活性污泥中筛选、分 离、纯化、培养出能够对糖蜜酒精废液进行高效降解的复合菌群。并对 复合菌群的微生态关系、降解性能进行研究，为糖蜜酒精废液厌氧生物 处理提供高效优势菌种。 1 4 2 本科题研究的内容 ( 1 ) 从性能好的u a s b 反应器颗粒污泥中筛选、分离出优势菌种 ( 2 ) 对分离出的优势菌种进行鉴定 ( 3 ) 对优势菌种进行组合形成复合菌群，对复合菌群的生长条件、营养 需求、降解性能进行研究 ( 4 ) 对复合菌群优势菌种之间的生态关系进行研究 ( 5 ) 研究复合菌群的代谢产物，从生物降解机制角度研究证明复合菌 群是否能够作为糖蜜酒精废液厌氧处理的优势菌群 1 4 3 本课题的意义 开发高效优势复合菌群不仅