（环境工程专业论文）光合细菌在水处理中的应用研究.pdf

摘要 光合细菌的应用研究是近些年来比较活跃的研究领域。光合细菌因其特殊的生理生化 性质，可去除环境中的污染物质，其途径与机理有别于传统的水处理微生物。本研究就特 异性光合细菌的筛选、驯化、富集作了有益的尝试，并就应用光合细菌处理柠檬酸废水建 立了试验模型，研究提高系统处理效果的方法。 通过实验研究，探讨了光合细菌处理柠檬酸废水的工艺和设计参数，并对去除废水中 污染物的效果、效率影响因素和运行控制进行了研究，同时对c o d 的分析方法，以及光 合细菌在湖泊净化治理上的应用进行了初步探索，为今后的应用提供可借鉴的经验。 关键词：光合细菌柠檬酸废水c o d 负荷去除率 a b s t r a c t t h es t u d yo na p p l i c a t i o no fp h o t o s y n t h e t i cb a c t e r i ah a sb e e nc o n c e r n e db ym o r ea n dm o r e r e s e a r c h e r si nr e c e n ty e a r s p h o t o s y n t h e t i cb a c t e r i ah a v es p e c i a lp h y s i o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c s a n di t sw a ya n dm e c h a n i s m sr e m o v i n gc o n t a m i n a n t sf r o mw a s t e w a t e ri sd i f f e r e n tf r o mt h a to f t r a d i t i o n a l m i c r o o r g a n i s m s i nt h e r e a r c l l t h eu s e f u la t t e m p ti s m a d ea tt h e s c r e e n i n g ， d o m e s t i c a t i o na n dc o n c e n t r a t i o no fp h o t o s y n t h e t i cb a c t e r i a , a n dt h em o d e li sb u i l td u r i n gt h e e x p e r i m e n t t h a tc i t r i ca c i dw a s t e w a t e ri st r e a t i n gb yp h o t o s y n t h e t i cb a c t e r i a , w h i c hh e l pt os t u d y t h em o r ee f f e c t i v et r e a t m e n t p r o c e s s d u r i n g t h e e x p e r i m e n t ，t h ed e s i g np a r a m e t e r s i nt h em e t h o d , t h ef a c t o r si n f l u e n c i n gt h e t r e a t m e n te f f e c t a n d p e r f o r m a n c e c o n t r o la l ed i s c u s s e d m e a n w h i l e , i ti s p r e l i m i n a r i l y r e s e a r c h e dt h a tt h ea n a l y t i c a lm e t h o do fc o da n dt h ea p p l i c a t i o no fp h o t o s y n t h e t i cb a c t e r i af o r t h et r e a t m e n to fl a k ew a t e r t h es t u d yp r o v i d e st h ee x p e r i e n c ef o rt h er e s e a r c ha n da p p l i c a t i o n o f p h o t o s y n t h e t i c b a c t e r i a k e y w o r d s ：p h o t o s y n t h e t i cb a c t e r i a , c i t 血a c i dw a s t e w a t e r , c o d ，r e m o v a le f f i c i e n c y 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研魁虢咎 嘲剧。日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：? 险 、l 。乒年6 月j 。曰 硕士学位论文 光合细菌在水处理上的应用研究 1 概述 1 1 光合细菌研究简述 科学家预言，2 1 世纪将是生物工程技术全面发展、广泛应用、对人类生存环境产生 巨大影响的世纪。光合细菌便属于生物工程中最具前景的领域。光合细菌( p h o t o s y n t h e t i c b a c t e r i a ，简称p s b ) 是一大类可进行不放氧光合作用的细菌的总称。光合细菌是一种营养 价值高且组份较全的微生物，广泛分布在海洋、湖泊、水田、污泥等各个角落，能充分利 用光能和各种有机物为其营养源进行自身的营养繁殖。由于光合细菌独特的生理功能和菌 体内所含的丰富营养物质以及在环境及人类生活各方面的广泛应用，受到了水产、养殖、 种植农作物环境和微生物等学术界的广泛重视。1 8 3 6 年，e h r e n b e r g 最早记录了两种使沼 泽、湖泊变红的光合微生物，这类细菌的生长与光、h 2 s 的存在有关。1 8 8 3 年，e n g e l m a r m 根据“光合细菌”聚集生长的波长与细胞色素吸收波长一致的现象，认为此类细菌能进行 光合作用。1 9 3 1 年，v a n n i e l 提出光合作用的共同反应式，用生物化学统一性观点解释生 物的光合成现象，对光合细菌的研究和应用进行了科学分类及生理研究后，奠定了现代光 合细菌研究工作的基础。1 9 8 7 年1 1 月，在中国上海成功召开了“第一届中日光合细菌国 际学术会议”，大大推动了光合细菌的研究和应用的发展，光合细菌在水产养殖、禽畜养殖、 饲料添加、农作物种植、环境保护及保健品等诸多方面有广阔的应用前景。 1 11 光合细菌的作用 光台细菌细胞富含蛋白质和b 族维生素，能利用硫化物和小分子有机物进行光合作 用，将有害污染物变为营养物质或无害物质，作为植物的营养。光合细菌还可产生促生长 因子、b 族维生素、辅酶q 和光合色素，可激活植物细胞的活性，提高作物的光合作用能 力。光合细菌在土壤中大量繁殖，有利于土壤中有益微生物( 如放线菌) 的生长，有利于 土壤中抗生素和激素类物质的增多，抑制有害菌群。这些有益菌群可联合分解土壤中的有 机成分，活化土壤。作为基肥，可以改善植物营养，增进土壤肥力，改善土壤盐化、板结， 有利于根系发育。用于水稻、小麦，可促进分蘖和根系发育，增产；用于蔬菜、花卉等， 可增产，改善品质，延长保鲜期。在水产养殖方面，光合细菌是鱼、虾、贝育苗时早期最 好的开口饵料，在养成期能有效改善水质，提高鱼虾抗病能力，预防和延缓疾病的发生， 促进鱼虾的生长。另外，光合细菌还可以用于制药，禽畜饲料等，所以，用光合细菌处理 有机废水，不存在污泥处置的难题。光合细菌处理有机废水，具有占地少、投资小、能耗 低、设备简单、可直接处理高浓度有机废水、不造成二次污染等优点。自6 0 年代小林正 泰等日本学者首先发现光合细菌对有机废水的降解作用以来，光合细菌法处理有机废水近 3 0 年来又得到了一定的进展。常用于废水处理的是红螺菌科的一些种。 硕士学位论文 光合细菌在水处理上的应用研究 11 2 光合细菌在水域环境中的生态地位及净化作用 1 12 1 光合细菌在水域环境中的生态地位 光合细菌分布于各种水域里( 表111 ) ，图1 1 1 介绍其中一个典型的例子。动物性 浮游生物能把光合细菌作为“饵料”而捕食，因而动物性浮游生物能快速增殖，这一现象 已被证实。 表1 1 1 各种环境下光台细菌菌数 如图1 12 所示，光合细菌能利用光能固定c 0 2 , 并且根据它所处环境中碳、氢、氮等 比例的变化，发挥其脱氮、产氢、固碳的作用，同时增殖的菌体是动物浮游生物好的“饵 料”。 图1 1 1 动物性浮游生物吞食各种微生物后的增值比较 2 硕士学位论文光合细菌在水处理上的应用研究 c q 意n 2 静光 澎光t 菌飞 有机营养一 微生物一 动物性 浮游生物 i k 。c ( 有机物) 一高等植物c 0 2 夕弋 图1 1 2 光合细菌在水域环境中与其他生物关系 l1 2 ，2 光合细菌与其他细菌的共生关系对固氮、固碳作用的影响。 所有的光合细菌都有固氮能力，日本学者小林正泰用礅础卿“酗口进行了固氮的研究， 发现这种细菌和其他固氮细菌共生时，大大促进了共生菌的增殖。 光合细菌分布极广，它能在各种环境下生存的原因之一是具有固氮能力，并且在嫌气 光照条件下固氮能力最强。更有意义的是，光合细菌和圊氮菌共存时，其固氮能力迅速上 升。光合细菌在自然界具有和其他菌种广泛共生关系，并大大提高了其固氮、固碳能力， 使光合细菌在自然界中更有意义。 1 12 ，3 腐败与光合细菌 排到自然环境中的污水，使水质恶化，使江湖海河变得富营养化，动物性及植物性的 浮游生物大量增殖。到冬天，气温低下，这些生物死亡并沉入水底，随着翌春温度上升， 这些死亡生物，经腐败菌的作用又成为污染源，在分解的同时产生有毒物质、恶臭物质， 使水质严重恶化，水底污泥腐败分解后h 2 s 浓度可达数十至数百p p m ，并含有毒胺类四甲 基烯二醇胺( t e t r a m e t h y l e d i a m i n e ) 五甲基烯二醇胺( p e n t a m e t h y l e n e d i a m i n e ) 等恶臭胺 类达数百p p m ，当这种物质大量存在时，恶臭向上层扩散，植物( 如水稻) 、动物( 鱼、 贝类幼菌等) 的生长受到阻碍，甚至死亡。但光合细菌能利用这些有毒的胺、h 2 s 等，而 且能分泌对动植物有益的活性物质，因此，光合细菌在自然净化过程中有着重要作用。 3 硕士学位论文光合细菌在水处理上的应用研究 1 12 4 红潮与光合细菌 红潮有各种各样的种类，除了红潮还有叫青潮、白潮、苦潮、厄水的，颜色各不一样。 这种现象的产生原因是用于水体污染或藻类、微生物等引起浮游生物异常增殖的结果。在 把海面染成红色的红潮中光合细菌( r h o d o p s e u d o m o n a s ) 能大量生存。 从上述可知，光合细菌存在于地球水圈的各处，它们能利用和分解有机物，对污水的 自然净化有着重要的作用。图1 13 表示了光合细菌与自然界各领域之间的关系。 0 2c 0 2c 0 20 2 齄一 量污 消染 耗环 领境 域v 譬器 誓娄 l 领境 j 域一 图1 1 3 光合细菌与自然界各领域间关系的模式圈 1 13 光合细菌在环保方面的应用 由于光合细菌能利用太阳能合成光合产物，吸收二氧化碳，固定分子氨；能分解利用 许多有机物如：有机酸、醇糖类及某些芳香族化合物；能分解转化某些有毒物质，如硫化 氢、非离子态的氨氮、亚硝态氮等。使之成为动植物可利用的无机盐类，所以决定了它是 当今世界上最具发展前景的净化环境的生物种群。 光合细菌在环保上运用主要包括以下几个方面：( 1 ) 用作大范围污染水体的净化处理。 ( 2 ) 可用作废水处理剂：广泛处理含有机废物及某些无视物的工业废水，如啤酒、肉联 厂、昧精厂、柠檬酸厂、制药厂粮食深加工等的有机废水，不仅避免这些废水对江河湖泊 的污染，同时废水处理中大部分是光合细菌的菌体，可开发为家畜，家禽的高档饲料添加 剂，微生物肥料达到废物利用的目的，成本低，效果好。( 3 ) 可用于对人粪尿、家畜粪尿 的集中处理和综合利用。( 4 ) 广泛用于大型垃圾场、城镇菜市场等地对生活垃圾( 主要是 有机部分，如菜叶、瓜皮等) 的现场处理。本世纪6 0 年代以来，许多科学家先后证实了 光合细菌能显著降低有机废水中的b o d 和c o d 。1 9 7 8 年，小林正泰等介绍用毙合细菌处 理有机废水的工艺及设想，先后成功地对粪尿和食品、淀粉。皮革及豆制品加工废水进行 处理，建立了一批日处理几十、几百乃至几千吨离浓度有机废水的大、中型实用系统，运 4 硕士学位论文光台细菌在水处理上的应用研究 转效果良好，充分显示了光合细菌处理法的优越性，具有重要的开发利用价值。美、澳、 英、法、德、丹麦等国使用此类生物技术处理城市污水，已经取得十分可喜的效益 2 1 。我国 虽起步较晚，但积极开展了不少工作，取得了一些成绩。对光合细菌进行了多方面的科研 工作，在处理高浓度合成脂肪酸废水方面取得了成功，在肉类废水处理试验中进展较快， 对豆制品、洗毛、牛粪、尿废水处理，也己取得了显著成效。国内专家建议先用光合细菌 方法处理污水后，再在水中养殖螺、蚌、虾、鱼等水生生物，以消耗生物菌净化污水时繁 殖的微生物，促进水体的良性循环，这样可以恢复污染水体原有的生物种群，可使污染资 源化。 1 13 1 光合细菌处理有机废水研究概况 由于光合细菌在废水处理方面的独特优势，用光合细菌处理高浓度有机废水技术己引 起了国内外学者的高度重视。日本从6 0 年代小林正泰首先开展了用光合细菌法处理有机 废水的研究以来，已成功地对粪尿食品、淀粉、皮革、豆制品等废水进行了处理，建立了 一批日处理几十、几百甚至上千吨高浓度有机废水的大中型实用系统，有的已稳定运转几 十年，效果良好，充分显示了p s b 忧于活性污泥，具有重要开发利用价值的特点。韩国 在日本微生物资源研究所的协助下，在大邱市酒精厂建成了日处理6 0 0 吨，b o d 高达2 3 万p p m 的废水处理场，1 9 8 1 年投入运转。澳大利亚、美国等也进行了这方面的研究。 我国从5 0 年代起中科院及有关单位就陆续开始对光合细菌进行了一系列基础理论研 究，在运用p s b 处理有机废水方面也取得了一定成绩。己见报道的降解物包括糖蜜废液、 柠檬酸废水、淀粉、染料、豆制品、皮革、造纸废水、啤滔、味精废水、吲哚、含酚废水 等几十种。辽宁环保所在肉类废水处理试验中进展很快，浙江轻工研究所在处理高浓度合 成脂肪酸废水研究方面取得了成绩。北方设计研究院在9 0 年代初开始对光合细菌进行了 综合应用的试验研究，其内容包括废水处理、菌体综合利用等。本课题着重对柠檬酸废水 的治理作了探索与研究。 11 3 2 光合细菌处理有机废水的机理 光合细菌包括着色菌科( 又称红色或紫色硫纫菌) ，绿菌科( 又称绿硫细菌) ，红螺菌 科( 又称红色或紫色非硫细菌) 和绿色屈挠菌科( 又称滑行丝状绿色硫细菌) 4 个科。由 于光合细菌可迅速利用低分子有机物，其中的一些种还具有反硝化活性和积磷的特性，有 较好的脱氮和除磷效果，可用于处理有机废水。常用于废水处理的是红螺菌科的一些种， 因其细胞结构及独特的物质、能量代谢使之能在有机废水处理中显示出其他菌种无法比拟 的优越性。其细胞内具有能进行光合作用的载色体。这些载色体是由细胞膜分化而成的直 径约6 0 0 1 0 0 0 a 的球状或胞状体，颗粒中密集包含着细菌叶绿素和类胡萝n 素，可进行 光合磷酸化反应和光氧化还原反应。在好氧黑暗下，细菌缺少这种载色体，此时它通过三 羧酸循环来进行有机酸代谢；在厌氧光照时，又很快形成载色体，上述循环受阻，迅速转 换代谢途径，并把有机酸异化和同化的氧化还原反应和光氧化还原反应紧密结合起来。这 5 硕士学位论文 光合细菌在水处理上的应用研究 种可随生长条件改变而灵活改变代澍途径的能力，使光合细菌可用于处理高浓度有机废 水。 1 - 1 4 常用光合细菌泫处理工艺 常用的光合细菌法工艺流程可简单表示如图1 1 4 ： 高浓度废水+ 预处3 p s b 槽+ p s b 槽沉降槽 f p s b 细菌培养槽叫? s b 回流培 ，- r 、i 菌体再次利用 排放或二次处理 图1 1 4 光合细菌处理有机废水流程图 其中影响处理效果的最关键的一步是预处理。 11 4 1 预处理 由于光合细菌的营养物质主要是低分子有机酸、氨基酸、糖类等，除可直接利用油脂 外，对大分子物质，如淀粉、多糖、蛋白质等利用速率较慢。所以用光合细菌法处理有机 废水，应先进行预处理，又称可溶化处理。预处理效果的好坏是影响光合细菌处理效果的 关键。目前常用的预处理方法一般有以下几种： a 加絮凝剂。 一方面可絮凝固形物和部分大分子物质，另一方面可调节废水的p h 值。经预处理沉 淀后，可使废水的c o d 降至p s b 处理的最适范围。王宇新等处理淀粉废水，经絮凝预处 理后再用p s b 处理，c o d 去除率可高达9 5 7 ，处理丙酮一丁醇发酵废水，停留时间2 0 小时，c o d 去除率高达8 5 。该法适用于圆形物含量较高的废水。 b 接种异养菌的两步培养法。 即先接种异养菌对废水预处理，再用光合细菌处理。席淑琪等报道，采用接种活性污 泥的方法对高浓度制革废水进行预处理，再用光合细菌处理静态处理c o d 、b o d 去除率 达6 05 和9 3 1 ，动态处理c o d 、b o d 总去除率可达9 17 和1 0 0 。在处理酒糟废水 时，接种2 0 可溶化菌，在充氧和不充氧的条件下均有很高的挥发酸产率。从有机物转化 角度看，应该是适当充氧对可溶化比较有利。接种异养菌的预处理方法适合原废水本身微 生物不丰富，又需要快速降解大分子化合物以供p s b 生长所需的废水。 c 对废水预曝气处理。 顾祖宜等用p s b 处理豆制品废水，对废水预曝气促使原有异养菌繁殖分解大分子物 6 一 养 硕，0 学位论文 光合细菌在水处理上的应用研究 质，再经p s b 处理，c o d 去除率由p s b 直接处理的7 06 上升至7 96 。预曝气处理适 合原废水本身微生物丰富的，可促使原有异养菌繁殖分解大分子物质。 d 对废水进行厌氧酸化处理。 厌氧发酵菌可将复杂有机物分解为低分子脂肪酸，作为p s b 的碳源，同时这些脂肪 酸又可刺激p s b 固定c 0 2 ，提高其括性。樊凌雯等对大豆深加工废水进行处理时采用了 微量曝气好氧可溶化和接种厌氧菌厌氧酸化两种预处理方，结果说明厌氧可溶化处理对降 解黄浆水中大分子物质更有效，但对难生物处理的废水，不适合用厌氧酸化处理。 114 2 其它限制光合细菌处理效果的条件 虽然光合细菌在好氧、微好氧和厌氧条件下都能降解有机物，但溶解氧对其降解效果 仍有一定影响。有研究表明在厌氧光照，厌氧黑暗，好氧黑暗，微好氧光照下光合细菌均 能降解有机物，通常微好氧光照效果 好氧黑暗 厌氧光照 厌氧黑暗，可能是因为微好氧 条件fp s b 通过呼吸作用获得能量较多，不仅提高了p s b 对小分子有机物的同化能力， 同时有利于保持p s b 的生长优势( 厌氧条件下容易使其它厌氧菌大量繁殖，而使p s b 失 去生长优势，溶解氧过高又容易使大量原生动物出现，使p s b 数量减少) 。 另有研究指出，温度、p h 对p s b 的处理效果也有影响，一般p s b 处理有机废水的合 适温度范围为2 0 4 0 。c ，p h 范围为55 9 4 ，但最佳温度及p h 值因废水水质的不同而有 一定差异。p s b 处理淀粉废水，最佳温度为3 0 。c ，最佳p h 为7o ；而p s b 净化水体的研 究中，最佳温度则为3 0 ，p h 为8 , 0 。 容积c o d 负荷对p s b 处理效果也有定影响。废水基质不同，p s b 系统所能承受的 c o d 负荷也有差异。光合细菌处理柠檬酸生产废水中试研究中c o d 容积负荷为 4 6 4 k g m ”d ，处理丙酮丁醇发酵废水对，c o d 容积负荷则达6 5k 脚”d 。处理高浓度 制革废水时，c o d 容积负荷可高达8k g m 3 d 左右。 能否保持反应器中p s b 的生长优势对保持一定的c o d 去除率也报重要，一般废水处 理中p s b 浓度不应低于1 0 8 1 0 9 个m l 污水。为保持p s b 的优势，可采取以下措施： ( 1 ) 加大启动时光合细菌的接种量； ( 2 ) 注意补充菌液； ( 3 ) 控制溶解氧浓度； ( 4 ) 选用混合菌株处理，发挥其互补性使之大量繁殖。 1 1 5p s b 法改进工艺一固定化光合细菌法 1 1 5 1 固定化p s b 的优点 虽然游离光合细菌应用于有机废水处理效果好，投资少，占地小，但也存在一些不足 之处。如菌体易随废水流失，同时光合细菌体积小难分离等。运用固定化技术可部分解决 这些问题。固定化细胞技术是2 0 世纪7 0 年代由固定化酶技术发展起来的。将其用于废水 处理可保持反应器内的高生物浓度，反应启动快，处理效率高，产污泥量少，固液分离简 7 硕士学位论文光合细菌在水处理上的应用研究 单，可充分发挥菌种的降解潜力，且固定化细胞对有毒物质的承受和降解能力均优于游离 细胞。将固定化细胞技术应用于光合细菌处理有机废水，有利于反应器中p s b 菌液浓度 的保持，可提高p s b 的酶活力和p h 适用范围，是近年来光合细菌法处理有机废水的一个 新发展方向。 牛志卿用固定化光合细菌降解活性艳红x 3 b ，结果见表11 2 。 表1 1 2 固定化p s b 与游离p s l l 处理效果比较 最佳p h 范围 最适温度范围 酶活力( p h 7 9 4 ) 脱色速率 脱色率 8 9 4 3 0 4 0 低 低 7 0 7 5 9 4 3 0 4 5 商 高 8 6 2 可见，光合细菌经固定化后，可扩大其适用的p h 及温度范围，增强热稳定性，增强 酶活力，加快脱色速率，提高脱色率。 115 2 常用固定剂及固定方法 选择合适的载体关系到固定效果的好坏和处理能力的高低。理想的固定化细胞载体应 该具有以下特点； ( 1 ) 对微生物无毒性； ( 2 ) 传质性能良好； ( 3 ) 性质稳定不易被微生物分解： ( 4 ) 强度高寿命长； ( 5 ) 价格低廉。 目前常用的固定化方法有： 吸附法：将微生物细胞直接吸附于水不溶性载体上。该法操作简单，活性损失小，易 于推广。文献选用4 种纤维丝、聚氨脂泡沫塑料、活性炭、石英砂、无烟煤滤料、沸石、 钡铁氧体磁粉、阳离子交换树脂等材料为载体，分别接种p s b ，光照培养。结果表明光合 细菌在活性炭、沸石、阳离子交换纤维及钡铁氧体磁粉等载体上易附着、生长快。光照培 养2 小时，沸石表面即发现有棕红色菌膜出现。利用微量无机盐溶液处理载体以增强离子 强度，使p s b 与载体的离子基团形成离子键结合，还可以增强结台能力。 聚集一交联法：先用凝聚剂将细胞聚集再利用双功能或多功能交联剂与细胞表面活性 8 硕士学位论文光合细菌在水处理上的应用研究 基团发生反应，菌体彼此交联成网状结构，经解毒活化即得固定化细胞。或将p s b 与其 它异养菌共同固定在活性污泥上形成人工共生体系。常用交联剂有戊二醛、甲苯、二异氰 酸脂、双重氮联苯胺等。 包埋法：使p s b 细胞包埋在半透性的聚合物或膜内，或使其扩散进入多孔性的载体 内部，小分子及反应产物可以自由出入这些多孔或凝胶膜，而微生物细胞却不能移动。该 法操作简单，对微生物的活性影响小。常用的包埋材料有：聚乙烯醇、聚丙烯酰胺、聚乙 烯乙二醇、琼腊、光硬化树脂、聚藻酸钙、聚丙烯酸等。王翠红等即是运用此法，用海藻 酸钠包埋p s b 及小球藻藻菌共生体系，处理含酚废水，效果见表11 3 。 表1 1 3 共生体系与悬浮藻菌液去除率比较 11 6 应用前景 光合细菌法用于废水处理，具有投资少，占地小，管理、操作简单，处理效果好，可 降解物类型多等优点，且不像一般生物法那样存在污泥处置难的问题，其菌泥本身富含蛋 白质、氨基酸、b 族维生素等可作为饲料添加剂等，有一定的经济价值。固定化光合细菌 法的出现，又在一定程度上解决了菌体易流失，菌液难分离等缺点，提高了菌体酶活力， 扩大了适应口h 及温度的范围，更扩展了光合细菌法用于有机废水处理的领域，可望成为 今后光合细菌法发展的主流。 可见，自由共生体系去除效果明显优于单独的悬浮菌和悬浮藻，而固定化体系去除率 又明显优于悬浮液。 1 2 柠檬酸废水治理技术简述 1 2 1 柠檬酸产品生产 12 1 1 柠檬酸产品简介 柠檬酸又名枸橼酸，是一种酸性较强的有机酸，分子式为c 6 h 8 0 7 ，分子量为1 9 2 1 2 ， 9 硕士学位论文光合细菌在水处理上的鹿用研究 c h r 一：o o h 比重1 5 4 2 ，熔点1 5 3 ，其结构式为h 呲 卜_ c 0 0 h ，学名为2 一羟丙烷三羧酸。柠檬 l c h 2 _ c o o h 酸是一种重要的化工原料和食品添加剂，它是世界上以生物化学方法生产量最大的有机 酸，目前世界上有3 0 多个国家都在生产。1 9 9 0 年全世界的产量约5 5 万吨，1 9 9 5 年达到 6 8 4 万吨。目前，仍在以年均3 5 的速度增加。全世界柠檬酸的消费在2 0 世纪7 0 年 代以前，主要用于食品方面。2 0 世纪7 0 年代以后，消费结构发生了明显变化，柠檬酸在 其他领域不断开发新的用途，特别是在洗涤工业中代替磷酸盐作增效助剂。国外开发的柠 檬酸深加工产品达6 0 种之多，其中盐类近3 0 种，酯类近2 0 种，还有酯盐类，高聚物等。 我国柠檬酸生产自2 0 世纪7 0 年代中期形成规模生产以来，产量以平均3 0 以上的年 增长率增加，有近8 0 的产品销售至国际市场，是世界上最大的柠檬酸生产和出口国。 由于柠檬酸生产工艺固有的特点，生产过程中产生的高浓度有机废水已成为该行业发 展的制约因素。目前，我国生产的柠檬酸大部分通过出口销售往国际市场，但随着全球生 态环境的日趋恶化，各国对环保问题越来越重视，对企业的环保要求也越来越高，继 i s 0 9 0 0 0 质量认证后，国际上又掀起了i s 0 1 4 0 0 0 环境管理认证高潮，i s 0 1 4 0 0 0 被视为是 通往国际市场的绿色通行证。这对我国的柠檬酸生产企业提出了严峻挑战。 生产柠檬酸主要有两种方法。一种是以天然含柠檬酸的果实中用榨汁提取的方法制 备；另一种方法是以微生物发酵法生产。工业化生产柠檬酸，目前主要是通过微生物发酵 来提取。 发酵法生产柠檬酸是利用黑随霉、假丝酵母等菌种能够累积分泌大量柠檬酸的特点， 采用薯干、淀粉、木薯、糖蜜、正烷烃等作为原料来进行发酵，由微生物将转化生成的葡 萄糖或乙酸合成柠檬酸。 国外生产柠檬酸主要以糖蜜作为原料，耱蜜的组成复杂。一般需要进行糖蜜预处理方 可进行柠檬酸正常生产。用薯干为原料，采用薯干粉原料深层发酵法生产柠檬酸是我国独 特的先进工艺。该工艺不需特别添加营养盐类或者其他产酸促进剂，而且产量较高，且资 源丰富，价格低廉。 1 2 1 2 柠檬酸的生产原料 天然柠檬酸在自然界分布很广，如柠檬、柑橘、菠萝等植物果实和动物的骨髓、肌肉、 血液中都含有柠檬酸。 从广义上来说，工业柠檬酸生产的原材料可以是任何含淀粉和糖的农产品、农产品加 工品及其副产品、某些有机化合物、以及石油中的某些成分等。但综合多方面考虑，工业 上目前使用较多的原材料有如下几种： ( 1 1 淀粉质：甘薯、木薯、马铃薯及制成的薯干、薯粉、淀粉及薯渣、淀粉渣及玉米等； ( 2 1 粗制糖类：粗蔗糖、水解体、饴糖等； 1 0 硕士学位论文 光合细菌在水处理上的应用研究 ( 3 ) 粗制工业副产品：糖蜜、葡萄糖母液、冰糖母液等。 1 2 1 f 3 柠檬酸的生产工艺流程 柠檬酸生产的工艺流程图如1 21 。 洗涤水 母 液 产品 图1 2 1 薯干粉深层发酵法生产柠檬酸的工艺流程图 在柠檬酸的生产过程中，薯干粉原料在发酵罐与发酵液混合，灭菌、接种后在通风和 搅拌的条件下进行发酵反应。发酵后的混合液中，大部分是溶解态的柠檬酸，并含有许多 其他的杂质与代谢产物，如薯千粉渣，蛋白质，菌丝体以及些不能利用的糖类等。经过 板框压滤后将固体状的菌丝体和薯干粉分离出来，所形成的滤渣可以用作饲料；往滤液中 投加碳酸钙，与溶解态的柠檬酸反应生成难溶性的柠檬酸钙沉淀，通过过滤可以与其他可 溶性杂质分离，这一过程称为中和。中和时一般先将滤液加温到7 0 以上再开始加碳酸 钙。随着温度升高，柠檬酸钙的溶解度降低，而其他杂质，如草酸钙和葡萄糖酸钙的溶解 度则增大，逐渐呈溶解状态，因此，在中和过程中一般要求在8 0 保温半小时以上，以 使反应完全。此时进行抽滤，即可得到柠檬酸固体。含有其他钙盐和物质的溶液即可排出。 这股废水一般称为浓糖水。所得的柠檬酸钙周体还需要用8 0 左右的热水洗涤，以提高 其纯度。所排出的洗液废水称之为洗糖水。前3 次洗糖水中的c o d 浓度都很高，颜色呈 深褐色，主要含有还原性糖、非发酵性糖、多糖及草酸钙、葡萄糖酸钙及蛋白质等杂质。 122 废水来源、产生及排放 1 221 柠檬酸生产的主要废水来源 硕士学位论文 光合细菌在水处理e 的应用研究 水空气菌种 冷却水菌渣 废中和液洗稽废水 ( 糖水) 叫塑堡h 掣h 鲨婆h 塞三銮堡些鱼h 颦h 笙曼h 蛩产品 lff 硫酸钙再生废水冷凝水 图1 2 2 柠檬酸生产废水与污染物来源 糖化：玉米或甘薯经筛选后粉碎，在n 一淀粉酶的作用下，淀粉转化成糖，将玉米渣 或甘薯渣从糖液中分离出来，糖液进入后续工序。 发酵：糖液在发酵罐中引入黑曲霉，在有氧中温条件下进行发酵。 提取：柠檬酸成熟发酵液中除了含有主要产品柠檬酸外，尚含有残糖、菌体、蛋白 质、色素和胶体杂质、无机盐、有机杂酸以及原料带入的各种杂质，一般都采用钙盐法提 取柠檬酸。发酵液经压滤去除菌体等残渣后，加入c a c 0 3 中和，使柠檬酸以钙盐的形式 沉淀出来，废糖水和可容杂质则过滤除去，柠檬酸在酸解槽中加入h 2 s 0 4 酸解，使柠檬酸 游离出来，形成的硫酸钙被滤除。 精制：酸解后得到的粗柠檬酸溶液通过脱色和离子交换净化，除去色素和胶体杂质以 及无机杂质离子。净化后的柠檬酸溶液，通过浓缩，柠檬酸被结晶出来，成为成品。 1 2 22 废水的产生及排放 浓糖水：发酵清液与c a c 0 3 中和产生柠檬酸钙沉淀，上部母液为“浓糖水”，含有柠 檬酸、柠檬酸钙、残糖油脂、蛋自质、微量钠盐及聚醚，有机色素等。 洗糖水：中和工序得到的固相柠檬酸钙调浆后进入过滤机，继续使用8 0 9 0 。c 热水 进一步洗去残糖及可溶性杂质，抽滤后排放出“洗糖水”，含有硫酸钙、柠檬酸钙、残糖、 油脂、蛋白质、无机钙及有机色素等。 糖化洗滤布水：在糖化过程中，糖化液必须过滤除渣。过滤机的滤布需要定期清洗， 产生“糖化洗滤布水”，含有淀粉质、蛋白质、纤维素及钠离子等。 二压洗滤布水：糖液在发酵罐中发酵得到发酵液，经压滤机去除菌丝体，成为发酵清 液送到提取车间。此时压滤机的滤布需要定期清洗，产生“二压洗滤布水”，含有柠檬酸、 残糖、蛋白质及维生素等。 洗罐水：发酵罐排放发酵液后，在下一次迸料前，要用清水将发酵罐洗涤干净，从而 1 2 硕士学位论文光合细蔺在水处理上的应用研究 产生“洗罐水”，含有柠檬酸、残糖、蛋白质、维生索、聚醚等。 沙柱冲洗水：精制的第一步要把固体物质在沙滤器中除去，沙柱要定期冲洗，形成“沙 柱冲洗水”，含有硫酸钙、柠檬酸以及其它结成滤的固性物。 离子交换淡酸水：离子交换淡酸水由4 个位置产生：沙柱、炭柱、阴柱、阳柱等。离 子交换柱再生前，将淡酸液排入后柱，然后用清水( 无离子水) 把残酸冲向后柱，所产生 的废水为“离交淡酸水”。含有柠檬酸、铁、钙、氯等离子，以及滤层微粒及破碎的阴阳 树脂。 炭柱废碱水：酸解液经沙柱过滤后，进入活性炭柱吸附，炭柱每2 周用n a o h 水溶液 ( 4 6 ) 再生，再生所排放的水为炭柱废碱水。含有n a o h 、柠檬酸盐及有机色素等。 阳柱废酸水：来自炭柱的酸解液经过阳离子交换柱，再生时先放去浓酸液，用清水洗 涤残酸，排放为“阳柱废酸承”，含有h c i 、柠檬酸、金属离子等。 阴柱废氨水来自阳柱的酸解液经过阴离子交换柱处理，交换柱再生时先放去浓缩液， 用无离子水洗涤，放去淡酸水以后，用4 一- 6 n i - 1 3 水溶液再生，排放成为“阴柱废氨水”， 含有n h 3 、柠檬酸及非金属离子等。 再生冲洗水：交换柱再生冲洗水包括炭柱、阴柱、阳柱3 部分。再生结束( 浸泡结束) 、 放去再生废水( 废碱水、废酸水、废氨水) 后，用无离子水冲洗残留的再生废水，冲洗排 放成为“离交再生洗水”，含有n a o h 、h c i 、n h 3 及相应的盐类及破碎的树脂。 各工艺点所排放的废水水质和水量统计见表1 2 1 。 表1 2 1 柠檬酸废水永质水量统计 1 2 2 3 主要污染物浓度及排放量 浓糖水与洗糖水是柠檬酸生产的主要废水，这些废水虽然无毒，但属高浓度有机废 1 3 硕士学位论文 光合细菌在水处理上的应用研究 水，而且p h 值较低，有较强的腐蚀性。本次试验用水主要是排放的浓糖水与洗糖水的混 合废水。 废水污染物浓度及排放量如表1 2 2 所示： 表1 , 2 2 主要污染物浓度及捧放量 l2 3 柠檬酸废水处理技术 柠檬酸的生产是通过发酵工艺进行的，其排放的废水含高浓度的可生物降解有机物， 这些有机物多以碳水化合物及其分解物为主。世界各国对于柠檬酸废水的处理大都采用厌 氧好氧联合处理工艺( 废水厌氧发酵能产生沼气，降低污染负荷，但经厌氧处理过的 水须经好氧处理才能达标排放) ，而这一工艺的核心厌氧处理单元，可以采用厌氧消 化池、厌氧滤池、厌氧接触工艺、厌氧流化床、u a s b 、i c 反应器等。另外也越来越多的 应用光合细菌法对该行业废水进行处理。 以下是几个工程实例对该行业废水的处理技术所作的简要概述： 123lu a s b 生物接触氧化工艺处理柠檬酸废水 某柠檬酸厂，采用u a s b 生物接触氧化工艺处理柠檬酸废水。 a 处理水质水量及排放标准 废水处理水质水量及排放标准见表12 _ 3 。 表1 2 3 废水水质水量及捧放标准 b 废水处理工艺 该厂废水处理工艺流程图见图1 2 3 。 1 4 硕十学位论文光台细菌在水处理上的应用研究 沼气罐 石灰粉 高浓度 达标排 泥饼外 一一一一脱硫塔一一一一沼气 低浓度废水 图1 2 3u a s b 工艺流程图 c 废水处理效果 废水处理工程监测结果如表124 。 从监测结果来看，处理效果明显，排污口废水中的污染物达到国家规定的相应排放标 准。整个工程生化处理( 厌氧、好氧单元) 始终处于较高的处理水平，固液分离效果明显， 总排f 1c o d 去除率达9 85 ，b o d 5 去除率达9 96 ，s s 去除率达9 7 3 ，氨氮去除率达 9 9o 。【程厌氧处理系统对温度变化适应性强。工程厌氧处理系统抗冲击负荷能力强。 表1 2 4 废水处理工程监测结果 1 2 32i c 反应器兼氧一好氧工艺处理柠檬酸废水 某柠檬酸厂，采用i c 反应器兼氧好氧工艺处理柠檬酸废水 a 废水水质水量 1 5 硕士学位论文光合细菌在水处理上的应用研究 该厂废水水质水量如下表125 。 表1 2 5 柠檬酸生产废水情况 废水名称排水量( t _ t 产品) p h 值c o d ( m g 1 ) 酸板框洗涤水 浓糖水 洗糖水 硫酸钙废水 脱色废水 离交废水 冲洗废水 1 00 l oo 1 0 0 5 0 l0 5o 1 5 35 4 0 50 55 5 5 - - 6 5 3 0 8 0 0 2 4 0 0 2 0 0 0 0 3 0 0 0 0 5 0 0 0 8 0 0 0 8 0 0 4 0 0 0 5 0 0 2 0 0 0 3 0 0 1 5 0 0 3 0 0 1 0 0 0 堡鱼堕堕查竺：!塑! ：! ! ! ! ! = ! ! ! ! ! b 废水处理工艺 废水处理工艺流程图见图1 2 4 。 区 囤 叵蓝至 叫至习 图1 2 4i c 工艺流程图 c 处理效果 表126 为i c 反应器的运行情况： 表1 2 61 ( 2 反应器运行监测数据 t 6 硕士学位论文光合细菌在水处理上的应用研究 从该厂的运行效果来看，采用i c 反应器处理柠檬酸废水是比较合适的，生产混合废 水虽p h 值在50 左右，但无需用碱调节p h 值，未出现不正常现象。柠檬酸废水的特点是 含有大量钙盐，i c 反应器亦未产生结垢现象，颗粒污泥v s s t s s 的比值未发生变化。在 用地紧张，人口稠密区域的工厂，采用厌氧工艺处理有机废水时，i c 反应器可作为一种 选择。 l - 2 3 _ 3 光合细菌处理柠檬酸废水( p s b 法) 光合细菌是一种在水系中生长的微生物，纯光合细菌菌体含有6 0 ( 质量分数) 的 蛋白质，含量相当于酵母蛋白与鱼粉蛋白质，同时还含有丰富的维生素和叶酸等。由于光 合细菌能利用光能和氧将柠檬酸废水中无机和有机碳源及其他营养物质转化为菌体，从而 能起到净化水质的作用。 a 处理前后废水主要参数及指标 废水量：1 5 0 啪2 0 0 们；排放形式：间歇排放，每日3 4 次； 温度：5 0 。c 6 04 c ；处理前后废水主要指标见表12 7 。 表1 2 7 柠檬酸废水处理前后设计指标( m 鲫) b 工艺流程 废水处理工艺流程图见图1 2 5 ： 生产废水 碱 空气 图1 2 5 工艺流程图 c 废水处理效果 该厂p s b 处理监测系统的监测结果见表1 2 8 ： 1 7 达标排放 菌种的开 发利用 硕士学位论文光合细菌在水处理上的应用研究 由表可得出经过p s b 处理系统处理后，出水p h 值稳定在7 2 7 。6 之间；c o d 在 7 2 0 m g l 4 6 9 0 m g | 之间；b o d s 在2 7 6 m g 1 2 6 1 0 r a g 1 之间；c o d 与b o d 5 的去除率分别 为9 28 与9 3 1 。可见，其废水的净化效果理想。 12 4 小结 柠檬酸行业，按目前约3 03 万吨的年产量估算，年排放有机废水约1 3 6 8 万立方米， c o d 约7 7 万吨。据中国发酵工业协会统计，1 9 9 5 年柠檬酸行业高浓度有机废水排放量 约占协会所属5 个行业总排放量之3 6 ，c o d 约占1 2 。因此，处理该行业废水，对于 保护环境，造福人类具有重要的现实意义。 分析现有的治理技术，在厌氧+ 好氧处理工艺中，厌氧处理单元应用最多的为u s a b 。 它具有很高的处理能力和处理效率，运行性能稳定，构造比较简单。而p s b 法处理工艺， 因其工艺流程较为简单，运行稳定，占地面积小，投资少，c o d 去除率高，管理方便， 维持运行费用低。并且菌体含有丰富的营养物质，据资料介绍，其蛋白质含量达4 6 ， 超过大豆；b 族维生素的种类和含量与酵母相当；氨基酸的组成和含量与牛乳相当。已经 越来越多的被人们所关注。 总之，不论是传统的厌氧法亦或是p s b 法处理该行业废水，我们都应该看到他们的 双面性。应该不遗余力的加快治理步伐，研究厌氧法的同时继续深入研究p s b 法。同时 也应该积极研制新技术新方法应用到治理工程当中，将有机废水对环境的污染减小到最低 浓度。 1 3 课题的提出 柠檬酸生产废水排放量大，色度高，成份复杂，污染严重，如不经有效治理将严重污 染当地的水资源、危害农业和水产资源，影响人民健康，阻碍生产的正常发展，关系到企 业的生死存亡。虽然目前对柠檬酸废水的治理有一些研究，有部分工程实践，但都不尽如 人意，因此，探索简易、高效节能的适宜柠檬酸废水特性的污水处理技术是摆在我们面前 的一项重要任务。为此，我们根据光合细菌的生理特性，处理高c o d 、高盐分的有机废 水，可避免由厌氧工艺带来的诸如保温费用高，沼气收集处理难度大。运行不稳定，操作 管理困难等缺点，不仅能使废水处理稳定达标，而且可以减少工程投资，减少运行费用等 特点，本次试验在实验室建立起套小试装置，就光合细菌的采集、分离、筛选、驯化培 养、扩大富集，进而获得特异性菌种，并将其应用到柠檬酸废水处理上，用试验实测提出 1 8 硕士学位论文光合细菌在水处理上的应用研究 利学合理、实用可靠和可操作性强的设计参数，以指导实际的工程设计应用。 在做柠檬酸废水试验的同时，还选取了污染较为严重的滇池草海作为试验对象，对光 合细菌净化景观水域的能力和应片条件作一有益探讨，为淡水湖泊的净化治理作一技术贮 备。 硕士学位沦文 光台细菌在水处理上的应用研究 2p s b 的分离筛选及鉴定 2 1p s b 的菌种样品采集 光合细菌( 以下简称p s b ) 是水圈微生物的一种，由r h o d o s p i r i l l a c e a e 科：p u r p l e n o n s u l f u r b a c t e r i a ( 红色非硫黄细菌) 、c h r o m a t i a c e a e 科：p u r p l es u l f u rb a c t e r i a ( 红色硫黄 细菌) 、c h l o r o b i a c e a e 科：g r e e ns u l f u rb a c t e r i a ( 绿色硫黄细菌) 、c