（环境工程专业论文）淀粉废水培养微生物絮凝剂产生菌及应用研究.pdf

摘要 文章研究了由两株根霉产生的复合型微生物絮凝剂的絮凝特性，优化了马铃 薯淀粉废水培养其生产絮凝剂的培养条件和其对马铃薯淀粉废水的絮凝条件。为 了比较微生物絮凝剂与常规化学絮凝剂在处理废水方面的优劣性，同时对化学絮 凝剂絮凝废水的效果进行了比较研究。 两菌产生的絮凝剂c m b f 9 1 7 为其分泌物，主要成分为多糖，具有投加量少、 絮凝率高、耐热性好的特点。 马铃薯淀粉废水对该复合菌的较佳培养条件为：废水c o d c ，1 6 0 0 m g l 左右， 添加0 3 9 l 尿素、0 0 4 9 l 磷酸二氢钾，而无需添加碳源，在不调节废水p h 值 的情况下，m 9 接种6 0 m l l ，m 1 7 接种4 0 m l l 后培养3 5 h ，投加5 m l l 的发酵 液即可对高岭土悬液的絮凝率达到9 2 6 7 。相对于用p d a 液体培养基培养微生 物，用废水培养可以大幅度降低培养成本，絮凝剂产量和性能也无明显下降。经 过培养微生物后的废水c o d c ，仅为5 1 0 m g l ，去除率可达到9 3 6 0 ，可直接经 过好氧处理达标排放，或与净水混合后灌溉马铃薯种植基地，大大降低了工艺处 理的难度。用马铃薯淀粉废水培养微生物生产絮凝剂是可行的。 用p d a 液体培养基培养产生的c m b f 9 1 7 在絮凝废水时投药量仅为 0 1 m l l ，无需调节废水p h 值，投加5 m l l1 0 c a c l 2 即可使废水浊度和c o d c ， 的去除率分别为9 2 1 1 和5 4 0 9 。通过絮凝可从废水中回收无毒无害的蛋白物 质1 1 l ，其可用作动物饲料。 使用常规化学絮凝剂a i c l 3 、f e 2 ( s 0 4 ) 3 、p a m 以及有机和无机之间的相互复 配对马铃薯淀粉废水进行絮凝预处理，确定了各絮凝剂处理废水的较佳絮凝条 件，并在较佳条件下处理废水，通过综合比较处理效率、处理成本、絮凝条件难 易程度等方面，确定废水的较佳化学絮凝剂为a i c l 3 + p a m 的复配絮凝剂。 通过比较微生物絮凝剂c m b f 9 17 与化学絮凝剂a 1 c 1 3 + p a m 在处理马铃薯 淀粉废水时的絮凝条件和处理效果可知，前者具有处理工艺简便、絮凝成本极低、 处理效果较高、有一定经济效益等方面的特点，有很大应用的优势。 关键词马铃薯淀粉废水，复合型微生物絮凝剂，廉价培养，絮凝处理， 化学絮凝剂 a b s t r a c t f l o c c u l a t i o nc h a r a c t e r i s t i e so fc o m p l e xb i o f l o c c u l a n tc m b f 9 17p r o d u c e d b y r h i z o p u s 印m 9a n dm 17w e r es t u d i e d ，a n dt h ec u l t u r ec o n d i t i o n so ft h et w os t r a i n s u s i n gp o t a t os t a r c hw a s t e w a t e ra sn u t r i l i t ew e r eo p t i m i z e d ，t h e nt h eb i o f l o c c u l a n tw a s u s e dt ot r e a tt h ew a s t e w a t e ra n dt h ef l o c c u l a t i n gc o n d i t i o n sw e r ea l s oo p t i m i z e d t h eb i o f l o c c u l a n tw h i c hi sak i n do fs e c r e t i o np r o d u c e db vm 9a n dml7h a s c h a r a c t e r i s t i c so fl o w e rd o s a g e b e t t e rf l o c c u l a t i o ne 伍c i e n c ya n dt h e r m a ls t a b i l i t y ： 刀犯o p t i m a la n de c o n o m i c a lc u l t u r ec o n d i t i o n sf o rt h et w os t r a i n sp r o d u c i n g b i o f l o c c u l a n tu s i n gp o t a t os t a r c hw a s t e w a t e rw e r ec o d c ro fw a s t e w a t e ra b o u t 16 0 0 m g l ，0 3 9 lu r e aa n do 0 4 lp o t a s s i u md i h y d r o g e np h o s p h a t ea d d e d ，n on e e d t oa d dc a r b o ns o u r c ea n da d j u s tp h 6 0 m l lm 9a n d4 0 m l lm17w e r ei n o c u l a t e d a n dc u l t i v a t e df o ro n l y35 h t h e n5 m l lf e r m e n t a t i o nb r o t ha d d e dt ok a o l i n s u s p e n s i o nc a r lm a k et h ef l o c c u l a t i n gr a t er e a c h9 2 6 7 ，n l ec o d c ，a n dt u r b i d i t y r e m o v a lr a t e so fw a s t e w a t e ra f t e rm i c r o o r g a n i s mc u l t i v a t i o na n db i o f l o c c u l a n t e x t r a c t i o nw e r e9 3 6 0 a n d8 2 8 7 r e s p e c t i v e l y w h e nt h eb i o f l o c c u l a n tw a su s e dt of l o c c u l a t ep o t a t os t a r c hw a s t e w a t e r , t h e o p t i m i z e df l o c c u l a t i n gc o n d i t i o n sw e r ed o s a g eo f0 1m l l n on e e dt oa d j u s tp ha n d 5 m l llo c o a g u l a n ta i dc a c l 2a d d e d ，n l ec o d c ，a n dt u r b i d i t yr e m o v a lr a t e sa f t e r f l o c c u l a t i o nw e r e5 4 0 9 a n d9 2 1 1 r e s p e c t i v e l y 1 1g lp r o t e i cs u b s t a n c ew h i c h c a l lb eu s e df o ra n i m a lf e e dw a sr e c y c l e df r o mt h ew a t e r c o n v e n t i o n a lc h e m i c a lf l o c c u l a n t sa 1 c 1 3 、f e 2 ( s 0 4 ) 3 、r 6 蝴a n dr e m i x e db e t w e e n o r g a n i ca n di n o r g a n i co n e sw e r eu s e dt ot r e a tp o t a t os t a r c hw a s t e w a t e ri nt h i sp a p e r a 1 c 1 3 + p a mw h i c hh a sab e t t e rt r e a t m e n te f f i 【c i e n c yw i t hl o w e rd o s a g eo ff l o c c u l a n t a sw e l la sl o w e rc o s ta n ds l u d g ew a sd e t e r m i n e da st h eb e s tf l o c c u l a t i o nt r e a t m e n t m e t h o da c c o r d i n gt ot h ec o m p a r i s o no ft r e a t m e n te f j f i c i e n c y , c o s ta n dt h ef l o c c u l a t i o n c o n d i t i o n s r n l ef l o c c u l a t i n gc o n d i t i o n sa n dt r e a t m e n te f f i e n c yo fc m b f 9 17a n da i c l l + p a m w e r ec o m p a r e d t h ec o n c l u s i o ns h o w e dt h a tc m b f 917h a s g r e a ta d v a n t a g e s a c c o r d i n gt oi t ss i m p l e rp r o c e s s ，l o w e rf l o c c u l a t i o nc o s t ，h i g h e rt r e a t m e n te f f i e n c ya n d e c o n o m i cb e n e f i t k e yw o r d sp o t a t os t a r c hw a s t e w a t e r , c o m p l e xb i o f l o c c u l a n t ，c h e e pc u l t i v a t i o n ， f l o c c u l a t i o nt r e a t m e n t ，c h e m i c a lf l o c c u l a n t s 兰州大学硕士研究生学位论文 图件目录 图1 1 研究路线。4 图3 1微生物絮凝剂产生菌的分离、筛选及复合型菌群构建流程2 5 图3 2 微生物絮凝剂特性研究路线2 7 图4 1m 9 菌落形态3 6 图4 3m 9 放大10 倍照片3 6 图4 5m 9 放大1 0 0 倍照片3 6 图4 7 絮凝活性分布图3 7 图4 - 8 加热温度对絮凝效果的影响3 8 图4 - 9 加热时间对絮凝效果的影响3 8 图4 1 0 添加碳源种类对絮凝效果的影响。4 0 图4 1l两菌复配比对絮凝效果的影响4 2 图4 1 2 废水p h 对絮凝效果的影响4 3 图4 1 32 5 0 m l 锥形瓶中不同废水体积对絮凝效果的影响4 5 图4 1 4 絮凝剂投加量对絮凝效果的影响。4 7 图4 1 5 废水p h 值对絮凝效果的影响4 8 图4 1 6 添加阳离子种类对絮凝效果的影响4 9 图4 1 7 助凝剂投加量对絮凝效果的影响5 0 图4 18 沉降时间对絮凝效果的影响5 0 图4 1 9 投药量对絮凝效果的影响。5 2 图4 2 0 无机絮凝剂投药量对絮凝效果的影响5 3 图4 2 1 废水p h 值对絮凝效果的影响5 4 图4 2 2 助凝剂投加量对絮凝效果的影响5 5 图4 2 3沉降时间对絮凝效果的影响5 6 v 兰州大学硕士研究生学位论文 表格目录 表2 1一般马铃薯淀粉废水水质5 表2 2 淀粉废水培养的有用微生物及其用途和效果1 0 表2 3 一些能产絮凝物质的微生物1 3 表3 1马铃薯淀粉废水水质参数2 3 表3 2 实验用试剂及用途2 4 表3 3实验仪器与设备名称、型号及用途2 4 表3 3正交试验因素水平表2 8 表3 4 试验安排表2 8 表3 5 废水水质测定项目及测定方法3 3 表4 1 单一菌种絮凝率3 5 表4 2 复合菌群絮凝率3 5 表4 3 试验结果表4 1 表4 4 总接种量、培养时间及发酵液投加量对絮凝效果的影响4 3 表4 5p d a 与废水培养基培养成本计算4 6 表4 - 6p d a 与废水培养基培养微生物产絮凝剂情况对比4 6 表4 7 常规化学絮凝剂处理马铃薯淀粉废水较佳絮凝条件比较5 6 表4 8 常规化学絮凝剂处理马铃薯淀粉废水效果比较5 7 表4 - 9c m b f 9 1 7 与a 1 c 1 3 + p a m 处理马铃薯淀粉废水的絮凝条件比较5 8 表4 1 0c m b f 9 1 7 与a 1 c 1 3 + p a m 处理马铃薯淀粉废水的处理效果比较5 8 v i i 原创性声明 本人郑重声明：本人所呈交的学位论文，是在导师的指导下独立 进行研究所取得的成果。学位论文中凡引用他人已经发表或未发 表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。除文中已经注明 引用的内容外，不包含任何其它个人或集体已经发表或撰写过的科研 成果。对本文的研究成果做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以 明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：强笔瞥 e l 关于学位论文使用授权的声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属兰州大学。本人完全了解兰州大学有关保存、使用学位论文的规定， 同意学校保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版和电子版， 允许论文被查阅和借阅；本人授权兰州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，可以采用任何复制手段保存和 汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学位论文或与该论文直接相 关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为兰州大学。 保密论文在解密后应遵守此规定。 论文彳乍者签名：猫宣- 坠i 导师签名：监日 期： 兰州大学硕士研究生学位论文 1 1 研究背景 1 绪论 马铃薯淀粉具有颗粒大，糊化温度低、蛋白质含量低、糊黏度高、弹性好、 不易凝胶、不易退化、颜色较白等特性，在一些行业中具有不可替代的作用，它 是一种重要的工业原料，广泛地被应用于化工、食品、纺织等多种行业【l 】。 我国是世界马铃薯的生产大国，总产量达7 0 8 6 万吨，占世界的2 0 ，占亚 洲的7 0 ，在世界居领先地位。在我国马铃薯的主产区集中在较贫困和不发达地 区。甘肃马铃薯播种面积7 9 7 万亩，全国排名第三；总产量9 4 9 万吨，全国排名 第一【2 】。马铃薯是除玉米和小麦以外的第三大淀粉原料。 马铃薯淀粉废水是马铃薯淀粉以及相关淀粉化工产品的生产过程中产生的 废液，是一种高浓度、无毒、易降解的食品工业废水，废水中主要含有高浓度的 淀粉、蛋白质、纤维、糖类等有机物。 国内外目前对淀粉废水处理常用的是絮凝沉淀和生物处理或是将两者结合 起来的方法。常规生物处理启动较慢，而马铃薯淀粉生产的季节性( 一般在9 月 下旬至第二年3 月生产) 使得其应用起来存在很大的困难，同时生物处理法占地 面积大，能耗大，投资费用和运行费用高，易受废水的p h 、水温、有毒物质等 环境条件影响。而一般的絮凝处理虽然存在操作容易、工艺简单、基建投资少、 能耗低、对气温的变化适应性强等优点，但去除效率较低，一般只作为预处理措 施。 马铃薯淀粉废水中所含的有机物大都是可以回收利用的宝贵资源，如果可 以将这些资源综合利用，不仅可以变废为宝，还可以大大降低废水中有机物浓度， 减轻后续生物处理负担，也可以降低处理费用。 废水中的高浓度有机物可以为微生物的生长繁殖提供条件，而且废水无毒、 无害，因此用马铃薯淀粉废水培养具有一定用途的微生物从而将其资源化处理是 可行的，这不仅可以降低微生物的培养成本，获得目标物质，取得一定的经济效 益，还可以降低废水中有机污染物浓度，减轻后续处理负担，降低处理费用，达 到降低环境影响和获取经济效益的双重目的，真正做到资源化处理。 张宝茸淀粉废水培养微生物絮凝剂产生茵及应用研究 淀粉废水中的大量蛋白质导致废水浊度很大，目前常通过絮凝剂絮凝对废水 进行预处理。絮凝预处理是一种比较简单而且有效的去除废水中悬浮物和胶状物 的方法【3 】，已被广泛地应用于废水和饮用水处理过程中【4 ，5 1 。 水处理中常用的絮凝剂主要分为三类【4 】：1 ) 无机絮凝剂，如a 1 2 ( s 0 4 ) 3 、f e c l 3 和其高分子聚合物；2 ) 有机絮凝剂，如有机合成絮凝剂( 聚丙烯酰胺p a m 等) 、 天然高分子絮凝剂( 壳聚糖、木质素等) ；3 ) 微生物絮凝剂。 微生物絮凝剂( m i c r o b i a lf l o c c u l a n t s ，m b f ) 是由微生物产生的、具有絮 凝活性的物质，其成分主要为糖蛋白、蛋白质、多糖、d n a 、纤维素等【6 】，它具 有良好的絮凝沉淀性能，高效、无毒、可生物降解，且不产生二次污染，可以克 服无机絮凝剂和合成的有机高分子絮凝剂存在的絮凝效率低、产生二次污染、对 人类的毒性效应等缺陷，目前它的研究已成为絮凝剂领域的热点问题，在给排水 处理等方面有非常广阔的应用前景【7 】。由于微生物絮凝剂的安全、无毒性，其常 被用于回收废水中的悬浮物。研究还表明，复合型微生物絮凝剂不仅絮凝效果更 高，而且菌种对环境变化的适应能力也更强【8 】。 目前微生物絮凝剂由于其产生菌的培养成本过高而导致其还没有得到广泛 的应用。降低微生物絮凝剂的生产成本成为该研究领域一个亟待解决的问题，而 在微生物絮凝剂的生产成本中，培养基成本占了6 0 - - 8 0 ，要降低微生物絮凝 剂的生产成本，首先必须降低培养基的成本。 含高浓度有机物的食品工业废水无毒无害，营养物质丰富，用其培养微生 物具有可行性，目前已研究的废水主要有制酒废水【引、酱油废水 9 1 、味精废水【1 0 1 、 玉米淀粉废水l l l 】等，其研究成果均表明用此类废水培养微生物产生的絮凝剂絮凝 效率不会降低，但微生物的培养成本和废水中的有机污染物浓度却大幅度降低， 具有经济与环境效益双赢的效果。 1 2 研究内容 基于上述研究背景，本论文主要研究用含营养物质丰富的马铃薯淀粉废水培 养微生物产生絮凝剂，并用产生的絮凝剂在最佳( 本文所提到的“最佳”都指在本 实验条件和实验方法下所得出的“最佳”值) 的处理条件下处理马铃薯淀粉废水， 研究其处理效果，并与其他常规化学絮凝剂的处理成本和处理效果进行比较。主 2 兰州大学硕士研究生学位论文 要研究内容如下： 1 ) 目标菌的分离、纯化与筛选。从活性污泥和土壤中，分离出一些对高岭 土悬液有高絮凝效果的菌种，经纯化后筛选出絮凝效果最好的几株菌种，进行两 两复配，确定出对高岭土悬浊液絮凝效果最好的复配组合，用其生产微生物絮凝 剂。 2 ) 复合型微生物絮凝剂的特性研究。主要包括絮凝活性分布、耐热性分析 和成分分析等方面。 3 ) 马铃薯淀粉废水廉价培养复合型微生物絮凝剂产生菌的研究。研究废水 灭菌与否、菌种复配比、废水中添加碳源种类、废水c o d 、添加碳、氮、磷源 浓度、废水p h 值、接种量及培养时间等因素对絮凝剂絮凝效果的影响，确定废 水的最佳培养条件。 4 ) 复合型微生物絮凝剂处理马铃薯淀粉废水的研究。研究产生的微生物絮 凝剂絮凝处理马铃薯淀粉废水时，絮凝剂投加量、废水p h 值、添加阳离子种类、 助凝剂投加量、沉降时间等因素对废水絮凝效果的影响，确定最佳絮凝条件。 5 ) 化学絮凝剂预处理马铃薯淀粉废水的比较研究。分别研究单一化学絮凝 剂和有机与无机絮凝剂复配絮凝处理马铃薯淀粉废水时絮凝剂的投药量、废水 p h 值、助凝剂投加量以及沉降时间等因素对絮凝效果的影响，确定各絮凝剂最 佳的絮凝条件，经比较后确定马铃薯淀粉废水的最佳化学絮凝剂。 6 ) 比较微生物絮凝剂和化学絮凝剂在其最佳絮凝条件下对马铃薯淀粉废水 的处理效果和处理成本，确定马铃薯淀粉废水培养复合型微生物絮凝剂产生菌的 可行性，得出结论。 1 3 研究意义 采用无毒无害、营养物质丰富的马铃薯淀粉废水培养复合型微生物絮凝剂产 生菌生产絮凝剂，一方面，微生物生长利用了废水中的大量有机物，废水中污染 物浓度降低，可以无需厌氧而直接进行好氧处理，减轻了废水生物处理负担，减 少了处理投资和运行成本，有利于废水的后续处理：另一方面，微生物絮凝剂生 产时由于生产成本过高，导致工业化和商业化应用较为困难，而利用废弃的淀粉 废水培养微生物，只需添加少量的营养物质，大大降低了微生物的培养成本，从 3 张宝茸淀粉废水培养微生物絮凝剂产生茵及应用研究 而降低了微生物絮凝剂的生产成本。 利用无毒无害的微生物絮凝剂处理马铃薯淀粉废水回收蛋白物质，一方面通 过絮凝废水中的悬浮物降低废水污染物浓度，另一方面，回收的蛋白物质由于其 安全性可以用作动物饲料。 因此，本课题可以达到环境效益与经济效益双赢的目的。 1 0 4 研究路线 4 i 优势菌的分离、纯化与筛选 1 l i 复合型微生物絮凝剂特性研究 上 i 马铃薯淀粉废水培养复合型微生物絮凝剂产生菌的研究 土 l 复合型微生物絮凝剂处理马铃薯淀粉废水的研究 上 i r 常规化学絮凝剂处理马铃薯淀粉废水的比较研究 土 l 微生物絮凝剂与化学絮凝剂处理马铃薯淀粉废水的比较研究 图1 0 l 研究路线 兰州大学硕士研究生学位论文 2 文献综述 2 1 马铃薯淀粉废水处理现状 2 1 1 马铃薯淀粉废水的来源及特征 马铃薯淀粉废水是马铃薯淀粉以及相关淀粉产品的生产过程中产生的废 液。 一般马铃薯淀粉的生产工艺流程为【1 2 】： 原料验收一洗薯一磨碎一筛分一分离淀粉一淀粉洗涤一脱水一干燥及包 装。 由该工艺流程可知，马铃薯淀粉生产过程中的废水主要来源于四个方面： 洗薯废水：主要成分为马铃薯表面的泥沙，在生产过程中经沉淀池沉淀 后可循环使用； 分离淀粉过程产生的废水：采用静置沉淀法分离淀粉，一般需要静置6 7 h ，淀粉沉入槽底，上部为红色的液体薯汁，即蛋白水，主要成分为淀粉、纤维、 蛋白质等有机物，c o d 值很大，是污染的主要来源； 淀粉洗涤过程产生的废水：为了得到纯净的淀粉，将粗淀粉放入洗涤槽 中加入清水洗涤，静置沉淀后的上层澄清水，这部分水可以循环使用； 洗涤后的淀粉脱水产生的废水：经洗涤后的淀粉在干燥前需先进行脱水， 这部分废水的c o d 值也很高。 据资料统计，每生产1 吨薯类淀粉需要耗水1 5 , - - , 4 0 立方，单位产品的耗水 量约是玉米淀粉的6 8 倍【1 3 1 。 一般马铃薯淀粉废水水质见表2 1 【1 3 】。 表2 - 1 一般马铃薯淀粉废水水质 由此可见，马铃薯淀粉废水是一种高浓度有机废水，其易降解且无毒，是食 品工业中污染最严重的废水之一，废水中主要含有淀粉、纤维、蛋白质、糖类等 有机物。 张宝茸淀粉废水培养微生物絮凝剂产生菌及应用研究 2 1 2 淀粉废水的处理现状 马铃薯淀粉废水有机物浓度高，可生化性较好，目前国内外对其常用的是絮 凝沉淀预处理和生物处理或是将两者结合起来的处理方法。 1 ) 絮凝沉淀预处理 马铃薯淀粉废水中含有大量蛋白物质，是造成废水浊度污染的主要原因，因 此在工艺处理前一般先进行絮凝沉淀预处理。絮凝沉淀法是一种对废水的物理化 学处理法，是通过加入絮凝剂，降低废水中悬浮物、胶体物的稳定性，使之凝聚 沉淀，然后分离净化的方法，它具有处理工艺简单、净化效率好、耗费低等特点。 常规化学絮凝剂如a 1 3 + 、聚合氯化铝、聚铁等常被用作预处理絮凝剂。张美 华等【1 4 1 使用聚铁絮凝处理淀粉废水，在不调节p h 的条件下，投加量仅为 0 2 m l l ，即可对废水c o d 的去除率达到9 5 7 。莫日根等【1 5 l 利用碱式聚合氯化 铝絮凝并用吸附柱吸附马铃薯淀粉废水，发现其c o d 去除率为5 4 - - - 6 5 ，再 经后续的生化处理后即可达标排放。郑圣坤【2 6 j 贝, r j 认为在趾3 + 、f e 3 + 和p a c 中以 a 1 3 + 的处理效果较佳，其对废水c o d 的去除率可达到3 4 左右。 近年来，微生物絮凝剂以其不存在二次污染、对人畜无害、絮凝效果好、沉 淀物可回收用作蛋白饲料等优点越来越引起人们的注目，在其废水絮凝方面进行 了广泛的应用研究。邓述波等1 7 1 分离出的菌种a 9 产生的高效絮凝剂对淀粉厂 的黄浆废水具有很好的絮凝效果，经絮凝沉降后，废水的s s 和c o d c ，去除率分 别可达8 5 5 和6 8 5 ；刘晖等【i g 】采用微生物絮凝剂( m b f 7 ) 处理淀粉废水， 在最佳的絮凝条件下，浊度去除率可高达9 6 4 。由此可见，微生物絮凝剂在絮 凝处理淀粉废水方面也具有良好的絮凝效果。 2 ) 生物处理工艺 根据废水有机物浓度高的特点，普通的生物处理工艺主要是厌氧+ 好氧的处 理方法，先通过厌氧处理降低废水中有机质含量，再通过好氧处理达标排放。常 用的处理工艺主要为u a s b s b r 法【1 9 , 2 0 , 2 1 1 ，该工艺可充分利用u a s b ( 上流式厌 氧污泥床) 的高效、高负荷的优势，配合使用s b r 后可使废水得到有效治理， 出水水质稳定达到污水综合排放标准( g b 8 9 7 8 1 9 9 6 ) 二级标准，在处理过程 中产生可回收利用的沼气，具有显著的环境效益和经济效益。运行效果表明，该 处理系统具有处理效果稳定，耐冲击负荷，运行费用低，管理简便等特点。此外 6 兰州大学硕士研究生学位论文 郑圣坤1 2 2 】等针对马铃薯淀粉生产的季节性和变动性特点，采用上流式厌氧污泥床 一曝气氧化塘工艺对废水进行处理的模拟试验，结果表明，该工艺对废水中有机 物的去除效果良好，c o d 去除率为9 5 左右，b o d 5 去除率可达到9 8 。以上 这些工艺中厌氧消化主体构筑物u a s b 因占地面积大，结构复杂，限制了工艺 的推广使用，而以新型高效厌氧污水生物处理技术厌氧折流板反应器( a b r ) 为主体的处理工艺，如a b r 氧化沟工艺【2 3 1 、a b r s b r - 1 - 艺t 2 4 】等也在处理淀粉 废水中具有较好的处理效果，并解决了上述问题，而且其处理费用较低。 3 ) 马铃薯淀粉废水的资源化利用 由于常规生物处理启动较慢，而马铃薯淀粉生产的季节性( 一般在9 月下旬 至第二年3 月生产) ，使得应用起来存在很大困难，同时生物处理法占地面积大， 能耗大，投资费用和运行费用高，受废水的p h 、水温、有毒物质等环境条件影 响较大，废水浓度太高也会影响生物处理的应用。一般的絮凝处理虽然存在基建 投资少、能耗低、工艺简单、操作容易、对气温的变化适应性强等优点，但去除 效率较低，往往需要和其它处理方法结合使用，废水才能达标排放。 淀粉废水中所含的有机物大都是可以回收利用的宝贵资源，如果将这些资源 综合利用，不仅可以变废为宝，还可以大大降低废水中有机物的浓度，减轻后续 生物处理负担，降低处理费用。因此废水的资源化处理就显得极其重要，各国都 在寻找淀粉废水资源化处理方法。 马铃薯淀粉废水无毒、无害，且含有丰富的淀粉、糖类和蛋白质类物质，能 提供微生物生长繁殖所必需的碳源和氮源等营养物质，因此用其培养具有一定应 用价值的微生物，不仅能降低微生物的培养成本，还能通过微生物的生长繁殖消 耗废水中有的机物来减轻废水后续处理的负担，降低处理费用，实现废水资源化 处理。目前已有多位研究学者采用马铃薯淀粉废水为原料培养具有一定经济价值 的微生物，获得了较好的经济效益和环境效益。 目前国内外关于利用淀粉废水培养微生物，实习淀粉废水资源化处理的研究 方向主要有： 利用淀粉废水培养微生物产生微生物絮凝剂。 微生物絮凝剂( m i c r o b i a lf l o c c u l a n t s ，m b f ) 是微生物代谢产生的有絮凝活 性的物质，主要由糖蛋白、多糖、蛋白质、纤维素和d n a 等组成【6 l ，它具有良 7 张宝茸淀粉废水培养微生物絮凝剂产生菌及应用研究 好的絮凝沉淀性能，高效、安全、无毒、可生物降解，且不产生二次污染，但由 于产生菌的培养成本太高，一定程度上限制了其工业化和商业化应用。淀粉废水 有机物浓度高，且不含有毒有害物质，已有学者用其培养微生物产生絮凝剂，研 究成果大多表明，其不仅可以大大降低微生物的培养成本，而且产生的m b f 絮 凝效果仍然较好，同时还可以降低废水中的有机污染物浓度，减轻废水后续处理 负担。 淀粉废水中淀粉含量高，更有利于培养能够高效利用淀粉的微生物生产 m b f 。李琳等【2 5 1 根据酿酒酵母( 勋向伽粥彬鼯c e r e v i s i a e ) 和胶质芽孢杆菌( b a c i i l u s p o l y m y x a ) 能利用水溶性淀粉和蛋白质的特点，用红薯淀粉废水直接扩大培养， 产生的复合型微生物絮凝剂对红薯淀粉废水的絮凝率达到9 7 ，废水c o d 也下 降了6 5 。周爱华等【2 6 】用含可溶性淀粉的培养基从活性污泥中筛选出嗜温鞘氨 醇杆菌( s p h i n g o b a c t e r i u mt h a l p o p h i l u m ) ，然后用玉米淀粉废水培养该菌生产絮凝 剂，在最佳培养条件下生产的m b f 可使活性污泥脱水率提高1 5 左右，将其与 无机絮凝剂结合使用时效果更好。 葡萄糖可以作为大多数微生物的最佳碳源，而淀粉可发酵水解为葡萄糖，因 此淀粉废水发酵水解后可适于培养更多种类的微生物。蔡琳晖等【2 7 1 将淀粉废水预 发酵后，用来培养能够有效利用葡萄糖的菌株生产絮凝剂，其对水样中s s 的去 除率可达到8 5 或更高。 复合型m b f 不仅絮凝效果一般高于单一菌株，而且具有更强的环境适应能 力【8 】。王园园等利用淀粉废水培养复合菌种m 1 7 ，其产生的絮凝剂对高岭土悬 液的絮凝率达9 0 ，对废水浊度、色度及c o d 的去除率最高分别可达8 8 、7 5 和5 4 。 利用淀粉废水培养微生物生产单细胞蛋白。 单细胞蛋白( s i n g l ec e l lp r o t e i n ，s c p ) 是指利用各种基质大规模培养微生 物，如细菌、霉菌、酵母菌、微藻和担子菌等，获取含有丰富蛋白质的微生物蛋 白，其可作为动物饲料和人类食品。目前s c p 的开发利用也是各国研究的一个 热点，但由于生产成本太高在一定程度上也限制了其工业化应用。利用含有高浓 度有机质的淀粉废水培养微生物生产s c p ，不仅可以降低废水中的有机物含量， 而其能够得到利用价值高的饲料蛋白质，降低s c p 的生产成本。用于生产s c p 8 兰州大学硕士研究生学位论文 的菌种种类很多，但以淀粉为原料生产s c p 的菌种主要有白地霉( g e o t r i c h u m c a n d i d u m ) 2 $ , 2 9 , 3 0 , 3 1 】、扣囊拟内孢霉( e n d o m y c o p s i sf i b u l i g e r ) 3 1 3 2 , 3 3 1 、产朊假丝 酵母( c a n d i d au t i l i s ) 3 3 】、热带假丝酵母( c a n d i d at r o p i c a l i s ) 3 4 1 等。研究认为产朊 假丝酵母生长快，粗蛋白含量高，为生产s c p 的最佳菌种3 5 1 ，而何国庆等2 引的 研究则认为白地霉是一个比较理想的小麦淀粉废水s c p 发酵菌种。 有些微生物之间具有协同作用，v b m a n i l a l 等【3 3 】发现产朊假丝酵母和扣囊 拟内孢霉可迅速而有效地利用木薯淀粉废水中的淀粉和糖类物质，经过2 8 h 的发 酵后生物体的蛋白浓度达到2 2 ( w w ) ，c o d 和b o d 的去除率分别达到9 4 和9 1 。此外还有李素玉等【3 1 3 刁使用白地霉和扣囊拟内孢霉净化未灭菌的玉米淀 粉废水，废水c o d 去除率达到9 0 以上，比单独使用白地霉净化废水时的c o d 去除率提高2 8 8 3 ，每吨废水还可生产出s c p1 6 4 6 k g 。 其他方面的用途。 淀粉废水培养微生物还有其他多种用途，如培养出芽短梗霉生产普鲁兰多 糖、培养曲霉产生葡萄糖淀粉酶、培养酵母菌生产酵母等。 普鲁兰多糖是由出芽短梗霉( a u r e o b a s i d i u mp u l l u l a n s ) 以淀粉水解或葡萄 糖为原料发酵产生的一种水溶性无定型多糖大分子，已被广泛地应用于食品、医 药、轻工、化工和石油领域，具有重要的应用价值【3 6 】。利用马铃薯淀粉废水做为 碳源发酵生产普鲁兰多糖的研究已有很多，酶水解淀粉被大部分发酵工艺所采 用，c h r i s t i a nb a r n e t t a 等【3 7 】研究了马铃薯淀粉废水用不同酶水解后的水解效果， 发现酶的水解产物对普鲁兰的产量起重要作用，淀粉酶和普鲁兰多糖酶水解 废水培养基生产的普鲁兰多糖产量是用普鲁兰多糖酶和淀粉葡糖苷酶水解的两 倍，前者水解产物主要是麦芽糖，后者主要为葡萄糖。邵荣等【3 8 】也成功地利用麦 芽根所含有的丰富酶系和生长因子酶解淀粉废水。由此推断，出芽短梗霉的最佳 碳源应该是麦芽糖。陈洁等【3 6 】直接利用未水解的马铃薯淀粉废水发酵培养出芽短 梗霉生产普鲁兰多糖，该方法具有生产成本低、发酵工艺简单、多糖转化率高等 优点，较具有创新性，同时还会减少环境污染。 黑曲霉、根霉、草酸青霉等可高效地产生生淀粉糖化酶，无需蒸煮而直接将 生淀粉转化成葡萄糖【3 9 1 。米曲霉应用更加广泛，其可以将淀粉转化成葡萄糖、麦 芽糖和糊精。淀粉废水中含有大量淀粉物质，因此可以用淀粉废水培养曲霉和根 9 张宝茸淀粉废水培养微生物絮凝剂产生菌及应用研究 霉，经过微生物糖化后的废水可培养更多种类的微生物。b j 衙等利用淀粉生产 废水培养常用于发酵工业的米曲霉( a s p e r g i l l u so r y z a e ) 生产微生物蛋白( m b p ) 和t 2 淀粉酶，在p h = 5 0 ，3 0 的条件下m b p 的生产率为6 1 9 l ( 蛋白含量3 8 ) ， 口淀粉酶产量为5 5e u m l ，废水c o d 、b o d 和s s 的去除率分别为9 5 、9 3 和9 8 ，处理后的废水可用于农田灌溉，整个过程中不用对废水进行水解、灭菌 和补充营养物质等预她j 4 0 , 4 1 】。此外，他们还利用废水培养少孢根霉( r h i z o p u s o l i g o s p o r u s ) 生产真菌蛋白和葡糖淀粉酶，研究发现少孢根霉可以在初始p h = 4 0 ， 温度为3 5 下，将每升淀粉废水中9 5 以上的淀粉物质转化生成干细胞物质， 其产量可达4 5 - - 5 2 9 l ( 蛋白含量4 6 ) ，对废水c o d 去除率达9 5 ，对s s 几 乎可全部去除，整个过程不用进行预处理及无菌操作【4 2 】。 关于利用淀粉废水培养除以上微生物外的其他有用微生物及其用途和效果 的相关报道见表2 2 。 表2 2 淀粉废水培养的有用微生物及其用途和效果 不同微生物由于其代谢产物的不同在工业生产中具有不同的用途，尤其是在 食品工业，存在大量的有用微生物。从表2 2 可以看出，利用淀粉废水中有机物 培养有用微生物具有非常好的效果，一方面可以廉价获取目标物质，另一方面对 废水中污染物有一定降解作用，有效地利用了废水中的有机物资源，真正地将废 水进行了资源化处理。 总之，利用淀粉废水培养有用微生物是可行而且有效的，它不仅可以降低微 生物的培养成本，使其在市场化和工业化应用中更具竞争力，同时微生物生长过 程中无形地消耗了废水中的有机质，减轻了后续处理的有机负荷，降低了废水工 i o 兰州大学硕士研究生学位论文 艺处理费用，实现经济效益和环境效益双赢的效果。 2 2 水处理絮凝剂概述 絮凝预处理是一种简单而有效的去除废水中悬浮物和胶状物的方法【3 】，已被 广泛地应用于饮用水和废水处理过程中【4 5 】。 水处理中常用的絮凝剂主要分为三类【4 】： 1 ) 无机絮凝剂，如a 1 3 + 、f e 3 + 和它们的高分子聚合物； 2 ) 有机絮凝剂，如有机合成絮凝剂( 聚丙烯酰胺p a m ) 、天然高分子絮凝 剂( 壳聚糖、木质素) ； 3 ) 微生物絮凝剂。 无机絮凝剂包括铝盐( a 1 3 + ) 、铁盐( f e 3 + ) 及其聚合物等，在各类无机絮凝 剂中，聚合氯化铝( p a c ) 产量最大，应用范围最广【4 9 1 ，其性质较稳定，形成矾 花快，而且颗粒大而重，易沉淀，絮凝效果是传统铝盐的2 - - - 3 倍，对高浓度、 高色度及低温水都有较好的混凝效果。虽然运行效果较好，但是水中残留的铝， 特别是活性铝会转化成二次污染物，临床上铝中毒主要有铝性骨病、铝性脑病( 老 年性痴呆症) 和铝性贫血等，因此要在一定程度上限制铝的使用。铁盐对金属有 腐蚀作用，也可造成处理水色度污染，高浓度的铁对人类健康、生态环境也会产 生不利影响。由于无机化学絮凝剂自身的问题，市场上已有逐渐被替代的趋势。 有机絮凝剂包括有机合成絮凝剂和天然高分子絮凝剂两种类型。有机合成的 絮凝剂主要是聚丙烯酰胺( p a m ) 及其衍生物，它絮凝效果好且成本较低，但此 类物质在环境中不易被降解，研究发现丙烯酰胺单体是癌症的诱发剂和人类神经 的致毒剂，在有些发达国家的一些领域已经禁止或限量使用。天然高分子絮凝剂 包括淀粉改性絮凝剂、木质素、生物高分子有机物( 如甲壳素) 等，与无机或合 成有机絮凝剂相比，其具有原料价格相对低廉、资源丰富多样、原料与产品无毒 或低毒、易生物降解等优点，被广泛地应用于水处理中。 微生物絮凝剂( m i c r o b i a lf l o c c u l a n t s ，m b f ) 是一种利用生物技术，通过从 微生物体或其分泌物中经过发酵、抽提、精制等工艺得到的一种新型水处理絮凝 剂，具有生物分解性，高效、安全、无毒。主要成分有多糖、糖蛋白、蛋白质、 纤维素和d n a 以及有絮凝活性的菌体等，由于它可以克服无机和合成有机高分 张宝茸淀粉废水培养微生物絮凝荆产生菌及应用研究 子絮凝剂固有的絮凝效率低、存在二次污染、对人类的毒性效应等缺陷，它的研 究己成为絮凝剂领域的热点问题，在给排水处理等方面有广阔的应用前景7 1 。 2 3 微生物絮凝剂概述 2 3 1 微生物絮凝剂的研究进展 早在2 0 世纪5 0 年代人们就发现了有絮凝性的细菌培养液。1 9 7 6 年， n a k n m u r aj 等 5 0 , 5 1 】对能产生絮凝性物质的微生物进行了研究，发现中以酱油曲霉 ( a s p e r i l l u ss o j a e ) a j 7 0 0 2 产生的絮凝剂效果最好。1 9 8 6 年，r y u i c h i r ok u r a n e 掣5 2 j ， 采用从自然界分离出的红球菌属微生物r h o d o e o c e u se r y t h r o p o l i s 的s 。l 菌株，用 特定培养基，在一定的培养条件下，制成絮凝剂n o c 1 ，并且将其用于膨胀污 泥、畜产废水、砖场生产废水等的处理，都取得了很好的处理效果。在此之后的 研究中，有代表性的是1 9 9 7 年s u h h h 等【5 3 】发现的d p 1 5 2 絮凝剂，是首次发 现杆状细菌也能产生絮凝剂。 我国对微生物絮凝剂的研究起步较晚，从2 0 世纪9 0 年代开始，相关的科研 工作者也筛选出了不少产絮凝剂的优良微生物菌株。中科院成都研究所张本兰【5 4 1 从活性污泥中分离得到的p a l c a l i g e n e s 8 7 2 4 菌株产生絮凝剂，刘紫娟等【5 5 】从活性 污泥中分离筛选到一株产絮凝剂的巨大芽胞杆菌( b a c i l l u sm e g a t e r i u m ) ，此外， 邓述波等【5 6 , 5 7 从土