（环境工程专业论文）光合细菌psb膜法工艺处理高浓度淀粉废水.pdf

硕七学位论文 摘要 本论文在实验室条件下，对c o d 为8 9 4 0 m 岁l 的高浓度淀粉废水首先采用厌 氧水解酸化进行预处理，当废水在酸化反应器中水解酸化6 h 时，挥发性有机酸 ( v o l a t i l ef a t c ) ，a c i d ，简称v f a ) 达到了最大值6 1 4 0 m g l ，出水调节p h 为7 o ，进 入光合细菌反应器。光合细菌反应器采用圆柱形生物毛刷作为光合细菌挂膜的载 体，4 8 h 为一个周期，每一周期开始投加1 0 的光合细菌新鲜菌液。光合细菌处 理的出水加絮凝剂聚合硫酸铁。最终，进水c o d 由8 9 4 0 m g l 降低到1 6 5 m g l ， 整个流程的c o d 去除率达到了9 8 1 5 。 研究结果表明： l 、水解酸化段添加1 0 的生活污水，增加了废水中细菌的多样性，使得淀粉 废水中的大分子有机物可以更加有效快速的降解为低级脂肪酸等小分子有机物， 为光合细菌( p h o t 0 吣血b a u c t e 血，简称p s b ) 段光合细菌提供了大量的小分子 有机物，提高了其对c o d 的去除率。 2 、p s b 段采用比表面积很大的生物毛刷作为填料，使得光合细菌有很大的附 着面积，生物毛刷有一定的强度和吸附性能，使得光合细菌及其它异养菌更容易 挂膜。光合细菌在光合细菌反应器中生物毛刷上的挂膜聚集作用，解决了其分散 不易沉降的问题，从而使废水的处理效果得到了提高，出水的色度也大幅度降低。 在实验的3 个月中，生物毛刷没有出现腐败现象。 3 、对p s b 段出水进行后处理，p h 调整到7 0 投加絮凝剂聚合硫酸铁溶液， 沉淀1 h 后，出水c o d 从9 6 8 m g l 降至1 6 5 m g 几，去除率达到了8 2 9 5 。 关键词：光合细菌( p s b ) ，高浓度淀粉废水，水解酸化，挥发性有机酸( v f a ) ， 聚合硫酸铁( p f s ) 光合细菌( p s b ) 膜法工艺处理高浓度淀粉废水 a b s t r a c t i i lt h i sd i s s e r t a t i o n ，t 1 1 ec o n c e n t r a t i o no ft h es t a r c hw a s t e w a t e ri s8 9 4 0 m g l f i 】随 p r e 协e a tm ew a s t e 咖b y a c i dh y d r o l y s i s w h e nt 1 1 ew a s t e w 咖rl 琊b e e na c i d u l a t e d6 h i n 也ea c i d i f i c a t i o nr e a c t o r ，t l l ec o n c e n 啾i o no fv o l a t i l ef a 廿ya c i d ( v f a ) c o n l e st 0 l e m a x i m u m6 1 4 0 m g l b e f o r et h ew a s t e w a t e rf l u i di n t 0t h e 灿s y n m e t i cb a c t e r i a ( p s b ) r e a c t o r ，r e g u l a t ei t sp ht o7 o i nt h ep h o t o s y l m l e 廿cb a c 蜘ar e a c t o r ，w eu s ec o l u 舳 a 血i l a lb n 曲鹊廿1 ec a r r i e ro fp s b 1 kc y c l et i n l eo fm i ss t a 伊i s4 8h o u r s a tt 1 1 e b e g i n i 血l go f e a c hc ) r c l e ，w es h o u l da d d1 0 0 f p s bl i q u o ri i n 0m ew 舭眦1 k l a s ts t a 咿i st 0a d dp o l y m e r i cf e r r i c 刚f i 她( p f s ) i i l t 0t h ew a s t e 啪由既1 kf i r 谢c o d r e m o 砌r a t c 托a c h9 8 1 5 ，舶m8 9 4 0 m g lt 01 6 5 i n g l t h er e s l i l t ss h o w s l a t ： 1 i n 恤s e c t i o n0 fa c i dh y d r o l y s i s ，a d d1 0 d o m e s t i c 硼哐弦t 0m es t a r c h w a s t e w a t e r ，、) v ：陆c hi 1 1 c r c a s et ：h eb i o d i v e r s i 哆o ft h ew 锄t e w a t e r i nt 1 1 a tc a s e ，t h e m a c r o - m o l e c u l eo r g a l l i cm a t t e ri nm es t a r c hw a s t e w a t e rc a nb ed e g r a d e dt 0s m a l l m o l e c u l a ro 玛撕cm a t t e rs u c h 硒p r c l i i l l i l l a 巧舢ra c i de 丘- c c t i v e l y ，、) i r ：m c hc a np v i d e m a s s i v es m a l lm o l e c u l a ro r g 疵cm a t t e rf o rt l l ep s b c t i o n ，觚de n h a l l c et t l er e i l l 0 v a l 豫t eo f c o d 2 a m i m a l sb m s ha sc a l t i e rf o rp s b f o r r n i n gb i o m r i l ，i t ss u r f a c eh a sp r o t u b e 舢c e s 锄d s q 咖aw h i c h1 1 a sag r e a t e rs u r f a c e a r e aa n da d s o 印t i o nc a p a c i 够，锄di ti se a s yf o rp s b a n do t h e rh e t e r o 们p l l i cb a c t e 血t 0f o 咖b i o n i m t h ea g g r e g a t i o ne f f e c to fp s bw l l i c h f o 肌b i o f i l m0 nt h e 砌m a lb u s hc 删e rs o l v e s 吐l ep r o b l e mo fd i s p e r s i o n 觚du i l e 硒e s e d i m e 删i o no fp s b c o m p 撕n gw i t h 蛳c o m p l e t e l yl l l i x e dp s bp r o c e s s ，t l l er e m o v a l r a t eo f c o di n c r e a s e s2 1 6 p s bb i o f i m ec a n p r o t e c t t 1 1 es u r f 砬eo f b m s h s oi nt l l e3 m o n m s o p e r a t i o n ，t h eb m s hi sn o td e 酉a d e d 3 w eu s ep f st ot r e a tt h er e s i d l l a l lc o da n dc l u - o m ai nt h ef o l l o 、析n gs t a g e r e g u l a t e i t sp ht o7 0 ，恤na d dp o l y m e r i cf e r r i cs u l f a t e ( p f s ) i 1 1 t 0t 1 1 ew a s t e w a t e r 1 1 1 ef i m lc o d r e m o v a lr a t ei s8 2 9 5 ，f 如m9 6 8 m g lt ol6 5 m g l k e yw o r d s ：p h o t o s y n t h e t i c b a c t e r i a( p s b )， h i g h - c o n c e n t r a t i o n s t a r c h w a s t 聃，a t e r ，a c i d h y d r o l y s i s ， v o l a t i l eo r g a n i ca c i d s ( v f a ) ， p o i y m e r i cf e r r i cs u i f a t e ( p f s ) 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 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。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名： 皋p 传牛 日期：力钾年易月彦日 | 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，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权兰州理工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。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文 收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服 务。 日期：力即年易月9 日 日期：冲月易日 硕士学位论文 1 1 淀粉废水的概述 1 1 1 淀粉废水的简介 第1 章绪论 淀粉是一种重要的工业原料，广泛地应用于食品、化工、纺织、医药等多种 行业【l 】。在淀粉的生产过程中，废水的排放量很大，每生产1 t 淀粉就要产生1 0 2 0 m 3 废水，是食品工业中污染最严重的废水之一。其主要成分为淀粉、蛋白质和糖类， 废水的c o d 值一般在8 0 0 0 3 0 0 0 0 i n g l ，p h 值在4 6 ，属酸性高浓度废水，如表 1 1 所示m 。另外，有些淀粉废水中还含有一定浓度的s 0 3 二，s 0 4 2 。目前，中国共 有大小淀粉厂3 0 0 多家，共产生淀粉废水1 6 0 0 万m 3 a ，如将该废水直接排放到环境 水体中将对环境造成严重污染p 】。 表1 1 淀粉生产废水一般水质特征和污染因子( m g l ) 淀粉废水主要由浸泡液( 菲酊水) 和过程水两部分组成，其中菲酊水中含有 大量的可溶性蛋白质、乳酸、植物酸等有机物，可利用价值十分高。但当前大多 数淀粉生产企业把菲酊水直接排放或与过程水混合后一起排入污水处理厂进行处 理，造成有用资源的浪费。通过对国内几家将菲酊水和过程水混合进行处理的淀 粉生产企业的调查表明，在实际运行过程中，其废水处理后都很难达到稳定达标 排放，既浪费了资源又造成了环境污染，因此必须对高浓度菲酊水进行资源化处 理。 1 1 2 淀粉工业废水来源 淀粉生产大约有8 0 是以玉米为原料，其余以薯类、小麦、大麦、燕麦以及 其他富含淀粉的植物块根等为原料。原料中除含有淀粉以外还含有其他的多种成 分一蛋白质、纤维素、无机盐等。淀粉生产由原料处理、浸泡、粉碎、过筛、 分离淀粉、洗涤、干燥等几个主要工艺组成。但具体操作上因原料的不同存在着 一些差异，废水的主要来源也因淀粉生产原料的不同而异1 8 】。不同原料生产淀粉的 工艺流程及废水来源列于表1 2 中。 光合细菌( p s b ) 膜法工艺处理高浓度淀粉废水 表1 2 不同原料生产淀粉的工艺流程及废水来源 1 2 淀粉工业废水治理方法 目前，国内外常用的淀粉废水处理方法有：沉淀分离法、化学絮凝法、单纯 曝气法、生物处理法( 包括活性污泥法、厌氧生物法、生物膜法、生物塘法等) 、 光合细菌法等。 1 2 1 沉淀分离法 淀粉不溶于冷水，可以直接通过物理沉淀使废水中悬浮物沉淀下来，一般使 用沉淀池或沉淀塘。当池中发生厌氧反应时，产生的有机酸使废水p h 值下降，使 得废水中处于胶体状态的蛋白质形成絮凝体沉淀下来，从而提高分离效率。沉淀 池( 塘) h r t ( 停留时间) 约2 7 d ，沉淀池( 塘) 容积1 5 1 6 m 3 t 。沉淀池( 塘) 的净化 效果：s s 去除率一般在7 0 左右，效果好的可达9 0 ，b o d 5 的去除率为2 0 3 0 【9 1 0 1 。 1 2 2 化学絮凝法 沉淀分离法对s s 具有较高的去除率，且操作简单，但其占地面积较大，处理 周期长，对b o d 5 的去除率较低，并不是一种十分有效的处理方法。如果加入药剂， 采用化学絮凝法，可破坏胶体的稳定性，使分散状态的有机物脱稳凝聚，形成聚 2 硕士学位论文 集状态的粗颗粒物质从水中分离出来。化学絮凝法比物理沉淀法去除效果好，处 理时间短。内蒙古环境科学研究所【l l 】用碱式聚合氯化铝为絮凝剂处理模拟马铃薯 淀粉废水，结果表明，当1 0 碱式聚合氯化铝的投入量为1 o o m l 和1 2 0 i n l 时c o d 去除率最佳，可达到4 7 。若将经碱式聚合氯化铝处理后的淀粉废水再利用吸附 柱进行吸附处理，其c o d 去除率可达到6 5 。张美华【1 2 】等利用聚铁絮凝剂处理淀 粉废水，在不调节废水p h 值的前提下，c o d 由3 4 8 2 m l 班降至1 6 4 8 8 m g ，l ，低于国 标g b 8 9 7 8 8 8 中二级排放标准( c o d 2 0 0 m g l ) ，c o d 去除率达9 5 7 。有人利用工 业废渣s 乃，p m a 、活性炭等化学处理法处理玉米淀粉废水，出水可达标排放【1 3 1 。 而杨丽娟【1 4 】利用石灰做混凝剂、聚丙烯酞胺为絮凝剂，对淀粉生产废水进行处理， 小试结果表明，处理后的淀粉废水水质达到排放标准，且该法具有基建资金少， 操作容易，耗能低，无二次污染等优点。乔应池【1 5 l 等以f e n t o n 试剂为氧化剂，生石 灰为絮凝剂处理淀粉生产废水，废水处理后可达到排放标准。 1 2 3 气浮处理法 气浮法是利用高压状态溶入大量气体的水( 溶气水) 作为工作液体，骤然减压后 释放出无数微细气泡，废水中的絮凝物粘附其上，使絮凝物的比重远小于实际比 重，随着气泡上升，将絮凝物浮至液面，达到液固分离的目的。气浮法处理废水 时，应根据实际的处理物料和工业使用条件选择絮凝剂及操作条件，并选择适宜 的气浮剂用量【1 6 ，1 7 1 。 买文宁【1 8 ，1 9 1 ，b o 删等【2 0 棚1 采用气浮分离技术从淀粉废水中提取蛋白饲料， 在得到蛋白饲料的同时，去除了废水中8 0 的s s 和3 0 的c o d ，有效地减轻了后 续生物处理的有机负荷。 单纯曝气法是指用空气或含臭氧的空气对废水进行短时间的曝气，通过空气 氧化、臭氧氧化、以及对挥发物质的吹脱以取得净化效果，一般不单独使用。 1 2 4 生物处理法 淀粉生产废水属于高浓度有机废水， 内外常用的淀粉废水处理方法是生化法， 为好氧处理和厌氧处理两大类型。 1 厌氧生物法 不含有毒物质，可生化性好。因此，国 根据微生物的不同，生物处理方法可分 厌氧生物法是指无分子氧条件下通过厌氧微生物( 包括兼氧微生物) 的作用， 将淀粉废水中的各种复杂的有机物分解为甲烷和二氧化碳等物质的过程，同时把 部分有机质合成细菌胞体，通过气、液、固分离，使污水得到净化，这一过程可 分为三阶段，见图1 1 ， 光合细菌( p s b ) 膜法工艺处理高浓度淀粉废水 群h 溅h 瓣吲戮h 旧 叠肪 lf 量肪，甘油等lj 簪c o 知h 2i 甲烷茸)l 爿：譬慧 il c h 图1 1 淀粉废水厌氧发酵过程 近年来，在淀粉废水处理中，发展最快、应用最多的是上流式厌氧污泥床 a s b ) 工艺，它的特点是利用微生物群体本身的絮凝性能，在厌氧反应器内形成 颗粒化污泥，保持高浓度微生物量，并以高速甲烷发酵的形式处理淀粉废水中的 有机物。该法具有能耗低，剩余污泥量少等优点，因此，到2 0 世纪9 0 年代已普及 到世界各地。 厌氧接触消化法属于第二代厌氧消化技术，由于采用将消化污泥回流至消化 器的措施，可保持消化设施内较高浓度的生物量，从而提高了消化器的容积负荷。 与u a s b 、厌氧滤床( a f ) 相比，厌氧接触消化法虽然负荷较低，但运行可靠， 启动时间短。佘宗莲【2 2 】等采用厌氧接触消化技术处理淀粉厂的高浓度废水，结果 表明，当气温高于2 4 时，该法可取得较好的处理效果。 纵向折流套筒式厌氧污泥床( 3 a s b ) 反应器是一种复合型厌氧反应器，它是 以u a s b 反应器为主体，综合了厌氧接触法( a c p ) ，u a s b 和a f 三种工艺的特点， 对高悬浮物高浓度有机废水比a f 和u a s b 有更好的适应性。贺晓红【2 3 】等采用常温 v b a s b 反应器在常温下处理淀粉废水，当h r l 降1 2 h ，平均c o d 容积负荷 9 0 3 k ( m 3 d ) 时，c o d 平均去除率可达8 1 4 7 。 近年来，许多学者积极开发生物膜系统的研究，该系统组合了废水生物处理 工艺和膜分离技术。管运涛【2 4 】等采用两相厌氧膜生物系统( m s b ) 处理模拟淀 粉废水，在进水负荷为4 2 4 k g c o d ( m 3 d ) 的情况下，系统c o d 去除率达到9 7 2 ， 并有一定的总氮去除率。 2 好氧生物法 好氧生物处理法可分为活性污泥法和生物膜法两类。活性污泥法本身就是一 种处理单元，它有多种运行方式。生物膜法有生物滤池、生物转盘、生物接触氧 化池及生物流化床等。氧化塘和土地处理法( 自然生物处理) 中，氧化塘有好氧 塘、兼性塘、厌氧塘和曝气塘等；土地处理法有灌溉法、渗滤法、浸流法及毛纫 管净化法等【2 5 】。 活性污泥法是利用悬浮生长的微生物絮体好氧处理有机废水的生物处理方 法，这种生物絮体叫活性污泥。活性污泥是由具有活性的微生物( 包括细菌、真 菌、原生动物和后生动物等) 、微生物自身氧化的残留物、吸附在活性污泥上不能 生物降解的有机物和无机物组成。其中，微生物是活性污泥的主要组成部 4 硕士学位论文 分，而细菌是活性污泥在组成和净化功能上的中心，是微生物的主要成分。活性 污泥法能够去除废水中的有机物，是经过吸附、微生物代谢、凝聚和沉淀三个过 程完成的。 陈勇【2 6 】等采用物理生物接触氧化氧化塘法串联处理工艺对废水进行治理，处 理效果明显，处理后废水中的主要污染物( p h ，c o d ，b o d ，s s ) 均达到了g b 8 9 7 8 8 8 二级标准。雷筱芬【2 7 l 用生物氧化塘处理淀粉厂废水，c o d 去除率可达9 3 。 另外，由淀粉废水水质的特点所决定，单一的处理方法不一定能够得到理想 的处理效果，因此，一些学者研究开发出厌氧好氧组合工艺对淀粉废水进行了处 砸【2 8 2 9 】 j 土o 1 2 5 生化综合法 一般来讲，运用单一处理方法的较少，多数时候是将各种方法相结合，使 各种方法的优缺点相互补充，进一步提高处理效率。 例如：黄甫浩等f 3 0 l 采用u a s b 反应器曝气氧化塘混凝沉淀组成的系统对玉米 淀粉废水处理工艺进行了研究。结果表明，在3 7 3 8 范围内u a s b 反应器以 8 k g c o d i ( m 3 - d ) 的负荷运行时，c o d 可降解到1 0 0 m g l 以下，s s 可降到8 0 m g l 以下。 另有一家小麦淀粉厂【3 1 】，每年产淀粉2 3 0 0 t ，日排废水4 0 t ，经研究采用厌氧塘 水生植物塘水生动物塘排河工艺流程处理废水，既降解了水中的有机物而且种 植的水生植物及饲养的水生动物又可创造经济效益，节省1 0 万元排污费的同时， 还解决了企业一部分富余人员的安置问题。 1 2 6 光合细菌法 淀粉废水的处理方法中另一类运用较多的方法就是应用光合细菌。光合细菌 ( p h o t o s y n t h e t i cb a c t e 血，简称p s b ) ，是能在厌氧条件下进行不放氧光合作用的 细菌总称，用于净化有机废水的光合细菌主要是红假单胞菌属，它能利用有机物 作为光合作用的碳源和供氢体，并能耐受高浓度的有机物，分解并将他们除去。 本世纪七十年代，日本的小林正泰等经实验研究揭示了光合细菌的重要作用，以 后人们开始大量运用光合细菌处理高浓度有机废水。利用p s b 处理有机废水，不仅 去除率高而且节省能耗，投资省，占地少，菌体污泥还对人畜无害，是富含营养 的蛋白饲料。因此，p s b 法是一种非常有前途的净化高浓度有机废水的处理技术。 王宇新【3 2 j 利用光合细菌连续处理工艺，在适宜的条件下进行淀粉废水处理的 中试研究，中试系统处理能力为4 m 3 d ，c o d 最大容积负荷6 7 1 k ( 一d ) ，c o d 去 除率为9 5 7 。 但光合细菌处理有机废水也存在不足：1 需要不断的添加新鲜菌体；2 菌体细 胞自然沉降困难，需用离心机或化学絮凝剂来收集：3 最终b o d 值在2 0 0 m g l 左右， 光合细菌( p s b ) 膜法工艺处理高浓度淀粉废水 一般不能达到直排标准，还需要其他方法进一步处理才能排放。 1 2 7 淀粉废水的资源化回收技术 淀粉废水中含有丰富的营养物质，如能从淀粉废水中回收有用物质，既变废 为宝，综合利用，又能减小废液处理的费用。 1 3 课题研究目标、研究内容和拟解决的关键性问题 1 3 1 课题研究目的 1 研究挥发性有机酸( v o i 撕l ef a 时a c i d ，简称v f a ) 达到最大值时的最佳水解 酸化时间； 2 寻找一种有利于光合细菌生长挂膜的填料，使其在废水处理过程中成为优势 种群，从而提高光合细菌对废水的处理效果； 3 对废水进行进一步的深度处理。 1 3 2 研究内容 1 通过对不同配比的淀粉废水与生活污水在水解酸化预处理过程中c o d 和 v 】1 a 等指标的测定，来确定最佳水解酸化时间； 2 在p s b 段，研究光合细菌在不同填料上的挂膜情况、光合细菌在污水中的 数量以及废水的c o d 去除率来选择光合细菌段的填料； 3 为了保证出水c o d 可以达到废水的排放标准。在p s b 段的出水中加入不同 种类的絮凝剂，根据其对废水c o d 的去除率选择合适的絮凝剂。 1 3 3 拟解决的关键性问题 1 控制水解酸化段的反应时间，使得v f a 达到最大值； 2 使光合细菌可以充分的在填料上挂膜，从而提高其对高浓度淀粉废水的处理 效果； 3 选择合适的絮凝剂，进一步提高废水的处理效果。 1 4 课题的创新性 1 在高浓度淀粉废水的水解酸化段加入1 0 的生活污水，增加废水中微生物 的生物多样性，提高废水的水解酸化效果； 2 在光合细菌膜反应器中使用了新的填料，使其在填料上容易挂膜，提高光合 细菌对高浓度淀粉废水的处理效果； 6 硕士学位论文 3 出水中投加絮凝剂聚合硫酸铁溶液，保证出水达到排放标准。 光合细菌( p s b ) 膜法工艺处理高浓度淀粉废水 第2 章光合细菌处理废水的概述 2 1 光合细菌的概念和分类 光合细菌a p h o t o s ”l 甜cb a c t i 嘲a ，简称p s b ) 是地球上最早出现的具有原始 光能合成体系的原核生物，属于水圈微生物的一种。按照伯杰氏细菌鉴定手册 第八版归属于红螺菌目的p s b 能在厌氧条件下进行光合作用，且不释放氧气【3 3 1 。 光合细菌是一种以光为能源，以二氧化碳或有机物为碳源，进行不产氧光合作用 的水圈微生物。细胞呈圆形、杆形、或螺旋形，常见有红色、橙色，广泛分布于 自然水域厌气层上部，在富含有机质的污水中生物量一般可达1 0 5 1 0 7 个菌体 n l l 。光合细菌的光合作用是利用体外可氧化的硫化物、醇类、脂肪酸等作为氢体 去还原c 0 2 【3 4 3 卯，在不同的自然环境下它能表现出不同的生理生化功能，如固氮、 固碳、脱氢、硫化物氧化等。这使得光合细菌在自然界的c 、n 、s 循环中发挥着 重要作用1 3 6 1 。 光合细菌以分子氢、还原性硫化物或有机物为电子供体，通过细菌叶绿素 ( b a c t e r i o c m o r o p l d l s ，简称b c l d ) 固定光能。与植物和藻类不同的是光合细菌所 用的电子供体不是水分子，所以光合作用的过程不产生氧气。光合细菌主要有内 硫紫色硫细菌( p u 坤1 es u l 矗j rb a c t e r i a ) 、外硫紫色硫细菌( p u r p l es u l 矗l rb a c t e r i a ) 、 紫色非硫细菌( p 岬l en o ns u l 鼬b a c t e r i a ) 、含菌绿素g 细菌( b a c t 耐aw i t i lb c l dg ) 、 绿硫细菌( g r e e ns u l 缸b a c t e r i a ) 、多细菌绿丝菌( m u l t i c e l l u l a rf i l 锄e n 幻吣g r e e n b a c t e r i a ) 和含菌绿素好氧菌( a e r o b i cc h e i n o t r o p l l i cb a c t e r i a 诵mb c l l l ) 。光合细菌 具有光能和化能两种能量利用方式。其营养方式即可为自养型也可为异养型。c 0 2 和有机物都可作为光合细菌生长的碳源。光合细菌对有机物的利用能力按照绿色 硫细菌、紫色硫细菌、紫色非硫细菌顺序增强。 自2 0 世纪8 0 年代以来，以光合细菌为主要活性菌的p s b ，被应用于多种高 浓度有机废水的处理，并逐步认识到菌体的营养价值及一些特殊的生理活性，被 广泛应用于生态环境及人类生活方面，如食品、保健品、药品，用于净化水质、 鱼虾养殖、禽畜饲养，作为有机肥料以及清洁能源等【3 l3 8 1 。p s b 的研究与开发日 益受到世界各国的关注，但对其通过在生物毛刷上挂膜来处理高浓度淀粉废水的 研究并没有发现。本文对光合细菌在生物毛刷填料上挂膜来处理高浓度的淀粉废 水各段工艺条件，水利停留时间及处理效果进行了研究。从微生物生态学角度对 光合细菌膜法工艺处理高浓度淀粉废水的机理进行初步探讨。 8 硕士学位论文 2 2 光合细菌的基本特性与应用价值 2 2 1 光合细菌的基本特性 光合细菌均为革兰氏阴性细菌，菌体呈球形、卵圆形、杆状、半环形或螺旋状。 大部分单个存在，仅有红螺菌属等少数菌菌体细胞间有细丝相连，形成链状丝状 体，有些菌种的细胞形态亦随着培养条件和生长阶段的不同而发生变化。细胞大 小通常为o 6 0 7 l0 1 0 岬。多数光合细菌以鞭毛运动，亦有滑行运动和不运动者。 光合细菌细胞内存在以细胞膜内折形成的囊状载色体，其中包含细胞色素和色素。 色素主要有细菌叶绿素a 、b 、c 、d 、e 、g 和多种胡罗卜素。不同种类光合细菌因 其所含色素的种类和组成的差异而显示不同的菌体颜色，如桔黄色、紫菜色和各 种不同的红色，有的还呈绿色。有些菌种在细胞内形成气泡，但在一定的培养条 件下气泡又会消失。有的种类还有夹膜，少数种细胞内还存在有质粒。 光合细菌主要以二分分裂繁殖，少数属或种以芽殖或三分分裂繁殖。 2 2 2 光合细菌的细胞化学成分 从表2 1 中可见，光合细菌的细胞成分优于酵母和其他种类。经分析，光合细 菌菌体中含有多种必要氨基酸，且多数高于酵母的含量。光合细菌辅酶q ，o 的含量 尤其高。近几年国外纷纷报道发现辅酶q 具有多种生理功能，包括明显提高人和 动物的免疫能力。菌体内还含有较高浓度的类胡罗卜素且种类繁多，迄今已从光 合细菌中分离出8 0 种以上的类胡罗卜素，并不断有新的报道。除此之外，细胞内 还含有碳素储存物质糖原和聚p 羟基丁酸。 表2 1 光合细菌与其他生物主要成分的比较 9 光合细菌( p s b ) 膜法工艺处理高浓度淀粉废水 单位：蛋白质- 灰分：，维生素b 2 一辅酶q ：烬倌 2 2 3 光合细菌生理特性 不产氧光合细菌是代谢类型复杂，生理功能最为广泛的微生物类群。各种光合 细菌获取能量和利用有机质的能力不同，它们的代谢水平随环境变化而发生改变， 见表2 2 。 表2 2 光合细菌生理学特性 特征红螺科着色科外硫红螺科绿菌科绿曲菌科 光合作用中 电子供体 主要碳源 对氧的要求 在黑暗有机 化合物中发酵 厌氧呼吸 需氧呼吸 化学自养 所需生长因子 有机化合物h 2 、h 2 s 、s 有机化合物h 2 、h 2 s 、s 2 0 3 玉 有机化合物 h 2 、h 2 s 等h 2 、h 2 sh 2 s 、s 2 0 3 厶 有机化合物有机化合物有机化合物有机化合物有机化合物 c 0 2c 0 2c 0 2c 0 2c 0 2 兼性需氧和严格厌氧和兼性需氧和严格厌氧兼性厌氧 微好氧兼性需氧兼性厌氧 有 一 有无 一 有 一 有 有有有 无有有 光照下厌氧生长b 1 2 或无b 1 2 或无 需复合生长因子 无 一 无有 无无 b 1 2 或无b 1 2 、b l 、b 2 叶酸、泛酸 为只有少数种具有的特性 从表2 2 可见光合细菌中从营养类型看包括光能自养型、光能异养型及兼性营 养类型；从呼吸类型看包括好氧、厌氧和兼性厌氧的不同类型。值得一提的是， 红螺菌科的细菌在光照好氧下可进行光合异养生长，在好氧、黑暗或光照条件下 可进行化能异养生长。其中某些菌株还能还原硝酸盐而发酵生长。 光合细菌不仅能在厌氧光照下利用光能同化c 0 2 ，而且还能在某些条件下进行 固氮作用和在固氮酶作用下产氢。另外，有些菌种在黑暗厌氧下经丙酮酸代谢系 统作用也可产氢。光合细菌还能利用许多有机物质如有机酸、醇、糖类转化有毒 物质如h 2 s 和某些芳香族化合物等。 1 0 硕士学位论文 光合细菌在1 0 4 5 温度范围内均可生长繁殖，最佳温度在3 0 4 0 。绝大 多数光合细菌的最佳p h 值范围为7 o 一8 5 之间。钠、钾、钙、钴、镁和铁等是光 合细菌生理代谢中的必需元素。 2 3 光合细菌的应用现状 2 3 1 光合细菌的营养价值 光合细菌营养丰富。细胞干物质中蛋白质含量高达6 0 以上，比目前生产的 单细胞蛋白酵母的含量高。与牛奶、鸡蛋蛋白相比，其蛋白质氨基酸组成齐全， 因而被认为是一种优质蛋白源。光合细菌还含有多种维生素，尤其是b 族维生素 极为丰富，1 2 、叶酸、泛酸、生物素的含量远高于酵母。此外，还含有大量的 类胡萝卜素、辅酶q 等生理活性物质。因此，光合细菌具有很高的营养价值，在 水产和畜禽养殖上有着很高的应用价值。 2 3 2 光合细菌在养殖业上的应用 光合细菌菌体由于富含多种营养成分且比例较适宜，应用于畜禽水产业，具有 明显的增产效果、一定的增色作用及增强机体抗病力的作用，尤其在养鸡方面效 果十分显著。 光合细菌在水产养殖中的应用研究十分广泛，且效果都是肯定的，其中许多已 大面积应用。光合细菌在水产养殖中可在以下六方面应用：1 作为水产养殖对象乳 化期开口饵料或初期饵料，可提高养殖对象的成活率；2 作为养饵料的蛋白源，可 调高养殖对象的产量；3 作为培养动物性浮游生物的饵料；4 用于防治病害；5 利 用光合细菌中含有的类胡罗卜素使水产品体色得到改善；6 改善和稳定养殖水鱼的 水质。 2 3 3 光合细菌在作物生长上的应用 自然界中，光合细菌在碳、氮固定和土壤中的硫循环中都担负重要角色。光合 细菌在自然界中与其他菌类广泛共生关系，并大大提高了其固氮、固碳能力。它 在改善土壤化学性质、提高土壤肥力、抑制病原微生物生长、改善植物营养和促 进植物生长等方面均有重要作用。 光合细菌在水稻生产上应用效果表现在以下几个方面：1 光合细菌明显促进稻 田土壤中的细菌、放线菌等微生物生长；2 光合细菌增殖分泌的氨基酸、核酸等活 性物质促进水稻根系生长，对叶片生长、花芽形成、稻粒的形成及干物质积累也 有显著作用：3 光合细菌能去除稻田中积累的硫化氢、分解土壤中胺及降解一些残 留的化学农药；4 光合细菌能为水稻提供氮素营养。 光合细菌( p s b ) 膜法工艺处理高浓度淀粉废水 2 3 4 光合细菌在食品、化妆品、医药保健业中的应用 光合细菌富含类胡萝卜素，为重要的微生物来源的天然红色素。迄今已发现 光合细菌的类胡萝卜素有8 0 多种，该色素无毒，色彩鲜艳、亮泽，并具防水性， 因而很适用于食品、化妆品等工业中作为着色剂，在医学业中也具有广泛应用前 景。利用光合细菌发酵生产类胡萝卜素的研究已普遍引起重视。 2 3 5 光合细菌在开发新能源中的应用 氢作为一种理想而无污染的未来能源日益受到人们的关注。生物制氢是开发 新能源的一个方向，欧美、日本等均在研究和开发生物制氢技术。我国近几年也 有这方面的报道。光合细菌的许多种类在代谢过程中都能释放氢气。目前研究较 多的是深红红螺菌( 砒l o d o s p i r i l l 哪n i b 咖) ，其产氢量高达6 5 m u ( h l )，比蓝 细菌产氢量高1 倍多。利用该菌固定化细胞产氢量高达2 0 i 】刖( h l ) ，气体组成中 h 2 占7 0 7 5 。可见光合细菌具有产氢速率高、产生的氢气纯度高等特点。 2 4 光合细菌法处理有机废水原理和方法 2 4 1 光合细菌法处理有机废水的原理 光合细菌的共同点是体内具有光合色素，在厌氧、光照条件下进行光合作用， 其中红螺菌科( p h o c l os p i r i l l a c e ) 的大多数种属能够利用有机物作为供氢体。p s b 对有机物的处理可表示为【3 9 】： c 0 2 + 2 h 2 a 一( c h 2 0 ) + h 2 0 + 2 a 有机物茵体 光合细菌的结构和物质能量的代谢是使其能在有机废水处理中大展身手的根 本原因。研究表明，p s b 既不像好氧的活性污泥茵胶团细菌那样受污水中氧浓度 的限制，可以利用光能进行高效的能量代谢，即使微弱的光照也能进行；又不像 严格厌氧的甲烷细菌等对氧存在的高度敏感，它可以在有氧条件下分解有机物， 通过氧化磷酸获得能量。这种随生长条件的变化而灵活的改变代谢类型的特性是 光合细菌能处理高浓度有机废水的主要原因。另外，许多高浓度有机废水中的b o d 在生物降解的第一阶段常有大量低级脂肪酸产生，其中浓度较高的已酸、丙酸等 对大多数好氧微生物有较强的抑制作用，而红螺菌科中的多数种群却在已酸与丙 酸5 ：l 比例时具有最大的增值速率。p s b 法正是根据上述原理而建立的一个处理 高浓度有机废水的人工生态系纠加】。 6 0 年代日本科学家观测到高浓度的有机废水在自然界进化过程中出现微生物 生长演替的规律，见下图2 1 ，其生长顺序为：1 有机营养性的微生物的繁殖；2 1 2 硕士学位论文 光合细菌的繁殖；3 藻类的繁殖。 有机营养性的微生物的繁殖 光合细菌的繁殖 藻类的繁殖 研究发现，在b o d 大于l o o o o m l 的污水中，异养菌首先开始大量繁殖，把 高分子的碳水化合物、脂肪、蛋白质分解，产生低级脂肪酸等小分子物质。然后 异养茵数目慢慢减少，以低级脂肪酸等小分子有机物为营养物质的光合细菌大量 繁殖，将b o d 降至1 0 0 0 m l 以下。约两周后，光合细菌的数量渐渐减少，被活 性污泥微生物和绿藻代替，同时进一步将b o d 降至3 0 m l 以下。现今国内外普 1 3 光合细菌( p s b ) 膜法工艺处理高浓度淀粉废水 遍研究的p s b 法就是人工模拟自然界有机污水生物净化过程中发现的这一微生物 生态的演替规律，给予适当的条件，充分发挥光合细菌净化水质功能的一种方法。 其主要处理流程如下： 高浓度分子有机物墼低级脂肪酸气 浓度有机物 藻类或活性污泥 脱水净化 由高分子有机物转化为低分子物质这一步，称为可溶化处理。处理过程中要 特别注意基质的可溶化和保持系统中p s b 的优势，同时还要注意加大接种量，经 常补充菌体和适当加入锰、铁等金属离子。由于p s b 对紫外线不敏感且耐1 m 叽 的余氯，尽可能减少处理过程中的杂菌量十分必要。 2 4 2 光合细菌法处理高浓度有机废水的应用现状 2 0 世纪7 0 年代日本小林正泰提出用p s b 处理有机废水工艺，并成功应用于 粪尿、食品、淀粉、皮革、豆制品加工的废水处理。此后，各国运用p s b 法处理 有机废水的研究相继展开，在韩国已建成了日处理6 0 0 t ，处理b o d 5 高达3 0 0 0 0 m 班 酒精废水的处理厂【4 3 州。国内近几年来在p s b 处理废水方面的研究及应用也取得 了一些成果，在对高浓度合成脂肪酸废水、肉类废水【4 5 1 、豆制品废水【矧、牛粪尿 废水【4 7 1 、酒糟废水以及柠檬废水【4 8 】等的处理方面均取得了良好的效果。由于光合 细菌处理有机废水时，去除率高( 9 0 9 8 ) 而受到广泛关注。 表2 3 为光合细菌在不同条件下对不同废水的处理效果介绍： 表2 3 光合细菌处理不同废水的处理效果 n b 2 3e 虢c to fp s b p r o c 懿si i lw a s t e w a t i e r 仃l 斌m e n t 光照厌氧粪便污水 b o d 5 8 0 2 03 2 09 62 光照好氧麦杆造纸黑 b o d 5 4 0 5 03 9 79 0o 7 液 光照微好氧制革废水c o d 8 0 2 07 0 89 l2 1 4 微氧可溶 化 厌氧酸化 预处理 软性纤维 填料，间歇 曝气可溶 化 化学混凝 硕士学位论文 光照微好氧淀粉废水c o d1 6 7 9 4 1 0 5 89 41 1 2 预处理，中 试 光照微好氧丙酮订醇发c o d5 6 0 0 8 4 08 56 7 化学混凝 酵废水预处理 光照微好氧糖蜜酒精发 b o d 56 2 8 1 2 2 4 3 99 66 6u a s b 可溶 酵废水化，中试 半光照微好鱼肉罐头废b o d 51 2 2 5 0 3 2 59 73 1 微氧可溶 氧水化 半光照微好屠宰废水c o d1 2 1 0 0 2 5 09 83 3 微氧可溶 氧化 半光照微好酵母工业废 b o d 5 1 1 2 0 0 1 9 59 81 9微氧可溶 氧水化 半光照微好油脂厂废水c o d1 3 2 5 05 2 6 9 62 6 5微氧可溶 氧化 半光照微好金霉素发酵b o d 52 1 5 5 3 1 0 7 89 52 4厌氧可溶 氧废液化 微好氧苯甲酸废水c o d3 3 2 8 2 3 59 33 3无可溶化 微氧可溶 微好氧酒糟废水c o d2 2 4 0 0 1 2 4 79 43 7 化，弹性立 体填料 微好氧豆制品加工c o d1 0 5 0 0 3 9 59 65 3 曝气可溶 废水化 黑暗微好氧 家畜废水b o d 51 0 8 9 0 7 1 99 33 6曝气可溶 化 黑暗好氧柠檬酸废水c o d2 5 0 0 0 1 4 5 09 45 4 微好氧可 溶化，中试 好氧淀粉工业废c o d3 9 6 0 1 6 59 60 9 9微氧可溶 水化 好氧造纸废水b o d 5 1 2 0 02 0 48 3o 3填料，酸化 预处理 由表5 可以看到，光合细菌能在多种环境条件下高效净化高浓度有机废水，并可 承受较高的有机负荷【4 2 1 。 光合细菌( p s b ) 膜法工艺处理高浓度淀粉废水 2 4 3 光合细菌处理有机废水的优缺点 光合细菌处理城市污水代表污水处理的一个新方向，它具有“三低 【4 9 】( 低 投资、低费用、低管理水平) 的特点。与传统的活性污泥等方法相比，光合细菌 是一种利用兼性厌氧和兼性异养的光合细菌进行废水生物处理的新技术。p s b 处 理工艺在一定程度上吸收了他们的优点。因而在处理高浓度有机废水中显示了一 定的技术优势，具有较大的发展前途。其优点表现在：1 光合细菌既能在好氧、黑 暗条件下生长，又能在厌氧、光照下生长，在高浓度废水处理中表现为废水无需 稀释、氧的需求不高、动力消耗大大降低；2 光合细菌有效的利用醋酸、丙酸、丁 酸、琥珀酸、乳酸、苹果酸等挥发酸唧一1 】；3 光合细菌段可获得大量合成污泥， 这种污泥已被证明含有大量菌体蛋白，具有很大的应用前景【5 2 1 ；4 光合细菌的一些 种类具有反硝化活性和积磷的特性f 5 3 蚓，因此可以获得较好的脱氮和除磷效果； 5 设备规模小，占地面积小( 仅为活性污泥法的l “1 5 ) ，一次性投资费用少： 6 除氨效果好，耐盐能力强；7 管理简易，受季节影响小，且不会产生活性污泥那 样的膨胀现象。 但光合细菌处理有机废水也存在不足：1 需要不断的添加新鲜茵体；2 菌体细 胞自然沉降困难，需用离心机或化学絮凝剂来收集；3 最终b o d 值在2 0 0 m 班左 右，一般不能达到直排标准，还需要其他方法进一步处理才能排放。但在同样成 本费用条件下，根据废水的性质，将p s b 法用于厌氧消化之后或用于活性污泥法 之前，都可提高其处理效率和出水效果。 2 4 4 影响光合细菌处理有机废水的因素 1 光照强度 随着光照强度增加，光合细菌的活性提高，处