（环境科学专业论文）普通小球藻对味精废水的净化及其资源化研究.pdf

a b s t r a c t t h i sp a p e rs t u d i e st h eh e t e r o t r o p h i cc u l t u r e ( h c ) o fc h l o r e l l av u l g a r i si nm o n o - s o d i u mg l u t a m a t e ( m s g ) w a s t e w a t e r ，a n dt h em s gw a s t e w a t e rd e g r a d a t i o nb yh c a n dm i x o t r o p h i cc u l t u r e ( m c ) c h l o r e l l av u l g a r i s f r o mt h ep e r s p e c t i v eo fb i o m a s s a n dp i g m e n tc o n t e n t si nc h l o r e l l av u l g a r i s ，w em a k et h ee v a l u a t i o na n do u t l o o ko ft h e p r o p e c t so fc h l o r e l l av u l g a r i s sr e s o u r c e s r e u s e i nt h ee x p e r i m e n to ft h eh e t e r o t r o p h i ct r a n s f o r m a t i o no fc h l o r e l l av u l g a r i si n m s gw a s t e w a t e r f i r s to fa l l ，w es t u d yt h eh e t e r o t r o p h i cc u l t u r eo fc h l o r e l l av u l g a r i s i nt h es em e d i u m , a n di n s p e c t e dt h eg l u c o s ep l u sd o s a g ea n dt h er i g h ta m o u n to f c o v e r a g e 1 1 1 e r e s u l t ss h o w e dt h a tw h e ng l u c o s ed o s a g ei slo g l ，i n o c u l u m c o n c e n t r a t i o ni s10 ，t h eg r o w t hi n d i c a t o r so fc h l o r e l l av u l g a r i sa r eh i g h e s t s u b s e q u e n t l y , w es t u d yt h eh e t e r o t r o p h i cc u l t u r eo fc h l o r e u av u l g a r i s i nd i f f e r e n t c o n c e n t r a t i o n so fm s gw a s t e w a t e r t h er e s u l t ss h o w e dt h a tc o n c e n t r a t i o n so f w a s t e w a t e ra r en o tt o oh i g ho rt o ol o wf o rt h ec h l o r e h ah e t e r o t r o p h i c a l l y a tl a s t , d e t e r m i n e dt h eb e s tc o n c e n t r a t i o n so fm s gw a s t e w a t e ri s3 0 i nt h ee x p e r i m e n to ft h em s gw a s t e w a t e rd e g r a d a t i o n , w ei n s p e c t e dt h em s g w a s t e w a t e rd e g r a d a b i ! i t ya n dg r o w t ho fc h l o r e l l av u l g a r i sb ym e a s u r i n gw a t e rq u a l i t y a n dc h l o r e l l av u l g a r i sg r o w t hi n d i c a t o r sa td i f f e r e n tp r o c e s s i n gt i m e t h e ni n d 印m a n a l y s i s o ft h er e l a t i o n so fc h l o r e l l av u l g a r i sg r o w t ha n dm s gw a s t e w a t e r d e g r a d a b i l i t y n er e s u l t ss h o w e dt h a tt h em c c h l o r e l l av u l g a r i si sb e t t e rt h a nt h eh c c h l o r e l l av u l g a r i sa tt h ee f f e c to fm s gw a s t e w a t e rd e g r a d a t i o n t h eb e s tp r o c e s s i n g t i m ei s7 d ，a n di nt h i se x p e r i m e n t ，t h em cc h l o r e l l av u l g a r i s sm a xr e m o v a lr a t e so f c o d c r ，b o d 5a n dn h 3 - nr e a c h8 5 7 ，8 9 6 a n d51 9 c h l o r e u av u l g a r i si sv e r yv a l u a b l e r e s o u r c e su s eo fc h l o r e l l av u l g a r i sh a sal o t o fw a y s ，t h i sp a p e rm a i n l ye x p l o r ei t sr e s o u r c ev a l u ef r o mb i o m a s sa n dp i g m e n t c o n t e n t b yc a l c u l a t i n g ，i nt h ee x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s ，t h em c c h l o r e l l av u l g a r i si s b e t t e rt h a nt h eh cc h l o r e l l av u l g a r i sa tt h eb i o m a s sa n dp i g m e n tc o n t e n t t h ec o n t e n t o fc h l o r o p h y l l ，c a r o t e n o i da n dl u t e i ni nm cc h l o r e l l av u l g a r i sr e a c h e s3 5 ，0 6 9 a n d0 4 4 k e yw o r d s ：m o n o s o d i u mg l u t a m a t e ( m s g ) w a s t e w a t e rc h l o r e l l av u l g a r i s h e t e r o t r o p h y m i x o t r o p h y r e s o u r c e sr e u s e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其它人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞洼太堂或其它教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学雠文储虢觚犟、签字吼叫年1 1 月玄日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞洼太堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞洼太堂可以将学位论丈的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字日期m 平 氧埂国黏 导师签名： 彳月g 日 签字睨抽7 年7 月寥日 第一章绪论 第一章绪论 我国是一个水体污染严重的国家。近年来随着经济的高速发展，各种工业、 农业废水大量产生，而对应的防污、治污体系建设相对滞后，致使目前我国的水 污染问题十分严峻。保护环境，治理污染已经迫在眉睫。 味精在我国是一种被广泛使用的食品增鲜剂，味精生产是我国发酵工业的主 要行业之一。我国是味精的生产和消费大国，约占世界产量的一半。据2 0 世纪 8 0 年代初期统计，我国味精产量为5 万妇，高浓度味精废水的排放量为1 2 5 万 t a ；至2 0 世纪9 0 年代，我国味精产量增至5 5 万t a ，高浓度味精废水排放量达 到了1 4 0 0 万t a 【lj 。近几年，据调查全国大部分味精生产厂家由于资金缺乏、技 术落后，生产产生的味精废水未经处理或只经过简单处理便直接排放，造成了严 重的环境污染。在众所周知的淮河流域污染问题中，味精废水便是仅次于造纸废 水的第二大污染源。因此研究经济、高效的新处理工艺是当前味精工业发展和环 境保护中亟待解决的课题。另外，一种先进的废水处理工艺不仅能带来环境效益， 还可以带来经济效益。所以，找出一种经济、高效、简单、易行的味精废水处理 工艺，不仅可以大大减轻味精废水给环境污染带来的压力，还可以促进味精工业 的发展，并为其它高浓度有机废水的治理提供参考价值。 1 1 味精废水的来源和主要成分 味精生产分为水解法、合成法和发酵法三大类，我国味精基本上以淀粉质和 糖质原料( 如大米、淀粉、糖蜜) 通过发酵法生产。目前流行的味精生产工艺是 以淀粉质为原料进行发酵生产。淀粉质原料水解为葡萄糖，以谷氨酸发酵菌生产 谷氨酸，再经碱中和得谷氨酸钠结晶【2 j o 在味精生产工序中，废水主要来自于浸 泡、过滤、发酵和离交等四个工序。 味精生产废水外观呈黄褐色，它主要来源于提取味精后的发酵废液，浓缩结 晶遗弃的结晶母液，以及各种洗涤、消毒废水。一般每生产1 吨味精约有2 0 - - , 2 5 吨发酵废液排出。发酵废液中含有2 5 的湿菌体及蛋白质等固形物( 菌 体富含蛋白质、脂肪、核酸等营养物质) ，含有k + 、n a + 、n m + 、m 9 2 + 、c a 2 + 、 f e 2 + 、c 1 、s 0 4 厶、p 0 4 3 等无机盐，消泡剂、色素、尿素、各种有机酸，小于1 的其它氨基酸，0 6 - - 0 8 的n h 4 + ，残糖( 小于1 ) ，以及1 1 5 的味精， 第一章绪论 此外还含有o 0 5 0 1 左右的核苷酸类降解产物。 由于提取方法及原料不同，废液的性质与废水水质也有不同。一般情况下， 废液c o d 高达6 0 - 8 0 9 l ，b o d 5 高达3l 5 0 9 l ，谷氨酸1 1 5 ，悬浮物 1 7 1 8 9 l 3 1 。并且味精废水的水质具有“五高一低”的特点：即高酸性，高c o d ， 高b o d 5 ，高硫酸根，高菌体含量，低温的特点。因此说味精废水为有害无毒的 高浓度有机酸废水。 1 2 味精生产废水处理技术概况 随着人们对环境污染问题的日益重视，为了治理味精废水对环境的污染，国 内外对味精废水的治理技术开展了大量的研究工作，取得了许多新进展。我国从 2 0 世纪7 0 年代末就开始研究味精废水的处理方法，但至今仍然没有获得很大的 突破，问题的关键在于近年来，我国的味精生产厂家为了降低生产成本，在味精 的生产工艺中纷纷改用硫酸调节等电点，使得生产废水中增加了高浓度的硫酸根 离子，虽然硫酸根离子本身无毒，但它是味精废水生物处理中的不利因素，这又 给已经比较成熟的厌氧处理工艺带来了新的困难。因此，研究新的味精废水处理 技术显得极其重要。 1 2 1 物化法 罗平【4 】采用絮凝法以自制的新型无机高分子絮凝剂聚硅硫酸铁( p f s s ) 对味 精废水进行了絮凝烧杯实验，表现出优良的絮凝性能，p f s s 的最佳投药量为 2 0 m g l ，最适p h 值为7 5 - - - 8 0 ，在此条件下p f s s 对味精废水的c o d 去除率远 远高于p f s 和p a c ，可达6 8 以上，浊度去除率为8 9 7 。钱鸣1 5 】采用国际上权 威机构确认为食品级添加剂的w p 5 3 混凝剂进行味精废水处理，可去除废水中 6 7 8 的c o d 、4 4 8 s s 、2 8 n h 3 n ，混凝回收的副产品菌体蛋白可作为饲料 添加剂，符合国家有关的行业标准。黄民生【6 】等采用聚丙烯酸钠作为主要混凝剂、 木质素作为助凝剂、天然沸石作为吸附剂预处理味精浓废水，取得了十分好的效 果。预处理过程c o d 、s s 、硫酸根的去除率分别达到6 9 、9 1 和4 3 。 黄国林【7 j 等应用吸附法处理味精废水。以活性炭作为味精废水动态吸附处理 试验的吸附剂，发现每千克活性炭最大可吸附处理6 0 - - 8 0 l 废水，c o d 的去除 率达5 0 - 6 0 ，活性炭可以2 0 的硫酸溶液浸泡再生，循环利用。 李丽【8 】等运用离子交换技术，通过四只串联的离子交换柱处理味精废水，可 使味精得率提高4 5 ，废水c o d 减少2 5 6 。 杨晔，孙振世【9 j 利用无机改性膨润土预处理味精废水，采用无机化合物活化 2 第一章绪论 膨润土合成无机改性膨润土，并将其用于味精废水预处理，回收废水中的有机物。 结果表明：利用7 5 m g g 的改性剂n a 2 c 0 3 和k 2 h p 0 4 可合成具有较高处理效果 的无机改性膨润土，它与2 0m g l 聚丙烯酸钠联合处理高浓度味精废水，c o d c ， 和谷氨酸菌体的去除率可达5 8 2 和8 7 6 ，同时回收的沉淀物中粗蛋白质量分 数达0 4 6 8 。 日本、韩国、泰国、法国以及台湾等国家和地区，味精生产废水处理多采用 浓缩法。这种方法比生化法处理更具经济技术的合理性。比如日本协和发酵公司 曾采用离子交换法和盐酸法提取谷氨酸，产生的废水很难治理达标。现在改用浓 缩等电法，将谷氨酸发酵液高速离心除菌体后，进行发酵液的清液浓缩，然后用 等电法提取谷氨酸。废液进一步浓缩处理，综合利用，制造饲料或有机肥料，从 而完全消除污染。这种生产工艺的改变标志着国外对于发酵工业产生的有机废水 已经从生化处理转向浓缩处理。欧盟环保法规定，发酵工业废水必须进行浓缩处 理，浓缩处理回收的干固物进行综合利用【l0 1 。目前采用浓缩法处理高浓度有机废 水已成为国际发展的趋势，但在中国由于财力、物力有限，采用的多还是生化法 处理高浓度有机废水。 1 2 2 生化法 生化法是在我国应用的时间最长，范嗣最广泛，研究的最多的味精废水处理 工艺。生化法处理味精废水，运行简单、费用较低，但处理效果不能令人完全满 意，不能彻底解决味精废水中的s 0 4 2 。问题，并且不能充分利用废水中许多有用 成分，实现资源化。至2 0 世纪7 0 年代后期开始，我国治理味精废水多半采用化 学除污法或厌氧生物法，这些治理技术多处于小试和中试阶段，其主要方向是利 用好氧生物法和厌氧生物法来处理味精废水。其中，s b r 和u a s b 反应器是目 前在中国应用最为广泛的高效好氧、厌氧反应器。 一 厌氧生物法是在无氧的条件下，利用兼性厌氧菌和专性厌氧菌，对废水中的 有机物进行分解的生物处理方法。郝晓刚、李春】采用屠宰废水培养的颗粒污泥 接种启动中温( 3 5 1 ) u a s b 反应器处理味精一卡那霉素混合废水，c o d 去 除率为7 5 8 0 ，进水c o d s 0 4 2 - 可低至4 5 。丁忠浩【1 2 】等用上流式厌氧污泥 床处理味精废水得出了u a s b 反应器的最佳运行参数，建议运行参数为：进料 c o d5 0 0 0 r n g l ，容积负荷1 0 一- , 1 5 k g c o d ( m 3 d ) ，操作温度为( 3 8 1 ) ， c o d 去除率8 0 。杨琦【1 3 】等采用填充盾式纤维填料和无填料的两u b f 厌氧反应器 进行味精废水处理的对比试验，结果表明在相同情况下，填充盾式纤维填料的 u b f 反应器的有机物去除率、甲烷产率等工艺性能参数均优于无填料的u b f 反应 器。江运通【1 4 】等用厌氧接触工艺处理味精高浓度废水，在最佳工艺参数条件下， 3 第一章绪论 c o d 平均去除率达至t j 9 1 4 ，b o d 5 平均去除率达到9 6 9 ，产气量( 以单位c o d 计) 达到0 4 8 m a k g ，气体中甲烷体积分数为6 5 8 。惠平【l5 】采用工业小规模的厌 氧生物膜反应器处理硫酸法低碳硫比的味精废水。厌氧生物膜工艺是在厌氧反应 器中放置填料，通过污泥的培养和驯化，使其表面附着一层微生物膜( 即挂膜) ， 废水从反应器底部流入，逐渐被微生物水解酸化，转化为乙酸和甲烷，从而使废 水中的有机物得以降解。试验中废水经石灰滤床中和调p h 后流入反应器，当消 化温度为3 8 c ，水力停留时问为1 6d ，c o d 容积负荷为5 2 6k g ( m d ) 时，c o d 去除率达8 4 3 ，s 0 4 2 转化率达6 2 8 ，表观产沼气( 以单位c o d 计) 为0 3 4m 3 l ( g 。在吴金义【l6 】采用两段厌氧消化工艺处理味精废水的试验中，厌氧填充柱装 置( u b f ) 的设计就是按消化池两段进行：第一段以酸化为主，c o d 负荷仅0 8k g ( m d ) ，但硫酸根的去除率达到9 5 以上；第二阶段以产甲烷为主，c o d 负 荷最高可达到1 2 。7 k g ( m d ) ，总c o d 去除率达8 8 9 。 目前国内在应用好氧生物法处理味精废水时，几乎都采用s b r 反应器进行处 理。张鸿华【1 7 】等用s b r 法处理味精废水中有机质的试验结果表明，m l s s 在5 0 0 0 - - - 6 0 0 0m g l 、有机负荷在0 3 - 0 4 k gc o d c r ( k g m l s s d ) 以时，有机质的降解 效果最好，并且两段s b r 法克服了葡萄糖效应，提高了有机质的降解效果。崔延 瑞【l8 】等采用s b r 法处理啤酒废水和味精废水，研究了不同进水方式对s b r 法处理 效果的影响。试验结果表明：味精废水采用非限制曝气进水效果较好，并通过动 力学分析认为：s b r 反应器内的反应在限制曝气进水条件下以推流式进行，在非 限制曝气进水条件下具有完全混合式的特点。孙剑辉【1 9 】等采用s b r 法处理碱法草 浆造纸废水和稀释后的味精废水，废水中的有机污染物得到高效降解，c o d 的去 除率分别达8 0 和9 0 以上，并且发现高浓度的s 0 4 2 。对s b r 处理系统无影响。黄 晓【2 0 】等采用以h c r ( h i g hp e r f o r m a n c ec o m p a c tr e a c t o r ) 为核心的好氧生物处理 ( 接触氧化法为主) 工艺处理南宁味精厂生产废水，结果表明该工艺具有c o d 去除率高、流程简单、基建投资省、不受s 0 4 2 影响等特点。 现在，国内在处理味精废水时，普遍采用的时厌氧一好氧联合处理工艺。厌 氧活性污泥法处理高浓度废水，其容积负荷和c o d 去除率高，抗冲击负荷能力强， 因此能减少稀释水量并能大幅度去除c o d ，可以降低基建、设备投资和运行费用。 但厌氧微生物对有机物的不彻底分解又使其出水很难达标。好氧活性污泥法能弥 补这一缺陷，因为它是通过活性污泥中的微生物对废水中可溶解有机物的吸附、 吸收和彻底氧化分解作用而实现废水的净化。因此厌氧一好氧联合工艺可兼备二 者的优势，从而能极大地提高了废水处理效率。 李亚东 2 1 1 等经过总结与改进武汉昧全食品有限公司近5 年污水处理工艺、设 备，结果表明：经过增加三级曝气池、罗茨鼓风机等工艺改进，s s 由1 3 2 m g l 降 4 第一章绪论 为11 2m g t , ；n h 3 - n a b11 9m g t , 降为3 7 6 m g l ；a 1 o h m 0 0 1 m g l 降为0 0 0 9 r a g l ； b o d 5 由5 年前的3 4 6 m g l 降为现在的2 1 2 m g i ；c o d 由5 年前的11 7 m g l 降为现在 的6 2 6 m g i , ，运行成本由8 5 0 万降n 4 5 0 万，通过此工艺的改进及优化，基本达到 国家污水排放标准，完全达到行业排放标准。周群英【2 2 j 等采用u b f s b r _ q 2 艺处理 味精浓废水稀释液，按工艺流程连续运作，整套u b f s b r 装置的c o d 和n h 3 一n 的总去除率分别达到了9 9 和9 9 4 。成应向【2 3 j 采用厌氧两段s b r 工艺处理高浓 度味精废水( 不稀释) ，c o d ，s o ：和n h 3 n 去除率分别达到了9 8 ，7 4 3 和 9 9 9 。该流程好氧工艺均采用s b r ，它的问歇运作方式使系统处于缺氧、好氧 环境条件循环更替状态，因而具备很高的脱氮效率。沈连峰【2 4 】等介绍了以水解一 酸化法为主体的味精废水处理工艺的原理、特点和应用中注意的问题。该工艺主 要有蛋白提取、混凝沉淀、水解酸化和接触氧化四部分组合而成。经过3 个多月 的调试运行结果表明：该工艺在治理味精废水方面具有较佳的耐冲击性能，出水 稳定达标，操作运行管理方便，投资成本和运行费用均较低。郑建琴【2 5 】等以改良 型a b 生化法和离交废水苛化脱氨制硫酸铵相结合的工艺处理味精废水，工程实 践结果表明，c o d c , 总去除率为9 2 5 ，n h 3 - n 总去除率为7 0 4 ，处理后出水各 项技术指标均达标，废气n h 3 最大测量值0 2 7 7 m g m 3 ，h 2 s 为0 0 8 9 m g m 3 ，低于 g b l 4 5 5 4 9 3 恶臭污染物排放标准中二级现有企业的的限值要求。许效祖【2 6 1 等用厌氧一好氧法处理味精废水，废水经厌氧( 水力停留1 8 h ) 、稀释( 三倍) 进入好氧( 水力停留1 2 h ) ，生物炭( 水力停留6 6 h ) 处理，c o d 从1 6 2 7 4 8 m g l 下降至l 2 0 8 m g l ，去除率为9 8 7 ，b o d 5 从9 8 0 6 m g l 下降到6 0 m l 以下，出水为 无色、透明、无臭，溶解氧为1 2 m g 1 。沈霖垦【2 7 】等人采用厌氧一好氧二段生物 处理工艺处理味精废水或抗生素和味精生产混合废水，进水c o d 浓度为7 0 0 0 0 - - 9 0 0 0 0 m g t , ，厌氧发酵温度筠，c o d 承受负荷1 8 - - - 2 0 k g c o d m 3 日，c o d 去 除率为9 0 左右，产气率为0 5 2 - - - 0 5 8m 3 l 【gc o d ，b o d 去除率达9 5 以上。 对于应用生化法处理高浓度味精废水，目前在国外比较流行的方法是u a s b 法。利用其较高的生物固体浓度和生物固体活性，可以高效而且低能耗的处理废 水，具有处理负荷大、设备体积小、去除率较高的优点。u a s b 法最初由荷兰的 g l e t t i n g a 博士发明，目前日本在这方面的技术已居领先地位，并且将u a s b 与好 氧生物膜法相结合，形成能有效脱氮的循环体系。 1 3 昧精生产废水的综合利用 味精废水作为一种难处理的高浓度有机废水，含有大量有机物和多种营养 物，直接处理排放不仅处理难达标会严重污染环境而且还会浪费许多有用的物 第一章绪论 质，这直是困扰我国味精生产企业的一大难题。将废水资源化，不仅可以解决 味精处理难的问题，更重要的是可以帮助味精厂解决每年投入大量人力、物力、 财力处理味精废水却得不到回报的问题，增加企业的收益。因此说废水资源化是 我国味精企业可持续发展的最佳战略。近年来，我国的科研人员的研究重点已经 从单纯的利用生化手段处理味精废水转到味精废水的资源化和清洁生产相结合 的路线上来，围绕味精废水的综合利用，有关研究学者做了大量的工作，取得了 许多成果。 目前，我国对味精废水进行综合利用，主要有以下几个方向：一、利用生物 发酵技术处理和综合利用废水。因为味精废水含有丰富的营养物质，如还原糖、 有机酸、氨基酸、腺嘌呤及无机盐等，这些物质可以用作生物发酵的营养基质生 产生物制品，比如发酵生产酵母、生物农药等，从而实现以废制废、变废为宝。 二、综合利用与清洁生产相结合。综合利用与清洁生产本身就是紧密联系在 一起的。清洁生产是指采用先进的工艺技术和设备，充分利用原材料和能源，提 高生产产品的得率和降低排放废水中污染物含量，以利于减轻污染和保护环境。 味精废水过去一直采用末端治理技术，不但投资大，还不能从根本上解决问题， 采用味精清洁生产技术能使污染消灭在工艺过程中，并使废弃物资源化，有利于 经济和环境保护的协调发展。其中工艺主要包括发酵液提取谷氨酸闭路循环工艺 1 2 引。发酵液以批次方式进入闭路循环圈，先经等电结晶和晶体分离，获得主产品 谷氨酸：母液除菌体，得菌体蛋白，除菌体后的清母液浓缩，汽凝水进入上道工 序用水；浓缩母液经过脱盐操作，获得结晶硫酸铵；结晶后的硫酸铵母液进行焦 谷氨酸开环操作和过滤分离，滤渣排出闭路循环圈；得到富含谷氨酸的酸性脱色 液替代浓硫酸，调节下一批次发酵液等电结晶，物料主体构成闭路循环。和传统 的提取工艺相比，该工艺革新了离子交换工序，改冷冻等电点结晶为常温等电点 结晶，实现了物料闭路循环，不再产生c o d 浓度很高的废母液。 这种闭路循环工艺会产生三种副产品：菌体蛋白、硫酸铵及水解渣( 有机肥) 。 这些都是具有经济价值的副产品。菌体蛋白是从发酵废母液中提取的，发酵废母 液是指发酵液经冷冻等电点提取谷氨酸后的高浓度有机废水，它的污染负荷占味 精废水整个污染的9 0 以上。在发酵废母液中，滞留有大量的谷氨酸菌体，这些 菌体蛋白是有经济与饲料价值的。利用废母液提取菌体蛋白，生产饲料酵母，可 使废水的c o d 下降4 0 - 6 0 左右，这不仅可以大大减轻最终达标排放处理的难 度，减少工程投资及运行费用，还可以变废为宝实现收益。利用浓缩废母液生产 有机复合肥，味精废母液中含有氨基酸、残糖、氮、磷、钾和多种植物生长所需 的微量元素，是有机复合肥的重要成分， p 、k ，造粒工艺制成复合肥料【2 9 1 。 6 因此可采用浓缩、水解、中和，加入n 、 第一章绪论 三、利用味精发酵废水生产微生物絮凝剂。微生物絮凝剂具有易生物降解、 适用范围广、热稳定性强、用量小、无二次污染等优点，相对于传统的无机及有 机絮凝剂而言，具有广阔的应用前景。利用味精废水生产微生物絮凝剂，既可利 用废水中的有用成分，又可减少排污量，是解决当前微生物絮凝剂成本过高这一 难题的有效方法。 关艳丽掣3 0 】研究了酵母茵对高浓度味精废水的处理条件。他们对从实验室分 离到的3 种酵母菌混合处理味精生产废水的条件进行了研究，结果表明最佳的处 理条件为：p h 值为4 0 、处理温度为2 8 、处理时间为2 0 h 、菌种接种量l o ，废 水的c o d 去除率可达n 8 2 9 。最后他们还对处理后的酵母菌菌体进行了饲料评 价，发现混合菌体中具有蛋白质含量丰富、脂肪含量小等优点。该技术作为预处 理工艺可以取得较好的处理效果并产生一定的经济效益。贾翠英3 1 】等对杂色云芝 处理高浓度味精废水进行了探讨。研究了杂色云芝对等电提取谷氨酸后浓缩废母 液处理效果，考察了浓缩废母液的不同百分比浓度和初始p h 对杂色云芝脱色率、 c o d 去除率及菌体生物量的影响，同时还考察了杂色云芝处理废母液后p h 的变 化情况。研究结果表明，利用杂色云芝处理高浓度味精废水，不仅可去除c o d 而且有脱色效果。生产的菌丝体还可进一步作为动物饲料，投资少、成本低、不 会产生二次污染，同时还可带来一定的经济效益。对不同百分比浓度的味精废水 试验发现，3 0 浓度的味精废水处理效果最好，c o d 去除率为4 9 2 6 ，脱色率为 5 6 6 7 ，菌体干重为5 8g l 。味精废水的初始p h 对处理效果有一定的影响，初 始p h 5 0 时，c o d 去除率最高为5 0 1 2 ，脱色率最大为5 5 8 。李为【3 2 】等对双菌 法处理味精废水的工艺进行了研究，采用假丝酵母和酿酒酵母双菌混合培养方法 处理味精废水，发现其c o d 去除率明显高于单菌培养法。并对混合培养工艺进行 了研究，得到该双菌培养法的最佳工艺条件为：接种龄为假丝酵母2 4 h ，酿酒酵 母2 0 h ；接种比例为假丝酵母：酿酒酵母- - 4 ：l ；总接种量为2 0 ；接种顺序为 酿酒酵母接种滞后于假丝酵母2 0 h ；培养时间为6 4 h 。杨建州【3 3 】等研究了利用味精 废水生产饲料蛋白，实验中以溜曲霉为出发菌株，通过筛选7 种生物质添加剂对 利用味精废水液体发酵生产饲料蛋白进行了可行性研究。经过正交实验优化后的 发酵配方组成为：孢子接种量1 8 1 0 8 、苹果渣4 、n a ：h p 0 4 0 1 9 l 、k i - 1 2 p 0 40 0 5 9 l ，其余是味精废水，产物的粗蛋白含量达3 3 。实验结果表明，利用味精厂 高浓度有机废水发酵溜曲霉生产饲料蛋白，在有效处理废水的同时亦可生产有经 济价值的产品。郑舒文【3 4 】等提出了利用味精废水培养苏云金杆菌进而生产b t 生物 农药的新的废水处理方法，并对苏云金芽孢杆菌在味精废水中培养的培养基优化 和深层培养条件及深层培养过程各参数的变化规律等进行了较为系统的研究，最 后提出了进行工业化试验的培养工艺。通过正交实验得到的最佳培养基配方为： 7 第一章绪论 玉米浆1 0 1 2 m l l ，淀粉2 0 - - 一2 5 9 l ，c a c 0 32 9 l ，k 2 h p 0 40 3 9 l ，葡萄糖5 1 2 9 l ，其它微量元素；最佳培养条件为：通风比为1 ：1 ：1 ，搅拌转速为4 0 0 r m i n ， 温度为3 2 - - - 3 4 。杨建州【3 5 】等研究了l 株驯化后的苏云金芽孢杆菌在味精废水中 发酵生产生物农药的适宜工艺条件，包括碳源、氮源、c a c 0 3 、p h 、发酵培养基 等对发酵的影响，并对发酵过程中的各个指标进行了检测。在1 2 m 3 规模的发酵 罐中发酵菌数可达6 8 7 1 0 9 m l ，毒力效价与标准品相当，表明至少在中等规模 的工厂化生产是可行的。尹华【3 6 】等研究了微生物絮凝剂产生菌j 2 5 在味精废水中 发酵产生絮凝剂的絮凝特性。实验表明，味精废水经预处理后，加入有机碳源对 絮凝剂产生菌j - 2 5 进行培养，菌体在生长过程中能产生絮凝剂，并将其分泌到细 胞外，培养液的絮凝活性最高达9 8 。该絮凝剂在偏碱性的条件下，对高岭土悬 浊液的絮凝效果最好。经过实际废水的净化实验表明，该微生物絮凝剂对多种废 水具有良好的净化效果，尤其对石化废水处理效果最好，c o d 、s s 、色度的去 除率分别达到6 6 7 、9 8 3 、9 3 7 。 综上所述，味精生产通过清洁生产和综合利用，资源得到了充分回收，废水 中的污染物已得到了大幅度的削减，这给废水后续的生物处理创造了极为有利的 条件。通过后续生物处理可使废水最终达到国家规定的行业排放标准。一般而言， 对经过综合利用后的二次废水，其治理工艺采用“厌氧+ 好氧”主体处理工艺。 再结合国内对含硫酸根有机废水的处理工艺，味精废水的处理工艺应该是：首先 高浓度废水先进行综合利用，其它废水采用硫酸盐还原和生化脱硫的方法去除硫 酸根，然后再进入u a s b 或s b r 反应器进行厌氧、好氧联合处理，其它工序的废 水则直接采用生化处理，从而彻底解决味精废水困扰企业发展的环境污染问题。 1 4 利用小球藻处理味精废水 小球藻( c h l o r e l l a ) 1 3 7 】是绿藻小球藻科中的一个重要属，包括大约l o 个种， 细胞形态圆形或椭圆形，细胞直径2 - - , 1 2 9 i n 。它不能形成合子，而是形成自体孢 子进行繁殖，每个母细胞一次可分裂为4 、8 或1 6 个子细胞。小球藻一般分布在 土壤和淡水水域中，有的还以内共生体的形式出现在无脊椎动物体内。小球藻的 叶绿体紧靠细胞膜，在大多数种的细胞中还有一个蛋白核。小球藻的细胞壁很薄， 细胞壁的组成中含有孢粉质类似物。小球藻的遗传差异很大，根据d n a d n a 杂 交试验结果，小球藻属中某些种之间根本没有亲缘关系。 8 第一章绪论 1 4 1 小球藻的研究简史及其特性 小球藻最早是由荷兰微生物学家b e i j e r i n c k 于1 8 9 0 年在琼脂平板上成功分 离到的，随后经试验证实这些微藻没有非光合组织，能连续快速生长，光能利用 效率很高，因此被生物学家用来进行自养营养的研究。在2 0 世纪4 0 年代后期， 发现小球藻含有高达5 0 左右的粗蛋白，美国、日本、德国和以色列开始了小球 藻规模培养的研究。到了2 0 世纪6 0 年代，中国台湾和日本开始出现了小球藻商 业化生产；同时美国及俄罗斯科学家进行了“太空藻类学”的研究，以小球藻作 为宇宙飞船飞行时的光和气体交换器。t a k e c h i 于1 9 7 1 年以醋酸盐为碳源在池塘 中装配环流搅拌器，建立了小球藻混养培养方法。近几年，小球藻的异养培养技 术，特别是高细胞浓度培养技术的研究得到了深入的发展。 小球藻细胞中含有很多有价值的化合物。按干重计，小球藻细胞的灰分含量 在1 3 6 - 2 0 2 1 之间，碳的含量4 9 5 1 - 7 0 7 1 ，氢含量6 7 8 1 0 5 3 ， 氮含量1 1 7 1 4 1 l ，氧含量1 7 8 7 - - 3 4 4 0 ，蛋白质含量为7 3 - 一8 8 ， 碳水化合物为5 7 - - 3 8 ，脂类含量为4 5 - - 一8 6 。 首先，小球藻具有很高的蛋白质含量，但是其蛋白质含量于生长的环境条件 有直接关系。蛋白核小球藻如果生长在良好的环境中，其细胞中的蛋白质含量一 般不低于5 0 ，明显高于植物蛋白源。但是具有高蛋白质含量的食品并非具有高 营养性，除蛋白质外，还必须有平衡的必需氨基酸。f i s h e r 和b u r l e w 分析了来 自蛋白核小球藻的蛋白质样品重氨基酸的组成，并计算出其蛋白质必需氨基酸指 数为6 2 。蛋白核小球藻蛋白质的必需氨基酸指数处于面粉、玉米面筋和花生仁 等植物蛋白质这一等级。这为小球藻的资源化提供了很好的条件。其次，小球藻 细胞中的总脂类经皂化后可分为三个组分：脂肪酸，难皂化物质和水溶性的皂化 产物。小球藻细胞中脂类物质含量的增加主要是由于脂肪酸积累的结果。在氮饥 饿条件下，蛋白核小球藻在生长时可形成高达8 6 的脂类，而在正常的小球藻细 胞中，脂类含量为2 5 。两种情况下生长的小球藻在脂肪组成上没有明显的差异。 小球藻细胞中不饱和脂肪酸的含量明显高于许多植物。最后在碳水化合物方面， 小球藻细胞中碳水化合物的含量一般小于2 0 。藻类细胞中的特征碳水化合物于 高等植物有所不同，某些藻类的细胞壁和其它结构部分是由藻阮酸所构成的复合 物为基本组成部分。另外，小球藻细胞中叶绿素的含量为4 6 ，高于现在商 业上用于叶绿素提取的脱水紫苜蓿的叶绿素含量。其中，以干物质计，小球藻细 胞中叶绿素a 的含量为1 9 7 - - - 2 0 4 ，叶绿素b 的含量为0 5 5 - - - - 0 5 8 ，胡萝 卜素的含量为0 0 4 4 1 - - 0 0 4 4 8 ，类叶黄素的含量为0 2 6 7 o 3 1 0 。小球藻 细胞中维生素的含量与培养时间和环境因子密切相关。通过比较发现，1 0 7 5 9 小 9 第一章绪论 球藻干粉足以提供一个人一天除维生素c 以外所有维生素的需求。尽管维生素c 大量存在于新鲜小球藻细胞中，但它在干燥过程中会大量损失。研究发现，新鲜 小球藻细胞中维生素c 的含量与柠檬中维生素c 的含量相当。并且小球藻富含 维生素a ，还含有维生素b l 和维生素k ，其中小球藻细胞中维生素k 的含量的 光合细菌的6 倍，于酵母细胞中的维生素k 含量相当。一般认为，当小球藻用 于食品或饲料时，足以提供人或动物生长所需的维生素。综上所述，小球藻具有 相当高的利用价值。这为研究小球藻的综合利用和资源化提供了依据和保证。 1 4 2 小球藻的培养条件 小球藻生长的营养需求主要包括碳源、氮源、无机盐和金属离子等。小球藻 的培养模式可以分为两大类，一是光合自养培养；二是异养培养。还有一种是混 合培养，即在异养培养过程中加入光照。在光合自养培养中，二氧化碳是小球藻 生长的普通碳源，一般二氧化碳的浓度保持在5 就可以保证小球藻的生长，过 高的二氧化碳浓度不仅不能促进小球藻的生长还会降低其产率和生物体产量。而 在异养培养中，有研究证实，小球藻可在无光的条件下利用糖或其它有机物作为 能源和碳源进行异养生长。e n d o 和s h i r o t a 发现【3 8 】只有葡萄糖：半乳糖、醋酸盐、 乙醇、乙醛和丙酮酸可作为唯一碳源支持小球藻的生长。葡萄糖、半乳糖和醋酸 盐可在无光条件下支持蛋白核小球藻的连续生长。另有研究表明，最适合小球藻 异养生长的有机碳源是葡萄糖。无论是光合自养培养还是异养培养，小球藻的生 长都需要氮源、矿物质和金属离子。硝酸盐一直是培养小球藻的一种普通氮源。 除了硝酸盐，铵盐和尿素也是很好的有机氮源。研究表明以尿素作为氮源在几个 方面优于普遍应用的硝酸盐，在藻类生长过程中，消耗等量的氮，以尿素作为氮 源则比硝酸盐产生出更多的生物量，而且引起培养基更小的p h 变化。因此，以 生物量和类叶黄素产量来评价，尿素是小球藻最好的氮源。科学家研究发现，绿 藻生长的必需无机元素是：氮、磷、钾、镁、钙、硫、铁、铜、锰、锌。除此之 外，氯、钼、镉在小球藻的生长中也起到很重要的作用。另外，在培养小球藻时， 通常会向培养基中加入一些络合剂。尽管络合剂本身不是藻类生长所必需的营养 成分，但它们在藻类的培养过程中可以防止微量营养成分的沉淀。在人工培养基 中，如果没有络合剂，微量元素将会由于沉淀和吸附，很快成为生长的限制因子。 络合剂的加入，能同微量元素形成一种复合物，从而就像一个微量元素库不断的 向生物提供这些营养元素。目前使用最多的是e d t a 络合剂。 小球藻培养条件包括光照、温度、p h 等。光照是影响小球藻光合培养最重 要的因子。而在异养培养中则不需要光照。小球藻的适宜生长温度在不同的藻株 之间存在差异，可将小球藻分为两类：低温藻株，生长最适宜温度为2 5 - - 3 0 c ； 1 0 第一章绪论 高温藻株，生长最适宜温度为3 5 - - 4 0 。c 。培养基的p h 是影响藻类有关生长代谢 等许多生理过程的另一重要因子。一般来说，小球藻存活的p h 范围为4 5 - - - 1 0 6 ， p h 在5 5 8 0 时有利于小球藻的生长。而在小球藻的异养培养体系中，多数情 况下采用p h6 0 7 0 。 1 4 3 小球藻脂溶性色素的研究动态 近年来，随着人们对人工合成色素毒性问题的认识以及各国对合成色素使用 种类的限制增多，市场对天然色素的需求急剧增加，国内外科学工作者对各种天 然色素的研究也十分活跃。 类胡萝卜素和叶绿素是两类重要的天然色素，两者皆可作为食品着色剂，特 别是类胡萝1 - 素，具有重要的生理活性和保健功能而得到了人们特别的关注。随 着对类胡萝卜素研究的深入，己证明其具有抗氧化、抗肿瘤、抗衰老，预防溃疡、 心血管疾病等功效【3 9 舯】，己广泛应用于食品、医药、化妆品、饲料等行业。 现已发现，小球藻细胞中含有高达4 6 的叶绿素，相比而言，现在商业 上用于叶绿素提取的脱水紫苜蓿的叶绿素含量不超过0 。2 ；小球藻细胞中所含 的类胡萝卜素主要以叶黄素( l u t e i n ) 为主，含量可达0 2 6 7 - - 0 3 1 t 4 1 1 ，作为 传统叶黄素源的紫苜蓿中叶黄素含量才0 0 2 - - 0 0 3 1 4 2 1 。由此可见，小球藻必 将作为新的叶黄素源和叶绿素源而得到普遍的关注。 对小球藻脂溶性色素的研究很早就开始了。1 9 4 2 年h a s k i n 就从小球藻中提 取分离并用分光光度法测定了叶绿素a 、叶绿素b 、胡萝b 素、类叶黄素的含量 【4 l 】。1 9 4 9 年s p o e h e r 测定- j -