淀粉废水生产微生物絮凝剂及发酵动力学特征

中国环境科学2016,36(9)：2681~2688ChinaEnvironmentalScience淀粉废水生产微生物絮凝剂及发酵动力学特征郭俊元*,张宇哲,赵净(成都信息工程大学资源环境学院,四川成都610225)摘要：以淀粉生产废水为原料制备微生物絮凝剂,考察了外加磷酸盐、氮源对微生物絮凝剂产量和絮凝活性的影响,分析了絮凝菌的生长与代谢特征,检测了发酵过程中pH值、COD、氨氮、及总磷的变化规律,分别利用Logistic和Luedeking-Piret模型对絮凝菌生长和代谢产物生成的动力学过程进行了拟合,并探索了微生物絮凝剂对淀粉废水的絮凝沉降性能.结果表明,外加6g/L的磷酸盐(K2HPO4:KH2PO4=2:1,w/w)和2g/L的尿素,所制备微生物絮凝剂的产量和絮凝活性分别显著提高至0.96g/L和92.8%.在对数生长期,菌体干重、细胞浓度OD600和菌落数分别迅速增加至1.58g/L、0.86和5.3×107cfu/mL,淀粉废水培养基的COD、氨氮、总磷分别由7836、975、712mg/L迅速降低至1736、188、146mg/L.絮凝菌发酵结束后,发酵培养基的pH值由6.8略降至6.5.絮凝菌代谢获得的微生物絮凝剂中多糖含量为96.2%,基本不含蛋白质.Logistic和Luedeking-Piret模型的拟合结果能够较好地描述絮凝菌生长和代谢产物生成的动力学过程.此外,本实验制备的微生物絮凝剂在投加量为30mg/L时,能够去除淀粉废水中48.6%的COD和71.9%的浊度.关键词：淀粉废水；微生物絮凝剂；生长曲线；发酵动力学中图分类号：X703.1文献标识码：A文章编号：1000-6923(2016)09-2681-08Productionandfermentationkineticscharacteristicsofabioflocculantbyusingpotatostarchwastewater.GUOJun-yuan*,ZHANGYu-zhe,ZHAOJing(CollegeofResourcesandEnvironment,ChengduUniversityofInformationTechnology,Chengdu610225,China).ChinaEnvironmentalScience,2016,36(9)：2681~2688Abstract：Potatostarchwastewaterwasusedforbioflocculant-producingbacteriaRhodococcuserythropolistoproducebioflocculant.Effectsofextraphosphateandnitrogeninpotatostarchwastewatermediumonbioflocculantyieldanditsflocculatingactivitywerediscussed.Inaddition,solutionpHvaluesandconcentrationsofCOD,ammonium,andtotalphosphorus(TP)inthefermentationprocesswereexamined,andgrowthandproducingkineticsofthebacteriaweredescribedbyusingLogisticandLuedeking-Piretmodels.Furthermore,settlementofthepotatostarchwastewaterbythisbioflocculantwasinvestigated.Thebioflocculantyieldanditsflocculatingactivityincreasedto0.96g/Land92.8%whentheextraphosphate(K2HPO4:KH2PO4=2:1,w/w)andnitrogenwereadjustedto6g/Land2g/L,respectively.Duringthelogarithmphase,celldryweight,celldensityOD600,andthenumberofcolonieswereincreasedto1.58g/L,0.86and5.3×107cfu/mL,respectively.ConcentrationsofCOD,ammonium,andTPofthepotatostarchmediumwereconsumedrapidlyfrom7836,975,and712mg/Lto1736,188,and146mg/L,respectively.Afterthefermentation,pHvalueofthepotatostarchmediumwasslightlydecreasedto6.5.Thebioflocculantobtainedduringthestrain’smetabolismmainlycontained96.2%ofpolysaccharide,andtherewasalmostnoprotein.CellgrowthandbioflocculantproductioncouldbesimulatedwithboththeLogisticandLuedeking-Piretequationsprettywell.Furthermore,whenthebioflocculantdosewasadjustedto30mg/L,itcanremove48.6%ofCODand71.9%ofturbidityfromthepotatostarchwastewaterinthisstudy.Keywords：potatostarchwastewater；bioflocculant；growthcurve；fermentationkinetics絮凝技术是国内外常用的一种提高水质处理效率的方法,技术核心是絮凝剂,与常规使用的聚合氯化铝(PAC)、聚丙烯酰胺(PAM)、聚合氯化铁(PFS)等相比,微生物絮凝剂具有高效、易降解和环境友好等优点,能够最大限度地避免二次污染问题[1-4].目前,微生物絮凝剂已逐步应用于畜产废水、印染废水、食品加工废水、重金属废水等的处理,但制备成本高制约着其推广收稿日期：2016-01-29基金项目：国家自然科学基金资助(项目批准号:51508043);四川省科技厅应用基础项目(2016JY0015);成都市科技局科技惠民技术研发项目(2015-HM01-00149-SF);成都信息工程大学中青年学术带头人科研人才基金资助(J201515)*责任作者,讲师,[e-mail]2682中国环境科学36卷应用[5-7].以富含有机物或氮磷营养盐的废水或废弃物为原料生产微生物絮凝剂,是降低制备成本的有效途径,例如:More[8]、Sun[9]等利用污泥制备生物制剂,以实现降低制备成本的目的.本文作者也曾以剩余污泥制备微生物絮凝剂,并分析了其有效成分[10].目前对于微生物絮凝剂的制备、成分分析、及其在废水中应用等的研究,取得了极大的进展.然而,对于培养基各成分在微生物代谢生成絮凝剂过程中的贡献、微生物生长和代谢过程之间的动力学关系等的研究非常缺乏[11-13].实验采用富含有机质的淀粉生产废水为原料制备微生物絮凝剂,考察絮凝菌发酵过程中菌体浓度、代谢产物浓度、基质浓度、pH值等的变化规律,利用Logistic和Luedeking-Piret模型对絮凝菌生长和代谢产物生成的动力学过程进行拟合,以期制定最佳的控制策略,为菌株发酵过程的优化提供先决条件,为提高经济效益和实现工业化生产提供理论基础.1材料与方法1.1实验材料1.1.1实验试剂配制高岭土(分析纯,天津恒兴化学试剂制造公司),配制4g/L的悬浊液.NaOH和HCl(分析纯,天津大茂化学试剂厂)均配制1mol/L的溶液.1.1.2微生物菌株和微生物絮凝剂实验所用菌株为红平红球菌(Rhodococcuserythropolis),保藏于中国典型微生物保藏中心(No.10543).微生物絮凝剂是菌株利用淀粉生产废水发酵制备,废水水质如表1所示:表1淀粉废水水质Table1Waterqualityofthepotatostarchwastewater指标COD(mg/L)氨氮(mg/L)总磷(mg/L)浊度(NTU)pH水质7836250.56746.8微生物絮凝剂的制备包括种子培养和发酵培养.种子培养基:蒸馏水1L、葡萄糖20g、酵母粉5g、牛肉膏2g、硫酸镁2g、氯化钠10g、pH=7.挑取少许菌至种子培养基中,于发酵温度35℃、摇床速度150r/min下培养得种子液.将种子液以2%(V/V)的接种量接种至淀粉废水培养基中,相同条件下发酵72h得到发酵液.发酵液于6000r/min、4℃条件下离心10min,收集上清液,与两倍体积的丙酮充分混合,24h后采用相同条件进行离心提纯,将离心后获得的沉淀物真空干燥,获得微生物絮凝剂.1.2实验方法1.2.1微生物菌株生长量和菌落数的测定实验采用比浊法测定菌体细胞密度,实验过程中,以未接种的发酵培养基(采用相同的手段进行灭菌和发酵培养)作为对照组,对不同发酵阶段的发酵液,使用分光光度计测定波长600nm处的OD值,以反应本文微生物菌株的细胞数量.菌落数则是采用平板计数法进行计数.1.2.2絮凝率的测定1.0L高岭土悬液(4g/L)中加入0.5gCaCl2溶液作为助凝剂,再加入2mL发酵液,常温条件下,快速搅拌1min(180r/min),慢速搅拌4min(80r/min),静置10min,取上清液,使用分光光度计测定波长550nm处的OD值(OD550),同时以未接种的培养基作对照.计算公式如下:FR100%BAB−=×(1)式中:FR为絮凝率;A为絮凝后高岭土悬液的OD550;B为高岭土原悬浊液的OD550.1.2.3微生物絮凝剂成分检测本实验所制备的微生物絮凝剂其多糖含量采用苯酚—硫酸法测定,蛋白质含量采用考马斯亮蓝法测定[14-15].1.2.4发酵动力学Logistic动力学方程能够反应菌株生长过程中因菌体浓度的增加对自身生长的抑制作用,常用来表述菌株生长的动力学过程[16-17].Logistic方程如下:m0m(/)-lnm()=/[1+e]XXtXtXμ(2)式中:X(t)为不同发酵时间的菌株浓度,g/L;X0为发酵初始菌株浓度,g/L;Xm为最大菌株浓度,g/L;t为发酵时间,h;µm为最大比生长速率,h-1.Luedeking-Piret方程描述发酵过程中菌株生长和代谢产物生成之间的3种关系.①相关:代9期郭俊元等：淀粉废水生产微生物絮凝剂及发酵动力学特征2683谢产物的生成伴随着菌株生长,而且在菌株生长开始就有代谢产物生成,菌株生长进入稳定期后代谢产物的活性和生成量也达到最大,如寄生曲霉菌[7];②部分相关:菌株生长阶段并无代谢产物生成,代谢产物是在菌株生长稳定期产生的,如地衣芽孢杆菌[18];③不相关.如式(3)所示:当m1≠0、m2=0时,产物生成和菌株生长之间相关;当m1≠0、m2≠0时,产物生成和菌株生长之间部分相关;当m1=0、m2≠0时,表示产物生成和菌株生长之间不相关.12dd=+dddPXmmXtt(3)式中:P为絮凝剂产量,g/L;m1和m2分别是与菌株生长和菌株浓度相关的参数.1.2.5微生物絮凝剂絮凝沉降淀粉废水1L淀粉废水中依次投加0.5gCaCl2和一定量的微生物絮凝剂,常温条件下200r/min搅拌10min,静沉30min,取上清液,检测其中的COD浓度和浊度,从而明确微生物絮凝剂对淀粉废水的絮凝沉降性能及其最佳使用量.相同条件下,分别研究0.5gCaCl2和上述最佳使用量的微生物絮凝剂单独处理淀粉废水的效果.1.2.6分析方法根据《水和废水监测分析方法(第四版)》[19],COD浓度采用