糖蜜酒精廢液是一種呈棕色的高濃度有機(jī)廢水，是造成水體污染的重要污染源〔1〕。糖蜜酒精廢液有機(jī)物含量高，同時(shí)也含有微生物所需要的大部分營(yíng)養(yǎng)元素〔2〕。但糖蜜酒精廢液具有的高濃度、高有機(jī)酸含量、低pH、強(qiáng)腐蝕性等特性會(huì)抑制微生物在糖蜜酒精廢液中的生長(zhǎng)繁殖，導(dǎo)致糖蜜酒精廢液成為一種具有較好可生化性卻很難有效進(jìn)行生化處理的有機(jī)工業(yè)廢水〔3〕。為此，筆者針對(duì)糖蜜酒精廢液篩選出了能適應(yīng)其特點(diǎn)、且降解性能好的優(yōu)勢(shì)菌種，并對(duì)優(yōu)勢(shì)菌的生態(tài)位、代謝產(chǎn)物及降解性能進(jìn)行了研究。該項(xiàng)研究可有效解決糖蜜酒精廢液處理難度大、處理效率不高、處理系統(tǒng)不穩(wěn)定等問題，具有很高的應(yīng)用價(jià)值。
1 材料與方法
1.1 優(yōu)勢(shì)菌種來源及構(gòu)成
實(shí)驗(yàn)菌種為按照李楠等〔4, 5, 6, 7〕篩選菌種的方法從處理糖蜜酒精廢液的UASB反應(yīng)器顆粒污泥中分離、純化得到的8株優(yōu)勢(shì)菌種，編號(hào)分別為NO.1、NO.2、NO.3、NO.4、NO.5、NO.6、NO.7、NO.8，經(jīng)鑒定分別為皮桿菌屬、棒桿菌屬、微小桿菌屬、微小桿菌屬、乳桿菌屬、纖維單胞菌屬、丙酸菌屬、紅長(zhǎng)命菌屬〔8, 9〕。
1.2 優(yōu)勢(shì)菌種基礎(chǔ)生態(tài)位測(cè)定
優(yōu)勢(shì)菌種pH生態(tài)位測(cè)定：配制不同pH的液體培養(yǎng)基，滅菌后，將菌種分別接入不同pH的培養(yǎng)液中，于37 ℃培養(yǎng)48 h，測(cè)定菌液中細(xì)菌的量。
優(yōu)勢(shì)菌種溶解氧耐性測(cè)定：將每株菌種分別接入4個(gè)pH=6.8的培養(yǎng)基，然后分別在溶解氧為0.11、0.42、0.80、1.15 mg/L的條件下培養(yǎng)48 h，測(cè)定菌液中細(xì)菌的量。
菌液中細(xì)菌的量以菌液在波長(zhǎng)為420 nm處的OD值表示〔10〕。
1.3 代謝產(chǎn)物測(cè)定
取培養(yǎng)好的復(fù)合菌群20 mL進(jìn)行離心，然后將收集的復(fù)合菌群分別轉(zhuǎn)移到pH為4.0、5.5、6.8的500 mL葡萄糖質(zhì)量濃度為10 g/L的培養(yǎng)液中，于37 ℃培養(yǎng)1周后，采用高效液相色譜法測(cè)定不同pH條件下的液相末端產(chǎn)物〔11, 12, 13〕。
1.4 污泥培養(yǎng)及降解實(shí)驗(yàn)
將取自廣西某廠COD為24 000 mg/L、pH為4.3的糖蜜酒精原液按照實(shí)驗(yàn)要求配制成不同COD濃度和pH的廢液。對(duì)取自UASB反應(yīng)器的顆粒污泥進(jìn)行高壓滅菌處理，然后按1∶10的質(zhì)量比在培養(yǎng)器中加入優(yōu)勢(shì)菌群和滅活污泥，以配制的糖蜜酒精廢液為基質(zhì)進(jìn)行污泥馴化培養(yǎng)。以馴化培養(yǎng)好的污泥進(jìn)行降解實(shí)驗(yàn)。
2 結(jié)果與討論
2.1 優(yōu)勢(shì)菌種的生態(tài)位
優(yōu)勢(shì)菌種pH生態(tài)位實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表 1所示。
由表 1可知，菌株NO.8在pH為4.4～10范圍內(nèi)均生長(zhǎng)很好，其對(duì)pH的耐性范圍很寬;菌株NO.4、NO.6、NO.7同樣也具有較寬的pH耐性范圍，在弱酸或弱堿性環(huán)境中都能良好生長(zhǎng);菌株NO.1、NO.2、NO.3、NO.5在偏酸性環(huán)境中生長(zhǎng)相對(duì)較好。從表 1還可以看出，所有優(yōu)勢(shì)菌種都能適應(yīng)偏酸性環(huán)境，其中菌株NO.3、NO.8在pH=4.4條件下也能良好生長(zhǎng)，正好位于糖蜜酒精廢液pH 為3.5～4.5的范圍之內(nèi)。結(jié)果表明，優(yōu)勢(shì)菌種都能較好地適應(yīng)糖蜜酒精廢液的酸性環(huán)境。
優(yōu)勢(shì)菌種溶解氧耐受實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表 2所示。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，8種優(yōu)勢(shì)菌株均具有一定范圍的溶解氧耐受能力。其中菌株NO.3、NO.4、NO.5、NO.8在溶解氧為1.15 mg/L時(shí)仍有很好的生長(zhǎng)繁殖能力，其OD值都在0.6以上;菌株NO.1、NO.2、NO.6、NO.7的溶解氧耐受能力相對(duì)較弱，但溶解氧耐受上限也達(dá)到了0.8 mg/L。
由表 1、表 2可知，8株優(yōu)勢(shì)菌種存在6種由pH和DO 2個(gè)因子構(gòu)成的基礎(chǔ)生態(tài)位。其中，NO.1、NO.2的基礎(chǔ)生態(tài)位：pH為5.2～6.8，DO為0.11～0.80 mg/L;NO.3、NO.5的基礎(chǔ)生態(tài)位：pH為4.4～6.8，DO為0.11～1.15 mg/L;NO.4的基礎(chǔ)生態(tài)位：pH為 5.2～9.2，DO為0.11～1.15 mg/L;NO.6、NO.7的基礎(chǔ)生態(tài)位：pH為5.2～8.4，DO為0.11～0.80 mg/L;NO.8的基礎(chǔ)生態(tài)位：pH為4.4～9.2，DO為0.11～1.15 mg/L。綜上可知，8株優(yōu)勢(shì)菌種組成的復(fù)合菌群不僅具有很寬的生態(tài)位空間，而且不同的生態(tài)位空間都具有相應(yīng)的優(yōu)勢(shì)菌種，表明復(fù)合菌群具有生態(tài)位的多樣性，對(duì)外界環(huán)境有很好的適應(yīng)能力，具有較強(qiáng)的系統(tǒng)穩(wěn)定性。
2.2 復(fù)合菌群主要代謝產(chǎn)物
復(fù)合菌群的主要代謝產(chǎn)物如表 3所示。
表 3表明，pH=4.0時(shí)細(xì)胞內(nèi)酸性末端產(chǎn)物的積累是影響復(fù)合菌群代謝的限制因素，此時(shí)無論乙酸含量還是有機(jī)酸總量都是最多的〔14, 15, 16〕。當(dāng)pH=5.5時(shí)，NADH+/NAD+平衡成為主要的影響因素，由于丙酸代謝途徑能夠氧化過多的NADH+，為使NADH+再生，產(chǎn)乙酸氧化過程與丙酸代謝途徑相偶聯(lián)，因此在pH=5.5時(shí)末端產(chǎn)物丙酸所占比例顯著增加〔17〕。當(dāng)pH=6.8時(shí)，細(xì)菌的大量繁殖對(duì)NADH+(NADPH+)的需求量增加，此時(shí)合成代謝控制發(fā)酵途徑，所以在此pH條件下，乙酸和丁酸的比例有所增加。復(fù)合菌群代謝產(chǎn)物分析結(jié)果表明，在pH為4.0、5.5、6.8時(shí)，復(fù)合菌群都能通過代謝途徑來調(diào)節(jié)最終代謝產(chǎn)物以適應(yīng)外界條件的變化。
2.3 溫度對(duì)復(fù)合菌群降解性能的影響
分別取200 mL糖蜜酒精廢液于250 mL反應(yīng)裝置中，其中1#、2#瓶COD為4 141.6 mg/L，3#、4#瓶COD為11 845.3 mg/L。調(diào)節(jié)pH至6.8，控制1#、3#瓶溫度為37 ℃，2#、4#瓶溫度為25 ℃，添加復(fù)合菌群培養(yǎng)的污泥2 g進(jìn)行降解實(shí)驗(yàn)，考察溫度對(duì)復(fù)合菌群降解性能的影響，結(jié)果如圖 1、圖 2所示。
圖 1 1#、2#瓶的COD降解曲線
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圖 2 3#、4#瓶的COD降解曲線
由圖 1可知，降解反應(yīng)時(shí)間達(dá)到10 d時(shí)，1#瓶的COD去除率為75.5%，2#瓶的COD去除率為53.25%，1#瓶的COD去除率比2#瓶高出22%。由圖 2可知，當(dāng)降解反應(yīng)時(shí)間達(dá)到10 d時(shí)，3#瓶的COD去除率為51.24%，4#瓶的COD去除率僅為18.8%，兩者差值達(dá)32%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，溫度對(duì)復(fù)合菌群的降解性能有重要的影響，特別是在COD濃度較高的情況下，溫度對(duì)復(fù)合菌群降解效果的影響更為顯著。
2.4 COD濃度對(duì)復(fù)合菌群降解性能的影響
取COD為4 900 mg/L(低濃度)、12 000 mg/L(中濃度)、24 000 mg/L(高濃度)的糖蜜酒精廢液各200 mL分別置于3個(gè)250 mL的血清瓶中，調(diào)節(jié)pH至6.8，添加復(fù)合菌群培養(yǎng)的污泥2 g，于37 ℃條件下進(jìn)行降解實(shí)驗(yàn)，考察COD濃度對(duì)復(fù)合菌群降解性能的影響，結(jié)果見圖 3，相應(yīng)的pH的變化見圖 4。
?圖 3 COD濃度對(duì)復(fù)合菌群降解性能的影響
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圖 4 不同COD濃度下pH的變化
圖 3表明，當(dāng)降解反應(yīng)時(shí)間達(dá)到10 d時(shí)，低、中、高COD濃度下的COD去除率分別為74.7%、52.3%和25.1%，呈下降趨勢(shì)。降解過程中相應(yīng)的pH(見圖 4)則呈現(xiàn)出迅速下降然后緩慢上升的過程，這是由于降解過程中糖蜜酒精廢液中還原糖等有機(jī)物大量水解導(dǎo)致pH迅速下降，但在低pH條件下復(fù)合菌群代謝產(chǎn)物發(fā)生改變以及水解產(chǎn)物不斷被降解，又引起pH緩慢上升。COD濃度對(duì)復(fù)合菌群降解性能影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，為了縮短處理系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間，保證系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行，初始COD濃度不宜超過12 000 mg/L。
2.5 pH對(duì)復(fù)合菌群降解性能的影響
分別取200 mL COD為4 683.5 mg/L的糖蜜酒精廢液于3個(gè)250 mL血清瓶中，調(diào)節(jié)pH分別至4.0、6.8、8.0，添加復(fù)合菌群培養(yǎng)的污泥2 g，于37 ℃條件下進(jìn)行降解實(shí)驗(yàn)，考察pH對(duì)復(fù)合菌群降解性能的影響，結(jié)果見圖 5，相應(yīng)的pH的變化見圖 6。
圖 5 pH對(duì)復(fù)合菌群降解性能的影響
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圖 6 不同起始pH條件下pH的變化
圖 5顯示，當(dāng)pH為6.8和8.0時(shí)，COD去除率基本一致，說明在起始pH為6.8～8.0范圍內(nèi)，pH對(duì)復(fù)合菌群的降解性能影響不大;在起始pH為4.0，即接近糖蜜酒精原液pH的條件下，COD去除率則受到較大影響。由圖 6可以看出，在起始pH為6.8和8.0時(shí)，pH的變化呈先降后升，最后達(dá)到7.0左右，pH變化過程是典型的厭氧降解反應(yīng)pH變化過程;在起始pH為4.0時(shí)，雖然低pH條件改變了復(fù)合菌群的代謝類型和代謝產(chǎn)物，使微生物的降解性能受到一定影響，導(dǎo)致COD去除率下降，但是整個(gè)過程中反應(yīng)系統(tǒng)的pH一直都在不斷地上升，直至與 pH為6.8和8.0時(shí)的反應(yīng)系統(tǒng)的pH基本一致。由此可見，該復(fù)合菌群具有較強(qiáng)的調(diào)節(jié)系統(tǒng)pH的能力，能使pH從4.0逐步上升到7.0左右。盡管低pH影響了系統(tǒng)的降解效果，延長(zhǎng)了系統(tǒng)的啟動(dòng)周期，但是該復(fù)合菌群能夠使整個(gè)系統(tǒng)逐漸恢復(fù)到正常狀態(tài)，對(duì)于保持處理系統(tǒng)的穩(wěn)定性具有重要意義。具體參見污水技術(shù)資料更多相關(guān)技術(shù)文檔。
3 結(jié)論
從處理糖蜜酒精廢液的UASB反應(yīng)器顆粒污泥中篩選出優(yōu)勢(shì)菌株，并對(duì)優(yōu)勢(shì)菌的生態(tài)位、代謝產(chǎn)物及降解性能進(jìn)行了研究。
(1)優(yōu)勢(shì)菌的生態(tài)位研究表明，8株優(yōu)勢(shì)菌種組成的復(fù)合菌群具有很寬的生態(tài)位，且在不同生態(tài)位空間都有相應(yīng)的優(yōu)勢(shì)菌種，該復(fù)合菌群具有生態(tài)位的多樣性和很強(qiáng)的生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性，能夠適應(yīng)糖蜜酒精廢液的低pH條件。
(2)復(fù)合菌群代謝產(chǎn)物研究表明，復(fù)合菌群能通過代謝途徑來調(diào)節(jié)最終代謝產(chǎn)物以適應(yīng)外界條件的變化，并且能夠逐漸改變外界環(huán)境并使之向復(fù)合菌群最佳的生態(tài)位空間遷移。該復(fù)合菌群具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)和調(diào)控能力，可以作為處理高濃度、偏酸性糖蜜酒精廢液生物反應(yīng)器啟動(dòng)和運(yùn)行調(diào)控的優(yōu)勢(shì)菌群。
(3)通過復(fù)合菌群對(duì)糖蜜酒精廢液的降解實(shí)驗(yàn)，對(duì)復(fù)合菌群的降解特性及COD、pH、溫度等各種生態(tài)因子對(duì)復(fù)合菌群降解性能的影響進(jìn)行了分析，為該復(fù)合菌群的工程應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
