利用酵母菌處理高濃度有機(jī)廢水研究*

晁 聰,崔俊華,王培寧,張建輝

(河北工程大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院,河北,邯鄲,056038)

利用酵母菌處理高濃度有機(jī)廢水研究*

晁 聰,崔俊華,王培寧,張建輝

(河北工程大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院,河北,邯鄲,056038)

對(duì)酵母菌在高濃度有機(jī)廢水處理中的作用進(jìn)行闡述,總結(jié)酵母菌處理技術(shù)的研究現(xiàn)狀,對(duì)幾種難處理高濃度有機(jī)廢水(味精廢水、橄欖油廠廢水、皂素廢水、果汁廢水、木薯酒精廢液)的酵母菌處理技術(shù)進(jìn)行概括。酵母菌處理技術(shù)具有一定的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益,發(fā)展前景良好。

酵母菌;處理技術(shù);高濃度有機(jī)廢水;單細(xì)胞蛋白;資源化

引言

高濃度有機(jī)廢水通常是指由食品、造紙及皮革等行業(yè)排放的COD在2 000mg/L以上的廢水。這類廢水含有豐富的碳水化合物、脂肪、纖維、蛋白質(zhì)等有機(jī)物,直接排放對(duì)水環(huán)境造成嚴(yán)重污染。

普通的好氧生物法容積負(fù)荷低,一般來說不太適合處理高濃度有機(jī)廢水。近年來有人研制出一些高效的好氧生物處理工藝,如深井曝氣、好氧流化床等。然而這些方法礙于種種原因而使推廣受限。

1 酵母菌處理廢水概述

酵母菌有發(fā)酵型和氧化型兩種,其中主要用于廢水處理的為氧化型酵母菌。因其具有細(xì)胞大、生長快、適應(yīng)能力強(qiáng)、能形成良好絮體、代謝旺盛、耐酸、耐高滲透壓、耐高濃度有機(jī)底物等特點(diǎn),在處理高糖高碳高滲透壓環(huán)境有機(jī)廢水,如橄欖油加工廢水、味精廢水、印染廢水、蜜糖廢水、釀造廢水、制漿廢水時(shí)優(yōu)勢顯著。

酵母菌特有的氧化分解酶系可直接降解高濃度油脂類物質(zhì),收獲剩余菌體可得到可觀的SCP[1](單細(xì)胞蛋白)。利用酵母菌生產(chǎn)SCP,原料豐富,成本低廉,生產(chǎn)周期甚短,產(chǎn)品營養(yǎng)頗豐,蛋白質(zhì)含量較高,氨基酸組成齊全,且含有許多維生素(如維生素A、維生素 E)和 Ca、K、Fe等離子[2]。作為動(dòng)物飼料添加劑有著不可估量的價(jià)值。

2 酵母菌處理技術(shù)在廢水處理中的發(fā)展應(yīng)用

2.1 酵母菌處理技術(shù)的起源

第二次世界大戰(zhàn)以后,石油化工和發(fā)酵技術(shù)的進(jìn)步、蛋白質(zhì)的大量缺乏,促使人們產(chǎn)生利用石油特別是有機(jī)廢料如酒精廢水、糖蜜廢水等發(fā)酵生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白(SCP)的想法。但有科學(xué)家質(zhì)疑其中含有有害物質(zhì),故SCP目前只用于動(dòng)物飼料[3]。起初酵母菌處理酒精廢水、蜜糖廢水是以生產(chǎn)SCP為主要目的,菌種一般為純種,且生產(chǎn)條件要求嚴(yán)格——必須在無菌的環(huán)境中進(jìn)行處理,處理成本高而有機(jī)物去除率低(COD去除率一般為50%～70%)。

20世紀(jì)90年代初,日本西元環(huán)境衛(wèi)生研究所(NRIB)的Yashizawa等人率先在世界上實(shí)現(xiàn)了酵母菌處理有機(jī)廢水技術(shù)實(shí)用化[4]。在高濃度有機(jī)廢水的前段處理中,利用篩選出來的酵母菌高效分解大量有機(jī)化合物,最大程度地降低了廢水的有機(jī)負(fù)荷。經(jīng)酵母菌處理后的廢水用常規(guī)活性污泥法等工藝進(jìn)一步處理即可達(dá)標(biāo)。由此開始,酵母菌在環(huán)境工程中的應(yīng)用逐漸受到青睞。由表1可見酵母菌處理技術(shù)與活性污泥法之間的優(yōu)劣。

表1 酵母菌處理技術(shù)與其他處理技術(shù)的比較

2.2 典型酵母菌廢水處理工藝

酵母菌廢水處理技術(shù)區(qū)別于傳統(tǒng)的酵母生產(chǎn)技術(shù),它以去除廢水中的COD和BOD為主要目的。在廢水處理裝置的運(yùn)行方式上與普通的活性污泥法非常相似,主要是利用曝氣池。該工藝不需要無菌條件、特別制備菌種和發(fā)酵罐,因此處理成本較低。

首先從目的水樣環(huán)境中篩選酵母菌菌種,在完全開放的條件下以好氧的方式對(duì)廢水進(jìn)行處理。廢水經(jīng)生長有混合菌種的曝氣池曝氣后進(jìn)入一沉池,通過酵母菌體的自然沉降達(dá)到固液分離的目的。上清液進(jìn)入后續(xù)處理工藝,經(jīng)過進(jìn)一步處理達(dá)標(biāo)排放。一沉池中的酵母泥部分回流到酵母反應(yīng)池,剩余酵母經(jīng)離心分離處理或板框壓濾機(jī)處理后得到水分含量較少的菌體,該菌體是飼料添加劑的重要原料。對(duì)于COD含量較低的有機(jī)廢水,可在生長有酵母菌的接觸氧化池或好氧污泥流化床等好氧設(shè)備中處理后直接排放。常用典型的好氧酵母菌廢水處理技術(shù)工藝流程如圖1所示[5]：

圖1 典型酵母菌廢水處理工藝

從廢水處理資源化角度考慮,有研究者對(duì)上述工藝進(jìn)行了改造——將開放的酵母反應(yīng)池改為發(fā)酵罐[6],再添加一套離心分離裝置,從而實(shí)現(xiàn)資源化與污水處理的雙贏。

3 難處理高濃度有機(jī)廢水的酵母菌處理技術(shù)

酵母菌生長的最佳pH為3.5～6.0,能耐受較高濃度的氨氮和硫酸鹽,酵母菌體還可吸附重金屬離子。另外酵母菌在處理負(fù)荷、污泥生成量、需氧量和耐滲透壓方面有很大優(yōu)勢。這些特性決定了其在處理某些難處理有機(jī)廢水中有不可替代的作用。

酵母菌-活性污泥連續(xù)系統(tǒng)處理味精廢水,關(guān)鍵技術(shù)在于尋找高效菌劑。味精廢水具有高COD,高NH3-N,高氯和酸性強(qiáng)的特點(diǎn),直接排放造成嚴(yán)重的環(huán)境污染,是制約味精生產(chǎn)企業(yè)發(fā)展的主要障礙。有研究者從味精生產(chǎn)廢水的污泥中分離純化出耐氨、耐酸、高效降解味精廢水的嗜鹽假絲酵母菌和黏紅酵母菌。隨后用其組成的混合酵母菌,在酵母菌處理系統(tǒng)耦合活性污泥處理系統(tǒng)中,進(jìn)行了一系列批量小試試驗(yàn)。在酵母菌前處理系統(tǒng)后,添加了氨吹托系統(tǒng),使后續(xù)處理系統(tǒng)投加的堿量明顯減少。而酵母菌系統(tǒng)出水經(jīng)離心處理將固液分離——菌體收集,廢液除氨后進(jìn)入活性污泥處理系統(tǒng)。一般來說單獨(dú)的酵母菌前處理工藝,就可使COD去除率達(dá)到60%以上。

橄欖油廠廢水可用酵母菌耦合厭氧消化法處理。耦合厭氧細(xì)菌消化的好氧處理具有經(jīng)濟(jì)可行性：首先,好氧處理的污泥生成量是厭氧處理的3到20倍,而污泥的處理一直是難點(diǎn);其次,好氧處理轉(zhuǎn)化50%的碳為生物量,而厭氧消化只轉(zhuǎn)化5%,耗能較少[7];且該系統(tǒng)可在產(chǎn)沼氣的同時(shí)凈化污水,脫色效果明顯。為使整個(gè)處理過程的總性能得到改善,可將混合有乳清的混合培養(yǎng)基加入好氧預(yù)處理系統(tǒng)培養(yǎng)熱帶假絲酵母菌。

生物接觸氧化工藝處理皂素廢水,是以復(fù)合酵母菌群作為生物接觸氧化工藝中的優(yōu)勢菌種來處理皂素生產(chǎn)廢水。皂素廢水經(jīng)酵母菌預(yù)處理后,不能達(dá)標(biāo)排放,需要進(jìn)行后續(xù)處理。安麗平等人研究皂素廢水處理時(shí)將一次水解廢水和后續(xù)漂洗水分開進(jìn)行處理,利用一次廢水生產(chǎn)工業(yè)酒精,對(duì)廢水的預(yù)處理和酒精發(fā)酵條件進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)優(yōu)化。一次水解廢水的COD去除率可達(dá)75%,酒精發(fā)酵后的廢醪液則用于制造有機(jī)肥,使皂素生產(chǎn)總廢水量大大降低、水質(zhì)得到了明顯改善,再采用厭氧—好氧組合處理工藝即可使其達(dá)標(biāo)排放,具有明顯的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益[8]。

產(chǎn)朊假絲酵母可用于處理果汁廢水。鄭志偉等人結(jié)合高濃度果汁廢水的特點(diǎn),研究出以生產(chǎn)SCP為主要目的的處理工藝。果汁廢水在用酵母菌處理之后,需要后續(xù)添加常規(guī)好氧廢水處理工藝,方能達(dá)標(biāo)排放。試驗(yàn)結(jié)果表明,產(chǎn)朊假絲酵母菌對(duì)高濃度果汁廢水具有很高的處理效率,該工藝具有普遍的實(shí)用性[9]。

木薯酒精廢液成分復(fù)雜,呈酸性,COD濃度高達(dá)30 000mg/L,且廢水排放量大。應(yīng)用酵母菌處理高濃度木薯酒精廢液可替代高效厭氧工藝,與好氧工藝結(jié)合能達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。有研究表明,酵母菌處理不同濃度廢水時(shí)的COD去除率均在84%以上,且差別不大。說明酵母菌具有較高的處理能力,即使在起始負(fù)荷接近30 000mg/L時(shí),仍能生長并有效去除COD[10]。

4 總結(jié)與展望

傳統(tǒng)的污水處理工藝在處理過程中,一方面以能消能,產(chǎn)生大量CO2——不僅加重溫室效應(yīng),而且造成資源的浪費(fèi);另一方面,產(chǎn)生大量無法有效處理或利用的剩余污泥。與之相比,酵母菌處理工藝優(yōu)勢顯著：

⑴酵母菌對(duì)環(huán)境條件要求相當(dāng)寬松,因此在處理廢水中發(fā)揮著獨(dú)特作用。它既能直接降解高濃度油脂類物質(zhì),又能在高糖、高酸等惡劣環(huán)境中生存,且活的或死的酵母菌體均可吸附重金屬;

⑵對(duì)于制油、制糖、味精、啤酒等行業(yè)的廢水,用酵母菌處理無毒、無害,不僅能大大改善水質(zhì),將大部分有機(jī)污染物轉(zhuǎn)化成細(xì)胞蛋白,而不是CO2,同時(shí)產(chǎn)生的細(xì)胞蛋白SCP也是人類所難得的寶貴資源,具有良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益,而不是產(chǎn)生造成二次污染的剩余污泥;

⑶另外,近年來國外報(bào)導(dǎo)酵母菌體還可用于生物制氫[11],發(fā)展前景良好。

但目前國內(nèi)對(duì)酵母菌處理技術(shù)的研究尚處初級(jí),大多仍停留在菌株搖瓶培養(yǎng)試驗(yàn)或者條件試驗(yàn)的水平,亟需加強(qiáng)深入探討酵母菌的工程應(yīng)用技術(shù)。相信經(jīng)過反復(fù)研究、實(shí)踐和改進(jìn)之后,酵母菌處理技術(shù)終將會(huì)在高濃度有機(jī)廢水的處理和資源化方面,發(fā)揮不容小覷的作用。

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Researches on High Concentration Organic Wastewater Yeast Treatment Technology

CHAO Cong,CUI Jun-hua,WANG Pei-ning,ZHANG Jian-hui
(Faculty of Urban Construction,Hebei University of Engineering,Handan,056038,Hebei)

The role of yeasts in the treatment of high concentration organic waste water was described in this article.The research situation of yeast treatment technology was summarized.Generalized the yeast treatment technology to several high concentration organic waste water which is difficult to be dealt with,such as the treatment of mono sodium glutamate wastewater,olive mill waste water,soap wastewater,syrup wastewater,cassava alcohol wastewater.The author also points out that there are certain social and economic benefits of the yeast treatment technology,whose future development is prospected.

Yeast;Treatment technology;High concentration organic wastewater;SCP;Resource

O621.25+1

A

1672-1047(2010)01-0040-04

10.3969/j.issn.1672-1047.2010.01.12

2010-01-13

晁 聰,女,河北工程大學(xué)環(huán)境工程專業(yè)在讀研究生,研究方向：水污染控制與工程。

[責(zé)任編輯：秦春娥]