利用污泥提取液制備微生物絮凝劑

王 爽, 李 昂, 李 琳, 李維國*, 馬 放*

1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海)海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,山東 威海 264209;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)城市水資源與水環(huán)境國家重點實驗室,哈爾濱 150090

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利用污泥提取液制備微生物絮凝劑

王 爽1, 李 昂2, 李 琳2, 李維國1*, 馬 放2*

1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海)海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,山東 威海 264209;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)城市水資源與水環(huán)境國家重點實驗室,哈爾濱 150090

以污水廠剩余污泥作為培養(yǎng)基原料，經(jīng)過一系列處理，探索微生物絮凝劑產(chǎn)生菌的最適發(fā)酵培養(yǎng)基配方，結(jié)果表明，污泥預(yù)處理條件以pH 12堿解條件最優(yōu)，碳氮源產(chǎn)出量最大，補加8 g/L葡萄糖后滅菌，微生物絮凝劑產(chǎn)生菌LLin6可正常產(chǎn)絮，絮凝率達91.55%。該結(jié)果為降低微生物絮凝劑的制備成本，并實現(xiàn)污泥的減量化和污泥資源化利用提供了基礎(chǔ)。

剩余污泥；微生物絮凝劑；絮凝率

微生物絮凝劑(microbial flocculants，MBF)是微生物代謝過程中產(chǎn)生的次級代謝物，主要通過微生物發(fā)酵獲得，通過分離、提取與精煉獲得的特殊大分子物質(zhì)，有絮凝懸浮粒固體、細(xì)胞和膠體顆粒等功能[1]。生物絮凝劑是一種環(huán)境友好型的水處理材料，因其具有極高的安全度、高度的有效性、無毒及容易生物降解等特性，非常符合可持續(xù)發(fā)展的要求[2]。

針對絮凝劑生產(chǎn)成本高的問題，各國學(xué)者開展了較多研究[3～5]，以期獲得廉價替代培養(yǎng)基。污泥中有機物含量較高，具有很高的再利用價值[6]。利用污水廠排出的剩余污泥作為廉價底物用于微生物絮凝劑的制備，既可顯著降低微生物絮凝劑的生產(chǎn)成本，又可對剩余污泥加以利用，實現(xiàn)了剩余污泥的資源化利用。

本文對污泥提取液的制備方法與產(chǎn)絮菌污泥培養(yǎng)條件進行研究，以期為利用污泥提取液制備微生物絮凝劑的應(yīng)用提供基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1.1 材料

1.1.1 原料污泥 采用取自哈爾濱市某污水廠的剩余污泥。

1.1.2 微生物絮凝劑產(chǎn)生菌 菌種為城市水資源與水環(huán)境國家重點實驗室(哈爾濱工業(yè)大學(xué))開發(fā)的高效絮凝菌LLin6，保藏編號CGMCC：10180，屬于不動桿菌屬(Acinetobactersp.)。

1.1.3 主要試劑與儀器 高嶺土購自濟寧高新區(qū)泰豐化輕技術(shù)裝備研究所；酵母膏購自北京奧博星生物技術(shù)有限公司；BSA試劑盒為SIGMA公司產(chǎn)品；化學(xué)試劑均為國產(chǎn)分析純。六聯(lián)混凝攪拌儀(ZR4-6型，深圳中潤水工業(yè)技術(shù)發(fā)展公司)；分光光度計(T6新世紀(jì)型，北京普析通用儀器有限公司)；TOC測定儀(TOC-VCPN型，日本島津)；總氮測定儀(TNM-1，日本島津)。

1.1.4 培養(yǎng)基 種子培養(yǎng)基：葡萄糖10 g/L，K2HPO45 g/L，KH2PO42 g/L，尿素0.5 g/L，酵母膏0.5 g/L，MgSO4·7H2O 0.2 g/L，NaCl 0.1 g/L，pH 7.0。

污泥提取液培養(yǎng)基：將20～30 g/L的污泥進行堿解(pH 12)處理3 h后，將處理液在8 000 r/min下離心5 min，上清液112℃下滅菌30 min后即為污泥提取液培養(yǎng)基。

1.2 方法

1.2.1 正交試驗設(shè)計 設(shè)計正交試驗考察溫度、pH、處理時間對污泥破碎釋放有機物的影響程度，從而確定污泥預(yù)處理的方法。實驗設(shè)置如表1。

表1 正交試驗的因素水平Table 1 Factors and levels in orthogonal experiment design.

1.2.2 污泥處理液分析 分析污泥處理液的各項水質(zhì)指標(biāo)：總有機碳量(total organic carbon，TOC)采用TOC測定儀測定，總氮(total nitrogen，TN)用TNM-1總氮測定儀測定，總磷(total phosphorus，TP)含量采用鉬銻抗分光光度法測定[7]，氨氮濃度采用納氏試劑比色法測定[7]。對污泥處理液進行多糖、蛋白質(zhì)含量的測定，確定最佳預(yù)處理條件。多糖濃度測定采用苯酚硫酸法[8]；蛋白質(zhì)含量采用BSA試劑盒進行測定。

1.2.3 發(fā)酵 將1.1.2中的菌種活化后接種到種子培養(yǎng)基，搖床培養(yǎng)(50 mL/250 mL)24 h，培養(yǎng)溫度30℃，搖床轉(zhuǎn)速140 r/min。以污泥提取液為發(fā)酵培養(yǎng)基培養(yǎng)產(chǎn)絮菌：按5%的接種量將種子培養(yǎng)液接入污泥培養(yǎng)液，發(fā)酵溫度30℃，搖床轉(zhuǎn)速為140 r/min，初始pH 為7。

1.2.4 絮凝率的測定 采用自來水配制的高嶺土懸濁液(5 g/L)作為試驗水樣，取發(fā)酵24 h的產(chǎn)絮菌發(fā)酵液10 mL，按順序投加發(fā)酵液和1.5 mL 10%的CaCl2溶液，調(diào)節(jié)pH至7左右，以不添加發(fā)酵液的水樣作為空白對照。在六聯(lián)混凝攪拌儀上完成攪拌之后靜沉20 min，其中水力條件為二段式攪拌(第一段攪拌速度為160 r/min，攪拌時間為40 s；第二段攪拌速度為40 r/min，攪拌時間為280 s)。測定樣品上清液在550 nm處的吸光度，以吸光度值計算絮凝率，公式如下：

絮凝率=(A-B)/A×100%

式中，A：對照上清液吸光度值；B：樣品上清液吸光度值。

1.2.5 MBF產(chǎn)量的測定 取發(fā)酵24 h的產(chǎn)絮菌發(fā)酵液50 mL，于10 000 r/min離心10 min，向其上清液中加入2倍體積的無水乙醇(4℃下預(yù)冷24 h)，充分?jǐn)嚢?，收集出現(xiàn)的絮體，對獲得的上清液進行多次乙醇提取后，將收集到的絮體于105℃干燥至質(zhì)量恒定，得到絮凝劑粗品，稱重。

1.2.6 污泥提取液培養(yǎng)基的優(yōu)化 污泥提取液分別補加2 g/L、4 g/L、6 g/L和8 g/L葡萄糖，112℃下滅菌30 min后作為產(chǎn)絮菌的發(fā)酵培養(yǎng)基，發(fā)酵條件同1.2.3，測定發(fā)酵培養(yǎng)后絮凝率和MBF產(chǎn)量。

2 結(jié)果與分析

2.1 污泥提取液處理方法的確定

2.1.1 預(yù)處理方法的正交試驗結(jié)果 按正交實驗設(shè)計考察各因素對污泥預(yù)處理的影響。分析處理液中污泥破碎程度，以污泥釋放有機物(TOC、TN)的濃度表征，并考察處理后污泥的減少率情況，結(jié)果如表2～4所示。

表2 正交試驗中污泥處理液的TOC濃度Table 2 TOC concentration of sludge treatment solution in orthogonal experiment.

表3 正交試驗中污泥處理液的TN濃度Table 3 TN concentration of sludge treatment solution in orthogonal experiment.

對污泥進行預(yù)處理一方面是要得到可以生產(chǎn)生物絮凝劑的培養(yǎng)基，因此污泥預(yù)處理要盡量使處理液中的營養(yǎng)物質(zhì)含量保持較高水平。在表2、表3中，極差RA>RB>RC，污泥處理各因素對TOC和TN的影響程度為pH>溫度>時間，pH偏堿性和高溫條件效果最佳，并且在最佳pH和溫度組合條件下，處理時間不宜過長。

另一方面可以減少污泥，達到污泥資源化、減量化。本實驗利用污泥減少率表征污泥資源化程度。污泥減少率極差RA>RB>RC(表4)，表明pH和溫度對其影響較大。

表4 正交試驗中污泥處理后的污泥減少率Table 4 Sludge reduction rate after sludge treated in orthogonal experiment.

2.1.2 不同酸堿度、溫度條件下的預(yù)處理效果 進一步考察對污泥酸解、堿解和不同溫度的預(yù)處理方法。在30℃，在不同pH條件下處理污泥3 h，離心后得到的提取液水質(zhì)分析結(jié)果如圖1所示，酸解、堿解處理污泥釋放的總碳、總氮濃度在pH 12條件下最高，此條件下碳氮源較多。雖然總磷和氨氮濃度在此條件下均不高，但對產(chǎn)絮菌的影響不大。

pH 7條件下，以不同溫度處理污泥3 h得到處理液的水質(zhì)分析結(jié)果如圖2。100℃條件下，污泥釋放的總碳、總氮濃度最高，總磷和氨氮濃度均不高。

2.1.3 堿解與高溫預(yù)處理方法的比較 對堿解、高溫預(yù)處理效果進一步考察，于pH 12和100℃分別處理污泥后，對污泥處理液的蛋白、多糖濃度進行測定，結(jié)果見表5，堿解(pH 12)污泥處理液的多糖和蛋白濃度最大，接近培養(yǎng)要求，所以最終采取堿解的方法處理污泥。

圖1 不同pH條件下處理污泥所得提取液水質(zhì)分析Fig.1 Water quality analysis of the sludge extract under different treatment pH conditions.

圖2 不同溫度下處理污泥所得提取液水質(zhì)分析Fig.2 Water quality analysis of the sludge extract under different temperature conditions.

表5 pH 12和100℃條件下分別處理污泥所得提取液的蛋白、多糖濃度Table 5 Concentration of protein and polysaccharide in sludge extract after treatment in pH 12 and 100℃ respectively.

2.2 污泥提取液培養(yǎng)基的配置

污泥提取液中碳源濃度較低，不能給產(chǎn)絮菌提供足夠可利用碳源，因此考慮外加碳源，研究表明絮凝劑產(chǎn)生菌的最適碳源主要為葡萄糖[9]，因此選擇外加葡萄糖以提供碳源，考察葡萄糖添加量對產(chǎn)絮菌LLin6產(chǎn)絮的影響,結(jié)果如圖3。

未添加葡萄糖的污泥提取液培養(yǎng)基無絮凝效果，葡萄糖的加入大大提升了絮凝率，在補加量為8 g/L時絮凝效果最好，絮凝率可達到91.55%，產(chǎn)絮量2.5 g/L。但并非補加的葡萄糖越多越好，隨著葡萄糖濃度的增加，絮凝效果反而有所降低。結(jié)果表明，對于處理后的污泥提取液補加8 g/L葡萄糖，滅菌后作為產(chǎn)絮菌LLin6的發(fā)酵培養(yǎng)基是可行的，且絮凝率、產(chǎn)絮量均較高。

圖3 葡萄糖投加量對產(chǎn)絮菌產(chǎn)絮的影響Fig.3 Effects of glucose dosage on floc bacteria producing flocculant.

3 討論

污水處理廠污泥含有重金屬及病原菌等有害物質(zhì)，直接排放不僅對環(huán)境造成污染，同時也是資源的浪費。目前污泥回收再利用主要用于建筑材料、農(nóng)業(yè)用肥等，而將污泥預(yù)處理作為生物絮凝劑產(chǎn)生菌廉價發(fā)酵培養(yǎng)基還是先例。將污泥進行預(yù)處理，目的是使污泥的碳氮源最大量釋放，接近產(chǎn)絮菌培養(yǎng)條件。另一方面使污泥減少，本研究中污泥減少率達到30%～40%，說明利用污泥提取液作為產(chǎn)絮菌發(fā)酵培養(yǎng)基對污泥減量化和資源化是有效的。

微生物絮凝劑產(chǎn)生菌可以利用培養(yǎng)基中碳氮源合成胞外物質(zhì)，這些物質(zhì)可以對污水中顆粒物、細(xì)胞和膠質(zhì)吸附、聚集成大的顆粒物后沉降。而培養(yǎng)基價格昂貴一直是研究瓶頸。目前如李大鵬等[10]利用谷氨酸廢液作為氮源制備生物絮凝劑。李靜等[11]利用沼液作為廉價培養(yǎng)液。本研究利用污泥提取液作為產(chǎn)絮菌發(fā)酵培養(yǎng)基可獲得產(chǎn)絮菌生長所需的部分營養(yǎng)條件，但有機碳源不足?？疾靿A解和高溫預(yù)處理對污泥釋放碳氮源的影響，確定pH 12堿解條件下污泥提取液氮源釋放達200.54 mg/L，較其他條件高，可選取此條件處理污泥。預(yù)處理后的污泥提取液經(jīng)離心處理后添加8 g/L葡萄糖，配置后滅菌可以替代傳統(tǒng)產(chǎn)絮培養(yǎng)基為產(chǎn)絮菌提供營養(yǎng)物質(zhì)使其生長產(chǎn)絮。

本研究立足于污泥減量化和資源化利用，通過構(gòu)建低成本培養(yǎng)基的可行性配置方案，充分發(fā)揮生物絮凝劑產(chǎn)生菌資源的優(yōu)勢，為生物絮凝劑的低成本規(guī)?；苽涮峁┮欢ǖ募夹g(shù)支持和保障。

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Production of Microbial Flocculants from Sludge Extract

WANG Shuang1,LI Ang2,LI Lin2,LI Wei-guo1*,MA Fang2*

1.SchoolofMarineScienceandTechnology,HarbinInstituteofTechnologyatWeihai,ShandongWeihai264209,China;2.StateKeyLaboratoryofUrbanWaterResourceandEnvironment,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150090,China

Use sewage sludge as media materials,process the sewage sludge through a series of conditions aiming to use the treated sewage sludge as the fermentation medium of microbial flocculant producing bacteria.The results showed that alkaline hydrolysis of the sludge at pH 12 was the optimal pretreatment conditions,with maximum output of carbon and nitrogen.Sterilizing the sludge extract after adding 8 g/L glucose,the microbial flocculant producing bacteria LLin6 could normally produce flocculants,the flocculation rate could reach 91.55%.The present study would provide basis for reducing the expected cost of bioflocculant preparation and realizing sludge reduction and resources reutilization.

sludge; microbial flocculants; flocculation rate

2015-04-22; 接受日期：2015-05-04

國家重點實驗室開放基金項目(QA201016)資助。

王爽，碩士研究生，主要從事環(huán)境微生物研究。E-mail：1173828732@qq.com。*通信作者：李維國，副教授，博士，主要從事高鹽廢水處理與環(huán)境微生物研究。E-mail：lwghm@tom.com；馬放，教授，博士，主要從事環(huán)境生物技術(shù)研究。E-mail：mafang@hit.edu.cn

10.3969/j.issn.2095-2341.2015.03.12