高效微生物絮凝劑產(chǎn)生菌GL-6發(fā)酵條件優(yōu)化及對含油廢水處理的研究

高效微生物絮凝劑產(chǎn)生菌GL-6發(fā)酵條件優(yōu)化及對含油廢水處理的研究

高藝文1,李偉斯2,李政1,楊磊1

(1.遼寧石油化工大學(xué)化學(xué)化工與環(huán)境學(xué)部，遼寧 撫順 113001；2.臨沂市環(huán)境保護(hù)局，山東 臨沂 276000)

摘要：從油田采出水中分離篩選出一株高效微生物絮凝劑產(chǎn)生菌GL-6(芽孢桿菌，Bacillus sp.)，通過單因素實驗(碳源濃度、有機氮源濃度、初始pH值)和3因素3水平正交實驗確定GL-6的最佳發(fā)酵條件。結(jié)果表明，在碳源濃度為20 g·L-1、有機氮源濃度為0.5 g·L-1、初始pH值為7.0的發(fā)酵條件下，菌株GL-6所產(chǎn)絮凝劑的絮凝效果最好。在最佳發(fā)酵條件下，微生物絮凝劑對含油廢水中濁度、石油類和COD 的去除率分別達(dá)到92.4%、62.1%和20.0%，絮凝效果優(yōu)于無機絮凝劑，具有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：微生物絮凝劑產(chǎn)生菌；發(fā)酵條件；含油廢水

基金項目：遼寧省教育廳科學(xué)研究項目(L2014148)

收稿日期：2015-04-30

作者簡介：高藝文，女，山東龍口人，研究方向：水污染控制，E-mail:1783234693@qq.com;通訊作者：李政，博士，講師，E-mail:lizheng.zz@163.com。

doi：10.3969/j.issn.1672-5425.2015.09.014

中圖分類號：X 703 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

微生物絮凝劑(microbial flocculant，MBF)是一種由微生物產(chǎn)生的有絮凝活性的有機高分子物質(zhì)[1-2]。微生物絮凝劑是一種新興的綠色水處理劑，與傳統(tǒng)絮凝劑相比，具有安全、高效、可生物降解、無毒、無二次污染等特點，因此有逐步取代傳統(tǒng)絮凝劑的趨勢，受到了越來越多的關(guān)注[3-5]。但由于用量大、成本高等問題制約了其發(fā)展應(yīng)用[6-8]。因此，尋找高效微生物絮凝劑產(chǎn)生菌，優(yōu)化其發(fā)酵條件具有現(xiàn)實意義。

作者從油田采出水中篩選獲得一株絮凝劑產(chǎn)生菌GL-6，通過單因素實驗和正交實驗確定GL-6的最佳發(fā)酵條件，考察在最佳發(fā)酵條件下所得微生物絮凝劑對含油廢水的處理效果，以期為微生物絮凝劑在含油廢水處理領(lǐng)域的應(yīng)用提供參考。

1實驗

1.1　材料、培養(yǎng)基與儀器

絮凝劑產(chǎn)生菌GL-6篩選自油田采出水，經(jīng)鑒定為芽孢桿菌(Bacillussp.)。

含油廢水來源于某煉油廠污水處理車間隔油池后未加絮凝劑處理的污水，水質(zhì)指標(biāo)：濁度80 FTU，石油類150.23 mg·L-1，COD 835.42 mg·L-1。

發(fā)酵培養(yǎng)基：葡萄糖 20 g，酵母膏 0.5 g，尿素 0.5 g，K2HPO45 g，KH2PO42 g，(NH4)2SO40.2 g，MgSO4·7H2O 0.2 g，蒸餾水 1 000 mL，pH 值7.0～7.2。

OIL-510型紅外分光測油儀，北京華夏科創(chuàng)儀器技術(shù)有限公司；微波密封消解COD速測儀，德國Berghof；SH-2500H型便攜式濁度儀，上海海恒機電儀表有限公司；DBJ-623型六聯(lián)變速攪拌機，解放軍四三三二廠；HZQ型水浴振蕩器，哈爾濱東聯(lián)電子技術(shù)開發(fā)有限公司。

1.2　方法

1.2.1菌株GL-6最佳發(fā)酵條件的確定

通過單因素實驗考察碳源濃度(5 g·L-1、10 g·L-1、15 g·L-1、20 g·L-1、25 g·L-1、30 g·L-1)、有機氮源濃度(0.1 g·L-1、0.3 g·L-1、0.5 g·L-1、0.7 g·L-1、0.9 g·L-1)和初始pH值(5.0、6.0、7.0、8.0、9.0、10.0)對GL-6所產(chǎn)微生物絮凝劑絮凝效果的影響。

在單因素實驗的基礎(chǔ)上，選取碳源濃度、有機氮源濃度和初始pH值進(jìn)行3因素3水平正交實驗。

1.2.2絮凝實驗

在500 mL燒杯中加入300 mL含油廢水和5 mL GL-6發(fā)酵液，置于六聯(lián)變速攪拌機上攪拌，分別先后設(shè)置轉(zhuǎn)速和時間為快速200 r·min-1攪拌2 min，慢速20 r·min-1攪拌5 min，攪拌完成后靜置10 min。在燒杯內(nèi)同一高度用注射器吸取上清液，測定微生物絮凝劑對含油廢水的處理效果。

1.2.3濁度、石油類和COD去除率的測定

含油廢水的濁度采用濁度計法[9]測定，按GB/T 16488-1996對含油廢水的石油類含量進(jìn)行測定，參照文獻(xiàn)[10]對含油廢水的COD值進(jìn)行測定。

2結(jié)果與討論

2.1　碳源濃度的影響

在發(fā)酵培養(yǎng)基中分別加入5 g·L-1、10 g·L-1、15 g·L-1、20 g·L-1、25 g·L-1、30 g·L-1的葡萄糖作為唯一碳源，在30 ℃、120 r·min-1的條件下培養(yǎng)48 h，測定微生物絮凝劑對含油廢水中濁度、石油類和COD的去除效果，結(jié)果如圖1所示。

圖1　碳源濃度對絮凝效果的影響 Fig.1　Effect of carbon source concentration on flocculation efficiency

由圖1可知，隨著葡萄糖濃度的增加，菌株GL-6所產(chǎn)微生物絮凝劑對含油廢水中濁度、石油類、COD的去除率呈先上升后下降的趨勢；當(dāng)葡萄糖濃度為20 g·L-1時，微生物絮凝劑對含油廢水的處理效果達(dá)到最優(yōu)。由此可知，在一定濃度范圍內(nèi)提高葡萄糖的添加量，對微生物絮凝劑產(chǎn)生菌產(chǎn)絮能力的提高有促進(jìn)作用；但是葡萄糖的添加量過高，會對菌株的產(chǎn)絮能力有抑制作用。這可能是因為：葡萄糖過量的情況下會發(fā)生不完全氧化的現(xiàn)象，產(chǎn)生的中間產(chǎn)物(如丙酮酸、乳酸、乙酸等)會使培養(yǎng)基由中性變?yōu)樗嵝?，進(jìn)而抑制微生物絮凝劑產(chǎn)生菌的生長[11]。因此，初步確定發(fā)酵培養(yǎng)基的最佳碳源濃度為20 g·L-1。

2.2　有機氮源濃度的影響

在發(fā)酵培養(yǎng)基中以20 g·L-1的葡萄糖作為碳源，然后分別加入0.1 g·L-1、0.3 g·L-1、0.5 g·L-1、0.7 g·L-1、0.9 g·L-1的酵母膏作為有機氮源，在30 ℃、120 r·min-1的條件下培養(yǎng)48 h，測定微生物絮凝劑對含油廢水中濁度、石油類和COD的去除效果，結(jié)果見圖2。

圖2　有機氮源濃度對絮凝效果的影響 Fig.2　Effect of organic nitrogen source concentration on flocculation efficiency

由圖2可知，隨著酵母膏濃度的增加，菌株GL-6所產(chǎn)微生物絮凝劑對含油廢水中濁度、石油類、COD的去除率呈先上升后下降的趨勢；當(dāng)有機氮源濃度為0.7 g·L-1時，微生物絮凝劑對含油廢水的處理效果達(dá)到最優(yōu)。由此可知，一定濃度的有機氮源對微生物絮凝劑產(chǎn)生菌產(chǎn)絮能力的提高有促進(jìn)作用；但是過高濃度的有機氮源會對菌株的產(chǎn)絮能力有抑制作用。這可能是因為：碳源濃度一定、有機氮源過量的情況下，碳氮比減小，系統(tǒng)呈營養(yǎng)失衡狀態(tài)，不利于微生物絮凝劑產(chǎn)生菌的生長，導(dǎo)致絮凝活性降低。因此，初步確定發(fā)酵培養(yǎng)基的最佳有機氮源濃度為0.7 g·L-1。

2.3　初始pH值的影響

將發(fā)酵培養(yǎng)基的初始pH值分別設(shè)定為5.0、6.0、7.0、8.0、9.0、10.0，在30 ℃、120 r·min-1的條件下培養(yǎng)48 h，測定微生物絮凝劑對含油廢水中濁度、石油類和COD的去除效果，結(jié)果如圖3所示。

圖3　初始pH值對絮凝效果的影響 Fig.3　Effect of initial pH value on flocculation efficiency

由圖3可知，隨著初始pH值的升高，含油廢水中濁度、石油類、COD的去除率升高，當(dāng)初始pH值為7.0時，處理效果最好，濁度、石油類和COD的去除率均達(dá)到最大值。此后，隨著初始pH值的繼續(xù)升高，處理效果逐漸變差。這可能是因為：過酸或過堿的環(huán)境不利于菌體生長，對代謝產(chǎn)物的生成產(chǎn)生不良影響，使絮凝效果變差[12-13]。另外，體系pH值會改變微生物表面的電荷性質(zhì)，進(jìn)一步影響微生物絮凝劑的絮凝效果[14]?？梢姡闓L-6適于在中性偏堿性的條件下進(jìn)行發(fā)酵，所產(chǎn)微生物絮凝劑對含油廢水中濁度、石油類、COD的去除率達(dá)到最大。因此，初步確定發(fā)酵培養(yǎng)基最佳初始pH值為7.0。

2.4　正交實驗

結(jié)合單因素實驗，設(shè)計碳源濃度、有機氮源濃度和初始pH值的3因素3水平正交實驗，優(yōu)化GL-6的發(fā)酵條件，正交實驗的結(jié)果與分析見表1。

表1正交實驗的結(jié)果與分析

Tab.1Results and analysis of orthogonal experiment

編號有機氮源濃度g·L-1碳源濃度g·L-1初始pH值石油類去除率%10.5207.063.7120.5258.059.9230.5309.057.2540.7209.060.6450.7257.058.6360.7308.059.5270.9208.060.1880.9259.059.3790.9307.058.14k160.29361.51060.867k259.59759.30759.567k359.23058.30358.687R1.0633.2072.180

從表1可看出，菌株GL-6的發(fā)酵條件對含油廢水中石油類去除率影響的主次順序為：碳源濃度>初始pH值>有機氮源濃度。該微生物絮凝劑產(chǎn)生菌的最佳發(fā)酵條件為：碳源濃度20 g·L-1，有機氮源濃度0.5 g·L-1，初始pH值7.0。

2.5　最優(yōu)發(fā)酵條件下的絮凝效果

菌株GL-6在葡萄糖20 g·L-1、酵母膏0.5 g·L-1、初始pH值7.0的發(fā)酵培養(yǎng)基中，于30 ℃、120 r·min-1條件下培養(yǎng)48 h，獲得微生物絮凝劑。分別使用相同濃度的微生物絮凝劑、聚合氯化鋁(PAC)和聚丙烯酰胺(PAM)處理相同的含油廢水，比較3者對含油廢水的處理效果，結(jié)果如圖4所示。

圖4　不同絮凝劑絮凝效果比較 Fig.4　Flocculation efficiency comparison of different flocculants

由圖4可知，對菌株GL-6的發(fā)酵條件進(jìn)行優(yōu)化后，所產(chǎn)MBF對含油廢水中濁度、石油類和COD的去除率分別達(dá)到92.4%、62.1%和20.0%。MBF、PAC和PAM對含油廢水中濁度的去除能力相當(dāng)，均在90%以上；MBF、PAC和PAM對石油類的去除率分別為62.1%、35.9%、41.3%，對COD的去除率分別為20.0%、15.6%和13.6%，因此與無機絮凝劑相比，MBF對石油類和COD的去除效果更好。

3結(jié)論

從油田采出水中分離篩選出一株高效微生物絮凝劑產(chǎn)生菌GL-6(芽孢桿菌，Bacillussp.)，通過單因素實驗和正交實驗得到微生物絮凝劑產(chǎn)生菌GL-6的最佳發(fā)酵條件為：葡萄糖20 g·L-1，酵母膏0.5 g·L-1，初始pH值7.0。菌株GL-6在最優(yōu)發(fā)酵條件下所產(chǎn)微生物絮凝劑對含油廢水中濁度的去除率為92.4%，對石油類的去除率為62.1%，對COD的去除率為20.0%。相同濃度的微生物絮凝劑對含油廢水的絮凝效果優(yōu)于無機絮凝劑,因此具有廣闊的應(yīng)用前景。

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Optimization of Fermentation Conditions of A High Efficient Microbial

Flocculant-Producing Strain GL-6 and Its Application in Oily

Wastewater Treatment

GAO Yi-wen1,LI Wei-si2,LI Zheng1,YANG Lei1

(1.CollegeofChemistry,ChemicalEngineeringandEnvironmentalEngineering,

LiaoningShihuaUniversity,Fushun113001,China；

2.LinyiEnvironmentalProtectionBureau,Linyi276000，China)

Abstract：A high efficient microbial flocculant-producing strain GL-6 (Bacillus sp.) was screened from oilfield produced water.The optimum fermentation conditions of GL-6 were determined by single factor experiment(carbon source concentration,organic nitrogen source concentration,initial pH value) and orthogonal experiment.Results showed that，the optimum conditions were carbon source concentration of 20 g·L-1,organic nitrogen source concentration of 0.5 g·L-1,initial pH value of 7.0.Under above conditions,the turbidity removal rate was up to 92.4%,the removal rates of petroleum and COD were up to 62.1% and 20.0%,respectively.The microbial flocculant was much better than inorganic flocculants and had a broad prospect in application.

Keywords：microbial flocculant-producing strain；fermentation condition；oily wastewater