賴萬東,揚(yáng)卓如,陳煥欽 (華南理工大學(xué),廣州 510641) 摘要:本研究通過篩選高效降油菌進(jìn)行除油實(shí)驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明,在操作條件為PH:5.5~7.0、溫度:25~35℃、溶氧值5.5 ~7.0mg/L條件下,投加混菌處理24h后,廢水中總油含量的去除率可達(dá)90.7%以上。另外,試驗(yàn)得出,在油含量E. oil≤2000mg/L時,生化反應(yīng)為一級反應(yīng)。 關(guān)鍵詞:廢水處理;油脂;生物降解;微生物 中圖分類號:X785 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1009-2455(2000)04-0021-03 Study of Bio-Degradation of Greasy Wastewater LAI Wan-dong, YANG Zhou-ru , CHEN Huan-qin Abstract: Tests were made for grease removal by screening of high-efficiency grease-degradating bacteria. Results of the tests show that under the operating conditions of PH=5.5~7.0,temperature=25 ~35℃and dissolved oxygen value=5.5~7.0mg/L, at the end of the treatment,i.e.24 hours after mixed bacteria were added in , the removal rate of the total grease content in the wastewater may reach 90.7% or higher. The tests also show that in case of E. oil≤200mg/L the bio-chemical reaction should be a primary reaction. Key words: wastewater treatment; grease; bio-degradation; microorganism 概述 油脂廢水是含油廢水中的一類,在食品加工、肉類聯(lián)合加工、合成洗滌劑廠及餐飲業(yè)的生產(chǎn)過程中都不斷有這類廢水排出。由于此類水中多數(shù)含有表面活性劑物質(zhì),油脂呈現(xiàn)出良好的乳化性和親水性,少量油脂就能導(dǎo)致水體CODcr、BOD5的值迅速超高,更增加了處理的難度[1,2]。對這類廢水若用化學(xué)絮凝、吸附、臭氧氧化、電解等方法處理,不但效果不明顯,且投資大,流程復(fù)雜,化學(xué)法還有產(chǎn)生二次污染的可能。相比之下,由于微生物能利用油脂作為生長所需的碳源和能源[3,4],并在酶的催化下將其水解成甘油、脂肪酸,最后降解為H2O、CO2等代謝產(chǎn)物。因此,生物法具有成本低,投資省,無二次污染的優(yōu)點(diǎn)。近幾十年來,國內(nèi)外對生物法處理含油廢水的研究逐漸形成熱點(diǎn),但目前文獻(xiàn)多集中于石油類的研究[5,6,7,8,9],對油脂廢水的報導(dǎo)還不多見[10]。本研究以油脂為生長限制性底物,篩選出2株高效降油菌進(jìn)行除油實(shí)驗(yàn),同時還考察了混菌對油脂的降解條件,并對其生化反應(yīng)動力學(xué)作了初步討論。 1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與方法 1.1 富培養(yǎng)基 牛肉膏:1g,蛋白胨:2g,酵母膏:1g,NaCL:1g,H2O:200mL,PH:6.0。 1.2 無機(jī)鹽培養(yǎng)液 K2HPO4.3H2O 1 g/L,KH2PO4.3H2O 1 g/L,Na2HPO4.3H2O 1 g/L, NaCl 0.5 g/L,MgSO4.7H2O 0.05 g/L。 1.3 分析項(xiàng)目與儀器 pH測定用玻璃電極酸度計(jì);溶氧值用MO128型溶氧測定儀;油含量Eoil(mg/L)使用OCMA-220型油份濃度分析儀(Eoil值代表廢水中的總油含量);菌體重用Stuorali電子分析天平。 1.4 高效降油菌的分離及馴化 將取自油脂加工廠廢水的活性污泥懸浮液接種于含油300mg/L無機(jī)鹽培養(yǎng)液中,置于30℃恒溫?fù)u床上進(jìn)行培養(yǎng),每24h后補(bǔ)充少量油脂,7天為一周期,每周期結(jié)束后將老菌液逐步移至油含量為600mg/L、900mg/L、1200mg/L......3000mg/L的無機(jī)鹽培養(yǎng)液中進(jìn)行馴化,最后劃平板分離,并將分離純化到的單菌移種到斜面上保存。單菌經(jīng)鑒定為芽孢桿菌屬(Bacillus Subtilis)和產(chǎn)堿桿菌屬(Alcaligenes- xylosoxidansss)。 將分離到的單菌移至同一富培養(yǎng)液中馴化培養(yǎng),每48h后,將菌液一分為二,分別加入同樣體積的富培養(yǎng)液中進(jìn)行增殖,重復(fù)此步驟多次,16天后將所有細(xì)胞懸液用離心機(jī)分離(9000r/min)10min,將菌體收集集中,再用0.02mol/L,pH=7的Na2HPO4-NaH2PO4緩沖液洗滌3次,用無菌水將菌體洗至消毒過的燒瓶中待用。 2 結(jié)果與討論 生物降解是一個相當(dāng)復(fù)雜的生化反應(yīng)體系,影響反應(yīng)速率的因素很多,除了菌種和基質(zhì)的結(jié)構(gòu)特性外,還包括基質(zhì)濃度和操作條件的影響。只有在適宜的條件下,細(xì)菌才能夠存活、生長和繁殖,其中溫度、pH值、溶氧值等操作因素對它們的影響較大,下面分別進(jìn)行討論。 2.1 廢水初始pH值對除油效果的影響 在初始油含量E.oiL=1500mg/L條件下,控制T=30℃,n=200rpm,投菌量=5.8g(濕重)/L,改變水的PH值,6H及24h后分別測量水中油含量的除去率,其結(jié)果見圖1。 
由圖1表明,在PH=5.5~7.0之間,混菌能有效地去除廢水中的油脂濃度,并隨著停留時間的延長,除油率逐漸增大,當(dāng)HRT=6h時,除油率為53.4%~67.0%;當(dāng)HRT=24h時,除油率達(dá)79.5%~88.6%,另外,當(dāng)PH<5.0或>9.0時,不利于水中油脂的去除,除油率迅速降低。 分析認(rèn)為,PH值對除油率的影響,主要表現(xiàn)在對細(xì)胞內(nèi)酶分子的活性作用上,隨著PH值變化,酶分子上的酸性及堿性氨基酸側(cè)鏈基團(tuán)處于不同的解離狀態(tài),具有催化活性的基團(tuán)在總酶量中的比例不同,使得酶分子的催化能力也不一樣。在PH=5.5~7.0范圍內(nèi),總酶量中活性基團(tuán)的比例迅速增加,酶分子的催化能力增強(qiáng),混菌對油脂降解力增大。 2.2 溫度的選擇 在其它條件相同的狀況下,即=E.oiL=1500mg/L,PH=6.5,n=200rpm,投菌量=5.8g/L(濕重),控制不同的環(huán)境溫度,測量總油量在水中的降解率。其結(jié)果見圖2。 
從圖2可看出:混菌最適降解溫度為25~35℃。在此范圍內(nèi),微生物繁殖速率加快,24h后除油率可達(dá)61.6%~88.7%,并以30℃時除油效果最佳,除油率達(dá)90%左右,以后再升高溫度,除油率不但不升反而略有降低,37℃時測得除油率僅為67.5%。另外,低溫對除油也不利,當(dāng)T=20℃時,除油效果明顯下降,除油率為48.2%;當(dāng)T=15℃時,除油率僅為32.0%。因此,可看出,除油菌屬嗜溫菌類(Mesophiles),在高溫及低溫狀況下,部分細(xì)菌進(jìn)入內(nèi)源呼吸期,開始代謝自身細(xì)胞內(nèi)的營養(yǎng)物質(zhì),并逐漸死亡,此時,細(xì)菌的生長、繁殖速率放緩,導(dǎo)致除油效率下降。 2.3 廢水中溶氧值的選擇 在T=30℃,PH=6.5,E.oiL=1500mg/L條件下,分別調(diào)節(jié)不同的搖床轉(zhuǎn)速,測定水中的DO值,重復(fù)三次,取其平均值,測定結(jié)果見表1。
表1 廢水中溶氧值與轉(zhuǎn)速的關(guān)系(T=30℃)轉(zhuǎn)速/rpm | 0 | 60 | 100 | 140 | 180 | 220 | 260 | 溶氧值/(mg.L-1) | 0.70 | 3.51 | 4.90 | 5.28 | 6.19 | 7.01 | 7.10 | 隨后,控制上述條件不變,向廢水中投加相同體積的菌液(5.8g(濕重)/L)/L),調(diào)節(jié)搖床轉(zhuǎn)速,測得在不同溶氧值下油含量的去除率,其關(guān)系曲線見圖3。
首先,從表1可以看出,隨著搖床轉(zhuǎn)速的增大,水中溶氧值不斷增大。其次,從DO與除油率關(guān)系曲線可知,在DO<6.19mg/L范圍內(nèi),除油率隨溶氧值的增加而迅速增加;當(dāng)DO=6.19mg/L時,除油效率到達(dá)較高值,約為90.7%左右,此后,除油效率提高幅度不大,隨溶氧變化放緩。分析認(rèn)為,本實(shí)驗(yàn)條件下,由于菌體能均勻地懸浮于水中,營養(yǎng)物質(zhì)的吸收及代謝物的分散都非常有利,氧在生物相間的傳質(zhì)阻力也可忽略,生化反應(yīng)控制步驟僅取決于氧在氣—液間的傳質(zhì)速率。隨著搖床轉(zhuǎn)速增大,引起水中溶氧值不斷增加,氣膜和液膜的厚度減薄,氣液相的接觸比表面積增大,氧傳遞阻力減少,氧傳質(zhì)速率提高,油脂降解速率增大;當(dāng)DO=6.19mg/L時,氧傳質(zhì)速率與油脂降解率相匹配,達(dá)到了一個動態(tài)的平衡過程,除油率達(dá)到較高值?90.7%。此后,當(dāng)溶氧值繼續(xù)增高時,整個反應(yīng)過程受菌體自身生長及代謝速率制約,導(dǎo)致總降解速度增加不快。另外,經(jīng)處理后,水中異味明顯消失,說明菌體對異味消除有一定成效。 2.4 油脂降解動力學(xué) 考察有機(jī)物降解速率是定量掌握其生物降解規(guī)律的一個重要方面,本研究在這方面作了一些工作。 取一定量的菌懸液接種于含油廢水中,控制溫度為30℃,n=220rpm,ph=7.0,考察混菌對初始油含量從500mg/L至4000mg/L范圍內(nèi)油脂的降解效果,結(jié)果見圖4。
圖4說明在相同的投菌量及初始油含量下,除油率隨時間的增加而增大。如,油含量E.oiL=1000mg/L時,HRT=12h后,除油率為89.5%,HRT=24h后,除油率增大到98.0%。另外,在同一時間內(nèi),除油率隨著油值增大而減小。當(dāng)油含量E.oiL≤2000mg/L時,混菌對油脂的降解效果很好,HRT=24h后,除油率最高可達(dá)到99.6%左右,幾乎完全降解;而油含量E.oiL>2000mg/L后,除油率迅速下降,當(dāng)E.oiL=4000mg/L時,HRT=24h,測得除油率僅為42.5%。此現(xiàn)象說明E.oiL=2000mg/L是一個臨界點(diǎn),油脂濃度高于臨界點(diǎn)值后,對微生物的活性會產(chǎn)生抑制作用,生化反應(yīng)為基質(zhì)控制步驟,水中油脂濃度的越高,生化反應(yīng)速率越低。此時,若想提高整體除油效果,應(yīng)考慮增設(shè)除浮油或稀釋等預(yù)處理手段加以輔助。 另外,在油含量E.oiL≤2000mg/L范圍內(nèi),生化反應(yīng)為一級反應(yīng)方程(見表2),但隨著初始油含量的增大,生化降解速率常數(shù)卻逐漸下降。 表2 油脂降解動力學(xué)方程總油含量/(mg.L-1) | 動力學(xué)方程 | 相關(guān)系數(shù) | 500 | lnS=0.2612t+509.66 | 0.9909 | 1000 | lnS=0.1537t+884.68 | 0.9873 | 1500 | lnS=0.1298t+1126.5 | 0.9689 | 2000 | lnS=0.0968t+1521.0 | 0.9436 | 3 結(jié)論 3.1 篩選出的芽孢桿菌(BacillusSubtilis)和產(chǎn)堿桿菌(Alcaligenes xylosoxidansss.)是高效降油菌。試驗(yàn)結(jié)果表明,混菌對油脂的最適降解條件為PH:5.5~7.0,溫度:25~35℃、溶氧值5.5~7.0mg/L之間。在此范圍內(nèi),氧傳質(zhì)速率與生化降解率相匹配,存在一個動態(tài)的平衡過程,此時的除油率達(dá)到一個較高值。 3.2 當(dāng)油含量E.oiL≤2000mg/L時,混菌能有效地降解廢水中的油脂成分,投菌時間HRT=24h后,除油率最高可達(dá)到99.6%左右,幾乎完全降解。當(dāng)油含量E.oiL>2000mg/L以上,油脂濃度對微生物的活性產(chǎn)生抑制作用,生化反應(yīng)為基質(zhì)控制步驟,反應(yīng)速率隨水中油脂濃度的增高而降低。 3.3 當(dāng)油含量E.oil在0~2000mg/L范圍內(nèi),油脂降解過程是一級反應(yīng)。但降解速率常數(shù)隨初始油含量的增大而逐漸減小。 3.4 馴化周期,菌種量及其投加方式,生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)等因素對除油率均會產(chǎn)生一定的影響,日后應(yīng)加強(qiáng)這方面的研究工作。 參考文獻(xiàn): [1]N.G.Wakelin, C.F.Forster.Aerobic Treatment of Grease-Containing Fast Food Restaurant Wastewater[C].Process Safety and Environ-mental Protection:Transactions of the Institution of Chemical Engineers,1998,76(1):55 ~61. [2]G.Spain,M.Rafael,J.Mellado,R.Miguel.Pollution in Four Tributaries of the Guadalquivir River in Cordoba County[J].European Water Pollution Control,1995,5(1):14~18. [3]Thomas M.Walski,R.Bernard Biga.Case Study in Sludge Handling [C].Proceedings of the 1991 Specialty Conference on Environmental Engineering,1991,8(10):667~672. [4]金志剛,等。污染物生物降解[M].武漢:華東理工大學(xué)出版社,1997. [5]K.Chin Kee.Evaluation of Treatment Efficiency of Processes for Petroleum Refinery Wastewater[J].Water Science and Technology,1994,29(8):47~ 50. [6]S.Syamsiah.A.Krol,Lindsay Sly,Peter Bell.Adsorption and Micro-bial Degradation of Organic Compounds in Oil Shale Retort Water[J].SPE Production Engineering,1993,72(6):855~861. [7]P.L.Dold.Current Practice for Treatment of Petroleum Refinery Wastewater and Toxic Removal[J].Water Pollution Research Journal of Canada,1989,24(3):363~ 390. [8]V.Eroglu,I.Ozturk,H.A.San,I.Demir.Comparative Evaluation of Treatment Alternatives for Wastewater from an Edible Oil Refining Industry [J].Water Science and Technology,1990,22(9):225~234. [9]Riitta H.Kettunen,Esa M.Pulkkinen,Jukka A.Rintala.Biological Treament at Low Temperatures of Sulfur-Rich Phenols Containing Oil Shale Ash Leachate[J].Water Research,1996,30(6):1305~1402. [10]Kwaku Tano-Debrah,Seijiro Fukuyama,et al.Inoculum for the Aerobic Treatment of Wastewater with High Concentrations of Fats and Oils [J].Bioresource Technology,1999,69(2):133~139.
作者簡介: 賴萬東 (1967-),女,博士生研究生. |