苎麻生物脱胶废水处理技术

Posted 2023-01-15 苎麻

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苎麻脱胶工艺是获得苎麻单纤维的必经途径，传统的化学脱胶方法成本高、能耗高、纤维产量和品质低、对环境污染严重。苎麻生物脱胶是苎麻经生物菌液或酶液脱胶处理后，苎麻胶质被降解成小分子多糖并获得苎麻单纤维，该方法具有提高精干麻质量、不损伤纤维、无污染等优点，是未来的脱胶发展方向〔1〕。苎麻经微生物或酶液脱胶处理后产生的废液即为生物脱胶废水，由于脱胶过程中韧皮组织中的木质素和胶质被降解成小分子多糖，因而苎麻生物脱胶废水属于高浓度有机废水，可生化性较强〔2〕。

热带假丝酵母（Candida tropicalis ）能降解可生化性较好的有机废水，并同时获得酵母蛋白，既消除了环境污染，又可使有机废水得到循环利用。目前热带假丝酵母已成功用于食品、造纸等工业废水的处理〔3, 4〕。本研究小组曾利用热带假丝酵母处理苎麻生物脱胶废液，以发酵温度、初始pH、接种量、发酵时间为影响因素，以COD 去除率及单细胞蛋白生成量为评价指标进行了正交试验，确定了各因素的最佳条件；并研究了苎麻脱胶废液灭菌与否对COD 去除及单细胞蛋白产生的影响〔2〕。本研究在前期研究基础上，探讨了不同种龄及不同氮源条件下，热带假丝酵母对苎麻生物脱胶废水的处理效果及菌体干重。由于苎麻脱胶废液中含有丰富的碳水化合物，因而本研究未将碳源作为影响因素进行研究。

1 试验材料和方法

1.1 材料和试剂

热带假丝酵母筛选自湖北天化麻业股份有限公司脱胶厂沤麻池的沤麻液。苎麻生物脱胶废水取自武汉纺织大学环境科学研究所，经脱胶微生态菌群〔5〕处理，其COD 为18 820～234 80 mg/L、BOD 为6 200～7 600 mg/L、SS 为420～750 mg/L、色度为 120～220 倍。本试验用苎麻脱胶废水的COD 为 23 060 mg/L（因试验主要测定热带假丝酵母对苎麻脱胶废水COD 的去除效果，因而没有检测该水的其他指标）。所用试剂均为分析纯。

菌种保藏培养基〔6〕：酵母膏2.0 g，蛋白胨3.0 g，琼脂粉20 g，葡萄糖10 g，定容至1.0 L，121 ℃灭菌 20 min。

菌种液体培养基：葡萄糖10 g，牛肉膏5 g，酵母粉5 g，蛋白胨20 g，氯化钠5 g，定容至1.0 L，pH 7.0，121 ℃灭菌20 min。

发酵培养基：在250 mL 三角瓶中装入l00 mL 经适当稀释的苎麻生物脱胶废水，pH 7.0，121 ℃灭菌20 min。

1.2 试验方法

1.2.1 种龄对生物脱胶废液处理效果的影响

分别取种龄为20、24、28、32 h 的种子进行发酵试验。苎麻生物脱胶废液经1 倍稀释后灭菌，在正交试验得到的最优COD 去除条件（条件A：发酵温度35 ℃、初始发酵pH 7.0、接种量10%、发酵时间 48 h）和单细胞产生条件（条件B：发酵温度30 ℃、初始发酵pH 7.0、接种量10%、发酵时间48 h）下〔2〕，连续发酵48 h，取样测量菌体干重和废水COD，考察种龄对苎麻生物脱胶废液处理效果的影响。

1.2.2 不同氮源对生物脱胶废液处理效果的影响

为了降低工业化应用成本，本试验采用5 种不同的氮源替代价格昂贵的蛋白胨。以菌种液体培养基中的20 g 蛋白胨的含氮量为标准，分别用和20 g 蛋白胨相等含氮量的有机氮源（尿素、草酸铵）和无机氮源（硫酸铵、磷酸氢二铵、氯化铵）进行试验。在正交试验得到的最优COD 去除条件（条件A）和单细胞产生条件（条件B）下，连续发酵24 h，取样测量废水COD 和菌体干重，然后每隔6 h 进行取样分析，直至发酵时间达到48 h，考察不同氮源对苎麻生物脱胶废液处理效果的影响。

1.3 分析方法

1.3.1 COD 的测定

COD 的测定采用重铬酸钾法〔7〕。

1.3.2 菌体干重的测定

取一定量发酵后废水，以4 000 r/min 离心 10 min，去除上清液，剩余菌体用去离子水洗涤后，在105 ℃烘箱中烘干至恒重，称量菌体质量，计算单细胞蛋白的产量，即菌体干重（单位体积废水中单细胞蛋白的质量，g/L）。

2 结果与讨论

2.1 热带假丝酵母种龄对废液处理效果的影响

2 种不同条件下，热带假丝酵母种龄对废液处理效果的影响如图 1 所示。

图 1 2 种不同条件下，热带假丝酵母种龄对废液处理效果的影响

由图 1 可知，除条件B 下种龄为20、24 h 的菌种对废液的COD 去除率＜70%外，2 种不同条件下其余种龄段的菌种对废液的COD 去除率均达到了 70%以上，因此菌种种龄对废液COD 去除率的影响不是很大；但菌种种龄对菌体干重有很大影响，仅条件A 下种龄为28 h 的菌种在发酵48 h 后的菌体干重＞5 g/L，不同条件下其余种龄段的菌种的菌体干重均＜4 g/L。兼顾COD 去除效果和菌体干重，最佳接种种龄为28 h。从图 1 还可以看到，条件A 的处理效果比条件B 要好。

由于种龄为28 h 的接种菌处于对数生长期阶段，这个阶段的菌种接种到发酵培养基后菌株分裂生长最快，更能适应新的培养环境。因此选择对数期的菌体作为菌种，可明显缩短停滞期，从而缩短细胞的发酵周期，提高设备利用率。

2.2 不同氮源对废液处理效果的影响

不同氮源对废液处理效果的影响如图 2、图 3 所示。

图 2 条件A 下，不同氮源对废液COD 去除率的影响

从图 2 可以看到，在条件A 下，发酵48 h 后，除氯化铵外，采用其余2 种无机氮源的处理效果均比有机氮源好，这是因为一般情况下，菌体对无机氮源的吸收利用比有机氮源快〔8〕。无机氮源中以采用磷酸氢二铵的处理效果最好，42 h 后其COD 去除率达到74.97% ，接近采用蛋白胨的COD 去除率（75.75%）。有机氮源中以采用尿素的处理效果最好，在发酵42 h 后COD 去除率达到69.65%。此外，从图 2 还能发现，添加尿素和磷酸氢二铵的废液在连续发酵42 h 后，废液中的COD 降至最低，但随着发酵时间延长至48 h，其COD 反而上升，原因可能是热带假丝酵母在含这两种氮源的发酵培养基中菌体生长速度快，导致废水中可利用的有机物迅速减少时率先进入衰亡期，出现菌体自溶现象；添加草酸铵、硫酸铵和氯化铵3 种氮源的废液连续发酵至 48 h，废液中的COD 始终在降低，说明菌体还处于稳定期的阶段。

从图 3可以看到，添加磷酸氢二铵的废液的菌体干重在36 h 达到最高，为5.125 g/L；发酵48 h 后，添加磷酸氢二铵的废液的菌体干重为4.125 g/L，然后依次为硫酸铵（3.375 g/L）、氯化铵（3.000 g/L）、尿素（2.750 g/L）、草酸铵（2.250 g/L）。总的来看，3 种无机氮源较2 种有机氮源更利于菌体的生长。从图 3 还可以看到，除草酸铵的菌体干重呈现出变化幅度不大的趋势外，添加其他氮源的菌体干重均呈现出先升高，再降低，然后再升高的趋势。这可能是由于开始阶段处于对数生长期的酵母菌在进入发酵废液后，经过停滞期很快进入对数生长期和稳定期，但是经过30～36 h 的发酵后开始进入衰亡期，此时发酵液中营养物质较少，导致菌体自溶，因而菌体干重开始呈现出下降趋势；菌体自溶后释放出的菌体内的酶类可能又促进了废水中部分多糖及胞内容物的分解，分解物进而又促进了部分酵母菌的生长，出现菌体干重再次升高的现象。

图 3 条件B 下，不同氮源对菌体干重的影响

兼顾COD 去除率和菌体干重，选择磷酸氢二铵作为氮源，选择连续发酵48 h 为最佳发酵时间。。

3 结论

（1）不同种龄的热带假丝酵母对苎麻生物脱胶废水的COD 去除率和菌体干重有着不同的影响，其中种龄对COD 去除率的影响不大，而对于菌体干重的影响较大，兼顾二者选择种龄为28 h 的热带假丝酵母，可得到最佳的废水处理效果和菌体干重。

（2）不同氮源对热带假丝酵母处理废液效果的影响研究表明，发酵48 h 后，对于COD 去除率来说，磷酸氢二铵为该酵母菌的最优氮源，其次是硫酸铵，再次为尿素，草酸铵和氯化铵为氮源的处理效果最弱；对于菌体干重，磷酸氢二铵为该酵母菌的最优氮源，其余依次为硫酸铵、氯化铵、尿素、草酸铵。兼顾二者，选择磷酸氢二铵作为蛋白胨的替代氮源，可得到最佳的效益。