微生物氧化红薯淀粉废水除锰技术的应用研究

黄玲琴，翁国永

(1.三门县水务有限公司， 浙江台州 317100； 2.浙江黄岩自来水公司， 浙江台州 318020； 3.浙江省城市供水水质监测网台州监测站， 浙江台州 318020)

红薯是高产耐旱抗瘠作物，富含淀粉、可溶性糖、蛋白质、粗纤维、果胶、氨基酸、维生素以及多种矿物质，具有独特的保健作用，引起国内外农业和医学界的重视[1-2]。红薯淀粉废水是以鲜红薯或红薯干为原料，采用沉淀法加工淀粉时产生的废水。在广大的农村地区红薯加工生产淀粉是农民增收创富的重要手段之一[3]。红薯加工过程中产生了大量的废水，淀粉废水处理是目前淀粉生产厂家难以解决的问题[4]，尤其是农村小型淀粉加工厂，经过简单的降低COD处理就直接排入沟渠，对重金属几乎没有进行任何处理。红薯废水锰含量高达4.0 mg/L，不经过处理会对环境和农田造成污染和危害。

金属锰属于地壳的主要成分之一，以多种化合价位形式广泛存在于自然界[5]。当水体中的锰含量超过一定浓度时，会对周围环境产生十分不利的影响，对动植物产生极大的毒害作用[6]。如何解决地表水锰污染问题已经成为环境保护中一个非常重要的项目。 目前国内外除锰工艺主要是曝气后加入强氧化剂、絮凝剂、氢氧化物等，然后过滤。日本多采用自然氧化法和接触氧化法除锰。生物除锰法不需要投加任何药剂，投资及运行费用低，是目前最经济、高效的除锰方法，已成为当前除锰技术的主流[7]。生物除锰法在去除红薯加工产生的废水中一直未得到应用，也未进行系统性的理论研究。笔者根据红薯废渣富含锰氧化细菌的特点，从红薯废渣中分离出锰氧化菌，利用选择性培养基进行扩大培养，着床在石英砂滤池中，收集的红薯废水慢慢通过滤池，锰的去除率在98%以上，二价锰离子被氧化成四价二氧化锰小颗粒被截留在石英砂上，达到去除锰的目的。

1 材料与方法

1.1材料

1.1.1试验样本。试验样本来源于三门佃石水库上游挂帘村红薯加工处的红薯废渣。

1.1.2试验器材。显微镜(BX43F，Olymplus公司)、原子吸收分光光度仪(耶拿ZEEnit 700p)、高速冷冻离心机(TGL-20M)、WIGGENS恒温振荡培养箱(WS-300)、紫外分光光度计(UV-2450，Spectrophotometer公司)、立式压力蒸汽灭菌器(LDIM-60KCS)、超净工作台(SW-CJ-1D)、电热恒温水浴锅(Senxin Instrument公司)、梅特勒台式pH计(Mettler Toledo Conductivity公司)、隔水式培养箱(SENXIN GRP-9160)、微量移液器(Eppendorf公司)。

1.1.3锰细菌筛选及富集培养基。平板培养基及其斜面培养基(JFM Ⅱ 培养基)：2.0 g/L柠檬酸，8.0 g/L柠檬酸三钠，4.0 g/L MnSO4，1.3 g/L柠檬酸铁铵， 0.2 g/L CaCl2，0.5 g/L NaNO3，15.0 g/L琼脂,pH 6.8～7.0，120 ℃灭菌30 min[8-9]。种子液体培养基(PYCM液体培养基)：0.2 g/L酵母浸膏，0.2 g/L MnSO4·H2O，0.2 g/L NaNO3，0.8 g/L蛋白胨，0.2 g/L MgSO4·7H2O，0.1 g/L CaCl2，0.1 g/L(NH4)2CO3，0.1 g/L K2HPO4，pH 7.0。

1.2方法

1.2.1红薯废渣样本微生物菌株分离。在摇瓶中加入适量沸石，加入60 mL灭菌生理盐水，取红薯废渣样本置于灭菌研钵中，捣碎，将10.0 g研磨过的红薯样本加入摇瓶，于摇床中30 ℃振荡20 min，摇床转速为120 r/min。用灭菌的生理盐水稀释上述红薯废渣悬浮液，稀释倍数依次为10、100、1 000倍，吸取适量不同稀释倍数的悬浮液涂布到平板选择培养基上。在30 ℃培养箱中倒置培养，20 d后观察微生物菌体生长状况。培养基上长出的棕色、黑褐色，直径为1～5 mm，中心凸起，表面光滑，边缘颜色较浅整齐的为目标菌[10]。用接种环挑取目标菌落，在JFM Ⅱ 固体培养基平板上划线，连续划折线3次，在电镜上检测得到纯种为止，斜面接种培养后冷藏。

1.2.2产氧化除锰活性物质微生物的筛选及扩大培养。将分离得到的目标菌落接种在JFM Ⅱ 固体培养基中， 27 ℃条件下隔水式培养箱培养10 d。查看菌落所呈现的颜色，根据Mn(Ⅱ)发生氧化出现的褐色菌落颜色的深浅程度加以初步确认该菌株对Mn(Ⅱ)的氧化性能。用过硫酸法和TMPD法测定其中锰，过硫酸法结果呈红色且TMPD法结果呈蓝色的菌落具有氧化二价锰成为四价锰的能力[11]。从JFM Ⅱ 固体培养基中挑取6个典型氧化菌接入PYCM液体培养基进行摇瓶培养7 d，每天投加50% PYCM液体培养基，连续投加3 d增加菌液量待用。

1.2.3废水过滤池的工程应用。农村红薯加工一般以村一级的规模集中加工，废水相对比较集中，小型的生物过滤池可以达到去除废水中锰的要求。滤池面积为2.4 m×3.6 m，滤层厚度为600 mm，滤料采用0.6～1.2 mm石英砂。将菌种扩大培养液注入滤池，加水浸没整个砂层表面，菌液浸泡砂层24 h。然后放出菌液置于容器内待用，砂层晾干24 h，如此反复3次，使菌种着床在石英砂表面。

2 结果与分析

2.1红薯碎浆清洗次数与清洗废液锰含量的变化关系鲜红薯经破碎打浆后，需清洗5次，每次清洗后需要及时排放上层废水。浆液上层废水中二价锰离子的含量较高，锰的含量随着清洗次数的增加而减小(图1)。随着淀粉纯度的增加、颜色的纯化而结束清洗。最后的清洗液废水的锰含量<0.1 mg/L，可以直接排放。5次的废水集中存放，便于统一处理。

2.2高水位废水一次性排放各时段锰含量变化高水位废水一次性排放是把一次生产的所有废水集中起来排放到废液滤池中，在滤池中集中盛放数天，然后一次性把废液池中的废水排放。由图2可知，锰氧化细菌主要分布在砂层表面的10 cm内，一次性排放的前15 min，石英砂滤层的吸附作用排放出的废水锰含量比未经过滤层的原废水含量要低，接近滤层顶部的废水锰含量最低。滤层层面上部的废水经过滤层的微生物过滤，锰含量比较稳定，锰去除率比较理想，但未达到滤层表面的最低含量，说明锰的去除与微生物作用的时间关系相关。

图2 高水位废水一次性排放各时段锰含量变化Fig.2 The change of Mn content of high water discharge after one-off discharge at each stage

2.3高水位废水连续排放时出水锰浓度与排放出时间的关系受废水滤池容积的影响，2次生产周期间产生的废水量是相对稳定的。2次生产周期的废水必须及时处理。滤池的出水速率和周期间的排放次数以及滤池的水量成反比，滤池的出水率越大，周期间的处理次数越多，滤池每次的处理量越小，相对来说处理效果越好。高水位废水连续排放时废水的水位始终维持在高位，控制进水与出水阀门保持水位，出水锰含量与排放时间的关系见图3。高水位排放时滤层表面的溶解氧相对较低，出水锰含量虽然恒定，但出水锰浓度较高。

图3 高水位废水连续排放时出水锰浓度与排放出时间的关系Fig.3 The relationship between the concentration of Mn2+ in cleaning fluid of high water discharge after continuous continuous discharge and discharge time

2.4低水位废水连续不间断排放时出水锰含量与排放时间的关系连续不间断排放是指开启一定大小的滤池出水阀门，在生产期间控制这个开闭度，保持一定的出水速率。同样，废水进水也保持这个速率，从而达到进水和出水的平衡，在废水处理过程中保持滤池的水位稳定。由图4可知，前20 min出水锰含量相对稳定，在0.22～0.26 mg/L。这部分排出来的水是滤层下面20 cm的水，至滤层表面排出来的水锰含量达到最低(0.09 mg/L)。控制滤速和进水量，出水和进水达到平衡，出水锰的含量始终保持在最低(0.09 mg/L)，即最佳工艺条件。

图4 低水位废水连续不间断排放时出水锰含量与排放时间的关系Fig.4 The relationship between the concentration of Mn2+ in cleaning fluid of low water discharge after continuous continuous discharge and discharge time

3 结论

从鲜红薯碎浆中分离得到的锰氧化细菌对鲜红薯生产淀粉产生的含锰废水具有很好的去除效果。锰氧化细菌主要分布在滤层表面的20 cm左右，从表面往下层微生物浓度依次减小。微生物去除废水中的锰离子与废水在滤池的有效部位停留时间具有很大的正相关。连续排放去除废水中的锰离子比一次性排放的去除效果更佳。滤池水位的高低与锰去除效果相关，最佳的去除方法是水位稍超过滤层，低流速的连续排放去除效果最佳，出水锰含量始终小于0.1 mg/L，达到地表水环境质量合格标准。

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