红平红球菌发酵液对猪场废水处理的研究

2020-12-07张卫艺张丽丽直俊强罗一鸣

环境科学导刊 2020年6期

张卫艺，张丽丽，直俊强，罗一鸣，孙越

(北京市畜牧业环境监测站，北京 10200)

0 引言

目前，微生物絮凝剂因有良好的脱色除浊效果，且不对环境产生二次污染，广泛应用于饮用水处理、生活污水处理及畜禽养殖污水处理等。根据絮凝剂来源不同分为4类，包括微生物细胞絮凝剂、微生物细胞壁成分絮凝剂、微生物细胞代谢产物絮凝剂及由基因工程技术获得的絮凝剂[1]。其中起絮凝效果的高分子物质主要有多糖、蛋白质、糖蛋白、纤维素和DNA等，因这些物质的分子中含有多种官能团，且分子量高(一般在105以上)，在污水中能与其中的胶体悬浮物发生反应，聚集成大分子而沉淀下来，达到固液分离的目的[2]。目前，已有超过30种产絮微生物(如，红平红球菌、短棒状杆菌等)的文献报道[3]。本实验以红平红球菌发酵产絮凝剂对猪场废水的处理效果为指标，旨在寻找菌液的最佳投加量[4]。

1 实验材料与方法

1.1 实验材料

试验所用菌株为红平红球菌，购于北纳创联生物技术有限公司，菌种编号为BNCC337015；LB培养基，购于美国Sigma公司；营养肉汤琼脂固体培养基，购于美国Sigma公司；无水乙醇，购于国药集团化学试剂有限公司；氯化钙，分析纯，购于国药集团化学试剂有限公司；高岭土，购于国药集团化学试剂有限公司。

1.2 实验仪器

THZ-82恒温振荡器，国华企业；BKQ-Z301高压灭菌锅，博科BIOBASE；2100Q便携式浊度仪，哈希HACH；CR3200 COD消解仪，德国WTW；UV-2600紫外分光光度计，岛津企业管理有限公司；PhotoLab 7100VIS紫外分光光度计，德国WTW；LE204E电子天平，METTLER TOLEDO。

1.3 实验方法

1.3.1 菌液发酵液的制备

(1)菌株活化：用无菌超纯水稀释菌株干粉，接种至营养肉汤琼脂培养基中，30℃，培养48h。

(2)菌株扩繁：每个固体培养集中挑取两个红平红球菌菌落，接种至10mL LB液体培养基中，30℃，培养24h。

(3)摇瓶发酵：按5%接种量，将培养24h的菌液接入装有200mL LB液体培养基的锥形瓶中，30℃，培养84h。

1.3.2 最大吸收波长的确定

用离心管量取10mL菌液，60℃水浴20min至菌体失活，取3个稀释度的菌体用UV-2600紫外分光光度计在200～800nm波长范围内进行扫描，确定最大吸收波长。

1.3.3 标准曲线的绘制

取一离心管置于干燥烘箱中烘干至恒重(m1)，用该离心管取10mL菌液，于60℃水浴20min至菌体失活，失活菌液于离心机中3500r/min、10min，倾去上清液，菌体放入干燥箱中烘干至恒重，自然冷却后取出称重(m2)，即可得发酵液菌体的真实浓度。取与重量法同一菌液，配制2、5、10、20、50倍的系列标样，以蒸馏水为参比，分别测定吸光度A。绘制A-C标准曲线。

1.3.4 样品浓度的测定

将待测菌液按1.3.3中相关步骤操作，测得吸光度，通过标准曲线图查出菌体浓度值再乘以相应稀释倍数。

1.3.5 发酵液絮凝活性的测定

量取50mL 4g/L 高岭土悬浊液，加入5mL 1%的氯化钙溶液作为助凝剂，再加入5mL的菌株发酵液，调节pH至中性，搅拌5min，静置20min，用UV-2600紫外分光光度计测定550nm波长下，上清液的吸光度值为A1，以超纯水处理高岭土作为对照，测其上清吸光度为A0。

絮凝率=(A0-A1)/A0×100%

1.3.6 猪场废水的处理

将猪场原水稀释一倍，混合均匀后，准确量取50mL废水，分别添加50mL、60mL、70mL、80mL、90mL发酵菌液，常温条件下，搅拌1min，静沉后取上清液，使用UV-2600紫外分光光度计测定900nm波长处的吸光度，计算红平红球菌发酵液絮凝率；使用CR3200 COD消解仪、PhotoLab 7100VIS紫外分光光度计测定上清液COD值，计算废水COD值及COD去除率；使用浊度仪测定上清液浊度，计算废水浊度及浊度去除率。计算公式如下：

絮凝率=(A2-A3)/A2×100%

式中：A2—废水初始吸光度，A3—处理后上清液吸光度。

浊度去除率=(T0-T1)/T0×100%

式中：T0—废水初始浊度值，T1—处理后上清浊度值，JTU。

COD去除率=(C0-C1)/C0×100%

式中：C0—废水初始COD值，C1—处理后上清液COD值，mg/L。

2 结果与分析

2.1 红平红球菌产絮凝剂效果分析

经紫外-分光光度计扫描后，菌液的吸光度和波长关系曲线如图1所示，可以看出红平红球菌菌液在200～300nm有较大吸收峰，其中在270nm处吸收峰最大，故在测定菌液发酵液浓度时选择的波长为270nm。

红平红球菌的生长曲线及其产絮凝剂的曲线如图2所示。可以看出，菌从试管转移到锥形瓶中培养后，先进入到适应期，生长速度较缓；12～24h，随着时间的延长，菌的生长进入对数期，生长速度迅速增快，细菌数目以几何数增加；培养至24h后，菌的生长速度减缓，但总量依然处于增长的阶段；48h后菌的生长和死亡速度趋于平衡，进入稳定期。絮凝剂的产生量随着红平红球菌的生长逐渐增多，当菌生长进入稳定期后，絮凝活性迅速下降，分析可能是因为解絮凝酶所致[5]。为确保发酵液能发挥最大的絮凝效果，选择培养至36h的红平红球菌发酵液处理猪场废水。

为了解培养36h时菌液浓度，按照1.3.3的操作绘制了红平红球菌的A-C标准曲线(图3)，二者间关系为y=1.0953x-1.4704，可知，培养36h时菌液浓度为2.78 g/L。

2.2 红平红球菌发酵液投加量对猪场废水处理效果的影响

取培养至36h的菌液添加至猪场废水中，处理效果随菌液投加量的变化如图4所示。由图4(a)可以看出，菌液投加量在0～70mL时，猪场废水絮凝率随其投加量的增加而提高，当投加量为70mL时絮凝率最高，为40.30%，菌液投加量继续增加时，絮凝率开始下降，增至90mL时混合物的吸光度反而高于猪场废水本身的吸光度。对比图4(b)发现，废水浊度去除率的变化和絮凝率变化相似，当菌液投加量为70mL时，浊度去除率最高，为64.40%。分析原因是菌液中起絮凝效果的高分子物质含有多种官能团，其分子上的链节通过电中和作用，与猪场废水中的胶体悬浮物相结合，絮凝架桥形成高分子聚合物，由于高分子聚合物具有较强的吸附作用，所以能聚集成更大的絮体而沉淀下来，达到了固液分离的目的。而随着菌液投加量的增加，多余的高分子物质无法与悬浮物结合，游离于废水中导致絮凝效果的下降，从而导致了吸光度和浊度的提升。

由图4(c)可以看出，当菌液投放量为70mL和80mL时，废水的COD去除率分别为59.14%和63.27%，经对比发现两组数据间P=0.120422>0.05，差异不显著，说明当投放量在70～80mL变化时，菌液对废水的处理效果相同。当投放量增至90mL时，COD去除率显著下降。

由此可以发现，菌液对猪场污水的处理有最佳投加量，低于或超出这个用量都会使絮凝效果下降。查阅相关资料发现，絮凝剂的最佳投加量大约是固体颗粒表面吸附大分子化合物达到饱和时一半的吸附量，此时大分子在固体颗粒上架桥几率最大[6]。