酵母菌在废水处理中的应用

韦嘉怡 张艺凡 王 艺 王科雅 张致远 张 政 付梦杰

(南京工程学院 环境工程学院,江苏 南京 211167)

在可持续发展的要求下,做好污水处理工作对于改善人居环境,加快生态文明建设,推动发展绿色低碳经济,建设美丽中国具有重要的意义。高浓度有机废水、含重金属离子废水和有毒废水的排放会对生态系统造成影响,如:产生的沼气发生爆炸,对自然湖泊造成污染等,也会对人体健康产生危害。近年来,酵母菌在废水处理方面的研究不断增加,此方面的研究论文数量也在稳定上升。

20世纪70年代后期,日本国税厅酿造研究所开始研究酵母菌废水处理技术,Yoshizawa[1]发表了相关的文章,引起了人们对酵母菌废水处理技术的重视。20世纪90年代,日本最先实现了利用酵母菌进行废水处理。该技术在日本得到了广泛认可,已有50多家工厂采用了该技术处理废水(如味精废水、啤酒废水、豆制品废水、水产品加工废水等)[2]。酵母菌是一类真核微生物的通俗名称,一般具有以下5个特点[3]:(1)个体一般以单细胞状态存在;(2)增殖方式大多为出芽繁殖,也有的为裂殖;(3)能发酵糖类产能;(4)细胞壁中含有甘露聚糖;(5)喜在高糖、强酸的水生环境中生长。酵母菌自身的特点使得它在高浓度有机废水、含重金属离子废水和有毒废水处理方面有广泛的应用前景,近年来成为研究热点。

1 酵母菌在高浓度有机废水处理中的应用

高浓度有机废水主要来自化工制药、印染以及食品加工等过程。此类废水中有机物浓度高、pH低,化学需氧量(COD)可高达几万甚至几十万(单位mg·L-1),且成分复杂。该类废水若直接排放会对水环境以及人体健康造成严重危害。我国高浓度有机废水分布广泛且产生量大,一直是废水处理的一大难题。目前常用的高浓度有机废水处理方法有分离减量、化学氧化、生物降解等,但仍只能解决部分问题。利用酵母菌处理该类废水不仅高效廉价,某些工艺中还可以得到单细胞蛋白,实现资源化利用,创造一定的经济效益[4]。

1.1 酵母菌对大豆加工废水的处理

我国豆制品大多以作坊形式进行生产,生产规模较小但分布广泛。因此豆制品生产场所的废水较难集中处理。豆制品主要以豆腐为主,排放水COD一般较高,最高可达几万。周敬敬[5]利用产朊假丝酵母菌在最佳条件下,即转速160 r·min-1、温度28 ℃、酵母菌投加量20%、初始COD为4 800 mg·L-1、处理时间18 h,处理大豆加工废水,其COD去除率可达到90%。酵母菌对此类废水去除效率高,且无二次污染。

1.2 酵母菌对皂素废水的处理

皂素废水是一种具有色度大、污染物浓度高、强酸性、温度高等特点的高浓度有机废水。其中,黄姜皂素生产废水中含有大量的无机酸与有机物,其pH约为1～2,COD高达10 000～20 000 mg·L-1,色度≥1 000,BOD/COD=0.5～0.7,可生化性强[6]。凌云[7]通过研究发现,在温度30 ℃,pH=4.0,废水停留时间为5 d的条件下,进水COD为15 000 mg·L-1,出水COD在1 200 mg·L-1左右。虽然仍没有达到排放标准,但其操作简便,COD降低明显,为今后对皂素废水的处理提供了基础。

1.3 酵母菌对味精废水的处理

味精废水是提取味精过程中的废水,主要含菌体蛋白、氨基酸、有机酸、残盐、残糖及硫酸根等污染物,COD高达20 000～70 000 mg·L-1,具有强酸性,是典型的高浓度有机废水。如果不加处理就大量排放,将会改变水体的pH值,从而污染环境、影响农作物生长与渔业生产等。黑亮等[8]利用酵母菌对味精废水进行连续小试处理发现,酵母菌生长的适宜温度为28～30 ℃,pH在6.0以下。将酵母菌在好氧条件下直接处理味精废水,出水COD的去除率基本上稳定在80%～88%之间。此外,分析出水的酵母菌,发现其中含有一定量的蛋白质,可作为单细胞蛋白进行回收利用。

1.4 酵母菌对纤维素乙醇废水的处理

纤维素乙醇通过预处理和酶解手段先将富含木质纤维素的原料水解成富含可利用糖(葡萄糖、木糖等)的纤维素水解液,再经过乙醇发酵和精馏工艺获得[9]。在木质纤维素水解工艺中,废水中会残留大量的半纤维素和木质素。因此,纤维素乙醇废水具有COD高、固体悬浮物含量高、色度高、pH低等特点。刘猛[10]利用纤维素乙醇废水培养黏红酵母生产微生物油脂,其中累积的油酸可以抵抗不良环境,对纤维素乙醇废水的处理效果良好,对COD、总氮(TN)、总磷(TP)的去除率分别达到83.15%、70.52%、90.16%,不仅能够有效去除COD,对TN、TP也有较好的去除效果。但是其出水水质仍无法达到排放标准,还需要进行后续处理来提高水质。

2 酵母菌在含重金属离子废水处理中的应用

重金属在水体中可以以阳离子、氧化阴离子或有机络合物形式存在,它们大多来源于人类活动产生的酸性物质,如工业废水、垃圾填埋场渗滤液、城市和农业废水等。随着工业的迅速发展,越来越多含有重金属的废水在未经处理的情况下被排入水体中,造成水体的污染[11]。物理法与化学法处理浓度较低的重金属废水时,原材料成本较高、生产周期长且容易造成二次污染。采用酵母菌对重金属废水进行处理具有原料来源丰富、去除效率高、选择性好、成本较低、无二次污染等特点,具有广阔的发展前景。

2.1 酵母菌对含六价铬离子废水的处理

Cr6+对人体伤害十分严重。如铬酸盐,当其溶解时易挥发,会对暴露的皮肤造成腐蚀。摄入大量六价铬会对肾脏与肝脏造成损伤,还易引起恶心、肠胃不适等。邵昭[12]以酵母菌作为吸附剂对Cr6+进行动力学与热力学吸附,吸附过程符合准二级动力学方程与Langmuir模型。对 Cr6+吸附的最佳溶液初始pH值为2,吸附量会随着菌体投量的增加而下降。

2.2 酵母菌对含镍离子废水的处理

Ni2+是重金属离子污染中常见的一种,过量的Ni2+会引起心、肺、脑、肝和肾的病变。含Ni2+的废水排入水体中也会严重影响食物链,对人体造成危害。吴会军[13]以海藻酸钠和聚乙烯醇包埋法固定啤酒酵母菌,对废水中的Ni2+进行生物吸附,结果表明,在最佳处理条件下,固定化啤酒酵母菌对Ni2+的吸附率可以达到80.17%。因此,用酵母菌可以有效处理含Ni2+的废水。

2.3 酵母菌对含汞离子废水的处理

水中的Hg2+主要来源于贵金属回收、金属冶炼厂、电池以及体温计等的生产过程。大量Hg2+随废水被排入水体中会对水体及人类健康产生影响。朱一民等[14]利用啤酒酵母菌对Hg2+进行生物吸附,发现啤酒酵母菌对Hg2+吸附效果良好,在最佳条件下,对Hg2+的去除率可达到96%。因此在处理废水中的Hg2+时可以优先考虑酵母菌。

3 酵母菌在有毒废水处理中的应用

近年来,随着石油加工、有机化工、农药等重污染行业的发展,废水中有毒有机物的排放对水环境与饮用水安全造成了威胁。常见的有毒有机物有苯酚、甲胺磷、阿维菌素等。此类有毒有机物易污染地下水及土壤,人体长期暴露在有毒环境中容易诱发癌症等疾病。

3.1 酵母菌对含苯酚废水的处理

苯酚是典型的酚类污染物,在难降解有毒废水中出现频率较高。苯酚含量超过5.5 mg·L-1即可引起水中生物的死亡,当摄入量超过1 g·kg-1时,会造成动物和人死亡。周江亚等[15]从苯酚降解颗粒污泥中分离出假丝酵母菌。在酵母菌投量0.41 g·L-1、苯酚初始质量浓度1.03 g·L-1、温度30.04 ℃的最佳条件下,苯酚的降解率可达到99.1%。利用假丝酵母菌降解苯酚具有快速有效、科学合理的特点,对含苯酚废水的处理具有指导作用。

3.2 酵母菌对含甲胺磷废水的处理

甲胺磷是一种剧毒有机磷杀虫剂,近年来产量居于国家农药之首,但其同时也会对环境引起严重的污染与危害。刘斌斌等[16]从废水中分离出鲁式酵母菌WY-3,该菌可以利用甲胺、乙胺、硫酸铵作氮源生长,并能够有效降解甲胺磷。这给含有机磷农药废水的处理提供了新的思路,但有待进一步研究和应用。

3.3 酵母菌对阿维菌素发酵废水的处理

阿维菌素是一种高效农药抗生素,是阿维链霉菌经深层液体发酵产生的,主要用于农作物杀虫以及动物体内外驱虫。阿维菌素发酵废水具有高COD、高氮、高磷等特点,并具有一定的毒性。宋新明[17]以阿维菌素为原料配置培养液,经酵母菌发酵处理后可实现阿维菌素发酵废水再利用。此举大大降低了阿维菌素对环境的污染,且符合可持续发展要求。

4 结语

目前,酵母菌已可以应用于处理多种类型的废水,相较于传统的活性污泥处理,酵母菌对废水的处理效率能够高出数倍。然而,在利用酵母菌处理废水的过程中仍然存在着一些问题。首先,酵母菌通常仅用于废水的预处理过程,为保障出水水质,还需要增加后续处理。第二,利用酵母菌处理废水需要对pH进行控制,一般在酸性条件下运行,且pH不能低于2.5,否则会产生抑制作用。第三,酵母菌的培养需要适合的生存条件与足够的驯化时间。第四,酵母菌属于繁殖力较强的异养细菌,酵母菌的大量繁殖会对水体中的其他细菌造成影响。第五,酵母菌对有机物的污染有较强的处理效果,对硝酸盐等污染物的处理效果不明显。因此应结合实际情况对酵母菌进行多方面的研究。如,对酵母菌进行基因改造,以获得品质优良的菌种,在保证处理效果的前提下,降低成本、实现资源化利用,以满足生产与应用。