利用淀粉生产絮凝剂的研究

利用淀粉生产絮凝剂的研究

混合沉淀在水处理中发挥着非常重要的作用。凝胶剂是一种常用的处理剂。微生物絮凝剂是天然高分子化合物,具有安全、高效、可生物降解、无二次污染等特点。因此,微生物絮凝剂开发研究,近年来备受关注。研究表明,多种微生物能够在生长代谢过程中,分泌出具有絮凝作用的物质,一般能否高产絮凝剂取决于微生物的种类及其发酵条件。目前,微生物絮凝剂生产过程中存在的最大问题是成本过高,使得其在水处理中的应用受到限制。本课题组前期研究中获得能够高产絮凝剂的菌株NII4。该菌株能够以葡萄糖为碳源,发酵生产絮凝剂。由于碳源在絮凝剂的生产成本中占到大约50%～56%,为了降低絮凝剂的生产成本,本文研究菌株NII4以高浓度淀粉废水为碳源,生产微生物絮凝剂的可行性及其相关工艺条件。1实验部分1.1实验用淀粉配方K2HPO4,KH2PO4,(NH4)2SO4,NaCl,NaOH,HCl,MgSO4·7H2O,无水氯化钙均为分析纯;琼脂粉、蛋白胨、牛肉膏均为生化试剂;脲为化学纯;高浓度淀粉废水,取自西安市某高校食堂的淘米水,其原始CODCr为24420mg/L;发醇菌种NII4,自制。8803048型722光栅分光光度计;TGL-20B-C型高速离心机;THZ-82型恒温振荡器;HHS21-6型电热恒温水浴锅;YX-280D型手提式压力蒸汽消毒器;SC202型电热恒温干燥箱;无菌操作台,自制。1.2实验方法1.2.1增酒发酵有4种发酵方法:①25℃在空气中静放置;②25℃在空气中曝气;③25℃在空气中静放置,并加酒粬发酵;④25℃在空气中曝气,并加酒粬发酵。1.2.2不同预发酵条件制备淀粉磷源0.5g,无机氮源0.2g,NaCl0.1g,有机氮源1.0g,MgSO40.2g,经不同条件预发酵后的淀粉废水1000mL,pH7.0,112.3℃灭菌30min。1.2.3菌株菌悬液接种nm和粗品取生产微生物絮凝剂培养基100mL,无菌操作条件下,将在600nm处OD值为0.218NII4菌株的菌悬液接种于其中,30℃,160r/min恒温振荡器好氧培养,定时采取发酵液,7000r/min离心20min,上清液即为微生物絮凝剂粗品。1.3分析1.3.1还原糖浓度测定取各培养液1mL,滤纸过滤于比色管中,加2mL二硝基水杨酸(DNS)显色剂溶液,沸水浴5min,定容到10mL,于510nm处测定吸光值A,由标准曲线得还原糖浓度。1.3.2微生物絮凝剂b在100mL含5g/L的高岭土的悬浊液中,加入定量1%的CaCl2溶液作为助凝剂,再加入2mL的微生物絮凝剂,调pH值至8,快速混合1min,慢速搅拌5min,静置10min,用分光光度计在550nm处测定静止后的上清液的吸光度A;同时以2mL蒸馏水代替微生物絮凝剂进行对照实验,获得吸光度A0,计算样品的絮凝率:高岭土产生的SS的去除率=A0−AA0×100%=A0-AA0×100%1.3.3细菌生长曲线pmn的测量采用液体稀释法测定。2结果与讨论2.1微生物聚凝剂的生产条件研究2.1.1未预发酵碳源对ss的去除效果按照1.2.1节中的方法①进行预发酵,测定絮凝剂对SS去除效果,结果见图1。由图1可知,利用菌株NII4生产微生物絮凝剂时,使用预发酵碳源培养12h时,培养液(液态絮凝剂粗品)对水中SS去除率能够达到并保持在90%左右;而淀粉废水未预发酵作为碳源时,培养48h时,等量培养液对水中SS去除率为77.8%;若将同样量的淘米水自然放置不同时间后的液体加到含SS的水样中,对SS也有一定的去除率。但在絮凝过程中,使用预发酵碳源生产的培养液产生的矾花大,絮体生长速度快,短时间内使混浊液变清澈;而未预发酵的培养液加入水样中产生的矾花细小,生长速度慢,絮凝后的液体较清澈;自然放置短时间内的淘米水加到含SS的水样中,不产生矾花,自然放置较长时间后,有细小的、生长极缓慢的矾花,静止10min后仍然较混浊。因此,以廉价的淀粉废水作为碳源生产微生物絮凝剂是可行的,但应该进行适当的预发酵,以使其中淀粉转化成NII4能够快速利用的还原糖或其它小分子糖。2.1.2nii4在培养培养体系中的絮凝剂结果用4种方法对淘米水进行预发酵,作为培养基碳源,用菌株NII4培养生产絮凝剂,培养液为液态絮凝剂粗品。测定絮凝剂对水样中SS去除率、液体絮凝剂粗品中的还原糖,结果见图2。图2中碳源1～碳源4依次为预发酵获得的碳源;还原糖1～还原糖4依次为以相应碳源生产的絮凝剂粗品中还原糖含量。由图2可知:①用4种方法预发酵后的淘米水均能够作为菌株NII4的碳源生产絮凝剂;②一般来说,淘米水预发酵2～4h,即可被菌株NII4快速利用生产絮凝剂;③培养4h左右,菌株NII4培养液即可作为液态絮凝剂的粗品,延长培养时间至8h,培养液絮凝效果变化不大;④培养液中还原糖浓度波动,影响絮凝剂的产量,培养液中维持一定量的还原糖,有利于菌株NII4不断地产生絮凝剂。菌株NII4在生产絮凝剂时,培养液中还原糖的浓度几乎保持不变,一般为0.10～0.3mg/L。按照前期研究结果,NII4菌株可利用多种碳源生产絮凝剂,但葡萄糖(预发酵淀粉废水中含的一种主要还原糖)是最佳碳源。尽管图2a和图2b中的8条SS去除率和8条相应的还原糖浓度线段没有明显的差别,但还是可以看出,培养4h的培养液作为絮凝剂粗品的絮凝效果,一般在84%～95%上下波动,絮凝剂粗品中还原糖浓度则一般在0.12～0.36mg/L,其中,利用碳源3生产的絮凝剂,絮凝效果较稳定,在88%～91%。培养8h培养液的絮凝效果,一般则在76%～92%上下波动。其粗品中还原糖在0.10～0.3mg/L范围内;⑤培养体系中,絮凝剂的生产和分解是同时进行的。从图2可以看出,同一培养体系中,培养液的絮凝效果随着时间上下波动,这种现象在8条SS去除率线段中普遍存在。这是由于菌株NII4在产生絮凝剂的同时,能够分解代谢其分泌出的絮凝剂。所以,选定培养基和培养条件后,有一收获絮凝剂的最佳时期。2.2培养液中ss絮凝率的变化在反应瓶中加入100mL培养基,将600nm处OD值为0.218的NII4菌株的菌悬液6mL接种于其中,30℃,160r/min好氧振荡培养,每隔一定时间取样1次,测定不同时间所对应的培养液的对水中SS絮凝率,絮凝率相对较高时段,即为收获絮凝剂的最佳时期,结果见图3。应该说明的是,图1和图2结果是在培养液中直接加入菌悬液培养所获得的结果;图3则是用接种环将保存在斜面上的NII4菌株接种于培养液中所获得的结果。前者接种量大,后者接种量小,所以,有些数据显得不一致。由图3可知,高液絮凝率一般出现在培养液的活菌体快速增长和衰减期间,即菌体生长和死亡过程能同时产生絮凝剂。利用接种环接入少量NII4菌种,收获絮凝剂的最佳时段应该是培养后2～4d内。采用淀粉废水静置和加酒粬后静置2种预发酵方法,7h后,淀粉废水为碳源生产絮凝剂,结果见图4。由图4可知,NII4菌株在培养基中培养4～12h内为收获絮凝剂的适合时期。3微生物絮凝剂的制备(1)利用淀粉废水为碳源生产微生物絮凝剂时,淀粉废水需要经过一定的预处理,空气中静置或曝气、加入酒粬后空气中静置或曝气等均可作为淀粉废水预处理方法,预发酵2～4h即可使用。(2)以预发酵后的淀粉废水为碳源,利用菌株NII4培养生产微生物絮凝剂,培养4h