油脂废水的生物降解研究

赖万东，扬卓如，陈焕钦
（华南理工大学，广州　　 510641）

　　摘要：本研究通过筛选高效降油菌进行除油实验。试验结果表明，在操作条件为PH：5.5～7.0、温度：25～35℃、溶氧值5.5 ～7.0mg/L条件下，投加混菌处理24h后，废水中总油含量的去除率可达90.7%以上。另外，试验得出，在油含量E. oil≤2000mg/L时，生化反应为一级反应。
　　关键词：废水处理；油脂；生物降解；微生物
　　中图分类号：X785
　　文献标识码：A
　　文章编号：1009-2455（2000）04-0021-03

Study of Bio-Degradation of Greasy Wastewater
LAI Wan-dong, YANG Zhou-ru , CHEN Huan-qin

　　Abstract: Tests were made for grease removal by screening of high-efficiency grease-degradating  bacteria. Results of the tests show that under the operating conditions of PH=5.5～7.0,temperature=25 ～35℃and dissolved oxygen value=5.5～7.0mg/L, at the end of the treatment,i.e.24 hours after mixed bacteria were added in , the removal rate of the total grease content in the wastewater may reach 90.7% or higher. The tests also show that in case of E. oil≤200mg/L the bio-chemical reaction should be a primary reaction.
　　Key words: wastewater treatment; grease; bio-degradation; microorganism

概述

　　油脂废水是含油废水中的一类，在食品加工、肉类联合加工、合成洗涤剂厂及餐饮业的生产过程中都不断有这类废水排出。由于此类水中多数含有表面活性剂物质，油脂呈现出良好的乳化性和亲水性，少量油脂就能导致水体CODcr、BOD₅的值迅速超高，更增加了处理的难度^[1,2]。对这类废水若用化学絮凝、吸附、臭氧氧化、电解等方法处理，不但效果不明显，且投资大，流程复杂，化学法还有产生二次污染的可能。相比之下，由于微生物能利用油脂作为生长所需的碳源和能源^[3,4]，并在酶的催化下将其水解成甘油、脂肪酸,最后降解为H_2O、C_O2等代谢产物。因此，生物法具有成本低，投资省，无二次污染的优点。近几十年来，国内外对生物法处理含油废水的研究逐渐形成热点，但目前文献多集中于石油类的研究^[5,6,7,8,9]，对油脂废水的报导还不多见^[10]。本研究以油脂为生长限制性底物，筛选出2株高效降油菌进行除油实验，同时还考察了混菌对油脂的降解条件，并对其生化反应动力学作了初步讨论。

1　实验内容与方法

1.1　富培养基
　　牛肉膏:1g，蛋白胨：2g，酵母膏:1g，NaCL:1g,H₂O:200mL,PH:6.0。
1.2　无机盐培养液
　　K₂HPO₄^.3H₂O 1 g/L,KH₂PO₄^.3H₂O 1 g/L,Na₂HPO₄^.3H₂O 1 g/L, NaCl 0.5 g/L,MgSO₄.7H₂O 0.05 g/L。
1.3　分析项目与仪器
　　pH测定用玻璃电极酸度计；溶氧值用MO128型溶氧测定仪；油含量Eoil(mg/L)使用OCMA-220型油份浓度分析仪(Eoil值代表废水中的总油含量)；菌体重用Stuorali电子分析天平。
1.4　高效降油菌的分离及驯化
　　将取自油脂加工厂废水的活性污泥悬浮液接种于含油300mg/L无机盐培养液中，置于30℃恒温摇床上进行培养，每24h后补充少量油脂，7天为一周期，每周期结束后将老菌液逐步移至油含量为600mg/L、900mg/L、1200mg/L......3000mg/L的无机盐培养液中进行驯化，最后划平板分离，并将分离纯化到的单菌移种到斜面上保存。单菌经鉴定为芽孢杆菌属(Bacillus Subtilis)和产碱杆菌属(Alcaligenes- xylosoxidansss)。
　　将分离到的单菌移至同一富培养液中驯化培养，每48h后，将菌液一分为二，分别加入同样体积的富培养液中进行增殖，重复此步骤多次，16天后将所有细胞悬液用离心机分离(9000r/min)10min，将菌体收集集中，再用0.02mol/L，pH＝7的Na₂HPO₄-NaH₂PO₄缓冲液洗涤3次，用无菌水将菌体洗至消毒过的烧瓶中待用。

2　结果与讨论

　　生物降解是一个相当复杂的生化反应体系，影响反应速率的因素很多，除了菌种和基质的结构特性外，还包括基质浓度和操作条件的影响。只有在适宜的条件下，细菌才能够存活、生长和繁殖，其中温度、ｐＨ值、溶氧值等操作因素对它们的影响较大，下面分别进行讨论。
2.1　废水初始pH值对除油效果的影响
　　在初始油含量E.oiL=1500mg/L条件下，控制T=30℃，n=200rpm,投菌量＝5.8g(湿重)/L，改变水的PH值，6H及24h后分别测量水中油含量的除去率，其结果见图１。

　　由图1表明，在PH=5.5～7.0之间，混菌能有效地去除废水中的油脂浓度，并随着停留时间的延长，除油率逐渐增大，当HRT=6h时，除油率为53.4%～67.0%；当HRT＝24h时，除油率达79.5%～88.6%，另外，当PH＜5.0或＞9.0时，不利于水中油脂的去除，除油率迅速降低。
　　分析认为，PH值对除油率的影响，主要表现在对细胞内酶分子的活性作用上，随着PH值变化，酶分子上的酸性及碱性氨基酸侧链基团处于不同的解离状态，具有催化活性的基团在总酶量中的比例不同，使得酶分子的催化能力也不一样。在PH=5.5～7.0范围内，总酶量中活性基团的比例迅速增加，酶分子的催化能力增强，混菌对油脂降解力增大。
2.2　温度的选择
　　在其它条件相同的状况下，即＝E.oiL=1500mg/L，PH=6.5，ｎ=200rpm，投菌量＝5.8g/L(湿重)，控制不同的环境温度，测量总油量在水中的降解率。其结果见图2。

　　从图2可看出：混菌最适降解温度为25～35℃。在此范围内，微生物繁殖速率加快,24h后除油率可达61.6%～88.7%，并以30℃时除油效果最佳，除油率达90%左右，以后再升高温度，除油率不但不升反而略有降低，37℃时测得除油率仅为67.5%。另外，低温对除油也不利，当T＝20℃时，除油效果明显下降，除油率为48.2%；当T＝15℃时，除油率仅为32.0%。因此，可看出，除油菌属嗜温菌类(Mesophiles)，在高温及低温状况下，部分细菌进入内源呼吸期，开始代谢自身细胞内的营养物质，并逐渐死亡，此时，细菌的生长、繁殖速率放缓，导致除油效率下降。
2.3　废水中溶氧值的选择
　　在T=30℃，PH=6.5，E.oiL=1500mg/L条件下，分别调节不同的摇床转速，测定水中的DO值，重复三次，取其平均值，测定结果见表1。

　　 随后，控制上述条件不变，向废水中投加相同体积的菌液(5.8g(湿重)/L)/L),调节摇床转速，测得在不同溶氧值下油含量的去除率，其关系曲线见图3。

　　首先，从表1可以看出，随着摇床转速的增大，水中溶氧值不断增大。其次，从DO与除油率关系曲线可知，在DO＜6.19mg/L范围内，除油率随溶氧值的增加而迅速增加；当DO=6.19mg/L时，除油效率到达较高值，约为90.7%左右，此后，除油效率提高幅度不大，随溶氧变化放缓。分析认为，本实验条件下，由于菌体能均匀地悬浮于水中，营养物质的吸收及代谢物的分散都非常有利，氧在生物相间的传质阻力也可忽略，生化反应控制步骤仅取决于氧在气—液间的传质速率。随着摇床转速增大，引起水中溶氧值不断增加，气膜和液膜的厚度减薄，气液相的接触比表面积增大，氧传递阻力减少，氧传质速率提高，油脂降解速率增大；当DO=6.19mg/L时，氧传质速率与油脂降解率相匹配，达到了一个动态的平衡过程，除油率达到较高值?90.7%。此后，当溶氧值继续增高时，整个反应过程受菌体自身生长及代谢速率制约，导致总降解速度增加不快。另外，经处理后，水中异味明显消失，说明菌体对异味消除有一定成效。
2.4　油脂降解动力学
　　考察有机物降解速率是定量掌握其生物降解规律的一个重要方面，本研究在这方面作了一些工作。
　　取一定量的菌悬液接种于含油废水中，控制温度为30℃，n=220rpm，ph=7.0，考察混菌对初始油含量从500mg/L至4000mg/L范围内油脂的降解效果,结果见图4。

　　图4说明在相同的投菌量及初始油含量下，除油率随时间的增加而增大。如，油含量E.oiL=1000mg/L时，HRT=12h后，除油率为89.5%，HRT=24h后，除油率增大到98.0%。另外，在同一时间内，除油率随着油值增大而减小。当油含量E.oiL≤2000mg/L时，混菌对油脂的降解效果很好，HRT=24h后，除油率最高可达到99.6%左右，几乎完全降解；而油含量E.oiL＞2000mg/L后，除油率迅速下降，当E.oiL=4000mg/L时,HRT=24h，测得除油率仅为42.5%。此现象说明E.oiL=2000mg/L是一个临界点，油脂浓度高于临界点值后，对微生物的活性会产生抑制作用，生化反应为基质控制步骤，水中油脂浓度的越高，生化反应速率越低。此时，若想提高整体除油效果，应考虑增设除浮油或稀释等预处理手段加以辅助。
　　另外，在油含量E.oiL≤2000mg/L范围内，生化反应为一级反应方程(见表2),但随着初始油含量的增大，生化降解速率常数却逐渐下降。

3　结论

3.1　筛选出的芽孢杆菌(BacillusSubtilis)和产碱杆菌(Alcaligenes xylosoxidansss.)是高效降油菌。试验结果表明，混菌对油脂的最适降解条件为PH:5.5～7.0，温度:25～35℃、溶氧值5.5～7.0mg/L之间。在此范围内，氧传质速率与生化降解率相匹配，存在一个动态的平衡过程，此时的除油率达到一个较高值。
3.2　当油含量E.oiL≤2000mg/L时，混菌能有效地降解废水中的油脂成分，投菌时间HRT=24h后，除油率最高可达到99.6%左右，几乎完全降解。当油含量E.oiL＞2000mg/L以上，油脂浓度对微生物的活性产生抑制作用，生化反应为基质控制步骤，反应速率随水中油脂浓度的增高而降低。
3.3　当油含量E.oil在0～2000mg/L范围内，油脂降解过程是一级反应。但降解速率常数随初始油含量的增大而逐渐减小。
3.4　驯化周期，菌种量及其投加方式，生物反应器结构等因素对除油率均会产生一定的影响，日后应加强这方面的研究工作。

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作者简介：
赖万东 (1967-)，女，博士生研究生．