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微生物絮凝劑在制酒廢水處理方面的研究進展

    目前，我國酒精生產(chǎn)企業(yè)有千余家，制酒廢水主要來自于生產(chǎn)過程中酒精蒸餾后產(chǎn)生的廢水、生產(chǎn)設備的洗滌水、沖洗水，以及復雜生產(chǎn)過程中的冷卻水等，廢水年產(chǎn)量超過400 萬t。酒精廢水基本都是高濃度、高酸度的有機廢水，對環(huán)境污染嚴重，其COD 濃度高達50000 mg/L，懸浮物SS 達10000 mg/L，總氮濃度高于1000 mg/L，且大多數(shù)制酒廢水中的SS顆粒細小、致密、黏度大，處理難度較大。若直接進行廢水的厭氧處理，容易造成厭氧污泥流失;若直接排放周邊，會加速周邊水體富營養(yǎng)化，污染地下飲用水，以及破壞水體生態(tài)系統(tǒng);酒精行業(yè)的廢水污染已經(jīng)成為酒精生產(chǎn)企業(yè)的大難題。因酒精廢水妥善處理要求資金投入大、技術管理嚴格、設備規(guī)模較大等原因，所以多數(shù)酒精企業(yè)對其廢水的回收利用率很低。如何高效、經(jīng)濟的處理酒精廢水，已成為環(huán)保行業(yè)重要課題。

    在制酒廢水處理中，絮凝沉淀法工藝簡單、成本低且應用普遍。絮凝劑的有效開發(fā)與利用是關鍵。絮凝劑主要分為無機、有機和微生物絮凝劑。制酒工業(yè)現(xiàn)有廢水處理工藝主要是采用無機化學絮凝劑與氣浮等廢水處理專業(yè)設備、裝置相結合的模式，具有低成本、高效率特點，是目前應用比較廣泛的處理模式。但常用的化學絮凝劑易殘留，且殘留單體(如丙烯酰胺)為神經(jīng)性致毒劑，可能引起神經(jīng)毒性和癌癥，中毒后會呈現(xiàn)肌體無力、運動失調(diào)等不良癥狀。安全、無毒、高效、無二次污染、可降解的“綠色”微生物絮凝劑越來越被關注。微生物絮凝劑(microbial flocculant，MBF)是由微生物(如細菌、酵母、霉菌、放線菌等)在一定的培養(yǎng)條件下通過自身新陳代謝產(chǎn)生的具有絮凝活性的產(chǎn)物，并通過發(fā)酵、提取、精制等方法獲得，獲得的產(chǎn)物具有生物降解性且安全、高效、成本低等特點，主要組分包括糖蛋白、多糖、蛋白質(zhì)、纖維素和核酸等。作為新式污水處理技術，微生物絮凝劑因高效、安全、零殘留、綠色環(huán)保的特點，已廣泛應用于生活污水、豬場污水、印染污水以及制酒廢水等各類廢水處理。本文將從微生物絮凝劑的絮凝機理、絮凝制酒廢水的微生物種類、在制酒廢水中的應用進展進行綜述。

1 微生物絮凝劑作用機理

    微生物的絮凝作用報道最早始于法國學者Pasteur(1876 年)，他發(fā)現(xiàn)并報道了酵母菌在發(fā)酵后期具有絮凝能力，此后，根據(jù)對微生物絮凝劑成分、組成的研究，國內(nèi)外研究者總結出了多種絮凝機理，但被普遍接受的機理主要有吸附架橋機理、電中和機理、化學反應學說、卷捕作用、酯合假說、粘質(zhì)學說等。也有些專家認為，絮凝過程復雜多變，單一的機理很難概括所有現(xiàn)象，吸附機理并非單一的。羅平等的研究表明，微生物的絮凝機理是在氫鍵作用下的“吸附架橋”機理模式;朱艷彬等的研究表明，微生物絮凝機理是兩性電解質(zhì)的電中和作用及代謝殘留物吸附架橋作用的共同結果;馬放等研究發(fā)現(xiàn)，在不同的水質(zhì)條件下，電中和、吸附架橋和網(wǎng)捕卷掃3 種模式可相互協(xié)同。微生物絮凝劑的絮凝能力取決于自身的分子結構、形狀、分子質(zhì)量和所帶基團。一般情況下，絮凝劑直線型分子結構較好，比交聯(lián)的或支鏈結構的絮凝劑絮凝效果好。此外絮凝劑分子質(zhì)量越大，絮凝活性越高。同時，絮凝劑的添加量、絮凝環(huán)境( 如溫度、pH值、金屬離子和濃度、通氣量等) 是影響絮凝效果的主要因素。He J 等的報道指出，通過對深海細菌V3a’所產(chǎn)生的微生物絮凝劑HBF-3絮凝機理研究表明，HBF-3 對高嶺土絮凝主要是由于Ca2+的架橋作用。

2 絮凝制酒廢水的微生物種類

    有關絮凝菌的報道起源很早，但有關制酒廢水的絮凝菌報道起步較晚。近年來有很多學者報道了在制酒廢水處理領域應用較好的絮凝菌，主要有細菌、酵母、霉菌等，具體匯總見表1。

3 微生物絮凝劑在制酒廢水中應用

    國內(nèi)啤酒和白酒行業(yè)產(chǎn)生廢水量較大，其廢水有效處理已成為環(huán)保領域研究的關注重點。

3.1 微生物絮凝劑在啤酒廢水中的應用：中國是全球啤酒生產(chǎn)和消費國，啤酒年生產(chǎn)量較大，產(chǎn)1 t 啤酒的耗水量8～25 t，我國啤酒廢水年產(chǎn)量約為4 億立方米。啤酒廢水綜合利用效率低，排放后對環(huán)境造成較嚴重的污染。啤酒工業(yè)廢水中含有糖、醇等有機物，濃度高，易腐敗，其中COD、BOD 普遍較高。一般企業(yè)多采用好氧生物處理法，花費較高、電量消耗大，且經(jīng)處理后的廢水N、P 含量仍然偏高。有學者采用微生物絮凝菌處理啤酒廢水，取得較好效果，尤其可有效去除COD、SS。徐放等通過研究培養(yǎng)基絮凝菌、培養(yǎng)條件、絮凝劑的投加量對啤酒廢水的處理效果。研究結果表明，利用酵母膏培養(yǎng)基培養(yǎng)的MBF-1 型菌，菌液對啤酒廢水COD 的去除率最高達到90.8 %，COD 去除能力最高達到55.3 mg/mL，啤酒廢水處理效果比較理想。陳燁等用硅酸鹽細菌GY03 菌株所產(chǎn)生的微生物絮凝劑處理啤酒廠廢水，結果顯示，處理后啤酒廢水SS 去除率高達93.59 %，對BOD、CODcr也有較好效果，且絮凝效果優(yōu)于化學絮凝劑。Zhang ZQ 等利用1 L 啤酒廢水作為絮凝微生物碳源主要成分，添加0.5 g/L 尿素、0.5 g/L 酵母浸出粉以及0.2～0.5 g/L (NH4)2SO4，培養(yǎng)條件下，以啤酒洗槽廢水作為碳源，培養(yǎng)絮凝菌，所產(chǎn)絮凝劑MMF1 成分為蛋白質(zhì)和多糖，它對靚藍印染廢水有很好的絮凝效果，COD 和色度最高去除率可達到79.2 %和86.5 %。蘆艷等以利用啤酒廢水作為唯一碳源和氮源的培養(yǎng)基，僅添加0.5 %的KH2PO4無機鹽，所產(chǎn)生的微生物絮凝劑對高嶺土懸液的絮凝率高達93.5 %。啤酒廢水營養(yǎng)豐富，張迎明等利用稀釋10 倍啤酒廢水作為廉價培養(yǎng)基, 直接培養(yǎng)篩選到的絮凝球菌，在的培養(yǎng)條件下所得絮凝劑的絮凝效果最高為96.8 %。Liu Z Y 在實驗過程中利用啤酒廢水作為Klebsiellasp TG-1 菌的廉價培養(yǎng)基，雖然絮凝率不如豆腐渣培養(yǎng)基，但也可以達到43 %。Ugbenyen A M報道，利用3 種海洋細菌混合培養(yǎng)產(chǎn)微生物絮凝劑對廢水絮凝實驗，其中對于啤酒廢水的絮凝率高達93.7 %，以及對啤酒廢水的濁度清除達92 %，清除效果顯著。Luo Z S 也報道指出，Klebsiella sp 菌株yz-6 產(chǎn)生的微生物絮凝劑MBF-6 對乳品廢水、啤酒廢水、糖蜜廢水均非常有效，絮凝劑主要成分有95.1 %的多糖和3.4 %的蛋白質(zhì)。Feng L D等篩選出的芽孢菌種所產(chǎn)生的高效微生物絮凝劑MBF3-3 對綜合性的廢水處理效果較好，其中對于啤酒廢水的處理時的添加量低于常用的聚酰胺(PAC)，且多種金屬離子對其絮凝性有促進作用。Cosa S 等利用2 株海洋微生物混合培養(yǎng)，并提取微生物絮凝劑，其可有效去除啤酒廢水中99.7 %的COD，且濁度去除率為93.9 %，其主要成分是多糖類;將啤酒廢水直接作為微生物廉價培養(yǎng)基，可使啤酒廢水資源有效利用，并大大降低微生物絮凝菌的培養(yǎng)成本。

3.2 微生物絮凝劑在白酒廢水中的應用：中國是白酒發(fā)源地，也是生產(chǎn)大國。白酒行業(yè)生產(chǎn)量大，釀酒過程中產(chǎn)生大量廢水，且基本都是高濃度有機廢水。廢水成分復雜，酸度高，色度也較高，主要含有低碳醇、脂肪酸、氨基酸等物質(zhì)。楊濤等研究報道，用紫色非硫細菌01S 菌株處理有機釀酒廢水，在自然(或白熾燈)光照、pH7.0、溫度28～30 ℃條件下，菌株生長良好，培養(yǎng)液能夠明顯降解釀酒廢水，COD 的去除率為82.2 %。王伊娜等利用制酒廢水培養(yǎng)酵母菌HJ4，在培養(yǎng)條件下獲得微生物絮凝劑MBF4，在白酒廢水中應用，對其色度和濁度有超過80 %的去除率，對COD的去除率有的較好、有的較低，穩(wěn)定性不好，結果表明，制酒廢水可以作為混合型酵母菌的廉價培養(yǎng)基。王麗麗等利用制酒廢水作替代培養(yǎng)基，在所產(chǎn)復合型生物絮凝劑MFHJ4 的合成條件下，MFHJ4 的產(chǎn)量最高可達3.85 g/ L。常洪娟等利用誘變篩選菌株，獲得產(chǎn)胞外多糖高產(chǎn)菌株副干酪乳桿菌，在生產(chǎn)工藝下制備乳酸菌微生物絮凝劑，對酒精糟液的絮凝率為95.5 %以及COD 去除率為97.5 %;彭瑞昊等選用酒精廢醪液作為培養(yǎng)基培養(yǎng)環(huán)境微生物，篩選獲得酒精廢醪液的生長菌株ZJ-15，獲得的微生物絮凝劑對部分重金屬離子有吸附作用。張帆等利用白酒廢水替代高成本的普通培養(yǎng)基對蠟狀芽孢桿菌(Bacillus cereus)、膜璞畢赤酵母(Pichia membranifaciens)和混合菌(HXJ-1)分別進行培養(yǎng)，HXJ-1 比單菌株長勢更佳;混菌可以直接利用白酒廢水產(chǎn)生微生物絮凝劑，且不需要調(diào)節(jié)pH 值;混菌產(chǎn)絮周期短，比單菌縮短了24 h;混菌能利用高濃度的制酒廢水且只外加少量氮源，有利于節(jié)約絮凝劑培養(yǎng)成本和綜合利用制酒廢水。在此基礎上，培養(yǎng)條件下，張帆研究團隊提取的絮凝劑對高嶺土絮凝率約為89.50 %。通過對微生物絮凝劑XJBF-1 理化性質(zhì)的研究表明，其主要成分是多糖63.40 %，總蛋白質(zhì)為0.87 %，分子量較低，為50789 U，且為線性結構，安全性實驗表明，對實驗魚苗基本沒有急性毒性，可作為無毒水處理劑。

3.3 微生物絮凝劑在糖蜜酒精廢水中的應用：糖蜜酒精廢水是以糖蜜為原料發(fā)酵生產(chǎn)酒精，在此過程中產(chǎn)生的高濃度有機廢水。糖蜜酒精廢水色度高、酸度高，且含有大量的碳水化合物、脂肪、蛋白質(zhì)、纖維素等，若直接排放，易造成周邊環(huán)境水體富營養(yǎng)化。國內(nèi)外對糖蜜酒精廢水脫色處理的研究較多。成文等在以糖蜜酒精廢水為產(chǎn)絮霉菌的廉價培養(yǎng)基主要成分，絮凝劑產(chǎn)量較高，與優(yōu)質(zhì)淀粉培養(yǎng)基產(chǎn)量接近;HE-P7 和HHE-A26的培養(yǎng)菌液也具有良好的絮凝作用，達到淀粉培養(yǎng)基的90 %以上。易小暢等以啤酒酵母為出發(fā)菌株，單獨用糖蜜酒精廢水稀釋40 倍作培養(yǎng)基時效果;稀釋糖蜜酒精廢液和葡萄糖培養(yǎng)基聯(lián)合使用(7∶3 比例)絮凝率超過70 %，對湖塘水中濁度的去除率也較高[40]。Yadav S 等[41]利用4 種菌株復合比例(4∶3∶2∶1)并在條件下培養(yǎng)10 d，其色度降解了75 %，COD 去除了71 %。范艷霞等研究表明，菌群在10 %(v/v)糖蜜廢水中添加少量營養(yǎng)物質(zhì)，并調(diào)節(jié)pH 值、培養(yǎng)7 d，有較好的脫色效果，為46.2 %。Zhuang X以糖蜜酒精廢液作為唯一碳源代替蔗糖培養(yǎng)芽孢菌，所產(chǎn)生的微生物絮凝劑可有效去除甘蔗精煉過程中的廢水中的膠質(zhì)懸浮物、色度和濁度;微生物脫色糖蜜酒精廢水是一個較復雜的生化過程，微生物的組成、結構和生長狀態(tài)決定處理效果的好壞，因此微生物的生長條件是處理的關鍵因素。

4 展望

    微生物絮凝劑相較于傳統(tǒng)絮凝劑，具有安全、高效、無殘留、易降解，無二次污染等優(yōu)點，在制酒廢水領域的應用越來越受關注，且可以將制酒廢水作為廉價培養(yǎng)基進行廢物利用，既減少處理制酒廢水的高額費用，也可以對難處理的廢棄物進行綜合利用。經(jīng)濟環(huán)保，應用前景廣闊，今后的研究方向可能為：(1)針對性地選育對制酒廢水絮凝效果好的高效絮凝劑產(chǎn)生菌?；蚬こ毯桶l(fā)酵技術的合理使用，可有效提高微生物絮凝劑的生產(chǎn)效率。(2)對高效制酒廢水絮凝菌進行基因表達、克隆，確定起絮凝作用的基因并加以轉化應用。(3)利用制酒廢水作為廉價培養(yǎng)基，探究添加比例、形式，變廢為寶，廢資源再生轉化，獲得高效收益。(4)深入研究微生物絮凝劑的作用機理、分子構架以及動力學，以研制更有效、更安全的新型超級絮凝劑。

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