韋嘉怡 張藝凡 王 藝 王科雅 張致遠(yuǎn) 張 政 付夢(mèng)杰

(南京工程學(xué)院 環(huán)境工程學(xué)院,江蘇 南京 211167)

在可持續(xù)發(fā)展的要求下,做好污水處理工作對(duì)于改善人居環(huán)境,加快生態(tài)文明建設(shè),推動(dòng)發(fā)展綠色低碳經(jīng)濟(jì),建設(shè)美麗中國(guó)具有重要的意義。高濃度有機(jī)廢水、含重金屬離子廢水和有毒廢水的排放會(huì)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)造成影響,如:產(chǎn)生的沼氣發(fā)生爆炸,對(duì)自然湖泊造成污染等,也會(huì)對(duì)人體健康產(chǎn)生危害。近年來(lái),酵母菌在廢水處理方面的研究不斷增加,此方面的研究論文數(shù)量也在穩(wěn)定上升。

20世紀(jì)70年代后期,日本國(guó)稅廳釀造研究所開(kāi)始研究酵母菌廢水處理技術(shù),Yoshizawa[1]發(fā)表了相關(guān)的文章,引起了人們對(duì)酵母菌廢水處理技術(shù)的重視。20世紀(jì)90年代,日本最先實(shí)現(xiàn)了利用酵母菌進(jìn)行廢水處理。該技術(shù)在日本得到了廣泛認(rèn)可,已有50多家工廠采用了該技術(shù)處理廢水(如味精廢水、啤酒廢水、豆制品廢水、水產(chǎn)品加工廢水等)[2]。酵母菌是一類真核微生物的通俗名稱,一般具有以下5個(gè)特點(diǎn)[3]:(1)個(gè)體一般以單細(xì)胞狀態(tài)存在;(2)增殖方式大多為出芽繁殖,也有的為裂殖;(3)能發(fā)酵糖類產(chǎn)能;(4)細(xì)胞壁中含有甘露聚糖;(5)喜在高糖、強(qiáng)酸的水生環(huán)境中生長(zhǎng)。酵母菌自身的特點(diǎn)使得它在高濃度有機(jī)廢水、含重金屬離子廢水和有毒廢水處理方面有廣泛的應(yīng)用前景,近年來(lái)成為研究熱點(diǎn)。

1 酵母菌在高濃度有機(jī)廢水處理中的應(yīng)用

高濃度有機(jī)廢水主要來(lái)自化工制藥、印染以及食品加工等過(guò)程。此類廢水中有機(jī)物濃度高、pH低,化學(xué)需氧量(COD)可高達(dá)幾萬(wàn)甚至幾十萬(wàn)(單位mg·L-1),且成分復(fù)雜。該類廢水若直接排放會(huì)對(duì)水環(huán)境以及人體健康造成嚴(yán)重危害。我國(guó)高濃度有機(jī)廢水分布廣泛且產(chǎn)生量大,一直是廢水處理的一大難題。目前常用的高濃度有機(jī)廢水處理方法有分離減量、化學(xué)氧化、生物降解等,但仍只能解決部分問(wèn)題。利用酵母菌處理該類廢水不僅高效廉價(jià),某些工藝中還可以得到單細(xì)胞蛋白,實(shí)現(xiàn)資源化利用,創(chuàng)造一定的經(jīng)濟(jì)效益[4]。

1.1 酵母菌對(duì)大豆加工廢水的處理

我國(guó)豆制品大多以作坊形式進(jìn)行生產(chǎn),生產(chǎn)規(guī)模較小但分布廣泛。因此豆制品生產(chǎn)場(chǎng)所的廢水較難集中處理。豆制品主要以豆腐為主,排放水COD一般較高,最高可達(dá)幾萬(wàn)。周敬敬[5]利用產(chǎn)朊假絲酵母菌在最佳條件下,即轉(zhuǎn)速160 r·min-1、溫度28 ℃、酵母菌投加量20%、初始COD為4 800 mg·L-1、處理時(shí)間18 h,處理大豆加工廢水,其COD去除率可達(dá)到90%。酵母菌對(duì)此類廢水去除效率高,且無(wú)二次污染。

1.2 酵母菌對(duì)皂素廢水的處理

皂素廢水是一種具有色度大、污染物濃度高、強(qiáng)酸性、溫度高等特點(diǎn)的高濃度有機(jī)廢水。其中,黃姜皂素生產(chǎn)廢水中含有大量的無(wú)機(jī)酸與有機(jī)物,其pH約為1～2,COD高達(dá)10 000～20 000 mg·L-1,色度≥1 000,BOD/COD=0.5～0.7,可生化性強(qiáng)[6]。凌云[7]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn),在溫度30 ℃,pH=4.0,廢水停留時(shí)間為5 d的條件下,進(jìn)水COD為15 000 mg·L-1,出水COD在1 200 mg·L-1左右。雖然仍沒(méi)有達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn),但其操作簡(jiǎn)便,COD降低明顯,為今后對(duì)皂素廢水的處理提供了基礎(chǔ)。

1.3 酵母菌對(duì)味精廢水的處理

味精廢水是提取味精過(guò)程中的廢水,主要含菌體蛋白、氨基酸、有機(jī)酸、殘鹽、殘?zhí)羌傲蛩岣任廴疚?COD高達(dá)20 000～70 000 mg·L-1,具有強(qiáng)酸性,是典型的高濃度有機(jī)廢水。如果不加處理就大量排放,將會(huì)改變水體的pH值,從而污染環(huán)境、影響農(nóng)作物生長(zhǎng)與漁業(yè)生產(chǎn)等。黑亮等[8]利用酵母菌對(duì)味精廢水進(jìn)行連續(xù)小試處理發(fā)現(xiàn),酵母菌生長(zhǎng)的適宜溫度為28～30 ℃,pH在6.0以下。將酵母菌在好氧條件下直接處理味精廢水,出水COD的去除率基本上穩(wěn)定在80%～88%之間。此外,分析出水的酵母菌,發(fā)現(xiàn)其中含有一定量的蛋白質(zhì),可作為單細(xì)胞蛋白進(jìn)行回收利用。

1.4 酵母菌對(duì)纖維素乙醇廢水的處理

纖維素乙醇通過(guò)預(yù)處理和酶解手段先將富含木質(zhì)纖維素的原料水解成富含可利用糖(葡萄糖、木糖等)的纖維素水解液,再經(jīng)過(guò)乙醇發(fā)酵和精餾工藝獲得[9]。在木質(zhì)纖維素水解工藝中,廢水中會(huì)殘留大量的半纖維素和木質(zhì)素。因此,纖維素乙醇廢水具有COD高、固體懸浮物含量高、色度高、pH低等特點(diǎn)。劉猛[10]利用纖維素乙醇廢水培養(yǎng)黏紅酵母生產(chǎn)微生物油脂,其中累積的油酸可以抵抗不良環(huán)境,對(duì)纖維素乙醇廢水的處理效果良好,對(duì)COD、總氮(TN)、總磷(TP)的去除率分別達(dá)到83.15%、70.52%、90.16%,不僅能夠有效去除COD,對(duì)TN、TP也有較好的去除效果。但是其出水水質(zhì)仍無(wú)法達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn),還需要進(jìn)行后續(xù)處理來(lái)提高水質(zhì)。

2 酵母菌在含重金屬離子廢水處理中的應(yīng)用

重金屬在水體中可以以陽(yáng)離子、氧化陰離子或有機(jī)絡(luò)合物形式存在,它們大多來(lái)源于人類活動(dòng)產(chǎn)生的酸性物質(zhì),如工業(yè)廢水、垃圾填埋場(chǎng)滲濾液、城市和農(nóng)業(yè)廢水等。隨著工業(yè)的迅速發(fā)展,越來(lái)越多含有重金屬的廢水在未經(jīng)處理的情況下被排入水體中,造成水體的污染[11]。物理法與化學(xué)法處理濃度較低的重金屬?gòu)U水時(shí),原材料成本較高、生產(chǎn)周期長(zhǎng)且容易造成二次污染。采用酵母菌對(duì)重金屬?gòu)U水進(jìn)行處理具有原料來(lái)源豐富、去除效率高、選擇性好、成本較低、無(wú)二次污染等特點(diǎn),具有廣闊的發(fā)展前景。

2.1 酵母菌對(duì)含六價(jià)鉻離子廢水的處理

Cr6+對(duì)人體傷害十分嚴(yán)重。如鉻酸鹽,當(dāng)其溶解時(shí)易揮發(fā),會(huì)對(duì)暴露的皮膚造成腐蝕。攝入大量六價(jià)鉻會(huì)對(duì)腎臟與肝臟造成損傷,還易引起惡心、腸胃不適等。邵昭[12]以酵母菌作為吸附劑對(duì)Cr6+進(jìn)行動(dòng)力學(xué)與熱力學(xué)吸附,吸附過(guò)程符合準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程與Langmuir模型。對(duì) Cr6+吸附的最佳溶液初始pH值為2,吸附量會(huì)隨著菌體投量的增加而下降。

2.2 酵母菌對(duì)含鎳離子廢水的處理

Ni2+是重金屬離子污染中常見(jiàn)的一種,過(guò)量的Ni2+會(huì)引起心、肺、腦、肝和腎的病變。含Ni2+的廢水排入水體中也會(huì)嚴(yán)重影響食物鏈,對(duì)人體造成危害。吳會(huì)軍[13]以海藻酸鈉和聚乙烯醇包埋法固定啤酒酵母菌,對(duì)廢水中的Ni2+進(jìn)行生物吸附,結(jié)果表明,在最佳處理?xiàng)l件下,固定化啤酒酵母菌對(duì)Ni2+的吸附率可以達(dá)到80.17%。因此,用酵母菌可以有效處理含Ni2+的廢水。

2.3 酵母菌對(duì)含汞離子廢水的處理

水中的Hg2+主要來(lái)源于貴金屬回收、金屬冶煉廠、電池以及體溫計(jì)等的生產(chǎn)過(guò)程。大量Hg2+隨廢水被排入水體中會(huì)對(duì)水體及人類健康產(chǎn)生影響。朱一民等[14]利用啤酒酵母菌對(duì)Hg2+進(jìn)行生物吸附,發(fā)現(xiàn)啤酒酵母菌對(duì)Hg2+吸附效果良好,在最佳條件下,對(duì)Hg2+的去除率可達(dá)到96%。因此在處理廢水中的Hg2+時(shí)可以優(yōu)先考慮酵母菌。

3 酵母菌在有毒廢水處理中的應(yīng)用

近年來(lái),隨著石油加工、有機(jī)化工、農(nóng)藥等重污染行業(yè)的發(fā)展,廢水中有毒有機(jī)物的排放對(duì)水環(huán)境與飲用水安全造成了威脅。常見(jiàn)的有毒有機(jī)物有苯酚、甲胺磷、阿維菌素等。此類有毒有機(jī)物易污染地下水及土壤,人體長(zhǎng)期暴露在有毒環(huán)境中容易誘發(fā)癌癥等疾病。

3.1 酵母菌對(duì)含苯酚廢水的處理

苯酚是典型的酚類污染物,在難降解有毒廢水中出現(xiàn)頻率較高。苯酚含量超過(guò)5.5 mg·L-1即可引起水中生物的死亡,當(dāng)攝入量超過(guò)1 g·kg-1時(shí),會(huì)造成動(dòng)物和人死亡。周江亞等[15]從苯酚降解顆粒污泥中分離出假絲酵母菌。在酵母菌投量0.41 g·L-1、苯酚初始質(zhì)量濃度1.03 g·L-1、溫度30.04 ℃的最佳條件下,苯酚的降解率可達(dá)到99.1%。利用假絲酵母菌降解苯酚具有快速有效、科學(xué)合理的特點(diǎn),對(duì)含苯酚廢水的處理具有指導(dǎo)作用。

3.2 酵母菌對(duì)含甲胺磷廢水的處理

甲胺磷是一種劇毒有機(jī)磷殺蟲(chóng)劑,近年來(lái)產(chǎn)量居于國(guó)家農(nóng)藥之首,但其同時(shí)也會(huì)對(duì)環(huán)境引起嚴(yán)重的污染與危害。劉斌斌等[16]從廢水中分離出魯式酵母菌WY-3,該菌可以利用甲胺、乙胺、硫酸銨作氮源生長(zhǎng),并能夠有效降解甲胺磷。這給含有機(jī)磷農(nóng)藥廢水的處理提供了新的思路,但有待進(jìn)一步研究和應(yīng)用。

3.3 酵母菌對(duì)阿維菌素發(fā)酵廢水的處理

阿維菌素是一種高效農(nóng)藥抗生素,是阿維鏈霉菌經(jīng)深層液體發(fā)酵產(chǎn)生的,主要用于農(nóng)作物殺蟲(chóng)以及動(dòng)物體內(nèi)外驅(qū)蟲(chóng)。阿維菌素發(fā)酵廢水具有高COD、高氮、高磷等特點(diǎn),并具有一定的毒性。宋新明[17]以阿維菌素為原料配置培養(yǎng)液,經(jīng)酵母菌發(fā)酵處理后可實(shí)現(xiàn)阿維菌素發(fā)酵廢水再利用。此舉大大降低了阿維菌素對(duì)環(huán)境的污染,且符合可持續(xù)發(fā)展要求。

4 結(jié)語(yǔ)

目前,酵母菌已可以應(yīng)用于處理多種類型的廢水,相較于傳統(tǒng)的活性污泥處理,酵母菌對(duì)廢水的處理效率能夠高出數(shù)倍。然而,在利用酵母菌處理廢水的過(guò)程中仍然存在著一些問(wèn)題。首先,酵母菌通常僅用于廢水的預(yù)處理過(guò)程,為保障出水水質(zhì),還需要增加后續(xù)處理。第二,利用酵母菌處理廢水需要對(duì)pH進(jìn)行控制,一般在酸性條件下運(yùn)行,且pH不能低于2.5,否則會(huì)產(chǎn)生抑制作用。第三,酵母菌的培養(yǎng)需要適合的生存條件與足夠的馴化時(shí)間。第四,酵母菌屬于繁殖力較強(qiáng)的異養(yǎng)細(xì)菌,酵母菌的大量繁殖會(huì)對(duì)水體中的其他細(xì)菌造成影響。第五,酵母菌對(duì)有機(jī)物的污染有較強(qiáng)的處理效果,對(duì)硝酸鹽等污染物的處理效果不明顯。因此應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況對(duì)酵母菌進(jìn)行多方面的研究。如,對(duì)酵母菌進(jìn)行基因改造,以獲得品質(zhì)優(yōu)良的菌種,在保證處理效果的前提下,降低成本、實(shí)現(xiàn)資源化利用,以滿足生產(chǎn)與應(yīng)用。