关键词：废水 处理 研究 应用 细菌
摘要 对实验室选育保存的4株光合细菌菌株进行复壮、驯化后，将其接入VB12废水中。对比不同菌株的生长速度及对COD的降解能力，筛选出适宜处理VB12废水的优势菌株。为了便于比较菌株的降解性能，定义了最大比COD去除率（Umax,COD），即每克光合细菌干菌体每小时的最大COD去除量。研究表明，2号菌株的Umax,COD高于其他3种菌株，因此选择该菌株作为试验菌株对VB12废水进行处理。最终处理效果明显，60 h COD去除率可达89%。
关键词 光合细菌 筛选 最大比 COD 去除率 VB12废水
TThe vitamin B12 (VB12) wastewater treatment based on photosynthetic bacteria Wu Sha, Luo Renming.(College of Environmental Science and Engineering, Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang Hebei 050018)
Abstract: Four species photosynthetic bacteria, which were selected and preserved in the laboratory, were cultured in VB12 wastewater. The best one adapted to the growth situation of VB12 wastewater could be filtrated by contrasting four species photosynthetic bacteria’s growth rate and their capabilities of chemical oxygen demand degradation. Maximal Specific COD Degradation Rate is defined whose units is g COD/(h·g PSB) to be convenient for contrasting the photosynthetic bacteria’s capabilities of degradation. The study indicated that the second one’s Maximal Specific COD Degradation Rate is highest of all. So it is chosen to treat VB12 wastewater. The wastewater degradation rate of chemical oxygen demand can attain 89% by sixty hours’ treatment using the second one.
Keywords: Photosynthetic bacteria Filtration Maximal Specific COD Degradation Rate Vitamin B12 wastewater
光合细菌（PSB）广泛分布于水田、池沼及江河湖海中。光合细菌可以把废水中的有机物转化为简单的无机物，降低COD和BOD，减少水体污染，改善水质[1]。20世纪60年代以来，许多科学家先后对PSB展开了研究。以小林正泰为首的日本科学家研究开发了PSB法处理高浓度有机废水，并在1978年率先实现了工业应用，其后许多国家的研究人员也做了大量的研究及推广工作，使这一技术得到迅速发展。
高浓度的有机废水目前已成为主要的水污染源，是环境保护领域急待解决的重点问题。其中，制药废水大多属于高色度、难降解的高浓度有机废水，而且由于制药厂使用原料复杂、生产工艺不同、产品种类繁多，使得制药废水通常具有组成复杂，有机污染物种类多、浓度高，COD波动大， BOD/COD差异大的特点。采用PSB法对其进行处理，进水可以不需稀释，设备的有机负荷较高且处理后产生的剩余菌体污泥中蛋白质及其他营养物质含量高，可在水产养殖业、畜禽饲养业和农业等方面进行综合利用，从而获得一定的经济效益，降低了处理成本。可见，应用PSB法处理制药废水是具有很好发展的前景。
将PSB法应用于制药废水的处理，关键技术是优势菌种的培育和筛选，并使其在处理过程中保持种群优势。本文主要研究菌种的筛选及在VB12废水中的初步应用。
1 试验材料和方法
1.1 试验材料
（1）菌种来源。试验选用的菌种为本实验室选育保存菌种。其中1号和2号菌株为沼泽红假单胞菌，3号和4号菌株为球形红假单胞菌。
（2）培养基。用蒸馏水配制，每升含NaCl 3.5 g，KH2PO44.8 g，葡萄糖1.0 g，牛肉膏1.5 g，酵母膏1.5 g，蛋白胨5.0 g。如制备固体培养基，还需另加入2%琼脂。高压蒸气灭菌。
（3）废水。取自石家庄某制药厂VB12生产过程中排出的高浓度有机废水。废水水质见表1。
表1 VB12废水水质
|
pH |
COD/(mg·L-1) |
BOD5/(mg·L-1) |
SS/(mg·L-1) |
NH3-N/(mg·L-1) |
有机酸/(mg·L-1) |
|
6~8 |
60000~70000 |
5500~12000 |
700~900 |
400~450 |
4000~6500 |
1.2 试验方法
1.2.1 菌种复壮及驯化
从斜面上挑取少许菌在无菌水中稀释，涂于平板上，待长出完全分开的菌落后，找出保持原有性状的菌落接于液体培养基中，30 ℃振荡培养24～30 h后，转接入另一瓶液体培养基中继续同条件下培养，转接3～4代，每代培养24～30 h，即完成菌种的复壮过程。
将分离菌株分别依次接入三批混合液中进行驯化培养。第一批的混合液为1/3废水，2/3培养基；第二批为1/2废水，1/2培养基；第三批直接接入废水中。直至PSB在废水中能够快速明显生长，从而完成驯化过程。
1.2.2 优势菌种的筛选
向4个250 mL三角瓶中分别倒入150 mL VB12废水，将驯化后的4株试验菌株的菌液按10％的比例分别接入废水中，在光照条件下，(30±1) ℃恒温振荡培养。通过前期工作观察到，不同菌株对VB12废水降解的速度是不同的。而同一菌株在接种培养后，先经过短期的适应，而后降解COD的速度很快提高到最大值，并维持一段时间，其后随着废水COD的降低，降解速率逐步下降。以该菌株所能达到的最大比COD去除率来表征菌株的特性，有利于比较和筛选优质菌株。因此，本研究定义的最大比COD去除率（Umax,COD）是指每克PSB干菌体每小时的最大COD去除量，单位为g/（h∙g）。它反映了PSB所具有的潜在的降解COD的能力。试验过程中，定时取样，作图分析，并通过比较，确定菌株的最大比COD去除率值。
公式为：
式中：VR 为反应区容积（L）；X为PSB菌体干重（g/L）；t为时间（h）；Umax,COD为最大比COD去除率（g/（h∙g））。
1.2.4 测定方法
（1）驯化过程中PSB生长量的测定采用比浊法[2]。用1 cm比色皿，在660 nm波长处测定菌液的光密度值（OD660），蒸馏水为空白。
（2）废水COD的测定采用重铬酸钾法[3]。
（3）菌体细胞质量的测定采用称量法[4]，即用离心或过滤的方法将菌体从菌悬液中分离出来，洗净，烘干，称量，求得单位体积菌悬液中细胞的干重。
2 试验结果与讨论
2.1 菌种驯化前后生长情况对比
为了使分离菌株能够在VB12废水中快速生长，实现最佳的处理效果，笔者对已有的菌株进行驯化。经驯化后的菌株在废水中的生长情况发生了明显变化。驯化前后对比结果见图1和图2。
图1 驯化前PSB在VB12废水中的生长情况
图2 驯化后PSB在VB12废水中的生长情况
由图1和图2可看出，PSB经驯化后能够很好地适应VB12废水中的生长环境，尤其是2号菌株，驯化后48 h的OD660接近0.6，较驯化前提高了近1倍。
2.2 细菌筛选
在批量式试验中，将PSB菌株接入废水中，经短期的适应后，废水的COD开始明显下降，48 h后变化趋于平缓，结果见表2。并根据表2作4株PSB菌株对COD的降解曲线，结果如图3所示。
表2 4株光合细菌性能对比
|
菌种编号 |
1 |
2 |
3 |
4 |
|
PSB菌体干重
/g |
0h |
0.027 |
0.013 |
0.032 |
0.023 |
|
6h |
0.030 |
0.014 |
0.036 |
0.024 |
|
12h |
0.031 |
0.015 |
0.027 |
0.025 |
|
18h |
0.046 |
0.030 |
0.050 |
0.039 |
|
24h |
0.069 |
0.041 |
0.072 |
0.051 |
|
36h |
0.087 |
0.047 |
0.089 |
0.054 |
|
48h |
0.101 |
0.050 |
0.107 |
0.061 |
|
60h |
0.107 |
0.051 |
0.118 |
0.068 |
|
72h |
0.732 |
|
0.122 |
0.074 |
|
COD去除量
/g |
6h |
0.006 |
0.003 |
0.009 |
0.003 |
|
12h |
0.031 |
0.025 |
0.041 |
0.018 |
|
18h |
0.210 |
0.240 |
0.200 |
0.184 |
|
24h |
0.437 |
0.435 |
0.406 |
0.434 |
|
36h |
0.590 |
0.633 |
0.459 |
0.486 |
|
48h |
0.670 |
0.753 |
0.640 |
0.579 |
|
60h |
0.763 |
0.811 |
0.780 |
0.625 |
|
72h |
0.817 |
0.830 |
0.812 |
0.687 |
由表2及上述PSB降解COD曲线图可以计算出4株PSB的最大比COD去除率，结果1、2、3、4号菌的Umax,COD分别为0.89 、1.31、0.68 、0.64 g/（h∙g）。计算结果显示，2号菌株的Umax,COD高于其他3种菌，因此选择2号菌株作为试验菌株用于处理VB12废水的研究。
2.3 试验菌株对VB12废水的处理效
图3 光合细菌菌株降解COD曲线图
试验以稀释10倍的VB12废水作为处理对象，选择2号菌株对其进行处理，处理效果见图4。结果显示，PSB对废水的处理主要体现在前48 h，48 h之后废水COD变化趋于平缓，经60 h的处理废水COD降解率达89％，随后PSB的生长逐步进入衰亡期，降解率不再有显著变化。
该法具有设备规模小、占地面积小（仅为活性污泥法的1/4～1/5）、一次性投资费用少，动力消耗小，污染物负荷高，污泥量小且能综合利用，避免了二次污染等优点[5]，因此值得推广。但还需做进一步深入的研究和开发，以实现其实用化。
图4 2号菌株对VB12废水的处理效果
3 结 论
（1）驯化前后菌株在VB12废水中的生长情况发生了明显的变化。驯化后的菌株不仅生长速度加快，约为驯化前的1倍，而且对废水的处理效率也有所提高。
（2）由菌株的生长曲线可确定，处理VB12废水的菌种取用培养时间为30～40 h的光合细菌菌株。
（3）研究定义了最大比COD去除率（Umax,COD），并通过测定Umax,COD来对比不同菌株的降解性能。研究表明，2号菌株在VB12废水中生长速度较快，且对废水COD有明显的降解效果，其Umax,COD为1.31 g/（h∙g），高于其他3种菌。因此，可选择该菌种作为今后应用光合细菌法处理VB12生产废水的试验菌株，进一步研究其处理工艺，使该方法能得到推广应用。同时，这一研究也为选择处理废水优势菌株提供了适用方法。
（4）通过光合细菌法处理VB12生产废水的试验，证实了应用该法处理VB12废水的可行性，经筛选所得到的2号菌株对VB12废水的处理效果较好，其COD去除率可达89％。
参考文献
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1 李东风.光合细菌的开发应用动态.微生物学杂志，1998，18(2)：44～50
2 周德庆.微生物学实验手册.上海：上海科学技术出版社，1986
3 国家环保局《水和废水监测分析方法》编委会.水和废水监测分析方法.北京：中国环境科学出版社，1998
4 李建政，任南琪.环境工程微生物学.北京：化学工业出版社，2004
5 刘如林.光合细菌在有机废水处理中的应用.环境科学，1999，12(2)：63～67
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