固定化光合细菌处理豆制品废水产氢研究

环境科学卷期固定化光合细菌处理豆制品废水产氢研究‘刘双江杨惠芳周培瑾中国科学院微生物研究所,北京孙燕岑运华中国环境科学研究院水环境研究所,北京摘要以海藻酸钠做包埋材料制备的固定化光合细菌,可以在不同浓度豆制品废水中进行光照放氢。豆制品废水浓度在一时,可以维持稳定产气以上,平均产气率为一·,气体中含量在以上,废水去除率为一当废水浓度在一时,可以维持产气,,平均产气率为了一·,气体中含量在以上,废水最终去除率为一。关镇词固定化光合细菌,废水处理,产氢率。氢是重要的生物能源之一,紫色非硫光合细菌一的许多种能够在厌氧光照条件下,以简单有机物如单糖、低分子有机酸或醇为供氢体进行光照放氢,〕。这一性状正被用来发展一项获取氢能的新型生物技术〔一〕。中国科学院微生物研究所筛选了产氢活性较高的菌株并对其产氢条件进行了研究困,将有机废水做为光合细菌光照放氢的基质,把光合细菌放氢技术与有机废水处理相结合。由于光合细菌光照放氢需要一定的条件做保证,并且废水组成复杂,水质变化较大,到目前为止,尚未见有光合细菌以有机废水为基质进行光照放氢的研究报道。本文报道利用本实验室分离到的光合细菌制备成固定化细胞从豆制品废水中产氢的试验结果。废水试验用豆制品废水取自某豆腐加工场制豆腐过程中的黄沦水。初始浓度一,近中性,但存放过程中易酸化。固定化细胞制备闭试验过程中采用琼脂和海藻酸钠作为包埋材料。种方法制备的固定化光合细菌均呈鲜红色,手感具有一定强度和弹性。产氢量的测定试验装置用注射器改制而成,把注射器塞取出,去掉一端,利用塞内空间做贮气室,注射器筒内装废水及固定化细胞。每支注射器中加入废水,再加入固定化光合细菌。培养一定时间后,记录产气体积℃,。氢含量用气相色谱法热导测定,外标法计算氢含量。材料与方法菌种红假单胞菌菌株伽叭白”如蜘哪哪咖执为本实验室分离,它可以利用葡萄糖、苹果酸、丁酸和乳酸等进行厌氧光照放氢。细胞培养及收集培养基配制参考文献〕,培养基中加入苹果酸钠和谷氨酸钠分别做供氢体和氮源。输液瓶中加入培养基,杀菌后接入种子液,并补充培养基到,用橡胶塞密封培养,白炽灯做光源,培养温度士℃。培养一后离心收集细胞,用生理盐水制备成菌悬液备用。结果与讨论不同包埋剂和细胞包埋量的比较采用琼脂和海藻酸钠做包埋剂,制备固定化光合细菌,用于处理豆制品废水产氢,光照培养后,产氢量见表。从表中可以看到,在湿细胞包埋量分别为、、情况下,以海藻酸钠制备的固定化细胞的放氢量均优于以琼脂为包埋材料制备的固定化细胞。且在海藻酸钠为包埋材料时,通过比较湿细胞包埋量分别为一。、、、的试验结果表明,适宜细胞国家“八五”科技攻关项目收稿日期一一卷期环境科学包埋浓度湿细胞应该为一。表不同包埋剂和细胞包埋对产氮的影响湿细胞量‘’不同包埋剂产氢量而,琼脂海藻酸钠连续稳定光照放氢达以上。种浓度废水在批量试验中累计产气量分别为、和,平均产气率分别为、、·。初期气体中氢含量分别为、和,最终气体中氢含量分别为、和表。表高浓度豆制品废水固定化光合细菌光照放氮结果指菌悬液细胞浓度指在,℃条件下气体体积初始培养一培养累计产浓度产气中产气中气量‘,平均产气率·〕…叮二,一试验结果还表明,无论是以琼脂还是以海藻酸钠做为包埋材料,制备的固定化光合细菌全部呈鲜红色。细胞包埋量愈大,其颜色愈深,直到培养结束,细胞仍保持鲜红色。废水处理过程中放氢量及去除率豆制品加工过程的废水主要来源于方面。一是豆浆点卤后产生的黄柑水,其有机物含量高,浓度在以上二是工厂设备清洗废水,有机物含量低,水量大。工厂最终废水浓度一般在!’左右。据此,笔者试验了豆制品废水在个浓度区域范围内的放氢情况及去除率。高浓度豆制品废水处理中的产氢率以黄潜水配成浓度为、和的废水,加人固定化光合细菌,光照培养。产氢情况如图所示。图表明,当以高。。需要指出,光合细菌在含有特定有机物人工配制的基质中光照放氢时,产生的气体中氢气含量接近,几乎不含其他气体成分。当把光合细菌投入到实际废水中进行光照放氢时,产生的气体中氢气含量一般在一之间。这是由于随着培养过程的进行,一些兼性或专性厌氧菌生长,其代谢过程中产生等气体。另一方面,该类细菌的生长,能够把比较复杂的有机物质如淀粉等转化为光合细菌可以利用的小分子有机物,如乙酸、丙酸、丁酸等,有利于有机物质的转化。低浓度豆制品废水的光照放氢在浓度为一内选择了个浓度,用黄潜水配制成废水,投入固定化光合细菌,光照培养放氢情况见图。介一lƒ一三„酬犷代ƒ一日„3犷仗2040100120408012()1602()()24()时I司(h)60SC时间(h)图l固定化光合细菌在高浓度豆制品废水中的产气率1.初始eool2600mg/L2.初始ooo7560mg/L图2固定化光合细菌在低浓度豆制品废水的产氢率1.初始CoD5040mg/L2.初始COD3780毗/L3.初始eoo2520毗/L4.初始eon1260mg/L3.初始eool0080mg/L从图2看出,当豆制品废水浓度较低时,固浓度豆制品废水为基质时,固定化光合细菌能够定化光合细菌光照放氢同高浓度豆制品废水光环境科学16卷l期照放氢相比有3个特点:¹维持稳定产气的时间缩短,培养时间经过93h后产气曲线斜率开始变小(图2);º在稳定产气阶段的产气率低,最终累计产气量也低(表3),造成这2种现象的主要原因是废水浓度低,有机物含量少;»产气组成中氢含量比高浓度废水中产气的氢含量稍高(表3)。表3低浓度废水固定化光合细菌光照放氢结果60%的水平。这些结果说明,光合细菌在光照放氢的同时,对COD具有一定的去除能力,但若把光合细菌制取氢能技术与废水处理结合起来应用于生产实践,则还必须进一步提高光合细菌的放氢速率,以期能在尽量短的时间里去除更多的有机物,达到更高的有机物去除率。初始COD培养46h培养g3h产累计产浓度产气中H:气中H:气量,)(mg/L)(%)(%)(ml)平均产气率仁ml/(L一d)〕60.321.79.22580.516.75.918..…O甘一七9”U8一X00001260252037805040140.0166.7106.7120.7l)120h2.2.3光照放氢过程中COD去除率CoD去除率见表4。采用光合细菌处理有机废水已有研究报道和运行实例〔,’。〕。但PSB法处理有机废水的工艺条件与光合细菌光照放氢的条件有所不同。其中十分明显的差异是PSB法需要控制一定程度的曝气,处理过程是在好氧或微好氧条件下进行,而光照放氢是在完全封闭的厌氧环境中进行。能否兼顾光照放氢和COD去除率正是本研究的目的之一。表4光照放氢过程中CoD去除率初始eoo(mg/L)最终eoD(ms/L)CoD去除率(%)12600100807560504037802520126037502200285020001820138674370。278.262.360.351.945.041.03结论(l)试验以琼脂和海藻酸钠做包埋材料,包埋不同量的光合细菌细胞制成的固定化光合细菌,应用于处理豆制品废水光照放氢,发现以海藻酸钠作包埋剂较好,适宜的细胞包埋量(湿细胞)为20一30mg/ml。(2)当豆制品废水COD浓度在7560一126ooms/L,以海藻酸钠为包埋材料制备的固定化光合细菌可以维持稳定产气达260h以上,平均产气率为146.8一351.4ml/(L·d)。初期产气中HZ含量为69.0%一93.1%,末期产气中HZ含量达57.7%一71.5%。(3)当豆制品废水CoD浓度在1260一5040mg/L内时,可获得纯度较高的氢,并可连续稳定产气93h,其后产气率下降,平均产气率为120.7一140.oml/(L·d)。(4)固定化光合细菌在以豆制品废水为基质光照放氢的同时,可去除废水中部分有机物。废水coD浓度为7560一12600毗/L,经260h光照放氢,COD去除率为62.3%一78.2%;废水CoD浓度为1260一5040mg/L时,经150h光照放氢,COD去除率可达41%一60.3%。参考文献H沮merPandHHillmerPandHG翻t.J。B泊以eriol二Gest.J。B边Cterinl二1977,12.(2):7241977,129(2):732从表4可以看出,把光合细菌的光照放氢与有机物去除结合起来,对于初始COD浓度分别为12600、10050、7560mg/L的较高浓度豆制品废水,经260h光照放氢的同时,CoD去除率分别可达到70.2%、78.2%和62.3%。而对于浓度为1000一500omg/L的较低浓度豆制品废水,经120h光照放氢,coD去除率也可达到40%一3BukanakarlLetai二A肛ie.Biol.Chem二1985,49(11):33394Miyakejetal二J.FermentTechnol二1984,62(6):53152云rrerH.Ex伴r加enta.1982,3.:646刘双江等.微生物学通报.1993,20(5):2597TruperHGandJPImhoff.InBer罗y,sManualofsystematic助eteriology.1984,1658一16828韩树琴,杨惠芳.环境科学学报.1988,.(1):939王宇新等.环境科学.1993,1,(5):3910徐向阳,孙琦.环境污染与防治·1990,比(5);32,1995AbstraetsChineseJournalofEnvironmen扭1ScieneeInunobi】挽ed一Mierobial一CellA/0Process.WangLei.(ResearehCenterforEeo一EnvironmentalScienees,ChineseAeademyofSeienees,Beijing100085),Yuyuxin(D巾t.ofEnviron.Eng.,TsinghuaUniv.,Beijing100084):Ch矶.J.En,~曰夕d.,16(l),1995,PP.29一31Immobilized一mierobial一eell(IMC)teehnology,anewteehniqueforbiologiealwastewatertreatment,wasusedtotreatasPenttetraeyelineliquor.Theexperimen饭1resultsshowedthattheremovalsofbothCODandtetraeyelinewere96%ataCoDloadingof2.07kg/(m3·d).AscomParedwithaeonventionalA/0process,therewasaninereaseofConloadingby16.3%andofgaspr阅uetionby4.57times.TheIMCteehnologywasfoundtohavesomefurtheradvantages,ineludingamorestable。讲ratinnandallowingahigherPollutantloadingandlessSludgegeneration.Keywords二anaerobie一aerobieProcess,tetraeyeline,immoblllZedmiCrobialCell.Pulsedstreamercorona15effeetivetoremoveHZS·ThenegativelyPulsedstreamercoronawasfoundtohaveaHZSremovaleffieieneyof88%andaPowerutilizationeffieieneyof6.749八kw·h).InthesameoperatingeonditionwithnegativelyPulsedstreamereorona,thePositivelystreamereoronawasfoundtohaveaHZsremovaleffieieneyof45%andapowerutilizationef