螺旋藻和菌-藻共生系统处理啤酒废水的研究-环境工程学报

螺旋藻和菌-藻共生系统处理啤酒废水的研究-环境学报 拟再审修改稿 稿件编号:201212149 螺旋藻和菌-藻共生系统处理啤酒废水的研究 ,2 ,1刘玉环 史晓洁 巫小丹 阮榕生 王辉 胡蓓娟 王允圃 万益琴 (南昌大学食品科学与技术国家重点实验室，南昌，中国，330047 南昌大学生物质转化教育部工程研究中心，南昌，中国，330047) 摘 要 利用螺旋藻、由真菌和螺旋藻组成的菌-藻共生系统处理啤酒废水，旨在为啤酒废水的资源化 利用提供一条可行的途径。利用螺旋藻和真菌形成的菌丝球组成菌-藻共生系统处理啤酒废水，与螺旋藻单 独处理废水作对比，比较两者的废水净化效果以及螺旋藻的生长情况。从两组实验对比情况来看，菌-藻共 生系统对啤酒废水的处理效果更好。螺旋藻和菌-藻共生系统对啤酒废水中几种主要污染物的去除率分别为: COD，70.59%和77.81%， TN，70.17%和84.28%， TP，37.99%和50.88%。螺旋藻在废水中生长积累的蛋 白质含量最高可达49.71%，明显高于在Zarrouk培养基中的螺旋藻蛋白含量,38.57%,。研究结果明，螺 旋藻及菌-藻共生系统对啤酒废水有较好的净化作用，所得螺旋藻生物质可用于加工饲料、饵料、色素的提 取等。 关键词 螺旋藻 真菌 菌-藻共生系统 啤酒废水处理 生物质 中图分类号 X703 Studies on brewery wastewater treatment by Spirulina platensis or fungi-algae symbiosis system 21Liu Yuhuan Shi Xiaojie Wu Xiaodan* Ruan Rongsheng* Wang Hui Hu Beijuan Wang Yunpu Wan Yiqin (State Key Laboratory of Food Science and Technology, Nanchang University, Nanchang 330047, China; Engineering Research Center for Biomass Conversion, Ministry of Education, Nanchang University, Nanchang 330047, China;) Abstract In order to find a feasible way for brewery wastewater utilization, free Spirulina and a fungi-Spirulina symbiosis system were developed for brewery wastewater treatment. Wastewater purification effect and Spirulina growth were investigated in two wastewater treatment systems, respectively. It showed that fungi-Spirulina symbiosis system had a better wastewater treatment effect through the comparison of two groups of experiments. The removal efficiency of free Spirulina on total nitrogen, total phosphorus and COD were 70.17%, 37.99% and 70.59%, and the fungi-Spirulina symbiosis system, 84.28%, 50.88% and 77.81%, respectively. Spirulina grow in wastewater accumulated more protein than in Zarrouk medium, the protein content can reach up to 49.71% of dry biomass. The results show that free Spirulina and fungi-Spirulina symbiosis system both have good purification effect of brewery wastewater and the Spirulina biomass can be used for feed processing, bait and extracting pigments after purification. Key words Spirulina platensis; fungi; fungi-algae symbiosis system; brewery wastewater treatment; biomass 基金项目:国家863项目2012AA021205;2012AA021704;2012AA101800;国家自然科学基金项目21266022，国际合作项 目:2010DFB63750;2010EHB03200;948项目2010-4-09 作者简介:史晓洁(1988,)，女，硕士研究生，研究方向为食品营养学。E-mail:shixiaojie1988@163.com 作者简介:刘玉环(1963,)，男，研究员，博士，硕士研究生导师，研究方向为生物质转化利用。E-mail: liuyuhuan@ncu.edu.cn ,通讯作者1:阮榕生(1963,)，男，教授，博士生导师，主要研究方向为生物质加工。Email: ruanx001@umn.edu 啤酒工业废水产生量大，含有大量的糖类、蛋真菌可以分解吸收多种复杂有机物，如纤维素、木 [1]白质、纤维素等有机物，浓度较高，因此COD含又可以供质素等，而且真菌代谢过程中会释放CO2量高，而且含有较高比例的氮、磷等植物生长所必螺旋藻利用，因此由真菌与螺旋藻组成的菌-藻共生须的营养元素，如果直接排放，会造成水体富营养系统共同来处理啤酒废水，就可以进一步提高废水 [2]化，而且是巨大的资源浪费。啤酒废水中包含灌中有机化合物的利用率，从而更好地净化啤酒废水。 [3]装车间排出的碱性洗涤废水，而螺旋藻适宜在碱已经有关于利用味精废水培养金针菇的研究，证实 [4]性的环境中生长，因此利用螺旋藻以及菌-藻共生在废水中生长良好，当培养基中废水浓金针菇可以 系统来处理啤酒废水，不但能够净化废水中的污染度为60%时，金针菇对味精废水中COD的去除率 [13]物，而且能够获得大量的螺旋藻生物质，是一种低可达82.6%。因此本研究采用金针菇作为真菌材成本、高效益的净化和利用啤酒废水的，有巨料，与螺旋藻共生处理啤酒废水。 [5]大的环境效益和经济效益。 1 材料与方法 螺旋藻是一种蓝藻，蛋白质含量丰富，且含有 1.1 材料 大量的氨基酸、脂肪酸、维生素C、维生素E、色 [6]素等营养物质，已经有相关实验证明，螺旋藻具1.1.1 啤酒废水来源及预处理 有抗病毒、抗癌、增强免疫力以及抗辐射等多种生啤酒废水取自南昌亚洲啤酒厂污水处理池入口 [7]处，属于混合废水。啤酒废水取回之后，用四层纱理功能，因其蛋白含量高以及含有丰富的维生素 布过滤。啤酒废水的水质:CODcr:和各种必需氨基酸，螺旋藻已被应用于人类食品及848.1 mg/L， [8]+动物饲料添加剂。已经有许多关于利用螺旋藻净TN:21.76 mg/L，TP:13.11 mg/L，NH-N:0.042 4化废水同时利用废水培养螺旋藻的研究。S.M. mg/L，pH:9.76。 [9]1.1.2 藻种及菌株来源 Phang等利用西米淀粉厂废水来养殖螺旋藻，结果 发现，废水中COD、氨氮和磷酸盐去除率分别达到钝顶螺旋藻(Spirulina platensis，编号98.0%、99.9%和99.4%，而且螺旋藻中粗蛋白、碳Fachb-439)，购自中国科学院武汉水生生物研究所; 真菌采用金针菇菌株，由南昌大学微生物实验室提水化合物和脂类含量最高分别达到68%、23%和 [10]供。 11%。N. Mezzomo等利用钝顶螺旋藻来净化养猪 厂废水，结果证明，当养猪厂废水占螺旋藻培养基1.1.3 培养基 的8.5%时，总磷去除率达到最大，为41.6%，当废Zarrouk培养基配方(/L):16.8 g NaHCO，2.5 g 3水占培养基的26.5%时，COD去除率达到最大，为NaNO，1 g NaCl，0.5 g KHPO?3HO，1 g KSO，324224[11]84.3%。EJ Olguín等利用螺旋藻来净化墨西哥热0.2 g MgSO?7HO，0.04 g CaCl?2HO，0.01g 4222带地区某试验工厂的猪场废水厌氧发酵液，把2%FeSO?7HO，0.08 g NaEDTA，微量元素1ml/L 。422-1的废水和用淡水稀释5倍后的海水混合，添加2 g?L微量元素溶液(/L):2.86 g HBO，1.86 g 33碳酸氢钠，结果发现在0.20 m深的池中，经半连续MnCl?4HO，0.22 g ZnSO?7HO，0.39 g 2242-2-1培养的螺旋藻平均生物量达到15.1 g?m?d，这在NaMoO?2HO，0.08 g CuSO?5 HO，0.05 g 24242当时用海水培养螺旋藻的报道中，生物量是最高的，Co(NO)?6 HO。 322+而且对培养液中的NHPDA培养基配方:马铃薯 200 g， 葡萄糖20 g， -N和TP去除率最高也分别4 达到96%和87%。由此可以看出，利用螺旋藻处理琼脂15~20 g，蒸馏水1000毫升，自然pH。 废水成本低、能耗少、效益高，是一项具有开发价1.2 主要仪器 光照强度计，UV9100系列紫外可见分光光度值的技术。废水净化后收获的藻体又可以用作饲料、 [12]计，Mettler Toledo 320-S pH饵料、肥料等，大大提高了废水处理的经济效益。 计，DHG-9036A型电 鉴于螺旋藻对废水的良好处理效果，本研究利热鼓风干燥箱，LDZX-50KBs立式压力蒸汽灭菌锅，用螺旋藻处理废水，在此基础上为了进一步提高处SPH-211B型摇床，电子天平。 理效果，加入真菌，与螺旋藻构成菌藻共生系统，1.3 实验方法 处理啤酒废水。啤酒废水中含有大量有机物，对于1.3.1 钝顶螺旋藻的培养 其中一些多糖或者醇类，螺旋藻并不能很好地利用，钝顶螺旋藻接种至装有250 mL灭菌后的 [17]Zarrouk培养基的500 mL三角瓶中，于28?1 ?，。 的含量(%) 转速为150 r/min，光强为3000 Lux左右的摇床中培叶绿素含量测定:取一定量的藻液，经滤布抽养至对数生长期。 滤，蒸馏水冲洗3次，抽干后将藻及滤纸一起放入1.3.2 真菌的培养 具塞离心管中，加入体积分数95%的丙酮溶液至10 金针菇接种于灭菌后的PDA试管斜面培养基mL，振荡提取后放置于暗处过夜，用离心机3000 中，于25?1 ?培养箱中培养，长出菌丝后，置于r/min离心15 min，取上清液，在紫外可见光分光光冰箱4 ?保存备用。 度计上用95%丙酮做空白对照测定645 nm和663 真菌菌丝球的培养:利用灭菌后PDA液体培养nm的吸光度。根据公式:叶绿素a(mg/L)=12.7A 663基培养金针菇，培养条件:温度25?，转速160 - 2.69A计算提取液中叶绿素a含量，然后根据提645 r/min，培养7取液的体积和样品的重量计算样品中叶绿素a的含,8天后金针菇形成菌丝球。 1.3.3 螺旋藻、菌,藻共生系统处理啤酒废水 量(mg/g)。 (3) 水质参数的测定 利用滤布过滤洗涤上述培养至对数期的螺旋 COD的测定采用重铬酸盐法，参照藻，得到浓缩的螺旋藻。利用两层纱布将上述菌丝 GB11914-89;总氮的测定采用碱性过硫酸钾消解紫球过滤洗涤，得到菌丝球。? 将浓缩后的螺旋藻接 外分光光度法，参照GB11894-89;总磷的测定采用种至5 L啤酒废水中，标记为A组实验。? 菌丝球 钼酸铵分光光度法，参照GB11893-89;氨氮的测定接种量60 g/L，与浓缩后的螺旋藻一起接种至5L啤采用纳氏试剂比色法，参照GB7479-87;pH的测定酒废水中，标记为B组实验。? 浓缩后的螺旋藻采用玻璃电极法，参照GB6920-86。 接种至Zarrouk培养基中，作为对照组，标记为C 2 结果与讨论 组实验。三组实验中螺旋藻的接种量均为使得培养 [14,15]的初始OD值在0.2左右，将三组实验置液560nm2.1 啤酒废水和Zarrouk培养基对螺旋藻生长的影于28?、光照3000 Lux的条件下进行曝气培养，曝响 气量3.5 L/min。每天取样测定培养液的OD值，560nm (A)啤酒废水， 螺旋藻绘制三组实验的螺旋藻生长曲线。每隔一天取样测3.2 (B)啤酒废水， 菌藻共 生系 统 (C)Zarrouk 培养基 ， 螺旋藻2.8定水质，螺旋藻、菌-藻共生系统对啤酒废水的 2.4处理效果。测定处理完废水后获得的螺旋藻生物量。 2.01.3.4 参数测定 560nm1.6(1) 螺旋藻生物量的测定 1.2每天取样测定螺旋藻在560 nm下的OD值的变0.8Biomass/OD化，并制作螺旋藻OD与细胞干重的曲线560nm0.4图。培养12 d后收集500 mL藻液，用滤布过滤，0.0024681012洗涤，然后将藻泥放在60 ?烘箱中烘至恒重，取出t/d称重，研磨得干藻粉。 (2) 螺旋藻蛋白质和色素成分的测定 图1 啤酒废水和Zarrouk培养基对螺旋藻生长的影响 [16]蛋白质含量测定:采用考马斯亮蓝法。 Fig.1 Effect of brewery wastewater and Zarrouk medium on growth of S. 藻蓝蛋白含量测定:称取干燥的藻粉0.2 g，加platensis 入少量水和石英砂在冰浴中研磨半小时，在-20 ?如图1所示，螺旋藻在Zarrouk培养基中(C组)冰箱反复冻融三次，定容至250 mL，4 ?冷藏过夜。能够维持较高的生长水平，在啤酒废水中螺旋藻(A取上清液，在紫外可见光分光光度计上用蒸馏水做组)以及菌-藻共同处理废水(B组)的螺旋藻生长情空白对照，测定在615 nm和650 nm波长下的吸光况与在培养基中相比，有很明显的差异，但是也都度。藻蓝蛋白(g/L)含量根据公式(A-0.474 615能够维持正常的生长。在培养基中，螺旋藻在第10A)/5.34，计算出提取液中藻蓝蛋白的浓度，再根650天达到最高生物量1.66 g/L。A组实验，螺旋藻单据提取液的体积和样品的重量计算样品中藻蓝蛋白 独在啤酒废水中生长时，有一天的停滞期，因为啤900螺旋藻 (A)酒废水中含有大量的有机物，因此从第2天开始生800 (B)菌藻共 生系 统 长速度加快，在2-3天呈指数增长，从第4天-10后700 600生长曲线平稳上升，随着废水中有机物及氮、磷的 500消耗，细胞增殖速度减缓，进入稳定期，在第11400天达到最高生物量1.25 g/L。B组实验，菌-藻共生COD(mg/L)300 系统处理废水时，螺旋藻初始生长趋势高于A组实200 100验，可能是因为真菌将螺旋藻难利用的大分子有机 [18]0物分解成小分子物质，供螺旋藻利用，因此螺旋024681012 t/d藻在前两天并没有明显的停滞期，但是第3天后， 图2 螺旋藻及菌-藻共生系统对啤酒废水中CODcr的去除效果 生长速度渐渐下降，开始低于A组水平，与A组相 Fig.2 The removal efficiency of CODcr by S. platensis and fungi-algae 同，在第4天后随着营养物质的消耗，生长速率逐 symbiosis system 渐平缓，在第11天达到最高生长水平，螺旋藻的生 物量为1.04 g/L。 如图2所示，A、B两组啤酒废水中COD下降 表1 啤酒废水和Zarrouk培养基中螺旋藻生物质产量 趋势大致相同，均为前4天下降速率最快，第10Table1 Biomass composition of S. platensis in brewery wastewater and 天以后随着螺旋藻生长衰退，COD的下降也趋于缓 Zarrouk medium 慢。B组实验废水中COD下降效果明显优于A组， 尤其是在前两天，B组实验废水COD下降速率明显藻蓝蛋最高藻细蛋白质 叶绿素a 高于A组，这是因为B组实验中含有真菌，真菌将实验白 胞干重 (% 干(mg/g干废水中大分子有机物分解利用一部分，还有一些大组 (mg/g干(g/L) 重) 重) 重) 分子有机物以及被真菌分解后的小分子物质被螺旋A 1.27 46.91 93.41 7.17 藻吸收利用。真菌和螺旋藻的生长过程都会吸收有B 1.05 49.71 103.73 6.98 机物，因此培养12天后，B组实验啤酒废水中CODC 1.66 38.57 77.63 10.81 的去除率77.81%高于A组去除率70.59%。 由表1可见，在Zarrouk培养基中培养的螺旋 2.3 螺旋藻及菌-藻共生系统对啤酒废水中氮、磷的藻最高细胞干重明显高于另外两组实验啤酒废水中 去除效果 螺旋藻的干重，但是A、B两组螺旋藻蛋白质含量 和藻蓝蛋白含量相比C组，有明显的提高，这说明 啤酒废水中的有机物有利于螺旋藻中蛋白质的积24螺旋藻 (A) (B)菌藻共 生系 统 累，而且B组螺旋藻蛋白含量和藻蓝蛋白含量都稍20高于A组，这说明真菌和藻共生处理废水时，真菌 16并不会对螺旋藻产生抑制作用。三组实验中，螺旋 12藻叶绿素a的含量表现为C组最高，A、B两组明 TN(mg/L)显含量偏低，这说明Zarrouk培养基更适于螺旋藻8 叶绿素a的形成，而啤酒废水不太利于藻细胞形成4[19]叶绿素a，可能与啤酒废水矿物养分不均衡有关。 00246810122.2 螺旋藻及菌-藻共生系统对啤酒废水中CODcrt/d的去除效果 图3 螺旋藻及菌-藻共生系统对啤酒废水中TN的去除效果 Fig.3 The removal efficiency of TN by S. platensis and fungi-algae symbiosis system 同时能够获得螺旋藻和真菌的生物质，下一步可以14螺旋藻 (A)对收获的菌藻生物质进行营养成分分析，进行后期 (B)菌藻共 生系 统 12饲料、饵料的加工制作以及色素的提取，具有巨大10的环境效益和经济效益。有关废水处理过程中菌藻8的最佳初始接种比例以及温度、光照等条件，可以 6进行进一步研究，从而达到最好的废水净化效果以TP(mg/L)4及最高的生物量。为了对啤酒废水的处理进行工程 2化放大，可以尝试利用带有搅拌装置的无菌密封罐 0进行大批的菌丝球生产，具体条件有待研究。 024681012 t/d 图4 螺旋藻及菌-藻共生系统对啤酒废水中TP的去除效果 参考文献 Fig.4 The removal efficiency of TP by S. platensis and fungi-algae symbiosis [1] 左永泉. 啤酒废水处理技术的应用. 环境工程, system 2000, 18(1): 26-28 从图3和图4中可以看出，两组实验对氮、磷 Zuo Yongquan. Application of treatment 的处理效果均为前四天最高，B组实验中由于真菌technique to wastewater from brewery. 的存在，对啤酒废水氮、磷的处理效果均明显高于Environmental Engineering, 2000, 18(1): 26-28 A组。由图3可见，两组实验在4天后对氮的处理(in Chinese) 效果渐渐降低，但是B组在第9天和第10天仍然[2] 张建民, 张倩, 赵宏, 等. 利用不同浓度啤酒废水 使废水中TN下降了14.8%，而A组在这两天仅仅培养塔胞藻的生物学效应研究. 海洋湖沼通报, 使TN下降了3.8%，在第10天以后，两组实验啤2008, (4): 63-68 酒废水中TN下降速率缓慢，在12天培养结束，A、 Zhang Jianmin, Zhang Qian, Zhao Hong, et al. B两组对啤酒废水中TN的去除率分别为84.28%和Study on biological effect on raising marine 70.17%。如图4所示，两组实验对啤酒废水中TPmicroalgae with different concentration beer 的去除率都不是很高，这可能是因为啤酒废水中的waste wate. Transactions of Oceanology and [20]TP偏低，低于螺旋藻生长最适的TP浓度，因此Limnology, 2008, (4): 63-68 (in Chinese) [3] 石明岩. 啤酒废水处理技术的革新与实践. 工业除了在前两天TP下降明显，在第4天以后TP下降 逐渐缓慢，尤其是A组，而B组中由于真菌的存在，水处理, 2003, 23(1): 16-19 在第5至8天，TP仍有下降，但是第9天开始，废 Shi Mingyan. Innovation and practice of brewage wastewater treatment technique. Industrial Water 水中TP基本不再下降，至12天培养结束，A、B 两组实验对啤酒废水中的TP去除率分别为50.88%Treatment, 2003, 23(1): 16-19 (in Chinese) 和37.99%。 [4] 刘福强. 螺旋藻高密度培养中的条件控制. 食品 与发酵科技, 2009, 45(3): 26-29 3 结论 Liu Fuqiang. Condition control in high density 本研究利用螺旋藻以及由螺旋藻和真菌组成的culture of Spirulina. Food and Fermentation 菌-藻共生系统来处理啤酒废水，啤酒废水中CODTechnology, 2009, 45(3): 26-29 (in Chinese) [5] 郑爱榕, 赵立清, 詹力扬, 等. 利用啤酒废水养殖以及氮、磷的处理效果较好，其中菌-藻共生系统对 螺旋藻研究. 海洋科学, 2004, 28(7): 26-31 啤酒废水的处理效果更好，说明真菌和螺旋藻共同 处理啤酒废水时，两者都可以适应啤酒废水的生活 Zheng Airong, Zhao Liqing, Zhan Liyang, et al. Study on culture of Spirulina maxima utilizing 环境，而且不会相互抑制，同时也实现了废水的资 源化利用。两组实验中螺旋藻的生长情况良好，蛋beer wastewater. Marine Sciences, 2004, 28(7): 白质和藻蓝蛋白的含量高于Zarrouk培养基中的螺26-31 (in Chinese) 旋藻，说明螺旋藻完全可以用于啤酒废水的净化，[6] Kalafati M. , Jamurtas A. Z. , Nikolaidis M. G. , et al. Ergogenic and antioxidant effects of spirulina [14] 郝聚敏, 郑江, 黎中宝, 等. 钝顶螺旋藻在养虾废 supplementation in humans. 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