环境科学学报
ACTA SCIENTIAE CIRCUMSTANTIAE
1999年　第19卷 第1期 Vol.19　No.1 1999



光合细菌和螺旋藻对啤酒废水的净化与利用研究
郑爱榕1　蔡阿根1　许伟斌2　方志山1　
摘要　应用PSB将啤酒废水中的有机质降解处理为无机质，用甲壳质絮凝沉降除去PSB后加入螺旋藻进行培养.小型动态模拟实验结果表明PSB和螺旋藻不仅能高效地净化啤酒废水，对COD和NH＋4-N的去除率达100%，而且能回收数量可观(78.1 mg(干重)/(L*d))，营养价值高(蛋白质含量为49.3 g/100 g(干重))的螺旋藻，还研究了pH、溶解氧、光照、光合细菌密度等因子对PSB去除废水有机质的影响.
关键词　光合细菌；螺旋藻；啤酒废水；净化与利用.
Treatment and reuse of beer wastewater using the system of phytosysthetic bacteria and spirulina maxima
ZHENG Airong, CAI Agen, FANG Zhishan 
Institute of Subtropical Oceanography,Xiamen University,Xiamen 361005
XU Weibin
Qiaoxing Beverage Factory,Xiamen
Abstract　A study on the install of phytosysthetic bacteria (PSB) and Spirulina maxima (SM) for beer wastewater treatment and reuse was carried out.The beer wastewater was treated with PSB to decompose organic matter.Chitin was then added for PSB precipitating.Finally,SM was added to remove organic matter and reuse nitrogen and phosphorus.The effects of pH,DO,illumination,the density of PSB and SM etc.on the removal of COD by PSB and on the growth of SM were discussed.The results of a dynamic model experiment showed that the system of PSB-SM not only have a high removal efficiency for COD and NH+4-N (100%),but can also yield a large amount of SM (78.1 mg (dry-weight)/(L*d)) and protein in SM (49.3 mg/100 g (dry-weight)).
Keywords　Phytosythetic bacteria,spirulina maxima,wastewater,treatment,reuse.
　　啤酒废水富含有机质，其中COD、BOD高达1000 mg/L以上.目前多采用活性污泥法处理之，不仅电耗大、成本高，而且处理后的废水N、P含量仍然很高，大量排放既造成近岸海域的富营养化和赤潮，同时也是一种资源的浪费.如何经济而有效地处理啤酒等废水是当今环境污染防治十分关注的问题.螺旋藻是一种丝状蓝藻，蛋白质含量高，含有人类和动物所必需的氨基酸，培养条件简便，繁殖速度快.研究表明［1］，它对生活废水中的N、P及有机质有较强的去除作用，且螺旋藻营养价值较高.若能利用废水养殖螺旋藻，将是一种低费用、高效率的净化与利用废水的好方法.利用光合细菌(PSB)处理高浓度有机废水在国内外受到高度评价且有大型PSB法处理装置投入运转和实际应用［2，3］，但利用PSB和螺旋藻净化啤酒废水的研究尚未见报道.本文试图利用PSB对高浓度有机废水有较强的降解转化能力之特点，将啤酒废水中的有机物降解为无机分子后养殖螺旋藻，旨在进一步净化废水中的有机质和利用无机N、P同时获得高蛋白的螺旋藻，达到废水资源化的目的.
　材料与方法
1.1　实验材料
　　PSB(Phytosysthetic bacteria)系沼泽红假单胞菌(Rhodopseudomonas palustris)，由福建省水产研究所提供.培养液配方为：氯化铵 1.0 g；醋酸钠 3.5 g;氯化镁 0.1 g；氯化钙 0.1 g；磷酸二氢钾 0.6 g；磷酸氢二钾 0.4 g；酵母膏 0.1 g;自来水1000 mL.培养条件：培养液115℃高温灭菌15—20 min，pH=7.0，厌氧光照(25W白炽灯对称照明)，温度28—30℃.
　　极大螺旋藻(Spirulina maxima):由厦门大学生物系提供，采用CFTRI培养基［1］纯种培养，温度28℃，光照1000 lx，(L∶D=12∶12).
　　啤酒废水：取自厦门市鹭江啤酒厂，用棉花粗滤后备用.其成分和平均含量(mg/L)分别为：CODCr,1367.7；TN，6.2；NO-2-N，0.1；TP，24.4；PO3-4-P，10.1；pH为4.5—5.5.
　　0.4%甲壳质(商品级)：1%的醋酸溶液配制.
1.2　测定方法
　　化学耗氧量(CODCr)、活性磷(PO3-4-P)、铵氮(NH＋4-N)、硝氮(NO-3-N)、亚硝氮(NO-2\|N)和总氮(TN)的分析按文献［4］的方法.藻生物量和PSB细胞量采用光谱吸收法［5］即在721分光光度计上分别于λ=580 nm和660 nm处测其光密度值(OD)580和(OD)660，并制作螺旋藻(OD)580与细胞干重的标准曲线图.藻蛋白质含量的测定采用福林-酚试剂法［6］．
1.3　PSB处理啤酒废水的条件试验
　　废水pH对PSB去除CODCr的影响试验是取废水与PSB的体积比为2∶1，用NaOH调pH分别为7、8和9，厌氧光照培养，定时测定废水的COD值.
　　溶解氧(DO)和光照方式对PSB去除CODCr的影响是选择3种条件进行实验：(a)厌氧光照(DO<0.2 mg/L,白天自然光，晚上灯源(2×40 W白炽灯))，(b)好氧黑暗(曝气，DO>1 mg/L，容器用黑布包裹)，(c)兼性好氧光照(DO=0.1—0.8 mg/L,光照条件同a).废水pH=7.0，废水∶pSb=2∶1(V/V).
　　光合细菌密度对PSB去除CODCr的影响是取废水与PSB菌液(细菌密度为1010cell/mL)的体积比分别为1∶1、2∶1和3∶1，废水pH=7.0，厌氧光照培养后定时测定COD值.
1.4　PSB和螺旋藻净化与利用啤酒废水模拟实验的装置和流程
　　实验装置见图1.PSB处理槽由3个2500 mL的下口抽滤瓶组成，生物曝气池为10 L圆形玻璃缸，光照为室内自然光处理流程是分别在3个处理槽中加入1/3体积的新鲜菌液，当细菌生长速率达最大，即：μmax(OD)660=0.043 h-1时将废水与PSB以3∶1的比例(V/V)且以恒定的速度滴加到处理槽中.处理后废液从第3槽流出，流出液20%返送到培养槽经厌氧光照1天后再回流到第一槽.其余的流入沉淀槽，加入甲壳质用NaOH调pH至其等电点絮凝沉淀后将澄清液送入生物曝气槽，接入螺旋藻并间歇曝气培养3天逐日测定(OD)660、CODCr等，采收后排放废水.曝气时间：3次/d，2 h／次，温度20—30℃.动态模拟实验分别进行了一次性采样和每日采样2次实验.每天监测进、出水样.2次实验藻的初始密度分别为78.0和109.2 mg/L.


图1　实验装置示意图
Fig.1 Schematic diagram of the experimental install
2　结果和讨论
2.1　pH\,DO、光照和细菌密度对PSB去除CODCr的影响
　　废水的pH、溶解氧和光照方式及PSB密度对PSB去除CODCr的影响分别见图2—图4.由图2可知，在pH 7.0—9.0内，PSB对COD有很高的去除效果，说明该菌具有较广的pH适应范围.但啤酒废水的pH值通常为4.5—5.5，随着处理时间的推移而有所增加，故初始的pH调7.0为宜.图3结果表明：24?h后兼性好氧半亮半暗条件的处理效果>好氧黑暗>厌氧光照，但48 h后3种条件下废水COD均有升高，可能是PSB分离不彻底致使测定液中含有PSB而引入误差(3份样品同时分离，COD值同时有升高).因PSB体积极小，难以分离，通常测定前要高速离心15—20 min.若离心时间或速度不够均分离不彻底.由图4可见，24—36 h内PSB对COD的去除效果是3∶1>1∶1>2∶1,而48 h的去除效果却是1∶1>3∶1>2∶1.考虑到处理成本，应选用废水与菌液的体积比为3∶1.


                         图2　废水pH对CODCr去除的影响
Fig.2 Effect of pH on the removal of CODCr


                          图3　DO和光照方式对CODCr去除的影响
Fig.3 Effect of DO and illumination on the 
removal of CODCr


                      图4　光合菌密度对CODCr去除的影响
Fig.4 Effect of the PSB density on the removal of CODCr
　　由于PSB细胞内具有进行光合作用的载色体，可进行光合磷酸化和光氧化还原反应.在好氧黑暗条件下，这种载色体消失，它通过三羧酸循环来进行有机酸代谢.在厌氧光照条件下，这一循环受阻，便迅速改变代谢方式并将有机酸异化与同化的氧化还原反应和光氧化还原反应紧密地结合起来.因此要严格控制DO和光照，既要避免DO过高异氧菌大量生长，又要防止绝对厌氧使其它厌氧菌如甲烷菌、硫化菌等大量繁殖而失去PSB的优势和处理效果.本实验所采用的条件可确保PSB的绝对优势.
2.2　PSB和螺旋藻净化与利用啤酒废水的小型动态模拟实验
2.2.1　PSB对啤酒废水有机质的降解转化　结果(表1)表明一次性采样实验3天COD的去除率平均为76.3%，而每日采样实验3天的去除率平均达68.7%.废水经PSB处理后可产生大量的NH＋4-N(平均浓度为13.6 mg/L)和少量的NO-3-N(平均浓度为39.6 μg/L)，而产生的PO3-4-P则是初始浓度的2—3倍.说明PSB对啤酒废水有较好的处理效果，但对N、P无法处理，只能将废水由有机分子降解转化成无机分子，因此必须引入生物曝气槽，才能使啤酒废水的处理切实可行.
表1　动态模拟实验PSB对废水有机质降解转化结果(mg/L)
Table 1 Results of the dynamic model experiment (mg/L)
　
采样形式
实验天数,d一次性采样每日采样
123123
进
样CODCr883.2652.8753.61424.41485.81200.0
NH+4\|N00.050.0200
NO-3-N0.0090.0020.01400
PO3-4-P3.73.82.511.012.79.9
出
样CODCr203.1196.5135.7477.0459.6355.7
NH+4-N15.112.811.113.914.414.4
NO-3-N0.1720.00700.0050.0580.033
PO3-4 -P11.312.86.834.430.326.9
COD去除率(%)77.069.982.066.569.170.4
NH+4-N净生产量15.1012.7511.0813.914.414.4
NO-3-N净生产量0.1630.0050.0140.0050.0580.033
PO3-4-P的增加倍数3.03.42.73.12.42.7

2.2.2　甲壳质的絮凝　经PSB处理的废水含大量胶状悬浮物和PSB，难以沉淀分离，必须借助凝聚剂.由于甲壳质是蛋白质的理想凝聚剂，沉淀下来的污泥(含PSB)富含蛋白，收集起来可作饲料或饵料.因此本实验采用甲壳质作为絮凝剂，分离效果良好，分离前后CODCr从420.8 mg/L降到270.6 mg/L，去除率达到35.7%.若改用Fe(OH)3絮凝法，则形成FePO4沉淀，可起到同时去除P的作用，我们曾做过尝试，效果尚佳，但并未应用于处理体系，有待探讨.
2.2.3　生物曝气槽中螺旋藻的生长及对有机质的进一步净化和N、P的去除　螺旋藻在PSB处理的啤酒废水中的生长情况示于表2，在接种后第三天达最大，第四天就下降，平均生长速率在一次性采样实验的废水中为78.1 mg(干重)/(L*d)，在每日采样实验的废水中为77.5 mg(干重)/(L*d)，二者几乎相同.说明经PSB处理的啤酒废水能满足螺旋藻生长所需要高碳、高硝态氮、高pH(8.5以上或9.0—10.5)和低磷的要求，因而在培养过程中无须补充营养，但必须控制藻的密度和废水的pH才能起到应有的效果.经PSB处理、甲壳质沉淀后的废水流入生物曝气槽，一方面由于间歇性曝气继续进行好氧氧化，可加速有机质和NH+4-N的降解和转化，另一方面由于藻的直接吸收利用又可加速无机N和P的去除，达到进一步净化有机质和去除N和P的目的.表2的结果表明：藻培养二天COD就100%去除，而在藻生长量达最大的第三天，NH+4-N和NO-3-N就同时被消耗贻尽，PO3-4-P去除23.3%，这充分说明生物曝气槽具有进一步净化有机质和去除N、P及养殖螺旋藻的作用.排放水中残留的P可用粘土矿物吸附法去除，有待于研究.
表2　生物曝气槽中螺旋藻的生长及COD、N和P的去除
Table 2 The growth for SM and the removal of COD,N and P in the biological oxidation pond (breeding pond)
天数，
dNH+4-NNO-3-N*CODCr细胞干重，mg/L
mg/L去除率,%mg/L去除率,%mg/L去除率,%mg/L去除率,%AB
09.6-148.8-11.3-270.6-78.0109.2
17.916.8125.016.010.210.0203.025.098.8148.1
26.729.614.390.48.723.30100.0201.5299.9
30100.00100.08.723.3--312.5341.6
4--------234.1282.0
　
　* PSB处理的废水NO-3-N浓度极低，由于接入藻种使其浓度升高.因为藻液中NO-3-N含量为1.5 g/L
2.2.4　经PSB处理的啤酒废水培养的螺旋藻之营养价值　废水培养的螺旋藻其蛋白质含量(表3)高达48.3 g/100g(干重)，与用CFTRI培养液在相同条件下培养的含量(49.6)颇为一致，而与生活污水［1］培养的(43.7)相比稍高些，是活性污泥法处理啤酒废水培养的(19.7)二倍左右，完全可作为家畜饲料和鱼虾饵料之用.若提高光强，可望提高藻的蛋白质含量和生物量，因为螺旋藻适宜光强为30000—35000lx，本实验仅为2000—3000lx.
表3　螺旋藻藻体蛋白质含量(g/100 g(干重))
Fig.3 The contents of protein for SM cultured with wastewater (g/100 g(drg-weight))
　　　研究单位　　　培养介质培养天数蛋白质
本研究PSB处理的啤酒废水348.3
本研究PSB处理的黄泔水353.8
本研究CFTRI培养液349.6
本研究活性污泥法处理的啤酒废水319.7
本实验室［1］生活污水643.7
江西农科院［1］CFTRI培养液-53.7
Western Ontario大学二级处理厂流出水650.5
墨西哥螺旋藻公司［1］天然湖泊-60—71

3　结论
　　PSB和螺旋藻处理啤酒废水整个流程废水的CODCr(平均浓度)变化趋势是由1370.0→420.8→270.6→0 mg/L.啤酒废水经PSB处理后，COD可去除68.7%，经絮凝沉降后可去除11.7%，生物曝气槽可去除19.7%，总去除效率达100%.此外可获得数量可观(78.1 mg(干重)/(L*d))、蛋白质含量高(49.3 g/100 g(干重))的螺旋藻.实验结果表明PSB和螺旋藻对啤酒废水的净化与利用是高效可行的.
作者单位：郑爱榕　方志山　蔡阿根　厦门大学亚热带海洋研究所，厦门　361005
　　　　　许伟斌　厦门侨星饮料厂
参考文献
［1］　陈慈美等.生活污水中螺旋藻的生长及其去除氮、磷、有机质的作用.海洋环境科学，1995，9(4)：11
［2］　顾祖宜等.应用光合菌处理有机废水的研究.中国环境科学，1985，5(2)：29
［3］　徐向阳，孙　琦.光合细菌在有机废水处理中的应用现状与前景.环境污染与防治，1990，12(5)：32
［4］　国家环境保护局.水和废水监测分析方法.北京：中国环境出版社，1989.55—103
［5］　农牧渔业部螺旋藻协作组，江西省农科院科技情报所.蓝藻—螺旋藻(Spirulina platensis)开发利用与生物技术资料汇编，1985.1—72
［6］　Lowry O H et al.Protein measurement with the Folin-Phenol regent. J Biol Chem,1951,193:265
1997-03-26收到原稿　1998-04-25收到修改稿
