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微生物絮凝劑在制酒廢水處理方面的研究進展

    目前，我國酒精生產企業有千余家，制酒廢水主要來自于生產過程中酒精蒸餾后產生的廢水、生產設備的洗滌水、沖洗水，以及復雜生產過程中的冷卻水等，廢水年產量超過400 萬t。酒精廢水基本都是高濃度、高酸度的有機廢水，對環境污染嚴重，其COD 濃度高達50000 mg/L，懸浮物SS 達10000 mg/L，總氮濃度高于1000 mg/L，且大多數制酒廢水中的SS顆粒細小、致密、黏度大，處理難度較大。若直接進行廢水的厭氧處理，容易造成厭氧污泥流失;若直接排放周邊，會加速周邊水體富營養化，污染地下飲用水，以及破壞水體生態系統;酒精行業的廢水污染已經成為酒精生產企業的大難題。因酒精廢水妥善處理要求資金投入大、技術管理嚴格、設備規模較大等原因，所以多數酒精企業對其廢水的回收利用率很低。如何高效、經濟的處理酒精廢水，已成為環保行業重要課題。

    在制酒廢水處理中，絮凝沉淀法工藝簡單、成本低且應用普遍。絮凝劑的有效開發與利用是關鍵。絮凝劑主要分為無機、有機和微生物絮凝劑。制酒工業現有廢水處理工藝主要是采用無機化學絮凝劑與氣浮等廢水處理專業設備、裝置相結合的模式，具有低成本、高效率特點，是目前應用比較廣泛的處理模式。但常用的化學絮凝劑易殘留，且殘留單體(如丙烯酰胺)為神經性致毒劑，可能引起神經毒性和癌癥，中毒后會呈現肌體無力、運動失調等不良癥狀。安全、無毒、高效、無二次污染、可降解的“綠色”微生物絮凝劑越來越被關注。微生物絮凝劑(microbial flocculant，MBF)是由微生物(如細菌、酵母、霉菌、放線菌等)在一定的培養條件下通過自身新陳代謝產生的具有絮凝活性的產物，并通過發酵、提取、精制等方法獲得，獲得的產物具有生物降解性且安全、高效、成本低等特點，主要組分包括糖蛋白、多糖、蛋白質、纖維素和核酸等。作為新式污水處理技術，微生物絮凝劑因高效、安全、零殘留、綠色環保的特點，已廣泛應用于生活污水、豬場污水、印染污水以及制酒廢水等各類廢水處理。本文將從微生物絮凝劑的絮凝機理、絮凝制酒廢水的微生物種類、在制酒廢水中的應用進展進行綜述。

1 微生物絮凝劑作用機理

    微生物的絮凝作用報道最早始于法國學者Pasteur(1876 年)，他發現并報道了酵母菌在發酵后期具有絮凝能力，此后，根據對微生物絮凝劑成分、組成的研究，國內外研究者總結出了多種絮凝機理，但被普遍接受的機理主要有吸附架橋機理、電中和機理、化學反應學說、卷捕作用、酯合假說、粘質學說等。也有些專家認為，絮凝過程復雜多變，單一的機理很難概括所有現象，吸附機理并非單一的。羅平等的研究表明，微生物的絮凝機理是在氫鍵作用下的“吸附架橋”機理模式;朱艷彬等的研究表明，微生物絮凝機理是兩性電解質的電中和作用及代謝殘留物吸附架橋作用的共同結果;馬放等研究發現，在不同的水質條件下，電中和、吸附架橋和網捕卷掃3 種模式可相互協同。微生物絮凝劑的絮凝能力取決于自身的分子結構、形狀、分子質量和所帶基團。一般情況下，絮凝劑直線型分子結構較好，比交聯的或支鏈結構的絮凝劑絮凝效果好。此外絮凝劑分子質量越大，絮凝活性越高。同時，絮凝劑的添加量、絮凝環境( 如溫度、pH值、金屬離子和濃度、通氣量等) 是影響絮凝效果的主要因素。He J 等的報道指出，通過對深海細菌V3a’所產生的微生物絮凝劑HBF-3絮凝機理研究表明，HBF-3 對高嶺土絮凝主要是由于Ca2+的架橋作用。

2 絮凝制酒廢水的微生物種類

    有關絮凝菌的報道起源很早，但有關制酒廢水的絮凝菌報道起步較晚。近年來有很多學者報道了在制酒廢水處理領域應用較好的絮凝菌，主要有細菌、酵母、霉菌等，具體匯總見表1。

3 微生物絮凝劑在制酒廢水中應用

    國內啤酒和白酒行業產生廢水量較大，其廢水有效處理已成為環保領域研究的關注重點。

3.1 微生物絮凝劑在啤酒廢水中的應用：中國是全球啤酒生產和消費國，啤酒年生產量較大，產1 t 啤酒的耗水量8～25 t，我國啤酒廢水年產量約為4 億立方米。啤酒廢水綜合利用效率低，排放后對環境造成較嚴重的污染。啤酒工業廢水中含有糖、醇等有機物，濃度高，易腐敗，其中COD、BOD 普遍較高。一般企業多采用好氧生物處理法，花費較高、電量消耗大，且經處理后的廢水N、P 含量仍然偏高。有學者采用微生物絮凝菌處理啤酒廢水，取得較好效果，尤其可有效去除COD、SS。徐放等通過研究培養基絮凝菌、培養條件、絮凝劑的投加量對啤酒廢水的處理效果。研究結果表明，利用酵母膏培養基培養的MBF-1 型菌，菌液對啤酒廢水COD 的去除率最高達到90.8 %，COD 去除能力最高達到55.3 mg/mL，啤酒廢水處理效果比較理想。陳燁等用硅酸鹽細菌GY03 菌株所產生的微生物絮凝劑處理啤酒廠廢水，結果顯示，處理后啤酒廢水SS 去除率高達93.59 %，對BOD、CODcr也有較好效果，且絮凝效果優于化學絮凝劑。Zhang ZQ 等利用1 L 啤酒廢水作為絮凝微生物碳源主要成分，添加0.5 g/L 尿素、0.5 g/L 酵母浸出粉以及0.2～0.5 g/L (NH4)2SO4，培養條件下，以啤酒洗槽廢水作為碳源，培養絮凝菌，所產絮凝劑MMF1 成分為蛋白質和多糖，它對靚藍印染廢水有很好的絮凝效果，COD 和色度最高去除率可達到79.2 %和86.5 %。蘆艷等以利用啤酒廢水作為唯一碳源和氮源的培養基，僅添加0.5 %的KH2PO4無機鹽，所產生的微生物絮凝劑對高嶺土懸液的絮凝率高達93.5 %。啤酒廢水營養豐富，張迎明等利用稀釋10 倍啤酒廢水作為廉價培養基, 直接培養篩選到的絮凝球菌，在的培養條件下所得絮凝劑的絮凝效果最高為96.8 %。Liu Z Y 在實驗過程中利用啤酒廢水作為Klebsiellasp TG-1 菌的廉價培養基，雖然絮凝率不如豆腐渣培養基，但也可以達到43 %。Ugbenyen A M報道，利用3 種海洋細菌混合培養產微生物絮凝劑對廢水絮凝實驗，其中對于啤酒廢水的絮凝率高達93.7 %，以及對啤酒廢水的濁度清除達92 %，清除效果顯著。Luo Z S 也報道指出，Klebsiella sp 菌株yz-6 產生的微生物絮凝劑MBF-6 對乳品廢水、啤酒廢水、糖蜜廢水均非常有效，絮凝劑主要成分有95.1 %的多糖和3.4 %的蛋白質。Feng L D等篩選出的芽孢菌種所產生的高效微生物絮凝劑MBF3-3 對綜合性的廢水處理效果較好，其中對于啤酒廢水的處理時的添加量低于常用的聚酰胺(PAC)，且多種金屬離子對其絮凝性有促進作用。Cosa S 等利用2 株海洋微生物混合培養，并提取微生物絮凝劑，其可有效去除啤酒廢水中99.7 %的COD，且濁度去除率為93.9 %，其主要成分是多糖類;將啤酒廢水直接作為微生物廉價培養基，可使啤酒廢水資源有效利用，并大大降低微生物絮凝菌的培養成本。

3.2 微生物絮凝劑在白酒廢水中的應用：中國是白酒發源地，也是生產大國。白酒行業生產量大，釀酒過程中產生大量廢水，且基本都是高濃度有機廢水。廢水成分復雜，酸度高，色度也較高，主要含有低碳醇、脂肪酸、氨基酸等物質。楊濤等研究報道，用紫色非硫細菌01S 菌株處理有機釀酒廢水，在自然(或白熾燈)光照、pH7.0、溫度28～30 ℃條件下，菌株生長良好，培養液能夠明顯降解釀酒廢水，COD 的去除率為82.2 %。王伊娜等利用制酒廢水培養酵母菌HJ4，在培養條件下獲得微生物絮凝劑MBF4，在白酒廢水中應用，對其色度和濁度有超過80 %的去除率，對COD的去除率有的較好、有的較低，穩定性不好，結果表明，制酒廢水可以作為混合型酵母菌的廉價培養基。王麗麗等利用制酒廢水作替代培養基，在所產復合型生物絮凝劑MFHJ4 的合成條件下，MFHJ4 的產量最高可達3.85 g/ L。常洪娟等利用誘變篩選菌株，獲得產胞外多糖高產菌株副干酪乳桿菌，在生產工藝下制備乳酸菌微生物絮凝劑，對酒精糟液的絮凝率為95.5 %以及COD 去除率為97.5 %;彭瑞昊等選用酒精廢醪液作為培養基培養環境微生物，篩選獲得酒精廢醪液的生長菌株ZJ-15，獲得的微生物絮凝劑對部分重金屬離子有吸附作用。張帆等利用白酒廢水替代高成本的普通培養基對蠟狀芽孢桿菌(Bacillus cereus)、膜璞畢赤酵母(Pichia membranifaciens)和混合菌(HXJ-1)分別進行培養，HXJ-1 比單菌株長勢更佳;混菌可以直接利用白酒廢水產生微生物絮凝劑，且不需要調節pH 值;混菌產絮周期短，比單菌縮短了24 h;混菌能利用高濃度的制酒廢水且只外加少量氮源，有利于節約絮凝劑培養成本和綜合利用制酒廢水。在此基礎上，培養條件下，張帆研究團隊提取的絮凝劑對高嶺土絮凝率約為89.50 %。通過對微生物絮凝劑XJBF-1 理化性質的研究表明，其主要成分是多糖63.40 %，總蛋白質為0.87 %，分子量較低，為50789 U，且為線性結構，安全性實驗表明，對實驗魚苗基本沒有急性毒性，可作為無毒水處理劑。

3.3 微生物絮凝劑在糖蜜酒精廢水中的應用：糖蜜酒精廢水是以糖蜜為原料發酵生產酒精，在此過程中產生的高濃度有機廢水。糖蜜酒精廢水色度高、酸度高，且含有大量的碳水化合物、脂肪、蛋白質、纖維素等，若直接排放，易造成周邊環境水體富營養化。國內外對糖蜜酒精廢水脫色處理的研究較多。成文等在以糖蜜酒精廢水為產絮霉菌的廉價培養基主要成分，絮凝劑產量較高，與優質淀粉培養基產量接近;HE-P7 和HHE-A26的培養菌液也具有良好的絮凝作用，達到淀粉培養基的90 %以上。易小暢等以啤酒酵母為出發菌株，單獨用糖蜜酒精廢水稀釋40 倍作培養基時效果;稀釋糖蜜酒精廢液和葡萄糖培養基聯合使用(7∶3 比例)絮凝率超過70 %，對湖塘水中濁度的去除率也較高[40]。Yadav S 等[41]利用4 種菌株復合比例(4∶3∶2∶1)并在條件下培養10 d，其色度降解了75 %，COD 去除了71 %。范艷霞等研究表明，菌群在10 %(v/v)糖蜜廢水中添加少量營養物質，并調節pH 值、培養7 d，有較好的脫色效果，為46.2 %。Zhuang X以糖蜜酒精廢液作為唯一碳源代替蔗糖培養芽孢菌，所產生的微生物絮凝劑可有效去除甘蔗精煉過程中的廢水中的膠質懸浮物、色度和濁度;微生物脫色糖蜜酒精廢水是一個較復雜的生化過程，微生物的組成、結構和生長狀態決定處理效果的好壞，因此微生物的生長條件是處理的關鍵因素。

4 展望

    微生物絮凝劑相較于傳統絮凝劑，具有安全、高效、無殘留、易降解，無二次污染等優點，在制酒廢水領域的應用越來越受關注，且可以將制酒廢水作為廉價培養基進行廢物利用，既減少處理制酒廢水的高額費用，也可以對難處理的廢棄物進行綜合利用。經濟環保，應用前景廣闊，今后的研究方向可能為：(1)針對性地選育對制酒廢水絮凝效果好的高效絮凝劑產生菌。基因工程和發酵技術的合理使用，可有效提高微生物絮凝劑的生產效率。(2)對高效制酒廢水絮凝菌進行基因表達、克隆，確定起絮凝作用的基因并加以轉化應用。(3)利用制酒廢水作為廉價培養基，探究添加比例、形式，變廢為寶，廢資源再生轉化，獲得高效收益。(4)深入研究微生物絮凝劑的作用機理、分子構架以及動力學，以研制更有效、更安全的新型超級絮凝劑。

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