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固体菌剂的制备与污水处理模拟试验

发布日期:2015-03-05 17:44:47
固体菌剂的制备与污水处理模拟试验
固体菌剂的制备与污水处理模拟试验,筛选得到的两降解菌株CJ419和FA16,通过平板转接,试管培养,摇瓶培养,经 500mL发酵罐、1L发酵培养,经由显微镜检查活菌菌数后,培养成菌株菌悬液。将制 备好的菌悬液按一定的比例接入发酵池中的固体培养基中进行培养,分别制备各个菌的 固体菌剂。
根据污水中微生物菌体增殖数量、PH、降解率、HPAM降解转化率等物理化学指 标检测进行多方位评估,通过对两菌株固体菌剂比例的配伍试验,得到最优化的菌株配 伍比例;同时对培养基中培养温度、培养时间、接种量、辅料四个主要降解参数进行的 优化,固体菌剂的制备与污水处理模拟试验,应用正交手段最终确定污水处理中各条件的最佳组合。
1实验材料
1.1实验菌种
实验筛选菌种CJ419和FA16。
1.2培养基
细菌液体培养基:葡萄糖2.5%,玉米浆0.6%,磷酸氢二钾0.1%,磷酸氢二钠0.4%, 尿素 0.5%,PH6.7。
固体菌剂培养基:麸皮80%,面粉20%。
1.3仪器与设备
实验室发立式酵罐;SY-3100型发酵罐;SY-3005T型发酵罐;发酵池。
2实验方法
2.1固体菌剂的制备工艺
将筛选到的两菌株分别经试管培养、摇瓶培养、种子罐培养后.将种子罐培养得 到的菌悬液按5-10%比例(体积百分比)接种量,分别接入发酵罐液体培养,培养温度 为25-351C,培养时间为24-72小时,发酵罐菌悬液分别镜检,其活菌数^109个/m丨,培 养成筛选菌株菌悬液。
将发酵罐发酵所得的筛选菌株菌悬液按1-5% (重量百分比)比例,分别接入灭菌 固体培养基,培养温度为25-351,培养时间为24-72小时,分别镜检固体培养基,至 活菌数21〇9个/g时,即可终止培养。灭菌固体培养基是麸皮培养基。
将固体培养后的筛选菌株菌剂培养物,干燥后即成为生产用固体菌剂。
2.2复合固体菌剂复配
复合固体菌剂的复配是HPAM污水生物处理技术的关键。固体菌剂的制备与污水处理模拟试验,通过对接种过单菌固体菌 剂的含HPAM污水在一定温度下,一定时间培养,根据污水中微生物菌体增殖数量、PH 值变化、降解率、主要有害成分HPAM降解转化率等物理化学指标检测进行多方位评估, 通过正交实验确定复合固体菌剂中各类菌的最佳复配比例。
2. 3培养工艺优化
以钻井污水处理工艺中固体复合菌剂接种童、辅料加入量、培养温度、培养时间等 主要技术参数为因素,设计四因素三水平的正交试验,以培养后的含聚污水中微生物菌 体增殖数量、PH值变化、降解率、主要有害成分HPAM降解转化率为衡量标准,确定 最佳培养工艺条件。
3结果与讨论
3.1固体菌剂的制备工艺
固体菌剂制备工艺流程如下:
试管菌株—摇瓶培养—种子罐培养—发酵罐培养—固体培养—干燥―•复配 通过该工艺发酵制备的各类固体菌剂,经复配后可直接使用。
3.2处理含聚污水所使用的固体菌剂复配
以接种培养后的含聚污水中菌体增殖数量、HPAM含量和降解率为指标,使用筛选 到的CJ419和FA16作为处理含聚污水使用的固体菌剂复配菌株。正交试验接种量为1%, 培养温度为2(TC,培养时间为30d。试验结果为表5-1所示。
表5^1菌种复配实验结果 Table 5-1 Experimental results of strain mixtures
试验编号菌种比例 (CJ419: FA16)试验结果菌数 (1010cfu/g)HPAM降解率 (%)pH
11;35.879.98.6
21:26.772.18.1
31;16.870.38.2
42:113.273.87.4
53;18.970.77.8
6只加入CJ4194.546.28.8
7只加入FA166.139.68.4
试验可以看出当逐渐增大芽孢杆菌CJ419的接种比例时,降解后混合菌菌数上升, 降解率上升,处理后pH值下降。接种比例达到2: 1时各项指标达到最大值,再次加大 CJ419的接菌量各项指标均有下降。
由试验可以得出,CJ419与FA16的最佳组合为2: 1,即处理HPAM废水使用的最 佳固体菌剂复配比例为CJ419: FA16=2: 1。
3. 3培养工艺优化
为了得到最优化的实验结果,研究以含HPAM污水处理工艺中固体复合菌剂接种 量、辅料加入量、培养温度、培养时间等主要技术参数为因素,以培养后的含聚污水中 微生物菌体增殖数量、pH值变化、主要有害成分HPAM物质降解转化率为衡量标准, 通过正交试验确定最佳培养工艺条件。
设计A培养温度(aC)、B培养时间(d)、C接种量(%)、D辅料(%)四项为正 交试验的4个因素,每个因素由3个水平进行试验,具体实验方案见下表5-2:
表5-2因素水平表
Table 5-2 factor level table
\因素A
培养温度(X:)B
培养时间(d)C
接种量(%)菌种 比例2: 1D
辅料(%)
115250.50.1
2203010.2
325351.50.3
正交试验设计方案实验结果和试验分析见下表5-3, 5-4:
 
表5«3正交试验方案和试验结果L9 (34)
Table 5-3 orthogonal test programs and L9 (34) test results
试验因素试验结果菌数 (1010cfii/g)HPAM 降
解率
(%)
编号A培养温度 (•C)B培养时间 (d)C接种量 (%)D辅料 (%)
11 (15)1 (25)1 (0.5)1 (0.1)4.569.2
21 (15)2 (30)2 (1)2 (0.2)9.572.4
31 (15)3 (35)3 (1.5)3 (0.3)7.071.6
42 (20)1 (25)2 (1)3 (0.3)13.772.3
52 (20)2 (30)3 (1.5)1 (0.1)11.573.8
62 (20)3 (35)1 (0.5)2 (0.2)9,673.2
73 (25)1 (25)3 (1.5)2 (0.2)8.470.4
83 (25)2 (30)1 (0.5)3 (0.3)10.774.0
93 (25)3 (35)2(1)1 (0.1)14.974.6
表5>4试验结果分析 Table 5-4 Analysis of test results
试验结果菌数(10l(>cfti/g)HPAM降解率(%)
T 值 
ABCDABCD
T121.026.724.930.9213.3211.8216.3217.5
T234.531.838.127.6219.3220.2219.3216.0
T333.931.527.031.5219.0219.3215.7217.8
tl7.08.98.310.371.170.672.172.5
t211.610.612.79.273.173.473.172.0
t311.310.59.010.573.073.171.972.6
极差R4.61.74.41.32.02.81.20.6
分析较A2B2C2D3A2B2C2D3
优水平
主次因
注:
(1)T为因素试验结果之和,例:Tl=4.5+9.5+7.0=21.0
(2)t为因素试验结果之和的均值,例:tl=21/3=7.0
(3)R为t值中的大数-小数,例:t2-tl=4.6
由上面两表得出影响4项指标的主次因素和较优水平为:试验结果菌数A2C2B2D3; HPAM 降解率 B2A2C2D3。
从以上结论可以看出菌种的加入量、培养温度和培养时间对HPAM降解影响较大, 而辅料的加入对降解率的影响较小。
由以上结论可以得出,A2B2C2D3结果最为理想,即培养温度为20°C,固体菌剂的制备与污水处理模拟试验,培养时间为 30d,接种量为1%,辅料添加量0.3%。但是考虑到生产同时需节约资源、减少成本和 缩短试验周期方面考虑,同时辅料的添加是四个因素中对降解率影响较小的因素,最终 选择A2B2C2D!为佳,即培养温度为20°C,培养时间为30d,接种量为1%,辅料添加量 0.1%。
3.4复合菌剂培养处理后采油废水各类理化指标的分析
对复合菌降解处理后采油废水的各项指标进行了分析,分析结果如下:
表5*5复合菌剂处理后采油废水各类理化指标的分析 Table5-5 Composite agents produced wastewater treatment of various physical and chemical
indicators
样品陕西长庆油田新10-39号井含HPAM污水
项目对照组实验组
HPAM降解率79.7%
菌体 、
数量1.7x10^2.8xl(T
通过对复合菌剂培养处理后含聚污水各类理化指标的分析,可以看出采油废水中的 HPAM得到了有效降解,具体数量有大幅的提高,基本上达到了含聚污水无害化处理的
预期目的。
4小结
使用筛选得到的两菌株降解HPAM的降解菌CJ419和FA16,通过平板转接,试管 培养,摇瓶培养,经500mL发酵罐、1L发酵培养后,经由显微镜检查活菌菌数,在 25-35°C,24-72h培养成菌株菌悬液。将菌悬液按一定的比例接入发酵池中的固体麸皮 培养基中在25-35^,24-72h培养后,分别镜检固体培养基,当活菌数之109个/g时,可 终止培养。最终分别制备得到各个菌的固体菌剂。
以接种培养后的含聚污水中菌体增殖数量、HPAM含量和降解率为指标,使用筛选 到的CJ419和FA16制备的固体菌剂作为处理含聚污水使用的固体菌剂,按照CJ419: FA16分别为3: 1、2: 1、1: 1、1: 2、1: 3进行复配。复配试验接种量为1%,培养 温度为20°C,培养时间为30d。通过对两菌株固体菌剂比例的配伍试验,得到最优化的 菌株配伍比例CJ419: FA16=2: 1。
为优化的试验,研究以含HPAM污水处理工艺中固体复合菌剂接种量、辅料加入 量、培养温度、培养时间等主要技术参数为因素,以培养后的含聚污水中微生物菌体增 殖数量、主要有害成分HPAM物质降解转化率为衡量标准,通过正交试验确定各主要 因素的最佳培养工艺条件。通过正交分析得出:培养温度为20°C,培养时间为30d,接 种量为1%,辅料添加量0.3%是最优化方案。但是考虑到生产同时需节约资源、减少成 本和缩短试验周期方面考虑,同时辅料的添加是四个因素中对降解率影响较小的因素, 最终选择培养温度为20°C,培养时间为30d,接种量为1%,辅料添加量0.1%为扩大化 试验的最终优化结果。
结论与展望
1结论
本研究以陕西长庆油田某污水处理站经过沉降砂滤处理后的高分HPAM出水为研 究对象,对含高分聚合物污水的处理进行了生物原位污水处理技术研究,为油田含聚污 水的生物处理提供理论基础。主要研究结论如下:
(1)从长庆油田泥浆池废液周边土壤中分离筛选出2株对聚丙烯酰胺有良好降解 作用的菌株分别命名为CJ419和FA16,通过生理生化性质,初步确定CJ419为假单胞 菌,FA16为枯草芽孢杆菌。
(2)对CJ419和FA16降解聚丙烯酰胺的能力进行了研究。发现CJ419 30°C培养条 件下在灭菌的实验废水样品中摇瓶培养25d,最大降解率可达30.4%,FA16摇瓶培养25d 最大降解率可达25%;将两菌株1: 1比例接种于培养基中30°C摇瓶培养25d,降解率 出现两次峰值,最大降解率可达80.3%。同时研究了聚丙烯酰胺自发降解的降解率,30°C 摇瓶25d发现聚丙烯酰胺的自发降解率为7.4%。
(3)研究了混合菌在以HPAM为唯一碳源的情况下的降解能力。3(TC培养条件下 降解率也出现两次峰值,降解曲线趋势与污水中实验基本相同,最大降解率达79.7%。 对含聚废水中的烃类物质含量进行了跟踪检测分析,25d之内烃类物质质量浓度由降解 前的9.6mg/L降至6.2mg/L。认为分解的烃类物质为微生物生长提供了少量碳源,废水 培养基中烃类物质质量浓度很低(烃类物质总量质量浓度<l〇mg/L),而混合菌株对烃类 物质有一定程度的降解作用但作用效果并不十分显著,因此烃类物质的降解对联合降解 过程没有明显的影响。
(4)在实验条件下对混合菌降解的温度、pH、初始接菌量、混合菌活化次数等因素进 行了检测。复合菌从10°C开始,温度越高降解能力越强,在30~37°C区间达到最大值, 32°C时最大;固体菌剂的制备与污水处理模拟试验,超过37C降解能力迅速下降,但到45°C仍具有一定的降解能力;最适降 解pH为7.2,在pH7.0~8.0之间仍能保持较高的降黏能力,但偏酸或偏碱的环境都不利 于混合菌的降解;在接种的菌量为3.6X104个/mL时,HPAM降解率可达75.6%,当 接种量持续增加,降解率不再有明显的增加;而通过相同培养基进行活化而使细菌经历 了迟滞期的适应过程后再重新与待降解物接触就会大大缩短迟滞期时间,快速进入对数 期从而迅速降解聚合物。
(5)探讨了微生物降解聚丙烯酰胺的机理。结果表明细菌降解HPAM是通过分解 胞外物质的方式进行的,而无法将聚合物包裹或吸收到细胞内进行降解,而细菌胞外分 泌的蛋白不能明显降低聚合物的相对分子质量,降解需要胞外非蛋白产物的共同参与才 能完成。当两菌株混合进行降解时,会大大提高降解效果,菌体间协同作用表现明显^ 降解首先通过胞外酶的作用,聚合物被降解成小分子物质,降低了分子量,从而被微生 物进一步利用转化降解,同时生长迅速的菌体又产生大量的胞外物质促进HPAM的降 解作用。
(6)模拟采油现场原位降解采油污水中的HPAM降解实验。首先将两菌株制成固 体菌剂,根据含HPAM污水中微生物菌体增殖数量、主要有害成分HPAM降解转化率 等物理化学指标检测进行多方位评估,通过正交实验确定复合固体菌剂中各类菌的最佳 复配比例为CJ419: FA16=2: 1。使用此比例研究以含聚污水处理工艺中固体复合菌剂 接种量、辅料加入量、培养温度、培养时间等为主要技术参数为因素,以培养后的污水 中微生物菌体增殖数量、主要有害成分HPAM物质降解转化率为衡量标准,通过正交 试验确定最佳培养工艺条件为:培养温度为20°C,培养时间为30d,接种量为1%,辅 料添加量0.3%。但是考虑到生产同时减少成本和缩短试验周期,同时辅料的添加是四 个因素中对降解率影响较小的因素,最终选择最佳工艺条件是:培养温度为2CTC,培养 时间为30山接种量为1%,辅料添加量0.1%。
2展望
由于时间及实验条件的限制,研究还处于初步阶段,需要在以后研究中进一步完善, 具体如下:
(1)论文中降解聚丙烯酰胺微生物的样本有待于进一步扩充。所以下一步实验需 增加实验样本,继续从HPAM泥浆池周围土壤、含油废水,或直接从HPAM中分离筛 选更多的对聚丙烯酰胺有高效降解能力的降解菌株。
(2)论文中菌株的复合降解作用研究还处在初级阶段。所以下一步研究可以对筛 选出的菌株两菌复合和多菌复合,建立一套有效的筛选方法,对实验组进行正交实验, 并通过方差、极差等正交分析等统计学手段复配出降解效率和稳定性更高的菌群。
(3)下一步可以采用诱变、原生质体融合、基因工程等技术手段对已筛选菌株进 行选育,以期增强其对聚丙烯酰胺的降解效果。
(4)论文中微生物降解聚丙烯酰胺的机理有待于更深入的探讨。固体菌剂的制备与污水处理模拟试验,论文中研究发现 复合菌具有一定的协调机制,具有较高降解效果,但具体的机制尚未清楚,研究其协调 机制将是下一步实验探索的重点。降解菌之间底物的利用关系、协同生长作用机理有待 进一步的研究。
(5)菌种固体菌剂的制备是下一步的研究方向。从种子加入反应体系后的活力、 复配种子的比例、菌种在降解过程中的相互作用等方面进行进一步研究,找到更佳的复 配方案。
(6)研究发现混合菌对聚合物废水中的石油烃类物质也有一定的降解作用,今后 研究会集中在同时对HPAM和石油烃类物质都有有效降解能力菌种的研究上。
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