酵母菌在废水处理中的应用现状和进展
摘要: 酵母菌作为一种极为宝贵的微生物资源,由于它具有良好的耐酸、耐渗透压等特点,因此广泛地应用于高浓度有机废水的处理,包括有毒、含难降解污染物废水的处理。其处理能力优于驯化后的活性污泥系统,同时具有吸附重金属的作用;酵母菌能将大部分有机物转化成无毒且营养丰富的细胞蛋白供人类利用。随着酵母菌研究的深入和其他相关水处理技术的开发,酵母菌在废水处理中将得到更多、更好、更深的应用,实现环境、社会和经济等可持续发展。
关键词: 酵母菌、污水处理、高浓度有机废水、重金属吸附、细胞蛋白
中图分类号 Q819
发展新颖的污水生物处理工艺依赖于在微生物学及生物化学方面的新发现或新认识[1],随着人类对酵母菌特性的认识不断加深,人类对酵母菌的开发和利用也日趋全面和深入,并开发出以酵母菌为核心技术的新型污水处理新技术,该技术是集污水处理、能源回收等多功能为一体的污水综合处理技术,全方位体现了可持续发展的思想。利用酵母菌处理废水可以追溯到第二次世界大战时期,在德国等一些国家,由于蛋白质大量缺乏,利用石油特别是有机废料如酒精废水、糖蜜废水生产单细胞蛋白(SCP)的工作受到一定程度的重视,生产也形成了一定的规模。酵母菌污水处理技术是 20世纪 70年代从日本兴起的一种污水处理技术,比传统的活性污泥法工艺具有一定特异性,效率是活性污泥法工艺的 8~10倍。
1 酵母菌的分类
酵母菌是单细胞真菌,酵母菌主要分成两类:(1)发酵型酵母,是一种只能利用六碳糖进行酒精发酵的酵母;大部分酵母菌是属于此类;(2)氧化型酵母,它包括假丝酵母、球拟酵母、汉逊酵母等,这类氧化型酵母菌正是水处理所利用的重点对象;因为它能利用多种有机物(简单糖,有机酸、醇等),有的种能利用复杂化合物[2],因为酵母菌体内含有特殊的氧化分解酶。所以酵母菌具有很强的代谢能力,在某些条件下还可以凝聚沉降,由于其菌体较大,易于沉降,可以像活性污泥工艺一样运行和管理;另外,它们在快速分解有机污染物的同时,能获得酵母蛋白,既消除了环境污染,又进行综合利用,形成良性的生态循环,为造福人类作出有益贡献。
2 酵母菌在废水处理中的特性和能量来源
酵母菌是废水处理中极为珍贵的菌种资源:其一,它具有良好的耐渗透压、耐酸和代谢效率高等特点,有关数据显示[3],某些酵母菌能在水的活度 αw值为0.60~0.70时生存,酵母菌对某些难降解物质及有机毒物具有较强的分解能力。假丝酵母和丝胞酵母在含有杀虫剂和酚浓度为 500~1000mg/L的废水中可以正常生长,并将这些有害有机物质分解。而且它给含有高氨氮、高硫酸根离子的高浓度有机废水提供了较多的处理手段和方法,黑亮等[4]通过对酵母菌的脱氢酶活性(DHA)研究表明,硫酸根离子和氨氮的浓度达到20000mg/L以上时对酵母菌的影响不显著,因为氧化过程是一个加氧脱氢的过程,可以采用 DHA的强弱来检查所采用的菌种对所处的污染物的降解性及其有无毒性。在实验过程中发现酵母菌内的 DHA的强弱无显著变化,说明硫酸根离子和氨氮的浓度达到20000mg/L时仍然对酵母菌无明显的毒性。这些废水通常不适于厌氧工艺进行处理,因为高氨氮和高硫酸根离子等对细菌具有强烈的杀灭作用[5]。酵母菌的处理能力强于传统的活性污泥法工艺,汪严明等[6]研究表明,酵母菌在 pH=4、HRT=8h时对油田钻井废水的TOC去除率(40.5%)略高于经过驯化后的活性污泥法工艺(HRT=10h)的去除率(35.2%),而且它对分子量在 60kDa以上的有机物也具有一定的处理能力。刘斌斌等[7]利用鲁氏酵母菌 WY?3降解甲胺磷的研究发现,经过鲁氏酵母菌 WY?3处理后的甲胺磷毒性大大降低。以上都说明酵母菌体内具有良好的酶系以适应特殊的环境。酵母菌还能产生大量的营养丰富的单细胞蛋白,因为它的廉价性和高效性[8],因此在人口膨胀和粮食短缺的当今,是最具魅力的粮食替代品。我国已经成功地生产出动物饲料用的石油蛋白,在利用假丝酵母对各种烷烃的发酵研究表明,大部分的烷烃转变成了细胞物质.3]。
酵母菌在处理高浓度有机废水的过程中,污染物的去除和细胞蛋白的生产是联系在一起的,Zhang等[9]在利用热带假丝酵母处理啤酒洗槽废水的同时生产细胞蛋白的研究中发现,COD的降低与三羧酸循环发生的程度具有一定的联系,而细胞蛋白的生产只与糖酵解(EMP途径)有关。根据高浓度有机废水处理的最终目的的不同,即以 COD为主要目的,还是以细胞蛋白生产为主要目的,可以通过工艺条件的控制以实现不同的目的。数据还显示[6]在同样的工艺条件下,用酵母菌处理废水所增加的细胞数量约是活性污泥法工艺的2倍。
有机大分子物质通过细胞表面的水解酶分解成小分子简单有机物,其中不产生能量,简单的有机物通过糖酵解的方式(EMP途径)产生丙酮酸,产生少量的ATP供酵母菌使用,之后,发酵性酵母菌通过酒精发酵作用,将丙酮酸转化成乙醇,并生产大量的分子能ATP;而氧化型酵母菌,先将丙酮酸在线粒体内转化成乙酰辅酶,再通过三羧酸循环把乙酰辅酶转化成 CO2和水等小分子物质,并产生大量的分子能量。
3 酵母菌对污水中污染物的去除
酵母菌对污染物去除范围很广,包括有机污染物(高浓度含油废水[10],食品工业有机废水[11]),重金属[12,13]。酵母菌对污染物的降解和去除主要是通过
生物吸附,氧化等作用实现的,与活性污泥法工艺是相同的。但由于是真菌,也具有一定的特异性。所以其广泛应用于工业废水的处理。
3.1 去除有机污染物
酵母菌处理废水的机理和活性污泥法工艺是一样的,分吸附和氧化两个过程;吴兰等[14]在利用酵母菌处理色拉油的研究发现,酵母菌先将油分子存储在体内,然后再慢慢地氧化分解释放能量,或并合成新的细胞物质。黑亮等[4]在酵母菌处理高浓度味精废水中发现,酵母菌能在 7小时之内,去除废水中 99%的 BOD5,COD和 TOC的去除率也分别达到了 82.9%和 84.2%。由于酵母菌是单一菌种,微生物菌群相互协同作用是很微弱的,所以酵母菌对低分子有机物和易生物降解的基质具有很好的处理效果,但是处理高分子有机物和难生物降解基质效果较差。所以在利用酵母菌处理有机污染物之前,应尽量将一些高分子物质和难降解基质进行水解预处理,以增强其可生化性;酵母菌处理难降解有机污染物能力较弱,可能是因为难降解有机污染物的矿化作用是相当复杂的,矿化过程中会产生许多中间体,单一的酵母菌体内的酶系无法满足其需要。
3.2 去除重金属离子
微生物吸附重金属离子分两种吸附过程:主动吸附和被动吸附,主动吸附与能量代谢有关联,是重金属离子与有关酶系结合的过程,所以该过程较慢,过程是不可逆的,是重金属离子在体内富集的过程;而被动吸附与能量代谢无关,是重金属离子与微生物表面的硫基、羧基和羟基结合的过程,较快,该过程是可逆的。目前主要应用酵母菌的被动吸附来吸附重金属离子。活体和死亡细胞均能吸附重金属离子,而且死亡细胞具有和活体细胞相当或更大的吸附量[13],因此利用一些废弃的酵母菌为多。朱一民等[12]利用废弃的啤酒酵母吸附 Hg2+时发现,首先重金属离子通过静电作用吸附到酵母菌的表面,然后酵母菌表面的基团与重金属离子发生鳌合作用,这是一个被动过程,并发现其吸附作用是十分快的。当水温 15℃,pH为6,啤酒酵母浓度为40g/L,Hg2+在2.5min之内的吸附去除率就达到了85%,在15min之内就达到了最大值,但是这个过程吸附的重金属离子只是暂时性吸附,吸附时间和 pH等因素都会导致其解吸。重金属离子转移到菌株内则需要一个较长的时间(0.5~2h或更长),因为这是一个主动运输过程,需要能量。高树芳等[15]研究发现,在25~37℃内,深红酵母和假丝酵母对Cd2+的吸附量随着温度的升高而升高,而且 25~30℃内Cd2+吸附增加量0.34mg/g是30~37℃内Cd2+吸附增加量1.63mg/g约1/5左右,因为30~37℃内酵母菌的活性增强幅度较25~30℃时大得多,通过代谢产生的能量要大得多,说明酵母菌对Cd2+的完全吸附与能量呈正相关性。pH对酵母菌吸附能力具有较大的影响,有关数据显示,pH4~5时酵母菌吸附效果是最好的,pH<4时,吸附量变小,可能是因为 pH导致细胞表面电荷的变化,不利于吸附,而且酵母菌表面的吸附位点被 H+占据,而 pH>5时,吸附量也变小,虽然 pH的增大,有利于酵母菌表面电荷变化向着有利于吸附发生的方向和化学沉淀作用增强,但是酵母菌的活性被削弱,导致能量代谢作用减弱,不利于吸附。这进一步说明酵母菌对重金属的吸附作用以生物吸附为主,其它作用为辅,其作用原理正是生物冶金的原理,能不能利用酵母菌来冶金是一个值得考虑的问题。吸附在酵母菌上的重金属离子可以用适当的方法来解吸,从而回收金属,常用的解吸剂有:盐酸、硝酸、醋酸、氢氧化钠和 EDTA等。
4 细胞蛋白的生产
随着环境保护和资源利用重视程度的提高,人们对废弃物资源化处理研究也越来越深入,污水消极处理正转向积极回收,因为传统的处理工艺浪费了大量的有用资源。许多发达国家已经广泛使用各种酵母菌生产出各种优质蛋白,并用作动物饲料和家禽饲料,节约了大量的喂养谷物,同时生产出大量的鸡蛋等,在发展中国家酵母菌逐步代替粮食[16]。微生物法处理高浓度有机废水可以生产沼气和氢气等[17],采用微生物转化是经济实惠的途径之一[18]。目前对食品工业中的一些废渣、废水等以酵母菌生产 SCP的方式进行资源化已经被广泛接受,因为这些废弃物本身就无毒性[9]。随着细胞蛋白的生产范围不断扩展,从食品工业废水转向了有毒废水和难降解工业废水,肖琳等[19]利用酵母菌处理苯二甲酸工业生产废水并生产细胞蛋白,并利用小老鼠对生产出来的细胞蛋白进行了急性毒性、蓄积毒性和致突变试验三个方面的研究发现,小老鼠的内脏重要部位未发现任何病变现象,而且发现小老鼠很喜欢生产出来的细胞蛋白,在进行 8天的测试发现小老鼠的体重增长正常,与对比组小老鼠体重增加无显著差距(P>0.05)。而且小老鼠的骨髓细胞微核率与阴性对照组比较,PCE(%)维持在 50%左右。
研究表明利用难降解和有毒污染物生产细胞蛋白是较为安全的,废弃物生产细胞蛋白具有广阔的前景。Rajoka等[8]试验发现,利用细胞蛋白作为家禽饲料时能产生 3500kcal/kg的能量,说明细胞蛋白所产生的能量很大。
随着细胞生产技术不断提高,酵母菌生产细胞能力也是稳步升高的。许多研究发现,废水各种元素含量对细胞的生产是关键的,氮元素[9,20],钙元素[20]等。Zhang等[9]研究发现,在氮源不足的情况下,向废水中投加适量的尿素,能使热带假丝酵母细胞蛋白生长量得到一定的提高,同时还能提高有机污染物的去除效率。Nadja等[21]研究发现,向营养不足的废水中投加一定的氨氮和钙,可以改善细胞的营养结构,提高细胞蛋白的生长量,其细胞生长量从 50g/L提高到了 65g/L,提高率为 23.1%。Nigam[11]在利用假丝酵母处理菠萝罐头生产废水并生产酵母蛋白时发现,向废水中添加一定量磷酸氢二铵和磷酸氢铵能很好地解决废水因氮含量的缺乏而影响酵母菌的生长速率和相关的酵母菌生长量。而且他还发现对于酵母菌的生长速率和相关的酵母菌生长量与废水中碳水化合物有极大的相关性,当废水的碳水化合物含量过大时对酵母菌的生长速率和相关的酵母菌生长量是不利的。而且他建议利用连续流工艺生产酵母蛋白。
利用酵母菌生产细胞蛋白具有以下特点[2]:(1)
细胞蛋白的营养极为丰富,蛋白质含量高,可利用率也高,同时氨基酸组成齐全,还含有多种维生素;(2)微生物世代周期短,生产效率高;(3)生产原料极广,利于消除环境污染,其原料涉及到废水、废气和废渣等工农业三废;(4)可以工业化生产,节约土地。细胞蛋白应用也极为广泛,常被用作饲料和食品等,而且效果相当好,具有一定的经济效益和社会效益。
细胞蛋白的食品安全问题(包括毒理性)目前还存在分歧。专家指出[2],细胞蛋白中可能含有的核酸、奇数脂肪酸和残留烷烃等物质含量过高,如果食用或作饲料,可能会直接或间接地造成动物和人的某些不良反应。
5 发展趋势和应用前景
酵母菌污水处理系统比驯化后的活性污泥法工艺无论是反应速率还是污染物去除效率都具有很大的优势,所以酵母菌污水处理技术是值得推广的;随着酵母菌利用的范围不断扩大,酵母菌使用的方式和手段越来越多。
5.1 生物强化技术
定向驯化技术是一种可以富集、筛选微生物和改变微生物生理性状的有效方法,因为诱导作用能使微生物产生大量的适应酶,在处理有毒有害或人工合成化合物方面具有很大的潜力,利用特定物质进行定向驯化,优势酵母菌的自然培育和筛选取得了很大成功和应用。张秀丽研究发现,在双乙酰浓度为 1mg/ml的12°Bx麦芽汁中进行高浓度定向驯化所得到的新菌株TA4比亲株降解能力要高 20.38% ~36.31%,发酵度也提高了 4.5%,除此之外,新菌株的其它优良性状都得到很好的保持。基因重组技术在酵母菌改造方面也得到了很好的应用,目前构建高效酵母菌种的方法主要有:酵母杂交育种,原生质融合技术和基因工程技术等。韩云等[22]以绿色荧光蛋白(GFP)为动态分析对象,将 gfd基因克隆到酵母载体上,再采用聚合酶链反应(PCR技术)将该质粒重组到宿主菌中,结果发现在宿主菌内的 DNA中发现了 gfd基因片段,某些特性在宿主细胞也得到表现。
5.2 混合酵母菌群技术
高分子有机物在生物氧化过程中会有许多中间产物产生,由于单一菌种所存在的酶系是十分有限的,所以仅仅依靠单一菌种很难满足其降解需要,而混合菌种则可以通过相互协调、基质共降解等作用过程来完成整个降解过程。潘峰等[23]利用复合酵母菌(10株)处理含油污泥,研究表明 30天后复合酵母菌体系对油的去除率达到了 41.8%,高于驯化后的活性污泥法工艺。而且采用复合酵母菌对 90%以上的脂肪烃能在 8天内完成,但是对支链烷烃的降解能力不强。庄桂[20]采用复合菌种发酵糖化使得到的细胞蛋白内的还原糖含量大大提高,质地变细腻。
5.3 与其它菌种联用
凌云等[24]利用酵母菌?光合细菌联用处理皂素废水的研究中发现,当单独采用光合细菌或酵母菌处理皂素废水,72小时后其 COD的去除率分别仅为 53.1%和 34.8%。当酵母菌预处理 (48h)/光合细菌处理(72h)COD总去除率达到了 87.2%,氨氮去除率为96.7%和色度的去除率达到了 42.9%,而且经过酵母菌预处理给后续工艺创造了良好的条件,进水的可生化性增强,处理负荷减小,pH也大大改善。肖琳等[19]采用酵母菌(HRT=48h)、细菌(HRT=48h)和酵母菌?
细菌联用(HRT=48h)三种方法比较了废水中苯二甲酸和 COD的去除率;试验发现:三种方法苯二甲酸去除率分别为 53.0%,51.1%,95.0%,COD去除率分别为73.9%,79.3%,94.7%;这说明酵母菌是一种良好的预处理菌种,其处理前景很好。目前已有酵母菌和活性污泥法工艺联用的研究。酵母菌体内的结构酶和能产生的诱导酶数量是有限的,酵母菌和其他菌种联用,相互协作,可以满足污水中复杂的污染物类型和众多的中间产物的降解要求。
5.4 固定化细胞技术的应用
酵母菌中某些种属能形成假分枝,呈丝状,较轻,而且在运行过程发现,出水中含有大量的菌丝体,沉淀困难,使反应器中的酵母菌的数量很难得到保证,会造成后续处理成本较高或引起二次污染等问题。有关数据显示[6],酵母菌污水处理中由于长时间的运行和控制不当,容易产生丝状菌大量繁殖而引起丝状菌膨胀问题。如果采用强化生物载体技术将酵母菌固定化处理或用 MBR代替曝气池,既可以提高酵母菌的数量和浓度,还可以减少流失的菌种数量;当然生物载体和膜组件的选择,是一个值得研究的问题。
6 缺陷和存在问题
利用酵母菌处理废水虽然具有较高的去除率、去除速率和产生大量的细胞蛋白等特点,但也存在以下问题:(1)酵母菌在处理高浓度有机废水的时候,当废水中可利用的有机物较少时(酵母菌进入内源呼吸期后 4h),酵母菌容易出现自溶现象,如果酵母菌体没有得到及时回收,将会产生二次污染等问题。(2)酵母菌只对有机污染物具有很强的处理效果,但是对某些污染物(如:SO42?和 NH4+?N)处理效果不佳,因为酵母菌是一种化能异养型微生物。(3)pH对有机污染物去除具有一定的影响,当 pH过低,由于 pH能引起酵母菌细胞表面电荷的变化,静电斥力增加,使丙酮酸不能很顺利地进入细胞内的线粒体内,削弱了三羧酸循环的进行,酵母菌最适合的 pH是 3.5~5.0。(4)酵母菌对重金属离子(Cd2+,Hg2+等)具有很强的富集作用,这给酵母菌的食用和饲料生产带来很大的限制,所以对于饲料生产的细胞蛋白的原料必须无毒性。(5)高浓度有机废水中的 C/N和 C/P比过高是影响处理效果的主要因素,酵母菌处理高浓度有机废水系统中需要补充N、P等元素;有利于提高系统的处理效果和细胞蛋白的生产量,并能预防丝状菌膨胀。(6)不同的酵母菌种脱色处理的效果相差很大,说明各种酵母菌吸附能力差距较大;同时引起色度的有机物种类和控制条件等因素也会引起脱色效果。
7 结 论
传统污水处理工艺以能消能,浪费大量有机碳源,剩余污泥产量大,剩余污泥的处理也是一个难题,容易产生二次污染。同时释放较多 CO2(因耗能)到大气之中,产生温室效应,又使大量的资源白白流失掉。当今,全球普遍强调的可持续发展经济模式在污水处理领域也得到体现。因此,研发以节省能(资)源消耗、并最大程度回收(用)有用能(资)源的可持续污水处理工艺已势在必行。随着污染日趋加剧,能源日趋耗尽的当今世界,污水处理不仅仅是考虑水质的大大改善,而且要最大限度地回收资源和实现能源化,并尽可能地少消耗能源。酵母菌污水处理技术作为一种可持续发展技术,必将被越来越多应用,它不仅能大大改善水质,将大部分有机污染物转化成细胞蛋白,而不是CO2,同时产生的细胞蛋白也是人类所难得的宝贵资源,而不是剩余污泥。同时酵母菌对环境条件的要求相当宽松,其优越性远远超出了传统污水处理工艺。
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