微生物絮凝剂在制酒废水处理方面的研究进展

刁 欢，李吕木

（1.安徽农业大学，安徽合肥230088； 2.安徽新华学院，安徽合肥230088）

微生物絮凝剂在制酒废水处理方面的研究进展

刁 欢1，2，李吕木1

（1.安徽农业大学，安徽合肥230088； 2.安徽新华学院，安徽合肥230088）

微生物絮凝剂应用范围越来越广，在制酒领域的研究也逐渐增多。本文综述了微生物絮凝剂的絮凝机理、制酒废水的絮凝菌种以及微生物絮凝剂分别在啤酒废水、白酒废水、糖蜜酒精废水中的应用研究进展。

微生物絮凝剂； 制酒废水； 研究进展

目前，我国酒精生产企业有千余家，制酒废水主要来自于生产过程中酒精蒸馏后产生的废水、生产设备的洗涤水、冲洗水，以及复杂生产过程中的冷却水等，废水年产量超过400万t。酒精废水基本都是高浓度、高酸度的有机废水，对环境污染严重，其COD浓度高达50000 mg/L，悬浮物SS达10000 mg/L，总氮浓度高于1000 mg/L，且大多数制酒废水中的SS颗粒细小、致密、黏度大，处理难度较大。若直接进行废水的厌氧处理，容易造成厌氧污泥流失；若直接排放周边，会加速周边水体富营养化，污染地下饮用水，以及破坏水体生态系统；酒精行业的废水污染已经成为酒精生产企业的大难题。因酒精废水妥善处理要求资金投入大、技术管理严格、设备规模较大等原因，所以多数酒精企业对其废水的回收利用率很低。如何高效、经济的处理酒精废水，已成为环保行业重要课题。

在制酒废水处理中，絮凝沉淀法工艺简单、成本低且应用普遍。絮凝剂的有效开发与利用是关键。絮凝剂主要分为无机、有机和微生物絮凝剂[1]。制酒工业现有废水处理工艺主要是采用无机化学絮凝剂与气浮等废水处理专业设备、装置相结合的模式，具有低成本、高效率特点，是目前应用比较广泛的处理模式。但常用的化学絮凝剂易残留，且残留单体（如丙烯酰胺）为神经性致毒剂，可能引起神经毒性和癌症，中毒后会呈现肌体无力、运动失调等不良症状[2-4]。安全、无毒、高效、无二次污染、可降解的“绿色”微生物絮凝剂越来越被关注。

微生物絮凝剂（microbial flocculant，MBF）是由微生物（如细菌、酵母、霉菌、放线菌等）在一定的培养条件下通过自身新陈代谢产生的具有絮凝活性的产物，并通过发酵、提取、精制等方法获得，获得的产物具有生物降解性且安全、高效、成本低等特点[5]，主要组分包括糖蛋白、多糖、蛋白质、纤维素和核酸等。作为新式污水处理技术，微生物絮凝剂因高效、安全、零残留、绿色环保的特点，已广泛应用于生活污水、猪场污水、印染污水以及制酒废水等各类废水处理。

本文将从微生物絮凝剂的絮凝机理、絮凝制酒废水的微生物种类、在制酒废水中的应用进展进行综述。

表1 制酒废水处理相关絮凝菌及相关参数

1 微生物絮凝剂作用机理

微生物的絮凝作用报道最早始于法国学者Pasteur（1876年），他发现并报道了酵母菌在发酵后期具有絮凝能力[6]，此后，根据对微生物絮凝剂成分、组成的研究，国内外研究者总结出了多种絮凝机理，但被普遍接受的机理主要有吸附架桥机理、电中和机理、化学反应学说、卷捕作用、酯合假说、粘质学说等。也有些专家认为，絮凝过程复杂多变，单一的机理很难概括所有现象，吸附机理并非单一的。罗平等[7]的研究表明，微生物的絮凝机理是在氢键作用下的“吸附架桥”机理模式；朱艳彬等的研究表明，微生物絮凝机理是两性电解质的电中和作用及代谢残留物吸附架桥作用的共同结果[8]；马放等[9]研究发现，在不同的水质条件下，电中和、吸附架桥和网捕卷扫3种模式可相互协同。微生物絮凝剂的絮凝能力取决于自身的分子结构、形状、分子质量和所带基团。一般情况下，絮凝剂直线型分子结构较好，比交联的或支链结构的絮凝剂絮凝效果好。此外絮凝剂分子质量越大，絮凝活性越高[10]。同时，絮凝剂的添加量、絮凝环境(如温度、pH值、金属离子和浓度、通气量等)是影响絮凝效果的主要因素[11-16]。He J等[17]的报道指出，通过对深海细菌V3a’所产生的微生物絮凝剂HBF-3絮凝机理研究表明，HBF-3对高岭土絮凝主要是由于Ca2+的架桥作用。

2 絮凝制酒废水的微生物种类

有关絮凝菌的报道起源很早，但有关制酒废水的絮凝菌报道起步较晚。近年来有很多学者报道了在制酒废水处理领域应用较好的絮凝菌，主要有细菌、酵母、霉菌等，具体汇总见表1。

3 微生物絮凝剂在制酒废水中应用

国内啤酒和白酒行业产生废水量较大，其废水有效处理已成为环保领域研究的关注重点。

3.1 微生物絮凝剂在啤酒废水中的应用

中国是全球最大啤酒生产和消费国，啤酒年生产量较大，产1 t啤酒的耗水量8～25 t，我国啤酒废水年产量约为4亿立方米。啤酒废水综合利用效率低，排放后对环境造成较严重的污染。啤酒工业废水中含有糖、醇等有机物，浓度高，易腐败，其中COD、BOD普遍较高。一般企业多采用好氧生物处理法，花费较高、电量消耗大，且经处理后的废水N、P含量仍然偏高[31]。有学者采用微生物絮凝菌处理啤酒废水，取得较好效果，尤其可有效去除COD、SS。徐放等[32]通过研究培养基絮凝菌、培养条件、絮凝剂的投加量对啤酒废水的处理效果。研究结果表明，利用酵母膏培养基培养的MBF-1型菌，菌液对啤酒废水COD的去除率最高达到90.8%，COD去除能力最高达到55.3 mg/mL，啤酒废水处理效果比较理想。陈烨等[33]用硅酸盐细菌GY03菌株所产生的微生物絮凝剂处理啤酒厂废水，结果显示，处理后啤酒废水SS去除率高达93.59%，对BOD、CODcr也有较好效果，且絮凝效果优于化学絮凝剂。Zhang ZQ等[34]利用1 L啤酒废水作为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，最佳培养条件下，以啤酒洗槽废水作为碳源，培养絮凝菌，所产絮凝剂MMF1成分为蛋白质和多糖，它对靓蓝印染废水有很好的絮凝效果，COD和色度最高去除率可达到79.2%和86.5%。芦艳等[19]以利用啤酒废水作为唯一碳源和氮源的培养基，仅添加0.5%的KH2PO4无机盐，所产生的微生物絮凝剂对高岭土悬液的絮凝率高达93.5%。啤酒废水营养丰富，张迎明等[27]利用稀释10倍啤酒废水作为廉价培养基,直接培养筛选到的絮凝球菌，在最佳的培养条件下所得絮凝剂的絮凝效果最高为96.8%。Liu Z Y在实验过程中利用啤酒废水作为Klebsiellasp TG-1菌的廉价培养基，虽然絮凝率不如豆腐渣培养基，但也可以达到43%[30]。Ugbenyen A M报道，利用3种海洋细菌混合培养产微生物絮凝剂对废水絮凝实验，其中对于啤酒废水的絮凝率高达93.7%，以及对啤酒废水的浊度清除达92%，清除效果显著[35]。Luo Z S也报道指出，Klebsiellasp菌株yz-6产生的微生物絮凝剂MBF-6对乳品废水、啤酒废水、糖蜜废水均非常有效，絮凝剂主要成分有95.1%的多糖和3.4%的蛋白质[36]。Feng L D等[37]筛选出的芽孢菌种所产生的高效微生物絮凝剂MBF3-3对综合性的废水处理效果较好，其中对于啤酒废水的处理时的添加量低于常用的聚酰胺（PAC），且多种金属离子对其絮凝性有促进作用。Cosa S等[38]利用2株海洋微生物混合培养，并提取微生物絮凝剂，其可有效去除啤酒废水中99.7%的COD，且浊度去除率为93.9%，其主要成分是多糖类；将啤酒废水直接作为微生物廉价培养基，可使啤酒废水资源有效利用，并大大降低微生物絮凝菌的培养成本。

3.2 微生物絮凝剂在白酒废水中的应用

中国是白酒发源地，也是生产大国。白酒行业生产量大，酿酒过程中产生大量废水，且基本都是高浓度有机废水。废水成分复杂，酸度高，色度也较高，主要含有低碳醇、脂肪酸、氨基酸等物质。杨涛等[18]研究报道，用紫色非硫细菌01S菌株处理有机酿酒废水，在自然（或白炽灯）光照、pH7.0、温度28～30℃条件下，菌株生长良好，培养液能够明显降解酿酒废水，COD的去除率为82.2%。王伊娜等[21]利用制酒废水培养酵母菌HJ4，在最佳培养条件下获得微生物絮凝剂MBF4，在白酒废水中应用，对其色度和浊度有超过80%的去除率，对COD的去除率有的较好、有的较低，稳定性不好，结果表明，制酒废水可以作为混合型酵母菌的廉价培养基。王丽丽等[22]利用制酒废水作替代培养基，在所产复合型生物絮凝剂MFHJ4的最佳合成条件下，MFHJ4的产量最高可达3.85 g/L。常洪娟等[25]利用诱变筛选菌株，获得产胞外多糖高产菌株副干酪乳杆菌，在最佳生产工艺下制备乳酸菌微生物絮凝剂，对酒精糟液的絮凝率为95.5%以及COD去除率为97.5%；彭瑞昊等[26]选用酒精废醪液作为培养基培养环境微生物，筛选获得酒精废醪液的最佳生长菌株ZJ-15，获得的微生物絮凝剂对部分重金属离子有吸附作用。张帆等[29]利用白酒废水替代高成本的普通培养基对蜡状芽孢杆菌(Bacillus cereus)、膜璞毕赤酵母(Pichia membranifaciens)和混合菌(HXJ-1)分别进行培养，HXJ-1比单菌株长势更佳；混菌可以直接利用白酒废水产生微生物絮凝剂，且不需要调节pH值；混菌产絮周期短，比单菌缩短了24 h；混菌能利用高浓度的制酒废水且只外加少量氮源，有利于节约絮凝剂培养成本和综合利用制酒废水。在此基础上，最佳培养条件下，张帆研究团队提取的絮凝剂对高岭土絮凝率约为89.50%[28]。通过对微生物絮凝剂XJBF-1理化性质的研究表明，其主要成分是多糖63.40%，总蛋白质为0.87%，分子量较低，为50789 U，且为线性结构，安全性实验表明，对实验鱼苗基本没有急性毒性，可作为无毒水处理剂[39]。

3.3 微生物絮凝剂在糖蜜酒精废水中的应用

糖蜜酒精废水是以糖蜜为原料发酵生产酒精，在此过程中产生的高浓度有机废水。糖蜜酒精废水色度高、酸度高，且含有大量的碳水化合物、脂肪、蛋白质、纤维素等，若直接排放，易造成周边环境水体富营养化。国内外对糖蜜酒精废水脱色处理的研究较多。成文等在以糖蜜酒精废水为产絮霉菌的廉价培养基主要成分，絮凝剂产量较高，与优质淀粉培养基产量接近；HE-P7和HHE-A26的培养菌液也具有良好的絮凝作用，达到淀粉培养基的90%以上[20]。易小畅等以啤酒酵母为出发菌株，单独用糖蜜酒精废水稀释40倍作培养基时效果最佳；稀释糖蜜酒精废液和葡萄糖培养基联合使用（7∶3比例）最大絮凝率超过70%，对湖塘水中浊度的去除率也较高[40]。Yadav S等[41]利用4种菌株最佳复合比例（4∶3∶2∶1）并在最佳条件下培养10 d，其色度降解了75%，COD去除了71%。范艳霞等[42]研究表明，菌群在10%（v/v）糖蜜废水中添加少量营养物质，并调节pH值、培养7 d，有较好的脱色效果，为46.2%。Zhuang X以糖蜜酒精废液作为唯一碳源代替蔗糖培养芽孢菌，所产生的微生物絮凝剂可有效去除甘蔗精炼过程中的废水中的胶质悬浮物、色度和浊度[43]；微生物脱色糖蜜酒精废水是一个较复杂的生化过程，微生物的组成、结构和生长状态决定处理效果的好坏，因此微生物的生长条件是处理的关键因素。

4 展望

微生物絮凝剂相较于传统絮凝剂，具有安全、高效、无残留、易降解，无二次污染等优点，在制酒废水领域的应用越来越受关注，且可以将制酒废水作为廉价培养基进行废物利用，既减少处理制酒废水的高额费用，也可以对难处理的废弃物进行综合利用。经济环保，应用前景广阔，今后的研究方向可能为：

（1）针对性地选育对制酒废水絮凝效果好的高效絮凝剂产生菌。基因工程和发酵技术的合理使用，可有效提高微生物絮凝剂的生产效率。

（2）对高效制酒废水絮凝菌进行基因表达、克隆，确定起絮凝作用的基因并加以转化应用。

（3）利用制酒废水作为廉价培养基，探究添加比例、形式，变废为宝，废资源再生转化，获得高效收益。

（4）深入研究微生物絮凝剂的作用机理、分子构架以及动力学，以研制更有效、更安全的新型超级絮凝剂。

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Research Progress in Alcohol-Making Wastewater Treatment by Microbial Flocculant

DIAO Huan1,2and LI Lümu1
(1.Anhui Agricultural University,Hefei,Anhui 230088;2.Anhui Xinhua College,Hefei,Anhui 230088,China）

The extensive use of microbial flocculant has become the research focus in alcohol industry.In this paper,the research progress in the flocculation mechanism of microbial flocculant,the flocculating bacteria species of alcohol-making wastewater,and the use of microbial flocculant in beer wastewater/Baijiu wastewater/molasses alcohol wastewater was reviewed.

microbial flocculant;alcohol-making wastewater;research progress

TS262；X797

A

1001-9286（2017）12-0109-05

10.13746/j.njkj.2017192

安徽省教育厅省级质量工程项目（2015ckjh115）；国家级大学生创新训练项目（201512216017）；安徽新华学院校级科研团队项目（2016kytd008）。

2017-07-10

刁欢（1982-），女，安徽巢湖人，副教授，硕士，主要研究方向为微生物发酵，E-mail：532045301@qq.com。

优先数字出版时间：2017-10-13；地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/52.1051.TS.20171013.0918.001.html。