乳制品饮料生产废水生物处理工艺研究

沈隽　林建国

【摘 要】乳制品饮料生产过程中产生的大量废水因其具有排放量大、有机物含量高、成分复杂等特点，对生态环境造成了严重污染。本文从乳制品企业生产车间及其废水处理活性污泥中获取样品，通过筛选获得了COD去除率与蛋白质降解率表现较好的F1地衣芽孢杆菌（Bacillus licheniformis）、F3枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）和W11短短芽孢桿菌（Brevibacillus brevis）三株菌株。在30℃、pH为7的试验条件下，以模拟乳制品废水作为底物，研究了利用三株菌株不同组合混合发酵去除COD和降解蛋白质的能力。研究结果表明，F3/W11两株菌组合混合发酵处理效果最好，处理72h后得到最佳蛋白去除率达到87.38%，最佳COD去除率达到77.61%。

【关键词】乳制品饮料生产废水;生物处理;COD去除率;蛋白降解率

中图分类号： X792文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）27-0008-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.27.003

【Abstract】Wastewater generated during dairy beverage production is a source of major environmental pollution due to its massive volume， high concentration of organic matter and complex composition. In this article， we collected samples from the dairy production workshop and wastewater treatment activated sludge. Showing characters of higher COD removal rate and better protein degradation performance，F1（Bacillus licheniformis），F3（Bacillus subtilis）and W11（Brevibacillus brevis）were obtained after screening. With experiment set at 30℃，pH 7，simulated dairy wastewater as substrate， the 3 bacterial strains were combined in every way， fermented and studied for COD removal and protein degeneration performance. The results showed that fermented F3/W11 strain mixture had the best effect， with a 87.38% protein removal rate and a 77.61% COD removal rate after 72h treatment.

【Key words】Wastewater from dairy beverage production; Biological treatment; COD removal rate; Protein degradation rate

近年来，乳制品饮料销量逐年递增，其在生产过程中产生的大量废水具有排放量大、有机物含量高、成分复杂等特点，不达标排放将对生态环境造成了严重污染。

目前，国内外对乳制品废水处理的研究主要集中在工艺流程的设计和运行参数的优化上，对于能够对乳制品废水发酵降解的微生物研究较少[1]。微生物发酵法技术成熟后可与传统废水处理方式相结合，对于治理乳制品废水问题具有重要的实践指导意义。

本文从乳制品企业生产车间及其废水处理活性污泥中获取样品，筛选出三株COD去除率与蛋白质降解率表现较好的菌株[2]，研究了模拟乳品废水培养基发酵处理过程中温度、pH、菌种以及发酵时间对蛋白降解和COD去除效果的影响。

1 材料和方法

1.1 材料与试剂

1.1.1 菌种

F1地衣芽孢杆菌（Bacillus licheniformis）、F3枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis），W11短短芽孢杆菌（Brevibacillus brevi）由本实验室分离筛选。

1.1.2 基础培养基NA

蛋白胨10.0g、牛肉粉3.0g、氯化钠5.0g、琼脂15.0g、蒸馏1000mL，煮沸溶解，调节pH=7.3±0.2。分装锥形瓶，121℃高压灭菌15min。

1.1.3 模拟乳品废水培养基

稀释到COD 3000mg/L的均质全脂牛奶、NH4Cl（0.57g/L）、KH2PO4（（0.21g/L）、K2HPO4（0.54g/L）和Na2HPO4（0.67g/L）、（COD：N：P比100：5：1）[3]。

1.2 仪器与设备

本研究使用的仪器设备主要有生物安全柜、紫外可见光分光光度计等，具体见表1：

1.3 方法

1.3.1 菌种接种量和比例

将保存于斜面上的三株菌种分别接种到NA培养基上，30℃培养48h，挑取单菌落接种至NA液体培养基中，待菌量生长至108CFU/mL，取6mL培养基接种到装有600mL模拟废水培养基的锥形瓶中[4]。

1.3.2 蛋白质含量测定

不同条件处理样品后，采用BradFord法测定样品中的蛋白质含量[5]，再计算蛋白降解率。

1.3.3 COD含量测定

不同条件处理样品后，采用重铬酸钾硫酸回流法（CODcr）测定样品中的COD含量[6]，再计算COD去除率。

1.3.4 模拟废水单株菌发酵试验

试验的初始条件为pH=7，挑取单菌落接种至NA液体培养基中，待菌量长至108CFU/mL，取6mL培养基接种到装有600mL模拟废水培养基的锥形瓶中，即初始接种量为106CFU/mL。将接种好的模拟废水培养基置于恒温摇床上，30℃，120rpm培养96h，每隔12h取样一次，分别测定样品的COD值和蛋白含量[7]。

1.3.5 模拟废水混合发酵试验

为了能够使模拟废水培养基体系经过处理能够达到理想的排放标准，研究了F1/W11两菌株组合、F3/W11两株菌组合、F1/F3/W11三株菌株组合三种发酵方式对模拟废水培养基体系蛋白降解率与COD去除率的影响[8]。两菌株组合发酵试验中，各取3mL接种到装有600mL模拟废水培养基的锥形瓶中，初始接种量为106CFU/mL;三菌株组合发酵试验中，各取2mL培养基接种到装有600mL模拟废水培养基的锥形瓶中，初始接种量为106CFU/mL。将接种好的模拟废水培养基置于恒温摇床上，30℃，120rpm培养72h，每隔12h取样一次，监测菌群的生长情况，并分别测定样品的COD值和蛋白含量。

2 结果与分析

2.1 单株菌的最适发酵处理条件

根据试验得出各因素对蛋白质降解的影响情况，结果如图1所示。

从图1可以看出，菌株对蛋白去除的影响最大，其中发酵处理效果最好的菌株为F3，其次为F1，最差为W11;温度对发酵过程的影响不大，分析认为，试验所提供的温度在适宜这三株菌发酵的温度范围内，三株菌都表现出较为宽泛的适宜发酵温度;随着发酵时间的增加，蛋白降解率也随之增加，但对蛋白降解率总的影响趋势是随着时间的增加而减少的，从经济性考虑3d为最佳发酵时间;pH对发酵过程中蛋白降解率的影响总体不大，在pH为7时蛋白降解率最佳[9]。综合来看，菌株F3在发酵温度为30 ℃、pH为7、发酵时间为3d时，蛋白质降解效果最佳为85.52%。

以同样的方式，试验得出各因素对COD去除率的影响情况，如图2所示。

从试验结果来看，菌种依然是对COD去除率的影响最大的因素，其次分别为时间、温度和pH。综合来看，菌株W11在发酵温度为30 ℃、pH为7、发酵时间为3d时，蛋白质降解效果最佳为58.12%。

2.2 最适发酵处理条件的验证结果

为了找出效率与生产成本最佳的发酵时间，在以上试验基础上，在温度为30 ℃、pH为7的试验条件下多进行了1天的发酵验证试验，测定了蛋白质降解率以及COD去除率的变化，结果如图3所示。

从图3可知，三个菌株在0～24h，蛋白降解率随着时间的增加而迅速增加，推测这一段时间内由于菌株大量生长产生活性蛋白酶迅速降解了蛋白，导致蛋白含量迅速下降;24～72h，蛋白降解率随着时间的增加而缓慢增加，推测这一段时间内菌株生长达到了平台期，蛋白酶活性下降;72～96h，蛋白降解率几乎不再增加，表明继续发酵意义不大。综合考虑发酵处理的时间成本、设备成本等因素，72h为最佳发酵时间，在此条件下F3菌的蛋白降解率能够达到85.52%。

三个菌株COD去除率与蛋白降解率有相似的规律，72h后COD去除率几乎没有变化，同样表明继续发酵意义不大。综合考虑72h为最佳发酵时间，在此条件下W11菌的COD去除率能够达到58.12%。

2.3 模拟废水混合发酵最佳处理工艺研究

根据以上试验结果可知，降解蛋白效果最好的菌株是F3，去除COD效果最好的菌株是W11。为了同时提高COD去除率和蛋白降解率，选用F3/W11两株菌株组合、F1/W11两株菌株组合、F1/F3/W11三株菌株组合三种组合混合发酵的方式做进一步试验，测定了三种菌株不同组合混合发酵过程中活菌数量的变化，结果见图4。

从图4可知，虽然各混合菌株菌落数都经历了对数期、平台期、衰亡期，但F1/W11两株菌株混合发酵过程中菌落生长速率明显弱于其他两种混合发酵方式，且在单菌试验中F1菌的蛋白降解率明显低于F3菌，故后续试验不考虑F1/W11两株菌混合发酵方式。

选用F1/F3/W11三株菌联用、F3/W11两株菌联用两种混合发酵的方式，测定了两种混菌发酵过程中COD去除率与蛋白降解率的变化，结果见图5所示。

从图5可知，F1/F3/W11三株菌混合发酵时COD去除率与蛋白降解率有相似的规律，0～24h，随时间的增加而迅速增加，这一段时间内菌株正处于对数生长期，菌株大量生长导致蛋白含量迅速下降;24～48h，随着时间的增加而缓慢增加，这一段时间内菌株正处于稳定期，菌群的生长到达稳定期并有大量菌死亡，随着时间的延长蛋白酶活性下降;48～72h，蛋白降解率随着时间的延长增长更加缓慢，这个时候菌群虽然开始大量死亡，但还是有很多活菌在有效降解蛋白和COD。

F3/W11两株菌混合发酵曲线趋势与F1/F3/W11三株菌混合发酵相似，值得注意的是，F3/W11两株菌混合发酵刚开始的蛋白降解率与COD去除率增長均不及F1/F3/W1三株菌混合发酵，但当发酵时间超过36h之后，蛋白降解率及COD去除率均缓慢超过F1/F3/W1三株菌混合发酵，与混合菌种的生长曲线规律一致，证明菌群在发酵过程中菌活力、蛋白酶活性与菌群生长息息相关，菌群菌量越大，活力越强，蛋白降解率及COD去除率越大，生长曲线与蛋白降解率及COD去除率呈正相关的关系[10]。最终得出结论，F3/W11混合发酵的方式要优于F1/F3/W11混合发酵的方式，发酵72h后，得到最佳蛋白降解率87.38%，最佳COD去除率77.61%。

3 結论

使用单菌对模拟乳品废水培养基进行发酵，COD去除率与蛋白降解率均未达到理想状态。Loperena[11]曾报道芽孢杆菌菌株能够在在34～57%范围内去除COD，在47～87%范围内去除蛋白质，虽然筛选出了发酵效率最高的单一菌种，但其COD去除率与蛋白降解率未在同一试验条件下超出这一范围。因而利用混菌发酵的方式，希望能提高蛋白饮料的发酵效率，对F1/F3/W11三株菌混合发酵和F3/W11两株菌混合发酵进行比较，从生长曲线、蛋白去除率曲线与COD去除率曲线得出F3/W11两株菌混合发酵的方式要优于F1/F3/W11三株菌混合发酵的方式，说明体系中的菌株数量并非越多越好，低COD去除率、低蛋白去除率的菌株会与高COD去除率、高蛋白降解率的菌株竞争，争夺体系中的发酵底物，使得体系中的COD去除率、蛋白降解率整体下降。F3/W11共同发酵时具有互相促进的作用，COD去除率与蛋白降解率都明显高于各自单菌株发酵时的数值。

【参考文献】

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[10]康小虎，曾小英等.乳制品工业废水生物处理工艺中微生物群落研究进展[J]. 生物学杂志， 2016. 33（6）： 86-90.

[11]LOPERENA L，FERRARI M D，DíAZ A L，et al. Isolation and selection of native microorganisms for the aerobic treatment of simulated dairy wastewaters.[J].Bioresource Technology，2008，100（5）.