产酸菌及其处理废水的一锅煮工艺系统和方法

技术领域

本发明属于微生物处理废水技术领域，具体涉及产酸菌及其处理废水的一锅煮工艺系统和方法。

背景技术

食品厂的生产废水中包含有一种可以从海藻和魔芋分离和提取的多糖物质-卡拉胶。卡拉胶在食品工业中应用广泛，通常将其用作增稠剂、胶凝剂、悬浮剂、乳化剂和稳定剂等，因为其稳定性强，干粉长期放置不易降解，在中性和碱性溶液中也很稳定，即使加热也不会水解。卡拉胶常用的制备方法为碱法，因而生产卡拉胶的工业废水包含卡拉胶的废水水质pH值较高，此外火腿肠、果冻或者乳酸菌剂等食品生产过程中，需要使用大量的卡拉胶，从而其产生的废水亦含有大量的卡拉胶。含卡拉胶废水(包括卡拉胶的生产废水和生产原料中含有卡拉的废水)中除了难以物化降解的物质-卡拉胶，还含有其他大量的有机物、无机盐以及硫化物，常常会影响污水生化系统中的微生物，属于较难处理的工业废水。由于过高的pH进入污水处理系统，常规的活性污泥法无法承受，因此传统方法处理上述食品工业废水时，在废水进入污水系统前需要加入盐酸或硫酸调节pH，对于企业来讲，需要投入大量资金购买盐酸或硫酸，对于环境也极其不友好。在进入污水处理系统后，卡拉胶食品工业废水常常会产生大量的污泥，污泥处理方法通常是排出后丢弃，对于生态环境也不利。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提供了产酸菌及其处理废水的一锅煮工艺系统和方法，目的是为了解决食品工业含卡拉胶的废水具有难以物化降解的物质-卡拉胶，还含有其他大量的有机物、无机盐以及硫化物，在污水处理中较难处理，同时会产生大量的污泥的技术问题。

本发明提供的第一个技术方案为产酸菌，具体技术方案如下：

产酸菌，于2021年9月22日保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，保藏编号为CGMCC No.23462。

本发明提供的第二个技术方案为产酸菌处理废水的一锅煮工艺系统，具体技术方案如下：

产酸菌处理废水的一锅煮工艺系统，包括射流曝气系统，所述射流曝气系统中投放有第一个技术方案所述的产酸菌的二级活化扩培液。

在某些实施方式中，所述射流曝气系统包括发酵池，所述发酵池中设置有射流曝气结构，所述射流曝气结构配置为向所述发酵池底部曝气和喷射布水。

进一步，所述射流曝气结构包括曝气组件和分布在所述发酵池底部的多个射流混合器，所述曝气组件包括鼓风机，所述鼓风机通过主气管与多个所述射流混合器连通。

再进一步，所述射流曝气结构还包括循环泵，所述循环泵通过主水管与多个所述射流混合器连通，所述循环泵与所述发酵池的底部连通。

在某些实施方式中，所述产酸菌的二级活化扩培液的制备方法如下：

(1)取卡拉胶废水中加入所述产酸菌的固体菌种和糖蜜，在缺氧条件下，进行曝气搅拌发酵，发酵液pH≤3.5时为反应终点，获得一级活化液；

(2)在卡拉胶废水加入步骤(1)中一级活化液以及糖蜜，进行曝气搅拌发酵，发酵液pH≤4.5为反应终点，活菌含量1×10

进一步，在步骤(1)中，所述产酸菌的固体菌剂活菌含量≥1×10

在步骤(2)中，所述卡拉胶废水与所述一级活化液的质量比为(3-4)：1，所述糖蜜与所述卡拉胶废水的质量比为(3-4)：(0.012-0.025)，所述发酵的温度为25-30℃，发酵的时间为72h。

本发明提供的第三个技术方案为产酸菌处理废水的一锅煮工艺方法，具体技术方案如下：

产酸菌处理废水的一锅煮工艺方法，基于第二个技术方案所述的系统，将产酸菌的二级活化液直接与含卡拉胶废水共同引入射流曝气系统，使含卡拉胶废水与活化液混合进行废水处理。

在某些实施方式中，包括如下步骤：

S1，将含卡拉胶废水直接引入发酵池中；

S2，将产酸菌的二级活化扩培液直接加入发酵池中；

S3，开启射流曝气结构，发酵池中的废水通过循环泵被射流混合器喷入发酵池中；

S4，发酵池中的污水不断混合搅拌并与产酸菌进行混合处理。

在某些实施方式中，所述产酸菌的二级活化扩培液投放量为所述含卡拉胶废水量的2％，所述产酸菌菌体的终浓度为10-100PPM。

本发明具有以下有益效果：本发明提供的产酸菌为食酸菌(Acidovorax sp.)HZ-N-002，分离于含有食品污水处理厂进水的市政污水处理系统生化池活性污泥中，其能降解卡拉胶多糖产生有机酸，即利用上述产酸菌(CGMCC No.23462)可以分泌胞外酶-半乳糖苷酶对卡拉胶进行降解，进一步通过糖酵解代谢处理为可溶的小分子酸。“一锅煮”工艺是将产酸菌和射流曝气技术结合，在低溶氧状态下(DO0.2-1.0mg/L)，产酸菌产生的酸能将污水中的碱中和，将难生物降解的大分子物质(卡拉胶)转化为易生物降解的小分子物质的过程，从而改善废水的可生化性，降低污水的pH，降低废水中COD，使好氧池的COD容积负荷大大增加，具有重要的实际应用价值。本发明将射流曝气系统与产酸菌结合，射流曝气系统使产酸菌的长势更好，而长势好的产酸菌的代谢活力高，进而射流曝气系统与产酸菌协同提高含卡拉胶废水后续的处理效率。此外，产酸菌进行二级活化扩培，不仅用于提升产酸菌的活力，也是为了实现与射流曝气系统中的本土菌种融合共生并进一步成为优势菌种，进而仅需要少量菌种即可处理其重量500倍的含卡拉胶废水。与常规工艺相比，本发明的固定投资可节省75％，投加的药剂等支出可节省65％以上，且菌种扩培简单，成本低廉，工艺简单，经济效益巨大。

附图说明

图1是本发明实施例1中HZ-N-002号菌株系统进化树；

图2是本发明实施例2产酸菌处理废水的一锅煮工艺系统的结构示意图；

图3是本发明实施例4中企业改造前食用卡拉胶废水处理工艺流程图；

图4是本发明实施例4中投入实施例2的产酸菌处理废水的一锅煮工艺系统及方法后的污水处理工艺流程图；

图5是本发明实施例4中的产酸菌处理废水的一锅煮工艺系统及方法的小试试验pH和COD去除率的变化图；

图6是本发明实施例5中的产酸菌处理废水的一锅煮工艺系统及方法的中试实验pH、COD去除率以及MLSS变化图；

图7是本发明实施例6中的不同曝气工艺对产酸菌应用效果的影响对比图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

实施例1

本实施例提供的产酸菌，具体技术方案如下：

产酸菌为食酸菌(Acidovorax sp.)HZ-N-002，于2021年9月22日保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，保藏编号为CGMCC No.23462，保藏地址为北京市朝阳区北辰西路1号院3号，中国科学院微生物研究所。

上述产酸菌筛选的步骤如下：从南京某市政污水处理系统中分离得到3株菌，运用16S rRNA基因作为靶基因进行菌种鉴定，通过与NCBI数据库进行比对，分别构建系统进化树。其中编号为HZ-N-002的菌，为一株产酸菌，命名为Staphylococcus Acidovorax sp.HZ-N-002。HZ-N-002号菌即产酸菌(CGMCC No.23462)系统进化树如图1所示。产酸菌(CGMCCNo.23462)的代谢底物为卡拉胶(由硫酸基化或非硫酸基化的半乳糖和3，6-脱水半乳糖通过α-1，3糖苷键和β-1，4键交替连接而成)，通过产生的半乳糖苷酶对卡拉胶分子进行断链，最终产生的半乳糖进一步通过微生物在低DO环境下进行糖酵解途径产生小分子酸。产酸菌(CGMCC No.23462)产生的酶可将卡拉胶主要结构(高分子多糖)降解为单糖，得到的单糖进而被菌体利用。

卡拉胶废水中COD来源主要是卡拉胶，小部分来自废水中含有的海藻蛋白以及海藻表皮纤维等有机物质。产酸菌(CGMCC No.23462)对含卡拉胶废水中的卡拉胶进行降解试验，具体如下：分别设置实验组和对照组，其中实验组：1g卡拉胶和0.1g海藻蛋白加入1L水中，加入(CGMCC No.23462)的比例为5％；对照组：0.1g海藻蛋白加入1L水中，加入产酸菌(CGMCC No.23462)比例5％，对实验组和对照组初始COD和培养进程中的COD进行检测，结果如下表所示。

由上表可知，对照组中由于没有添加卡拉胶，因而初始COD较低，相反地，实验组中由于存在卡拉胶，其初始COD将近为对照组的6-7倍；随着培养时间延长，实验组的COD快速大幅度降低，而对照组的COD缓慢降低；培养72小时后，实验组中的COD除去率为93.29％，对照组中的COD除去率为20.11％。由于产酸菌无法直接利用海藻蛋白作为碳源和氮源，因此对照组中COD的去除率很低。而对照组中产酸菌可以直接利用卡拉胶作为碳源，因此COD下降很快。由于卡拉胶的浓度无法直接测定，但是其为COD的主要部分，因此，通过COD值可以间接反应卡拉胶的含量，因此可以推断，产酸菌(CGMCC No.23462)可以有效降解卡拉胶，并且对实验组中产酸菌(CGMCC No.23462)的半乳糖苷酶进行检测，其酶活可达到酶活达到了1200U/ml。

实施例2

如图2所示，产酸菌处理废水的一锅煮工艺系统，射流曝气系统中投放实施例1中的产酸菌二级活化扩培液。射流曝气系统包括发酵池1，用于将污水与菌液混合反应，发酵池中设置有射流曝气结构。射流曝气结构配置为向所述发酵池底部曝气和喷射布水。

射流曝气结构包括曝气组件以及多个射流混合器22。曝气组件包括鼓风机11和主气管12，鼓风机11通过主气管12与多个所述射流混合器22连通。主气管12与所述射流混合器22连接，将空气与污水混合，主气管12与所述鼓风机11连接。

多个射流混合器22设置在发酵池底部，多个所述射流混合器22均通过主水管23与循环泵21相连，循环泵21从发酵池底部取水，多个所述射流混合器22均通过主气管12与所述鼓风机11连接，污水与空气混合后，通过射流混合器22向发酵池内喷射布水。射流混合器的孔径为4-10cm，喷口流速达到10-15m/s，不会发生堵塞。循环泵21用于使射流曝气系统中的废水和产酸菌混合液被抽出再喷入发酵池，实现液体的循环，有利促进产酸菌的生长。

产酸菌菌种为固体菌剂，其中产酸菌的活菌含量≥1×10

本实施例提供了产酸菌处理废水的一锅煮工艺方法，基于上述系统，将含碱含卡拉胶废水引入射流曝气系统，并将产酸菌二级活化液(pH≤4.5)直接投入发酵池中，使废水与活化液混合进行处理。步骤如下：

(1)将含碱含卡拉胶废水从进水口直接引入发酵池1中；

(2)将产酸菌的二级活化扩培液与污水按照体积比2％的比例(10-100mg产酸菌菌体/L污水)直接加入发酵池1中；

(3)开启曝射流气结构，发酵池中的污水通过循环泵21被射流混合器喷入发酵池中。

(4)发酵池中的污水不断混合搅拌并与产酸菌进行混合处理，使污水pH和COD降低。

(5)当发酵池1中上层液达到后续工艺处理要求，从顶部出水口排出。

实施例3

为了验证实施例1中的产酸菌(CGMCC No.23462)和射流曝气系统结合对食用卡拉胶废水的处理效果，以食用卡拉胶废水(pH为12.8-13，COD为25000-30000mg/L)为实验材料，采取传统工艺(加酸处理)、仅射流曝气系统、以及实施例2中的产酸菌处理废水的一锅煮工艺系统对其进行中试实验，结果如下表所示。需要说明的是，由于卡拉胶为COD中的主要组成部分，因此COD的降低也间接反应对卡拉胶的分解。

由上表可知，常规工艺处理的污泥产生量、仅射流曝气系统处理的污泥产生量均远大于射流曝气系统与产酸菌结合的污泥产生量；24小时后的COD值也是实施例2中的产酸菌处理废水的一锅煮工艺系统最低。值得特别说明的是，仅仅通过射流曝气系统处理对食用卡拉胶废水进行处理后，废水的pH较高进而具有生物毒性，进而出水超标，无法进入后续工艺。在没有加入产酸菌，仅仅通过射流曝气进行处理，活性污泥中的土著微生物只是对卡拉胶中的多糖进行了吸附，并未充分降解。

实施例4

浙江某食用卡拉胶生产企业食用卡拉胶废水使用了实施例2的提供的产酸菌处理废水的一锅煮工艺系统及方法，该企业产生含卡拉胶废水1000m

实施例5

为了验证实施例2中工艺的系统及方法对食用卡拉胶废水的处理效果，以食用卡拉胶废水为实验材料，取现场好氧池回流污泥以及二次活化扩培好的菌种进行如下小试实验。

(1)取50L食用卡拉胶废水，接种活性污泥50L，同时加入0.5L的产酸菌的二级活化菌液(pH≤4.5)，进行曝气搅拌。

(2)每48h换水一次，换水：沉淀6h，取出上清液20L，补充原水20L，后补加二级活化液0.2L；

(3)测定实验过程中的进水和出水的pH、COD。

为了验证实施例2的工艺的系统及方法，在实际应用过程中的污水处理效果，进行了下中试实验。

(1)取1t食用卡拉胶废水，接种活性污泥，使污水的MLSS达到10000mg/L。

(2)加入2％的产酸菌(CGMCC No.23462)二级活化菌液(pH≤4.5)，进行曝气搅拌。

(3)HRT 24h，连续进水和出水，每24h进水和出水各1t。

(4)分别测定实验过程中的进水和出水的pH、COD和MLSS。

小试试验中pH和COD去除率的变化见图5。从图中可见，与进水相比，出水pH值下降明显，基本可≤9.0，COD平均去除率可达到70.1％。说明本发明的工艺系统及方法对于中和废水pH值以及去除COD有很好的效果。

中试实验的pH、MLSS变化以及COD的去除率见图6。与小试结果相似，进水pH值在12-13之间，出水pH能降到9左右，且基本保持在9以下。COD的去除率保持在51％-78％，平均去除率达到了63％，出水COD＜2000mg/L。MLSS基本维持在5000-6000，说明实验中的活性污泥处在效率高、健康的状态。此中试结果也验证了“一锅煮”工艺在实际应用过程中的有效性。

实施例6

(1)不同曝气工艺对产酸菌(CGMCC No.23462)菌株发酵产酸的影响

为了验证微孔曝气工艺与射流曝气工艺对实施例1提供的产酸菌(CGMCCNo.23462)菌株发酵的影响，将这两种工艺分别用于产酸菌二级扩培中，通过对pH和MLSS的检测，优选对产酸菌(CGMCC No.23462)菌株发酵效果更好的工艺。

实验材料：

实验用水：卡拉胶废水，取自浙江某卡拉胶生产企业。

活性污泥：取自浙江某卡拉胶生产企业污水处理厂生化池。

发酵罐：2个200L发酵罐，其中一个采用微孔曝气，另一个采用射流曝气。

实验方法：

1)分别向2个发酵罐中加入100L卡拉胶废水，接种活性污泥，使活性污泥的MLSS达到6000-7000mg/L。

2)各加入产酸菌(CGMCC No.23462)一级活化液0.5L(pH≤3.5)，和10kg糖蜜，分别进行微孔曝气搅拌和射流曝气搅拌，温度维持30±5℃。缺氧发酵，DO维持在0.5mg/L-1mg/L，发酵时间为72h。

3)72h发酵结束，每12h检测发酵液的pH和MLSS以及活菌含量。

实验结果如表1所示，微孔曝气对于产酸菌发酵效果不好，发酵罐内pH无法在72h内降至4.5以下，而射流曝气在24h内即可使发酵罐内pH下降至4.5以下，72h后甚至能降至4.0以下。这说明射流曝气更适合菌株产生有机酸，从而使发酵罐内pH快速下降。

从MLSS和菌浓度这两组数据来看，射流曝气对产酸菌(CGMCC No.23462)菌株生长效果更好，菌浓度能够达到10

表1不同曝气工艺对产酸菌发酵的影响

(2)不同曝气工艺对产酸菌应用的中试实验

为了验证在实际使用过程中射流曝气的效果，将其与传统的微孔曝气进行比较，查看其降低废水pH和COD的效果。

实验方法：

1)各取1t卡拉胶废水分别放入2组中试实验装置中，1组实验装置设置为微孔曝气，另外一组设置为射流曝气，中试实验装置组成与“一锅煮”工艺系统一致，不同的是发酵池的体积为2m

2)分别接种活性污泥(活性污泥与上面发酵实验相同)，使污水的MLSS达到8000-9000mg/L。

3)分别加入2％的产酸菌(CGMCC No.23462)二级活化菌液(pH≤4.5)，分别采用微孔曝气以及射流曝气进行曝气搅拌。

4)HRT 24h，连续进水和出水，每24h进水和出水各1t。

5)分别测定实验过程中进水和出水的pH、COD。

实验结果：

实验过程中进水的pH一般都维持在12.0-13.0之间，微孔曝气的出水pH仅能维持在9.0-10.0之间，而射流曝气可以将出水pH降至9.0以下，从表2和图7可以看出，射流曝气的进出水差值可以维持在3.2-3.9之间，而微孔曝气的仅能维持在2.3-2.6之间。射流曝气对废水的COD去除率有明显促进作用，使废水的COD去除率维持在84％-87％之间，而微孔曝气仅能达到35％-81％之间。

因此，射流曝气方式对于产酸菌(CGMCC No.23462)菌株快速繁殖、形成优势菌群并产生有机酸起到关键作用，射流曝气结合特定利用卡拉胶多糖产生有机酸的产酸菌，可大大提高COD降解效率，并达到5-8kgCOD/m

表2不同曝气工艺对产酸菌应用效果的影响

上述仅本发明较佳可行实施例，并非是对本发明的限制，本发明也并不限于上述举例，本技术领域的技术人员，在本发明的实质范围内，所作出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。