復合菌制劑對有機廢水處理的研究

陳紅星，曹翠巖，謝 迪，陶思源，郝 林

（沈陽師范大學化學與生命科學學院，沈陽 110034）

復合菌制劑對有機廢水處理的研究

陳紅星，曹翠巖，謝 迪，陶思源，郝 林

（沈陽師范大學化學與生命科學學院，沈陽 110034）

利用復合菌劑處理有機廢水既可提高有機物的降解效率，又可獲得生物有機肥料。研究明確了光合細菌、乳酸菌和酵母菌混合培養(yǎng)過程中的最適生長條件，包括生長基質中最大化學需氧量（COD）不高于10000mg·L－1以及其它條件，如光照強度、p H值、菌種接種量、菌種的混合比例等。經過混合菌劑處理后，有機廢水中的有益微生物數量顯著增加，而有害微生物受到抑制。COD、總氮（TN）、總碳（TC）和銨態(tài)氮（NH3－N）的降解率分別達到87.1%、70.5%、53.9%和90.8%。這些結果顯示，3種菌混合處理可有效降解高濃度有機廢水中的有害物質，同時獲得高濃度的有益菌群。

光合細菌；有機廢水；化學需氧量；復合微生物菌劑；降解

0 引 言

光合細菌（Photosynthetic Bacteria，簡稱PSB）是指在厭氧條件下進行不放氧光合作用的原核微生物總稱，對高濃度的有機廢水具有較強的耐受能力，特別是紅螺菌科的光合細菌能夠在黑暗好氧和光照厭氧條件下利用廢水中有機物作為碳源和供氫體維持正常的生命活動，并對有機廢水具有很強的降解能力［1－2］。此外，光合細菌能夠與許多有益微生物共生，當光合細菌成為主導菌群時能夠促進乳酸菌、酵母菌、枯草芽孢桿菌、放線菌等微生物的生長［3－4］。這些微生物在生長過程中產生的有用物質和分泌物，成為它們各自或相互間平衡生長的物質、能量和信息基礎，構成一個復雜而穩(wěn)定的微生態(tài)系統(tǒng)，并抑制其中有害微生物的生長。這樣的復合菌劑在生產實踐中具有廣泛的用途，如用于廢水處理、促進動植物生長、增加糧食產量并提高品質等［5－8］。這些特點使得光合細菌相關技術在種植、養(yǎng)殖和環(huán)保等諸多領域得到了良好的應用。利用復合菌劑技術實現有機廢水無害化處理，有利于現代農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

1 研究材料與方法

1.1 試驗水樣

取沈陽北部郊區(qū)某養(yǎng)雞場雞糞，用水稀釋而獲得。

1.2 光合細菌、酵母菌、乳酸菌的培養(yǎng)

實驗用光合細菌、酵母菌和乳酸菌菌種為本實驗室保存菌種，采用常規(guī)方法分別對其進行富集培養(yǎng)。

1.3 光合細菌在雞糞糞水中的最佳生長條件確定

將雞糞分別進行5、10、15和20倍的稀釋，以5%（v／v）的比例接種光合細菌菌液，在27℃，3500～5000Lux光照強度下培養(yǎng)7～10d，觀察生長情況，以確定最適雞糞濃度。為了確定細菌生長的最適p H值，將初始p H值分別調節(jié)至6.0、7.0和8.0，在同樣的條件下接種和培養(yǎng)細菌7d后測定培養(yǎng)液的OD值。在相同的條件下向最適濃度糞水（根據上一步實驗結果確定）中接種光合細菌菌液，在27℃，光照強度分別設定為3500～5000Lux、5000～7500Lux和7500～10000Lux三個區(qū)段下培養(yǎng)7d，觀察生長情況，以確定最適光照強度。分別以10%、20%、30%、40%和50%（v／v）的接種量將光合細菌液添加到同一濃度糞水中，在27℃，3500～5000Lux光照強度下培養(yǎng)2～3d，觀察生長情況，以確定最適接菌量。

1.4 酵母菌、乳酸菌在光合細菌糞水培養(yǎng)液中的最佳生長條件

將前一步光合細菌糞水培養(yǎng)液分別以30%、40%、50%、60%和70%（v／v）的比例與酵母菌培養(yǎng)液或乳酸菌培養(yǎng)液混合（調節(jié)p H值至6.0），在27℃，3500～5000Lux光照強度下培養(yǎng)5d，觀察酵母菌和乳酸菌生長情況，以確定最適的菌間接種比例。將前一步得到的光合細菌糞水培養(yǎng)液以50%的比例，分別與酵母菌或乳酸菌培養(yǎng)液混合，將初始p H值調至3.0、4.0、5.0、6.0、7.0和8.0，在27℃下培養(yǎng)5d，觀察酵母菌和乳酸菌的生長情況，以確定最適p H值。

1.5 微生物菌液分段培養(yǎng)

上述混合菌液分為光照厭氧和黑暗好氧兩個階段培養(yǎng)。光照厭氧培養(yǎng)7d后，注入好氧反應器中，在無光或光線較弱條件下，控制水力停留時間（HRT）為48h，加氧泵通氣量以水面冒出少量連續(xù)氣泡為宜。正常運行10d后對微生物種群數量進行測定。為了保證厭氧培養(yǎng)條件，采用先真空后密閉培養(yǎng)。

1.6 參數分析方法

化學需氧量（COD）的測定采用HH-6型化學耗氧量測定儀（南京科環(huán)分析儀器有限公司）；總氮（TN）的測定采用HT1500型TOC分析儀（天津匯科儀器設備有限公司）；氨態(tài)氮含量的測定采用水楊酸－次氯酸鹽光度法［9］；總碳（TC）的測定采用HT1500型TOC分析儀（天津匯科儀器設備有限公司）；p H值測定采用PHBJ-260型便攜式p H計（上海嘉鵬科技有限公司）；上述各指標測定的具體操作方法分別見各自所用儀器的產品說明書。各種菌群數量的測定采用菌液濃度梯度稀釋后平板計數法。

2 結果與分析

2.1 光合細菌生長的最適條件

不同濃度糞水對光合細菌生長影響的實驗結果表明：培養(yǎng)7d后，在5倍稀釋糞水中光合細菌生長微弱，在10～20倍稀釋糞水中生長旺盛，顏色由深紅色至鮮紅色，并有不同程度的覆壁菌苔出現。經測定，10和20倍稀釋糞水的COD值分別為9034.3mg·L－1和5755.7mg·L－1，結合前期的研究［5］及其他相關的研究報道，確定本實驗中光合細菌生長的最適COD值在7000～10000mg·L－1。以COD值為9000mg·L－1左右的稀釋糞水，初始p H值為6.0、7.0或8.0，培養(yǎng)7d后，光合細菌的生長速度差別不大，但相對而言，以初始p H值為6.0的速度略高，并且隨著培養(yǎng)時間的延長，p H值以每天0.08的速率升高，最終穩(wěn)定在7.5～8.0。因此，本實驗中光合細菌生長的最佳p H值設定為6.0。光照強度試驗結果表明，光合細菌的生長速率和覆壁菌苔的厚度隨著光照強度的提高而增加，如在光照強度7500～10000Lux下培養(yǎng)的菌液比在3500～5000Lux條件下提前24h變?yōu)樯罴t色。因此，本實驗在處理較高濃度糞水時采用陽光直射和日光燈配合使用的方法，光照強度為9000Lux左右。不同接種量試驗結果表明，選擇COD值在9000mg·L－1左右的稀釋糞水，在48h內，接種量30%、40%和50%的樣品中光合細菌均表現出良好的生長狀態(tài)，而10%和20%接種量的處理樣品中光合細菌生長較慢，因此，為提高處理效率，試驗中根據實際情況采用30%～40%的接種量。

2.2 酵母菌、乳酸菌在光合細菌糞水培養(yǎng)液中的最適生長條件

酵母菌和乳酸菌在分別含70%、60%和50%的光合細菌糞水培養(yǎng)液中均能正常生長，且酵母菌和乳酸菌接種量越大其生長越旺盛，但在含40%和30%的光合細菌糞水培養(yǎng)液中生長極弱。因此，綜合考慮，本研究確定的最大光合細菌糞水培養(yǎng)液添加量為50%。混合培養(yǎng)液中酵母菌適應的p H范圍為4.0～7.0，而乳酸菌適應的范圍為3.0～6.0，經綜合分析，本研究確定的最適p H值為6.0，在此條件下，光合細菌、乳酸菌和酵母菌的總體生長狀況良好。

2.3 復合菌液的混合培養(yǎng)

根據各菌種對污水的適應能力和初始p H值條件，最終確定復合菌液的混配方法如下。首先將畜禽糞水稀釋至對應的COD值小于10000mg·L－1，得上清液后以30%（v／v）比例接種光合細菌液，在27℃下，光照（9000Lux）厭氧培養(yǎng)7d；以此為基礎液，以50%的比例分別與乳酸菌培養(yǎng)液或酵母菌培養(yǎng)液混合，經培養(yǎng)得到乳酸菌液和酵母菌液。最后，將上述培養(yǎng)好的光合細菌液、乳酸菌液和酵母菌液按8∶1∶1的比例混合。混合液首先進行光照（9000Lux）厭氧培養(yǎng)7d，然后注入好氧反應器培養(yǎng)，水力停留時間（HRT）保持為48h，正常運行10d后獲得了理想的結果。

2.4 復合菌液處理不同階段的技術指標

表1顯示在混合菌處理的不同階段有機廢水中的有害物質降解狀況，其中尤以氨態(tài)氮降解效果最為明顯，總降解率達到90.8%，其次是COD、TN和TC。在分段培養(yǎng)開始時，光合細菌的濃度相對較低，進入第一階段后，在其它益生菌的共同作用下，將廢水中的大分子有機物逐漸降解成小分子物質，光合細菌利用這些物質開始大量繁殖，并帶動其它有益微生物生長，進而又加強了對有機廢水的降解效率。

表1 混合菌液分段培養(yǎng)對有機廢水的處理效果mg·L－1

2.5 復合菌處理過程中微生物種群數量的變化

表2表明，有機廢水中的微生物數量在不同階段變化明顯。在第一階段培養(yǎng)后，芽孢桿菌數量增加，乳酸菌、固氮菌和反硝化細菌略有減少，而大腸桿菌和沙門氏菌已經不適合在這種環(huán)境下生長。經過第二階段的培養(yǎng)，芽孢桿菌出現快速生長，乳酸菌、固氮菌和反硝化細菌的數量均出現增加，而大腸桿菌始終沒有發(fā)現明顯的菌落，但有疑似的沙門氏菌。這說明光合細菌能夠與多種益生菌共生，并抑制有害微生物的生長。

表2 不同處理階段樣品中各類細菌的數量mg·L－1

3 結 論

研究結果表明，光合細菌對有機廢水COD值的最大適應能力在10000mg·L－1以下，根據幾種有益微生物的生長特性，采用光照厭氧和弱光照好氧2個階段分別投加，對高濃度有機廢水具有較高的降解效率。同時，通過光合細菌的作用，有機廢水中的有益微生物大量繁殖，并抑制有害微生物的生長，在降解有機廢水污染的同時，又能獲得復合微生物菌液，可用于生產微生物有機菌肥。

本研究將高濃度有機廢水的特點與光合細菌、乳酸菌和酵母菌的生理特性有效地結合起來，探索一種培養(yǎng)復合微生物菌劑的新方法，在消除有機廢水污染的同時，降低了微生物菌劑的生產成本，能夠更有效地應用于農業(yè)生產中，最終實現有機廢水處理和有機肥料生產的雙重功效。本研究為復合菌劑進一步在生產中的應用提供了科學依據。隨著研究的深入，光合細菌必將在農業(yè)生產中發(fā)揮更大的作用。

［1］NAKAJIMA F，KAMIKO N，YAMAMOTO K.Organic wastewater treatment without greenhouse gas emission by photosynthetic bacteria［J］.Water Sci Technol，1997，35（8）：285-291.

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［3］龍華.水環(huán)境及其保護與生態(tài)修復［J］.湖北農學院學報，2004，24（4）：328-333.

［4］黃翔峰，李春鞠，章非娟.光合細菌的特征及其在廢水處理中的應用［J］.中國沼氣，2005，23（1）：29-35.

［5］陶思源，李娜，趙新剛.光合細菌PSB-B4的分離與培養(yǎng)條件優(yōu)化研究［J］.沈陽師范大學學報，2010，28（1）：90-93.

［6］李自剛.農業(yè)有機固體廢棄物堆肥過程中微生物多樣性與物質轉化關系研究［D］.南京：南京農業(yè)大學，2006.

［7］李遠.我國規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖業(yè)存在的環(huán)境問題與防治對策［J］.上海環(huán)境科學，2002，10（21）：597-599.

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Organic wastewater treatment by multiple species inoculants

CHEN Hongxing，CAO Cuiyan，XIE Di，TAO Siyuan，HAO Lin
（College of Chemistry and Life Sciences，Shenyang Normal University，Shenyang 110034，China）

Multiple species inoculants have been applied in organic wastewater treatment，accompanying by production of microbial organic fertilizer.This study ascertained the optimum conditions for the mixed growth of photosynthetic bacteria，lactic acid bacteria and saccharomycetes，including the highest chemical oxygen demand（COD）which can be endured by the microorganisms，and other conditions such as illumination intensity，p H value，inoculum concentration，and inoculation proportions of different species of microorganisms.Furthermore，the result showed that the numbers of beneficial microorganisms significantly increased，whereas growth of detrimental microorganisms was strongly inhibited in the organic wastewater after the treatment by multiple species inoculants.The values of COD，total nitrogen（TN），total carbon（TC），and ammonium nitrogen（NH3－N）decreased respectively by 87.1%，70.5%，53.9%，and 90.8%.These data suggested that the treatment by three species of inoculants can effectively remove harmful substances in the concentrated organic wastewater，meanwhile produce a mass of beneficial microorganisms.

photosynthetic bacteria；organic wastewater；chemical oxygen demand；multiple species inoculants；degradation

X52；S914

A

10.3969／j.issn.1673-5862.2013.02.018

1673-5862（2013）02-0218-04

2012-12-20。

國家自然科學基金資助項目（31270446）；遼寧省科技廳計劃項目（2012215018）。

陳紅星（1985-），男，河南安陽人，沈陽師范大學碩士研究生；陶思源（1969-），男，遼寧沈陽人，沈陽師范大學高級實驗師，碩士。

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