農(nóng)村污水處理復(fù)配絮凝菌的發(fā)酵條件優(yōu)化及應(yīng)用研究

梁海恬　郭銳　何宗均　吳迪

摘 要：為研究生物絮凝劑在農(nóng)村生活污水處理中的應(yīng)用技術(shù)，采用2株高效絮凝菌，復(fù)配發(fā)酵制成生物絮凝劑，獲得絮凝菌株發(fā)酵優(yōu)化條件：最佳碳源和氮源為蔗糖和尿素，碳氮比為5：1，初始pH值為6.0，28 ℃培養(yǎng)48 h后的絮凝率可達(dá)87.4%。將生物絮凝劑應(yīng)用于農(nóng)村污水處理沉淀池工段，對(duì)CODcr和BOD5去除率分別為26.9%和17.6%，對(duì)SS去除率為79.4%，出水達(dá)到國(guó)家二級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：農(nóng)村污水；微生物絮凝劑；復(fù)配；絮凝率

中圖分類號(hào)：X502 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2015.09.008

Fermentation Condition Optimization and Application of Composite Flocculating Bacterium for Rural Sewage Treatment

LIANG Hai-tian1， GUO Rui2，HE Zong-jun1， WU Di 1

（1.Tianjin Institute of Agricultural Resource and Environmental Science， Tianjin 300192，China；2. Tianjin Innovation Base of Modern Agricultural Science and Technology Management Center ， Tianjin 301700， China）

Abstract：In order to study the application of biological flocculating bacterium in rural sewage treatment， two strains of high efficient flocculating bacterium were used to make biologic flocculating agent after fermentation. Optimized fermentation condition was acquiesced after experiment， that is， preferred carbon source and nitrogen source saccharine and carbamide， carbon to nitrogen ration 5：1， initial pH value 6.0， under which the flocculating ration may reach 87.4% after 48h cultivation. With application of such biological flocculating agent into the drain tap， removal rates of CODcr and BOD5 reached 26.9% and 17.6% respectively， and SS 79.4%， enabling the sewage qualifying for National Level II discharge standard.

Key words：rural sewage；microbial flocculant；complex formulation；flocculanting rate

隨著農(nóng)村城鎮(zhèn)化速度的加快，農(nóng)村水環(huán)境的安全問(wèn)題也日益得到重視[1-3]。農(nóng)村污水處理后通常直接排放至自然水體或農(nóng)田灌溉利用，對(duì)處理水的安全性提出較高要求，但目前水處理工藝中廣泛使用的以鐵鹽和鋁鹽為代表的無(wú)機(jī)絮凝劑，在給水凈化中的安全性問(wèn)題一直受到質(zhì)疑[4-6]。人工合成的有機(jī)高分子絮凝劑，絮凝效果好，但具有單體殘留物的致突變問(wèn)題，其使用范圍也存在一定限制[7-8]。

目前農(nóng)村污水一級(jí)處理工藝中，生物絮凝強(qiáng)化技術(shù)具有安全性高、無(wú)毒無(wú)害、易降解和固液分離的特點(diǎn)，由于生物絮凝劑主要由一些微生物次生代謝產(chǎn)物構(gòu)成，具有較好的可生化性 [12-13] ，因此絮凝強(qiáng)化處理工藝能有效去除污水的污染物[9-11]。然而由于生物絮凝劑的使用量較傳統(tǒng)絮凝劑高，因此篩選出高效絮凝物質(zhì)產(chǎn)生菌株，并優(yōu)化培養(yǎng)條件以提高其絮凝劑的產(chǎn)量，對(duì)生物絮凝劑的實(shí)際應(yīng)用具有非常重要的意義[14-17]。本試驗(yàn)從污水處理廠樣品中篩選出2株具有高效絮凝特性的菌株，對(duì)其培養(yǎng)的最佳條件及絮凝特性進(jìn)行研究，并復(fù)配制成污水處理用生物絮凝劑，以期為生物絮凝劑在農(nóng)村污水中的應(yīng)用提供依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 材 料

1.1.1 菌 種 本試驗(yàn)所用菌種為實(shí)驗(yàn)室保藏菌種，分離于污水處理廠樣品，采用細(xì)菌常規(guī)分離方法結(jié)合高嶺土懸濁液法獲得2株高效絮凝菌株，初步鑒定均為芽孢桿菌屬，菌種純化后低溫保藏備用。

1.1.2 培養(yǎng)基 菌種保藏培養(yǎng)基：采用營(yíng)養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基。發(fā)酵基礎(chǔ)培養(yǎng)液（g·L-1）：K2HPO4 2，KH2PO4 2，MgSO4·7H2O 0.5，NaCl 0.5，吐溫80 2，pH值 7.0。

以上培養(yǎng)基121 ℃滅菌20 min，冷卻后待用。 所用試劑為國(guó)產(chǎn)分析純，市售。

1.2 方 法

1.2.1 保藏絮凝菌株的活化 將2株低溫保藏的絮凝菌株進(jìn)行活化，各接1環(huán)生長(zhǎng)良好的絮凝菌株斜面培養(yǎng)物至裝有150 mL培養(yǎng)基的三角瓶中，28～30 ℃搖床160 r·min-1培養(yǎng)24 h，取發(fā)酵液以空白培養(yǎng)基作為對(duì)照，在波長(zhǎng)550 nm處測(cè)定其吸光度OD值，并對(duì)其絮凝率進(jìn)行檢驗(yàn)。

1.2.2 絮凝率測(cè)定方法 采用高嶺土懸濁液法測(cè)定菌株的絮凝率。在100 mL的具塞比色管中加入95 mL濃度4 g·L-1高嶺土懸濁液，振蕩混合均勻后，用移液器分別加入生物絮凝劑2 mL，10 g·L-1的CaCl2溶液1 mL，加蒸餾水定容至100 mL。上下翻轉(zhuǎn)15次后靜置5 min，在721型分光光度計(jì)550 nm處測(cè)定上清液的吸光度，以未加生物絮凝劑的處理作為空白對(duì)照，通過(guò)吸光度的變化計(jì)算絮凝率（μ）。絮凝率的計(jì)算公式如下：

μ=[（A-B）/A]×100%

式中，A表示空白對(duì)照在550 nm處的吸光度OD550，B表示各處理在550 nm處的吸光度OD550，μ表示加入生物絮凝劑后懸浮物的去除率。

1.2.3 絮凝菌株培養(yǎng)基碳源和氮源種類的優(yōu)化 試驗(yàn)以基礎(chǔ)培養(yǎng)液為基礎(chǔ)，分別采用葡萄糖、蔗糖、乳糖、甘露醇、可溶性淀粉作為唯一碳源進(jìn)行試驗(yàn)，并在其基礎(chǔ)上以大豆蛋白胨、牛肉膏、酵母膏、尿素、（NH4）SO4作為唯一氮源進(jìn)行試驗(yàn)，考察不同碳氮源對(duì)發(fā)酵液絮凝率的影響，采用1.2.2的方法測(cè)定絮凝率。

1.2.4 發(fā)酵培養(yǎng)基不同碳氮比和初始pH值對(duì)絮凝活性的影響 培養(yǎng)基碳源和氮源的比例和初始pH值是微生物生長(zhǎng)的重要影響因子，適合的碳氮比有利于促進(jìn)微生物的快速繁殖，適合的初始pH值有利于絮凝活性物質(zhì)的形成。以基礎(chǔ)培養(yǎng)液為基礎(chǔ)，采用蔗糖和尿素作為發(fā)酵培養(yǎng)基的唯一碳源和氮源，用均勻?qū)嶒?yàn)設(shè)計(jì)對(duì)培養(yǎng)基的碳氮比進(jìn)行研究，碳氮比例選擇為2∶1至10∶1梯度范圍，初始pH值選擇為4～8范圍。

1.2.5 絮凝菌株對(duì)農(nóng)村污水中污染物指標(biāo)的去除效果研究 為了研究復(fù)合生物絮凝劑對(duì)農(nóng)村生活污水的處理效果，將2株復(fù)合絮凝菌采用優(yōu)化培養(yǎng)基進(jìn)行發(fā)酵，獲得的發(fā)酵液在4 000 r·min-1下離心30 min，上清液作為生物絮凝劑粗品，低溫避光保藏。將生物絮凝劑加入小型農(nóng)村污水處理站沉淀池工藝段，檢測(cè)進(jìn)水出水水質(zhì)指標(biāo)變化。

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)、圖表采用Excel 2007、OriginPro8.0軟件進(jìn)行處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 添加不同碳源、氮源的發(fā)酵培養(yǎng)基對(duì)絮凝菌絮凝活性的影響

如圖1所示，選取大豆蛋白胨為唯一氮源，分別添加葡萄糖、蔗糖、乳糖、甘露醇、可溶性淀粉作為碳源的培養(yǎng)基，平均絮凝率分別為79.8%，67.8%，61.0%，53.8%，65.4%，本組試驗(yàn)結(jié)果表明，葡萄糖和大豆蛋白胨作為碳源和氮源添加對(duì)菌體絮凝有利，絮凝率為79.8%。

選取牛肉膏為唯一氮源，分別添加葡萄糖、蔗糖、乳糖、甘露醇、可溶性淀粉作為碳源的培養(yǎng)基，平均絮凝率分別為80.2%，77.6%，51.2%，63.6%，63.4%。本組試驗(yàn)結(jié)果表明，葡萄糖和牛肉膏作為碳源和氮源添加對(duì)菌體絮凝有利，絮凝率為80.2%。

選取酵母膏為唯一氮源，分別添加葡萄糖、蔗糖、乳糖、甘露醇、可溶性淀粉作為碳源的培養(yǎng)基，平均絮凝率分別為87.8%，76.0%，61%，49.8%，82.6%，本組試驗(yàn)結(jié)果表明，葡萄糖和酵母膏作為碳源和氮源添加對(duì)菌體絮凝有利，絮凝率為87.8%。

選取尿素為唯一氮源，分別添加葡萄糖、蔗糖、乳糖、甘露醇、可溶性淀粉作為碳源的培養(yǎng)基，平均絮凝率分別為82.0%，88.2%，73.6%，75.8%，84.8%，本組試驗(yàn)結(jié)果表明，蔗糖和尿素作為碳源和氮源添加對(duì)菌體絮凝有利，絮凝率為88.2%。

選取硫酸銨為唯一氮源，分別添加葡萄糖、蔗糖、乳糖、甘露醇、可溶性淀粉作為碳源的培養(yǎng)基，平均絮凝率分別為82.8%，80.2%，82.4%，78.4%，83.2%，本組試驗(yàn)結(jié)果表明，以硫酸銨作為唯一碳源，添加不同碳源，絮凝率整體表現(xiàn)較好。

試驗(yàn)結(jié)果表明，絮凝菌對(duì)不同碳源、氮源利用存在差異，葡萄糖和蔗糖作為碳源表現(xiàn)較好，牛肉膏、酵母膏、尿素和硫酸銨作為氮源的表現(xiàn)較好。其中葡萄糖和酵母膏組合、蔗糖和尿素組合作為唯一碳源和氮源添加，絮凝率分別為87.8%和88.2%，表現(xiàn)最佳，結(jié)合發(fā)酵成本考慮，采用蔗糖和尿素作為發(fā)酵培養(yǎng)基的碳源和氮源。

2.2 發(fā)酵培養(yǎng)基碳氮比變化對(duì)絮凝率的影響

如圖2所示，采用蔗糖和尿素作為發(fā)酵培養(yǎng)基的碳源和氮源，比例設(shè)為2∶1至10∶1的范圍，碳氮比例在2∶1至10∶1的比例下，絮凝率平均值分別為75.3%，80.2%，88.2%，89.1%，82.1%，75.7%，73.7%， 69.1%，69.3%。結(jié)果表明，碳氮比例在3∶1至6∶1范圍內(nèi)，絮凝率均在80%以上，對(duì)絮凝菌的生長(zhǎng)較為適宜。當(dāng)碳氮比例低于3∶1或高于6∶1時(shí)，絮凝率均有所下降，碳氮比例在5∶1時(shí)，絮凝率表現(xiàn)為最佳，為89.1%。

2.3 發(fā)酵培養(yǎng)基初始pH值對(duì)對(duì)絮凝活性的影響

絮凝微生物在產(chǎn)出絮凝物質(zhì)的過(guò)程中，存在最適pH值和一定范圍的適宜pH值，發(fā)酵培養(yǎng)基的pH值過(guò)高或過(guò)低均可能不利于絮凝物質(zhì)的產(chǎn)生，在培養(yǎng)過(guò)程中pH值是動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，并且最適合絮凝菌生長(zhǎng)的pH值可能與其絮凝物質(zhì)活性最高的pH值略有差異。本組試驗(yàn)將培養(yǎng)基初始pH值設(shè)為4，4.5，5，5.5，6，6.5，7，7.5，8，共9個(gè)處理，將復(fù)配絮凝菌株接種至不同處理的250 mL培養(yǎng)基中，28 ℃恒溫振蕩培養(yǎng)48 h，測(cè)定絮凝率，結(jié)果如圖3所示，

本組試驗(yàn)結(jié)果表明，培養(yǎng)基初始pH值設(shè)為4，4.5，5，5.5，6，6.5，7，7.5，8處理，其絮凝率平均值分別為69.3%，71.7%，79.2%，83.7%，87.4%，85.9%，79.1%，78.9%，75.7%。當(dāng)發(fā)酵液的初始pH值在5.5～6.5之間，絮凝率表現(xiàn)較佳，當(dāng)初始pH值超過(guò)6.0時(shí)，隨著pH值的增高絮凝率不再增加，甚至有下降的趨勢(shì)，所以初始pH值的適宜值為6.0，pH值過(guò)高或過(guò)低均對(duì)絮凝不利。

2.4 復(fù)合生物絮凝劑對(duì)農(nóng)村生活污水中CODcr、BOD5和SS的去除效果研究

農(nóng)村生活污水與市政污水污染物有所區(qū)別，本研究對(duì)天津部分農(nóng)村地區(qū)生活污水水質(zhì)情況進(jìn)行取樣調(diào)查。采集天津農(nóng)村地區(qū)小型污水處理站沉淀池工藝段污水，進(jìn)水指標(biāo)為CODcr為121.2 mg·L-1，BOD5為24.5 mg·L-1，SS為53.4 mg·L-1。生物絮凝劑的投加量為2%，助凝劑投加量為1%，經(jīng)曝氣處理后48 h測(cè)定出水指標(biāo)，CODcr為88.6 mg·L-1，BOD5為20.2 mg·L-1，SS為11.0 mg·L-1，去除率分別為26.9%，17.6%，79.4%，出水達(dá)到國(guó)家二級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)（表1，表2）。

3 結(jié)論與討論

3.1 生物絮凝劑培養(yǎng)條件優(yōu)化

生物絮凝劑是污水處理生物絮凝技術(shù)的核心，本研究對(duì)實(shí)驗(yàn)室保藏的2株絮凝菌株進(jìn)行培養(yǎng)條件優(yōu)化，進(jìn)一步研究并確定了優(yōu)化培養(yǎng)條件，結(jié)果表明，發(fā)酵培養(yǎng)基分別以葡萄糖和酵母膏、蔗糖和尿素作為唯一碳源和氮源對(duì)絮凝率均有較好表現(xiàn)，但從發(fā)酵成本考慮，采用價(jià)格低廉的蔗糖和尿素作為優(yōu)化培養(yǎng)基的碳源和氮源，其最佳碳氮比為5∶1，初始pH值為6.0，培養(yǎng)48 h后的絮凝率可達(dá)87.4%。

3.2 復(fù)合生物絮凝劑對(duì)農(nóng)村生活污水處理效果

生物絮凝劑是一類由微生物產(chǎn)生的，可使污水中不易降解的固體懸浮顆粒凝聚、沉淀的特殊高分子代謝產(chǎn)物，如糖蛋白、黏多糖、蛋白質(zhì)、纖維素和DNA等，這些物質(zhì)都具有很好的可生化性。本研究利用復(fù)配發(fā)酵的生物絮凝劑處理農(nóng)村生活污水，對(duì)沉淀池工段污染物具有良好的去除效果，對(duì)SS去除率為79.4%，出水達(dá)到國(guó)家二級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)。顯示其作為一種安全環(huán)保的生物絮凝劑，在農(nóng)村生物污水處理中具有良好的應(yīng)用效果。

3.3 生物絮凝技術(shù)在農(nóng)村生活污水處理中的應(yīng)用前景

農(nóng)村生活污水不同于市政生活污水，具有面廣、分散、水質(zhì)變化系數(shù)大等特點(diǎn)，污水組成是低碳、高氮磷型，為低碳氮比污水，通常采用分散式污水處理工藝，處理后的污水直接排放至自然水體或進(jìn)行農(nóng)田灌溉利用，因此對(duì)水處理劑的安全性具有更高要求。在各種污水處理工藝中，沉淀池工段污泥與水的干濕分離通常使用化學(xué)絮凝技術(shù)，如聚丙烯酰胺、聚合氯化鋁，但化學(xué)絮凝劑對(duì)環(huán)境可能造成二次污染，這也是一個(gè)需要引起重視的問(wèn)題。生物絮凝是環(huán)境友好型絮凝技術(shù)，適合低負(fù)荷的農(nóng)村污水絮凝處理，對(duì)環(huán)境不產(chǎn)生二次污染。絮凝微生物在污泥與水的分離過(guò)程中起到一定的加速絮凝的作用，同時(shí)又具有安全無(wú)二次污染的特點(diǎn)，對(duì)低污染物濃度的農(nóng)村生活污水具有較好的絮凝作用，應(yīng)用前景較好，同時(shí)也有利于目前天津市開展的“美麗天津 一號(hào)工程”中的污水治理。

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