好氧-厭氧耦合法處理奶牛場污水工藝分析

李一帆 宮江平 高雁 曾軍 霍向東 李鳳鳴 劉建成

doi：10.6048/j.issn.1001-4330.2024.03.023

摘? 要：【目的】篩選降解奶牛場糞污水的微生物，為奶牛場糞污處理提供科學依據。

【方法】選擇可用于降解污水的微生物菌株，測定微生物處理奶牛場糞污水后的化學需氧量（COD）、生物需氧量（BOD5）、總磷（TP）和pH的數值。

【結果】從具有降解污水功能的微生物中，篩選出降解效果較好的3株好氧微生物，分別為枯草芽孢桿菌、巨大芽孢桿菌、膠質芽孢桿菌；3株厭氧微生物，分別為沼澤紅假單胞菌、熒光假單胞菌、沙雷氏菌；將6種好氧-厭氧菌耦合處理降解奶牛場糞污水，其降解效率均有不同程度的提升，好氧-厭氧耦合法處理奶牛場糞污水的工藝參數為菌種接種量5%、曝氣量0.05 m3/h（每隔10 h曝氣2 h）、溫度30℃、處理時間96 h。

【結論】奶牛場污水中COD去除率為91.38%、BOD5去除率為96.82%、TP去除率為82.6%，出水pH值為 7.2～7.6，符合國家農田灌溉水標準。

關鍵詞：好氧菌；厭氧菌；污水；耦合機制；化學需氧量；生物需氧量

中圖分類號：Q939.9??? 文獻標志碼：A??? 文章編號：1001-4330（2024）03-0727-07

收稿日期（Received）：

2023-07-08

基金項目：

新疆維吾爾自治區重大科技專項（2020A01001-2）；克拉瑪依技術創新引導計劃項目（20232023cgzh0013）；新疆農業大學大學生創新項目（dxscx2021097）；農業科技創新穩定支持項目（xjnkywdzc-2023005-6）

作者簡介：

李一帆（2000-），男，河南博愛人，研究方向為動物營養，（E-mail）li13999263649@163.com

通訊作者：

劉建成（1982-），男，甘肅武威人，副教授，研究方向為養殖糞污處理及其資源化利用，（E-mail）70964390@qq.com

高雁（1979-），女，江蘇江陰人，研究員，博士，研究方向為資源與應用微生物學，（E-mail）47795411@qq.com

0? 引 言

【研究意義】養殖業是農業重要組成部分之一［1］。隨著大型畜禽養殖場的增多，畜禽糞污危害問題日趨加重［2］。養殖生產過程中所產生的糞便、污水、惡臭氣體和廢棄物等污染物，對水源、空氣、土壤等生態系統的諸多環節造成污染［3-5］。因此當前奶牛場污水則均進行無害化處理以降低污水中有害物質含量［6-8］。如何以較低的污水處理成本，又使處理后的污水達到國家農業灌溉水的標準，是規模化奶牛場發展過程中亟待解決的問題［9-11］。對于奶牛場污水的處理方式主要有集中堆肥發酵、土壤滲透等自然處理技術以及好氧生物處理、厭氧生物處理的生化處理方法。微生物處理污水具有應用范圍廣、使用安全、無毒害殘留等優點，因此優化活性微生物混合菌劑的培養條件并應用于污水處理受到關注。【前人研究進展】EM菌劑，主要由光合菌群、放線菌群、酵母菌群和乳酸菌群等10個屬80多種功能微生物以適當比例混合培養發酵制成，由于其高效性、安全性和經濟性等獨特的優勢，已廣泛應用于種植業、養殖業及環境治理等領域［12，13］。以Byond混合菌劑作為液態發酵菌劑研究其對養殖廢水的處理能力，Byond混合菌劑由芽孢桿菌、乳酸菌、酵母菌等多種微生物菌群組成，其對養殖廢水后COD、氨氮、TP的去除率分別達到56.87%、45.82%、75.66%［14，15］。孫碧玉等［16］從豬場發酵床中分離出10株芽孢桿菌，并篩選出凈化污水能力最強的一株鑒定為蠟狀芽孢桿菌，其能使豬場糞污水中COD和氨氮分別降低47.1%和54.4%。郭照輝［17］篩選分離到芽孢桿菌、放線菌、光合細菌和酵母菌，構建菌群處理豬場廢水，COD去除率可達89.8%，氨氮去除率達到83.6%。【本研究切入點】前人對畜禽養殖場糞污水研究主要集中在豬場和雞場文獻報道較多，需從已報道的處理糞污水的微生物菌劑中篩選具有較好降解奶牛場糞污水的功能菌株，比較單菌和好氧-厭氧耦合對奶牛場糞污水的降解效果，確定適宜新疆奶牛場糞污水降解的微生物處理工藝。【擬解決的關鍵問題】研究適宜于降解新疆奶牛場糞污水的微生物菌株及處理方式，測定奶牛場糞污水處理前后COD、BOD5、TP和pH的數值，使糞污水達到農田灌溉排放標準，為新疆規模化奶牛場糞污資源化利用技術奠定基礎。

1? 材料與方法

1.1? 材 料

糞污水采集于新疆某奶牛場水沖糞處理后的污水。

1.2? 方 法

1.2.1? 奶牛場糞污水污染指標含量測定

每天采集奶牛場水沖糞后的新鮮污水，連續采集5 d，用于測定初始糞污水的COD、BOD5、pH和TP含量。

1.2.2? 菌種篩選

1.2.2.1? 好氧菌

以采集的糞污水作為微生物生長營養液，按照5%接種量分別接種已經培養至對數生長期的好氧微生物菌液：枯草芽孢桿菌、巨大芽孢桿菌、膠質芽孢桿菌、地衣芽孢桿菌、解淀粉芽孢桿菌，放置30℃恒溫培養箱中，0.05 m3/h連續曝氣處理7 d，測定7d后糞污水樣品中的COD、BOD5、pH和TP指標，篩選出可有效降解奶牛場糞污水的好氧菌株。

1.2.2.2? 厭氧菌

以采集的糞污水作為微生物生長的營養液，按照5%的接種量分別接種已經培養至對數生長期的厭氧微生物菌液：嗜熱鏈球菌、植物乳桿菌、糞腸球菌、沙雷氏菌、沼澤紅假單胞菌、熒光假單胞菌、產酸克雷伯氏菌，放置30℃恒溫培養箱中，厭氧條件下靜置處理7 d，測定7d后糞污水樣品中的COD、BOD5、pH和TP指標，篩選出可有效降解奶牛場糞污水的厭氧菌株。

1.2.2.3? 好氧-厭氧耦合處理組合

以采集的糞污水作為微生物生長的營養液，按照5%的接種量分別接種已經培養至對數生長期的好氧-厭氧微生物組合菌劑，放置30℃恒溫培養箱中，每隔10 h曝氣2 h，曝氣量為0.05 m3/h，處理7 d后測定糞污水樣品中COD、BOD5、pH和TP指標，篩選出可有效降解奶牛場糞污水的好氧-厭氧耦合處理菌株。

1.2.3? 好氧-厭氧菌耦合處理糞污水影響因素

1.2.3.1? 曝氣量

以采集的糞污水作為微生物生長的營養液，按照5%的接種量分別接種已經培養至對數生長期的好氧-厭氧微生物組合菌劑，放置30℃恒溫培養箱中，每隔10 h 曝氣2 h，曝氣量分別為0.01、0.03、0.05、0.07、0.10 m3/h爆氣量，處理7 d后測定糞污水樣品中COD、BOD5、pH和TP指標，篩選處理糞污水效果最好的好氧-厭氧菌耦合處理的曝氣量。

1.2.3.2? 溫度

以采集的糞污水作為微生物生長的營養液，按照5%的接種量分別接種已經培養至對數生長期的好氧-厭氧微生物組合菌劑，控制曝氣量為0.05 m3/h，每隔10 h曝氣2 h，分別放置15、20、25、30℃恒溫培養箱中，處理7 d后測定糞污水樣品中COD、BOD5、pH和TP指標，篩選處理糞污水效果最適宜的溫度。

1.2.3.3? 時間

以采集的糞污水作為微生物生長的營養液，按照5%的接種量分別接種已經培養至對數生長期的好氧-厭氧微生物組合菌劑，放置30℃恒溫培養箱中，控制曝氣量為0.05 m3/h，每隔10 h曝氣2 h，每天測定糞污水樣品中COD、BOD5、pH和TP指標，連續測定7 d，分析不同時間好氧-厭氧菌耦合處理糞污水的效果。

1.2.4? 測定指標

使用雷磁pH計測定pH；選用重鉻酸鹽法測定化學需氧量（COD）［18］；采用稀釋與接種法測定生物需氧量（BOD5）［19］；采用分光光度法測定

污水中總磷（TP）［20］。

1.3? 數據處理

使用Excel 2007進行數據統計分析，采用SPSS 21.0進行方差分析，獨立樣本T檢驗。

2? 結果與分析

2.1? 奶牛場糞污水各項指標含量

研究表明，水沖糞處理后糞污水pH中性，初始COD 濃度1 812 mg/L，BOD5 濃度1 075 mg/L，TP 濃度3.8 mg/L，牛場糞污水污染物濃度較高。

2.2? 不同好氧微生物處理對奶牛場糞污水降解效果的影響

研究表明，5種好氧微生物對糞污水降解均有很好的效果，COD、BOD5和TP的濃度均有顯著的下降，其中枯草芽孢桿菌對奶牛場糞污水的降解效果最好，各指標含量依次為COD 169 mg/L、BOD5 52.9 mg/L、TP 1.22 mg/L，降解能力排序依次為巨大芽孢桿菌、膠質芽孢桿菌、地衣芽孢桿菌和解淀粉芽孢桿菌。5種好氧微生物處理奶牛場糞污水后，pH 值中性。表1

2.3? 不同厭氧微生物處理對奶牛場糞污水降解效果的影響

研究表明，7種厭氧微生物對糞污水降解均有很好的效果，COD、BOD5和TP的濃度均有顯著的下降，其中沼澤紅假單胞菌對奶牛場糞污水的降解效果最好，各指標含量依次為COD 168 mg/L，BOD5 48 mg/L，TP 0.65 mg/L，降解能力排序依次為熒光假單胞菌、沙雷氏菌、產酸克雷伯氏菌、糞腸球菌、植物乳桿菌、嗜熱鏈球菌。pH值偏酸性。植物乳桿菌和嗜熱鏈球菌處理糞污水后，COD分別為 476 mg/L和538 mg/L，未達到國家標準規定排放的要求。表2

2.4? 好氧-厭氧微生物耦合處理奶牛場糞污水降解效果的影響

研究表明，選取好氧菌和厭氧菌中降解效果最好的前3種菌株進行耦合，30℃，每隔10 h曝氣2 h，曝氣量為0.05 m3/h，處理7 d后，檢測COD、BOD5、pH和TP的濃度，與好氧菌降解效果最好的枯草芽孢桿菌和厭氧菌降解效果最好的沼澤紅假單胞菌的降解污水的指標進行對比，好氧-厭氧耦合處理奶牛場糞污水的效果要優于單獨處理效果，處理后奶牛場糞污水中各指標含量分別為COD 162 mg/L、BOD5 42 mg/L、TP 0.64 mg/L、pH 7.22。表3

2.5? 好氧-厭氧耦合處理糞污水影響因素

2.5.1? 不同曝氣量對好氧-厭氧耦合處理奶牛場糞污水效果的影響

研究表明，隨著曝氣量的逐漸增加，好氧-厭氧耦合微生物降解糞污水的效率呈現先升高后下降的趨勢。其中，當曝氣量為0.05 m3/h時，每隔10 h 曝氣2 h，COD、BOD5的濃度最低，pH值均保持中性，且處理后各項指標濃度均優于好氧菌和厭氧菌單獨處理的效果。表4

2.5.2? 不同溫度對好氧-厭氧耦合處理奶牛場糞污水效果的影響

研究表明，溫度較低不適宜微生物生長，降解效果不理想，隨著溫度的逐漸增加，降解效果也逐漸增強，以30℃降解效果最好，其各指標濃度分別達到COD 158 mg/L、BOD5 48 mg/L、TP 0.66 mg/L、pH為7.20。表5

2.5.3? 不同時間下好氧-厭氧耦合處理奶牛場糞污水的效果

研究表明，隨著處理時間的延長，污水降解效果越好，在前4 d，污水各項指標均呈直線式下降的趨勢，第4 d，奶牛場糞污水指標濃度分別為COD 150 mg/L、BOD5 32 mg/L、TP 0.61 mg/L、pH 7.1 。圖1

3? 討 論

國內外研究較多的可用于處理畜禽糞污水的微生物主要涉及光合細菌、硝化細菌、反硝化細菌、芽孢桿菌和酵母菌等。沼澤紅假單胞菌屬于光合細菌，這類菌可以在厭氧光照或好氧黑暗條件下高效降解水體中的高濃度有機物。芽孢桿菌是一類好氧、能形成芽孢的桿菌或球菌，其環境適應性強，生長繁殖迅速，且降解和轉化有機物能力強，可直接降解硝酸鹽和亞硝酸鹽類污染物，減少和消除水體中的氨氮、硫化氫等污染物，平衡水體中的氮磷比。研究選擇的微生物菌株也驗證了沼澤紅假單胞菌和枯草芽孢桿菌具有較好的降解奶牛場糞污水的能力［21-23］，由于既有厭氧菌又有好氧菌，所以糞污水降解工藝選擇好氧-厭氧耦合的處理條件，其對COD有較好的去除效果，與扶詠梅［24］的研究結果相一致。侯樹宇等［25］研究用以芽孢桿菌和乳酸菌為主體菌，復配放線菌組成復合微生物菌劑用于修復蝦養殖水體，菌劑投加6 d后水體中CODCr和NO2-N的去除率分別為84.7%和81.5%，長期監測水質均優于對照池，并且具有增強蝦體防病的功能。單一微生物幾乎不能降解糞污水，需要多種功能的微生物組合構成復合菌群共同發揮降解功能，將有機物降解為簡單的化合物。微生物繁殖快，適應性強，可持續性降解水體中氨氮污染物，不僅無二次污染，而且降解糞污水后還會形成很好的肥料化產品，用于農業種植。

4? 結 論

選用市場上常用的處理糞污水的微生物菌劑，好氧微生物5種，厭氧微生物7種，獲得12種微生物降解糞污水可用于有益微生物中，好氧菌株：枯草芽孢桿菌、巨大芽孢桿菌、膠質芽孢桿菌三者對奶牛場糞污水處理效率相對較高；在厭氧菌株中，沼澤紅假單胞菌、熒光假單胞菌、沙雷氏菌三者對奶牛場糞污水處理效率相對較高。篩選出的菌株進行好氧-厭氧的耦合，均在不同程度上提升了奶牛場污水的降解。好氧-厭氧耦合處理奶牛場糞污水的工藝參數為枯草芽孢桿菌+巨大芽孢桿菌+膠質芽孢桿菌+沼澤紅假單胞菌+熒光假單胞菌+沙雷氏菌，5%接種量，每隔10 h曝氣2h，控制曝氣量為0.05 m3/h，30℃，處理96 h后，糞污水中各項指標依次為COD 150 mg/L、BOD5 32 mg/L、TP 0.61 mg/L、pH 7.1，較最初污水濃度指標COD下降了12倍，BOD5下降了34倍，TP 下降了6倍。

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Study on the process of aerobic - anaerobic coupling for dairy farm sewage

LI Yifan1，GONG Jiangping2，GAO Yan3，Zeng Jun3，HUO Xiangdong3，LI Fengming1，LIU Jiancheng1

（1.College of Animal Sciences， Xinjiang Agricultural University，Urumqi 830011， China; 2.Karamay Ruili Kangyuan Landscape works Limited liability company，Karamay Xinjiang 834000，China；3.Institute of Microbiology Application，Xinjiang Academy of Agricultural Sciences/Xinjiang Special Environmental Microbiology Laboratory，Urumqi 830091， China）

Abstract：【Objective】 To screen the microorganism that degrades the dariy manure sewage in the hope of providing the scientific basis for the dairy manure treatment.

【Methods】 The microbial strains that were reported using to degrade sewage and determine the values of COD（chemical oxygen demand），BOD5 （biological oxygen demang 5 days），TP（total phosphorus）and pH after processing the dairy farm sewage by microorganisms were selected.

【Results】?? Three strains of aerobic bacteria were screened from the reported beneficial microorganisms that could be used for the treatment of dairy farm sewage，which were Bacillus subtilis，Bacillus megaterium and Bacillus mucilaginous；There were 3 strains of anaerobes，including Rhodopseudomonas palustris，Pseudomonas fluorescens and Seratia marcescens.The best technological conditions for the treatment of dairy farm sewage by the aerobic - anaerobic coupling method were established：5% inoculum，0.05 m3/h aeration（2 h aeration every 10 h），30℃ and 96 h treatment time.

【Conclusion】 The removal rate of COD， BOD5 and TP in the dairy farm sewage is 91.38%，96.82% and 82.6%， respectively，and the effluent pH is 7.2-7.6，which conforms to the national standard for farmland irrigation water.

Key words：aerobic bacteria; anaerobic bacteria; sewage; coupling mechanism; COD；BOD5

Fund projects：Major S & T Project of Xinjiang Uygur Region（2020A01001-2）;Karamay Technology Innovation Pilot Program（20232023cgzh0013）;Xinjiang Agricultural University College Student Innovation Project （dxscx2021097）;Project of Fund for Stable Support to Agricultural Sci-Tech Renovation（xjnkywdzc-2023005-6）

Correspondence author： LIU Jiancheng （1982 -），male， from Wuwei， Gansu， associate professor， research direction：Treatment and resource utilization of livestock manure，（E-mail）70964390@qq.com

GAO Yan（1979-），female，from Jiangyin， Jiangsu， researcher，research field：Resources and Applied Microbiology，（E-mail）47795411@qq.com.