陳紅星，曹翠巖，謝 迪，陶思源，郝 林

（沈陽師范大學(xué)化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院，沈陽 110034）

復(fù)合菌制劑對有機(jī)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(xué)化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院，沈陽 110034）

利用復(fù)合菌劑處理有機(jī)廢水既可提高有機(jī)物的降解效率，又可獲得生物有機(jī)肥料。研究明確了光合細(xì)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(zhì)中最大化學(xué)需氧量（COD）不高于10000mg·L－1以及其它條件，如光照強(qiáng)度、p H值、菌種接種量、菌種的混合比例等。經(jīng)過混合菌劑處理后，有機(jī)廢水中的有益微生物數(shù)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(dá)到87.1%、70.5%、53.9%和90.8%。這些結(jié)果顯示，3種菌混合處理可有效降解高濃度有機(jī)廢水中的有害物質(zhì)，同時(shí)獲得高濃度的有益菌群。

光合細(xì)菌；有機(jī)廢水；化學(xué)需氧量；復(fù)合微生物菌劑；降解

0 引 言

光合細(xì)菌（Photosynthetic Bacteria，簡稱PSB）是指在厭氧條件下進(jìn)行不放氧光合作用的原核微生物總稱，對高濃度的有機(jī)廢水具有較強(qiáng)的耐受能力，特別是紅螺菌科的光合細(xì)菌能夠在黑暗好氧和光照厭氧條件下利用廢水中有機(jī)物作為碳源和供氫體維持正常的生命活動(dòng)，并對有機(jī)廢水具有很強(qiáng)的降解能力［1－2］。此外，光合細(xì)菌能夠與許多有益微生物共生，當(dāng)光合細(xì)菌成為主導(dǎo)菌群時(shí)能夠促進(jìn)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(chǎn)生的有用物質(zhì)和分泌物，成為它們各自或相互間平衡生長的物質(zhì)、能量和信息基礎(chǔ)，構(gòu)成一個(gè)復(fù)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(fù)合菌劑在生產(chǎn)實(shí)踐中具有廣泛的用途，如用于廢水處理、促進(jìn)動(dòng)植物生長、增加糧食產(chǎn)量并提高品質(zhì)等［5－8］。這些特點(diǎn)使得光合細(xì)菌相關(guān)技術(shù)在種植、養(yǎng)殖和環(huán)保等諸多領(lǐng)域得到了良好的應(yīng)用。利用復(fù)合菌劑技術(shù)實(shí)現(xiàn)有機(jī)廢水無害化處理，有利于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

1 研究材料與方法

1.1 試驗(yàn)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(xì)菌、酵母菌、乳酸菌的培養(yǎng)

實(shí)驗(yàn)用光合細(xì)菌、酵母菌和乳酸菌菌種為本實(shí)驗(yàn)室保存菌種，采用常規(guī)方法分別對其進(jìn)行富集培養(yǎng)。

1.3 光合細(xì)菌在雞糞糞水中的最佳生長條件確定

將雞糞分別進(jìn)行5、10、15和20倍的稀釋，以5%（v／v）的比例接種光合細(xì)菌菌液，在27℃，3500～5000Lux光照強(qiáng)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(xì)菌生長的最適p H值，將初始p H值分別調(diào)節(jié)至6.0、7.0和8.0，在同樣的條件下接種和培養(yǎng)細(xì)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(jù)上一步實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定）中接種光合細(xì)菌菌液，在27℃，光照強(qiáng)度分別設(shè)定為3500～5000Lux、5000～7500Lux和7500～10000Lux三個(gè)區(qū)段下培養(yǎng)7d，觀察生長情況，以確定最適光照強(qiáng)度。分別以10%、20%、30%、40%和50%（v／v）的接種量將光合細(xì)菌液添加到同一濃度糞水中，在27℃，3500～5000Lux光照強(qiáng)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(xì)菌糞水培養(yǎng)液中的最佳生長條件

將前一步光合細(xì)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(diào)節(jié)p H值至6.0），在27℃，3500～5000Lux光照強(qiáng)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(xì)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(diào)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(gè)階段培養(yǎng)。光照厭氧培養(yǎng)7d后，注入好氧反應(yīng)器中，在無光或光線較弱條件下，控制水力停留時(shí)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(yùn)行10d后對微生物種群數(shù)量進(jìn)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(shù)分析方法

化學(xué)需氧量（COD）的測定采用HH-6型化學(xué)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(shè)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(shè)備有限公司）；p H值測定采用PHBJ-260型便攜式p H計(jì)（上海嘉鵬科技有限公司）；上述各指標(biāo)測定的具體操作方法分別見各自所用儀器的產(chǎn)品說明書。各種菌群數(shù)量的測定采用菌液濃度梯度稀釋后平板計(jì)數(shù)法。

2 結(jié)果與分析

2.1 光合細(xì)菌生長的最適條件

不同濃度糞水對光合細(xì)菌生長影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：培養(yǎng)7d后，在5倍稀釋糞水中光合細(xì)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(xiàn)。經(jīng)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(jié)合前期的研究［5］及其他相關(guān)的研究報(bào)道，確定本實(shí)驗(yàn)中光合細(xì)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(xì)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(shí)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(shí)驗(yàn)中光合細(xì)菌生長的最佳p H值設(shè)定為6.0。光照強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果表明，光合細(xì)菌的生長速率和覆壁菌苔的厚度隨著光照強(qiáng)度的提高而增加，如在光照強(qiáng)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(shí)驗(yàn)在處理較高濃度糞水時(shí)采用陽光直射和日光燈配合使用的方法，光照強(qiáng)度為9000Lux左右。不同接種量試驗(yàn)結(jié)果表明，選擇COD值在9000mg·L－1左右的稀釋糞水，在48h內(nèi)，接種量30%、40%和50%的樣品中光合細(xì)菌均表現(xiàn)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(xì)菌生長較慢，因此，為提高處理效率，試驗(yàn)中根據(jù)實(shí)際情況采用30%～40%的接種量。

2.2 酵母菌、乳酸菌在光合細(xì)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(xì)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(xì)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(xì)菌糞水培養(yǎng)液添加量為50%?；旌吓囵B(yǎng)液中酵母菌適應(yīng)的p H范圍為4.0～7.0，而乳酸菌適應(yīng)的范圍為3.0～6.0，經(jīng)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(xì)菌、乳酸菌和酵母菌的總體生長狀況良好。

2.3 復(fù)合菌液的混合培養(yǎng)

根據(jù)各菌種對污水的適應(yīng)能力和初始p H值條件，最終確定復(fù)合菌液的混配方法如下。首先將畜禽糞水稀釋至對應(yīng)的COD值小于10000mg·L－1，得上清液后以30%（v／v）比例接種光合細(xì)菌液，在27℃下，光照（9000Lux）厭氧培養(yǎng)7d；以此為基礎(chǔ)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(jīng)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(xì)菌液、乳酸菌液和酵母菌液按8∶1∶1的比例混合?；旌弦菏紫冗M(jìn)行光照（9000Lux）厭氧培養(yǎng)7d，然后注入好氧反應(yīng)器培養(yǎng)，水力停留時(shí)間（HRT）保持為48h，正常運(yùn)行10d后獲得了理想的結(jié)果。

2.4 復(fù)合菌液處理不同階段的技術(shù)指標(biāo)

表1顯示在混合菌處理的不同階段有機(jī)廢水中的有害物質(zhì)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(dá)到90.8%，其次是COD、TN和TC。在分段培養(yǎng)開始時(shí)，光合細(xì)菌的濃度相對較低，進(jìn)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(jī)物逐漸降解成小分子物質(zhì)，光合細(xì)菌利用這些物質(zhì)開始大量繁殖，并帶動(dòng)其它有益微生物生長，進(jìn)而又加強(qiáng)了對有機(jī)廢水的降解效率。

表1 混合菌液分段培養(yǎng)對有機(jī)廢水的處理效果mg·L－1

2.5 復(fù)合菌處理過程中微生物種群數(shù)量的變化

表2表明，有機(jī)廢水中的微生物數(shù)量在不同階段變化明顯。在第一階段培養(yǎng)后，芽孢桿菌數(shù)量增加，乳酸菌、固氮菌和反硝化細(xì)菌略有減少，而大腸桿菌和沙門氏菌已經(jīng)不適合在這種環(huán)境下生長。經(jīng)過第二階段的培養(yǎng)，芽孢桿菌出現(xiàn)快速生長，乳酸菌、固氮菌和反硝化細(xì)菌的數(shù)量均出現(xiàn)增加，而大腸桿菌始終沒有發(fā)現(xiàn)明顯的菌落，但有疑似的沙門氏菌。這說明光合細(xì)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(xì)菌的數(shù)量mg·L－1

3 結(jié) 論

研究結(jié)果表明，光合細(xì)菌對有機(jī)廢水COD值的最大適應(yīng)能力在10000mg·L－1以下，根據(jù)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(gè)階段分別投加，對高濃度有機(jī)廢水具有較高的降解效率。同時(shí)，通過光合細(xì)菌的作用，有機(jī)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(jī)廢水污染的同時(shí)，又能獲得復(fù)合微生物菌液，可用于生產(chǎn)微生物有機(jī)菌肥。

本研究將高濃度有機(jī)廢水的特點(diǎn)與光合細(xì)菌、乳酸菌和酵母菌的生理特性有效地結(jié)合起來，探索一種培養(yǎng)復(fù)合微生物菌劑的新方法，在消除有機(jī)廢水污染的同時(shí)，降低了微生物菌劑的生產(chǎn)成本，能夠更有效地應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，最終實(shí)現(xiàn)有機(jī)廢水處理和有機(jī)肥料生產(chǎn)的雙重功效。本研究為復(fù)合菌劑進(jìn)一步在生產(chǎn)中的應(yīng)用提供了科學(xué)依據(jù)。隨著研究的深入，光合細(xì)菌必將在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)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.

［2］東秀珠，蔡妙英.常見細(xì)菌系統(tǒng)鑒定手冊［M］.北京：科學(xué)出版社，2001.

［3］龍華.水環(huán)境及其保護(hù)與生態(tài)修復(fù)［J］.湖北農(nóng)學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，24（4）：328-333.

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

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

［6］李自剛.農(nóng)業(yè)有機(jī)固體廢棄物堆肥過程中微生物多樣性與物質(zhì)轉(zhuǎn)化關(guān)系研究［D］.南京：南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，2006.

［7］李遠(yuǎn).我國規(guī)?；笄蒺B(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(xué)，2002，10（21）：597-599.

［8］吳淑杭，史家樑，徐亞同，等.豬場糞便污水PSB液肥化及其應(yīng)用研究［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2007，26（1）：265-268.

［9］魏復(fù)盛.水和廢水監(jiān)測分析方法［M］.4版.北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，1997.

［10］史家梁，朱核光.糞便污水的光合細(xì)菌液肥化及其應(yīng)用研究［J］.應(yīng)用與環(huán)境生物學(xué)報(bào)，1995，1（2）：188-195.

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(xué)基金資助項(xiàng)目（31270446）；遼寧省科技廳計(jì)劃項(xiàng)目（2012215018）。

陳紅星（1985-），男，河南安陽人，沈陽師范大學(xué)碩士研究生；陶思源（1969-），男，遼寧沈陽人，沈陽師范大學(xué)高級實(shí)驗(yàn)師，碩士。

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