复合菌制剂对有机废水处理的研究

陈红星，曹翠岩，谢 迪，陶思源，郝 林

（沈阳师范大学化学与生命科学学院，沈阳 110034）

复合菌制剂对有机废水处理的研究

陈红星，曹翠岩，谢 迪，陶思源，郝 林

（沈阳师范大学化学与生命科学学院，沈阳 110034）

利用复合菌剂处理有机废水既可提高有机物的降解效率，又可获得生物有机肥料。研究明确了光合细菌、乳酸菌和酵母菌混合培养过程中的最适生长条件，包括生长基质中最大化学需氧量（COD）不高于10000mg·L－1以及其它条件，如光照强度、p H值、菌种接种量、菌种的混合比例等。经过混合菌剂处理后，有机废水中的有益微生物数量显著增加，而有害微生物受到抑制。COD、总氮（TN）、总碳（TC）和铵态氮（NH3－N）的降解率分别达到87.1%、70.5%、53.9%和90.8%。这些结果显示，3种菌混合处理可有效降解高浓度有机废水中的有害物质，同时获得高浓度的有益菌群。

光合细菌；有机废水；化学需氧量；复合微生物菌剂；降解

0 引 言

光合细菌（Photosynthetic Bacteria，简称PSB）是指在厌氧条件下进行不放氧光合作用的原核微生物总称，对高浓度的有机废水具有较强的耐受能力，特别是红螺菌科的光合细菌能够在黑暗好氧和光照厌氧条件下利用废水中有机物作为碳源和供氢体维持正常的生命活动，并对有机废水具有很强的降解能力［1－2］。此外，光合细菌能够与许多有益微生物共生，当光合细菌成为主导菌群时能够促进乳酸菌、酵母菌、枯草芽孢杆菌、放线菌等微生物的生长［3－4］。这些微生物在生长过程中产生的有用物质和分泌物，成为它们各自或相互间平衡生长的物质、能量和信息基础，构成一个复杂而稳定的微生态系统，并抑制其中有害微生物的生长。这样的复合菌剂在生产实践中具有广泛的用途，如用于废水处理、促进动植物生长、增加粮食产量并提高品质等［5－8］。这些特点使得光合细菌相关技术在种植、养殖和环保等诸多领域得到了良好的应用。利用复合菌剂技术实现有机废水无害化处理，有利于现代农业的可持续发展。

1 研究材料与方法

1.1 试验水样

取沈阳北部郊区某养鸡场鸡粪，用水稀释而获得。

1.2 光合细菌、酵母菌、乳酸菌的培养

实验用光合细菌、酵母菌和乳酸菌菌种为本实验室保存菌种，采用常规方法分别对其进行富集培养。

1.3 光合细菌在鸡粪粪水中的最佳生长条件确定

将鸡粪分别进行5、10、15和20倍的稀释，以5%（v／v）的比例接种光合细菌菌液，在27℃，3500～5000Lux光照强度下培养7～10d，观察生长情况，以确定最适鸡粪浓度。为了确定细菌生长的最适p H值，将初始p H值分别调节至6.0、7.0和8.0，在同样的条件下接种和培养细菌7d后测定培养液的OD值。在相同的条件下向最适浓度粪水（根据上一步实验结果确定）中接种光合细菌菌液，在27℃，光照强度分别设定为3500～5000Lux、5000～7500Lux和7500～10000Lux三个区段下培养7d，观察生长情况，以确定最适光照强度。分别以10%、20%、30%、40%和50%（v／v）的接种量将光合细菌液添加到同一浓度粪水中，在27℃，3500～5000Lux光照强度下培养2～3d，观察生长情况，以确定最适接菌量。

1.4 酵母菌、乳酸菌在光合细菌粪水培养液中的最佳生长条件

将前一步光合细菌粪水培养液分别以30%、40%、50%、60%和70%（v／v）的比例与酵母菌培养液或乳酸菌培养液混合（调节p H值至6.0），在27℃，3500～5000Lux光照强度下培养5d，观察酵母菌和乳酸菌生长情况，以确定最适的菌间接种比例。将前一步得到的光合细菌粪水培养液以50%的比例，分别与酵母菌或乳酸菌培养液混合，将初始p H值调至3.0、4.0、5.0、6.0、7.0和8.0，在27℃下培养5d，观察酵母菌和乳酸菌的生长情况，以确定最适p H值。

1.5 微生物菌液分段培养

上述混合菌液分为光照厌氧和黑暗好氧两个阶段培养。光照厌氧培养7d后，注入好氧反应器中，在无光或光线较弱条件下，控制水力停留时间（HRT）为48h，加氧泵通气量以水面冒出少量连续气泡为宜。正常运行10d后对微生物种群数量进行测定。为了保证厌氧培养条件，采用先真空后密闭培养。

1.6 参数分析方法

化学需氧量（COD）的测定采用HH-6型化学耗氧量测定仪（南京科环分析仪器有限公司）；总氮（TN）的测定采用HT1500型TOC分析仪（天津汇科仪器设备有限公司）；氨态氮含量的测定采用水杨酸－次氯酸盐光度法［9］；总碳（TC）的测定采用HT1500型TOC分析仪（天津汇科仪器设备有限公司）；p H值测定采用PHBJ-260型便携式p H计（上海嘉鹏科技有限公司）；上述各指标测定的具体操作方法分别见各自所用仪器的产品说明书。各种菌群数量的测定采用菌液浓度梯度稀释后平板计数法。

2 结果与分析

2.1 光合细菌生长的最适条件

不同浓度粪水对光合细菌生长影响的实验结果表明：培养7d后，在5倍稀释粪水中光合细菌生长微弱，在10～20倍稀释粪水中生长旺盛，颜色由深红色至鲜红色，并有不同程度的覆壁菌苔出现。经测定，10和20倍稀释粪水的COD值分别为9034.3mg·L－1和5755.7mg·L－1，结合前期的研究［5］及其他相关的研究报道，确定本实验中光合细菌生长的最适COD值在7000～10000mg·L－1。以COD值为9000mg·L－1左右的稀释粪水，初始p H值为6.0、7.0或8.0，培养7d后，光合细菌的生长速度差别不大，但相对而言，以初始p H值为6.0的速度略高，并且随着培养时间的延长，p H值以每天0.08的速率升高，最终稳定在7.5～8.0。因此，本实验中光合细菌生长的最佳p H值设定为6.0。光照强度试验结果表明，光合细菌的生长速率和覆壁菌苔的厚度随着光照强度的提高而增加，如在光照强度7500～10000Lux下培养的菌液比在3500～5000Lux条件下提前24h变为深红色。因此，本实验在处理较高浓度粪水时采用阳光直射和日光灯配合使用的方法，光照强度为9000Lux左右。不同接种量试验结果表明，选择COD值在9000mg·L－1左右的稀释粪水，在48h内，接种量30%、40%和50%的样品中光合细菌均表现出良好的生长状态，而10%和20%接种量的处理样品中光合细菌生长较慢，因此，为提高处理效率，试验中根据实际情况采用30%～40%的接种量。

2.2 酵母菌、乳酸菌在光合细菌粪水培养液中的最适生长条件

酵母菌和乳酸菌在分别含70%、60%和50%的光合细菌粪水培养液中均能正常生长，且酵母菌和乳酸菌接种量越大其生长越旺盛，但在含40%和30%的光合细菌粪水培养液中生长极弱。因此，综合考虑，本研究确定的最大光合细菌粪水培养液添加量为50%。混合培养液中酵母菌适应的p H范围为4.0～7.0，而乳酸菌适应的范围为3.0～6.0，经综合分析，本研究确定的最适p H值为6.0，在此条件下，光合细菌、乳酸菌和酵母菌的总体生长状况良好。

2.3 复合菌液的混合培养

根据各菌种对污水的适应能力和初始p H值条件，最终确定复合菌液的混配方法如下。首先将畜禽粪水稀释至对应的COD值小于10000mg·L－1，得上清液后以30%（v／v）比例接种光合细菌液，在27℃下，光照（9000Lux）厌氧培养7d；以此为基础液，以50%的比例分别与乳酸菌培养液或酵母菌培养液混合，经培养得到乳酸菌液和酵母菌液。最后，将上述培养好的光合细菌液、乳酸菌液和酵母菌液按8∶1∶1的比例混合。混合液首先进行光照（9000Lux）厌氧培养7d，然后注入好氧反应器培养，水力停留时间（HRT）保持为48h，正常运行10d后获得了理想的结果。

2.4 复合菌液处理不同阶段的技术指标

表1显示在混合菌处理的不同阶段有机废水中的有害物质降解状况，其中尤以氨态氮降解效果最为明显，总降解率达到90.8%，其次是COD、TN和TC。在分段培养开始时，光合细菌的浓度相对较低，进入第一阶段后，在其它益生菌的共同作用下，将废水中的大分子有机物逐渐降解成小分子物质，光合细菌利用这些物质开始大量繁殖，并带动其它有益微生物生长，进而又加强了对有机废水的降解效率。

表1 混合菌液分段培养对有机废水的处理效果mg·L－1

2.5 复合菌处理过程中微生物种群数量的变化

表2表明，有机废水中的微生物数量在不同阶段变化明显。在第一阶段培养后，芽孢杆菌数量增加，乳酸菌、固氮菌和反硝化细菌略有减少，而大肠杆菌和沙门氏菌已经不适合在这种环境下生长。经过第二阶段的培养，芽孢杆菌出现快速生长，乳酸菌、固氮菌和反硝化细菌的数量均出现增加，而大肠杆菌始终没有发现明显的菌落，但有疑似的沙门氏菌。这说明光合细菌能够与多种益生菌共生，并抑制有害微生物的生长。

表2 不同处理阶段样品中各类细菌的数量mg·L－1

3 结 论

研究结果表明，光合细菌对有机废水COD值的最大适应能力在10000mg·L－1以下，根据几种有益微生物的生长特性，采用光照厌氧和弱光照好氧2个阶段分别投加，对高浓度有机废水具有较高的降解效率。同时，通过光合细菌的作用，有机废水中的有益微生物大量繁殖，并抑制有害微生物的生长，在降解有机废水污染的同时，又能获得复合微生物菌液，可用于生产微生物有机菌肥。

本研究将高浓度有机废水的特点与光合细菌、乳酸菌和酵母菌的生理特性有效地结合起来，探索一种培养复合微生物菌剂的新方法，在消除有机废水污染的同时，降低了微生物菌剂的生产成本，能够更有效地应用于农业生产中，最终实现有机废水处理和有机肥料生产的双重功效。本研究为复合菌剂进一步在生产中的应用提供了科学依据。随着研究的深入，光合细菌必将在农业生产中发挥更大的作用。

［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］东秀珠，蔡妙英.常见细菌系统鉴定手册［M］.北京：科学出版社，2001.

［3］龙华.水环境及其保护与生态修复［J］.湖北农学院学报，2004，24（4）：328-333.

［4］黄翔峰，李春鞠，章非娟.光合细菌的特征及其在废水处理中的应用［J］.中国沼气，2005，23（1）：29-35.

［5］陶思源，李娜，赵新刚.光合细菌PSB-B4的分离与培养条件优化研究［J］.沈阳师范大学学报，2010，28（1）：90-93.

［6］李自刚.农业有机固体废弃物堆肥过程中微生物多样性与物质转化关系研究［D］.南京：南京农业大学，2006.

［7］李远.我国规模化畜禽养殖业存在的环境问题与防治对策［J］.上海环境科学，2002，10（21）：597-599.

［8］吴淑杭，史家樑，徐亚同，等.猪场粪便污水PSB液肥化及其应用研究［J］.农业环境科学学报，2007，26（1）：265-268.

［9］魏复盛.水和废水监测分析方法［M］.4版.北京：中国环境科学出版社，1997.

［10］史家梁，朱核光.粪便污水的光合细菌液肥化及其应用研究［J］.应用与环境生物学报，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。

国家自然科学基金资助项目（31270446）；辽宁省科技厅计划项目（2012215018）。

陈红星（1985-），男，河南安阳人，沈阳师范大学硕士研究生；陶思源（1969-），男，辽宁沈阳人，沈阳师范大学高级实验师，硕士。

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