农村污水处理复配絮凝菌的发酵条件优化及应用研究

梁海恬　郭锐　何宗均　吴迪

摘 要：为研究生物絮凝剂在农村生活污水处理中的应用技术，采用2株高效絮凝菌，复配发酵制成生物絮凝剂，获得絮凝菌株发酵优化条件：最佳碳源和氮源为蔗糖和尿素，碳氮比为5：1，初始pH值为6.0，28 ℃培养48 h后的絮凝率可达87.4%。将生物絮凝剂应用于农村污水处理沉淀池工段，对CODcr和BOD5去除率分别为26.9%和17.6%，对SS去除率为79.4%，出水达到国家二级排放标准。

关键词：农村污水；微生物絮凝剂；复配；絮凝率

中图分类号：X502 文献标识码：A DOI 编码：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

随着农村城镇化速度的加快，农村水环境的安全问题也日益得到重视[1-3]。农村污水处理后通常直接排放至自然水体或农田灌溉利用，对处理水的安全性提出较高要求，但目前水处理工艺中广泛使用的以铁盐和铝盐为代表的无机絮凝剂，在给水净化中的安全性问题一直受到质疑[4-6]。人工合成的有机高分子絮凝剂，絮凝效果好，但具有单体残留物的致突变问题，其使用范围也存在一定限制[7-8]。

目前农村污水一级处理工艺中，生物絮凝强化技术具有安全性高、无毒无害、易降解和固液分离的特点，由于生物絮凝剂主要由一些微生物次生代谢产物构成，具有较好的可生化性 [12-13] ，因此絮凝强化处理工艺能有效去除污水的污染物[9-11]。然而由于生物絮凝剂的使用量较传统絮凝剂高，因此筛选出高效絮凝物质产生菌株，并优化培养条件以提高其絮凝剂的产量，对生物絮凝剂的实际应用具有非常重要的意义[14-17]。本试验从污水处理厂样品中筛选出2株具有高效絮凝特性的菌株，对其培养的最佳条件及絮凝特性进行研究，并复配制成污水处理用生物絮凝剂，以期为生物絮凝剂在农村污水中的应用提供依据。

1 材料和方法

1.1 材 料

1.1.1 菌 种 本试验所用菌种为实验室保藏菌种，分离于污水处理厂样品，采用细菌常规分离方法结合高岭土悬浊液法获得2株高效絮凝菌株，初步鉴定均为芽孢杆菌属，菌种纯化后低温保藏备用。

1.1.2 培养基 菌种保藏培养基：采用营养琼脂培养基。发酵基础培养液（g·L-1）：K2HPO4 2，KH2PO4 2，MgSO4·7H2O 0.5，NaCl 0.5，吐温80 2，pH值 7.0。

以上培养基121 ℃灭菌20 min，冷却后待用。 所用试剂为国产分析纯，市售。

1.2 方 法

1.2.1 保藏絮凝菌株的活化 将2株低温保藏的絮凝菌株进行活化，各接1环生长良好的絮凝菌株斜面培养物至装有150 mL培养基的三角瓶中，28～30 ℃摇床160 r·min-1培养24 h，取发酵液以空白培养基作为对照，在波长550 nm处测定其吸光度OD值，并对其絮凝率进行检验。

1.2.2 絮凝率测定方法 采用高岭土悬浊液法测定菌株的絮凝率。在100 mL的具塞比色管中加入95 mL浓度4 g·L-1高岭土悬浊液，振荡混合均匀后，用移液器分别加入生物絮凝剂2 mL，10 g·L-1的CaCl2溶液1 mL，加蒸馏水定容至100 mL。上下翻转15次后静置5 min，在721型分光光度计550 nm处测定上清液的吸光度，以未加生物絮凝剂的处理作为空白对照，通过吸光度的变化计算絮凝率（μ）。絮凝率的计算公式如下：

μ=[（A-B）/A]×100%

式中，A表示空白对照在550 nm处的吸光度OD550，B表示各处理在550 nm处的吸光度OD550，μ表示加入生物絮凝剂后悬浮物的去除率。

1.2.3 絮凝菌株培养基碳源和氮源种类的优化 试验以基础培养液为基础，分别采用葡萄糖、蔗糖、乳糖、甘露醇、可溶性淀粉作为唯一碳源进行试验，并在其基础上以大豆蛋白胨、牛肉膏、酵母膏、尿素、（NH4）SO4作为唯一氮源进行试验，考察不同碳氮源对发酵液絮凝率的影响，采用1.2.2的方法测定絮凝率。

1.2.4 发酵培养基不同碳氮比和初始pH值对絮凝活性的影响 培养基碳源和氮源的比例和初始pH值是微生物生长的重要影响因子，适合的碳氮比有利于促进微生物的快速繁殖，适合的初始pH值有利于絮凝活性物质的形成。以基础培养液为基础，采用蔗糖和尿素作为发酵培养基的唯一碳源和氮源，用均匀实验设计对培养基的碳氮比进行研究，碳氮比例选择为2∶1至10∶1梯度范围，初始pH值选择为4～8范围。

1.2.5 絮凝菌株对农村污水中污染物指标的去除效果研究 为了研究复合生物絮凝剂对农村生活污水的处理效果，将2株复合絮凝菌采用优化培养基进行发酵，获得的发酵液在4 000 r·min-1下离心30 min，上清液作为生物絮凝剂粗品，低温避光保藏。将生物絮凝剂加入小型农村污水处理站沉淀池工艺段，检测进水出水水质指标变化。

1.3 数据处理

数据、图表采用Excel 2007、OriginPro8.0软件进行处理。

2 结果与分析

2.1 添加不同碳源、氮源的发酵培养基对絮凝菌絮凝活性的影响

如图1所示，选取大豆蛋白胨为唯一氮源，分别添加葡萄糖、蔗糖、乳糖、甘露醇、可溶性淀粉作为碳源的培养基，平均絮凝率分别为79.8%，67.8%，61.0%，53.8%，65.4%，本组试验结果表明，葡萄糖和大豆蛋白胨作为碳源和氮源添加对菌体絮凝有利，絮凝率为79.8%。

选取牛肉膏为唯一氮源，分别添加葡萄糖、蔗糖、乳糖、甘露醇、可溶性淀粉作为碳源的培养基，平均絮凝率分别为80.2%，77.6%，51.2%，63.6%，63.4%。本组试验结果表明，葡萄糖和牛肉膏作为碳源和氮源添加对菌体絮凝有利，絮凝率为80.2%。

选取酵母膏为唯一氮源，分别添加葡萄糖、蔗糖、乳糖、甘露醇、可溶性淀粉作为碳源的培养基，平均絮凝率分别为87.8%，76.0%，61%，49.8%，82.6%，本组试验结果表明，葡萄糖和酵母膏作为碳源和氮源添加对菌体絮凝有利，絮凝率为87.8%。

选取尿素为唯一氮源，分别添加葡萄糖、蔗糖、乳糖、甘露醇、可溶性淀粉作为碳源的培养基，平均絮凝率分别为82.0%，88.2%，73.6%，75.8%，84.8%，本组试验结果表明，蔗糖和尿素作为碳源和氮源添加对菌体絮凝有利，絮凝率为88.2%。

选取硫酸铵为唯一氮源，分别添加葡萄糖、蔗糖、乳糖、甘露醇、可溶性淀粉作为碳源的培养基，平均絮凝率分别为82.8%，80.2%，82.4%，78.4%，83.2%，本组试验结果表明，以硫酸铵作为唯一碳源，添加不同碳源，絮凝率整体表现较好。

试验结果表明，絮凝菌对不同碳源、氮源利用存在差异，葡萄糖和蔗糖作为碳源表现较好，牛肉膏、酵母膏、尿素和硫酸铵作为氮源的表现较好。其中葡萄糖和酵母膏组合、蔗糖和尿素组合作为唯一碳源和氮源添加，絮凝率分别为87.8%和88.2%，表现最佳，结合发酵成本考虑，采用蔗糖和尿素作为发酵培养基的碳源和氮源。

2.2 发酵培养基碳氮比变化对絮凝率的影响

如图2所示，采用蔗糖和尿素作为发酵培养基的碳源和氮源，比例设为2∶1至10∶1的范围，碳氮比例在2∶1至10∶1的比例下，絮凝率平均值分别为75.3%，80.2%，88.2%，89.1%，82.1%，75.7%，73.7%， 69.1%，69.3%。结果表明，碳氮比例在3∶1至6∶1范围内，絮凝率均在80%以上，对絮凝菌的生长较为适宜。当碳氮比例低于3∶1或高于6∶1时，絮凝率均有所下降，碳氮比例在5∶1时，絮凝率表现为最佳，为89.1%。

2.3 发酵培养基初始pH值对对絮凝活性的影响

絮凝微生物在产出絮凝物质的过程中，存在最适pH值和一定范围的适宜pH值，发酵培养基的pH值过高或过低均可能不利于絮凝物质的产生，在培养过程中pH值是动态变化过程，并且最适合絮凝菌生长的pH值可能与其絮凝物质活性最高的pH值略有差异。本组试验将培养基初始pH值设为4，4.5，5，5.5，6，6.5，7，7.5，8，共9个处理，将复配絮凝菌株接种至不同处理的250 mL培养基中，28 ℃恒温振荡培养48 h，测定絮凝率，结果如图3所示，

本组试验结果表明，培养基初始pH值设为4，4.5，5，5.5，6，6.5，7，7.5，8处理，其絮凝率平均值分别为69.3%，71.7%，79.2%，83.7%，87.4%，85.9%，79.1%，78.9%，75.7%。当发酵液的初始pH值在5.5～6.5之间，絮凝率表现较佳，当初始pH值超过6.0时，随着pH值的增高絮凝率不再增加，甚至有下降的趋势，所以初始pH值的适宜值为6.0，pH值过高或过低均对絮凝不利。

2.4 复合生物絮凝剂对农村生活污水中CODcr、BOD5和SS的去除效果研究

农村生活污水与市政污水污染物有所区别，本研究对天津部分农村地区生活污水水质情况进行取样调查。采集天津农村地区小型污水处理站沉淀池工艺段污水，进水指标为CODcr为121.2 mg·L-1，BOD5为24.5 mg·L-1，SS为53.4 mg·L-1。生物絮凝剂的投加量为2%，助凝剂投加量为1%，经曝气处理后48 h测定出水指标，CODcr为88.6 mg·L-1，BOD5为20.2 mg·L-1，SS为11.0 mg·L-1，去除率分别为26.9%，17.6%，79.4%，出水达到国家二级排放标准（表1，表2）。

3 结论与讨论

3.1 生物絮凝剂培养条件优化

生物絮凝剂是污水处理生物絮凝技术的核心，本研究对实验室保藏的2株絮凝菌株进行培养条件优化，进一步研究并确定了优化培养条件，结果表明，发酵培养基分别以葡萄糖和酵母膏、蔗糖和尿素作为唯一碳源和氮源对絮凝率均有较好表现，但从发酵成本考虑，采用价格低廉的蔗糖和尿素作为优化培养基的碳源和氮源，其最佳碳氮比为5∶1，初始pH值为6.0，培养48 h后的絮凝率可达87.4%。

3.2 复合生物絮凝剂对农村生活污水处理效果

生物絮凝剂是一类由微生物产生的，可使污水中不易降解的固体悬浮颗粒凝聚、沉淀的特殊高分子代谢产物，如糖蛋白、黏多糖、蛋白质、纤维素和DNA等，这些物质都具有很好的可生化性。本研究利用复配发酵的生物絮凝剂处理农村生活污水，对沉淀池工段污染物具有良好的去除效果，对SS去除率为79.4%，出水达到国家二级排放标准。显示其作为一种安全环保的生物絮凝剂，在农村生物污水处理中具有良好的应用效果。

3.3 生物絮凝技术在农村生活污水处理中的应用前景

农村生活污水不同于市政生活污水，具有面广、分散、水质变化系数大等特点，污水组成是低碳、高氮磷型，为低碳氮比污水，通常采用分散式污水处理工艺，处理后的污水直接排放至自然水体或进行农田灌溉利用，因此对水处理剂的安全性具有更高要求。在各种污水处理工艺中，沉淀池工段污泥与水的干湿分离通常使用化学絮凝技术，如聚丙烯酰胺、聚合氯化铝，但化学絮凝剂对环境可能造成二次污染，这也是一个需要引起重视的问题。生物絮凝是环境友好型絮凝技术，适合低负荷的农村污水絮凝处理，对环境不产生二次污染。絮凝微生物在污泥与水的分离过程中起到一定的加速絮凝的作用，同时又具有安全无二次污染的特点，对低污染物浓度的农村生活污水具有较好的絮凝作用，应用前景较好，同时也有利于目前天津市开展的“美丽天津 一号工程”中的污水治理。

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