好氧-厌氧耦合法处理奶牛场污水工艺分析

李一帆 宫江平 高雁 曾军 霍向东 李凤鸣 刘建成

doi：10.6048/j.issn.1001-4330.2024.03.023

摘  要：【目的】筛选降解奶牛场粪污水的微生物，为奶牛场粪污处理提供科学依据。

【方法】选择可用于降解污水的微生物菌株，测定微生物处理奶牛场粪污水后的化学需氧量（COD）、生物需氧量（BOD5）、总磷（TP）和pH的数值。

【结果】从具有降解污水功能的微生物中，筛选出降解效果较好的3株好氧微生物，分别为枯草芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌、胶质芽孢杆菌；3株厌氧微生物，分别为沼泽红假单胞菌、荧光假单胞菌、沙雷氏菌；将6种好氧-厌氧菌耦合处理降解奶牛场粪污水，其降解效率均有不同程度的提升，好氧-厌氧耦合法处理奶牛场粪污水的工艺参数为菌种接种量5%、曝气量0.05 m3/h（每隔10 h曝气2 h）、温度30℃、处理时间96 h。

【结论】奶牛场污水中COD去除率为91.38%、BOD5去除率为96.82%、TP去除率为82.6%，出水pH值为 7.2～7.6，符合国家农田灌溉水标准。

关键词：好氧菌；厌氧菌；污水；耦合机制；化学需氧量；生物需氧量

中图分类号：Q939.9    文献标志码：A    文章编号：1001-4330（2024）03-0727-07

收稿日期（Received）：

2023-07-08

基金项目：

新疆维吾尔自治区重大科技专项（2020A01001-2）；克拉玛依技术创新引导计划项目（20232023cgzh0013）；新疆农业大学大学生创新项目（dxscx2021097）；农业科技创新稳定支持项目（xjnkywdzc-2023005-6）

作者简介：

李一帆（2000-），男，河南博爱人，研究方向为动物营养，（E-mail）li13999263649@163.com

通讯作者：

刘建成（1982-），男，甘肃武威人，副教授，研究方向为养殖粪污处理及其资源化利用，（E-mail）70964390@qq.com

高雁（1979-），女，江苏江阴人，研究员，博士，研究方向为资源与应用微生物學，（E-mail）47795411@qq.com

0  引 言

【研究意义】养殖业是农业重要组成部分之一［1］。随着大型畜禽养殖场的增多，畜禽粪污危害问题日趋加重［2］。养殖生产过程中所产生的粪便、污水、恶臭气体和废弃物等污染物，对水源、空气、土壤等生态系统的诸多环节造成污染［3-5］。因此当前奶牛场污水则均进行无害化处理以降低污水中有害物质含量［6-8］。如何以较低的污水处理成本，又使处理后的污水达到国家农业灌溉水的标准，是规模化奶牛场发展过程中亟待解决的问题［9-11］。对于奶牛场污水的处理方式主要有集中堆肥发酵、土壤渗透等自然处理技术以及好氧生物处理、厌氧生物处理的生化处理方法。微生物处理污水具有应用范围广、使用安全、无毒害残留等优点，因此优化活性微生物混合菌剂的培养条件并应用于污水处理受到关注。【前人研究进展】EM菌剂，主要由光合菌群、放线菌群、酵母菌群和乳酸菌群等10个属80多种功能微生物以适当比例混合培养发酵制成，由于其高效性、安全性和经济性等独特的优势，已广泛应用于种植业、养殖业及环境治理等领域［12，13］。以Byond混合菌剂作为液态发酵菌剂研究其对养殖废水的处理能力，Byond混合菌剂由芽孢杆菌、乳酸菌、酵母菌等多种微生物菌群组成，其对养殖废水后COD、氨氮、TP的去除率分别达到56.87%、45.82%、75.66%［14，15］。孙碧玉等［16］从猪场发酵床中分离出10株芽孢杆菌，并筛选出净化污水能力最强的一株鉴定为蜡状芽孢杆菌，其能使猪场粪污水中COD和氨氮分别降低47.1%和54.4%。郭照辉［17］筛选分离到芽孢杆菌、放线菌、光合细菌和酵母菌，构建菌群处理猪场废水，COD去除率可达89.8%，氨氮去除率达到83.6%。【本研究切入点】前人对畜禽养殖场粪污水研究主要集中在猪场和鸡场文献报道较多，需从已报道的处理粪污水的微生物菌剂中筛选具有较好降解奶牛场粪污水的功能菌株，比较单菌和好氧-厌氧耦合对奶牛场粪污水的降解效果，确定适宜新疆奶牛场粪污水降解的微生物处理工艺。【拟解决的关键问题】研究适宜于降解新疆奶牛场粪污水的微生物菌株及处理方式，测定奶牛场粪污水处理前后COD、BOD5、TP和pH的数值，使粪污水达到农田灌溉排放标准，为新疆规模化奶牛场粪污资源化利用技术奠定基础。

1  材料与方法

1.1  材 料

粪污水采集于新疆某奶牛场水冲粪处理后的污水。

1.2  方 法

1.2.1  奶牛场粪污水污染指标含量测定

每天采集奶牛场水冲粪后的新鲜污水，连续采集5 d，用于测定初始粪污水的COD、BOD5、pH和TP含量。

1.2.2  菌种筛选

1.2.2.1  好氧菌

以采集的粪污水作为微生物生长营养液，按照5%接种量分别接种已经培养至对数生长期的好氧微生物菌液：枯草芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌、胶质芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌、解淀粉芽孢杆菌，放置30℃恒温培养箱中，0.05 m3/h连续曝气处理7 d，测定7d后粪污水样品中的COD、BOD5、pH和TP指标，筛选出可有效降解奶牛场粪污水的好氧菌株。

1.2.2.2  厌氧菌

以采集的粪污水作为微生物生长的营养液，按照5%的接种量分别接种已经培养至对数生长期的厌氧微生物菌液：嗜热链球菌、植物乳杆菌、粪肠球菌、沙雷氏菌、沼泽红假单胞菌、荧光假单胞菌、产酸克雷伯氏菌，放置30℃恒温培养箱中，厌氧条件下静置处理7 d，测定7d后粪污水样品中的COD、BOD5、pH和TP指标，筛选出可有效降解奶牛场粪污水的厌氧菌株。

1.2.2.3  好氧-厌氧耦合处理组合

以采集的粪污水作为微生物生长的营养液，按照5%的接种量分别接种已经培养至对数生长期的好氧-厌氧微生物组合菌剂，放置30℃恒温培养箱中，每隔10 h曝气2 h，曝气量为0.05 m3/h，处理7 d后测定粪污水样品中COD、BOD5、pH和TP指标，筛选出可有效降解奶牛场粪污水的好氧-厌氧耦合处理菌株。

1.2.3  好氧-厌氧菌耦合处理粪污水影响因素

1.2.3.1  曝气量

以采集的粪污水作为微生物生长的营养液，按照5%的接种量分别接种已经培养至对数生长期的好氧-厌氧微生物组合菌剂，放置30℃恒温培养箱中，每隔10 h 曝气2 h，曝气量分别为0.01、0.03、0.05、0.07、0.10 m3/h爆气量，处理7 d后测定粪污水样品中COD、BOD5、pH和TP指标，筛选处理粪污水效果最好的好氧-厌氧菌耦合处理的曝气量。

1.2.3.2  温度

以采集的粪污水作为微生物生长的营养液，按照5%的接种量分别接种已经培养至对数生长期的好氧-厌氧微生物组合菌剂，控制曝气量为0.05 m3/h，每隔10 h曝气2 h，分别放置15、20、25、30℃恒温培养箱中，处理7 d后测定粪污水样品中COD、BOD5、pH和TP指标，筛选处理粪污水效果最适宜的温度。

1.2.3.3  时间

以采集的粪污水作为微生物生长的营养液，按照5%的接种量分别接种已经培养至对数生长期的好氧-厌氧微生物组合菌剂，放置30℃恒温培养箱中，控制曝气量为0.05 m3/h，每隔10 h曝气2 h，每天测定粪污水样品中COD、BOD5、pH和TP指标，连续测定7 d，分析不同时间好氧-厌氧菌耦合处理粪污水的效果。

1.2.4  测定指标

使用雷磁pH计测定pH；选用重铬酸盐法测定化学需氧量（COD）［18］；采用稀释与接种法测定生物需氧量（BOD5）［19］；采用分光光度法测定

污水中总磷（TP）［20］。

1.3  数据处理

使用Excel 2007进行数据统计分析，采用SPSS 21.0进行方差分析，独立样本T检验。

2  结果与分析

2.1  奶牛场粪污水各项指标含量

研究表明，水冲粪处理后粪污水pH中性，初始COD 浓度1 812 mg/L，BOD5 浓度1 075 mg/L，TP 浓度3.8 mg/L，牛场粪污水污染物浓度较高。

2.2  不同好氧微生物处理对奶牛场粪污水降解效果的影响

研究表明，5种好氧微生物对粪污水降解均有很好的效果，COD、BOD5和TP的浓度均有显著的下降，其中枯草芽孢杆菌对奶牛场粪污水的降解效果最好，各指标含量依次为COD 169 mg/L、BOD5 52.9 mg/L、TP 1.22 mg/L，降解能力排序依次为巨大芽孢杆菌、胶质芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌和解淀粉芽孢杆菌。5种好氧微生物处理奶牛场粪污水后，pH 值中性。表1

2.3  不同厌氧微生物处理对奶牛场粪污水降解效果的影响

研究表明，7种厌氧微生物对粪污水降解均有很好的效果，COD、BOD5和TP的浓度均有显著的下降，其中沼泽红假单胞菌对奶牛场粪污水的降解效果最好，各指标含量依次为COD 168 mg/L，BOD5 48 mg/L，TP 0.65 mg/L，降解能力排序依次为荧光假单胞菌、沙雷氏菌、产酸克雷伯氏菌、粪肠球菌、植物乳杆菌、嗜热链球菌。pH值偏酸性。植物乳杆菌和嗜热链球菌处理粪污水后，COD分别为 476 mg/L和538 mg/L，未达到国家标准规定排放的要求。表2

2.4  好氧-厌氧微生物耦合处理奶牛场粪污水降解效果的影响

研究表明，选取好氧菌和厌氧菌中降解效果最好的前3种菌株进行耦合，30℃，每隔10 h曝气2 h，曝气量为0.05 m3/h，处理7 d后，检测COD、BOD5、pH和TP的浓度，与好氧菌降解效果最好的枯草芽孢杆菌和厌氧菌降解效果最好的沼泽红假单胞菌的降解污水的指标进行对比，好氧-厌氧耦合处理奶牛场粪污水的效果要优于单独处理效果，处理后奶牛场粪污水中各指标含量分别为COD 162 mg/L、BOD5 42 mg/L、TP 0.64 mg/L、pH 7.22。表3

2.5  好氧-厌氧耦合处理粪污水影响因素

2.5.1  不同曝气量对好氧-厌氧耦合处理奶牛场粪污水效果的影响

研究表明，随着曝气量的逐渐增加，好氧-厌氧耦合微生物降解粪污水的效率呈现先升高后下降的趋势。其中，當曝气量为0.05 m3/h时，每隔10 h 曝气2 h，COD、BOD5的浓度最低，pH值均保持中性，且处理后各项指标浓度均优于好氧菌和厌氧菌单独处理的效果。表4

2.5.2  不同温度对好氧-厌氧耦合处理奶牛场粪污水效果的影响

研究表明，温度较低不适宜微生物生长，降解效果不理想，随着温度的逐渐增加，降解效果也逐渐增强，以30℃降解效果最好，其各指标浓度分别达到COD 158 mg/L、BOD5 48 mg/L、TP 0.66 mg/L、pH为7.20。表5

2.5.3  不同时间下好氧-厌氧耦合处理奶牛场粪污水的效果

研究表明，随着处理时间的延长，污水降解效果越好，在前4 d，污水各项指标均呈直线式下降的趋势，第4 d，奶牛场粪污水指标浓度分别为COD 150 mg/L、BOD5 32 mg/L、TP 0.61 mg/L、pH 7.1 。图1

3  讨 论

国内外研究较多的可用于处理畜禽粪污水的微生物主要涉及光合细菌、硝化细菌、反硝化细菌、芽孢杆菌和酵母菌等。沼泽红假单胞菌属于光合细菌，这类菌可以在厌氧光照或好氧黑暗条件下高效降解水体中的高浓度有机物。芽孢杆菌是一类好氧、能形成芽孢的杆菌或球菌，其环境适应性强，生长繁殖迅速，且降解和转化有机物能力强，可直接降解硝酸盐和亚硝酸盐类污染物，减少和消除水体中的氨氮、硫化氢等污染物，平衡水体中的氮磷比。研究选择的微生物菌株也验证了沼泽红假单胞菌和枯草芽孢杆菌具有较好的降解奶牛场粪污水的能力［21-23］，由于既有厌氧菌又有好氧菌，所以粪污水降解工艺选择好氧-厌氧耦合的处理条件，其对COD有较好的去除效果，与扶咏梅［24］的研究结果相一致。侯树宇等［25］研究用以芽孢杆菌和乳酸菌为主体菌，复配放线菌组成复合微生物菌剂用于修复虾养殖水体，菌剂投加6 d后水体中CODCr和NO2-N的去除率分别为84.7%和81.5%，长期监测水质均优于对照池，并且具有增强虾体防病的功能。单一微生物几乎不能降解粪污水，需要多种功能的微生物组合构成复合菌群共同发挥降解功能，将有机物降解为简单的化合物。微生物繁殖快，适应性强，可持续性降解水体中氨氮污染物，不仅无二次污染，而且降解粪污水后还会形成很好的肥料化产品，用于农业种植。

4  结 论

选用市场上常用的处理粪污水的微生物菌剂，好氧微生物5种，厌氧微生物7种，获得12种微生物降解粪污水可用于有益微生物中，好氧菌株：枯草芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌、胶质芽孢杆菌三者对奶牛场粪污水处理效率相对较高；在厌氧菌株中，沼泽红假单胞菌、荧光假单胞菌、沙雷氏菌三者对奶牛场粪污水处理效率相对较高。筛选出的菌株进行好氧-厌氧的耦合，均在不同程度上提升了奶牛场污水的降解。好氧-厌氧耦合处理奶牛场粪污水的工艺参数为枯草芽孢杆菌+巨大芽孢杆菌+胶质芽孢杆菌+沼泽红假单胞菌+荧光假单胞菌+沙雷氏菌，5%接种量，每隔10 h曝气2h，控制曝气量为0.05 m3/h，30℃，处理96 h后，粪污水中各项指标依次为COD 150 mg/L、BOD5 32 mg/L、TP 0.61 mg/L、pH 7.1，较最初污水浓度指标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.