農村污水處理復配絮凝菌的發酵條件優化及應用研究

梁海恬　郭銳　何宗均　吳迪

摘 要：為研究生物絮凝劑在農村生活污水處理中的應用技術，采用2株高效絮凝菌，復配發酵制成生物絮凝劑，獲得絮凝菌株發酵優化條件：最佳碳源和氮源為蔗糖和尿素，碳氮比為5：1，初始pH值為6.0，28 ℃培養48 h后的絮凝率可達87.4%。將生物絮凝劑應用于農村污水處理沉淀池工段，對CODcr和BOD5去除率分別為26.9%和17.6%，對SS去除率為79.4%，出水達到國家二級排放標準。

關鍵詞：農村污水；微生物絮凝劑；復配；絮凝率

中圖分類號：X502 文獻標識碼：A DOI 編碼：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

隨著農村城鎮化速度的加快，農村水環境的安全問題也日益得到重視[1-3]。農村污水處理后通常直接排放至自然水體或農田灌溉利用，對處理水的安全性提出較高要求，但目前水處理工藝中廣泛使用的以鐵鹽和鋁鹽為代表的無機絮凝劑，在給水凈化中的安全性問題一直受到質疑[4-6]。人工合成的有機高分子絮凝劑，絮凝效果好，但具有單體殘留物的致突變問題，其使用范圍也存在一定限制[7-8]。

目前農村污水一級處理工藝中，生物絮凝強化技術具有安全性高、無毒無害、易降解和固液分離的特點，由于生物絮凝劑主要由一些微生物次生代謝產物構成，具有較好的可生化性 [12-13] ，因此絮凝強化處理工藝能有效去除污水的污染物[9-11]。然而由于生物絮凝劑的使用量較傳統絮凝劑高，因此篩選出高效絮凝物質產生菌株，并優化培養條件以提高其絮凝劑的產量，對生物絮凝劑的實際應用具有非常重要的意義[14-17]。本試驗從污水處理廠樣品中篩選出2株具有高效絮凝特性的菌株，對其培養的最佳條件及絮凝特性進行研究，并復配制成污水處理用生物絮凝劑，以期為生物絮凝劑在農村污水中的應用提供依據。

1 材料和方法

1.1 材 料

1.1.1 菌 種 本試驗所用菌種為實驗室保藏菌種，分離于污水處理廠樣品，采用細菌常規分離方法結合高嶺土懸濁液法獲得2株高效絮凝菌株，初步鑒定均為芽孢桿菌屬，菌種純化后低溫保藏備用。

1.1.2 培養基 菌種保藏培養基：采用營養瓊脂培養基。發酵基礎培養液（g·L-1）：K2HPO4 2，KH2PO4 2，MgSO4·7H2O 0.5，NaCl 0.5，吐溫80 2，pH值 7.0。

以上培養基121 ℃滅菌20 min，冷卻后待用。 所用試劑為國產分析純，市售。

1.2 方 法

1.2.1 保藏絮凝菌株的活化 將2株低溫保藏的絮凝菌株進行活化，各接1環生長良好的絮凝菌株斜面培養物至裝有150 mL培養基的三角瓶中，28～30 ℃搖床160 r·min-1培養24 h，取發酵液以空白培養基作為對照，在波長550 nm處測定其吸光度OD值，并對其絮凝率進行檢驗。

1.2.2 絮凝率測定方法 采用高嶺土懸濁液法測定菌株的絮凝率。在100 mL的具塞比色管中加入95 mL濃度4 g·L-1高嶺土懸濁液，振蕩混合均勻后，用移液器分別加入生物絮凝劑2 mL，10 g·L-1的CaCl2溶液1 mL，加蒸餾水定容至100 mL。上下翻轉15次后靜置5 min，在721型分光光度計550 nm處測定上清液的吸光度，以未加生物絮凝劑的處理作為空白對照，通過吸光度的變化計算絮凝率（μ）。絮凝率的計算公式如下：

μ=[（A-B）/A]×100%

式中，A表示空白對照在550 nm處的吸光度OD550，B表示各處理在550 nm處的吸光度OD550，μ表示加入生物絮凝劑后懸浮物的去除率。

1.2.3 絮凝菌株培養基碳源和氮源種類的優化 試驗以基礎培養液為基礎，分別采用葡萄糖、蔗糖、乳糖、甘露醇、可溶性淀粉作為唯一碳源進行試驗，并在其基礎上以大豆蛋白胨、牛肉膏、酵母膏、尿素、（NH4）SO4作為唯一氮源進行試驗，考察不同碳氮源對發酵液絮凝率的影響，采用1.2.2的方法測定絮凝率。

1.2.4 發酵培養基不同碳氮比和初始pH值對絮凝活性的影響 培養基碳源和氮源的比例和初始pH值是微生物生長的重要影響因子，適合的碳氮比有利于促進微生物的快速繁殖，適合的初始pH值有利于絮凝活性物質的形成。以基礎培養液為基礎，采用蔗糖和尿素作為發酵培養基的唯一碳源和氮源，用均勻實驗設計對培養基的碳氮比進行研究，碳氮比例選擇為2∶1至10∶1梯度范圍，初始pH值選擇為4～8范圍。

1.2.5 絮凝菌株對農村污水中污染物指標的去除效果研究 為了研究復合生物絮凝劑對農村生活污水的處理效果，將2株復合絮凝菌采用優化培養基進行發酵，獲得的發酵液在4 000 r·min-1下離心30 min，上清液作為生物絮凝劑粗品，低溫避光保藏。將生物絮凝劑加入小型農村污水處理站沉淀池工藝段，檢測進水出水水質指標變化。

1.3 數據處理

數據、圖表采用Excel 2007、OriginPro8.0軟件進行處理。

2 結果與分析

2.1 添加不同碳源、氮源的發酵培養基對絮凝菌絮凝活性的影響

如圖1所示，選取大豆蛋白胨為唯一氮源，分別添加葡萄糖、蔗糖、乳糖、甘露醇、可溶性淀粉作為碳源的培養基，平均絮凝率分別為79.8%，67.8%，61.0%，53.8%，65.4%，本組試驗結果表明，葡萄糖和大豆蛋白胨作為碳源和氮源添加對菌體絮凝有利，絮凝率為79.8%。

選取牛肉膏為唯一氮源，分別添加葡萄糖、蔗糖、乳糖、甘露醇、可溶性淀粉作為碳源的培養基，平均絮凝率分別為80.2%，77.6%，51.2%，63.6%，63.4%。本組試驗結果表明，葡萄糖和牛肉膏作為碳源和氮源添加對菌體絮凝有利，絮凝率為80.2%。

選取酵母膏為唯一氮源，分別添加葡萄糖、蔗糖、乳糖、甘露醇、可溶性淀粉作為碳源的培養基，平均絮凝率分別為87.8%，76.0%，61%，49.8%，82.6%，本組試驗結果表明，葡萄糖和酵母膏作為碳源和氮源添加對菌體絮凝有利，絮凝率為87.8%。

選取尿素為唯一氮源，分別添加葡萄糖、蔗糖、乳糖、甘露醇、可溶性淀粉作為碳源的培養基，平均絮凝率分別為82.0%，88.2%，73.6%，75.8%，84.8%，本組試驗結果表明，蔗糖和尿素作為碳源和氮源添加對菌體絮凝有利，絮凝率為88.2%。

選取硫酸銨為唯一氮源，分別添加葡萄糖、蔗糖、乳糖、甘露醇、可溶性淀粉作為碳源的培養基，平均絮凝率分別為82.8%，80.2%，82.4%，78.4%，83.2%，本組試驗結果表明，以硫酸銨作為唯一碳源，添加不同碳源，絮凝率整體表現較好。

試驗結果表明，絮凝菌對不同碳源、氮源利用存在差異，葡萄糖和蔗糖作為碳源表現較好，牛肉膏、酵母膏、尿素和硫酸銨作為氮源的表現較好。其中葡萄糖和酵母膏組合、蔗糖和尿素組合作為唯一碳源和氮源添加，絮凝率分別為87.8%和88.2%，表現最佳，結合發酵成本考慮，采用蔗糖和尿素作為發酵培養基的碳源和氮源。

2.2 發酵培養基碳氮比變化對絮凝率的影響

如圖2所示，采用蔗糖和尿素作為發酵培養基的碳源和氮源，比例設為2∶1至10∶1的范圍，碳氮比例在2∶1至10∶1的比例下，絮凝率平均值分別為75.3%，80.2%，88.2%，89.1%，82.1%，75.7%，73.7%， 69.1%，69.3%。結果表明，碳氮比例在3∶1至6∶1范圍內，絮凝率均在80%以上，對絮凝菌的生長較為適宜。當碳氮比例低于3∶1或高于6∶1時，絮凝率均有所下降，碳氮比例在5∶1時，絮凝率表現為最佳，為89.1%。

2.3 發酵培養基初始pH值對對絮凝活性的影響

絮凝微生物在產出絮凝物質的過程中，存在最適pH值和一定范圍的適宜pH值，發酵培養基的pH值過高或過低均可能不利于絮凝物質的產生，在培養過程中pH值是動態變化過程，并且最適合絮凝菌生長的pH值可能與其絮凝物質活性最高的pH值略有差異。本組試驗將培養基初始pH值設為4，4.5，5，5.5，6，6.5，7，7.5，8，共9個處理，將復配絮凝菌株接種至不同處理的250 mL培養基中，28 ℃恒溫振蕩培養48 h，測定絮凝率，結果如圖3所示，

本組試驗結果表明，培養基初始pH值設為4，4.5，5，5.5，6，6.5，7，7.5，8處理，其絮凝率平均值分別為69.3%，71.7%，79.2%，83.7%，87.4%，85.9%，79.1%，78.9%，75.7%。當發酵液的初始pH值在5.5～6.5之間，絮凝率表現較佳，當初始pH值超過6.0時，隨著pH值的增高絮凝率不再增加，甚至有下降的趨勢，所以初始pH值的適宜值為6.0，pH值過高或過低均對絮凝不利。

2.4 復合生物絮凝劑對農村生活污水中CODcr、BOD5和SS的去除效果研究

農村生活污水與市政污水污染物有所區別，本研究對天津部分農村地區生活污水水質情況進行取樣調查。采集天津農村地區小型污水處理站沉淀池工藝段污水，進水指標為CODcr為121.2 mg·L-1，BOD5為24.5 mg·L-1，SS為53.4 mg·L-1。生物絮凝劑的投加量為2%，助凝劑投加量為1%，經曝氣處理后48 h測定出水指標，CODcr為88.6 mg·L-1，BOD5為20.2 mg·L-1，SS為11.0 mg·L-1，去除率分別為26.9%，17.6%，79.4%，出水達到國家二級排放標準（表1，表2）。

3 結論與討論

3.1 生物絮凝劑培養條件優化

生物絮凝劑是污水處理生物絮凝技術的核心，本研究對實驗室保藏的2株絮凝菌株進行培養條件優化，進一步研究并確定了優化培養條件，結果表明，發酵培養基分別以葡萄糖和酵母膏、蔗糖和尿素作為唯一碳源和氮源對絮凝率均有較好表現，但從發酵成本考慮，采用價格低廉的蔗糖和尿素作為優化培養基的碳源和氮源，其最佳碳氮比為5∶1，初始pH值為6.0，培養48 h后的絮凝率可達87.4%。

3.2 復合生物絮凝劑對農村生活污水處理效果

生物絮凝劑是一類由微生物產生的，可使污水中不易降解的固體懸浮顆粒凝聚、沉淀的特殊高分子代謝產物，如糖蛋白、黏多糖、蛋白質、纖維素和DNA等，這些物質都具有很好的可生化性。本研究利用復配發酵的生物絮凝劑處理農村生活污水，對沉淀池工段污染物具有良好的去除效果，對SS去除率為79.4%，出水達到國家二級排放標準。顯示其作為一種安全環保的生物絮凝劑，在農村生物污水處理中具有良好的應用效果。

3.3 生物絮凝技術在農村生活污水處理中的應用前景

農村生活污水不同于市政生活污水，具有面廣、分散、水質變化系數大等特點，污水組成是低碳、高氮磷型，為低碳氮比污水，通常采用分散式污水處理工藝，處理后的污水直接排放至自然水體或進行農田灌溉利用，因此對水處理劑的安全性具有更高要求。在各種污水處理工藝中，沉淀池工段污泥與水的干濕分離通常使用化學絮凝技術，如聚丙烯酰胺、聚合氯化鋁，但化學絮凝劑對環境可能造成二次污染，這也是一個需要引起重視的問題。生物絮凝是環境友好型絮凝技術，適合低負荷的農村污水絮凝處理，對環境不產生二次污染。絮凝微生物在污泥與水的分離過程中起到一定的加速絮凝的作用，同時又具有安全無二次污染的特點，對低污染物濃度的農村生活污水具有較好的絮凝作用，應用前景較好，同時也有利于目前天津市開展的“美麗天津 一號工程”中的污水治理。

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