餐廚垃圾廢水制備液態固氮菌肥的培養特性研究

王永京 林昌源 任連海 楊振兵 李學偉 郭新愿

摘要：利用餐廚垃圾廢水進行液態固氮菌肥制備，以圓褐固氮菌為實驗菌種.考察餐廚垃圾在不同濕熱預處理條件下，固氮茵在餐廚垃圾廢水中的生長情況及廢水水質變化規律。研究發現，濕熱預處理對固氮菌的生長具有顯著的促進作用。在固氮茵的培養過程中，餐廚垃圾廢水中SCOD和還原糖的去除率分別從71.8%和56.1%提高到74.5%～84.9%和63.63.6%～79.5%，表明濕熱處理能夠促進固氮菌對SCoD、還原糖的利用效果。在培養過程中，氨氮先有所升高后有降低趨勢，pH值先降低，而后隨著培養時間的延長有所升高，基本維持在5.71～6.06之間。

關鍵詞：餐廚垃圾廢水;濕熱處理;圓褐固氮茵;液態茵肥

中圖分類號：X799

文獻標識碼：A

文章編號：1674-9944（2018）8-0103-04

1 引言

隨著人口聚集和城市化進程不斷加快，餐廚垃圾產出量日漸增多，餐廚垃圾處理過程中產生大量廢水，增加后續污水處理負荷，然而其含有豐富的小分子糖、多肽、氨基酸等營養物質，適于被微生物利用[1]。餐廚垃圾濕熱水解預處理技術應用廣泛[2]，該技術能夠進一步將餐廚垃圾中大分子微溶性蛋白質、淀粉、脂肪等水解為小分子可溶性氨基酸、還原糖、脂肪酸等，更有利于微生物的吸收和消化，從而為利用餐廚垃圾廢水制備微生物菌肥提供優良生長條件[3，4]。

以往研究者針對餐廚垃圾廢水制備液態生物固氮菌肥進行了探索，以期減少農田過量施用化肥帶來的土壤有機質含量降低、土壤板結等問題[5，6]，促進土壤肥力的保持與提高[7]，取得較好成果。有研究者對餐廚垃圾廢水制備微生物菌肥進行了探討，利用餐廚垃圾廢水制備粘紅酵母與地衣芽孢桿菌符合菌肥，提高了小油菜的鮮重及葉綠素和過氧化氫酶的含量[8]。利用餐廚垃圾廢水制備固氮菌肥過程中，固氮菌數量隨著培養時間增加，在第4～5 d活菌數最大，達到3.3×1012 CFU/mL.符合國家標準要求（5×108 CFU/mL）。對工藝進行優化時發現pH值對固氮菌的生長代謝具有極顯著影響，而溫度、搖床轉速和接種量對菌株培養影響不顯著，最適pH值為7，NaCI最適濃度為3 g/L，當濃度超過6 g/L時活菌數不達標[9]。有研究者針對固氮菌及解磷菌、解鉀菌的互作效應也有研究進行了探討，發現解磷巨大芽孢桿菌對圓褐固氮菌有促進作用，圓褐固氮菌與解鉀芽孢桿菌之間存在拮抗作用[10]。

以往研究針對餐廚垃圾廢水制備固氮生物菌肥的條件及可行性進行了探討，然而對于固氮菌在餐廚垃圾濕熱處理廢液中的生長情況以及培養過程中的物質變化與生長機制尚缺乏深入研究，本研究針對不同濕熱處理條件下餐廚廢液中固氮菌的生長過程進行解析，從而對為餐廚廢液制備生物菌肥提供理論支持。

2 實驗材料與方法

2.1 實驗材料與儀器

本研究中采用餐廚垃圾取自北京市某大學學生食堂。研究中具有固氮效果的菌種采用圓褐固氮菌，采購自中國普通微生物菌種保藏管理小心（ China GeneralMicrobiological Culture Collection Center， CGMCC），4℃保存備用。

圓褐固氮菌種子培養基：酵母提取物0.5 g;KH：P040.2 g;K2HP04 0.8 g;MgS04·7H20 0.2 g;甘露醇（C6 H1406） 20.0 g;CaS04·2H20 0.1 g;FeCl3微量;Na2M004.2H20微量;瓊脂20.0 g（液體培養基則不加）;蒸餾水1000 mL;pH-7.2。

研究中微生物培養箱選用LRH - 250型生化培養箱，上海恒科技術有限公司;超凈臺選用哈爾濱東聯電子技術開發公司VD-1320型超凈工作臺;滅菌鍋選用日本YAMATO公司SQ510WGC型立式壓力蒸汽滅菌器;搖床選用H2Q-c型恒溫振蕩器，金壇市科析儀器有限公司;離心機選用KDC-160HR型離心機，科大創新股份有限公司;濕熱處理選用油浴鍋、濕熱反應器（定制）;pH計選用PHS- 3D型pH計，上海三信儀表廠;分光光度計選用UV- 5200型紫外分光光度計，上海精密儀器儀表有限公司;定氮儀選用KD-3凱氏定氮儀，上海雷磁;SCOD測定選用COD快速測定儀，蘭州連華環保科技有限公司。

2.2 實驗方法

餐廚垃圾廢水的制備方法：將餐廚垃圾用高速粉碎機粉碎后，使用高速離心機在6000 r/min，4℃的條件下離心20 min，然后去除上層廢油脂及下層固渣，取中間層餐廚垃圾廢水，滅菌后4℃保存備用。

采用濕熱處理的餐廚垃圾廢水的制備方法：將餐廚垃圾用高速粉碎機粉碎后，加入濕熱反應器中，然后將濕熱反應器置于油浴鍋中，分別在80℃、100℃、120℃、140℃的不同加熱溫度條件下進行濕熱反應，停留時間為60 min，取出后再使用高速離心機在6000 r/min、4℃的條件下離心20 min，然后去除上層廢油脂及下層同渣，取中問層餐廚垃圾廢水，調節pH值至7.0，滅菌后4℃保存備用。

對餐廚垃圾廢水的理化性質進行檢測，主要的檢測方法為：pH值使用pH計測定、可溶性化學需氧量（SCOD）采用連華科技COD快速測定法、還原糖采用3，5-二硝基水楊酸比色法、氨氮（NH3—N）采用納氏試劑分光光度法。有效活菌數采用稀釋涂布平板計數法。

餐廚廢液的基本理化指標如表1所示。

由表1可以看出，餐廚垃圾廢水的SCOD含量、還原糖含量和揮發性有機物（VS）占比都很高，表明了餐廚垃圾廢水中含有大量的有機物，適合用作微生物的培養基，但是pH值偏低呈弱酸性，培養前需要調節至中性，同時，經濕熱處理后餐廚垃圾廢水巾的SCOD和還原糖濃度均有所提高，分別從180.7 g/L和9.3 g/L提高到209.6 g/L～238.5 g/L和11.8 g/L～14.6 g/L。

在餐廚垃圾廢水制備固氮菌肥的過程中，將圓褐固氮菌接種至上述不同濕熱處理后的餐廚垃圾廢水中，接種量為1.5%，于30℃培養7d，搖床轉速定為120 r/mm。每日固定時間取樣，樣品過0.45 um濾膜后測定各項理化指標。

3 結果與分析

3.1 固氮菌培養中活菌數與SCOD濃度變化

研究中利用餐廚垃圾不同處理條件下產生的廢水進行圓褐固氮菌培養，考察了在不同培養時間下固氮菌活菌數與SCOD濃度的情況，其結果如圖1所示。從圖1（a）中可以看出，固氮菌在第0～1 d處于調整期，從第2d進入對數生長期，在第5～6 d活菌數達到最大值，開始進入穩定期，固氮菌在不同預處理條件下的餐廚垃圾廢水中培養時呈現出相近的生長趨勢。固氮菌在未經過濕熱處理的餐廚垃圾廢水中培養時最大活菌數為3.3×1010 CFU/mL，而在80℃、100℃、120℃、140℃濕熱處理的餐廚垃圾廢水中培養時最大活菌數依次為7.1×1O-11 CFU/mL、8.8×1011 CFU/ml，、3.1×l012CFU/ml.和2.1×1012 CFU/ml，在120℃濕熱處理時固氮菌的培養效果最好。同時，固氮菌在5種不同預處理條件下的餐廚垃圾廢水中在培養的第3d均達到5×1O8 CFU/mL以上，滿足國家生物菌肥標準中對固氮菌肥料活菌數量的最低要求，且到第7d實驗終止時始終維持在此標準之上。

5種不同處理的廢水SCOD濃度隨著培養時間的延長而持續下降。未經過濕熱處理的餐廚垃圾廢水初始SCOD濃度為180.7 g/L，在固氮菌培養第7 d的SCOD濃度為51.0?g/L，固氮菌對于SCOD的去除率為71.8%。經過濕熱處理的餐廚垃圾廢水初始SCOD濃度和培養終止時的SCOD濃度分別為209.6 g/L～238.5 g/L和28.5 g/L～53.5 g/L，固氮菌對于SCOD的去除率為74.5%～84.9%，平均為81.8%（圖1（b）），說明濕熱處理有助于固氮菌對餐廚垃圾廢水中SCOD的去除。

從圖1（a）中可以看出，SCOD的去除率和廢水中的固氮菌的活菌數密切相關，由于餐廚廢液中含有大量溶解性碳源，包括以乳酸和乙酸為主的有機酸和部分復雜的未知有機物共同組成的復合有機物[11]。濕熱處理提高了餐廚垃圾廢水中溶解性有機碳源的含量，大分子微溶性蛋白質、淀粉、脂肪等水解為小分子可溶性氨基酸、還原糖、脂肪酸等，導致SCOD濃度增加[4]，有研究發現固氮菌主要利用的碳源物質為蔗糖、葡萄糖、甘油、蘋果酸、丙氨酸等[12]。餐廚垃圾濕熱處理導致還原糖、有機酸等增加，因而能夠被固氮菌充分利用，從而促進固氮菌的生長和SCOD的去除。

3.2 固氮菌培養過程中對還原糖的影響

研究中考察了固氮菌在不同餐廚垃圾廢水中培養時還原糖的變化情況，如圖2所示。從圖2（a）中可以看出，在餐廚垃圾廢水接種固氮菌之后，還原糖的濃度出現先下降再上升，之后再下降的過程。在固氮菌培養過程中，第1～2 d還原糖濃度下降，此時微生物開始進入對數生長期;之后還原糖濃度平緩上升，在第4d達到峰值，此時微生物的生長處于由對數生長期進入穩定期的過程，微生物濃度進入穩定期之后，還原糖濃度急速下降（第5～6 d），在培養第7 d趨于穩定。5種不同預處理的餐廚垃圾廢水中的還原糖變化均遵從相近的規律。

還原糖濃度的變化趨勢表明，接種初期菌體處于生長適應期，主要利用餐廚垃圾廢水中游離的還原糖生長，第2d后餐廚垃圾廢水中微生物密度快速上升，還原糖消耗急劇加快，但相關研究表明，系統產物合成和底物分解與菌體生長耦聯，隨著菌體數量的增加也對底物基質進行發酵分解，還原糖濃度在雙重作用下開始增加;在培養中期（第4 d），底物分解產生的還原糖達到最高值之后，為維持菌體的自身生長進入純消耗階段，還原糖濃度持續下降，在培養終止時達到穩定[13]。關曉男等在研究乙醇同步糖化發酵的過程中發現，底物中還原糖濃度也有相似規律，先升高后降低，還原糖濃度的升高主要是由于培養過程中底物的酶解，然而隨著微生物菌體生長，還原糖被用于合成菌體生長所需的碳骨架和提供菌體代謝產物的原料[14]，

從圖2（a）中可以看出，未經過濕熱處理的餐廚垃圾廢水初始還原糖濃度和培養終止時的還原糖濃度分別為9.3 g/L和4.1g/L，還原糖利用率為56.1%，而其他經過濕熱處理的餐廚垃圾廢水初始還原糖濃度和培養終止時的還原糖濃度分別為11.8 g/L～14.6 g/L和2.7 g/L～4.3 g/L，還原糖利用率為63.6%～79.5%，平均為73.3%（圖2（b））。結合圖1（a）中固氮菌活菌數變化情況，可以看出還原糖是固氮菌在餐廚垃圾廢水中生長的主要碳源之一。

3.3 固氮菌培養過程中氨氮的變化情況

研究中考察了固氮菌在不同餐廚垃圾廢水中培養時氨氮的變化情況，結果如圖3所示。從圖中可以看出，餐廚垃圾廢水初始氨氮濃度范圍為316.2～447.2mg/L，固氮菌培養第1 d達到第一個峰值，最高濃度為735.8 mg/L，之后濃度下降，在第5d達到第二個峰值，最高為622.5 mg/L，在第7d培養終止時，濃度在314.4～434.8 mg/L之間，與初始濃度基本持平，5種不同預處理的餐廚垃圾廢水中的氨氮濃度的變化均遵從相似的規律。在培養初期，由于餐廚廢水巾的蛋白質等含氮有機物水解，產生氨氮和有機酸，導致氨氮濃度大幅提升[15];隨著培養時間的延長，固氮菌進入對數生長期，部分氨氮會被微生物利用·同化成自身細胞物質，因而氨氮濃度下降[16];到培養第5 d時，固氮菌活菌數達到峰值，開始進入穩定期，減少了對于氨氮的消耗，導致其濃度再次上升。

3.4 固氮菌培養過程中pH值變化

研究中考察了固氮菌在不同餐廚垃圾廢水中培養時pH值的變化情況，如圖4所示。為了使固氮菌在餐廚垃圾廢水中更好的生長，實驗將初始pH值調節至7.0左右，在實驗開始的48 h之內，系統的pH值下降至5.5左右，之后的波動區間保持在5.3～6.3之間，實驗結束時各系統的pH值在5.71～6.06之問。餐廚垃圾廢水pH值的變化規律分為兩個階段，培養初期（第1～2 d）餐廚垃圾廢水pH值降低可能是由于底物分解產生較多的有機酸[17]，隨著培養時間的延長，在培養中后期（第3～7 d）由于氨氮濃度有所升高（圖3），廢水pH值隨之有所升高，其變化與氨氮有一定相關性。

4 結論

本研究利用餐廚垃圾處理廢水進行液態固氮菌肥制備，以圓褐固氮菌為實驗菌種，考察餐廚垃圾在不同濕熱預處理條件下，固氮菌在餐廚垃圾廢水中的生長情況及廢水各項理化性質的變化規律。主要得出以下結論：

（1）在圓褐固氮菌培養過程中，活菌數在培養的第3d即達到5×108 CFU/mL以上，達到國家標準要求，在未經過濕熱處理的餐廚垃圾廢水培養時圓褐固氮菌活菌數最高達到3.3×1010CFU/mL，而濕熱處理對固氮菌在餐廚垃圾廢水中的生長有顯著的促進作用，最高活菌數達到3.1×1012 CFU/mL。

（2）固氮菌的培養過程中，餐廚垃圾廢水中SCOD、還原糖隨時間延長不斷降低，利用率分別達到79.7%和56.1%，經過濕熱處理，圓褐固氮菌對餐廚垃圾廢水中SCOD、還原糖利用率分別提高了2.7%～13.1%、7.6%～23.4%。

（3）餐廚垃圾廢水中的氨氮濃度在培養過程中經過兩次升高和降低變化，在培養7d后與初始濃度基本持平;廢水中的pH值隨著培養天數延長先有所降低，后又緩慢升高，試驗結束時pH值在5.71～6.06之間。

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