餐廚垃圾廢水制備液態(tài)固氮菌肥的培養(yǎng)特性研究

王永京 林昌源 任連海 楊振兵 李學(xué)偉 郭新愿

摘要：利用餐廚垃圾廢水進(jìn)行液態(tài)固氮菌肥制備，以圓褐固氮菌為實(shí)驗(yàn)菌種.考察餐廚垃圾在不同濕熱預(yù)處理?xiàng)l件下，固氮茵在餐廚垃圾廢水中的生長情況及廢水水質(zhì)變化規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，濕熱預(yù)處理對固氮菌的生長具有顯著的促進(jìn)作用。在固氮茵的培養(yǎng)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(jìn)固氮菌對SCoD、還原糖的利用效果。在培養(yǎng)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(yǎng)時間的延長有所升高，基本維持在5.71～6.06之間。

關(guān)鍵詞：餐廚垃圾廢水;濕熱處理;圓褐固氮茵;液態(tài)茵肥

中圖分類號：X799

文獻(xiàn)標(biāo)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(jìn)程不斷加快，餐廚垃圾產(chǎn)出量日漸增多，餐廚垃圾處理過程中產(chǎn)生大量廢水，增加后續(xù)污水處理負(fù)荷，然而其含有豐富的小分子糖、多肽、氨基酸等營養(yǎng)物質(zhì)，適于被微生物利用[1]。餐廚垃圾濕熱水解預(yù)處理技術(shù)應(yīng)用廣泛[2]，該技術(shù)能夠進(jìn)一步將餐廚垃圾中大分子微溶性蛋白質(zhì)、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(yōu)良生長條件[3，4]。

以往研究者針對餐廚垃圾廢水制備液態(tài)生物固氮菌肥進(jìn)行了探索，以期減少農(nóng)田過量施用化肥帶來的土壤有機(jī)質(zhì)含量降低、土壤板結(jié)等問題[5，6]，促進(jìn)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(jìn)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(shù)量隨著培養(yǎng)時間增加，在第4～5 d活菌數(shù)最大，達(dá)到3.3×1012 CFU/mL.符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求（5×108 CFU/mL）。對工藝進(jìn)行優(yōu)化時發(fā)現(xiàn)pH值對固氮菌的生長代謝具有極顯著影響，而溫度、搖床轉(zhuǎn)速和接種量對菌株培養(yǎng)影響不顯著，最適pH值為7，NaCI最適濃度為3 g/L，當(dāng)濃度超過6 g/L時活菌數(shù)不達(dá)標(biāo)[9]。有研究者針對固氮菌及解磷菌、解鉀菌的互作效應(yīng)也有研究進(jìn)行了探討，發(fā)現(xiàn)解磷巨大芽孢桿菌對圓褐固氮菌有促進(jìn)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(jìn)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(yǎng)過程中的物質(zhì)變化與生長機(jī)制尚缺乏深入研究，本研究針對不同濕熱處理?xiàng)l件下餐廚廢液中固氮菌的生長過程進(jìn)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(shí)驗(yàn)材料與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)材料與儀器

本研究中采用餐廚垃圾取自北京市某大學(xué)學(xué)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?zhèn)溆谩?/p>

圓褐固氮菌種子培養(yǎng)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(yǎng)基則不加）;蒸餾水1000 mL;pH-7.2。

研究中微生物培養(yǎng)箱選用LRH - 250型生化培養(yǎng)箱，上海恒科技術(shù)有限公司;超凈臺選用哈爾濱東聯(lián)電子技術(shù)開發(fā)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(jī)選用KDC-160HR型離心機(jī)，科大創(chuàng)新股份有限公司;濕熱處理選用油浴鍋、濕熱反應(yīng)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(huán)?？萍加邢薰尽?/p>

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

餐廚垃圾廢水的制備方法：將餐廚垃圾用高速粉碎機(jī)粉碎后，使用高速離心機(jī)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?zhèn)溆谩?/p>

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(jī)粉碎后，加入濕熱反應(yīng)器中，然后將濕熱反應(yīng)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(jìn)行濕熱反應(yīng)，停留時間為60 min，取出后再使用高速離心機(jī)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(diào)節(jié)pH值至7.0，滅菌后4℃保存?zhèn)溆谩?/p>

對餐廚垃圾廢水的理化性質(zhì)進(jìn)行檢測，主要的檢測方法為：pH值使用pH計測定、可溶性化學(xué)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(shù)采用稀釋涂布平板計數(shù)法。

餐廚廢液的基本理化指標(biāo)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(fā)性有機(jī)物（VS）占比都很高，表明了餐廚垃圾廢水中含有大量的有機(jī)物，適合用作微生物的培養(yǎng)基，但是pH值偏低呈弱酸性，培養(yǎng)前需要調(diào)節(jié)至中性，同時，經(jīng)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(yǎng)7d，搖床轉(zhuǎn)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(xiàng)理化指標(biāo)。

3 結(jié)果與分析

3.1 固氮菌培養(yǎng)中活菌數(shù)與SCOD濃度變化

研究中利用餐廚垃圾不同處理?xiàng)l件下產(chǎn)生的廢水進(jìn)行圓褐固氮菌培養(yǎng)，考察了在不同培養(yǎng)時間下固氮菌活菌數(shù)與SCOD濃度的情況，其結(jié)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(diào)整期，從第2d進(jìn)入對數(shù)生長期，在第5～6 d活菌數(shù)達(dá)到最大值，開始進(jìn)入穩(wěn)定期，固氮菌在不同預(yù)處理?xiàng)l件下的餐廚垃圾廢水中培養(yǎng)時呈現(xiàn)出相近的生長趨勢。固氮菌在未經(jīng)過濕熱處理的餐廚垃圾廢水中培養(yǎng)時最大活菌數(shù)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(yǎng)時最大活菌數(shù)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(yǎng)效果最好。同時，固氮菌在5種不同預(yù)處理?xiàng)l件下的餐廚垃圾廢水中在培養(yǎng)的第3d均達(dá)到5×1O8 CFU/mL以上，滿足國家生物菌肥標(biāo)準(zhǔn)中對固氮菌肥料活菌數(shù)量的最低要求，且到第7d實(shí)驗(yàn)終止時始終維持在此標(biāo)準(zhǔn)之上。

5種不同處理的廢水SCOD濃度隨著培養(yǎng)時間的延長而持續(xù)下降。未經(jīng)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(yǎng)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(jīng)過濕熱處理的餐廚垃圾廢水初始SCOD濃度和培養(yǎng)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(shù)密切相關(guān)，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(jī)酸和部分復(fù)雜的未知有機(jī)物共同組成的復(fù)合有機(jī)物[11]。濕熱處理提高了餐廚垃圾廢水中溶解性有機(jī)碳源的含量，大分子微溶性蛋白質(zhì)、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(dǎo)致SCOD濃度增加[4]，有研究發(fā)現(xiàn)固氮菌主要利用的碳源物質(zhì)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(dǎo)致還原糖、有機(jī)酸等增加，因而能夠被固氮菌充分利用，從而促進(jìn)固氮菌的生長和SCOD的去除。

3.2 固氮菌培養(yǎng)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(yǎng)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(xiàn)先下降再上升，之后再下降的過程。在固氮菌培養(yǎng)過程中，第1～2 d還原糖濃度下降，此時微生物開始進(jìn)入對數(shù)生長期;之后還原糖濃度平緩上升，在第4d達(dá)到峰值，此時微生物的生長處于由對數(shù)生長期進(jìn)入穩(wěn)定期的過程，微生物濃度進(jìn)入穩(wěn)定期之后，還原糖濃度急速下降（第5～6 d），在培養(yǎng)第7 d趨于穩(wěn)定。5種不同預(yù)處理的餐廚垃圾廢水中的還原糖變化均遵從相近的規(guī)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(yīng)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(guān)研究表明，系統(tǒng)產(chǎn)物合成和底物分解與菌體生長耦聯(lián)，隨著菌體數(shù)量的增加也對底物基質(zhì)進(jìn)行發(fā)酵分解，還原糖濃度在雙重作用下開始增加;在培養(yǎng)中期（第4 d），底物分解產(chǎn)生的還原糖達(dá)到最高值之后，為維持菌體的自身生長進(jìn)入純消耗階段，還原糖濃度持續(xù)下降，在培養(yǎng)終止時達(dá)到穩(wěn)定[13]。關(guān)曉男等在研究乙醇同步糖化發(fā)酵的過程中發(fā)現(xiàn)，底物中還原糖濃度也有相似規(guī)律，先升高后降低，還原糖濃度的升高主要是由于培養(yǎng)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(chǎn)物的原料[14]，

從圖2（a）中可以看出，未經(jīng)過濕熱處理的餐廚垃圾廢水初始還原糖濃度和培養(yǎng)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(jīng)過濕熱處理的餐廚垃圾廢水初始還原糖濃度和培養(yǎng)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(jié)合圖1（a）中固氮菌活菌數(shù)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(yǎng)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(yǎng)時氨氮的變化情況，結(jié)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(yǎng)第1 d達(dá)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(dá)到第二個峰值，最高為622.5 mg/L，在第7d培養(yǎng)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(yù)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(guī)律。在培養(yǎng)初期，由于餐廚廢水巾的蛋白質(zhì)等含氮有機(jī)物水解，產(chǎn)生氨氮和有機(jī)酸，導(dǎo)致氨氮濃度大幅提升[15];隨著培養(yǎng)時間的延長，固氮菌進(jìn)入對數(shù)生長期，部分氨氮會被微生物利用·同化成自身細(xì)胞物質(zhì)，因而氨氮濃度下降[16];到培養(yǎng)第5 d時，固氮菌活菌數(shù)達(dá)到峰值，開始進(jìn)入穩(wěn)定期，減少了對于氨氮的消耗，導(dǎo)致其濃度再次上升。

3.4 固氮菌培養(yǎng)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(yǎng)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(shí)驗(yàn)將初始pH值調(diào)節(jié)至7.0左右，在實(shí)驗(yàn)開始的48 h之內(nèi)，系統(tǒng)的pH值下降至5.5左右，之后的波動區(qū)間保持在5.3～6.3之間，實(shí)驗(yàn)結(jié)束時各系統(tǒng)的pH值在5.71～6.06之問。餐廚垃圾廢水pH值的變化規(guī)律分為兩個階段，培養(yǎng)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(chǎn)生較多的有機(jī)酸[17]，隨著培養(yǎng)時間的延長，在培養(yǎng)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(guān)性。

4 結(jié)論

本研究利用餐廚垃圾處理廢水進(jìn)行液態(tài)固氮菌肥制備，以圓褐固氮菌為實(shí)驗(yàn)菌種，考察餐廚垃圾在不同濕熱預(yù)處理?xiàng)l件下，固氮菌在餐廚垃圾廢水中的生長情況及廢水各項(xiàng)理化性質(zhì)的變化規(guī)律。主要得出以下結(jié)論：

（1）在圓褐固氮菌培養(yǎng)過程中，活菌數(shù)在培養(yǎng)的第3d即達(dá)到5×108 CFU/mL以上，達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)要求，在未經(jīng)過濕熱處理的餐廚垃圾廢水培養(yǎng)時圓褐固氮菌活菌數(shù)最高達(dá)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(jìn)作用，最高活菌數(shù)達(dá)到3.1×1012 CFU/mL。

（2）固氮菌的培養(yǎng)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(dá)到79.7%和56.1%，經(jīng)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(yǎng)過程中經(jīng)過兩次升高和降低變化，在培養(yǎng)7d后與初始濃度基本持平;廢水中的pH值隨著培養(yǎng)天數(shù)延長先有所降低，后又緩慢升高，試驗(yàn)結(jié)束時pH值在5.71～6.06之間。

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