CN112094146B - 一种利用好氧猪粪废水制备生态菌肥的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及废水处理及菌肥制备技术领域，具体涉及一种利用好氧猪粪废水制备生态菌肥的方法。本发明的方法，以猪粪废水的厌氧‑缺氧‑好氧三段式废水处理系统的好氧阶段池出水为原料，培养光合细菌沼泽红假单胞菌、荚膜红细菌和类球红细菌制备，实现了利用同一类细菌的复配使用通过一次培养即可将高钾含量的好氧池猪粪便废水出水制备为生态菌肥，提高了废水中有机物、氨氮以及有毒有害物质的降解效率，具有菌种制备和废水处理工艺简单、成本低等优势；制备的生态菌肥富含多种营养元素以及光合细菌，能够显著提高植物的生长以及光合作用等代谢活性，快速增加土壤中速效磷、速效钾含量，有效提升植物的产量和品质，改良缺磷、缺钾型贫瘠土壤。

Description

一种利用好氧猪粪废水制备生态菌肥的方法
技术领域
本发明涉及废水处理及菌肥制备技术领域，具体涉及一种以好氧猪粪废水处理过程中的好氧处理出水为原料利用光合细菌制备生态菌肥的方法。
背景技术
自20世纪60年代日本科学家M.Kobayashi等发现光合细菌(PSB)能净化水质以来，光合细菌就一直受到人们的关注。光合细菌广泛分布在海洋，河流，湖泊和土壤中。Rhodobacter Sphaeroides作为应用最广泛的光合细菌菌株，广泛地被应用于处理大豆加工废水，糖厂废水，轻工业废水，畜禽废水的处理，且COD的去除率可达70％-90％。光合细菌在废水处理工艺后所获得的菌体中的一些提取物，例如单细胞蛋白(SCP)，生物聚合物，抗菌药物，胡萝卜素，泛酸和其他治疗类化合物等可作为种植，医药，化妆品，食品等行业的添加剂。因此，利用光合细菌可以在降解污水污染物的同时实现资源化的目的，在当今资源缺乏的时代具有较为广阔的应用前景。
随着新型农业、生态型农业的科学技术的进步，生态型施肥成为农业产业化经营的主流，通过施用微生物菌肥能够改善土壤状况，提高植株的生长发育状态，改善农产品的品质，达到绿色施肥，绿色生产，绿色农业的效果。微生物菌肥施肥具有高投入、高产出、高生态的三重特点，是今后农业施肥的重要发展方向。
纯种的光合细菌作为生态菌肥用于种植业中，能提高种子发芽率和出苗率、促进植物生长和增加产量，提高作物的抗病性和抗逆性、增强水果的耐贮性、减轻农药对作物的毒害和降解作物中残留的农药。这些作用主要归功于光合细菌丰富的代谢产物。土壤中施入光合细菌后，光合细菌利用土壤和植物的营养元素进行自我繁殖，其代谢产物中除了有丰富的蛋白质外，还有辅酶Q、泛酸等多中营养物质，这些代谢产物不仅能给土壤中微生物提供丰富营养，促进其他微生物繁殖，土壤中的微生物大量增加使土壤迅速肥沃起来，另外，光合细菌代谢产生的生长因子能提高作物细胞活性，增强作物的光合作用。
随着人口的增多和人民生活水平逐渐提高，人类对粮食的需求越来越大，对畜禽肉蛋类的需求逐渐增加，为了提高粮食产量，化肥的使用量越来越高，从而导致了土壤，大气和水体方面的污染，并破坏了生态系统；对畜禽产品的需求促进了国内畜禽生产的集约化、工厂化发展，大型的畜禽养殖在供给了充足的畜牧产品的同时，也造成了大量畜禽养殖废弃物的产生、化肥滥用和大量畜禽废水的排放，而成为污染环境的主要因素。利用光合细菌处理畜禽废水或作为生态菌肥的报道屡见不鲜，但是光合细菌处理后的畜禽废水中仍含有植物所需的N、P、K等元素，且光合细菌的质量在处理废水的过程中增加，如能将光合细菌处理的畜禽废水作为生态菌肥，既可以减少化肥、农药的用量，又能通过资源化再利用从根本上解决畜禽废水污染问题，一举两得，是实现农业部“一控二减三基本”目标的重要途径。
畜禽养殖污水具有高COD、高氨氮含量，含有多种重金属离子等特点，直接作为肥料容易对植物生长产生不利影响。现有技术中利用畜禽养殖污水制备生态菌肥多需通过由硝化细菌等多种厌氧微生物、芽孢杆菌等多种好氧微生物以及真菌等组成的复杂微生物体系的联合作用或通过多级发酵处理制备，菌种培养过程和废水处理工艺复杂、成本高而且制备得到的生态菌肥的菌种和营养成分组成对于植物的生长和品质的提升作用十分有限，不适于大规模应用。因此，亟需开发以高浓度畜禽粪便污水为原料的、处理工艺简单、得到的生态菌肥的肥效优异的生态菌肥的制备方法。
发明内容
为解决现有技术存在的技术问题，本发明的目的在于提供一种以好氧猪粪废水处理过程中的好氧处理出水为原料利用光合细菌制备生态菌肥的方法。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：本发明在对大量光合细菌进行性质、功能和代谢产物组分分析和研究的基础上，通过大量的筛选对比确定了适用于经好氧池处理的猪粪废水处理的光合细菌菌种组合。利用沼泽红假单胞菌(Rhodopseudomonaspalustris)、荚膜红细菌(Rhodobacter capsulatus)、类球红细菌(Rhodobactersphaeroides)3种光合细菌的配合作用处理经好氧池处理的猪粪废水，实现了使用单一种类细菌的一次培养即可制备能够有效促进植物生长、提升其营养品质与快速增加缺磷、缺钾土壤速效钾含量的光合细菌生态菌肥。
具体地，本发明提供一种利用好氧猪粪废水制备生态菌肥的方法，以好氧猪粪废水为原料，接种光合细菌，经培养后制备得到；所述好氧猪粪废水来源于猪粪废水的厌氧-缺氧-好氧三段式废水处理系统的好氧池出水猪粪废水；所述光合细菌包括沼泽红假单胞菌(Rhodopseudomonas palustris)、荚膜红细菌(Rhodobacter capsulatus)、类球红细菌(Rhodobacter sphaeroides)。
作为本发明的优选方案，所述沼泽红假单胞菌为菌种保藏编号为CGMCCNO.1.8929的菌株，荚膜红细菌为菌种保藏编号为CGMCC NO.1.3366的菌株，类球红细菌为菌种保藏编号为CGMCC NO.1.5028的菌株。
为更好地与沼泽红假单胞菌、荚膜红细菌和类球红细菌的废水处理功能匹配，使得生态菌肥的营养物质组成更适于植物生长需求，上述好氧池出水猪粪废水的COD浓度为0.6×103～1.3×103mg/L，总氮浓度为50～80mg/L；总磷浓度为50～80mg/L；钾浓度为4.60×103～4.64×103mg/L。
优选地，所述好氧池出水猪粪废水的COD浓度为0.98×103～1.18×103mg/L，总氮浓度为60～68mg/L；总磷浓度为69～76mg/L；钾浓度为4.60×103～4.64×103mg/L。
所述光合细菌中，沼泽红假单胞菌(Rhodopseudomonas palustris)、荚膜红细菌(Rhodobacter capsulatus)和类球红细菌(Rhodobacter sphaeroides)的质量比为1:(1～3):(1～3)。以上述质量比配合接种，能够使得培养过程中各菌种更好地配合，最大限度地降低菌种间的抑制作用，最大程度地发挥其生长代谢的协同促进作用以及代谢产物的协同配合作用，进而更高效地处理好氧猪粪废水中的有机物和有毒有害物质。
上述沼泽红假单胞菌(Rhodopseudomonas palustris)、荚膜红细菌(Rhodobactercapsulatus)和类球红细菌(Rhodobacter sphaeroides)的质量比优选为1:(1～2):(1～1.5)。
优选地，所述光合细菌的接种量为至光合细菌浓度为0.25g/L～0.45g/L。采用上述接种量能够使得光合细菌更加快速地进入生长期，缩短培养周期，同时保持菌种培养活力。
本发明中，所述光合细菌的种子液可以采用本领域常规的技术手段获得。进一步优选地，采用处于对数生长期的光合细菌接种。
所述培养处理为至培养液的COD浓度为300～550mg/L，总氮浓度为30～50mg/L，总磷浓度为20～55mg/L，光合细菌浓度为0.5～0.9g/L结束培养；
优选地，所述培养处理为至培养液的COD浓度为320～510mg/L，总氮浓度为40～48mg/L，总磷浓度为35～55mg/L，光合细菌浓度为0.62～0.79g/L结束培养；
所述培养液可直接作为生态菌肥，或加入肥料领域允许的辅料制备为生态菌肥。
本发明中，所述光合细菌的浓度可以根据对数生长期的细菌干重与其光密度(OD)的相关性制作光合细菌的干重-OD值标准曲线进行换算。例如：光合细菌浓度为0.80g/L相当于OD600为1.4。
经验证，上述培养液的营养成分组成能够较好地适用于蔬菜类作物的生长和种植，且能快速增加缺钾型土壤的速效钾含量。
为更好地保证好氧猪粪废水的培养处理效率，优选地，所述培养处理的时间为1～3天。
所述培养处理在自然微氧条件下进行，温度为26～28℃，氧化还原电位为-300～100mV。
为促进光合细菌的更好地生长繁殖，优选地，在接种所述光合细菌前，将所述猪粪废水的pH调节至6.7～7.0。
作为本发明的优选方案，所述利用好氧猪粪废水制备生态菌肥的方法包括如下步骤：
(1)好氧猪粪废水原料的获得：猪粪废水来源于的厌氧-缺氧-好氧三段式废水处理系统的好氧池出水，其COD浓度为0.98×103～1.18×103mg/L，总氮浓度为60～68mg/L；总磷浓度为69～76mg/L；将上述猪粪废水离心取上层清液后，调节pH为6.7～7.0。
(2)光合细菌种子液的制备和接种：在种子培养基中培养沼泽红假单胞菌CGMCCNO.1.8929、荚膜红细菌CGMCC NO.1.3366、类球红细菌CGMCC NO.1.5028至对数生长期得到种子液；将所述种子液接种于猪粪废水，接种量为至光合细菌浓度为0.25～0.45g/L，其中沼泽红假单胞菌CGMCC NO.1.8929、荚膜红细菌CGMCC NO.1.3366和类球红细菌CGMCCNO.1.5028的质量比为1:(1～2):(1～1.5)；
(3)培养处理：在自然微氧条件下，26～28℃，ORP为-300～100mV。培养1～3天，至培养液的总氮浓度为40～48mg/L，总磷浓度为35～55mg/L，光合细菌浓度为0.62～0.79g/L结束培养；所得培养液即为所述生态菌肥。
进一步地，本发明提供所述利用好氧猪粪废水制备生态菌肥的方法制备得到的生态菌肥。
优选地，所述生态菌肥中，总氮浓度为30～50mg/L，总磷浓度为20～55mg/L，光合细菌浓度为0.5～0.9g/L。
进一步优选地，所述生态菌肥中，总氮浓度为40～48mg/L，总磷浓度为35～55mg/L，光合细菌浓度为0.62～0.79g/L。
在此基础上，本发明还提供所述生态菌肥在改良贫瘠土壤及促进土壤植物生长、提高植物产量、或提高植物品质中的应用。
优选地，所述应用为将所述生态菌肥以根施法施用。
优选地，所述植物为蔬菜；更优选为叶菜。
作为本发明的一种实施方式，当所述植物为生菜时，所述应用为在生菜定植缓苗后，每隔10-15天采用根施法以本发明所述的生态菌肥进行施肥。
具体地，每平方米贫瘠土壤施用所述生态菌肥5-7L。
本发明的有益效果在于：本发明提供的利用光合细菌处理好氧猪粪便废水的方法，实现了利用同一种类细菌的复配使用通过一次培养处理即可将高COD、高氨氮含量的好氧池猪粪便废水制备为生态菌肥，有效避免了复杂的培养微生物体系存在的相互干扰和拮抗作用，最大程度地发挥了同类微生物的协同配合作用，显著提高了废水处理中有机物、氨氮以及有毒有害物质的降解效率，同时具有菌种制备和废水处理工艺简单、易操作、对设备要求低、成本低等优势；制备的生态菌肥含有有助于植物生长的氮、磷、钾、锌等大量与微量元素以及氨基酸、维生素、矿物质等多种营养元素以及光合细菌，全面的营养元素以及光合细菌代谢产生的生长因子能够显著提高植物的生长以及光合作用等代谢活性，同时能够促进土壤微生物的生长繁殖，增强土壤肥力，显著提升植物的产量和营养品质(可溶性蛋白含量、可溶性糖含量、维生素C含量等)，且液肥中较多的磷、钾元素可以增加土壤中速效磷、速效钾含量，改良缺磷型、缺钾型贫瘠土壤。
本发明提供的利用好氧猪粪废水制备生态菌肥的方法为畜禽养殖废水资源化处理、变废为宝和应用提供了新的思路和科学依据，为农作物增产、提质、减少化肥使用量、改良典型贫瘠土壤提供了有效方法，实现了废水资源化、环境保护以及经济收益的综合提升。
附图说明
图1为本发明实施例1中不同处理组的盆栽生菜试验的生菜形态指标检测结果。
图2为本发明实施例1中不同处理组的盆栽生菜试验的部分光合指标和品质指标检测结果。
图3为本发明实施例1中不同处理组的盆栽生菜试验的土壤速效磷含量、速效钾含量、微生物总量指标检测结果。
图4为本发明实施例2中生菜幼苗移植于平谷区缺钾型贫瘠土壤后采用三种培养液处理组的品质指标检测结果。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的优选实施方式进行详细说明。需要理解的是以下实施例的给出仅是为了起到说明的目的，并不是用于对本发明的范围进行限制。本领域的技术人员在不背离本发明的宗旨和精神的情况下，可以对本发明进行各种修改和替换。
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
选取的土壤为平谷区缺钾型贫瘠土壤。
下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。以下实施例所用光合细菌菌株均购自中国普通微生物保藏管理中心(地址：北京市朝阳区北辰西路1号院3号中国科学院微生物研究所)。
实施例1光合细菌生态菌肥的制备和应用
1、光合细菌生态菌肥的制备
本实施例采用的好氧猪粪废水原料为取自猪粪废水厌氧-缺氧-好氧三段式废水处理系统的好氧池出水，其COD浓度为1085mg/L，总氮浓度为67.4mg/L；总磷浓度为72.9mg/L。
(1)猪粪废水原料的获得：上述猪粪废水原料离心取上层清液后，调节pH为6.8；
(2)光合细菌种子液的制备和接种：在种子培养基中培养沼泽红假单胞菌CGMCCNO.1.8929、荚膜红细菌CGMCC NO.1.3366、类球红细菌CGMCC NO.1.5028至对数生长期得到种子液；将种子液接种于猪粪废水原料中，接种量为至光合细菌浓度为0.40g/L，其中，沼泽红假单胞菌CGMCC NO.1.8929浓度为0.11g/L、荚膜红细菌CGMCC NO.1.3366浓度为0.16g/L、类球红细菌CGMCC NO.1.5028浓度为0.13g/L；
(3)培养处理和生态菌肥制备：在自然微氧条件下，28℃，ORP为-300～100mV，培养2天，测得OD660为1.38，COD浓度342.3mg/L，总氮(TN)浓度为42.1mg/L，总磷(TP)浓度为51.6mg/L，光合细菌浓度为0.78g/L(OD660为1.37)结束培养，所得培养液即为所述生态菌肥(液肥)。
2、光合细菌生态菌肥的应用
将上述制备的生态菌肥施用于缺钾型贫瘠土壤，以生菜为供试对象，检测其对于生菜生长和品质及其对于土壤营养成分的作用。
供试种苗：生菜幼苗，品种为超级大速生生菜苗，苗龄25天，购于中农富通通州科技园。
综合处理步骤如下：生菜幼苗移植于平谷区缺钾型贫瘠土壤，每个处理为1平方米。各处理浇水至土壤持水量的75％，所有设计组每15天按操作方式进行浇灌，其余时间用清水进行日常照料。本实施例中，光合细菌PSB在好氧猪粪废水中培养了2天，测得的OD660为1.38，此刻COD浓度为342.3mg/L，TN浓度为42.1mg/L，TP浓度为51.6mg/L，摇匀，待用。具体试验设计如表1：
表1试验设计表
设计组 操作方式
空白对照(CK) 根灌去离子水6L
好氧PSB4.5L 根灌好氧出水PSB液肥4.5L
好氧PSB6L 根灌好氧出水PSB液肥6L
好氧PSB7.5L 根灌好氧出水PSB液肥7.5L
好氧出水 根灌好氧出水6L
分别施用6L的去离子水(空白对照)、好氧出水、好氧出水PSB于贫瘠土壤中发现，以好氧出水PSB肥效最佳，见图1-图3。与空白对照相比，好氧出水PSB菌肥处理组的生菜株高、地上部鲜重分别增加了26.93％、75.48％；其叶绿素含量是空白对照组的1.23倍；在品质指标方面，可溶性蛋白含量、可溶性糖含量、维生素C含量分别比空白对照提高了19.65％、23.31％、17.09％；其土壤速效磷含量、速效钾含量、微生物总量增加尤为明显，提高率为32.28％、110.24％、30.02％。好氧出水处理组与空白对照相比，虽然诸多指标也有提升，但是并不能改善土壤微生物环境。
在生菜移植后的整个阶段使用该生态菌肥，见图1-图3。施用好氧PSB6L的生菜，其形态指标株高、地上部鲜重比施用好氧池水PSB4.5L增加了9.85％、18.69％；其叶绿素含量是施用好氧池水PSB4.5L的1.10倍；在品质指标方面，可溶性蛋白含量、可溶性糖含量、维生素C含量分别比施用好氧池水PSB4.5L提高了12.35％、9.33％、8.88％；其土壤速效磷含量、速效钾含量、微生物总量增加尤为明显，提高率为32.28％、110.24％、30.02％。说明该液态菌肥可以促进生菜生长，从而提高生菜产量，也反应出该菌肥施用4.5L的量较少，不足以提高生菜的产量与品质。
施用7.5L的量后生菜各项指标虽然比施用6L的处理组各项指标好，但是施用7.5L的地上部鲜重仅比施用6L的处理组增加了1.34％，增产效果并不明显；在品质指标方面，可溶性蛋白含量、可溶性糖含量、维生素C含量比施用好氧池水PSB6L的处理组提高了3.60％、2.47％、3.43％，虽然也有所提高，但是幅度不大，从成本考虑，不建议施用量过大。
实施例2
本实例中供试种苗、与实施例1相同。本实施例提供一种以猪粪废水厌氧-缺氧-好氧三段式废水处理系统的厌氧池出水为原料利用光合细菌制备生态菌肥的方法，具体如下：
本实施例采用的猪粪废水原料为取自猪粪废水厌氧-缺氧-好氧三段式废水处理系统的好氧池出水，其COD浓度为1106mg/L，总氮浓度为66.1mg/L；总磷浓度为73.5mg/L。
(1)猪粪废水原料的获得：上述猪粪废水原料离心取上层清液后，调节pH为6.9；
综合处理步骤如下：生菜幼苗移植于平谷区缺钾型贫瘠土壤，每个处理为1平方米。各处理浇水至土壤持水量的75％，所有设计组每15天按操作方式进行浇灌，其余时间用清水进行日常照料。各处理浇水至土壤持水量的75％，所有设计组每13天按操作方式进行浇灌，施用量为6L，其余时间用清水进行日常照料。
(2)本实例中，不同PSB组分比例在好氧池猪粪废水出水中，26℃下培养3天，分别为：
培养液A沼泽红假单胞菌CGMCC NO.1.8929浓度为0.10g/L、荚膜红细菌CGMCCNO.1.3366浓度为0.16g/L、类球红细菌CGMCC NO.1.5028浓度为0.12g/L；
培养液B沼泽红假单胞菌CGMCC NO.1.8929浓度为0.12g/L、类球红细菌CGMCCNO.1.5028浓度为0.10g/L；
培养液C荚膜红细菌CGMCC NO.1.3366浓度为0.16g/L、类球红细菌CGMCCNO.1.5028浓度为0.22g/L；
上述培养液A、B、C测得COD浓度分别为403mg/L，596mg/L，684mg/L；TN浓度分别为45.2mg/L，52.7mg/L，56.3mg/L；TP浓度为49.6mg/L，53.7mg/L，60.1mg/L光合细菌浓度分别为0.78g/L，0.62g/L，0.58g/L结束培养，所得培养液A(生态菌肥)、培养液B、培养液C。
(3)结果
在生菜移植后的整个阶段进行处理，实验结果如图4所示，施用培养液A的处理组生菜在株高、可溶性蛋白含量、叶绿素总量、维生素C含量、土壤微生物总量方面均比培养液B、培养液C的处理组高；这可能是因为后两种培养液在处理猪粪废水后的营养元素含量与生菜所需的营养元素含量有差别，且后两种培养液中只有两种光合细菌，虽然也可以促进生菜生长发育但效果不是最佳，这可能与不同种类光合细菌对土壤的作用以及土壤中不同菌种种群之间的相互作用有关。
虽然，上文中已经用一般性说明、具体实施方式及试验，对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (3)

1.生态菌肥在促进植物生长、提高植物产量、或提高植物品质及改良贫瘠土壤中的应用，其特征在于，所述生态菌肥利用好氧猪粪废水制备得到，所述生态菌肥的制备方法为以好氧猪粪废水为原料，接种光合细菌，经培养处理制备得到；
所述好氧猪粪废水来源于猪粪废水的厌氧-缺氧-好氧三段式废水处理系统的好氧池出水猪粪废水；所述光合细菌由保藏编号为CGMCC NO.1.8929的沼泽红假单胞菌（Rhodopseudomonas palustris）、保藏编号为CGMCC NO.1.3366的荚膜红细菌（Rhodobacter capsulatus）和保藏编号为CGMCC NO.1.5028的类球红细菌（Rhodobacter sphaeroides）组成；沼泽红假单胞菌的接种量为0.1-0.11 g/L、荚膜红细菌的接种量为0.16g/L和类球红细菌的接种量为0.12-0.13 g/L；
所述好氧池出水猪粪废水的COD浓度为0.6×103~1.3×103mg/L，总氮浓度为50~80 mg/L；总磷浓度为50~80 mg/L；钾浓度为4.60×103~4.64×103mg/L；
在接种所述光合细菌前，将所述好氧猪粪废水的pH调节至6.7~7.0；
所述培养处理为在自然微氧条件下，28℃，氧化还原电位为-300~100 mV；培养1~3天，至培养液的COD浓度为300~550mg/L，总氮浓度为30~50mg/L，总磷浓度为20~55mg/L，光合细菌浓度为0.5 ~0.9 g/L，结束培养后，所述培养液可直接作为生态菌肥，以根施法施用。
2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，
所述好氧池出水猪粪废水的COD浓度为0.98×103~1.18×103mg/L，总氮浓度为60~68mg/L；总磷浓度为69~76 mg/L；钾浓度为4.60×103~4.64×103mg/L。
3.根据权利要求2所述的应用，其特征在于，
所述培养处理为至培养液的COD浓度为320~510 mg/L，总氮浓度为40~48 mg/L，总磷浓度为35~55 mg/L，光合细菌浓度为0.62~0.79 g/L结束培养。
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