沼液是沼气工程的副产物,具有量大、营养成分丰富等特点,肥料应用潜力大,但也存在着有机物与悬浮物浓度高、气味不友好等问题,限制了沼液的应用[1-2]。沼液处理与利用已成为沼气工程可持续发展的关键环节,只有打破传统的沼液处理方式,才能实现种植业和养殖业的平衡[3]。目前沼液处理方法包括:物理化学法、自然生态处理法、生化处理法等[4]。
微生物菌剂是通过分离、纯化以及优化试验等获得的含有大量有益微生物菌的活菌制剂,包括单一型菌剂和复合菌剂[5]。有研究表明,微生物菌剂具有促生、防病、改土、促腐和提高肥效等作用[6-7]。微生物菌剂在农业种植中应用广泛,结合沼液的特性优势,利用复合微生物菌剂生产多元化液体肥料具有广泛的研究开发潜力[8-9]。
在沼液中添加微生物菌剂,可实现有针对性地开发利用,生产环境友好型液体肥料,如叶面肥[10]、水溶肥[11]等,实现减少环境污染与化肥用量、降低农业生产成本、提高作物产量与品质等。目前,关于沼液处理的微生物菌剂分为如下几种:(1)具有氮磷、粪大肠菌群去除效果的酵母菌、乳酸菌、光合细菌、放线菌等发酵菌剂;(2)具有促生作用的固氮巨大芽孢杆菌、解磷假单胞菌、巴西固氮螺菌等营养菌剂;(3)具有消除臭味作用的乳酸乳球菌、热带假丝酵母及绿色木霉等除臭菌剂等[12]。据报道,国内外用于规模化粪污水处理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,采用多种功能菌株复配,可以充分发挥微生物菌群之间的协同作用,从而能够更好地适合复杂多变的生境[13]。微生物菌剂的作用机理主要包括:固氮作用、溶磷作用、解钾作用、产生活性物质、拮抗病原微生物等[14]。不同浓度的沼液特性、微生物菌剂种类与使用方式的差异性,会对沼液处理产生不同的净化效果。邓夏婕[15]研究了添加不同微生物菌剂(包括变态噬纤维菌、绿色木霉、嗜热噬脂肪芽孢杆菌、产乙酸噬蛋白质菌、多形拟杆菌)对垃圾发酵沼液特性的影响,结果表明全菌种沼液化学需氧量(chemical oxygen demand,COD)质量浓度最高为322 666.67 mg/L,处理后COD去除率为14.96%。黄婧等[16]利用活性炭为载体结合微生物菌株(汉堡硝化杆菌、枯草芽孢杆菌、小球藻、施氏假单胞菌、排硫硫杆菌)制备沼液净化剂,沼液中COD质量浓度为2 576.7 mg/L,生化需氧量(BOD5)为841.7 mg/L,结果表明使用微生物菌剂制成的净化剂对沼液中的COD、BOD5去除效果较为良好,降解率分别为85.6%和80.3%。现有研究大多集中于沼液中添加不同微生物菌剂对其净化效果的影响,通过微生物净化处理能显著提高沼液透明度,改善水质指标,各项指标基本达到GB 18596—2001《畜禽养殖业污染排放标准》和GB/T 40750—2021《农用沼液》标准。但目前缺乏微生物菌剂添加方式对不同浓度沼液处理效果影响方面的相关研究,尤其是对高浓度沼液,现有微生物菌剂净化效果不理想。因此,本研究以牛粪秸秆混合发酵工程沼液为研究对象,采用具有有机物去除协同效应的乳酸菌群、酵母菌群、芽孢杆菌群等为主要菌种的复合微生物菌剂,探究沼液初始浓度、微生物菌剂不同接种方式对不同浓度沼液的净化效果,为后续沼液生产利用提供基础数据。
1 材料与方法
1.1 实验材料
1.1.1 供试沼液
供试沼液取自河北省某沼气工程新鲜沼液,发酵温度为中温,原料为秸秆和牛粪,沼液的各项理化特性如表1所示。实验用沼液具有以下特点:(1)沼液pH为8.15,呈碱性,有机物含量高,悬浮物浓度高、COD质量浓度接近30 000 mg/L,无法直接施用,若进行稀释,则需要大量的水资源;(2)沼液中含有丰富的氮、磷、钾资源,可作为肥料的有效补充进行施用,替代化肥。
表1 沼液理化性质
Table 1 Physicochemical properties of liquid digestate
测试项目检测值测试项目检测值测试项目检测值pH8.15全氮/(g·L-1)1.86总固体/%4.06COD/(mg·L-1)29 649.83全磷/(mg·L-1)182.63挥发性固体/%2.43氨氮/(mg·L-1)1 007.49全钾/(mg·L-1)3.37悬浮物/(mg·L-1)19 140.67
1.1.2 供试菌剂
微生物菌剂主要菌群为乳酸菌、酵母菌、芽孢杆菌等,母液浓度为>1×108 CFU/g。微生物菌剂由北海市翰华生物技术有限公司生产。
1.2 测试指标与实验仪器
沼液COD 浓度、总固体(total solid,TS)、挥发性固体(volatile solid,VS)、pH值、水中悬浮物(suspended solids,SS)和浊度参考《水和废水检测分析方法》(第四版)标准方法测定。COD采用COD测定仪(HACH,美国HACHI公司)测定;pH采用pH计(PHS-3C,上海雷磁仪电科学仪器股份有限公司)测定;浊度采用浊度计(WGX-3B,上海昕瑞仪器仪表有限公司)测定。氨氮含量采用纳氏试剂比色法测定;全氮采用紫外可见分光光度法测定;全磷采用钼酸铵分光光度法测定;全钾含量采用火焰光度法测定。
1.3 实验方案
1.3.1 微生物菌剂扩培
采用50 L食品级塑料桶作为发酵桶进行微生物菌剂扩培,专用培养基加水完全溶化后,将菌剂母种加入发酵桶,同时搅拌。将水加足至50 kg后,加入恒温加热棒,将桶盖旋紧密封,控制温度在约34 ℃,发酵4 d,扩培完成后菌剂pH值约为4.0,颜色呈橙黄色(外观图如图1所示),有特殊的酸香味,扩培后的微生物菌剂备用。
图1 微生物菌剂外观图
Fig.1 Appearance of microbial agent
1.3.2 低浓度沼液处理
根据表1中沼液COD浓度值,将供试沼液进行稀释处理,分别稀释至1/60、1/30、1/20、1/15,使其COD质量浓度分别为500、1 000、1 500、2 000 mg/L,对应编号分别为1#、2#、3#、4#,每种浓度沼液各配制100 kg。
采用一次性投加沼液和微生物菌剂的方式处理低浓度沼液(处理组1#～4#),将专用培养基溶解于沼液中,加入扩培好的微生物菌剂10 kg,然后将沼液加入发酵桶至100 kg,搅拌均匀,密封发酵。加热棒控温在约34 ℃,发酵至沼液呈黄色或金黄色,有酸香味、pH值稳定时,发酵处理完成,发酵4 d。
1.3.3 高浓度沼液处理
将供试沼液稀释处理,分别稀释1/6、1/3、1/1.5和不稀释,其COD质量浓度分别为5 000、10 000、20 000、30 000 mg/L,对应编号分别为A、B、C、D,每种浓度沼液各配制100 kg。
采用沼液连续投加、微生物菌剂一次性投加方式处理高浓度沼液(处理组A～D),将专用培养基溶解于沼液中,每天添加10 kg沼液在10 kg微生物菌剂中,直至添加到微生物菌剂与沼液的质量比为1∶9。每次添加后搅拌均匀,密封发酵。加热棒控温在约34 ℃,至第9天沼液颜色由黑色变为棕色,大颗粒物明显减少,有一股秸秆的清香,发酵处理完成。
1.4 数据处理
采用Office Excel (2016)软件进行实验数据处理,用IBM SPSS Statistics 26进行数据分析和计算,不同处理间的差异显著性检验使用SPSS软件单因素方差分析,P<0.05差异显著。
2 结果与分析
2.1 低浓度沼液处理效果研究
2.1.1 处理前后沼液感官效果及浊度变化情况分析
处理组1#～4#的沼液经过微生物菌剂处理发酵后,如图2-a所示,其外观均发生了较大改变,发酵前的沼液存在较多的颗粒物,发酵后透明度均有不同程度的提高。这可能是因为微生物菌剂中的各种微生物可有效去除沼液中的有机物、悬浮物和胶体物质等成分,显著提高沼液的透明度。发酵前沼液有难闻的气味,发酵后气味变淡,这可能是因为添加微生物菌剂后可以降解沼液中的粪臭素、吲哚等臭味物质,气味得到明显改善。
浊度是指溶液对光线通过时所产生的阻碍程度,是水质的一项重要指标,采用浊度的去除率可用于反映悬浮物、胶体物质去除效果[17]。如图2-b所示,4个处理组沼液浊度显著降低,经过微生物菌剂处理后的沼液浊度值都低于50 NTU,沼液感官性能变好,悬浮颗粒物下降。
a-外观;b-浊度
图2 低浓度沼液处理前后外观和浊度变化
Fig.2 Changes of appearance and turbidity of liquid digestate with low concentration before and after treatment
2.1.2 pH变化情况分析
沼液处理前后pH变化情况如图3所示。由于微生物菌剂的pH值在4.0左右,因此沼液在添加微生物菌剂后pH值均有所下降,随着发酵的进行,整个体系内微生物菌剂所含微生物成为优势菌群,不断分解代谢沼液中的有机物。乳酸菌在发酵过程中产生的有机酸浓度增加,尤其是乳酸的产生[18],在酵母菌培养过程中积累的代谢产物对于有机酸的产生有一定的促进作用[19],最终体系的pH值稳定在4.5左右,呈酸性,不同稀释条件下的沼液pH值在处理前后并没有显著差异(P=0.055 08)。
图3 低浓度沼液处理前后pH变化
Fig.3 Changes of pH value of liquid digestate with low concentration before and after treatment
2.1.3 有机物降解情况分析
如图4-a所示,COD的去除效果非常明显。沼液初始COD浓度越高,微生物菌剂降解有机物效果越明显,COD去除率由低到高排序为1#<2#<3#<4#,去除效果最好的是4#,其COD去除率为67.6%。这可能是因为在一定范围内,沼液浓度越高,微生物菌剂降解沼液中的大分子有机物越多,分解产生的小分子有机物被微生物菌剂吸收利用,沼液中COD浓度下降,获得了更好的降解效果,所以随着沼液浓度的增加,COD去除率提高。
由图4-b和图4-c可知,发酵后沼液的TS和VS均有所下降。不同沼液稀释条件下,沼液初始浓度越高,TS去除效果越好,4#的TS去除率最大(56.9%)。发酵后沼液的VS去除效果与TS一致,VS为挥发性固体,其可以反映沼液中的有机物含量[20-21],这一变化趋势与COD的变化趋势接近,说明微生物菌剂可有效降解沼液中的大分子有机物。如图4-d所示,4个处理组经微生物菌剂处理后的SS去除率分别为43.6%、46.8%、54.8%和49.5%,3#去除效果最好。稀释比例小、COD浓度大的沼液处理组,其SS的变化相对较大,同时水中悬浮物的降低说明大的有机物被微生物菌剂分解,更有利于沼液后续的使用。
a-COD;b-TS;c-VS;d-SS
图4 低浓度沼液处理前后COD、TS、VS和SS变化及其去除率
Fig.4 Changes and removal rate of COD, TS, VS and SS of liquid digestate with low concentration before and after treatment
2.2 高浓度沼液处理效果
2.2.1 处理前后沼液感官效果及浊度变化情况分析
4个高浓度沼液处理组A组～D组,经过9 d的发酵,如图5-a所示,颜色有所变化,由黑色变为棕色。
a-外观;b-浊度
图5 高浓度沼液处理前后外观和浊度变化
Fig.5 Changes of appearance and turbidity of liquid digestate with high concentration before and after treatment
发酵前的沼液较为浓稠,发酵后大颗粒物明显减少。在气味方面,发酵前的沼液有秸秆和牛粪混合的气味,发酵后沼液有一股秸秆的清香,气味有所改善。
如图5-b所示,4个不同处理组沼液的浊度分别降低了49.8%、49.5%、46.4%和45.1%,浊度的降低率为45%～50%。浊度的降低可在一定程度上反映沼液中可悬浮颗粒物的降低,这说明微生物菌剂对沼液有良好的有机物去除效果,有利于获得更多的沼液利用途径。
2.2.2 pH变化情况分析
初始体系内微生物菌剂占比较高,能够分解沼液中的有机物生成有机酸和氨基酸等,使体系内的pH降低,但是随着处理过程中沼液的逐步添加,体系内微生物降解逐渐减缓,pH下降随之减慢。随着沼液COD浓度的升高,pH下降不断变慢,最终pH稳定在5.0～7.0(图6)。
图6 高浓度沼液处理前后pH变化
Fig.6 Changes of pH value of liquid digestate with high concentration before and after treatment
2.2.3 有机物降解情况分析
如图7-a所示,沼液的COD浓度降低明显,去除率分别为60.9%、55.5%、60.9%和59.8%。高浓度沼液COD降低的原因,除了微生物菌剂的分解作用,还有一个原因就是沼液中本身还存在甲烷菌[22],仍然能够利用有机物产生甲烷,所以在发酵过程中会有产气现象。因此高浓度沼液COD的降低是微生物菌剂和甲烷菌共同作用的结果。如图7-b所示,4个处理组的TS去除率分别为50.7%、50.8%、57.1%和52.7%,随着浓度的升高,TS去除率呈升高趋势,但并不是一直升高,去除效果最好的是COD质量浓度为20 000 mg/L的处理组C。
a-COD;b-TS;c-VS;d-SS
图7 高浓度沼液处理前后COD、TS、VS和SS变化及其去除率
Fig.7 Changes and removal rate of COD, TS, VS and SS of liquid digestate with high concentration before and after treatment
VS去除率由高到低顺序为C组>A组>D组>B组,去除率整体在60%～70%,去除效果最好的是C组。VS可以反映沼液中的有机物含量,这一变化趋势与COD的变化趋势接近,进一步佐证了沼液中有机物的降解。A、B、C、D 4个处理组的SS去除率分别为45.6%、43.6%、33.2%和42.3%,可以得知去除效果最好的是A组。水中悬浮物的降低说明大的有机物被微生物菌剂分解为小分子有机物,更有利于沼液后续的使用。
3 结论与讨论
本研究进行了微生物菌剂不同接种方式对不同浓度沼液的处理效果实验。结果表明:(1)微生物菌剂对低浓度沼液的处理效果比较明显,经微生物发酵后,沼液有机物、颗粒物及浊度大大降低,pH由碱性变为酸性。其中COD质量浓度为2 000 mg/L的处理组变化效果最明显,COD去除率达到67.6%。(2)微生物菌剂处理高浓度沼液后,沼液pH变为弱酸性,有机物和颗粒物含量有所下降,颜色和浊度变化效果没有低浓度沼液明显,4个处理组的COD、TS、VS和SS等去除率略低于低浓度处理组。(3)对于不同浓度的沼液,可采用不同的微生物菌剂接种方式,实现沼液中有机物和浊度的显著降低,有利于制备生产不同的沼液肥产品,为现代农业生产中合理利用沼液提供参考和借鉴。
本实验采用具有有机物去除效果的乳酸菌、酵母菌、芽孢杆菌等为主要菌种的微生物菌剂,结果表明对于沼液COD浓度、TS、VS等均具有一定的净化去除效果,最高去除率分别为67.6%、56.9%和54.8%。这与彭智平等[23]研究结果类似,其利用乳酸菌、酵母菌、放线菌等多种微生物菌种组成的复合微生物菌剂对猪场沼液(COD质量浓度为414.57 mg/L)进行净化,结果表明,通过微生物净化处理能显著提高沼液透明度,改善水质,各项指标基本达到排放与农灌标准,沼液COD最高去除率为54.9%。王波[24]通过将筛选后的枯草芽孢杆菌、黑曲霉等菌株复配成复合微生物菌剂应用于畜禽养殖废水(COD质量浓度为4 500 mg/L),结果表明COD最高降解率达到了65.1%,说明复合菌剂具有良好的有机污染物去除能力。结合以上研究与本实验研究结果,进一步说明了添加复合微生物菌剂对于不同浓度的沼液有机污染物有着较为良好的降解效果。ZHAO等[25]利用微生物菌剂辅助微藻对大规模沼液进行净化,结果表明COD、总氮和总磷的最高去除率分别为(92.17±5.28)%,(89.83±4.36)%,(90.31±4.69)%。GAO等[26]将真菌与小球藻共同培养处理猪场沼液(初始COD质量浓度为1 200 mg/L),最大COD去除效率为(77.62±5.31)%。由此表明,在今后的研究中,可将微生物菌剂与微藻进行协同处理,以提高沼液净化效果。
微生物菌剂的接种方式也会影响沼液处理效果,考虑到沼液浓度的差异性,本研究采用不同的微生物菌剂接种方式,采用一次性投加沼液和微生物菌剂的方式处理低浓度沼液,微生物菌剂呈酸性且在沼液微生物中占据优势,降解有机物效率高;采用沼液连续投加、微生物菌剂一次性投加方式处理高浓度沼液,可利用微生物的优势提高高浓度沼液的净化效果,减少大量高浓度沼液对微生物生长和发挥作用的冲击作用,研究结果显著高于邓夏婕[15]添加微生物菌剂对高浓度沼液(COD质量浓度为322 666.67 mg/L)的COD去除率(14.96%)。由此表明,采用不同的微生物菌剂接种方式可实现不同浓度沼液的有效净化。
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