楊云龍,白植成,黃　楠,胡開輝

(福建農(nóng)林大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,福建 福州 350002)

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廢棄食用菌栽培料在好氧反硝化中的初步應(yīng)用

楊云龍,白植成,黃楠,胡開輝

(福建農(nóng)林大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,福建 福州 350002)

摘要：將廢棄食用菌栽培料(SMC)首次應(yīng)用于好氧反硝化脫氮中，考察了SMC投加量、初始亞硝氮濃度、溫度、初始pH值和轉(zhuǎn)速對好氧反硝化脫氮率的影響。結(jié)果表明，在SMC投加量為4%、溫度為30 ℃、初始pH值為7、轉(zhuǎn)速為180 r·min-1的條件下，初始濃度為40 mg·L-1的亞硝氮在78 h內(nèi)被完全去除，脫氮率達100%。表明，SMC具有應(yīng)用于好氧反硝化脫氮的潛力，也為“以廢治廢”的循環(huán)經(jīng)濟路線提供了新思路。

關(guān)鍵詞：廢棄食用菌栽培料；好氧反硝化；碳源；初步應(yīng)用

長期以來，我國部分水體存在嚴(yán)重的氮素污染[1-3]，帶來了水質(zhì)惡化、水體富營養(yǎng)化等一系列環(huán)境問題。如何進行高效低耗的脫氮處理是環(huán)境科研工作者研究的焦點。脫氮技術(shù)大體可以分為生物法和物化法[4]。其中物化法成本較高，且容易造成二次污染，而生物法具有經(jīng)濟、高效、易操作、無二次污染等特點，被公認(rèn)為具有發(fā)展前途的方法。好氧反硝化微生物的發(fā)現(xiàn)更加豐富了生物脫氮工藝，引起了人們廣泛關(guān)注。研究表明，碳源對反硝化脫氮效果有重要影響。目前，研究較多的液態(tài)有機碳源有甲醇[5]、乙醇、乙酸、葡萄糖[5]和蔗糖等。雖然液態(tài)有機碳源具有易被微生物利用和反硝化速率快等優(yōu)點，但由于水質(zhì)波動等原因，出水中易有殘留，且部分成分有毒性，對環(huán)境產(chǎn)生潛在的危險，也增大了后續(xù)處理的難度。此外，傳統(tǒng)液態(tài)有機碳源甲醇、乙醇還存在成本高、投加量不易控制、易造成二次污染等問題[6]。因而，基于安全性和經(jīng)濟性等方面的考慮，固態(tài)有機碳源逐漸成為研究熱點。固態(tài)有機碳源可為生物體提供生長載體，為反硝化細菌創(chuàng)造一個更穩(wěn)定的生存環(huán)境，硝酸鹽去除效果較好?，F(xiàn)有的固態(tài)有機碳源分為3類：以纖維素為主的天然材料、人工合成的可生物降解的高分子材料和對天然材料進行修飾所得的新型材料。其中，人工合成的固態(tài)有機碳源[7]成本較高、營養(yǎng)單一，應(yīng)用受到限制；天然固態(tài)有機碳源來源豐富、價格低廉、更新速度快，備受關(guān)注，如甘草、蘆竹、甘蔗渣、玉米芯、稻草、稻殼、原棉、木屑、腐朽木等，而以食用菌廢棄栽培料(SMC)作為碳源尚未見報道。

我國是世界上第一大食用菌生產(chǎn)國，年產(chǎn)食用菌約1 000萬t，占世界總產(chǎn)量的70%以上。目前，SMC除小部分被用作飼料、餌料及燃料外，絕大部分被丟棄，不僅浪費資源，而且嚴(yán)重污染環(huán)境。SMC中不僅含有部分可溶性碳源，還含有大量未被食用菌利用的固態(tài)碳源(如木屑等)，綜合了液態(tài)碳源和固態(tài)碳源的優(yōu)點，彌補了液態(tài)碳源易引起二次污染和固態(tài)碳源不易利用、脫氮效率低等缺點。此外，SMC具有豐富的種群結(jié)構(gòu)，多種微量元素更是生物反硝化還原酶所必需?？紤]到SMC的獨特優(yōu)勢，作者將SMC應(yīng)用于好氧反硝化中，以期為SMC在生物脫氮中的規(guī)模化開發(fā)利用奠定基礎(chǔ)，為建立一套“以廢治廢”的循環(huán)經(jīng)濟、清潔環(huán)保的生物脫氮工藝提供參考。

1實驗

1.1材料

真姬菇SMC保存于4 ℃冰箱，使用前將其中結(jié)塊、發(fā)霉及腐爛部分剔除，粉碎待用。真姬菇SMC的營養(yǎng)成分(%)：粗蛋白6.37，粗纖維15.84，粗脂肪0.95，鈣2.17，磷0.72，鉀0.81，鈉1.74，銅 0.001，鎂0.32，鐵0.14，鋅 0.012，錳0.015。

1.2方法

本實驗未添加任何外源反硝化微生物，直接將粉碎后的SMC置于含有適量亞硝酸鹽的自來水中，考察對亞硝氮的去除效果，每批次實驗均重復(fù)3次。

1.2.1SMC投加量對好氧反硝化脫氮率的影響

以真姬菇SMC作為唯一碳源，投加量分別為2%、4%、6%、8%、10%，在30 ℃、初始pH值為7、180 r·min-1條件下，于250 mL(裝液量100 mL，下同)三角瓶中培養(yǎng)1 d，每隔6 h取樣，測定亞硝氮濃度，分析SMC投加量對好氧反硝化脫氮率的影響。

1.2.2初始亞硝氮濃度對好氧反硝化脫氮率的影響

設(shè)置初始亞硝氮濃度分別為5 mg·L-1、10 mg·L-1、15 mg·L-1、20 mg·L-1、25 mg·L-1、30 mg·L-1，在30 ℃、初始pH值為7、180 r·min-1條件下，于250 mL三角瓶中培養(yǎng)1 d，每隔6 h取樣，測定亞硝氮濃度，分析初始亞硝氮濃度對好氧反硝化脫氮率的影響。

1.2.3溫度對好氧反硝化脫氮率的影響

設(shè)置溫度分別為20 ℃、25 ℃、30 ℃、35 ℃、37 ℃，在初始pH值為7、180 r·min-1條件下，于250 mL三角瓶中培養(yǎng)1 d，每隔6 h取樣，測定亞硝氮濃度，分析溫度對好氧反硝化脫氮率的影響。

1.2.4初始pH值對好氧反硝化脫氮率的影響

設(shè)置初始pH值分別為5、7、8、9、10，在30 ℃、180 r·min-1條件下，于250 mL三角瓶中培養(yǎng)1 d，每隔6 h取樣，測定亞硝氮濃度，分析初始pH值對好氧反硝化脫氮率的影響。

1.2.5轉(zhuǎn)速對好氧反硝化脫氮率的影響

設(shè)置轉(zhuǎn)速分別為60 r·min-1、90 r·min-1、120 r·min-1、150 r·min-1、180 r·min-1，在30 ℃、初始pH值為7的條件下，于250 mL三角瓶中培養(yǎng)1 d，每隔6 h取樣，測定亞硝氮濃度，分析轉(zhuǎn)速對好氧反硝化脫氮率的影響。

1.2.6SMC對好氧反硝化脫氮的影響

在最佳的SMC投加量、溫度、初始pH值及轉(zhuǎn)速下，分析SMC對好氧反硝化脫氮的影響。

1.3分析方法

生物量OD600的測定采用可見分光光度法；亞硝氮的測定采用N-(1-萘基)-乙二胺光度法；COD的測定采用快速消解分光光度法。

2結(jié)果與討論

2.1SMC投加量對脫氮率的影響(圖1)

由圖1可知，脫氮率隨著SMC投加量的增加先升高后降低，在SMC投加量為4%時達到最高，為45.7%。故選擇SMC投加量為4%。

2.2初始亞硝氮濃度對脫氮率的影響(圖2)

由圖2可知，當(dāng)初始亞硝氮濃度低于20 mg·L-1時，64 h后，均可以將亞硝氮全部去除，脫氮率為100%；當(dāng)初始亞硝氮濃度高于20 mg·L-1時，脫氮率隨著初始亞硝氮濃度的升高逐漸下降，不僅亞硝氮去除速率變緩，而且在64 h后仍有亞硝氮殘余。

2.3溫度、初始pH值、轉(zhuǎn)速對脫氮速率的影響(圖3)

由圖3可以看出，溫度和初始pH值對脫氮速率影響較大，轉(zhuǎn)速對脫氮速率影響較小。雖然溫度升高會導(dǎo)致微生物體內(nèi)生化反應(yīng)速率加快，但本實驗中，30 ℃時的脫氮速率為0.36 mg·L-1·h-1，明顯高于37 ℃時的0.25 mg·L-1·h-1。當(dāng)初始pH值為7時，脫氮速率最快，為0.71 mg·L-1·h-1，約為初始pH值為5時的脫氮速率的4倍；當(dāng)轉(zhuǎn)速為180 r·min-1時，脫氮速率最快。故選擇溫度為30 ℃、初始pH值為7、轉(zhuǎn)速為180 r·min-1進行好氧反硝化脫氮。

2.4SMC對好氧反硝化脫氮的影響

為了綜合分析SMC的好氧反硝化脫氮性能，將初始亞硝氮濃度設(shè)置為40 mg·L-1，并在90 h、120 h分別補加30 mg·L-1、20 mg·L-1的亞硝氮，SMC投加量為4%，在溫度為30 ℃、初始pH值為7、轉(zhuǎn)速為180 r·min-1的條件下，連續(xù)培養(yǎng)6 d，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，培養(yǎng)液中的細菌在78 h內(nèi)總體呈生長趨勢，這是因為，此階段培養(yǎng)液中可溶性碳源、氮源充足，細菌利用可溶性碳源、亞硝氮經(jīng)同化作用合成自身物質(zhì)。細菌在36～78 h進入生長平穩(wěn)期，102 h后OD600出現(xiàn)2次回升，這與補加亞硝氮相關(guān)，說明具有好氧反硝化特性的菌類的生長明顯受到亞硝氮的影響。而且，在此階段細菌生長量并沒有迅速升高，這也與溶液中COD直接相關(guān)。COD、亞硝氮濃度在78 h內(nèi)總體呈下降趨勢；COD先由最初的329 mg·L-1迅速升至18 h的800 mg·L-1；在18～24 h迅速下降；在36～78 h穩(wěn)定在450 mg·L-1左右，說明細菌所消耗的碳源與SMC不斷釋放出的可溶性碳源處于動態(tài)平衡階段；78 h后，COD迅速降至2.6 mg·L-1，脫氮率達到99%以上。初始濃度為40 mg·L-1的亞硝氮在78 h內(nèi)被完全去除，2次補加的亞硝氮也在1 d內(nèi)被完全去除。

2.5討論

碳源是影響好氧反硝化脫氮的重要因素。當(dāng)碳源不足時，不僅引起亞硝氮大量積累[8]，而且導(dǎo)致其它中間代謝物(如NO、N2O)生成量增多，易造成二次污染[9]。因此，要保證高效的脫氮過程，必須有“適度”的碳源。本實驗發(fā)現(xiàn)，SMC的最佳添加量為4%，超過4%時，盡管碳源充足，但脫氮率下降。這主要是因為SMC成分復(fù)雜，添加量過多會對好氧反硝化過程造成不利影響，這與亞硝氮的作用相類似，即高濃度的亞硝酸根對潛在的好氧反硝化菌有毒性，從而抑制了好氧反硝化菌的生長及其脫氮活性。

溫度、初始pH值、轉(zhuǎn)速等因素是影響微生物生長繁殖和代謝的主要因素。環(huán)境中的好氧反硝化菌最適的生長溫度為30 ℃[10]，但由于一些特殊的處理要求，如高溫廢水和廢氣等，也有相應(yīng)的高溫反硝化菌及其脫氮工藝的報道[11-13]。初始pH值會引起菌體細胞膜電荷變化，從而影響其對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收[14]，對好氧反硝化過程也有重要影響。本實驗中，偏堿性條件更利于反硝化脫氮的進行，這與國內(nèi)外大多數(shù)報道相吻合[15-17]。轉(zhuǎn)速主要影響培養(yǎng)液中的溶解氧，對細菌的好氧呼吸作用產(chǎn)生影響，更會影響到脫氮基因的表達及反硝化酶的活性。據(jù)報道，微好氧條件更益于反硝化基因的表達[18]，而本實驗發(fā)現(xiàn)溶氧(轉(zhuǎn)速)對SMC的好氧反硝化脫氮過程并沒有產(chǎn)生明顯影響，反而是溶氧越高越有利于硝化脫氮，這可能是SMC本身的特殊性(如復(fù)雜的營養(yǎng)成分及微生物群落結(jié)構(gòu))所致。

眾所周知，脫氮進行的同時，COD會同步下降。本實驗發(fā)現(xiàn)，脫氮初期出現(xiàn)了COD大幅上升的現(xiàn)象，原因可能是：(1)SMC中可溶性碳源不斷溶解；(2)SMC中豐富的胞外酶系[19-20]在培養(yǎng)初期仍具有活性，將不可溶性碳源降解為可溶性碳源。這與pH值的變化規(guī)律相吻合，即初期由于碳源的不斷釋放導(dǎo)致pH值下降，隨著反硝化進行pH值逐漸上升。隨后，在24～36 h由于微生物的快速繁殖需要消耗碳源，COD又呈現(xiàn)出迅速下降趨勢。對亞硝氮而言，其后期的2次添加也在1 d內(nèi)被完全去除，由此可見，SMC所提供的環(huán)境，適合好氧反硝化菌的生長代謝，有利于好氧反硝化的進行，這與SMC含有多種對反硝化酶有促進作用的金屬離子有關(guān)。于大禹等[21]研究發(fā)現(xiàn)，Cu2+和Fe2+對異養(yǎng)硝化有顯著的激活作用。王瑤等[22]研究發(fā)現(xiàn)，Mg2+是異養(yǎng)氨氧化細菌C16生長和脫氮過程中的一種重要金屬離子，加入一定量的Cu2+可避免過量亞硝酸鹽積累。

3結(jié)論

首次將SMC應(yīng)用于好氧反硝化脫氮中，考察了SMC投加量、初始亞硝氮濃度、初始pH值、溫度、轉(zhuǎn)速等對好氧反硝化脫氮率的影響。結(jié)果表明，在SMC投加量為4%、溫度為30 ℃、初始pH值為7、轉(zhuǎn)速為180 r·min-1的條件下，初始濃度為40 mg·L-1的亞硝氮在78 h內(nèi)被完全去除，脫氮率達100%。表明SMC具有應(yīng)用于好氧反硝化脫氮的潛力，也為“以廢治廢”的循環(huán)經(jīng)濟路線提供了新思路。

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Preliminary Application of Spent Mushroom Compost in Aerobic Denitrification

YANG Yun-long,BAI Zhi-cheng,HUANG Nan,HU Kai-hui

(CollegeofLifeScience,FujianAgricultureandForestryUniversity,Fuzhou350002,China)

Keywords：spentmushroomcompost;aerobicdenitrification;carbonsource;preliminaryapplication

Abstract：Thespentmushroomcompost(SMC)wasemployedinaerobicdenitrificationforthefirsttime.TheeffectsofSMCdosage,initialconcentrationofnitritenitrogen,temperature,initialpHvalueandrotationalspeedonnitrogenremovalratewereinvestigated.Resultsshowedthat,undertheconditionsas:SMCdosageof4%,temperatureof30 ℃,initialpHvalueof7androtationalspeedof180r·min-1,40mg·L-1nitritenitrogenwascompletelyremovedwith100%ofnitrogenremovalrate,whichindicatedthatSMChadpotentialtobeappliedinaerobicdenitrificationandprovidedanewideaforcirculareconomyofusingwastetotreatwaste.

基金項目：福建省教育廳項目(JA14122)

收稿日期：2016-01-23

作者簡介：楊云龍(1979-)，男，吉林人，講師，研究方向：生物脫氮，E-mail:longyunyang@126.com；通訊作者：胡開輝，教授，E-mail:474585312@qq.com。

doi：10.3969/j.issn.1672-5425.2016.06.011

中圖分類號：X 506

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1672-5425(2016)06-0052-04