废弃食用菌栽培料在好氧反硝化中的初步应用

杨云龙,白植成,黄　楠,胡开辉

(福建农林大学生命科学学院,福建 福州 350002)



废弃食用菌栽培料在好氧反硝化中的初步应用

杨云龙,白植成,黄楠,胡开辉

(福建农林大学生命科学学院,福建 福州 350002)

摘要：将废弃食用菌栽培料(SMC)首次应用于好氧反硝化脱氮中，考察了SMC投加量、初始亚硝氮浓度、温度、初始pH值和转速对好氧反硝化脱氮率的影响。结果表明，在SMC投加量为4%、温度为30 ℃、初始pH值为7、转速为180 r·min-1的条件下，初始浓度为40 mg·L-1的亚硝氮在78 h内被完全去除，脱氮率达100%。表明，SMC具有应用于好氧反硝化脱氮的潜力，也为“以废治废”的循环经济路线提供了新思路。

关键词：废弃食用菌栽培料；好氧反硝化；碳源；初步应用

长期以来，我国部分水体存在严重的氮素污染[1-3]，带来了水质恶化、水体富营养化等一系列环境问题。如何进行高效低耗的脱氮处理是环境科研工作者研究的焦点。脱氮技术大体可以分为生物法和物化法[4]。其中物化法成本较高，且容易造成二次污染，而生物法具有经济、高效、易操作、无二次污染等特点，被公认为具有发展前途的方法。好氧反硝化微生物的发现更加丰富了生物脱氮工艺，引起了人们广泛关注。研究表明，碳源对反硝化脱氮效果有重要影响。目前，研究较多的液态有机碳源有甲醇[5]、乙醇、乙酸、葡萄糖[5]和蔗糖等。虽然液态有机碳源具有易被微生物利用和反硝化速率快等优点，但由于水质波动等原因，出水中易有残留，且部分成分有毒性，对环境产生潜在的危险，也增大了后续处理的难度。此外，传统液态有机碳源甲醇、乙醇还存在成本高、投加量不易控制、易造成二次污染等问题[6]。因而，基于安全性和经济性等方面的考虑，固态有机碳源逐渐成为研究热点。固态有机碳源可为生物体提供生长载体，为反硝化细菌创造一个更稳定的生存环境，硝酸盐去除效果较好。现有的固态有机碳源分为3类：以纤维素为主的天然材料、人工合成的可生物降解的高分子材料和对天然材料进行修饰所得的新型材料。其中，人工合成的固态有机碳源[7]成本较高、营养单一，应用受到限制；天然固态有机碳源来源丰富、价格低廉、更新速度快，备受关注，如甘草、芦竹、甘蔗渣、玉米芯、稻草、稻壳、原棉、木屑、腐朽木等，而以食用菌废弃栽培料(SMC)作为碳源尚未见报道。

我国是世界上第一大食用菌生产国，年产食用菌约1 000万t，占世界总产量的70%以上。目前，SMC除小部分被用作饲料、饵料及燃料外，绝大部分被丢弃，不仅浪费资源，而且严重污染环境。SMC中不仅含有部分可溶性碳源，还含有大量未被食用菌利用的固态碳源(如木屑等)，综合了液态碳源和固态碳源的优点，弥补了液态碳源易引起二次污染和固态碳源不易利用、脱氮效率低等缺点。此外，SMC具有丰富的种群结构，多种微量元素更是生物反硝化还原酶所必需。考虑到SMC的独特优势，作者将SMC应用于好氧反硝化中，以期为SMC在生物脱氮中的规模化开发利用奠定基础，为建立一套“以废治废”的循环经济、清洁环保的生物脱氮工艺提供参考。

1实验

1.1材料

真姬菇SMC保存于4 ℃冰箱，使用前将其中结块、发霉及腐烂部分剔除，粉碎待用。真姬菇SMC的营养成分(%)：粗蛋白6.37，粗纤维15.84，粗脂肪0.95，钙2.17，磷0.72，钾0.81，钠1.74，铜 0.001，镁0.32，铁0.14，锌 0.012，锰0.015。

1.2方法

本实验未添加任何外源反硝化微生物，直接将粉碎后的SMC置于含有适量亚硝酸盐的自来水中，考察对亚硝氮的去除效果，每批次实验均重复3次。

1.2.1SMC投加量对好氧反硝化脱氮率的影响

以真姬菇SMC作为唯一碳源，投加量分别为2%、4%、6%、8%、10%，在30 ℃、初始pH值为7、180 r·min-1条件下，于250 mL(装液量100 mL，下同)三角瓶中培养1 d，每隔6 h取样，测定亚硝氮浓度，分析SMC投加量对好氧反硝化脱氮率的影响。

1.2.2初始亚硝氮浓度对好氧反硝化脱氮率的影响

设置初始亚硝氮浓度分别为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值为7、180 r·min-1条件下，于250 mL三角瓶中培养1 d，每隔6 h取样，测定亚硝氮浓度，分析初始亚硝氮浓度对好氧反硝化脱氮率的影响。

1.2.3温度对好氧反硝化脱氮率的影响

设置温度分别为20 ℃、25 ℃、30 ℃、35 ℃、37 ℃，在初始pH值为7、180 r·min-1条件下，于250 mL三角瓶中培养1 d，每隔6 h取样，测定亚硝氮浓度，分析温度对好氧反硝化脱氮率的影响。

1.2.4初始pH值对好氧反硝化脱氮率的影响

设置初始pH值分别为5、7、8、9、10，在30 ℃、180 r·min-1条件下，于250 mL三角瓶中培养1 d，每隔6 h取样，测定亚硝氮浓度，分析初始pH值对好氧反硝化脱氮率的影响。

1.2.5转速对好氧反硝化脱氮率的影响

设置转速分别为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值为7的条件下，于250 mL三角瓶中培养1 d，每隔6 h取样，测定亚硝氮浓度，分析转速对好氧反硝化脱氮率的影响。

1.2.6SMC对好氧反硝化脱氮的影响

在最佳的SMC投加量、温度、初始pH值及转速下，分析SMC对好氧反硝化脱氮的影响。

1.3分析方法

生物量OD600的测定采用可见分光光度法；亚硝氮的测定采用N-(1-萘基)-乙二胺光度法；COD的测定采用快速消解分光光度法。

2结果与讨论

2.1SMC投加量对脱氮率的影响(图1)

由图1可知，脱氮率随着SMC投加量的增加先升高后降低，在SMC投加量为4%时达到最高，为45.7%。故选择SMC投加量为4%。

2.2初始亚硝氮浓度对脱氮率的影响(图2)

由图2可知，当初始亚硝氮浓度低于20 mg·L-1时，64 h后，均可以将亚硝氮全部去除，脱氮率为100%；当初始亚硝氮浓度高于20 mg·L-1时，脱氮率随着初始亚硝氮浓度的升高逐渐下降，不仅亚硝氮去除速率变缓，而且在64 h后仍有亚硝氮残余。

2.3温度、初始pH值、转速对脱氮速率的影响(图3)

由图3可以看出，温度和初始pH值对脱氮速率影响较大，转速对脱氮速率影响较小。虽然温度升高会导致微生物体内生化反应速率加快，但本实验中，30 ℃时的脱氮速率为0.36 mg·L-1·h-1，明显高于37 ℃时的0.25 mg·L-1·h-1。当初始pH值为7时，脱氮速率最快，为0.71 mg·L-1·h-1，约为初始pH值为5时的脱氮速率的4倍；当转速为180 r·min-1时，脱氮速率最快。故选择温度为30 ℃、初始pH值为7、转速为180 r·min-1进行好氧反硝化脱氮。

2.4SMC对好氧反硝化脱氮的影响

为了综合分析SMC的好氧反硝化脱氮性能，将初始亚硝氮浓度设置为40 mg·L-1，并在90 h、120 h分别补加30 mg·L-1、20 mg·L-1的亚硝氮，SMC投加量为4%，在温度为30 ℃、初始pH值为7、转速为180 r·min-1的条件下，连续培养6 d，结果如图4所示。

由图4可知，培养液中的细菌在78 h内总体呈生长趋势，这是因为，此阶段培养液中可溶性碳源、氮源充足，细菌利用可溶性碳源、亚硝氮经同化作用合成自身物质。细菌在36～78 h进入生长平稳期，102 h后OD600出现2次回升，这与补加亚硝氮相关，说明具有好氧反硝化特性的菌类的生长明显受到亚硝氮的影响。而且，在此阶段细菌生长量并没有迅速升高，这也与溶液中COD直接相关。COD、亚硝氮浓度在78 h内总体呈下降趋势；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稳定在450 mg·L-1左右，说明细菌所消耗的碳源与SMC不断释放出的可溶性碳源处于动态平衡阶段；78 h后，COD迅速降至2.6 mg·L-1，脱氮率达到99%以上。初始浓度为40 mg·L-1的亚硝氮在78 h内被完全去除，2次补加的亚硝氮也在1 d内被完全去除。

2.5讨论

碳源是影响好氧反硝化脱氮的重要因素。当碳源不足时，不仅引起亚硝氮大量积累[8]，而且导致其它中间代谢物(如NO、N2O)生成量增多，易造成二次污染[9]。因此，要保证高效的脱氮过程，必须有“适度”的碳源。本实验发现，SMC的最佳添加量为4%，超过4%时，尽管碳源充足，但脱氮率下降。这主要是因为SMC成分复杂，添加量过多会对好氧反硝化过程造成不利影响，这与亚硝氮的作用相类似，即高浓度的亚硝酸根对潜在的好氧反硝化菌有毒性，从而抑制了好氧反硝化菌的生长及其脱氮活性。

温度、初始pH值、转速等因素是影响微生物生长繁殖和代谢的主要因素。环境中的好氧反硝化菌最适的生长温度为30 ℃[10]，但由于一些特殊的处理要求，如高温废水和废气等，也有相应的高温反硝化菌及其脱氮工艺的报道[11-13]。初始pH值会引起菌体细胞膜电荷变化，从而影响其对营养物质的吸收[14]，对好氧反硝化过程也有重要影响。本实验中，偏碱性条件更利于反硝化脱氮的进行，这与国内外大多数报道相吻合[15-17]。转速主要影响培养液中的溶解氧，对细菌的好氧呼吸作用产生影响，更会影响到脱氮基因的表达及反硝化酶的活性。据报道，微好氧条件更益于反硝化基因的表达[18]，而本实验发现溶氧(转速)对SMC的好氧反硝化脱氮过程并没有产生明显影响，反而是溶氧越高越有利于硝化脱氮，这可能是SMC本身的特殊性(如复杂的营养成分及微生物群落结构)所致。

众所周知，脱氮进行的同时，COD会同步下降。本实验发现，脱氮初期出现了COD大幅上升的现象，原因可能是：(1)SMC中可溶性碳源不断溶解；(2)SMC中丰富的胞外酶系[19-20]在培养初期仍具有活性，将不可溶性碳源降解为可溶性碳源。这与pH值的变化规律相吻合，即初期由于碳源的不断释放导致pH值下降，随着反硝化进行pH值逐渐上升。随后，在24～36 h由于微生物的快速繁殖需要消耗碳源，COD又呈现出迅速下降趋势。对亚硝氮而言，其后期的2次添加也在1 d内被完全去除，由此可见，SMC所提供的环境，适合好氧反硝化菌的生长代谢，有利于好氧反硝化的进行，这与SMC含有多种对反硝化酶有促进作用的金属离子有关。于大禹等[21]研究发现，Cu2+和Fe2+对异养硝化有显著的激活作用。王瑶等[22]研究发现，Mg2+是异养氨氧化细菌C16生长和脱氮过程中的一种重要金属离子，加入一定量的Cu2+可避免过量亚硝酸盐积累。

3结论

首次将SMC应用于好氧反硝化脱氮中，考察了SMC投加量、初始亚硝氮浓度、初始pH值、温度、转速等对好氧反硝化脱氮率的影响。结果表明，在SMC投加量为4%、温度为30 ℃、初始pH值为7、转速为180 r·min-1的条件下，初始浓度为40 mg·L-1的亚硝氮在78 h内被完全去除，脱氮率达100%。表明SMC具有应用于好氧反硝化脱氮的潜力，也为“以废治废”的循环经济路线提供了新思路。

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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.

基金项目：福建省教育厅项目(JA14122)

收稿日期：2016-01-23

作者简介：杨云龙(1979-)，男，吉林人，讲师，研究方向：生物脱氮，E-mail:longyunyang@126.com；通讯作者：胡开辉，教授，E-mail:474585312@qq.com。

doi：10.3969/j.issn.1672-5425.2016.06.011

中图分类号：X 506

文献标识码：A

文章编号：1672-5425(2016)06-0052-04