微生物菌剂处理规模化养猪场粪污水的研究进展

李刚，杨克，许方程，董夏梦，都林娜

(温州科技职业学院，浙江 温州 325006)

我国是养猪业大国，随着养猪业的集约化发展，大量集中排放至周边环境中的粪污水所引发的污染问题也越来越严重。由于粪污水中含有大量有机物、氨氮、含磷化合物、悬浮物和致病菌等，且产生恶臭，已对周边环境质量造成极大影响。因此，由规模化猪场所造成的环境污染问题，已引起社会各界的极大关注[1]。多年来，浙江省高度重视生态文明建设，先后提出了“绿色浙江”“两美浙江”“‘811’环境污染整治”“五水共治”“剿灭劣五类水”等战略举措。在一些养殖业相对发达的热带和亚热带农业区域，规模化养猪场所排放的粪污水已成为当地主要污染源，极大地威胁了农村饮用水和灌溉水安全，降低农村人居环境质量，规模化养猪场粪污水问题已严重阻碍了剿灭劣五类水的步伐。

1 规模化养猪场粪污水污染状况及危害

据估算，1头育肥猪从出生到出栏，排粪850～1 050 kg、排尿1 200～1 300 kg。1个万头猪场年排放纯粪尿约3万t，日产污水250～300 t，年可排放粪尿污水6万～9万t[2]。猪场粪污水未经达标处理，大量进入土壤后，可污染土壤，粪污水中过量的钾会造成土壤的微孔减少、通透性降低，进而破坏土壤结构[3-4]。同时，猪场粪污水中含有大量的氮、磷等元素，会形成不溶性的化合物，破坏土壤的团粒结构，造成板结而影响作物的生长[5]。此外，由于商品饲料中往往含有微量元素添加剂，且大部分残留在粪便中，导致猪场粪便中含有较高的铜、锌、砷等元素，进而使土壤污染的风险提高[6]。猪场粪污水中还含有大量的有害微生物，如未经处理排入土壤，则其中有害微生物(如致病菌、病毒、寄生虫等)会直接对人体造成影响。猪场粪污水中恶臭物质也会影响到附近居民的健康，造成疾病的蔓延。未经达标处理的猪场粪污水进入水体后，会造成硝酸盐含量增加、水体富营养化等一系列的环境问题[7]。

2 规模化养猪场粪污水处理现状

调查发现，大多数猪场污水处理采用的仍是传统的厌氧消化法和活性污泥处理法，部分猪场采用自然处理法[8]。这些传统的猪场粪污处理工艺在实际生产中难以推广或正常运行，有以下几方面原因如下： 1)粪污水消纳地不足；2)沿海发达地区，土地租赁费昂贵，难以采用需要土地面积大的人工湿地工艺；3)污水处理工程造价高，运行费用高，需要专业人员管理；4)传统的活性污泥处理法冬季处理效果极差。这些因素制约了规模化猪场现有污水处理技术的推广和运用。

3 复合微生物菌剂处理规模化养猪场粪污水的研究进展

针对畜禽养殖粪污水的特点，国内外学者已对其理化和生物处理技术进行了一系列的探索研究。其中，复合微生物制剂净化修复技术作为一种环境友好型的处理技术而受到广泛关注[9]。

复合微生物菌剂作为一种微生态制剂，采用多种功能菌株复配而成，以求充分发挥微生物菌群之间的协同作用，从而获取应用效果最佳的一种微生物菌剂。复合微生物制剂与单纯菌种微生物制剂相比，在工业、农业、医药和畜牧业等各行各业都有着更加重要的作用。复合微生物菌剂不仅集合了单纯功能菌株的优异特性，而且增加了菌株间的协同共生作用，从而能够更好地适合复杂多变的生境。复合微生物制剂在污水净化、保健品、药物、饲料添加剂等行业得到了较为广泛的应用，但在畜禽养殖污水处理方面的应用则鲜有报道[8,10-11]。

复合微生物制剂的菌种来源，一般为利用天然的功能微生物进行复配并经过优化处理的微生物菌剂，还有经人工构建的高效功能菌株和各种天然功能菌株复配构成的微生物菌剂。国外报道较多的是由日本琉球大学的比嘉照夫教授研制而成的EM复合微生物菌剂，该菌剂的主要成分涵盖了光合菌群、乳酸菌群、酵母菌群、放线菌群等80多种相关功能微生物菌种，结构稳定、功能广泛，广泛应用于发酵床、堆肥、污水处理等废水处理过程[12]。近年来，国内研究者对复合微生物菌剂的研究报道也越来越多。李鸣雷等[13]采用平板法从土壤样品中分离筛选到若干株功能菌株，并经优化复配，获得一种新型复合微生物制剂，该菌剂可迅速提高发酵体温度，降低鸡粪臭气，同时可提高鸡粪和麦草秸秆的降解速度，缩短堆肥时间。张陇利等[14]利用放线菌、光合细菌、丝状菌等功能菌株复配成VT复合微生物制剂，该菌剂可促进污泥堆体升温速率和最高温，且可加快水分散发和有机质分解。宁志刚等[15]利用固氮菌、溶磷菌、解钾菌3种功能菌株，按照同比例混合培养，制成复合微生物菌剂，并研究了不同菌剂接种量对猪粪堆肥作用效果的影响，结果表明，1.5%和2%的菌剂接种量效果最佳，基本除去猪粪臭味。

4 可用于规模化养猪场粪污水处理的微生物

据报道，国内外可用于规模化养猪场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[16]。

光合细菌主要分布于自然界的沼泽、湖泊、海洋的深水区等光线能透射到的缺氧区，是自然界中普遍存在的一类具有细菌叶绿素，在厌氧光照或好氧黑暗条件下，以光作为能源，利用自然界中的有机物、硫化物、氨氮等作为氢供体进行光合作用的原核生物。在水产养殖污水处理中，应用较为广泛的是光合细菌中的光能异养型红螺菌科(Rhodospirillaceae)中的一些品种，如沼泽红假单胞菌(Rhodopseudomonaspalustris)、球形红假单胞菌(Rhodopseudomonasspheroides)、荚膜红假单胞菌(Rhodopseudomonascapsulata)等。这类光合细菌在厌氧光照或好氧黑暗条件下，都能够高效降解水体中的高浓度有机物，避免了好氧活性污泥微生物对污水中溶解氧的依赖和厌氧甲烷细菌等对污水中溶解氧的敏感等缺陷。同时，这类细菌可产生高达60%以上的菌体蛋白，又富含维生素、生物素、泛酸、类胡萝卜素、抗病毒物质和生长促进因子等生理活性物质，营养价值较高，可充当饵料，作为饲料添加剂等。此外，光合细菌还可降解污水中的亚硝酸盐、硫化物等有毒物质，且其适应性强，对酚、氰等高毒性物质也有一定的耐受性和分解能力，因而，在食品生产和养殖粪污水净化处理中具有巨大的应用价值和广阔的应用前景[16]。

硝化细菌是一种自养型好氧细菌，主要包括亚硝酸菌属和硝酸菌属，其主要功能为降解氨氮和亚硝酸盐氮，因而在养殖粪污水脱氮过程中起着不可或缺的作用。硝化细菌在中性和弱碱性条件下效果最佳，在酸性条件下效果较差，又因其对氨氮和亚硝酸盐氮的高去除率和承受污染负荷高等特性，在养殖污水净化处理方面成效显著[17]。

反硝化细菌是一种异养型、兼性厌氧细菌，能够以亚硝态氮和硝态氮作为氮源，进行反硝化作用。通过还原水体中的亚硝态氮和硝态氮，使之生成无害的氮气，进而去除亚硝酸盐对环境造成的危害。同时，通过反硝化作用还可消耗水中氮素营养，抑制致病菌和藻类过度繁殖，从而达到净化水质的目的，在此过程中同化的氨氮还可作为植物的氮源，促进氮循环。可进行反硝化作用的细菌主要包括地衣芽孢杆菌(Bacilluslicheniformis)、脱氮副球菌(Paracoccusdenitrificans)、施氏假单胞菌(Pseudomonasstutzeri)等[18]。

芽孢杆菌是一类好氧、能形成芽孢的杆菌或球菌，多为革兰氏阳性菌。在畜禽养殖中，因其能够产生多种消化酶，促进动物吸收营养物质，故常作为饲料添加剂加入到动物饲料中，从而提高饲料的转化和利用效率。芽孢杆菌环境适应性强，生长繁殖迅速，且降解和转化有机物能力强，可直接降解硝酸盐和亚硝酸盐类污染物，减少或消除水体中的氨氮、硫化氢等污染物，平衡水体中的氮磷比，进而达到改善和净化水质的目的。此外，有些芽孢杆菌在新陈代谢过程中还可产生细菌素等抑菌物质，从而抑制沙门氏菌、伤寒杆菌等致病菌的活动，起到杀菌消毒的功效。目前，在养殖污水净化处理中常用的芽孢杆菌包括枯草芽孢杆菌(Bacillussubtilis)、纳豆芽孢杆菌(Bafillusnatto)、地衣芽孢杆菌(Bacilluslicheniformis)、蜡样芽孢杆菌(Bacilluscereus)等[19]。

酵母菌不仅具有单细胞、生长快、能形成很好的絮体、适应于各种不同的反应器等特点，而且具有真菌细胞大、代谢旺盛、耐高渗透压、耐高浓度、生长要求不苛刻等特性，在污水处理领域已被广泛应用。在养殖污水净化处理中，应用较为广泛的酵母菌主要涉及到啤酒酵母(Saccharoinycescerevisiae)、产阮假丝酵母(CandidaUntilis)、热带假丝酵母(Candidatropicalis)和解脂假丝酵母(Candidalipolytica)等[20]。

5 小结

增强功能菌株生物量、从而利用复合微生物菌剂处理养殖废水，是处理规模化养猪场粪污水过程中急需解决的问题。目前，可用于规模化养猪场粪污水处理的微生物主要包括光合细菌、硝化细菌、反硝化细菌、芽孢杆菌和酵母菌等，但利用微生物菌剂处理规模化养猪场粪污水的研究报道并不多见，且市场已推广的微生物菌剂主要依赖于国外进口。今后的研究应着力于充分利用本地资源，开发适合本地猪场粪污水处理的复合微生物菌剂，摆脱对进口菌剂的依赖。