基于園林廢棄物真菌菌劑的制備及應(yīng)用

彭春燕 高育慧 吳華南 鄭衛(wèi)國(guó) 劉天翔 李軍娟 喻東 鄭雯芳

摘要：采用“以廢治污”的理念，將以園林廢棄物為基質(zhì)制備的真菌菌劑應(yīng)用于污染河水中，以實(shí)現(xiàn)固體廢棄物與廢水的聯(lián)動(dòng)處理?？疾靾@林廢棄物的含量、基質(zhì)厚度和初始含水率對(duì)該菌株孢子制備的影響，并用響應(yīng)面法優(yōu)化制備工藝。結(jié)果表明，影響孢子產(chǎn)量的因子主次順序?yàn)榛|(zhì)厚度、園林廢棄物含量和含水率;最佳制備工藝條件為園林廢棄物含量46%、基質(zhì)厚度3 cm、初始含水率57%，得到的孢子數(shù)為4.75×109 CFU/g，該結(jié)果與回歸方程預(yù)測(cè)值接近;將制備的孢子活化，并以0.50‰的接種量投加至污染河水中，曝氣處理54 h后，COD、NH3-N和TP的去除率分別達(dá)84.97%、97.07%和51.64%;連續(xù)試驗(yàn)表明，該菌劑能夠有效地降低河水中的COD、NH3-N和TP等污染物，且具有較高的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：園林廢棄物;真菌;廢水;制備;響應(yīng)面法;曝氣

中圖分類號(hào)：Q89;X522? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：0439-8114（2020）14-0069-07

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2020.14.012 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Abstract： Based on the concept of “using waste to control pollution”， a fungus with high pollution resistance prepared from garden waste was applied to polluted river water to realize the linkage treatment of solid waste and waste water. Garden waste content， substrate thickness and initial moisture content were taken as influencing factors. The effect of the content， substrate thickness and initial water content of garden waste on the preparation of spores was investigated， and the preparation process was optimized by response surface method. The results showed that the most influential factor on the yield of spore was substrate thickness， followed by garden waste content and initial moisture content. The optimum conditions were garden waste content 46%， substrate thickness 3 cm and initial moisture content 57%. Under such conditions， the actual results were close to the predicted values of regression equation. Then the prepared spores were activated and added to polluted river water at an inoculum of 0.50‰. After 54 hours of aeration， the removal rates of COD， NH3-N and TP reached 84.97%， 97.07% and 51.64%， respectively. Continuous experiments demonstrated that this integrated system could effectively remove pollutants such as COD， NH3-N and TP in polluted river water with high stability.

Key words： garden waste; fungus; waste water; preparation; response surface methodology; aeration

園林廢棄物是在城市綠化美化過程中由植物自然凋落或綠化修剪等產(chǎn)生的植物殘?bào)w， 包括雜草、修剪枝條、落花、枯枝、落葉等[1]。隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)水平的提高，人民對(duì)美好生活的向往使得園林綠化迅速發(fā)展，導(dǎo)致園林廢棄物的數(shù)量不斷增加，給環(huán)境帶來了巨大壓力。目前，園林廢棄物主要通過焚燒或填埋進(jìn)行處理，然而，這種處理方式存在容易形成二次污染、造成土地資源及園林廢棄物的浪費(fèi)等缺點(diǎn)[2]。而將其與生物法結(jié)合起來，不僅環(huán)保，且可變廢為寶，實(shí)現(xiàn)資源的循環(huán)利用。但目前，園林廢棄物的生物處理法主要是堆肥，鮮見將其與菌劑制備結(jié)合起來。園林廢棄物營(yíng)養(yǎng)豐富，含有纖維素、多糖、半纖維素、蛋白質(zhì)等成分[3]，將其作為真菌的固態(tài)發(fā)酵基質(zhì)，不僅可降低園林廢棄物的含量，還可制備獲得大量的功能性菌劑，能夠充分實(shí)現(xiàn)廢棄物的無害化、減量化、資源化利用。但真菌菌劑在制備過程中，制備條件繁多（如基質(zhì)厚度、初始含水率、發(fā)酵條件等），這些條件的改變極易影響菌劑的產(chǎn)量，進(jìn)而影響實(shí)際工程的應(yīng)用。因此，需要尋找一種有效的回歸分析方法來優(yōu)化制備工藝。響應(yīng)面法是一種可找到最佳優(yōu)化參數(shù)的有效統(tǒng)計(jì)技術(shù)，集綜合統(tǒng)計(jì)分析、數(shù)學(xué)應(yīng)用和試驗(yàn)設(shè)計(jì)于一體，能以最經(jīng)濟(jì)的方式、較少的試驗(yàn)數(shù)量和較短的時(shí)間進(jìn)行全面研究，進(jìn)而獲得最佳的制備條件[4-7]。

108B2-1.541 83×107C2

由Design Expert 8.0.6軟件對(duì)二次曲面模型的方差分析及回歸系數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，結(jié)果如表3所示。模型的P<0.000 1<0.01，可以看出模型是極顯著的，且各單因素的作用都是極顯著。此外，模型失擬項(xiàng)的P>0.05，其中，R2=0.990 9，R2adj=0.979 3，這表明模型與試驗(yàn)高度擬合，試驗(yàn)誤差相對(duì)較小，不同因素之間的差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義;模型的R2pred與R2的值相差不大，說明該模型無需進(jìn)一步優(yōu)化。因此，可利用該模型對(duì)目標(biāo)菌株孢子制備條件進(jìn)行分析及預(yù)測(cè)。

通過曲面的陡峭程度判斷各因子對(duì)產(chǎn)孢量的影響，坡面越陡，即因素作用越顯著[26]。曲面均向上凸起，表明存在最大值（圖2）。由圖2a可知，基質(zhì)厚度的效應(yīng)面相對(duì)園林廢棄物含量的效應(yīng)面更陡峭，所以基質(zhì)厚度對(duì)孢子產(chǎn)量影響更為顯著;同理，由圖2b和圖2c可知，各因子對(duì)該菌株產(chǎn)孢的影響表現(xiàn)為基質(zhì)厚度>園林廢棄物含量>初始含水率。

而根據(jù)等高線的形狀判定兩兩交互作用的影響強(qiáng)弱，若為橢圓或馬鞍形，則兩者之間的交互作用明顯，若為圓形或直線型，則交互作用不顯著[27]。據(jù)此，從圖2a至圖2c等高線的形狀可以看出，3個(gè)因素之間兩兩交互作用都較強(qiáng)，其中，園林廢棄物含量與基質(zhì)厚度之間的交互作用最強(qiáng)，園林廢棄物含量與初始含水率之間的交互作用次之，基質(zhì)厚度與初始含水率之間的交互作用最弱。

2.3 模型驗(yàn)證

通過模型的回歸方程，得出最佳制備條件為園林廢棄物含量45.82%、基質(zhì)厚度3.20 cm、初始含水率56.84%。為驗(yàn)證結(jié)果的可靠性，采用上述優(yōu)化參數(shù)再次進(jìn)行孢子粉的制備，為滿足實(shí)際操作，將參數(shù)設(shè)置為園林廢棄物含量46%、基質(zhì)厚度3 cm、初始含水率57%，得到的孢子總數(shù)為4.75×109 CFU/g，該結(jié)果與模型預(yù)測(cè)的孢子數(shù)4.60×109 CFU/g較為接近。因此，BBC響應(yīng)面法優(yōu)化菌株孢子粉制備工藝是可行的，該回歸方程可用于實(shí)踐過程。

2.4 不同菌劑接種量對(duì)河水污染物去除的影響

將上述制備的孢子粉經(jīng)活化后以不同的比例投加至河水中，河水COD的降解效果如圖3a所示，菌劑投加量影響了COD的降解，投加量過高或過低都不利于COD的降解，這與前人研究結(jié)果相一致[28，29]。在前4 h，與對(duì)照組相比，菌劑對(duì)水質(zhì)COD的去除并無明顯差異。但隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng)，菌劑的作用逐漸顯現(xiàn)出來，這可能是因?yàn)榫鷦┩都又梁铀写嬖谝欢ǖ倪m應(yīng)過程，不利于降解的進(jìn)行。而隨著菌劑對(duì)生境的適應(yīng)，逐漸與土著微生物發(fā)揮協(xié)同作用，從而提高了對(duì)廢水COD的去除率。從圖3a可以看出，當(dāng)接種量為0.5‰時(shí)，處理時(shí)間為54 h時(shí)，COD的去除率達(dá)84.97%，此時(shí)，河水COD的含量為16.88 mg/L，對(duì)照組COD的含量為64.86 mg/L，河道水質(zhì)從劣Ⅴ類水提升至Ⅲ類水（GB 3838—2002）。

由圖3b可知，CK在持續(xù)曝氣環(huán)境及土著微生物的作用下，NH3-N在一定程度下得到去除，但水質(zhì)仍較差，屬于劣Ⅴ類水質(zhì)。而真菌菌劑的投加提高了NH3-N的去除率，且隨著投加比例的增加，NH3-N的去除率也隨之增加，該結(jié)果與細(xì)菌菌劑作用于氨氮呈現(xiàn)相似的規(guī)律[30，31]。當(dāng)接種量為0.50‰時(shí)，NH3-N去除率達(dá)97.07%，且經(jīng)過54 h的處理，氨氮的含量（0.84 mg/L）達(dá)地表水環(huán)境Ⅲ類水質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)。

由圖3c可知，投加真菌菌劑后，與對(duì)照組相比，水質(zhì)總磷總體上呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。投加量為0.50‰，處理時(shí)間為54 h時(shí)，TP的去除率最大，達(dá)51.64%。相比COD和NH3-N，該菌株對(duì)TP的去除效果較弱，在實(shí)際河道治理過程中，可通過輔以水生植物及鋪設(shè)卵石等來提高水質(zhì)磷的去除[32]。綜上所述，真菌菌劑的投加可以提升河水水質(zhì)凈化效果，綜合考慮處理要求及成本，菌劑投加量以0.50‰為最佳。

2.5 連續(xù)狀態(tài)下菌劑對(duì)河水污染物的去除效果

如圖4所示，投入菌劑后，河水COD、NH3-N和TP都呈現(xiàn)較好的下降趨勢(shì)，試驗(yàn)實(shí)施5 d后，以一定的流量不斷增加新的河水及排出處理過的河水。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著河水中COD、NH3-N和TP的去除，水質(zhì)都達(dá)到相對(duì)平衡的一個(gè)狀態(tài)，其中，COD的去除率保持在80%～87%，NH3-N的去除率保持在93%～98%，TP的去除率保持在46%～55%。該結(jié)果說明此菌劑應(yīng)用于河水治理具有現(xiàn)實(shí)的意義，且穩(wěn)定性較好，可進(jìn)行工程化的推廣。

3 小結(jié)與討論

由于城市建設(shè)的迅速發(fā)展，目前中國(guó)園林面積不斷增加，廢棄物數(shù)量越來越多，在環(huán)保意識(shí)日益增強(qiáng)的今天，發(fā)展推進(jìn)園林廢棄物的生態(tài)處理及資源化利用意義重大。目前，園林廢棄物生態(tài)化處理方式主要是堆肥化處理，但由于其堆肥過程容易產(chǎn)生刺激性的氣味，堆肥時(shí)間過長(zhǎng)，且其堆肥化產(chǎn)品存在質(zhì)量不一等缺點(diǎn)，限制了其廣泛應(yīng)用。而在功能性菌劑制備過程中，農(nóng)業(yè)副產(chǎn)物、天然纖維素等都可以作為其固態(tài)發(fā)酵基質(zhì)。董海燕[33]利用木屑、麥麩和米糠等作為棘孢木霉固態(tài)發(fā)酵基質(zhì)，結(jié)果表明，基質(zhì)為麥麩時(shí)，其產(chǎn)孢量達(dá)到最大值，而當(dāng)單純利用木屑作為基質(zhì)時(shí)，該菌株的產(chǎn)孢量可達(dá)108 CFU/g以上;易征璇等[34]研究亦表明，康氏木霉可在鋸木屑、稻草粉、玉米秸稈中產(chǎn)孢，而在麥麩中產(chǎn)孢效果最好。上述研究表明，以園林廢棄物作為真菌固態(tài)發(fā)酵基質(zhì)是可行的，而在真菌產(chǎn)孢過程中，麥麩更有利于該過程的進(jìn)行。因此，本研究將園林廢棄物和麥麩復(fù)合物作為具有高效去污能力真菌的固態(tài)發(fā)酵基質(zhì)。有研究表明[35，36]，在真菌固態(tài)發(fā)酵過程中，基質(zhì)厚度、基質(zhì)營(yíng)養(yǎng)、基質(zhì)初始含水率、濕度、溫度等都能對(duì)菌株的產(chǎn)孢量產(chǎn)生巨大的影響。因此，本研究考察了園林廢棄物含量、基質(zhì)厚度和基質(zhì)初始含水率等對(duì)目標(biāo)菌株產(chǎn)孢量的影響，結(jié)果表明，園林廢棄物的含量為50%、基質(zhì)厚度4 cm、初始含水率60%時(shí)，目標(biāo)菌株產(chǎn)孢量達(dá)最大值;進(jìn)一步用響應(yīng)面法對(duì)園林廢棄物制備菌劑的條件進(jìn)行了優(yōu)化，表明基質(zhì)厚度對(duì)該菌株產(chǎn)孢量影響最大，園林廢棄物含量次之，初始含水率影響相對(duì)最弱，當(dāng)園林廢棄物含量46%、基質(zhì)厚度3 cm、初始含水率57%時(shí)，得到的孢子總數(shù)為4.75×109 CFU/g，該結(jié)果與理論值接近，表明該模型可較好地應(yīng)用于園林廢棄物真菌靜態(tài)發(fā)酵工藝。目前已有的園林廢棄物生物處理法的文獻(xiàn)報(bào)道中，大部分學(xué)者都聚焦于堆肥法[2，3，37，38]，幾乎沒有研究將其與微生物菌劑制備結(jié)合，可見，本研究初創(chuàng)地將園林廢棄物與微生物菌劑制備相結(jié)合，豐富了園林廢棄物處理的方式，實(shí)現(xiàn)了其資源化利用。

而另一方面，隨著工業(yè)化、城市化的發(fā)展，生活污水、工業(yè)廢水排放量急劇增加，水環(huán)境問題益發(fā)嚴(yán)重、環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)突出，已成為國(guó)家生態(tài)文明建設(shè)戰(zhàn)略目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的突出短板。在水污染治理中，生物修復(fù)由于具有經(jīng)濟(jì)高效、環(huán)保、能耗低等優(yōu)勢(shì)備受推崇，相比其他物理、化學(xué)修復(fù)方法，微生物菌劑具有制備迅速、反應(yīng)靈敏、成本較低等優(yōu)勢(shì)，成為水生態(tài)修復(fù)的熱點(diǎn)。尹莉等[17]將硝化菌、反硝化菌、除磷菌、COD降解菌等組成復(fù)合菌，并通過固定化的方式應(yīng)用于黑臭水體中，在黑臭水體pH為7.01， 溶解氧的質(zhì)量濃度為2～3 mg/L， 固定化復(fù)合菌投加量為6～9 g/L，反應(yīng)時(shí)間為72 h 時(shí)，CODCr、NH3-N、TN、TP的去除率分別為56%、97%、60%、58%。杜聰?shù)萚14]將乳酸菌、酵母菌、絲狀菌復(fù)合而成的微生物菌劑投加至黑臭河道中，當(dāng)菌劑的投加濃度為0.5～1.0 mg/L時(shí)，黑臭水體的COD、NH3-N、TN去除率分別達(dá)87.37%、95.24%和90.70%。本研究將以園林廢棄物與麥麩復(fù)合物為基質(zhì)制備的真菌菌劑應(yīng)用于河水中，表明該真菌降解能力強(qiáng)，與土著微生物能發(fā)揮較好地協(xié)同作用，相比其他研究，此研究?jī)H用一株菌株就能使COD、NH3-N和TP達(dá)到較好的降解效果，在以0.50‰的接種量投加至污染河水中，配合曝氣技術(shù)處理54 h，COD的去除率達(dá)84.97%，NH3-N的去除率達(dá)97.07%，TP的去除率達(dá)51.64%;通過連續(xù)處理試驗(yàn)，表明該菌劑應(yīng)用于河水治理具有現(xiàn)實(shí)意義，且穩(wěn)定性較好，可進(jìn)行工程化的推廣。

本研究將篩選保藏的高耐污真菌與園林廢棄物結(jié)合，通過固態(tài)發(fā)酵，目標(biāo)菌株的產(chǎn)孢量達(dá)109 CFU/g以上;而在此條件下制備的菌劑應(yīng)用于污染河水中，表明該菌劑對(duì)河水凈化效果好、去除效果具有較高的穩(wěn)定性。在生態(tài)環(huán)保、廢棄物資源化利用的大背景下，該研究從“以廢治污”的角度出發(fā)，為相關(guān)研究和工程應(yīng)用提供了新的方向。

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