一种利用厌氧处理的猪粪废水制备生态菌肥的方法与流程

本发明涉及废水处理及植物种植技术领域，具体涉及一种以猪粪废水处理过程中的厌氧处理废水为原料利用光合细菌制备生态菌肥的方法。

背景技术：

自20世纪60年代日本科学家m.kobayashi等发现光合细菌(psb)能净化水质以来，光合细菌就一直受到人们的关注。光合细菌广泛分布在海洋，河流，湖泊和土壤中。rhodobactersphaeroides作为应用最广泛的光合细菌菌株，广泛地被应用于处理大豆加工废水，糖厂废水，轻工业废水，畜禽废水的处理，且cod的去除率可达70％-90％。光合细菌在废水处理工艺后所获得的菌体中的一些提取物，例如单细胞蛋白(scp)，生物聚合物，抗菌药物，胡萝卜素，泛酸和其他治疗类化合物等可作为种植，医药，化妆品，食品等行业的添加剂。因此，利用光合细菌可以在降解污水污染物的同时实现资源化的目的，在当今资源缺乏的时代具有较为广阔的应用前景。

随着新型农业、生态型农业的科学技术的进步，生态型施肥成为农业产业化经营的主流，通过施用微生物菌肥能够改善土壤状况，提高植株的生长发育状态，改善农产品的品质，达到绿色施肥，绿色生产，绿色农业的效果。微生物菌肥施肥具有高投入、高产出、高生态的三重特点，是今后农业施肥的重要发展方向。

纯种的光合细菌作为生态菌肥用于种植业中，能提高种子发芽率和出苗率、促进植物生长和增加产量，提高作物的抗病性和抗逆性、增强水果的耐贮性、减轻农药对作物的毒害和降解作物中残留的农药。这些作用主要归功于光合细菌丰富的代谢产物。土壤中施入光合细菌后，光合细菌利用土壤和植物的营养元素进行自我繁殖，其代谢产物中除了有丰富的蛋白质外，还有辅酶q、泛酸等多中营养物质，这些代谢产物不仅能给土壤中微生物提供丰富营养，促进其他微生物繁殖，土壤中的微生物大量增加使土壤迅速肥沃起来，另外，光合细菌代谢产生的生长因子能提高作物细胞活性，增强作物的光合作用。

随着人口的增多和人民生活水平逐渐提高，人类对粮食的需求越来越大，对畜禽肉蛋类的需求逐渐增加，为了提高粮食产量，化肥的使用量越来越高，从而导致了土壤，大气和水体方面的污染，并破坏了生态系统；对畜禽产品的需求促进了国内畜禽生产的集约化、工厂化发展，大型的畜禽养殖在供给了充足的畜牧产品的同时，也造成了大量畜禽养殖废弃物的产生、化肥滥用和大量畜禽废水的排放，而成为污染环境的主要因素。利用光合细菌处理畜禽废水或作为生态菌肥的报道屡见不鲜，但是光合细菌处理后的畜禽废水中仍含有植物所需的n、p、k等元素，且光合细菌的质量在处理废水的过程中增加，如能将光合细菌处理的畜禽废水作为生态菌肥，既可以减少化肥、农药的用量，又能通过资源化再利用从根本上解决畜禽废水污染问题，一举两得，是实现农业部“一控二减三基本”目标的重要途径。

畜禽养殖污水具有富含有机物和氨氮，含有多种重金属离子等特点，直接作为肥料容易对植物生长产生不利影响。现有技术中利用畜禽养殖污水制备生态菌肥多需通过由硝化细菌等多种厌氧微生物、芽孢杆菌等多种好氧微生物以及真菌等组成的复杂微生物体系的联合作用或通过多级发酵处理制备，菌种培养过程和废水处理工艺复杂、成本高而且制备得到的生态菌肥的菌种和营养成分组成对于植物的生长和品质的提升作用十分有限，不适于大规模应用。因此，亟需开发以高浓度畜禽粪便污水为原料的、处理工艺简单、得到的生态菌肥的肥效优异的生态菌肥的制备方法。

技术实现要素：

为解决现有技术存在的技术问题，本发明的目的在于提供一种以猪粪废水处理过程中的厌氧处理废水为原料利用光合细菌制备生态菌肥的方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：本发明在对大量光合细菌进行性质、功能和代谢产物组分分析和研究的基础上，通过大量的筛选对比确定了适用于经厌氧池处理的猪粪废水处理的光合细菌菌种组合。利用沼泽红假单胞菌(rhodopseudomonaspalustris)、荚膜红细菌(rhodobactercapsulatus)、类球红细菌(rhodobactersphaeroides)3种光合细菌的配合作用处理经厌氧池处理的猪粪废水，实现了使用单一种类细菌的一次培养即可制备能够高效促进植物生长和产量以及提高植物营养品质的光合细菌生态菌肥。

具体地，本发明提供一种利用厌氧处理的猪粪废水制备生态菌肥的方法，以猪粪废水为原料，接种光合细菌，经培养制备得到；所述猪粪废水来源于猪粪废水的厌氧-缺氧-好氧三段式废水处理系统的厌氧池出水猪粪废水；所述光合细菌包括沼泽红假单胞菌(rhodopseudomonaspalustris)、荚膜红细菌(rhodobactercapsulatus)和类球红细菌(rhodobactersphaeroides)。

作为本发明的优选方案，所述沼泽红假单胞菌为菌种保藏编号为cgmccno.1.8929的菌株，荚膜红细菌为菌种保藏编号为cgmccno.1.3366的菌株，类球红细菌为菌种保藏编号为cgmccno.1.5028的菌株。

为更好地与沼泽红假单胞菌、荚膜红细菌和类球红细菌的废水处理功能匹配，使得生态菌肥的营养物质组成更适于植物生长需求，上述厌氧池出水猪粪废水的cod浓度为1×10³～2×10³mg/l，总氮浓度为700～1000mg/l；总磷浓度为20～40mg/l。

优选地，所述厌氧池出水猪粪废水的cod浓度为1.5×10³～1.8×10³mg/l，总氮浓度为700～800mg/l；总磷浓度为25～35mg/l。

所述接种的光合细菌中，沼泽红假单胞菌(rhodopseudomonaspalustris)、荚膜红细菌(rhodobactercapsulatus)和类球红细菌(rhodobactersphaeroides)的质量比为1:(1～3):(1～3)。以上述质量比配合接种，能够使得培养过程中各菌种更好地配合，最大限度地降低菌种间的抑制作用，最大程度地发挥其生长代谢的协同促进作用以及代谢产物的协同配合作用，进而更高效地处理猪粪废水中的有机物和有毒有害物质。

上述接种的沼泽红假单胞菌(rhodopseudomonaspalustris)、荚膜红细菌(rhodobactercapsulatus)和类球红细菌(rhodobactersphaeroides)的质量比优选为1:(1～1.3):(1～1.7)。

优选地，所述光合细菌的接种量为至光合细菌浓度为0.2g/l～0.5g/l。采用上述接种量能够使得光合细菌更加快速地进入生长期，缩短培养周期，同时保持菌种培养活力。

本发明中，所述光合细菌的种子液可以采用本领域常规的技术手段获得。进一步优选地，采用处于对数生长期的光合细菌接种。

通过多次培养实验和作物施用实践验证，本发明发现，当培养液中的总氮浓度为200～300mg/l，总磷浓度为20～40mg/l，光合细菌浓度为0.5～1g/l时，培养液中的大量元素氮、磷、钾以及钙、铁、铜、锌等微量元素的组成和含量能够更好地促进植物生长和品质提升。

优选地，所述培养为至培养液的cod含量为400～700mg/l，总氮浓度为200～300mg/l，总磷浓度为20～40mg/l，光合细菌浓度为0.5～1g/l结束培养。

进一步优选地，所述培养为至培养液的cod含量为500～650mg/l，总氮浓度为200～250mg/l，总磷浓度为25～35mg/l，光合细菌浓度为0.80～0.97g/l结束培养。

本发明中，所述光合细菌的浓度可以根据对数生长期的细菌干重与其光密度(od)的相关性制作光合细菌的干重-od值标准曲线进行换算。例如：光合细菌浓度为0.80～0.97g/l相当于od600为1.4-1.7。

经验证，上述培养液的营养成分组成能够更好地适用于蔬菜类作物的生长和种植，尤其是生菜等叶菜类蔬菜。

为更好地保证猪粪废水的培养效率，优选地，所述培养的时间为1～4天。

上述经培养得到的培养液可直接作为生态菌肥，也可加入肥料领域允许的辅料制备为生态菌肥。

所述培养在自然微氧条件下进行，温度为25～30℃，氧化还原电位为-300～100mv。

作为优选，所述培养的温度为26～28℃。

为促进光合细菌的更好地生长繁殖，优选地，在接种所述光合细菌前，将所述猪粪废水的ph调节至6.7～7.0。

作为本发明的优选方案，所述利用猪粪废水制备生态菌肥的方法包括如下步骤：

(1)猪粪废水原料的获得：猪粪废水来源于的厌氧-缺氧-好氧三段式废水处理系统的厌氧池出水，其cod浓度为1.49×10³～1.63×10³mg/l，总氮浓度为720～759mg/l；总磷浓度为25～35mg/l；将上述猪粪废水离心取上层清液后，调节ph为6.7～7.0；

(2)光合细菌种子液的制备和接种：在种子培养基中培养沼泽红假单胞菌cgmccno.1.8929、荚膜红细菌cgmccno.1.3366、类球红细菌cgmccno.1.5028至对数生长期得到种子液；将所述种子液接种于猪粪废水，接种量为至光合细菌浓度为0.2～0.5g/l，其中沼泽红假单胞菌cgmccno.1.8929、荚膜红细菌cgmccno.1.3366和类球红细菌cgmccno.1.5028的质量比为1:(1～1.3):(1～1.7)；

(2)培养：在自然微氧条件下，26～28℃，orp为-300～100mv，培养1～4天，至培养液的总氮浓度为210～240mg/l，总磷浓度为25～35mg/l，光合细菌浓度为0.80～0.97g/l结束培养；所得培养液即为所述生态菌肥。

进一步地，本发明提供所述利用猪粪废水制备生态菌肥的方法制备得到的生态菌肥。

优选地，所述生态菌肥中，总氮浓度为200～300mg/l，总磷浓度为20～40mg/l，光合细菌浓度为0.5～1g/l。

进一步优选地，所述生态菌肥中，总氮浓度为210～240mg/l，总磷浓度为25～35mg/l，光合细菌浓度为0.80～0.97g/l。

在此基础上，本发明还提供所述生态菌肥在促进植物生长、提高植物产量、或提高植物品质中的应用。

优选地，所述应用为将所述生态菌肥以根施法施用。

优选地，所述植物为蔬菜。更优选为叶菜。更优选为生菜。

作为本发明的一种实施方式，当所述植物为生菜时，所述应用为在生菜定植缓苗后，每隔10-15天采用根施法以本发明所述的生态菌肥进行追肥。

具体地，每平方米生菜种植土地施用所述生态菌肥4-6l。

本发明的有益效果在于：本发明提供的利用光合细菌处理猪粪便废水的方法，实现了利用同一种类细菌的复配使用通过一次培养即可将富含有机物和氨氮的厌氧池猪粪便废水制备为生态菌肥，有效避免了培养过程中复杂的微生物体系存在的相互干扰和拮抗作用，最大程度地发挥了同类微生物的协同配合作用，显著提高了废水处理中有机物、氨氮以及有毒有害物质的降解效率，同时具有菌种制备和废水处理工艺简单、易操作、对设备要求低、成本低等优势；制备的生态菌肥含有适于植物生长的氮、磷、钾元素配比以及氨基酸、维生素、矿物质等多种营养元素以及光合细菌，配比合理且全面的营养元素以及光合细菌代谢产生的生长因子能够显著提高植物的生长以及光合作用等代谢活性，同时能够促进土壤微生物的生长繁殖，增强土壤肥力，显著提升植物的产量和营养品质(可溶性蛋白含量、可溶性糖含量、维生素c含量等)。

本发明提供的利用光合细菌处理厌氧池猪粪便废水制备生态菌肥的方法为畜禽养殖废水资源化处理、变废为宝和应用提供了新的思路和科学依据，为农作物增产、提质、减少化肥使用量提供了有效方法，实现了废水资源化、环境保护以及经济收益的综合提升。

附图说明

图1为本发明实施例1中盆栽生菜试验的生菜形态指标检测结果，其中，营养液处理代表采用营养液处理的对照组，厌氧池水psb代表采用采用生态菌肥处理的实验组。

图2为本发明实施例1中盆栽生菜试验的部分光合指标和品质指标检测结果，其中，营养液处理代表采用营养液处理的对照组，厌氧池水psb代表采用采用生态菌肥处理的实验组。

图3为本发明实施例2中土培生菜试验中采用不同用量的生态菌肥处理的生菜形态指标、部分光合指标和品质指标检测结果。

图4为本发明实施例3中土培生菜试验的生菜形态指标、部分光合指标和品质指标检测结果，其中培养液a代表采用实验组生态菌肥处理，培养液b代表采用对照组1的生态菌肥处理，培养液c代表采用对照组2的生态菌肥处理。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的优选实施方式进行详细说明。需要理解的是以下实施例的给出仅是为了起到说明的目的，并不是用于对本发明的范围进行限制。本领域的技术人员在不背离本发明的宗旨和精神的情况下，可以对本发明进行各种修改和替换。

下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。

下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。以下实施例所用光合细菌菌株均购自中国普通微生物保藏管理中心(地址：北京市朝阳区北辰西路1号院3号中国科学院微生物研究所)。

实施例1光和细菌生态菌肥的制备和应用

1、光和细菌生态菌肥的制备

本实施例提供一种以猪粪废水厌氧-缺氧-好氧三段式废水处理系统的厌氧池出水为原料利用光合细菌制备生态菌肥的方法，具体如下：

本实施例采用的猪粪废水原料为取自猪粪废水厌氧-缺氧-好氧三段式废水处理系统的厌氧池出水，其cod浓度为1.58×10³mg/l，总氮浓度为721mg/l；总磷浓度为26.3mg/l。

(1)猪粪废水原料的获得：上述猪粪废水原料离心取上层清液后，调节ph为7.0；

(2)光合细菌种子液的制备和接种：在种子培养基中培养沼泽红假单胞菌cgmccno.1.8929、荚膜红细菌cgmccno.1.3366、类球红细菌cgmccno.1.5028至对数生长期得到种子液(菌体浓度为0.90g/l)；将种子液接种于猪粪废水原料中，接种量为至光合细菌浓度为0.35g/l，其中，沼泽红假单胞菌cgmccno.1.8929浓度为0.1g/l、荚膜红细菌cgmccno.1.3366浓度为0.12g/l、类球红细菌cgmccno.1.5028浓度为0.13g/l；

(2)培养和生态菌肥制备：在自然微氧条件下，28℃，orp为-300～100mv，培养3天，测得cod浓度为597mg/l，氨氮浓度为69.7mg/l，总氮(tn)浓度为220.4mg/l，总磷(tp)浓度为33.9mg/l，光合细菌浓度为0.86g/l(od660为1.51)结束培养，所得培养液即为所述生态菌肥(液肥)。

2、光合细菌生态菌肥的应用

将上述制备的生态菌肥施用于生菜，检测其对于生菜生长和品质的作用。

(1)实验材料：

供试种苗：生菜幼苗，品种为红罗莎生菜苗，苗龄25天，购于中农富通通州科技园。

供试底肥：尿素，磷酸二氢钾，氯化钾。

供试营养液：由大量元素和微量元素组成，大量元素选用1/2霍格兰全硝配方(表1)，微量元素选用如表2所示的通用配方。

表11/2霍格兰全硝配方

表2通用微量元素配方

(2)实验方法：

生菜幼苗采用盆栽方式置于温室内，盆规格为55*22*18(cm)，盆为0.121平方米，每盆装基质配比为草炭：珍珠岩：蛭石＝2:1:1，定植前将基质浇透水，以能手捏成团，掉落散开为标准，单因素随机区组试验设计如表3所示，每个处理重复5次。

每盆均匀拌入尿素4.62g、磷酸二氢钾1.54g，氯化钾2.38g作为底肥。追肥分别设置不同的处理：①营养液处理对照组：施用营养液作为追肥；②生态菌肥实验组：施用上述1制备的生态菌肥作为追肥；在实验中尝试采用制备生态菌肥的猪粪废水原料施用于生菜作为对照组，但由于猪粪废水原料组的生菜无法正常生长，因此弃用该对照组。上述①和②处理组浇水至土壤持水量的75％，每盆移栽5株长势基本一致的生菜幼苗，生长期间定期浇水、松土和依次轮换盆的位置；安装普通led灯条对生菜进行补光，将光强控制在250μmol/m²/s左右适宜生菜的生长；所有设计组每10天按操作方式进行浇灌，保证每个处理组的灌量约500ml每盆，其余时间用清水进行日常照料。

表3盆栽生菜试验设计表

在生菜移植后的整个阶段使用本实施例制备的生态菌肥，实验结果如图1和图2所示，在形态指标方面(图1)，实验组生菜的株高、叶片数、叶面积、地上部干重、地上部鲜重比对照组分别提高11.28％、16.67％、7.62％、4.64％、8.14％；在部分光合指标和品质指标方面(图2)，实验组生菜的叶绿素总量是对照组的1.15倍，可溶性蛋白含量、可溶性糖含量、维生素c含量分别比对照组增加了15.14％、27.34％、8.74％。结果表明，本实施例制备的生态菌肥能够有效提高生菜的产量及其品质指标，并且实现猪粪废水资源化。

实施例2生态菌肥的制备以及不同生态菌肥的施用量对生菜生长和品质的影响

1、本实施例提供一种以猪粪废水厌氧-缺氧-好氧三段式废水处理系统的厌氧池出水为原料利用光合细菌制备生态菌肥的方法，具体如下：

本实施例采用的猪粪废水原料为取自猪粪废水厌氧-缺氧-好氧三段式废水处理系统的厌氧池出水，其cod浓度为1.50×10³mg/l，总氮浓度为744mg/l；总磷浓度为31.8mg/l。

(1)猪粪废水原料的获得：上述猪粪废水原料离心取上层清液后，调节ph为6.8；

(2)光合细菌种子液的制备和接种：在种子培养基中培养沼泽红假单胞菌cgmccno.1.8929、荚膜红细菌cgmccno.1.3366、类球红细菌cgmccno.1.5028至对数生长期得到种子液(菌体浓度为0.90g/l)；将种子液接种于猪粪废水原料中，接种量为至光合细菌浓度为0.35g/l，其中，沼泽红假单胞菌cgmccno.1.8929浓度为0.11g/l、荚膜红细菌cgmccno.1.3366浓度为0.12g/l、类球红细菌cgmccno.1.5028浓度为0.12g/l；

(2)培养和生态菌肥制备：在自然微氧条件下，27℃，orp为-300～100mv，培养3天，测得cod浓度为509mg/l，氨氮浓度为67.1mg/l，tn浓度为212.4mg/l，tp浓度为31.7mg/l，光合细菌浓度为0.82g/l(od660为1.44)结束培养，所得培养液即为所述生态菌肥(液肥)。

2、光合细菌生态菌肥的应用

(1)实验材料：供试种苗、供试底肥与实施例1相同。

(2)实验方法：

生菜幼苗采用日光温室土壤栽培，每个处理为1平方米，拌入尿素38.18g、磷酸二氢钾12.73g，氯化钾19.67g作为底肥。追肥分别设置不同的处理组(如表4所示)：①生态菌肥实验组1：施用本实施例制备的生态菌肥作为追肥，施用量为3l/m²；②生态菌肥实验组2：施用本实施例制备的生态菌肥作为追肥，施用量为5l/m²；③生态菌肥实验组3：施用本实施例制备的生态菌肥作为追肥，施用量为8l/m²。各处理浇水至土壤持水量的75％，所有处理组每10天按操作方式进行浇灌，其余时间用清水进行日常照料。

表4土培生菜试验设计表

在生菜移植后的整个阶段使用该生态菌肥，实验结果如图3所示，施用量为5l/m²的生菜在叶面积、地上部鲜重、叶绿素总量、维生素c含量、总酸含量方面比施用量为3l/m²增加了8.77％、9.21％、10.34％、23.03％、32.56％；施用量为8l/m²的生菜在叶面积、地上部鲜重、叶绿素总量、维生素c含量、总酸含量方面仅比施用量为5l/m²增加了1.13％、0.84％、1.56％％、0.91％、5.26％；说明3l/m²的施用量不足以提高生菜的产量与品质，8l/m²的施用量时生菜各项指标虽然比5l/m²的各项指标有所提高，但是增幅效果不明显，可能部分营养残留在土壤中未被生菜吸收利用，产生了浪费，采用5l/m²的施用量即可实现较好的生菜促生长和品质提升作用。

实施例3利用不同光合细菌制备生态菌肥

1、本实施例提供一种以猪粪废水厌氧-缺氧-好氧三段式废水处理系统的厌氧池出水为原料利用光合细菌制备生态菌肥的方法，与实施例1的区别在于采用不同的光合细菌组合。

本实施例采用的猪粪废水原料为取自猪粪废水厌氧-缺氧-好氧三段式废水处理系统的厌氧池出水，其cod浓度为1.61×10³mg/l，总氮浓度为754mg/l；总磷浓度为33.2mg/l。

(1)猪粪废水原料的获得：上述猪粪废水原料离心取上层清液后，调节ph为6.8；

(2)光合细菌种子液的制备和接种：在种子培养基中分别培养沼泽红假单胞菌cgmccno.1.8929、荚膜红细菌cgmccno.1.3366、类球红细菌cgmccno.1.5028至对数生长期得到种子液(菌体浓度为0.90g/l)；将种子液接种于猪粪废水原料中。

分别设置不同光合细菌组合的处理组，各组接种的光合细菌如下：

实验组：沼泽红假单胞菌cgmccno.1.8929浓度为0.10g/l、荚膜红细菌cgmccno.1.3366浓度为0.11g/l、类球红细菌cgmccno.1.5028浓度为0.14g/l；对照组1：沼泽红假单胞菌cgmccno.1.8929浓度为0.15g/l、类球红细菌cgmccno.1.5028浓度为0.20g/l；对照组2：荚膜红细菌cgmccno.1.3366浓度为0.14g/l、类球红细菌cgmccno.1.5028浓度为0.21g/l；

(3)培养和生态菌肥制备：在自然微氧条件下，26℃，orp为-300～100mv，培养4天，测得实验组、对照组1和对照组2的cod浓度分别为638mg/l、915mg/l、804mg/l；tn浓度分别为229.8mg/l、256.0mg/l、247.6mg/l；tp浓度为28.6mg/l，23.9mg/l，35.2mg/l；光合细菌浓度分别为0.92g/l、1.01g/l、0.93g/l结束培养，各组所得培养液即为不同的生态菌肥，其中，实验组所得培养液记为培养液a，对照组1所得培养液记为培养液b，对照组2所得培养液记为培养液c。

2、生态菌肥的应用

(1)实验材料：本实施例中供试种苗、供试底肥均与实施例1相同。

(2)实验方法：

生菜幼苗采用日光温室土壤栽培，每个处理为1平方米，以化肥为底肥，均匀拌入尿素38.18g、磷酸二氢钾12.73g，氯化钾19.67g。追肥为施用不同的上述1中实验组和对照组制备的生态菌肥。各处理组浇水至土壤持水量的75％，所有处理组每10天按操作方式进行浇灌，施用量为6l/m²，其余时间用清水进行日常照料。

表5土培生菜试验设计表

在生菜移植后的整个阶段进行处理，实验结果如图4所示，施用实验组的生态菌肥的处理组1生菜在株高、可溶性蛋白含量、叶绿素总量、维生素c含量方面均比施用对照组1和对照组2的生态菌肥的处理组高；由此可见，不同的光合细菌组合培养制备的生态菌肥在营养元素、微生物组成方面存在差异，进而使得生态菌肥的肥效不同，当沼泽红假单胞菌cgmccno.1.8929、荚膜红细菌cgmccno.1.3366、类球红细菌cgmccno.1.5028这3种光合细菌复配使用时，制备的生态菌肥的肥效最高，对于生菜的生长发育以及营养品质的提升作用最佳。

虽然，上文中已经用一般性说明、具体实施方式及试验，对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。