D0I:10.13374/i.issn1001053x.2006.01.005 第28卷第1期 北京科技大学学报 Vol.28 No.1 2006年1月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jan.2006 污泥生态床耐冷菌的研究 常冠钦宋存义汪莉 北京科技大学土木与环境工程学院，北京100083 摘要针对污泥生态床系统冬季运行效果差的问题，自行培育、分离了四株耐冷菌，测试了其生 理特性.实验表明，在0℃时，耐冷菌混合菌的比生长速率可达到0,058h',而中温菌为零.加入 耐冷菌后，污泥生态床的冬季运行效果显著提高，Z的去除率比不加耐冷菌时提高了25倍. 关键词耐冷菌；生态床；生物降解：冬季；北方地区 分类号X703.1 由于污泥处理约占污水厂总运行费用的 的条件下生长，生长速率？在20℃以下时始终大 40%一50%，以至70%1-2]，污泥处理和处置成为 于中温菌，在0℃或0℃以下开始迅速下降，这是 污水处理厂和城市环境卫生的重要环节发展中 由于细菌的最高生长温度不能超过破坏呼吸酶的 国家或不发达国家的中、小型污水处理厂限于经 最低温度，超过其最高生长温度，细菌细胞会死 济条件对活性污泥通常不进行处理而直接排放， 亡，并伴随有细胞成分的外泄 严重影响了周围环境36].目前，我国年产污泥近 30万t(干物质计)，有50%以上的污泥不经过任 -HU-01 -e-HJ-02 何处理直接排放.污泥生态床用作污泥的减容、 1 HJ-03 稳定、无害处理始于德国[刀，在我国北方地区的 应用还属于实验阶段，且冬季运行效果差，目前仅 020 20 60 在西柏坡电厂以及北京科技大学苗圃建立了两块 温度/℃ 污泥生态床，针对我国北方地区冬季温度偏低的 图1耐冷曹和中温曹的Arrhenius曲线 特点，笔者培养出了耐冷菌，研究了耐冷菌的某些 Fig.1 Arrhenius curves of psychrophilic bacteria and mesophillc 生理特性，并将其首次用于冬季污泥生态床的处 bacteria 理，效果良好 1.2耐冷菌生长速率及生长曲线 1实验 将待测菌株接种于装有200 mL SEA培养基 的锥形瓶中，使其在650nm下吸光度为0.01~ 将活性污泥在0℃的冰浴中保存，从该活性 0.02.立即把这些锥形瓶放置在-5,0,10,20,30 污泥中分离出耐冷菌，低温贮存.共分离出四种 和40℃时振荡培养(120r·min1).每隔24h,在 耐冷菌，分别为HU-01,HU-02,HU-03,HU-04. 650nm下测其吸光值，并将测量值控制在0.0~ 1.1温度对耐冷曹生物生理及代谢的影响 0.4之间.图2是四种耐冷菌在0℃下的生长曲 耐冷菌具有较低的代谢速率，不能在季节性 线.表1是各菌株在不同温度下的比生长速率. 降温过程中自然上升为优势菌，这是低温对微生 物最显著的影响，也是冬季微生物活性极低的原 3.0 2.51 ◆…HU-01 因所在.但随着温度的降低，耐冷菌的生长速率 一。一HJ-02 —HJ-03 降低程度变慢，从而保证了它们在0℃甚至在0℃ 1.5 -HJ-04 以下都保持一定的代谢能力.图1是四种耐冷菌 1.0 0.5 与一种中温菌（大肠杆菌）的Arrhenius曲线.从 20 40 60 80 图1可以看出，耐冷菌一般不能在高于30~35℃ 时间/h 收稿日期：2004-11-14修回日期：2005-05-27 图2耐冷菌在0℃时的生长曲线 作者简介：常冠软(1976一)，女，博士；宋存义(1951一)，男，教授 Fig.2 Growth curves of psychrophilic bacteria at 0C
第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 血 价劝 污泥生态床耐冷菌的研究 常冠 钦 宋存义 汪 莉 北京科技大学土木 与环境工程学院 ， 北京 摘 要 针对污泥 生态床系统冬季运行效果差 的 问题 ， 自行培育 、 分离 了四 株耐冷菌 ， 测试 了其生 理特性 实验表 明 ， 在 ℃ 时 ， 耐冷 菌混合菌的 比生长速率可达 到 一 ’ ， 而 中温 菌为零 加人 耐冷菌后 ， 污泥生态床的冬季运行效果显著提高 ， 的去除率 比不加耐冷菌时提高 了 倍 关键词 耐冷菌 生态床 生物降解 冬季 北方地 区 分类号 逻三︵已 由于 污 泥 处 理 约 占 污 水 厂 总 运 行 费 用 的 一 ， 以至 〔 ‘ 一 〕 ， 污泥处理和 处置成 为 污水处理厂和城市环境卫 生 的重要 环节 发展 中 国家或不发达 国家的 中 、 小型 污 水 处理 厂 限于 经 济条件对活性 污 泥 通 常不进行 处理 而 直接 排放 ， 严重影响了周 围环境〔 一 目前 ， 我国年 产污泥近 万 干物质计 ， 有 以上 的污泥 不经过 任 何处理 直接排放 污 泥 生 态 床用 作污 泥 的减容 、 稳定 、 无 害处 理 始于 德 国 ， 在 我 国 北 方 地 区 的 应用还属 于 实验阶段 ， 且冬季运行效果 差 ， 目前仅 在西柏坡 电厂以及北京科技大学苗圃建立 了两块 污泥 生态床 针对 我 国北方 地 区冬季温度偏 低 的 特点 ， 笔者培养出了耐冷 菌 ， 研 究了耐冷菌的某些 生理特性 ， 并将其首次 用 于 冬 季 污 泥 生 态床的处 理 ， 效果 良好 的条 件下 生长 ， 生长速率 在 ℃ 以下时始终大 于 中温菌 ， 在 ℃ 或 ℃ 以下开始迅速 下 降 这 是 由于细菌的最高生长温度不能超过破坏 呼吸酶 的 最低温 度 ， 超 过 其 最 高 生 长 温 度 ， 细 菌 细 胞会 死 亡 ， 并伴随有细胞成分 的外泄 一 。 ， 厂丫产 二 洲了人 ‘ 火 图 厅恤目 璐 温度 ℃ 耐冷菌和中温菌 的 此 曲线 珑 加 “ 活 声 址叩抽 加斌 时 田目 巴叩 价叮外奸井叶店唁几 赵来馨 实验 将活性 污 泥 在 ℃ 的 冰 浴 中保 存 ， 从 该活性 污泥 中分 离 出耐冷 菌 ， 低 温 贮 存 共分 离 出 四 种 耐冷菌 ， 分别为 川 一 ， 一 ， 一 ， 川 一 温度对耐冷菌生物生理 及代谢的影响 耐冷菌具有较 低 的代谢速 率 ， 不 能 在 季 节性 降温过程 中 自然 上 升为优 势菌 ， 这是 低 温 对 微 生 物最显著的影 响 ， 也是 冬季 微 生物活性 极 低 的原 因所在 但随 着温度的 降低 ， 耐冷 菌 的生长速 率 降低程度变慢 ， 从而保证 了它 们在 ℃ 甚至在 ℃ 以下都保持一定的代谢能力 图 是 四 种耐冷菌 与一种 中温 菌 大肠 杆 菌 的 曲线 从 图 可 以看 出 ， 耐冷菌一般 不 能 在高于 一 ℃ 收稿 日期 一 一 修回 日期 一 一 作者简介 常冠钦 一 ， 女 ， 博士 宋存义 一 ， 男 ， 教授 耐冷菌生长速率及生长 曲线 将待测菌株接种于装有 培 养基 的锥形 瓶 中 ， 使其 在 下 吸 光 度 为 一 立即把这些锥形 瓶放置在 一 ， ， ， ， 和 ℃ 时振荡培 养 · ’ ‘ 每隔 ， 在 下测其吸光 值 ， 并 将 测 量值控制 在 一 之 间 图 是 四 种耐 冷 菌 在 ℃ 下 的 生 长 曲 线 表 是 各菌株在 不 同温 度下 的 比 生 长速 率 ， ， 今 一 一 一 卜 』 一 一司卜 一 一 卜 一 时间 图 耐冷菌在 。 ℃ 时的生长 曲线 ℃ DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．2006．01．005
Vol.28o.」 常冠钦等：污泥生态床耐冷菌的研究 ·23· 根据表1数据可以看出，这四种耐冷菌的最适生 持在0.021,0.019,0.025,0.023h1,世代时间分 长温度在20'左右，而一株作为对照的中温菌的 别为32.29,35.68,27.12,29.48h.四种耐冷菌 最适生长温度在30℃以上.当环境温度低于最适 在0℃以及-5℃具有这样的比生长速率以及相 生长温度时，比生长速率降低降至0℃时，四种 对较短的世代时间.这说明在低温条件下，此四 耐冷菌的比生长速率分别为0.041,0.034， 种耐冷菌的活性比较高，代谢相对活跃；而此时中 0.048,0.040h1,世代时间分别为16.54,19.94， 温菌已经进入休眠态，不再对有机物的降解发挥 14.13,16.95h.而此时中温菌的比生长速率为 任何作用 零.降至一5时，四种耐冷菌的比生长速率仍保 表！各菌株在不同温度下比生长速率及世代时间 Table 1 Growth rates and generation time of bacteria at different temperatures 比生长速率/h1 世代时间/h 菌休 1020℃ 30℃ 40 -5℃ 0℃ 10℃ 20℃ 30℃ 40℃ HU-01 0.0210.041 0.1530.2050.0370.01132.2916.544.433.31 18.3261.64 HU-02 0.0190.034 0.1460,1860.065 0.010 35.6819.94 4.64 3.65 10.43 67.80 H-03 0.025 0.048 0.1620.1920.059 0.000 27.12 14.13 4.19 3.53 11.49 H-4 0.0230.0400.1540,1690.042 0.0029.4816.95 4.40 4.01 16.14 混台菌 0.031 0.058 0.165 0.219 0.062 0.010 21.87 11.69 4.11 3.10 10.94 67.80 中温菌0.0000.0100.0480.1170.2490.194 67.8014.13 5.79 2.72 3.49 1.3菌株降解能力实验 并可以增强系统对不良条件的抵抗力 将四种耐冷菌、-一种中温菌以及耐冷菌的混 90 合菌分别接种于装有100mLLB培养液的锥形瓶 0 -◆-HJ-01 °701 ◆…H-02 中，在15℃条件下，120rmim1振荡培养72h,再 60 --HJ-03 50 -HU-04 次接种于0℃：条件下活化培养达到其对数生长 40 一。一混合菌 30 一中温茵 期.取出已经培养好的菌液离心沉淀，将沉淀物 稀释至离心前的吸光值，以10%的接种量接种于 10F 0 1000mL.浓缩污泥中.然后置于0℃下振荡培养 10 15 20 25 30 时间h 30d,每隔1d取样，测定污泥中的总氮、总磷、苯 图40℃时总氨的降解率 并芘值.实验结果见图3~5.可以看出，这四种 Fig.4 Degradation rates of total nitrogen at 0 耐冷菌及耐冷菌混合菌在0℃时均具有代谢外源 有机物的能力；而此时的中温菌的外源代谢能力 60 ◆HJ-01 几乎为零.混合菌株的降解能力高于单一菌株. 50 ◆…H-02 每40 e一混合菌 这说明保持生境中菌株多样性，对于低温条件下 4-H-04 30 4-HJ-03 污泥的降解非常有利：混合菌株可以创造有利的 20 声一中温菌 生态条件，提高整体对系统中存在的废物利用率， 10 70 ◆-HH-01 0 ◆-H-02 时间h 0 t-1HU-04 *-HU-03 图50℃时苯并芘的降解率 0一混合菌 30 言一中温菌 Fig.5 Degradation rates of benzopyrene at 0C …● 2 工程实践 ★★上★士士一★一★一士★一★ 10 152025 30 时间h 北京科技大学苗圃现有污泥生态床6m2,冬 图30℃时总磷的降解率 季天冷，污泥的性质改变较小，在使用了上述耐冷 Fig.3 Degradation rates of total phosphorus at 0C 菌混合菌株30d后，污泥的性质发生了较大的变
、 常冠钦等 污泥生态床耐冷菌的研究 根据表 数据 可 以 看 出 ， 这 四 种 耐冷 菌 的最 适 生 长温度 在 ℃ 左 右 ， 而 一 株作 为对 照 的 中温 菌 的 最适 生长温度在 ℃ 以上 当环境温度低于最适 生长温 度时 ， 比生 长速 率 降低 降至 ℃ 时 ， 四 种 耐 冷 菌 的 比 生 长 速 率 分 别 为 ， ， ， 一 ‘ ， 世代时 旬分别为 ， ， · ， 而 此 时 中温 菌 的 比 生 长 速 率 为 零 降至 一 ℃ 时 ， 四种耐冷 菌的 比生长速率仍保 持在 ， ， ， 一 ‘ ， 世代时 可分 别 为 ， ， ， ， ， 四 种 耐 冷 菌 在 ℃ 以及 一 ℃ 具 有这 样 的 比 生 长 速 率 以及 相 对较 短 的世 代时 间 这 说 明在 低温条 件下 ， 此 四 种耐冷菌 的活性 比较高 ， 代谢相对活跃 而此 时 中 温菌 已经进入 休 眠 态 ， 不再 对 有 机 物 的降解 发挥 任何作用 表 各菌株在不 同温度下比生长速率及世代时间 世代时 间 菌 株 ℃ ℃ ℃ ℃ 一 ， ℃ ℃ ℃ ℃ ℃ ， 笼 拓 ‘ 马只 月斗内 月 一 斗斗、一 一 一 混合 菌 中温菌 〔尹 比生长速率 一 ‘ ℃ ℃ 〔 〔 菌株降解能力实验 将 四种耐冷 菌 、 一 种 中温 菌 以 及耐 冷 菌 的混 合菌分别接 种于 装有 培养液 的锥形瓶 中 ， 在 ℃ 条件下 ， · 飞一 ‘ 振荡培 养 ， 再 次接种 于 ℃ 条 件 下 活 化 培 养 达 到 其 对 数 生 长 期 取 出 已 经 培 养 好 的 菌液 离心 沉 淀 ， 将 沉 淀物 稀释至离心前的吸光值 ， 以 的接种量接种于 浓缩 污泥 中 然 后 置 于 ℃ 下 振 荡 培 养 ， 每 隔 取 样 ， 测 定污 泥 中的总 氮 、 总磷 、 苯 并花值 实验结果 见 图 一 可 以 看 出 ， 这 四 种 耐冷菌及耐 冷菌混合菌在 ℃ 时均具 有代谢 外 源 有机物 的能 力 而 此 时 的中温 菌 的外 源 代谢 能 力 几 乎为零 混 合菌 株的 降解 能力高 于单 一 菌 株 这说明保持 生境 中菌 株多样性 ， 对 于 低温条 件下 污泥 的降解 非常有 利 混 合菌 株可 以 创造 有 利 的 生态条件 ， 提 高整体对 系统 中存在的废物利用率 ， 并可 以增强 系统对不 良条件的抵抗 力 刊卜 一 · 奋 一 一洲一一 一 一 告一 一 一长 混合菌 一 」卜一 中温菌 ︸侍伪八，﹃气、 月﹄产、 ‘ 姜世减镇并岁 时 ， 图 ℃ 时总氮的降解率 决 ℃ 一闷卜 一 ， 奋 · 一 城 一 混合菌 一记卜一 一 一一洲一 一 州卜 中温菌 尸 ‘ 气 ， ，乙气、 八︺ ，注 芬世湃蓬扫众岁 时 ， 图 ℃ 时苯并花的降解率 悦 ℃ 补世签搭睡岁 时间 厂 图 ℃ 时总磷的降解率 ℃ 工程实践 北京科技大学苗 圃现 有 污 泥 生 态 床 ， 冬 季天冷 ， 污泥 的性 质改变较 小 ， 在使用 了上述 耐冷 菌混 合菌株 后 ， 污 泥 的性 质发 生 了较 大 的变
·24· 北京科技大学学报 2006年第1期 化，实验数据见表2.数据表明，人工强化加入一 前景良好 定量的耐冷菌后，苯并芘，Hg,Pb,As,B,Cu,Zn, ,总氨及总磷的去除率分别是不加耐冷菌的 3结论 5.0,2.1,2.5,2.1,8.7,15.0,25.0,2.0,2.4,1.3 (1)温度低是生态床在冬季不能正常运行的 倍.污泥生态床的冬季运行效率低的问题不再成 原因，对耐冷菌的生理特性测试结果进一步表 为生态床在我国北方地区推广的障碍. 明，温度是影响生物体生长与存活的最重要的环 表2污泥生态床冬季运行数据（质量分数） 境因素之一 Table 2 Operating datn of ecological beds for sludge in winter (2)本实验所培育的耐冷菌在0℃条件下的 10-6 比生长速率为0.034~0.048h1,世代时间为 加入耐冷菌 不加耐冷菌 成分 原干污泥 14.13~19.94h,并且在-5℃仍可保持一定的比 的干污泥 的干污泥 生长速率，表明耐冷菌在低温条件下能够活跃生 苯并芘 4.5 3.0 4.2 长及较正常代谢 Cd 未测出 未测出 未测出 Hg 48 (3)0℃条件下，投加耐冷菌的生态床在30d 25 37 Pb 920 620 800 内对总磷、总氮和苯并芘的降解率明显高于不投 Cr 500 500 500 加耐冷菌的生态床，说明投加耐冷菌可以很好地 As 33 26 30 改善冬季生态床的运行效果， B 105 74 100 Cu 560 410 550 参考文献 Zn 4500 2200 4400 「1]】曹秀芹，陈君.污水处理厂污泥处理存在问题分析，北京建 Ni 150 140 145 筑工程学院学报，2002,18(1)：2 总氮/(mgLl) 7.154 2.449 5.126 [2】叶子瑞.国内外污泥处置和管理现状，环境卫生工程 总磷/(mgL) 1.316 0.127 0.426 2002,10(2):86 [3]Krogmann U,Boyles L S,William J B,et al.Biosolids and 污泥生态床中的主要植物一芦苇一般需要 sludge management.Water Environ Res,1999,71(5):692 3a的生长发育时间，其根系系统才能发育成熟， [4]Alexander N M.Recycling and composting of solid waste in 发挥最佳处理作用，北京科技大学苗圃生态床只 Russian cities.Biocycle,1999(6):68 运行了1a,因此处理后的污泥与农用污泥标准还 [5]王孝纲.日本下水污泥的资源化现状与发展方向.农业环 有一定的差距，但与空白对照床相比，已经表现出 境与发展，1998,15(2)：42 [6]张自杰，林荣忱，金儒霖.排水工程（下册）.北京：中国建筑 了明显的优势，而且随着芦苇的生长及根系系统 工业出版社，1996 的成熟，处理效果还会提高.我国芦苇资源丰富， [7]Kim B J,Smith E D.Evaluation of sludge dewatering reed 将芦苇场稍加修整便可用来处理当地的生活污 beds:a niche for small systems.Water Sci Technol,1997,35 泥，经济实用，在我国中小城市生活污水厂的应用 (6):25 Study on psychrophilic bacteria in ecological beds for sludge CHANG Guangin,SONG Cunyi,WANG Li Civil and Environmental Engineering School,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China ABSTRACT In the winter,the operating efficiency of ecological beds is not satisfied.Four psychrophilic bacteria were cultivated and separated,and their physiological characteristics were tested.The experimental result shows that the growth rate of the mixed psychrophilic bacteria can reach to 0.058 h1,but that of the mesophilic bacteria is zero.The operating efficiency was greatly improved after adding some psy- chrophilic bacteria,and the removal ratio of Zn is 25 times than that adding no psychrophilic bacteria. KEY WORDS psychrophilic bacteria;ecological beds;biological degradation;winter;North China
北 京 科 技 大 学 学 报 年第 期 化 ， 实验数据见表 数据表 明 ， 人 工 强 化 加入 一 定量的耐冷 菌后 ， 苯并花 ， ， ， 怒 ， ， ， ， ， 总 氮 及 总 磷 的 去 除率 分 别 是 不 加 耐 冷 菌 的 ， ， ， ， ， ， ， ， ， 倍 污泥生 态床的冬季运行效率低 的问题不再成 为生态床在我 国北方地 区推广的障碍 表 污泥生态床冬季运行数据 质 分数 口 鳍 一 成分 原干污泥 加入耐冷菌 的干污泥 不加耐冷菌 的干污泥 苯并蓖 未测 出 未测 出 未测 出 前景 良好 结论 温度低是 生态床在冬 季不 能正 常运行 的 原 因 对 耐 冷 菌 的 生 理 特 性 测 试 结 果 进 一 步 表 明 ， 温度是影 响生 物体 生长 与存 活 的最 重 要 的环 境 因素之 一 本 实验所培 育 的耐冷 菌在 ℃ 条 件 下 的 比生 长 速 率 为 一 一 ‘ ， 世 代 时 间 为 一 ， 并 且 在 一 ℃ 仍 可保持一 定 的 比 生长速率 ， 表 明耐冷 菌在低 温 条 件下 能够 活跃 生 长及较正常代谢 ℃ 条件下 ， 投加耐冷 菌 的生 态床在 内对 总磷 、 总氮 和 苯并 花 的降解 率 明显 高于 不投 加耐冷 菌 的生 态床 ， 说 明投 加 耐冷 菌 可 以 很 好地 改善冬 季生态床的运行效果 参 考 文 献 曰哎牡，‘ 叹名 山 ，工 一，，上卫 总氮 ’ 一 ‘ 总磷 ’ 一 ‘ 曹秀芹 陈君 污水处理厂污泥处理存在 问题分析 北京建 筑工程学院学报 ， ， 叶 子瑞 国 内外 污 泥 处 置 和 管理 现 状 环 境卫 生 工 程 ， ， ， ， 飞 ， 眼 ， ， 明 一 垅 王孝纲 ， 日本下水污泥 的资源化现 状与发展 方 向 农业环 ，，， 曰气︸ ︸ 境与发展 ， ， 张 自杰 ， 林荣忱 ， 金儒霖 ， 排水工 程 下册 北 京 中国建筑 工业 出版社 ， ， 电 ， ， ，，卫 月 ‘，了 污泥生态床中的主要 植物－ 芦苇一般需要 的生长发 育 时 间 ， 其根 系 系统 才能 发 育成 熟 ， 发挥最佳处理作用 北京科技大学 苗 圃生 态床只 运行 了 ， 因此处理后 的污 泥 与农用 污 泥 标准还 有一定的差距 ， 但与空 白对照床相 比 ， 已经表现 出 了明显 的优势 ， 而 且 随着 芦 苇的生 长及 根 系 系统 的成熟 ， 处理效果还会提高 我 国芦苇资源 丰富 ， 将芦苇场 稍 加 修 整 便 可 用 来 处 理 当地 的 生 活 污 泥 ， 经济实用 ， 在我国中小城市生活污水厂 的应用 宁 ， 少 ， ， 眼 ， 眼 ， ， ， 一 ，
