CN104059903B - 一种高效固态复合菌剂的制备方法及其在VOCs生物净化中的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高效固态复合菌剂的制备方法及其在VOCs生物净化中的应用,其特征在于：依次包括1）菌种培养活化，2）混合菌液的制备，3）碳纳米管载体的制备，4）复合菌种非共价负载于碳纳米管表面及内部制成碳纳米管高效复合菌剂。本发明所述的高效固态复合菌剂用于工业废气，特别是三苯类及氯代烃类废气的高效净化，缩短反应器的启动时间，实现多组分协同去除快速接种启动。本发明制备过程简单，使用方便，包装、运输便利，能实现商业产品化。
Description
技术领域
本发明涉及废气生物净化技术，尤其是一种高效固态复合菌剂的制备方法及其在VOCs生物净化中的应用。
背景技术
废气生物处理系统在应用过程中多采用活性污泥接种启动反应器，但活性污泥接种的反应器常存在启动时间长、启动期去除效率不高、性质不稳定等缺点，特别是在难降解混合废气生物净化过程中，此类问题尤为突出。此外，污泥活性保存时间短，携带、运输不便。活性污泥的上述特点在一定程度上限制了生物净化技术在废气治理领域的应用。
微生物菌剂在环保技术领域的应用主要集中在难降解废水、粪便无害化处理等方面。用于气态污染物的复合菌剂构建方法国内外鲜有报道。专利号ZL200810163160.2的专利“降解‘三苯’VOCs废气复合微生物菌剂的制备方法”，公开了一种复合固态复合菌剂的构建方法及其在三苯废气治理中的应用。该制备方法存在一些弊端，如制备过程复杂、单位体积菌剂所含的活性微生物数量不多、降解活力不大等。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术中的不足而提供一种快速接种启动，制备过程简单，使用方便，包装、运输便利，能实现商业产品化的高效固态复合菌剂的制备方法。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：该高效固态复合菌剂的制备方法,其特征在于：依次包括1）菌种培养活化，2）混合菌液的制备，3）碳纳米管载体的制备，4）复合菌种非共价负载于碳纳米管表面及内部制成碳纳米管高效复合菌剂。非共价负载的定义是通过分子间的相互作用力实现负载，将复合菌种非共价负载于碳纳米管表面及内部的好处是减轻对微生物的毒害作用。
本发明所述的菌种为苯类物质及二氯甲烷的高效降解菌Zoogloea sp.、Bacillus sp.、Methylobacterium sp.、Pandoraea sp.，取低温保藏的不同菌株斜面，挑取菌落分别接种于无机盐培养基，Zoogloea sp.和Bacillus sp.以苯、甲苯、乙苯、邻二甲苯中的一种或几种混合物为碳源培养，Methylobacterium sp.和Pandoraea sp.以二氯甲烷为碳源培养，培养48-64h，分别获得不同品种的菌液。Zoogloea sp. 保藏在中国典型培养物保藏中心，保藏号CCTCC M2012235，在公开号为103451127A的中国专利中已公开。Bacillus sp. 保藏在中国典型培养物保藏中心，保藏号CCTCC M 208181，在公开号为101514329的中国专利中已公开。Methylobacterium sp. 保藏在中国典型培养物保藏中心，保藏号CCTCC 2010121，在公开号为 101993839A的中国专利中已公开。Pandoraea sp. 保藏在中国典型培养物保藏中心，保藏号CCTCC M2011242，在公开号为102533586A的中国专利中已公开。挑选上述菌种进行组合的优点是这些菌能各自能降解不同的污染物，且相互之间没有影响，它们组合在一起就能净化多组分VOCs。
本发明所述的无机盐培养液其配方为（g/L）:KH2PO4 0.376，K2HPO4·3H2O 0.456，(NH4)2SO4 0.484，NaNO3 0.68，Mg(NO3)2 0.256，CaCl2 0.011， MnCl2·H2O 0.06，ZnCl2 0.088，KI 0.01，NaMoO4·2H2O 0.1，H3BO3 0.05，pH为7.2。上述配方的无机盐培养液适合Zoogloea sp.、Bacillus sp.、Methylobacterium sp.和Pandoraea sp.菌株的快速生长。
本发明所述的混合菌液的制备过程为将不同品种的菌液分别在12000g条件下离心后，收集菌体，并用无菌水洗涤3次，加入无菌水，获得菌浓度相等的各种菌的菌液，等体积混合获得混合菌液。
本发明所述的步骤3）具体为将50 mg碳纳米管（MWCNTs）和25 mL 四氢呋喃（THF）加入100 mL大小的柱状玻璃瓶内，在室温下超声30 min制得碳纳米管载体。所述的碳纳米管（MWCNTs）购自中国科学院成都有机所，表面未经处理，直径为25~30 nm，长度为0.1~0.2 μm，层数5~15层。上述方法制备的碳纳米管载体其好处是比表面积大，适合复合菌群的负载。
本发明所述的步骤3）具体为将50 mg碳纳米管（MWCNTs）、25 mg超支化聚乙烯（HBPE）和25 mL四氢呋喃（THF）加入100 mL大小的柱状玻璃瓶内，在室温下超声30 min，进行真空抽滤，收集上层粉末，制得碳纳米管载体。本发明所述的超支化聚乙烯（HBPE）由烯烃聚合催化剂在1atm/35℃下催化乙烯聚合获得。上述方法制备的碳纳米管载体其好处是表面经过改性，适合复合菌群的负载与目标污染物的吸附。
本发明在碳纳米管载体中加入50 mL，浓度为2.5-5g/L的混合菌液，搅拌30 min后，将所得混合液进行真空抽滤，所得粉末在40 ℃下真空干燥2 h，获得碳纳米管高效复合菌剂。上述制备方法对微生物损害最小、微生物负载牢度较大。
本发明还提供一种高效固态复合菌剂在VOCs生物净化中的应用，其特征在于：所述的高效固态复合菌剂用于工业废气，特别是三苯类及氯代烃类废气的高效净化，缩短反应器的启动时间，实现多组分协同去除。
本发明与现有技术相比具有以下优点：碳纳米管突出的力学强度和高比表面积，以及独特的管状结构，能提供菌种良好载体空间，提高菌负载量，实现固态复合菌剂的减量化。碳纳米管对VOCs等非极性物质（目标污染物）具有很强的吸附能力，而这些被吸附的污染物可作为微生物菌种新陈代谢的可利用碳源，从而能达到长期保持菌剂活性和长久保存菌剂的效果。同时，混合菌种由高效降解菌组成，具有降解活性高、针对性强的特点。本发明所述方法制备的高效固态复合菌剂将取代活性污泥应用于废气生物处理装置的启动，可实现快速启动和提高处理效率，并将在废气生物净化的工程实践中极具开发潜力和应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例1工艺流程图。
图2~图4为本发明实施例1所述方法制备的碳纳米管高效复合菌剂不同放大倍数的电镜照片。
图5为本发明实施例2工艺流程图。
图6~图8为本发明实施例2所述方法制备的碳纳米管高效复合菌剂不同放大倍数的电镜照片。
具体实施方式
实施例1
（1）菌种培养活化。
取冰箱4℃保藏的不同菌株斜面，挑取菌落接种于无机盐培养基。其中，Zoogloea sp.和Bacillus sp.以苯系物（苯、甲苯、乙苯、邻二甲苯中的一种或其混合物）为碳源培养，Methylobacterium sp.和Pandoraea sp.以二氯甲烷为碳源培养。培养48-64h后，获得一定浓度的菌液。
上述无机盐培养液配比如下（g/L）:KH2PO4 0.376，K2HPO4·3H2O 0.456，(NH4)2SO4 0.484，NaNO3 0.68，Mg(NO3)2 0.256，CaCl2 0.011，微量元素（MnCl2·H2O 0.06，ZnCl2 0.088，KI 0.01，NaMoO4·2H2O 0.1，H3BO3 0.05），pH=7.2。
（2）混合菌液的制备。
将不同菌种的菌液分别在12000g条件下离心后，收集菌体，并用无菌水洗涤3次，加入一定体积的无菌水，获得菌浓度相等的各种菌的菌液，等体积混合获得混合菌液。菌浓度优选为2.5-5g/L。
（3）碳纳米管载体的制备。
具体工艺路线见图1。将50 mg碳纳米管（MWCNTs，表面未经处理，购自中国科学院成都有机所，直径约为25~30 nm，长度为0.1~0.2 μm，层数5~15层）和25 mL 四氢呋喃（THF，分析纯）加入100 mL大小的柱状玻璃瓶内，在室温下超声30 min。
（4）碳纳米管高效复合菌剂的制备。
在碳纳米管载体中加入50 mL，浓度为2.5g/L的混合菌液，搅拌30 min后，将所得混合液进行真空抽滤，所得粉末在40 ℃下真空干燥2 h，获得碳纳米管高效复合菌剂，命名为CNTs高效降解菌复合菌剂样品（样品A）。
（5）碳纳米管菌剂的性能。
上述（4）所得的样品A通过HRTEM（300KV，荷兰Philips-FEI 公司产的Tecnai G2 F30 S-Twin型电子显微镜）进行了微观形貌分析，结果如图2~图4所示。从图中显示，样品中MWCNTs均呈缠绕状态，表面较光滑。图中碳管表面存在少量深黑色的颗粒物（圆圈标示处），推测为吸附于碳纳米管表面的菌种粒子，初步表明利用碳纳米管高比面积及多空隙结构可吸附菌种。
通过平板计数考察菌剂的活性，结果见表1。刚制备好的样品A菌剂所含的有效活菌数分别为5.8×108 CFU/g，含水量低于5 %。经过两周常温放置后对应的菌剂菌活数略微下降，为5.4×108 CFU/g，对应含水量变化差异较小。复合菌剂菌活数衰减较小，这可能是由于碳纳米管具有较大的比表面积及菌体附载能力，同时由于碳纳米管的保护作用，使菌剂活性得到最大的保留、使有效保存时间得到延长。
表1 复合微生物菌剂菌活随时间变化情况。
| 载体 | 初始活菌数（×108 CFU/g） | 一周后活菌数（×108 CFU/g） | 两周后活菌数（×108 CFU/g） |
| 碳纳米管A | 5.8 | 5.5 | 5.4 |
实施例2
（1）菌种培养活化。
取冰箱4℃保藏的不同菌株斜面，挑取菌落接种于无机盐培养基。其中，Zoogloea sp.和Bacillus sp.以苯系物（苯、甲苯、乙苯、邻二甲苯中的一种或其混合物）为碳源培养，Methylobacterium sp.和Pandoraea sp.以二氯甲烷为碳源培养。培养48-64h后，获得一定浓度的菌液。
无机盐培养液（g/L）:KH2PO4 0.376，K2HPO4·3H2O 0.456，(NH4)2SO4 0.484，NaNO3 0.68，Mg(NO3)2 0.256，CaCl2 0.011，微量元素（MnCl2·H2O 0.06，ZnCl2 0.088，KI 0.01，NaMoO4·2H2O 0.1，H3BO3 0.05），pH=7.2。
（2）混合菌液的制备。
将不同菌种的菌液分别在12000g条件下离心后，收集菌体，并用无菌水洗涤3次，加入一定体积的无菌水，获得菌浓度相等的各种菌的菌液，等体积混合获得混合菌液。菌浓度优选为2.5-5g/L。
（3）碳纳米管菌剂载体的制备。
将50 mg 碳纳米管（MWCNTs）、25 mg超支化聚乙烯（HBPE，由烯烃聚合催化剂在1atm/35℃下催化乙烯聚合获得）和25 mL四氢呋喃（THF，分析纯）加入100 mL大小的柱状玻璃瓶内，在室温下超声30 min，进行真空抽滤，收集上层粉末。
（4）碳纳米管高效复合菌剂的制备。
加入50 mL，浓度为5g/L的混合菌液，搅拌30 min后，将所得混合液进行真空抽滤，所得粉末在40 ℃下真空干燥2 h，获得碳纳米管高效复合菌剂，命名为CNTs高效降解菌复合菌剂样品（样品B）。
（5）碳纳米管菌剂的性能。
上述（4）所得的样品B通过HRTEM（300KV，荷兰Philips-FEI 公司产的Tecnai G2 F30 S-Twin型电子显微镜）进行了微观形貌分析，结果如图6~8所示。从图中显示，样品中MWCNTs均呈缠绕状态，表面较光滑。图中碳管表面存在少量深黑色的颗粒物（圆圈标示处），推测为吸附于碳纳米管表面的菌种粒子，初步表明利用碳纳米管高比面积及多空隙结构可吸附菌种。
通过平板计数考察菌剂的活性见表2，刚制备好的样品B菌剂中所含的有效活菌数为 9.6×108 CFU/g，含水量低于5 %。经过两周常温放置后对应的菌剂菌活数有所下降，为8.8×108 CFU/g，对应含水量变化差异较小。研究结果可以看出样品B菌剂菌活数衰减较小，这可能是由于碳纳米管具有较大的比表面积及菌体附载能力，使菌剂活性得到最大的保留、使有效保存时间得到延长。
表2 复合微生物菌剂菌活随时间变化情况。
实施例3
某医药公司位于医化园区内，该厂区内污水处理站废气污染异味性大、废气成分复杂（主要成分为硫化氢、甲苯、二氯甲烷等），严重影响厂区和周围大气环境，迫切需要治理。根据废气的排放及成分特征，结合本专利研发的碳纳米管高效降解菌剂，通过采用高效菌强化生物滴滤塔净化技术对该类废气进行处理，成功在该厂污水站建立废气处理量为10000m3/h 的废气净化工程，生物箱的废气停留时间30s，温度28-33℃，pH 6-7。通过碳纳米管高效降解菌剂进行挂膜培养，经过15天的挂膜驯化，能有效地实现硫化氢、甲苯、二氯甲烷的高效净化，大大降底污水站的臭味和异味，处理后的尾气浓度达到国家规定的排放标准，通过现场气体采样检测获得表3结果，对应的去除率分别达到98.6%、68.3%和56.9% 。表明该菌剂不仅能实现快速挂膜启动，同时大大减小传统污泥挂膜需要的污泥量，有效实现挂膜污泥的减量化，同时保证废气处理工程良好的废气处理效果。该工程的实施成功的解决污水站的臭气污染问题，同时具有操作控制简单、设备耐腐蚀和使用寿命长、运行费用低等优点，该套装置运行后，处理效果良好，主要污染物的减排量也十分可观，并有效节省药剂、能耗等运行费用。
表3 主要污染物去除效果。
| 污染物 | 硫化氢 | 甲苯 | 二氯甲烷 |
| 进口浓度（mg/m3） | 75 | 492 | 269 |
| 出口浓度（mg/m3） | 1.1 | 156 | 115.7 |
| 去除效率 （%） | 98.5 | 68.3 | 56.9 |
虽然本发明已以实施例公开如上，但其并非用以限定本发明的保护范围，任何熟悉该项技术的技术人员，在不脱离本发明的构思和范围内所作的更动与润饰，均应属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种高效固态复合菌剂的制备方法,其特征在于：依次包括1）菌种培养活化，2）混合菌液的制备，3）碳纳米管载体的制备，4）复合菌种非共价负载于碳纳米管表面及内部制成碳纳米管高效复合菌剂，所述的步骤3）具体为将50 mg多壁碳纳米管（MWCNTs）和25 mL 四氢呋喃（THF）加入100 mL大小的柱状玻璃瓶内，在室温下超声30 min制得碳纳米管载体；或者所述的步骤3）具体为将50 mg多壁碳纳米管（MWCNTs）、25 mg超支化聚乙烯（HBPE）和25 mL四氢呋喃（THF）加入100 mL大小的柱状玻璃瓶内，在室温下超声30 min，进行真空抽滤，收集上层粉末，制得碳纳米管载体。
2.根据权利要求1所述的高效固态复合菌剂的制备方法，其特征在于：所述的菌种为苯类物质及二氯甲烷的高效降解菌Zoogloea sp.、Bacillus sp.、Methylobacterium sp.、Pandoraea sp.，取低温保藏的不同菌株斜面，挑取菌落分别接种于无机盐培养基，Zoogloea sp.和Bacillus sp.以苯、甲苯、乙苯、邻二甲苯中的一种或几种混合物为碳源培养，Methylobacterium sp.和Pandoraea sp.以二氯甲烷为碳源培养，培养48-64h，分别获得不同品种的菌液。
3.根据权利要求2所述的高效固态复合菌剂的制备方法，其特征在于：所述的无机盐培养基其配方为（g/L）:KH2PO4 0.376，K2HPO4·3H2O 0.456，(NH4)2SO4 0.484，NaNO3 0.68，Mg(NO3)2 0.256，CaCl2 0.011， MnCl2·H2O 0.06，ZnCl2 0.088，KI 0.01，NaMoO4·2H2O 0.1，H3BO3 0.05，pH为7.2。
4.根据权利要求1所述的高效固态复合菌剂的制备方法，其特征在于：所述的混合菌液的制备过程为将不同品种的菌液分别在12000g条件下离心后，收集菌体，并用无菌水洗涤3次，加入无菌水，获得菌浓度相等的各种菌的菌液，等体积混合获得混合菌液。
5.根据权利要求1所述的高效固态复合菌剂的制备方法，其特征在于：在碳纳米管载体中加入50 mL，浓度为2.5-5g/L的混合菌液，搅拌30 min后，将所得混合液进行真空抽滤，所得粉末在40 ℃下真空干燥2 h，获得碳纳米管高效复合菌剂。
6.一种高效固态复合菌剂在VOCs生物净化中的应用，其特征在于：所述高效固态复合菌剂采用权利要求1所述方法制备，所述的高效固态复合菌剂用于工业废气的高效净化，缩短反应器的启动时间，实现多组分协同去除。
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