CN104789504B - 一种用于污泥原位减量的微生物菌剂及其制备方法和应用 - Google Patents

一种用于污泥原位减量的微生物菌剂及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于污泥原位减量的微生物菌剂及其制备方法和应用，微生物菌剂由解淀粉芽孢杆菌CGMCC No 1.769和酿酒酵母CGMCC No 2.3853制成。分别将解淀粉芽孢杆菌的发酵液和酿酒酵母的发酵液冷冻干燥成粉剂；将两种粉剂按比例混合而成。本发明微生物制剂用于生活污泥原位减量，将微生物菌剂投加到城镇污水处理厂的好氧池内。投加量为好氧池内处理水量的0.01‰‑0.1‰。本发明利用生物溶胞方法降解污泥中的大分子难降解物质，采用投加微生物菌剂能显著降低污泥的产量。与现有技术相比，本发明具有高效、低成本、操作简单的特点，适用于一切城镇污水处理厂中的污泥原位减量。

Description

一种用于污泥原位减量的微生物菌剂及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于环保技术领域，具体涉及一种用于污泥原位减量的微生物菌剂及其制备方法和应用。
背景技术
随着我国城镇污水处理能力极大地提高，相应的污水处理过程中产生的剩余污泥量也日趋庞大，与污水相比，污泥的毒性更大，目前我国80％污泥未能妥善处置，而其产生量却还以每年10-15％的速度递增，污泥污染日趋严重，污泥处理问题已成为世界性的难题。
即使现行污水处理厂对污泥进行了浓缩处理，但湿污泥的含水率仍高达80％。并且这些污泥中含有汞、镉、致病菌、寄生虫等对环境有害的物质，如果处理不好很可能造成二次污染。因此，以预防为主要手段对污泥进行原位减量化处理，是污泥处理的必然发展趋势，也是污水厂降低运行成本、彻底解决污泥处置难的必然发展方向。
申请号为201110039768.6的中国发明专利申请文献公开了一种用于城市污泥减量的复合酶制剂，其含有菠萝蛋白酶50～60％、溶菌酶5～10％，余量为酵母发酵物。其技术的局限性是2种酶制剂价格昂贵，不易保藏和运输，无法产业化推广应用，同样无法去除污泥中大量的微生物。
公开号为CN104087536A的中国发明专利申请文献公开了一种生活污泥减量复合微生物制剂及其制备与应用方法，文中公开了一种采用生物溶胞的原理，利用4种产酶菌对污泥进行减量试验。但是菌剂通过混合发酵后比例已经发生改变，产酶活力也不一样，发酵结束后没有对产酶活力进行测定，难以断定投加的菌剂是通过产酶完成生物溶胞达到减量的效果。其次该菌剂在污水的处理中投加量较大，成本相对要高，而且是投加在排泥管中，投加菌剂后会发生反应，产生大量的热能，这种高温导致污泥的大量死亡会使酶活力降低，所以对它提出的污泥原位减量效果有待商榷。
公开号为CN102745821A的中国发明专利申请文献公开了一种用于污泥减量的复合微生物菌剂及其制备方法和应用，文中公开了一种微生物菌剂实施原位减量，减量效果可达到30-70％，由于专利中采用了5-10种菌种，使得菌剂的培养和配制比较繁琐。且其中有一种菌是酱油曲霉，虽然可以高产蛋白酶，但是为丝状菌，在城镇污水处理厂丝状菌的存在易造成污泥膨胀，如果发生污泥膨胀会导致整个污水处理系统发生瘫痪，更不要提污泥减量的效果，所以该菌剂在污泥原位减量中实施也是不可取的。
发明内容
微生物通过胞外聚合物(EPS)聚合在一起，形成大量的污泥，为了解决大量污泥处理的问题，本发明提供一种用于污泥原位减量的微生物菌剂及其制备方法和应用，利用生物溶胞方法降解污泥中的大分子难降解物质，投加本发明的微生物菌剂能显著降低污泥的产量。
一种用于污泥原位减量的微生物菌剂，由解淀粉芽孢杆菌(Bacillusamyloliquefaciens)CGMCC No 1.769和酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)CGMCC No2.3853的发酵粉剂混合而成。
优选地，解淀粉芽孢杆菌发酵粉剂与酿酒酵母发酵粉剂的质量比例为7～10:1～3；进一步地，解淀粉芽孢杆菌发酵粉剂与酿酒酵母发酵粉剂的质量比例为8～9:1～2；更进一步地，解淀粉芽孢杆菌发酵粉剂与酿酒酵母发酵粉剂的质量比例为9:1。
解淀粉芽孢杆菌(Bacillus amyloliquefaciens)和酿酒酵母(Saccharomycescerevisiae)菌株均购自中国普通微生物菌种保藏管理中心。
胞外聚合物是在一定环境条件下由微生物，主要是细菌分泌于体外的一些高分子聚合物，有研究者采用三维荧光光谱法分析了其成分，发现主要成分是蛋白质，其次是少量的多糖和腐殖酸类的物质。所以污泥中除了胞外聚合物外还有大量微生物菌体，而微生物菌体的成分主要是细胞壁的成分肽聚糖，又称粘肽，也是属于蛋白质。故本发明采用投加高产蛋白酶和淀粉酶的菌株解淀粉芽孢杆菌，既可以降低微生物之间的聚集，又可以对死亡的微生物菌体通过菌株产生的蛋白酶直接降解成易被大多数微生物所利用的小分子物质。酿酒酵母含有大量的蛋白质、维生素和多种酶等营养物质，可以为解淀粉芽孢杆菌提供生长的营养物质，外源蛋白质的存在还可以诱导解淀粉芽孢杆菌产蛋白酶，它的酶系又可以对污水中的成分产生降解作用。所以投加少量的解淀粉芽孢杆菌和酿酒酵母，两种菌株之间相互协同作用，在不改变原有生化处理系统的条件下，通过重新构建完整的食物链，实现污泥的原位减量。
本发明还提供一种所述微生物制剂的制备方法，包括如下步骤：
分别将解淀粉芽孢杆菌的发酵液和酿酒酵母的发酵液冷冻干燥，得发酵成粉剂；将两种发酵粉剂按比例混合而成。
所述解淀粉芽孢杆菌菌株同时具产蛋白酶和淀粉酶的特性，其中蛋白酶活最高达到2763U/ml，淀粉酶活最高达到854U/ml，该高酶活性采用变温发酵得到。
优选地，所述解淀粉芽孢杆菌的发酵液采用变温发酵得到，所述变温发酵的过程如下：
将达到对数期的种子液接入发酵罐，接种后的发酵罐温度控制在34～36℃，培养至生长稳定期，将培养温度降为31～33℃再发酵22～25h结束发酵。
进一步地，将达到对数期的种子液接入发酵罐，接种后的发酵罐温度控制在35℃，培养至生长稳定期，将培养温度降为32℃再发酵24h结束发酵。
解淀粉芽孢杆菌的发酵粉剂的制备流程为：斜面种子–摇瓶种子–种子罐–发酵罐-冷冻干燥，具体的：
(1)斜面种子：蛋白胨10g/L，牛肉膏5g/L，NaCl 5g/L，2％的琼脂，pH 7.0，121℃灭菌，20min。在培养基上划线接种，35℃培养24h；
(2)摇瓶种子：蛋白胨10g/L，牛肉膏5g/L，NaCl 5g/L，pH 7.0；121℃灭菌，20min，将活化好的斜面种子挑取少量菌体接种在液体种子培养基中，180rpm，35℃培养20h；
(3)种子罐：种子培养基成分：蛋白胨10g/L，牛肉膏5g/L，NaCl5g/L，pH 7.0，将30L种子培养基加入50L种子罐，121℃高压湿热灭菌，冷却至33℃后，将摇瓶菌种按10％(V/V)的接种量接种到种子罐，35℃培养至对数生长期，搅拌速度为180转/分，无菌空气通入量为1:0.8(V/V)；
(4)发酵罐培养：培养基为玉米淀粉20g/L，黄豆饼粉30g/L，Na2HPO4.12H2O 6g/L，(NH4)2SO44g/L，MgSO4.7H2O 1g/L，CaCl20.8g/L，pH 6.5-7.0，发酵罐培养基装量为500L，装300L的发酵培养基，在1.1Kg/cm2的压力下，121℃高压湿热灭菌，灭菌后冷却至33℃，通无菌空气保持无菌状态备用；将达到对数期的种子液按10％(V/V)的接种量接入发酵罐，接种后的发酵罐温度控制在35℃，发酵罐的培养过程中无菌空气的通气量为1：(0.8-1.0)(V/V)，搅拌速度为200转/分，培养至生长稳定期，将培养温度降为32℃再发酵24h结束发酵，菌体数量达到10亿个/mL以上；
(5)冷冻干燥：发酵完成后，发酵液直接用冷冻干燥成粉剂。
蛋白酶活的测定：按国家标准(GB/T23527-2009)，采用Folin-酚法测定。淀粉酶活力测定：按国家标准(GB/T23527-1987)，采用3,5-二硝基水杨酸显色法测定。
所述酿酒酵母的发酵液采用如下发酵过程得到：
将达到对数期的种子液接入发酵罐，接种后的发酵罐温度控制在28-30℃，培养至生长稳定期后期。
酿酒酵母的发酵粉剂的制备流程为：斜面种子-摇瓶种子-种子罐-发酵罐-冷冻干燥，具体如下：
(1)斜面种子：1％酵母粉，2％蛋白胨，2％葡萄糖，2％琼脂。115℃灭菌，20min，在培养基上划线接种，30℃培养24h；
(2)摇瓶种子：1％酵母粉，2％蛋白胨，2％葡萄糖。115℃灭菌，20min，将活化好的斜面种子挑取少量菌体接种在液体种子培养基中，200rpm，30℃培养24h；
(3)种子罐：培养基成分1％酵母粉，2％蛋白胨，将30L种子培养基加入50L种子罐，121℃高压湿热灭菌，冷却至33℃后，2％葡萄糖115℃单独灭菌20min后投加到培养基中，将摇瓶菌种按10％(V/V)的接种量接种到种子罐，30℃培养至对数生长期，搅拌速度为200转/分，无菌空气通入量为1:0.8(V/V)；
(4)发酵罐：培养基为玉米浆0.5g/L，蛋白胨2g/L，蜜糖10g/L，蔗糖5g/L，pH 6.5，蜜糖和蔗糖单独灭菌后在投加到培养基中。发酵罐培养基装量为500L，装300L的发酵培养基，在1.1Kg/cm2的压力下，115℃高压湿热灭菌，灭菌后冷却至28℃，通无菌空气保持无菌状态备用；将达到对数期的种子液按10％(V/V)的接种量接入发酵罐，接种后的发酵罐温度控制在28-30℃，发酵罐的培养过程中无菌空气的通气量为1：(0.8-1.0)(V/V)，搅拌速度为200转/分，培养至生长稳定期后期，菌体数量达到10亿个/mL以上；
(5)冷冻干燥：发酵完成后，发酵液直接用冷冻干燥成粉剂。
将按上述制备方法制备得到的两种粉剂按比例混合而成得到本发明的微生物菌剂，微生物菌剂的浓度为8×1012CFU/L以上。
本发明还提供一种如所述微生物制剂用于污泥原位减量的方法，将所述微生物菌剂投加到城镇污水处理厂的好氧池内。
所述微生物菌剂的投加量为好氧池内处理水量的0.01‰-0.1‰。
将本发明的微生物菌剂投加到某城镇污水处理厂的好氧池中，连续运行近4个月，其他工艺条件相同的情况下，与不加本发明微生物菌剂或其他菌剂相比，排泥量明显减少，说明投加菌剂可显著降低生化处理系统中污泥的增长速率，减少污泥产量。由于采用微生物菌种改善活性污泥系统有累积作用，随着时间的延长活性污泥的优势菌群的数量会不断上升，污泥活力也会持续提高，污泥减量效果还会进一步提高。
本发明自主研发出一种微生物菌剂，利用生物溶胞技术，实行污泥原位减量技术大幅提高污泥减量的效果。与现有技术相比，本发明具有高效、低成本、操作简单的特点，适用于一切城镇污水处理厂中的污泥原位减量。
附图说明
图1a和图1b是本发明解淀粉芽孢杆菌产蛋白酶(左)和淀粉酶(右)透明圈的试验结果图。
图2是实施例3中菌剂投加在污水处理厂的污泥减量试验结果图。(组1为试验组，组2为对照组，◆组1污泥浓度；□组2污泥浓度；●组1排泥量；○组2排泥量)
图3是实施例3中2组平行试验的出水COD、NH3-N的变化情况。(◆组1COD；□组2COD；●组1NH3-N；○组2NH3-N)
图4是实施例3中2组平行试验装置的出水TN、TP的变化情况。(◆组1TN；□组2TN；●组1TP；○组2TP)
图2～图4中横坐标为对应的试验日期。
具体实施方式
实施例1
一、解淀粉芽孢杆菌粉剂的制备：斜面种子–摇瓶种子–种子罐–发酵罐-冷冻干燥。
(1)斜面种子：蛋白胨10g/L，牛肉膏5g/L，NaCl 5g/L，2％的琼脂，pH 7.0。121℃灭菌，20min。在培养基上划线接种，35℃培养24h。
(2)摇瓶种子：蛋白胨10g/L，牛肉膏5g/L，NaCl 5g/L,pH 7.0。121℃灭菌，20min。将活化好的斜面种子挑取少量菌体接种在液体种子培养基中，180rpm，35℃培养20h。
(3)种子罐：培养基成分蛋白胨10g/L，牛肉膏5g/L，NaCl 5g/L,pH 7.0，将30L种子培养基加入50L种子罐，121℃高压湿热灭菌，冷却至33℃后，将摇瓶菌种按10％(V/V)的接种量接种到种子罐，35℃培养至对数生长期，搅拌速度为180转/分，无菌空气通入量为1:0.8(V/V)。
(4)发酵罐：培养基为玉米淀粉20g/L，黄豆饼粉30g/L，Na2HPO4.12H2O 6g/L,(NH4)2SO44g/L，MgSO4.7H2O 1g/L，CaCl20.8g/L，pH 6.5-7.0。发酵罐培养基装量为500L，装300L的发酵培养基，在1.1Kg/cm2的压力下，121℃高压湿热灭菌，灭菌后冷却至33℃，通无菌空气保持无菌状态备用；将达到对数期的种子液按10％(V/V)的接种量接入发酵罐，接种后的发酵罐温度控制在35℃，发酵罐的培养过程中无菌空气的通气量为1：(0.8-1.0)(V/V)，搅拌速度为200转/分，培养至生长稳定期，将培养温度降为32℃再发酵24h结束发酵，菌体数量达到10亿个/mL以上。
(5)冷冻干燥：发酵完成后，发酵液直接用冷冻干燥成粉剂。
(6)酶活的测定：蛋白酶活力按国家标准(GB/T23527-2009)，采用Folin-酚法测定，蛋白酶活最高达到2763U/ml。
淀粉酶活力按国家标准(GB/T23527-1987)，采用3,5-二硝基水杨酸显色法测定，淀粉酶活最高达到854U/ml。
解淀粉芽孢杆菌产蛋白酶(左)和淀粉酶(右)透明圈的试验结果如图1a和图1b所示。
二、酿酒酵母粉剂的制备：斜面种子–摇瓶种子–种子罐–发酵罐-冷冻干燥。
(1)斜面种子：1％酵母粉，2％蛋白胨，2％葡萄糖，2％琼脂。115℃灭菌，20min。在培养基上划线接种，30℃培养24h。
(2)摇瓶种子：1％酵母粉，2％蛋白胨，2％葡萄糖。115℃灭菌，20min。将活化好的斜面种子挑取少量菌体接种在液体种子培养基中，200rpm，30℃培养24h。
(3)种子罐：培养基成分1％酵母粉，2％蛋白胨，将30L种子培养基加入50L种子罐，121℃高压湿热灭菌，冷却至33℃后。2％葡萄糖115℃单独灭菌20min后投加到培养基中。将摇瓶菌种按10％(V/V)的接种量接种到种子罐，30℃培养至对数生长期，搅拌速度为200转/分，无菌空气通入量为1:0.8(V/V)。
(4)发酵罐：培养基为玉米浆0.5g/L，蛋白胨2g/L，蜜糖10g/L，蔗糖5g/L，pH 6.5，蜜糖和蔗糖单独灭菌后在投加到培养基中。发酵罐培养基装量为500L，装300L的发酵培养基，在1.1Kg/cm2的压力下，115℃高压湿热灭菌，灭菌后冷却至28℃，通无菌空气保持无菌状态备用；将达到对数期的种子液按10％(V/V)的接种量接入发酵罐，接种后的发酵罐温度控制在28-30℃，发酵罐的培养过程中无菌空气的通气量为1：(0.8-1.0)(V/V)，搅拌速度为200转/分，培养至生长稳定期后期，菌体数量达到10亿个/mL以上。
(5)冷冻干燥：发酵完成后，发酵液直接用冷冻干燥成粉剂。
三、混合粉剂的制备
通过步骤一和二制备好的粉剂，用时按照7～10:1～3的质量比例混合好，根据污水厂处理水量的0.01‰-0.1‰投加，以下实施例2和3中采用的菌剂是按照9:1混合而得。
实施例2
实验室采用1L的烧杯，装量1L的污泥，污泥浓度SV30为28％，设置未加菌剂的空白样品，加热、搅拌而未加菌剂的对照、以及通过磁力加热搅拌器控制的实验组，控制转速在150rpm，30℃，每天投加0.1‰的菌剂。处理2、4、6天的小试结果如表1。
表1菌剂对污泥减量的小试试验
从试验结果看，投加菌剂处理2、4、6天后，时间短处理效率不高但有下降的趋势，解淀粉芽孢杆菌和酿酒酵母单一菌剂处理效果没有混合菌剂的处理效果好。
实施例3
在某城镇污水处理厂投加菌剂实施污泥原位减量实验，污水厂每天处理水量为5000吨，有2组平行的工艺均为缺氧/厌氧/好氧(A2O)工艺，其中一组作为对照，一组作为实验组，在实验组的好氧池内投加菌剂。先将实施例1制备得到的微生物菌剂加5倍自来水曝气活化24h，用蠕动泵流加到好氧池进水口，流加量为处理水量的0.1‰，当实验组污泥性状明显改善，污泥产生量开始减少，此时将菌剂的流加量改为0.01‰。投加菌剂的过程中通过排泥量把两组工艺中的污泥浓度始终控制在3000-4000mg/L，通过排泥量的多少比较污泥减量的效果，投加菌剂连续运行近4个月的污泥浓度数据如图2。
实验从5月份开始，由图2可见，组1在投加菌剂3周左右开始表现出污泥减量效果，排泥量逐步下降，到6月份排泥总量开始明显少于对照组2。试验连续运行近4个月，组1在污泥量与组2相同的情况下，排泥量明显减少，这说明投加菌剂可显著降低生化处理系统中污泥的增长速率，减少污泥产量。由于采用微生物菌种改善活性污泥系统有个累积作用，随着时间的延长活性污泥的优势菌群的数量会不断上升，污泥活力也会持续提高，污泥减量效果还会进一步提高。
由图3和图4可知，在4个月的现场连续运行过程中，2组实验的出水COD、NH3-N、TN能达到一级A标，TP达到一级B标。其中对COD、NH3-N、TN的去除效果组1要好于对照组2，表现在出水水质的变化幅度要明显小于组2，这说明投加微生物菌剂一方面可以减少污泥的产生量，同时可以提高对污水的处理效果，提高生化系统对负荷的抗冲击性能。对TP的去除效果组1效果不如对照组2，特别是在系统稳定运行1个半月后，在组1的排泥量逐步减少后，组1出水TP含量平均在0.76mg/L，而组2出水TP含量平均在0.65mg/L，组1出水TP含量提高了15％，系统对总磷的去除率从83％下降至79％。
整个试验说明在利用功能菌剂进行污泥减量过程中，系统对COD、NH3-N、TN的去除效果不会受到影响，添加功能菌剂还能提供系统的抗水质冲击能力，但对TP有所影响，运行过程中出水TP有上升趋势，TP去除效果会下降5％左右，从长期的运行效果看对出水TP的影响较为平稳，可以通过后期加絮凝达标。

Claims (5)

1.一种用于污泥原位减量的微生物菌剂，其特征在于，由解淀粉芽孢杆菌(Bacillusamyloliquefaciens)CGMCC No 1.769和酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)CGMCC No2.3853的发酵粉剂混合而成；解淀粉芽孢杆菌发酵粉剂与酿酒酵母发酵粉剂的质量比例为7～10:1～3。
2.根据权利要求1所述用于污泥原位减量的微生物菌剂，其特征在于，解淀粉芽孢杆菌发酵粉剂与酿酒酵母发酵粉剂的质量比例为8～9:1。
3.根据权利要求2所述用于污泥原位减量的微生物菌剂，其特征在于，解淀粉芽孢杆菌发酵粉剂与酿酒酵母发酵粉剂的质量比例为9:1。
4.一种如权利要求1所述微生物菌剂用于污泥原位减量的方法，其特征在于，将所述微生物菌剂投加到城镇污水处理厂的好氧池内。
5.根据权利要求4所述方法，其特征在于，所述微生物菌剂的投加量为好氧池内处理水量的0.01‰-0.1‰。
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