CN105060506A - 一种微生物填料及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微生物填料及其制备方法和应用，该微生物填料为载有复合微生物菌剂的粉煤灰纳米改性填料，其中：所述粉煤灰纳米改性填料以粉煤灰和煤矸石为原料、加入辅料，并添加纳米Al₂O₃作为纳米改性填料烧制而成，所述复合微生物菌剂包括枯草芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌、亚硝化菌、酵母菌和乳酸菌。该微生物填料中，菌剂与改性的填料之间具有很好的协同作用，填料利用自身的吸附特性及复合微生物菌剂利用自身的降解特性能够有效地去除污水中的有害物质，尤其对富含有机物质的如养殖场的污水的处理效果优，实现了污水的无害化、减量化；另外，处理后的微生物填料可作为优质的生物肥料使用，无二次污染。

Description

一种微生物填料及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及的是污水处理的技术领域，尤其涉及的是一种微生物填料及其制备方法和应用。

背景技术

随着我国规模化、集约化养殖场的迅速发展，畜禽粪便及污水污染已成为我国农业面源污染的主要原因之一，对农村生态环境造成了严重影响。

目前，养殖场污水处理设施不完备，部分污水处理未达标甚至未经处理直接排放，污染物超过水体自净能力将引起水体日益恶化，出现水体富营养化现象，破坏水生态环境。

在技术的基础上有许多方法能有效地去除污水中的有机物，目前运用最多的是生物菌剂法和填料法。在改善水体环境质量、防止水污染方面发挥着重要作用。大部分污水处理都是由微生物作用完成的，且在污水处理中，利用微生物的新陈代谢作用不仅可以分解和去除污水中污染物质，而且有些微生物还可以去除恶臭物质，达到水质净化目的。而微生物的种类和功能及数量在很大程度上决定了污水的处理速度与处理效果。生物菌剂法的核心是培养驯化适合污水特点的微生物菌群，并保持与污水污染物浓度相适应的微生物量和活性，使微生物菌群处于最优降解活性，才能充分发挥其降解功能。但在实际应用中生物菌剂在水体中随着水体流动而不稳定，需与污水处理设施密切结合，才能发挥作用；填料法是利用其表面可吸附生物群体，使微生物固定负载在其表面上，从而达到污水处理效果。但目前使用的填料大多数表面能较低，在使用过程中，当液体流经其表面时不容易铺展形成薄膜，而是形成分散的液珠或细小沟流，使得填料个体下部难以被有效地润湿，从而在很大程度上影响了传质效率。

目前，按污水处理技术污水处理可分为活性污泥法、厌氧法、生物膜法等，这些工艺均存在缺点：活性污泥法占地面积大、能耗高、剩余污泥产生量大、对难降解有机污水处理效果差等问题；厌氧法反应器内生物量启动时间较长，出水水质不能满足排放标准，并且厌氧处理无硝化作用并且在低温下动力学速率低；生物膜法出水水质不够理想，剩余污泥量大、负荷低、抗冲击能力差等缺点，难以满足日益严格的污水排放标准。

目前，生物菌剂法和填料法在污水处理技术的基础上应用于养殖场污水中的有机物的去除，但实际应用中生物菌剂在水体中随着水体流动而不稳定，需与污水处理设施密切结合，才能发挥作用；填料法是利用其表面可吸附生物群体，使微生物固定负载在其表面上，从而达到污水处理效果。但目前使用的填料大多数表面能较低，在使用过程中，当液体流经其表面时不容易铺展形成薄膜，而是形成分散的液珠或细小沟流，使得填料个体下部难以被有效地润湿，从而在很大程度上影响了传质效率。

CN200910188098.7，公开一种选择性微生物填料的制备方法，但是该发明生物填料用于废气处理中的微生物净化，特别是用于石油化工厂污水处理厂、城市污水处理厂、畜牧养殖场等产生的恶臭污染物质的去除，但对污水中COD、氨氮等有机质去除效果具有一定的弱势。

CN201210338925.8，公开一种通过改性纳米材料处理甲醛污水的方法，使用的改性的层状粘土纳米复合吸附材料对这些污染物的去除都有很大的效果，但氨氮及总磷的去除效果不是很好。目前，应用与养殖场有机污水的生物填料报道的很少。鉴于上述问题，有必要培养一种高效处理有机污水的生物菌剂以及制备一种填料将其联合起来降解高浓度有机污水，达到恶臭物质和COD、氨氮等均有效去除的效果。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种微生物填料及其制备方法和应用，以解决现有微生物填料对高浓度有机污水中恶臭物质、COD、氨氮等去除效果不理想的技术问题。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种微生物填料，该微生物填料为载有复合微生物菌剂的粉煤灰纳米改性填料，其中：

所述粉煤灰纳米改性填料以粉煤灰和煤矸石为原料，石灰和炭黑为助胀剂，硅酸钠为粘合剂，并添加纳米Al₂O₃作为纳米改性填料，经粉碎造粒后，烧制成型获得；所述复合微生物菌剂包括枯草芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌、亚硝化菌、酵母菌和乳酸菌。

一种如上述微生物填料的制备方法，包括以下步骤：

(1)制备粉煤灰纳米改性填料：以粉煤灰和煤矸石为原料，石灰和炭黑为助胀剂，硅酸钠为粘合剂，并添加纳米Al₂O₃作为纳米改性填料，经粉碎造粒后，烧制成型；

(2)将枯草芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌、亚硝化菌、酵母菌和乳酸菌分别进行扩大培养，然后混合，获得液体混合菌剂，将液体混合菌剂置于加有蔗糖的有机污水中，用清水稀释后进一步扩大培养，获得复合微生物菌剂；

(3)将步骤(1)的粉煤灰纳米改性填料加入步骤(2)的复合微生物菌剂中，培养3d后，取出粉煤灰纳米改性填料，即获得所述微生物填料。

所述步骤(1)中，制备粉煤灰纳米改性填料的步骤包括：

①、将粉煤灰、煤矸石、石灰、纳米Al₂O₃、硅酸钠和炭黑按照质量比为55：20：10：10：3：2混合均匀后，进行造粒，获得生料；

②、将步骤①的生料烘干后，加热至400℃煅烧30min，然后移入高温电阻炉中焙烧2h，其中，焙烧的温度不超过1000℃，再升温至1120℃，维持10min，期间瞬时开启炉门若干次，以供给炉内氧气，获得所述粉煤灰纳米改性填料。

所述步骤(2)中，扩大培养后的枯草芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌的活菌浓度为2.0-4.0×10⁸个/克，亚硝化菌、酵母菌和乳酸菌的活菌浓度为2.0-5.0×10⁸个/克，枯草芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌、亚硝化菌、酵母菌和乳酸菌混合的质量比为2：1：2：2：1。

所述步骤(2)中，液体混合菌剂、蔗糖、有机污水和清水的质量比为1：1：10：88，进一步扩大培养的时间为7d。

所述步骤(3)中，每10-15g的粉煤灰纳米改性填料中加入9ml的复合微生物菌剂进行培养。

一种上述微生物填料在处理养殖场有机污水中的应用。

本发明的原理为：本发明的复合微生物菌剂和粉煤灰纳米填料联用，菌剂中包括多种对难降解污染物有优良降解能力的微生物，各菌种之间合理配伍，共生协调，互不拮抗，活性高，生物量大，繁殖快，投加在污水处理系统中，对大分子、有毒有害物质如酚类、芳香烃类以及氨氮、磷等具有显著降解效果。而填料主要成分是粉煤灰，经过纳米Al₂O₃改性后，其比表面积较大、表面能高，且存在着许多铝、硅等活性点，具有很强的吸附能力。微生物菌剂与填料联用，主要是利用菌剂对水体中污染物的高效降解能力，填料则是对菌剂的固定化作用以及增大菌剂在反应器中的空间分布。此外，填料表面有大量Si-O-Si键和Al-O-Al键可以与具有一定极性的有害分子产生偶极、偶极键的吸附，阴离子与粉煤灰中带正电荷的硅酸铝、硅酸钙和硅酸铁等硅酸盐之间形成离子交换或离子吸附，粉煤灰中的一些成分还能与污水中的污染物作用使其絮凝沉淀，与粉煤灰构成吸附+絮凝沉淀协同作用，去除有机污染物质。

本发明相比现有技术具有以下优点：本发明提供了一种微生物填料及其制备方法和应用，该微生物填料中，菌剂与改性的填料之间具有很好的协同作用；同时，填料利用自身的吸附特性及复合微生物菌剂利用自身的降解特性能够有效地去除污水中的污染物质，尤其对富含有机物质的如养殖场的污水的处理效果佳，实现了污水的无害化、减量化；另外，处理后的微生物填料可作为优质的有机肥料使用，无二次污染。

附图说明

图1为本发明微生物填料污水处理后的结果柱状图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

本实施例提供了一种微生物填料的制备方法，包括以下步骤：

(1)制备粉煤灰纳米改性填料：

①、将粉煤灰经研磨机研磨成100-200目的粉末，按照粉煤灰、煤矸石、石灰、纳米Al₂O₃、硅酸钠和炭黑质量比为55：20：10：10：3：2混合均匀，再加入适量水搅拌，放入成型机内挤压成型并切割后，在盘式造粒机中造粒得到球形颗粒状生料，粒径为5-6mm；

②、将步骤①的生料先经106℃干燥3h，再移入马沸炉升温至400℃，煅烧30min，然后移入高温电阻炉中焙烧2h，焙烧的起始温度为60℃，期间程序持续升温至不超过1000℃，最后，程序升温至1120℃，维持10min，期间瞬时开启炉门几次，以供给炉内氧气；整个烧制过程历时4-5h，制得粒径为5-6mm的球形填料，即为所述粉煤灰纳米改性填料。该填料比表面积高达6.898m²/g，表面粗糙，孔隙率高，固着生物量大，质轻，抗酸抗碱不易老化，使用寿命长。

(2)培养复合微生物菌剂

A、将枯草芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌、亚硝化菌、酵母菌和乳酸菌分别进行扩大培养，具体为：

枯草芽孢杆菌或巨大芽孢杆菌的培养：将枯草芽孢杆菌或巨大芽孢杆菌首先接种在牛肉膏蛋白胨培养基上，温度25-30℃，作一级斜面培养，然后接种到三角瓶里做振荡二级液体培养，然后转入液体发酵罐做三级液体培养，最后接种到固体培养基上作四级培养，培养后菌液的活菌数需达到2.0-4.0×10⁸个/克；

亚硝化菌的培养：亚硝化菌首先接种在培养基上(氯化铵0.1％、氯化钠0.1％、磷酸二氢钾0.05％、硫酸镁0.05％、硫酸锌0.015％、硫酸亚铁0.025％、酵母膏0.02％、蛋白胨0.01％、红糖5％，溶剂为纯净水，该菌体培养基组分中的百分比均为重量百分比)，温度25-30℃，作一级斜面培养，然后接种到三角瓶里做振荡二级液体培养，然后转入液体发酵罐做三级液体培养，最后接种到固体培养基上作四级培养，培养后菌液的活菌数达到2.0-5.0×10⁸个/克；

酵母菌：接种在马铃薯葡萄糖琼脂培养基(PDA)上，25-30℃，作一级斜面培养，然后接种到三角瓶里做振荡二级液体培养，然后转入液体发酵罐做三级液体培养，最后接种到固体培养基上作四级培养，培养后菌液的活菌数达到2.0-5.0×10⁸个/克；

乳酸菌：将乳酸菌接种在培养基上(氯化铵0.1％、氯化钠0.1％、磷酸二氢钾0.05％、硫酸镁0.05％、硫酸锌0.015％、硫酸亚铁0.025％、酵母膏0.02％、蛋白胨0.01％、红糖5％，且余量为纯净水，该菌体培养基组分中的百分比均为重量百分比)，25-30℃，作一级斜面培养，然后接种到三角瓶里做振荡二级液体培养，然后转入液体发酵罐做三级液体培养，最后接种到固体培养基上作四级培养，培养后菌液的活菌数达到2.0-5.0×10⁸个/克；

B、将以上所培养的枯草芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌、亚硝化菌、酵母菌、乳酸菌等菌液按照质量比2：1：2：2：1混合得到液体菌剂；

C、将液体菌剂、蔗糖、有机污水、清水按质量比1:1:10:88混合，在25℃以上环境下密闭培养7d，pH达5.0以下，污水臭味消失并有发酵醇香酸味时表示培养成功，获得所述复合微生物菌剂。

(3)每10-15g的粉煤灰纳米改性填料中加入9ml的复合微生物菌剂，进行共培养3d，取出粉煤灰纳米改性填料，即获得所述微生物填料。

微生物填料污水处理效果验证试验：

试验例一：

取某养猪场污水，测定其原水水质，获得如下表1所示的结果：

表1：处理前污水水质

将原水稀释100倍，用三个50L水桶作为试验设备并带搅拌，分别取稀释后的水30L，加入三个桶中，调节pH值7.0，温度20℃，三个水桶分别按下面步骤：

试验组1(填料组)、不添加微生物，只加入上述粉煤灰纳米改性填料100-150g，在阳光照射和自然通风不曝气条件下，室外放置，24h后测定水质指标。

试验组2(菌剂组)、不添加填料，只加入30mL上述复合微生物菌剂，其它条件同试验组1，测定污水处理效果。

试验组3(填料+菌剂组)、加入100-150g上述微生物填料，其它条件同试验组1，测定其污水处理效果。

结果如附图1所示，从图1中可以看出，本发明的微生物填料相比于单独使用粉煤灰纳米改性填料或复合微生物菌剂，其处理效果显著提高，说明粉煤灰纳米改性填料与复合微生物菌剂具有协同作用，其COD、NH₃-N、TP、SS的除去率分别为：87.16％、94.0％、87.30％、93.42％。

试验例二：某存栏2万头养猪场

该养猪场污水处理工艺为CSTR+A/O+三级稳定塘，在A/O池中每立方米生化池容积每次投加20克本发明的微生物填料，每天投加1次，连续投加两周，结果如下表2所示。

表2：A/O池处理效果

从表2中可看出，利用本发明微生物填料处理后的水质，其水质指标中除了NH₃-N去除率较低外，出水COD、SS、TP的去除较显著，去除率均达到90％以上。达到《畜禽养殖业污染物排放标准》(GB18596-2001)和农田灌溉水质标准(GB5084-2005)。H₂S和NH₃的去除率分别达到37.80％和49.61％，降低了养猪场恶臭物质排放浓度。

试验例三：某存栏500头养牛场

该养牛场污水处理工艺为UASB+SBR，在SBR池中每立方米容积每次投加生物填料10克，每天投加1次，连续投加两周，结果如下表3所示。

表3：SBR池处理效果

从表3中可看出，利用本发明处理后的废水，其水质指标中COD、NH₃-N、SS、TP分别低于400mg·L^-1、80mg·L^-1、200mg·L^-1、8.0mg·L^-1，达到《畜禽养殖业污染物排放标准》(GB18596-2001)和农田灌溉水质标准(GB5084-2005)。H₂S和NH₃的去除率分别达到53.49％和50.88％，去除较为显著，改善了养牛场人畜生活环境质量。

Claims (7)

1.一种微生物填料，其特征在于，该微生物填料为载有复合微生物菌剂的粉煤灰纳米改性填料，其中：

所述粉煤灰纳米改性填料以粉煤灰和煤矸石为原料，石灰和炭黑为助胀剂，硅酸钠为粘合剂，并添加纳米Al₂O₃作为纳米改性填料，经粉碎造粒后，烧制成型获得；所述复合微生物菌剂包括枯草芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌、亚硝化菌、酵母菌和乳酸菌。

2.一种如权利要求1所述的微生物填料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)制备粉煤灰纳米改性填料：以粉煤灰和煤矸石为原料，石灰和炭黑为助胀剂，硅酸钠为粘合剂，并添加纳米Al₂O₃作为纳米改性填料，经粉碎造粒后，烧制成型；

(2)将枯草芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌、亚硝化菌、酵母菌和乳酸菌分别进行扩大培养，然后混合，获得液体混合菌剂，将液体混合菌剂置于加有蔗糖的有机污水中，用清水稀释后进一步扩大培养，获得复合微生物菌剂；

(3)将步骤(1)的粉煤灰纳米改性填料加入步骤(2)的复合微生物菌剂中，培养3d后，取出粉煤灰纳米改性填料，即获得所述微生物填料。

3.根据权利要求2所述的一种微生物填料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，制备粉煤灰纳米改性填料的步骤包括：

①、将粉煤灰、煤矸石、石灰、纳米Al₂O₃、硅酸钠和炭黑按照质量比为55：20：10：10：3：2混合均匀后，进行造粒，获得生料；

②、将步骤①的生料烘干后，加热至400℃煅烧30min，然后移入高温电阻炉中焙烧2h，其中，焙烧的温度不超过1000℃，再升温至1120℃，维持10min，期间瞬时开启炉门若干次，以供给炉内氧气，获得所述粉煤灰纳米改性填料。

4.根据权利要求2所述的一种微生物填料的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，扩大培养后的枯草芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌的活菌浓度为2.0-4.0×10⁸个/克，亚硝化菌、酵母菌和乳酸菌的活菌浓度为2.0-5.0×10⁸个/克，枯草芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌、亚硝化菌、酵母菌和乳酸菌混合的质量比为2：1：2：2：1。

5.根据权利要求2所述的一种微生物填料的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，液体混合菌剂、蔗糖、有机污水和清水的质量比为1：1：10：88，进一步扩大培养的时间为7d。

6.根据权利要求2所述的一种微生物填料的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，每10-15g的粉煤灰纳米改性填料中加入9ml的复合微生物菌剂进行培养。

7.一种如权利要求1所述的微生物填料在处理养殖场有机污水中的应用。