CN105217805B

CN105217805B - 一种微生物絮凝剂、制备方法及其应用

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Publication number: CN105217805B
Application number: CN201510758213.5A
Authority: CN
Inventors: 郭俊元; 杨迎春; 邹长武; 信欣; 肖玉; 周心甜; 付琳
Original assignee: Chengdu University of Information Technology
Current assignee: Chengdu University of Information Technology
Priority date: 2015-11-09
Filing date: 2015-11-09
Publication date: 2017-10-13
Anticipated expiration: 2035-11-09
Also published as: CN105217805A

Abstract

本发明公开了一种利用农作物秸秆和剩余活性污泥制备微生物絮凝剂的方法，包括将菌株植入种子培养基，培养获得种子液；将种子液植入以农作物秸秆和剩余活性污泥配置的发酵培养基，在发酵过程的特定时间补充磷酸盐和活性污泥，发酵获得发酵液；采用旋转蒸发和冰浴丙酮提取微生物絮凝剂。本发明有效地利用廉价易得的农作物秸秆和剩余活性污泥制备微生物絮凝剂，节省了传统培养基的昂贵物料，制备方法和提取工艺简便、发酵时间短，大大降低了微生物絮凝剂的制备成本。制备得到的微生物絮凝剂适用范围广、絮凝活性高达96.8％以上，对废水中的COD、氨氮、浊度等的去除效果良好，并能够大幅提高污泥脱水效率。

Description

一种微生物絮凝剂、制备方法及其应用

技术领域

本发明属于环境保护方法技术领域，尤其属于废水处理技术领域，具体涉及一种微生物絮凝剂及其制备和在废水处理中的应用。

背景技术

絮凝技术是国内外常用的提高水质处理效率的方法，主要用于去除废水中的胶体和悬浮物，包括无机物和有机物，以及一些溶解性的杂质。絮凝技术的核心是絮凝剂，目前，常用的絮凝剂主要是无机絮凝剂(铁盐、铝盐及其聚合物)和有机合成絮凝剂(聚丙烯酰胺及其衍生物)，随着工业和科学技术的发展，废水排放量和污泥的产生量逐渐增加，为了实现废水的达标排放和污泥的减量化，上述絮凝剂的使用量持续增加，与此同时，它们在使用过程中逐渐表现出较大的不安全性和二次环境污染，例如：铁盐絮凝剂不仅具有很强的腐蚀性，而且残留的铁离子浓度达到0.1-0.3mg/L时，会使水体带有颜色，影响水质；铝盐絮凝剂的使用会在废水中残留大量A1³⁺，可诱发阿尔茨海默氏病，危害人体健康；聚丙烯酰胺在水体中产生的丙烯酰胺单体，具有强烈的神经毒性等。

微生物絮凝剂是微生物在代谢过程中分泌的聚合物，具有高效的絮凝性能、且易降解、降解产物对生态环境无害，逐渐成为目前国内外重点研究的课题，例如：国际学者Ntsaluba、Ahmad，哈尔滨工业大学马放教授、湖南大学杨朝晖教授、同济大学夏四清教授等，均对产絮凝剂微生物和微生物絮凝剂的研究作出了巨大的贡献。虽然微生物絮凝剂有着其突出的优越性，并显示出广阔的市场前景，但从实际生产和应用角度来看，还存在着一系列难以逾越的困难，主要体现在：微生物絮凝剂制备成本高、絮凝效率低，例如：中国专利CN101225405A公开了复合氮源制备微生物絮凝剂，硫酸胺和脲组成的复合氮源添加量大，且需添加多种无机盐，使得制备成本高，所公开的克雷伯氏菌种子液的制备技术不明确，实施困难；中国发明专利CN102181483A公开的微生物絮凝剂在制备过程中添加了钠盐、六水合硫酸亚铁铵等分析纯物料，但其对5g/L的高岭土的絮凝效率最高仅为42.5％。近年来，对于利用廉价培养基制备微生物絮凝剂的研究已陆续报道，例如：毛艳丽等以蜜糖废水代替常规使用的葡萄糖作为廉价培养基对荧光假单胞菌C-2进行发酵制备微生物絮凝剂；尹华等以豆腐废水为廉价培养基制备微生物絮凝剂。中国专利CN1844360A公开了利用豆渣制备微生物絮凝剂的方法，但没有考察该微生物絮凝剂所具备的絮凝性能。此外，微生物絮凝剂在使用过程中缺乏针对性，导致其使用量大，而且难以提高废水处理效率。例如：高艺文等制备的微生物絮凝剂对COD浓度为835.42mg/L的废水的COD去除效率仅为20％。

鉴于此，直接利用废弃物或者高浓度有机无毒废水培养絮凝微生物，是降低微生物絮凝剂制备成本的可行途径，同时也能在一定程度上资源化利用废水废弃物，减轻其对环境的污染。而研究微生物絮凝剂在处理特定废水废弃物的性能，使得微生物絮凝剂在废水处理中的应用更具有针对性，既能有效提高处理效率，也可以减少微生物絮凝剂的使用量。

发明内容

针对以上技术缺陷，本发明利用农作物秸秆和剩余活性污泥为原料制备微生物絮凝剂，农作物秸秆和市政污水处理厂剩余活性污泥来源广泛，更加廉价，但处理不当会造成严重的环境污染，农作物秸秆中丰富的木质纤维素水解后的产物和剩余活性污泥中丰富的有机质，可以用来培养微生物制备微生物絮凝剂。由此，降低微生物絮凝剂制备成本的同时，实现废弃物的综合利用，减少环境污染，所制备的微生物絮凝剂能够替代常规使用的无机和有机合成絮凝剂，应用于废水处理和污泥脱水过程中。

本发明的目的在于针对现有技术中存在的缺陷，提供一种微生物絮凝剂及其制备方法，具体是利用农作物秸秆和剩余活性污泥制备微生物絮凝剂，并应用于处理废水和改善污泥脱水性能。

本发明的微生物絮凝剂的制备方法，包括以下步骤：

1.制备微生物絮凝剂的菌株选定为红球菌和芽孢杆菌中的至少一种；

2.菌株的种子培养：将菌株从保藏培养基接种到种子培养基中，于32～35℃、130～150rpm的条件下培养6～24h，获得种子液。

种子培养基成分：蛋白胨2～5g/L，酵母粉2～5g/L，牛肉膏1～2g/L，NaCl 3～5g/L，pH＝6.5～7.5；

3.发酵培养基的制备：农作物秸秆与1.2～1.8％的硫酸以W/V＝1:5～1:8混合浸泡1～2h，在4000～6000rpm条件下沉淀10～20min，取清液与剩余活性污泥以V/V＝1:4～1:8混合，将此混合液灭菌处理，得到发酵培养基。所述剩余活性污泥通常是指污水处理厂二沉池剩余活性污泥。

4.发酵液的制备：将种子液按0.5～1.0％接种至发酵培养基，在25～28℃、100～120rpm的条件下发酵培养，发酵培养6～12h后，补充0.2～0.5g/LK₂HPO₄和0.1～0.2g/LKH₂PO₄，继续发酵6～12h，补充100～200mL/L灭菌后的活性污泥，继续发酵18～24h，得到发酵液。

5.微生物絮凝剂的提取：发酵液中加入2～4倍体积蒸馏水稀释，2000～3000rpm离心10～20min收集上清液，将上清液采用旋转蒸发器在40-50℃条件下浓缩至0.3～0.5倍体积，浓缩液中加入1～2倍体积的冰浴丙酮，静置6～12h，4000～5000rpm离心10～20min收集沉淀物，悬于含重量百分比浓度0.1～0.2％的DTT并于4℃预冷的丙酮中，-15～-20℃条件下静置30～50min后，4000～5000rpm离心10～20min收集沉淀物，40～60℃真空干燥得到微生物絮凝剂；所述冰浴丙酮是丙酮中添加重量百分比0.02～0.07％的β-巯基乙醇后，-20℃过夜制成；所述DTT是二硫苏糖醇，预冷丙酮为三氯醋酸与丙酮体积比1:7～1:9配制。

本发明还提供了上述微生物絮凝剂在废水处理和污泥脱水中的应用，包括以下步骤：

1.选取废水：废水含有的COD、氨氮、浊度分别为1000～1500mg/L、600～800mg/L、140～180NTU。上述废水中阶段性投加微生物絮凝剂，首先在快速搅拌阶段投加10～15mg/L微生物絮凝剂，转速120～150rpm，快速搅拌2～5min后，进行慢速搅拌，转速40～60rpm，在慢速搅拌开始、开始后1～2min、3～4min、5～7min、8～10min分别按废水体积均投加5～8mg/L微生物絮凝剂，慢速搅拌共计20～30min，静沉10～15min。经过该微生物絮凝剂处理后，上述废水中含有的COD、氨氮、浊度分别降低至103～188mg/L、21.2～66.5mg/L、12.8～28.6NTU。

2.选取城市污水处理厂污泥浓缩池污泥：污泥的含水率和比阻分别为98.2～98.6％、2.9×10¹³～3.0×10¹³m/kg，污泥上清液中COD和氨氮的含量分别为400～600mg/L、150～200mg/L。上述污泥中阶段性投加微生物絮凝剂，首先在快速搅拌阶段投加1.0～2.0g/L微生物絮凝剂，转速180～240rpm，快速搅拌2～5min后，进行慢速搅拌，转速40～50rpm，分别在慢速搅拌开始、开始后1～2min、3～4min、5～7min、8～10min投加0.5～0.8g/L微生物絮凝剂，慢速搅拌共计20～30min，静沉30～40min。经过该微生物絮凝剂处理后，上述污泥的含水率和比阻分别为74.4～78.2％、1.4×10¹³～1.5×10¹³m/kg，污泥上清液中COD和氨氮的含量分别降低至45～52mg/L、16～22mg/L。

本发明的优点：

1.本发明以农作物秸秆和市政污水处理厂剩余活性污泥为廉价培养基，制备微生物絮凝剂，价廉易得，来源广泛，大幅度降低了微生物絮凝剂的制备成本，实现废物的综合利用，且制备过程中不产生废水；

2.发酵过程中，在特定发酵时间补充微生物所需的磷源(主要调节培养基pH稳定)和其它营养物质(以污泥的形式补充)，可以大幅度缩短发酵时间(30～48h)，减少物料利用量，提高微生物絮凝剂合成效率；

3.上述制备得到的微生物絮凝剂具有高效的絮凝性能，当1.0L高岭土悬液(4g/L)中投加10mg微生物絮凝剂时，絮凝率高达96.8％以上；在废水处理和污泥脱水的应用中，采用阶段性投加微生物絮凝剂的方式，能够降低微生物絮凝剂的使用量，并有效降低废水中的污染物含量，大幅提高污泥的脱水效率；由此，降低了无机和有机合成高分子絮凝剂易造成的二次环境污染；

4.上述制备的微生物絮凝剂适用温度为20～120℃，适用pH范围3～11，具有广泛的应用潜力；

5.本发明不需要经过繁琐的加工程序，制备方法简便易行。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明进行具体的描述，实施例只用于对本发明进行进一步的说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的内容作出的一些非本质的改进和调整也属于本发明保护的范围。

1.微生物絮凝剂的制备：

将菌株接种至种子培养基中，于35℃、150rpm的条件下培养12h，获得种子液；将种子液按1.0％接种至发酵培养基，在25℃、100rpm的条件下发酵培养，发酵培养6h后，补充0.2g/LK₂HPO₄和0.1g/LKH₂PO₄，继续发酵12h，补充100mL/L灭菌后的活性污泥，继续发酵18h，得到发酵液，发酵培养基成分：农作物秸秆与1.6％的硫酸以W/V＝1:8混合浸泡1h，在4000rpm条件下沉淀10min，取清液与剩余活性污泥以V/V＝1:4混合，灭菌处理；发酵液中加入4倍体积蒸馏水稀释，2000rpm离心10min收集上清液，将上清液采用旋转蒸发器在40℃条件下浓缩至0.5倍体积，浓缩液中加入2倍体积的冰浴丙酮(含0.05％的β-巯基乙醇)，静置12h，4000rpm离心10min收集沉淀物，悬于含0.1％DTT的4℃预冷丙酮(三氯醋酸与丙酮体积比1:7配制)中，-20℃条件下静置30min后，4000rpm离心10min收集沉淀物，60℃真空干燥得到微生物絮凝剂。

2.微生物絮凝剂处理废水：

选取废水：废水含COD、氨氮、浊度分别为1000mg/L、600mg/L、160NTU。上述废水中阶段性投加微生物絮凝剂，首先在快速搅拌(150rpm)阶段投加10mg/L微生物絮凝剂，快速搅拌2min后，进行慢速搅拌(60rpm)，分别在慢速搅拌开始、开始后1min、3min、5min、8min投加5mg/L微生物絮凝剂，慢速搅拌共计20min，静沉15min。经过该微生物絮凝剂处理后，上述废水中含有的COD、氨氮、浊度分别降低至112mg/L、52mg/L、15.4NTU。

3.微生物絮凝剂改善污泥脱水性能：

选取城市污水处理厂污泥浓缩池污泥：污泥的含水率和比阻分别为98.6％、2.9×10¹³m/kg，污泥上清液中COD和氨氮的含量分别为468mg/L、156mg/L。上述污泥中阶段性投加微生物絮凝剂，首先在快速搅拌(200rpm)阶段投加2.0g/L微生物絮凝剂，快速搅拌2min后，进行慢速搅拌(50rpm)，分别在慢速搅拌开始、开始后1min、3min、5min、10min投加0.8g/L微生物絮凝剂，慢速搅拌共计30min，静沉40min。经过该微生物絮凝剂处理后，上述污泥的含水率和比阻分别为76.4％、1.5×10¹³m/kg，污泥上清液中COD和氨氮的含量分别降低至48mg/L、19mg/L。

4.微生物絮凝剂絮凝高岭土悬液：

将微生物絮凝剂、1％(W/V)的氯化钙溶液与4g/L的高岭土悬液按1mg:2.5mL:100mL的比例混合，180rpm搅拌1min，40rpm搅拌4min，静置10min后，检测絮凝率，达到97.2％。

5.微生物絮凝剂的温度和pH适应范围：

将13份相同的发酵液(离心后的上清液)分别置于4、10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、110、120℃环境中30min后，分别与1％(W/V)的氯化钙溶液与4g/L的高岭土悬液按1:2.5:100的体积比混合，180rpm搅拌1min，40rpm搅拌4min，静置10min后，检测絮凝率，发现除了4℃和10℃条件下，絮凝率低于60％(分别为23.8％和52.4％)，在其它温度条件下，絮凝率均高于86％，由此可见，本发明制备的微生物絮凝剂具有良好的耐热性能(微生物絮凝剂存在于上清液中)。

将13份相同的高岭土悬液置于4、10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、110、120℃环境中30min后，将微生物絮凝剂、1％(W/V)的氯化钙溶液与4g/L的高岭土悬液按1mg:2.5mL:100mL的比例混合，180rpm搅拌1min，40rpm搅拌4min，静置10min后，检测絮凝率，发现除了4℃和10℃的高岭土悬液的絮凝率低于60％(分别为15.2％和43.6％)，在其它温度条件下，絮凝率均高于80％，由此可见，本发明制备的微生物絮凝剂的适用温度范围为20～120℃，具有较好的温度适应条件。

调节11份相同的高岭土悬液的pH值分别为2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12，将微生物絮凝剂、1％(W/V)的氯化钙溶液与4g/L的高岭土悬液按1mg:2.5mL:100mL的比例混合，180rpm搅拌1min，40rpm搅拌4min，静置10min后，检测絮凝率，发现除了pH＝2和pH＝12条件下，絮凝率低于60％(分别为26.5％和54.7％)，在其它pH条件下，絮凝率均高于80％，由此可见，本发明制备的微生物絮凝剂的适用pH范围为3～11，具有较宽的酸碱适应范围。

Claims

1.一种微生物絮凝剂制备方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)制备微生物絮凝剂的菌株为红球菌和芽孢杆菌中的至少一种；

(2)菌株的种子培养：将菌株从保藏培养基接种到种子培养基中，于32～35℃、130～150rpm的条件下培养6～24h，获得种子液；

(3)发酵培养基的制备：农作物秸秆与重量百分比浓度1.2～1.8％的硫酸以W/V＝1:5～1:8混合浸泡1～2h，在4000～6000rpm条件下沉淀10～20min，取清液与剩余活性污泥以V/V＝1:4～1:8混合，混合液灭菌处理得到发酵培养基；

(4)发酵液的制备：将步骤(2)得到的种子液按重量百分比浓度0.5～1.0％接种至发酵培养基，在25～28℃、100～120rpm的条件下发酵培养，发酵培养6～12h后，补充0.2～0.5g/L的K₂HPO₄和0.1～0.2g/L的KH₂PO₄，继续发酵6～12h，补充100～200mL/L灭菌后的活性污泥，继续发酵18～24h，得到发酵液；

(5)微生物絮凝剂的提取：步骤(4)得到的发酵液经浓缩后加冰浴丙酮沉淀得到沉淀物微生物絮凝剂。

2.根据权利要求1所述微生物絮凝剂制备方法，其特征在于：所述种子培养基成分是：蛋白胨2～5g/L，酵母粉2～5g/L，牛肉膏1～2g/L，NaCl 3～5g/L，培养基pH＝6.5～7.5。

3.根据权利要求1所述微生物絮凝剂制备方法，其特征在于：所述微生物絮凝剂的提取是在步骤(4)得到的发酵液中加入2～4倍体积蒸馏水稀释，2000～3000rpm离心10～20min收集上清液，将上清液采用旋转蒸发器在40～50℃条件下浓缩至0.3～0.5倍体积，浓缩液中加入1～2倍体积的冰浴丙酮，静置6～12h，4000～5000rpm离心10～20min收集沉淀物，悬于含重量百分比浓度0.1～0.2％的DTT并于4℃预冷的丙酮中，然后在-15～-20℃条件下静置30min～50min后，4000～5000rpm离心10～20min收集沉淀物，40～60℃真空干燥得到微生物絮凝剂。

4.一种微生物絮凝剂的应用，其特征在于：将权利要求1至3任一项所述微生物絮凝剂应用于废水中COD、氨氮、浊度的去除，首先将需处理废水在120～150rpm条件下搅拌并按废水体积投加10～15mg/L的微生物絮凝剂，搅拌2～5min后，以40～60rpm搅拌，并在搅拌开始、开始后1～2min、3～4min、5～7min、8～10min分别按废水体积均投加5～8mg/L微生物絮凝剂，搅拌共计20～30min，静沉10～15min。

5.一种微生物絮凝剂的应用，其特征在于：将权利要求1至3任一项所述微生物絮凝剂应用于提高污泥脱水效率，首先将需处理含废水污泥在180～240rpm条件下搅拌并按含废水污泥体积投加1.0～2.0g/L的微生物絮凝剂，搅拌2～5min后，以40～50rpm搅拌，并在搅拌开始、开始后1～2min、3～4min、5～7min、8～10min分别按含废水污泥体积均投加0.5～0.8g/L微生物絮凝剂，搅拌共计20～30min，静沉30～40min。