CN106987517A - 一种VOCs降解菌群快速驯化富集的系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种VOCs降解菌群快速驯化富集的系统及方法。本发明VOCs降解菌群快速驯化富集的系统包括：通过管线依次连接的进气装置、气体混合装置、过滤装置、培养生产装置和尾气处理装置。本发明通过持续通入混合VOCs气体，可在较短时间内获得VOCs降解菌群，具有驯化时间短，菌群结构合理等优点，可直接用于扩大生产和工程设备，同时本发明还可实时检测和评估菌群对VOCs废气的净化效果，提高富集效率，是一种实用的VOCs废气降解菌富集筛选方法。

Description

一种VOCs降解菌群快速驯化富集的系统及方法
技术领域
本发明属工业废气处理技术领域，更具体地说，本发明涉及一种通过快速驯化富集VOCs降解菌群的系统和方法。
背景技术
工业排放是大气挥发性有机物(Volatile organic compounds,VOCs)的重要源之一。工业源VOCs来源广泛，种类繁多，排放量巨大。长期暴露于VOCs污染的空气，人体呼吸系统、生殖系统、免疫系统以及中枢神经系统均会受到严重损害，部分VOCs还具有三致作用。此外，VOCs也是近地层大气臭氧和PM2.5生成的主要前体物质。近年来国内频发的大面积灰霾天气已经引起各方严重关注，一系列行业排放标准和防治政策相继出台，环保督查力度逐步增强，企业面临的环保压力也越来越大。
生物过滤法是一种有效的VOCs废气治理方法，具有治理成本低、常温常压运行、管理简便等特点。生物过滤器去除VOCs主要依赖于微生物的降解作用，不同种群的微生物附着于填料表面，形成生物膜。废气经过填料床层时，气相中的VOCs被菌体细胞吸收后降解或转化为简单的无机物，如CO2、H2O等。因此，生物过滤法治理VOCs废气还具有环保、无二次污染的优势。但是，由于工业VOCs废气成分复杂，各成分物化特性差异较大，存在难以同时去除的问题。通过使用微生物菌群，利用菌株间的协同代谢能力，可以显著提高复杂VOCs废气的生物净化效率。因此，如何获得具有协同作用的菌群是强化生物净化能力的关键所在。
发明内容
本发明的目的在于：克服现有技术中存在的上述不足，提供一种可在短时间内驯化富集VOCs降解菌群的系统及方法。
为了实现上述发明目的，本发明提供了一种VOCs降解菌群快速驯化富集的系统，其包括：通过管线依次连接的进气装置、气体混合装置、过滤装置、培养生产装置和尾气处理装置；其中，进气装置用于将空气与VOCs注入系统，气体混合装置用于将空气与VOCs混合并预平衡，过滤装置用于将空气与VOCs的混合气体过滤除菌，培养生产装置用于培养净化VOCs的降解菌群，尾气处理装置用于将经降解菌群净化后的尾气进行吸附，使其达标后无害化排放。
作为本发明VOCs降解菌群快速驯化富集的系统的一种改进，所述进气装置中还设置有用于调节气体流速的装置，可以调节VOCs浓度和组成，实现特定类型工业VOCs的模拟。
作为本发明VOCs降解菌群快速驯化富集的系统的一种改进，所述培养生产装置中还设置有搅拌器，使混合气体中的VOCs、氧气与培养液充分接触。
作为本发明VOCs降解菌群快速驯化富集的系统的一种改进，所述培养生产装置中还设置有用于保持进气均匀的多孔筛板。
作为本发明VOCs降解菌群快速驯化富集的系统的一种改进，所述尾气处理装置中设有活性炭。
作为本发明VOCs降解菌群快速驯化富集的系统的一种改进，所述系统还包括培养基配送与排液系统，培养基配送与排液系统与培养生产装置通过管道连接，用于注入和更换培养基。
为了实现上述发明目的，本发明还提供了一种快速驯化富集培养VOCs降解菌群的方法，其包括如下步骤：
(1)从工业污水站采集新鲜活性污泥，去除其中的杂物后，接种至液体培养基C0中，放入培养生产装置中进行菌群富集；
(2)将空气和VOCs废气注入系统，通过气体混合装置将空气和VOCs废气混合得到混合VOCs气体，再通过除菌装置将混合VOCs气体过滤除菌；
(3)将步骤(2)经过滤除菌的混合VOCs气体通入培养生产装置中，观察菌群的富集情况，待液体培养基C0中的培养液浑浊时更换新鲜的液体培养基C0，每次更换时，通入的经过滤除菌的混合VOCs气体的总浓度增加20％，连续更换4～6次；
(4)将液体培养基C0更换为新鲜的培养基C1，通入混合VOCs气体，以VOCs检测仪检测进气装置入口处和尾气处理装置出口处的VOCs浓度，当VOCs去除效率为90％以上，完成VOCs降解菌群的富集；
其中，所述液体培养基C0包括如下组分：NH4Cl 2～4g/L、KH2PO4 0.7～1.4g/L、Na2HPO4 2.0～4.0g/L、MgSO4·7H2O 0.1g/L、NaCl 0.2g/L、CaSO4 0.05g/L、FeCl3·6H2O0.2～0.4mg/L、NaMoO4 0.2～0.5mg/L、MnCl2·4H2O 0.2～0.4mg/L、CuCl2·2H2O 0.2mg/L、ZnSO4 0.2mg/L、H3BO3 0.3mg/L和CoCl2·6H2O 0.4mg/L；
所述培养基C1包括如下组分：NH4Cl 2g/L、KH2PO4 0.7～1.4g/L、Na2HPO4 2.0～4.0g/L、MgSO4·7H2O 0.1g/L、NaCl 0.2g/L、CaSO4 0.05g/L。
作为本发明快速驯化富集培养VOCs降解菌群的方法的一种改进，所述活性污泥的采集量为100ml以上，且污泥浓度不低于100mg/L。
作为本发明快速驯化富集培养VOCs降解菌群的方法的一种改进，所述接种的接种量为1％。
为了实现上述发明目的，本发明还提供了一种VOCs降解菌群，由上述快速驯化富集培养VOCs降解菌群的方法制得。
相对于现有技术，本发明具有如下优点：
本发明设计了一种快速驯化和富集VOCs降解菌群的系统，利用该系统，持续通入混合VOCs废气，可在较短时间内获得VOCs降解菌群，与常规的摇瓶培养和筛选的方法相比，本发明具有时间短，菌群结构合理等优点，可直接用于扩大生产和工程设备，同时本发明还可实时检测和评估菌群对VOCs废气的净化效果，及时调整富集菌群的VOCs浓度和富集时间，提高净化效率，是一种快速富集筛选VOCs降解菌的实用方法。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式，对本发明快速驯化和富集VOCs降解菌群的系统和方法以及有益效果进行详细说明。
图1为本发明快速驯化和富集VOCs降解菌群的系统的结构示意图。
附图标记说明：10-进气装置；12-气体混合装置；14-过滤装置；16-培养生产装置；18-尾气处理装置；20-培养基配送与排液系统；100-调节阀；102-进气检测口；160-搅拌器；162-多孔筛板；164-检测口；180-出气检测口。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和有益技术效果更加清晰，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解的是，本说明书中描述的实施例仅仅是为了解释本发明，并非为了限定本发明，实施例的参数、比例等可因地制宜做出选择而对结果并无实质性影响。
以下实施例中使用的液体培养基C0包括：NH4Cl 2～4g/L、KH2PO4 0.7～1.4g/L、Na2HPO4 2.0～4.0g/L、MgSO4·7H2O 0.1g/L、NaCl 0.2g/L、CaSO4 0.05g/L、FeCl3·6H2O0.2～0.4mg/L、NaMoO4 0.2～0.5mg/L、MnCl2·4H2O 0.2～0.4mg/L、CuCl2·2H2O 0.2mg/L、ZnSO4 0.2mg/L、H3BO3 0.3mg/L和CoCl2·6H2O 0.4mg/L；培养基C1包括：NH4Cl 2g/L、KH2PO40.7～1.4g/L、Na2HPO4 2.0～4.0g/L、MgSO4·7H2O 0.1g/L、NaCl 0.2g/L、CaSO4 0.05g/L。
请参见图1，本发明VOCs降解菌群快速驯化富集的系统，包括：通过管线依次连接的进气装置10、气体混合装置12、过滤装置14、培养生产装置16和尾气处理装置18；其中，进气装置10用于将空气与VOCs注入系统，气体混合装置12用于将空气与VOCs混合并预平衡，过滤装置14用于将空气与VOCs的混合气体过滤除菌，培养生产装置16用于培养净化VOCs的降解菌群，尾气处理装置18用于将经降解菌群净化后的尾气进行吸附，使其达标后无害化排放。
本发明VOCs降解菌群快速驯化富集的系统是按照如下方式工作的：
(1)从工业污水站采集新鲜活性污泥，去除其中的杂物后，接种至液体培养基C0中，放入培养生产装置16中进行菌群富集；
(2)空气和VOCs分别通过进气装置10进入系统，在气体混合装置12中混合成为混合VOCs气体，混合VOCs气体通过过滤装置14除菌后进入培养生产装置；
(3)观察培养生产装置16中菌群的富集情况，待液体培养基C0中的培养液浑浊时(当透光度下降至原来的1/5)更换新鲜的液体培养基C0，每次更换时，通入的经过滤除菌的混合VOCs气体的总浓度增加20％，连续更换4～6次；
(4)检验菌群活性，具体为：将培养基C0更换为新鲜的培养基C1培养菌群，同时通入混合VOCs气体，混合VOCs气体的浓度可以为步骤(3)菌群培养阶段时通入混合VOCs气体的最大浓度，通气方式可以是间歇式通气或者持续通气；使用便携式VOCs检测仪检测系统进气检测口102、培养生产装置入口处的检测口164和尾气的出气检测口180的VOCs浓度，当去除效率达到90％以上时，可认为完成菌群的富集筛选；去除效率低于90％时，重复步骤(1)～(3)，直至去除效率达到90％以上；
(5)混合VOCs气体经过培养生产装置16的降解菌群的处理，VOCs被降解或转化成简单无机物，再进入尾气处理装置18处理达到排放标准后排放到外界。
需要说明的是，本发明培养生产装置16可以为一个或多个，多个培养生产装置16可提高菌群培养效率。菌群活性验证可通过人工取出菌群进行验证或其它可行的方式完成。本发明混合VOCs气体可以直接使用工厂排放的气体，但因为工厂排放气体成分不稳定，不利于培养菌群，因此优选为根据工厂生产和排放废气特点，对其中VOCs进行模拟人工合成，菌群验证阶段则可以采用工厂实际排放的VOCs气体。
在本发明VOCs降解菌群快速驯化富集的系统的一个较优选实施例中，在进气装置10中还可以设置调节阀100，用于调节气体流速以及VOCs浓度和组成，更好的实现特定类型工业VOCs废气的模拟。
在本发明VOCs降解菌群快速驯化富集的系统的一个较优选实施例中，培养生产装置16的底部还设置有搅拌器160，VOCs混合气体进入培养生产装置16后，通过搅拌器160可使VOCs混合气体与培养生产装置16内的培养液更加充分地接触。
在本发明VOCs降解菌群快速驯化富集的系统的一个较优选实施例中，培养生产装置16中还设置有用于保持进气均匀的多孔筛板162，多孔筛板162内设置有活性炭层。
在本发明VOCs降解菌群快速驯化富集的系统的一个较优选实施例中，尾气处理装置18中设有活性炭，用于吸附气体中的杂质使其达到排放标准。
在本发明VOCs降解菌群快速驯化富集的系统的一个较优选实施例中，还可以在原有系统的基础上增加培养基配送与排液系统20，使其通过管道与培养生产装置16连接，便于培养基的注入和更换。
实施例1油漆涂料废气降解菌群的富集筛选
从油漆涂料生产企业的污水站取新鲜活性污泥100mL，加入玻璃珠，涡旋震荡30min。取1mL污泥悬浮液接种至含有100mL灭菌富集液体培养基C0的VOCs降解菌群快速驯化富集的系统中，培养生产装置的底部放有磁力搅拌器，pH控制为7.2，温度为30℃。
通过气相法测定油漆涂料生产车间排放气体的组成，确定其中的主要气体成分由甲苯、乙苯、二甲苯、乙酸乙酯、乙酸丁酯和甲基乙基酮组成，各组分浓度为甲苯30-50mg/m3，乙苯10-30mg/m3，二甲苯50-70mg/m3，乙酸乙酯4-10mg/m3，乙酸丁酯40-60mg/m3，甲基乙基酮10-30mg/m3。可以将进气装置分为两条管路，一条用于通空气，一条用于通VOCs气体；将上述模拟VOCs的溶剂混合后，储存于注射器中，注射器置于微量注射泵中，注射器连接至其中一条用于通VOCs气体的管路，调节注射速率为0.1-1μL/min，使注射器中储存的混合溶剂缓慢进入用于通VOCs气体的管路，与另一条用于通空气的管路合并进入气体混合装置(如混合罐)，在混合罐中平衡并均匀混合后，形成混合VOCs气体。调节气体流速为3-6L/min。
混合VOCs气体经过滤装置除菌后，进入培养装置进行菌群培养，搅拌装置的搅拌速度控制在60rpm。进气和尾气管连接便携式VOCs仪检测VOCs浓度变化。培养3天后，取1mL菌液转接至新的培养基中继续培养。每次培养，进气VOCs总浓度增加20％，转接约5次后获得能有效处理油漆涂料废气的降解菌群，对上述混合VOCs各成分的去除率达到90％以上，获得有效降解菌群。表1显示培养所获得菌群对混合VOCs的降解能力，除了二甲苯为91％外，其余均达到95％以上(表1)。
表1降解菌群对油漆涂料废气各成分的去除率
组分 去除率(％)
甲苯 98
乙苯 95
二甲苯 91
乙酸乙酯 99
乙酸丁酯 99
甲基乙基酮 99
实施例2石油降解菌群的富集筛选
从石化厂污水处理站取新鲜活性污泥500mL，经过前处理去除杂物后，加入玻璃珠，涡旋震荡30min。取5mL污泥悬浮液接种至含有300mL灭菌富集液体培养基，置入本发明VOCs降解菌群快速驯化富集的系统中，培养装置底部放有磁力搅拌器，pH控制为7.2，温度为30℃。
用注射器取车用汽油10mL，注射器置于微量注射泵中。空气压缩机储气罐提供空气，分为两条管路，其中一条管路连接注射器。微量注射泵以0.1-1μL/min的注射速率将汽油注射进入空气管路。两条气体管路合并后进入混合装置(混合罐)，平衡并混合均匀后引入培养生产装置，开始驯化菌群。待培养液浑浊后，取1mL菌液转接至100mL新鲜培养基继续培养，每次转接时增加气体浓度约20％。利用便携式VOCs仪，实时检测VOCs浓度变化，待总烃去除率大于90％时，完成驯化。
根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行适当的变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (10)

1.一种VOCs降解菌群快速驯化富集的系统，其特征在于，包括通过管线依次连接的进气装置、气体混合装置、过滤装置、培养生产装置和尾气处理装置；其中，进气装置用于将空气与VOCs注入系统，气体混合装置用于将空气与VOCs均匀混合并预平衡，过滤装置用于将空气与VOCs的混合气体过滤除菌，培养生产装置用于培养净化VOCs的降解菌群，尾气处理装置用于将经降解菌群净化后的尾气进行吸附，使其达标后无害化排放。
2.根据权利要求1所述的VOCs降解菌群快速驯化富集的系统，其特征在于，所述进气装置中还设置有用于调节气体流速的装置。
3.根据权利要求1所述的VOCs降解菌群快速驯化富集的系统，其特征在于，所述培养生产装置中还设置有搅拌器。
4.根据权利要求1所述的VOCs降解菌群快速驯化富集的系统，其特征在于，所述培养生产装置中还设置有用于保持进气均匀的多孔筛板。
5.根据权利要求1所述的VOCs降解菌群快速驯化富集的系统，其特征在于，所述尾气处理装置中设有活性炭。
6.根据权利要求1所述的VOCs降解菌群快速驯化富集的系统，其特征在于，所述系统还包括培养基配送与排液系统，培养基配送与排液系统与培养生产装置通过管道连接，用于注入和更换培养基。
7.一种快速驯化富集培养VOCs降解菌群的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)从工业污水站采集新鲜活性污泥，去除其中的杂物后，接种至液体培养基C0中，放入培养生产装置中进行菌群富集；
(2)将空气和VOCs废气注入系统，通过气体混合装置将空气和VOCs废气均匀混合得到混合VOCs气体，再通过除菌装置将混合VOCs气体过滤除菌；
(3)将步骤(2)经过滤除菌的混合VOCs气体通入培养生产装置中，观察菌群的富集情况，待液体培养基C0中的培养液浑浊时更换新鲜的液体培养基C0，每次更换时，通入的经过滤除菌的混合VOCs气体的总浓度增加20％，连续更换4～6次；
(4)将液体培养基C0更换为新鲜的培养基C1，通入混合VOCs气体，以VOCs检测仪检测进气装置入口处和尾气处理装置出口处的VOCs浓度，当VOCs去除效率为90％以上，完成VOCs降解菌群的富集；
其中，所述液体培养基C0包括如下组分：NH4Cl 2～4g/L、KH2PO4 0.7～1.4g/L、Na2HPO42.0～4.0g/L、MgSO4·7H2O 0.1g/L、NaCl 0.2g/L、CaSO4 0.05g/L、FeCl3·6H2O 0.2～0.4mg/L、NaMoO4 0.2～0.5mg/L、MnCl2·4H2O 0.2～0.4mg/L、CuCl2·2H2O 0.2mg/L、ZnSO40.2mg/L、H3BO3 0.3mg/L和CoCl2·6H2O 0.4mg/L；
所述培养基C1包括如下组分：NH4Cl 2g/L、KH2PO4 0.7～1.4g/L、Na2HPO4 2.0～4.0g/L、MgSO4·7H2O 0.1g/L、NaCl 0.2g/L、CaSO4 0.05g/L。
8.根据权利要求7所述的快速驯化富集培养VOCs降解菌群的方法，其特征在于，所述活性污泥的采集量为100ml以上，且污泥浓度不低于100mg/L。
9.根据权利要求7所述的快速驯化富集培养VOCs降解菌群的方法，其特征在于，所述接种的接种量为1％。
10.一种VOCs降解菌群，其特征在于，由权利要求7～9中任意一条权利要求所述快速驯化富集培养VOCs降解菌群的方法制得。
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