CN107473404A - 一种自成型块状碳载体固定微生物的净水剂及其制备方法 - Google Patents

一种自成型块状碳载体固定微生物的净水剂及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于生物活性炭及生物净水剂技术领域，具体涉及一种自成型块状碳载体固定微生物的净水剂及其制备方法。将自成型块状多孔碳置于培养基中，同时将复合菌株接种至培养基，经振荡共培养、烘干后，制得微生物净水剂；由于是在碳载体的合成过程中形成了多孔块状体，该微生物净水剂省去了碳载体压制成型的工艺，简化了流程、节约了成本，同时自成型块状碳具有亲水性，在与微生物共培养过程中有增强了微生物的吸附固定，且具有吸附与降解的双重净化作用、效果稳定且易于沉淀和处理等优点，非常适用于养殖厌氧污水的规模化处理。

Description

一种自成型块状碳载体固定微生物的净水剂及其制备方法
技术领域
本发明属于生物活性炭及生物净水剂技术领域，具体涉及一种自成型块状碳载体固定微生物的净水剂及其制备方法。
技术背景
畜牧业规模化发展中，统一的管理，降低了成本，提高了经济效益，但大量集中的污水排放引起的严重环境污染，急需治理。国内外对养殖污水处理方式主要有资源化利用和达标排放两大类，归纳为还田模式、自然处理模式及工业化处理3种模式，它们各有优缺点。我国养殖污水处理的目的是控制、减少其造成的危害，开展综合利用，最终实现减量化、资源化、无害化和达标排放的目标，减少对作物土壤质量和作物品质的影响，降低对水体、土壤环境和气候环境的潜在污染风险。
近年来研究者们针对农业环境污染物的性质特征，对养殖污水的处理方法和工艺都进行了较系统的研究，分别利用了化学方法和生物方法对氮、磷、重金属离子及有机物分子进行吸附、分离及生物/化学降解，单一的处理方式一定程度上实现了减量化和资源化的目标，但很难达到完全无害化和国家排放标准。在研究过程中，活性炭通常被用作污水污染物的吸附剂，它对于污水的色度和浊度都能有所改观，同时含有大孔、中孔及微孔结构，故对于小分子和重金属离子也会发生吸附作用。公布号为CN 104261570 A的专利公开了一种畜禽养殖厌氧污水净化剂，由复合微生物菌株与活性炭载体组成，所述活性炭载体为煤质柱状活性炭，是以2-10目的煤质活性炭经过定型制成的实心圆柱状活性炭。所用的煤质活性炭以及市售的碳材料（活性炭AC、碳纳米管CNT、石墨GC等）有着诸多优点，如孔隙度高、比表面大、稳定性好、无毒无污染-环境友好等；但其表面官能团较少，不含亲水性基团（-COOH、-OH），故在水中分散性较差，阻碍了与污水中污染物的充分接触，而且与含氢键及孤电子对的氮磷物质很难发生静电相互作用，不能完全发挥碳基载体对污染物的吸附作用，因此对碳材料的表面亲/疏水性的调控是显得非常必要。目前常用的方法是使用浓酸（浓HNO3、浓H2SO4）使惰性的炭表面活化并使表面炭氧化形成含氧官能团（-COOH、-OH、-C=O），同时产生有污染的氮氧化物及硫氧化物，且反应条件苛刻、反应容器要求耐浓酸，在实际操作及应用过程中存在诸多不足。并且活性炭粉末在使用过程中，通常需要压制成不同形状的载体，再与微生物结合形成菌碳净水剂，才能在污水处理之后进行净水剂的回收与再利用。本申请中的碳在生长过程中已自成型为颗粒状，适合直接运用微生物固定化技术将微生物定植于碳载体上，省去了碳载体压制成型的工艺，简化了流程、节约了成本。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种自成型块状碳载体固定微生物的净水剂及其制备方法。该微生物净水剂省去了碳载体压制成型的工艺，简化了流程、节约了成本，含亲水性官能团的碳载体有利于微生物菌株的吸附固定，且具有碳吸附与生物降解的双重净化作用、效果稳定且易于沉淀和处理等优点，非常适用于养殖厌氧污水的规模化处理。
为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
一种自成型块状碳载体固定微生物的净水剂：将自成型块状多孔碳置于牛肉膏蛋白胨培养基中，同时将复合菌株接种至牛肉膏蛋白胨培养基中，经振荡共培养、烘干后，制得净水剂；所述的自成型块状多孔碳的制备方法为：
（1）将20g C6H 6 O6和6g CO(NH)2，溶于50-80 ml水中，置于200 ml反应釜内，反应温度为180℃，反应时间为24-48小时，生成块状碳前驱体；
（2）将块状碳前驱体依次经无水乙醇、水洗涤后，于80℃干燥12h得块粒状碳前驱体A；
（3）将块状碳前驱体A置于300℃马弗炉中煅烧2h，得自成型块状多孔碳。
所述的牛肉膏蛋白胨培养基的配方为：牛肉膏5g，蛋白胨10g，NaCl 5g，蒸馏水1000 mL，pH 7.4。
一种制备如上所述的自成型块状碳载体固定微生物的净水剂的方法：把10g自成型块状碳载体加入到50-150ml牛肉膏蛋白胨培养基中，将脱氮假单胞杆菌Pseudomonas denitrificans、枯草芽胞杆菌枯草亚种Bacillus subtilis subsp. Subtilis、小球藻Chlorella vulgaris、脱氮硫杆菌Thiobacillus denitrificans、巨大芽孢杆菌Bacillus amyloliquefaciens按质量比为：4:5:2:1:2接种至牛肉膏蛋白胨培养基中，复合菌株接种量为1-2 %，在4℃、150 rpm条件下振荡共培养48~72h，最后捞出碳载体置于4℃的恒温箱里烘干，即制得菌碳净水剂，碳载体上有效活菌数为8×108~5×109 CFU/g，菌碳结合率达到98.0%。
一种如上所述的自成型块状碳载体固定微生物的净水剂在处理养殖厌氧污水方面的应用。
在自成型块状碳载体与微生物共培养过程中，革兰氏阴性菌（亲水性）因细胞表面成份主要为脂多糖类而显电正性，如脱氮硫杆菌/施氏假单胞菌由于表面显电正性，通过静电相互作用吸附固定于带负电基团的碳载体上；革兰氏阳性菌（疏水性）如小球藻/芽孢杆菌的细胞壁由一层厚而致密的5个甘氨酸交联的肽聚糖和磷壁酸组成，表面显负电性，在培养生长早期可利用其疏水性在营养液中扩散，获得多种资源以满足增殖需求，在生长进程中微生物疏水性下降使其可在水体自由浮游而免受环境胁迫，提高存活能力，进入生长后期微生物亲水性进一步增加，便于吸附固定于带负电基团的亲水性碳载体上，由此可见含亲水性官能团的碳载体有利于微生物菌株的吸附固定。
上述原料中采用的菌种可以由本领域技术人员通过常规菌种鉴定分离方法方便地从自然界分离得到的，或通过商业渠道公开购买的菌种。本发明采用的菌种可从中国微生物菌种网- 北京北纳创联生物技术研究院等供应商处购买获得。
上述菌种根据现有常规方法培养：
Ⅰ脱氮假单胞杆菌的培养基：葡萄糖20g，(NH4)2HPO4 1.5g，，MnSO4·7H2O 0.1g，ZnSO4·7H2O 0.1g， (NH4)2SO4 0.25g，蒸馏水1000 mL，pH值7.0；
Ⅱ 枯草芽孢杆菌枯草亚种的培养基：蛋白胨 5.0g，牛肉膏 10g，酵母膏 5.0g，葡萄糖5.0g，NaCl 5.0g，蒸馏水1000 mL，pH 7.0。
Ⅲ 小球藻常用培养液配方： NH4NO3 50-100 mg，K2HPO4 5 mg，FeC6H5O7 0.1-0.5mg，海水 1000 mL。
Ⅳ 脱氮硫杆菌的培养基：Na2 S2O3·5H2O 5g， KNO3 2g，KH2PO4 2g，NaHCO3 1g，MgCl2·6H2O 0.5g，FeSO4·7H2O 0.01g， NH4Cl 0.5g，蒸馏水1000 mL。
Ⅴ 巨大芽孢杆菌的培养基：葡萄糖 10g，蛋白胨 10g，酵母浸粉 5g，NaCl 5g，MgSO4·7H2O 0.2g，MgSO4·H2O 0.2g，CaCO3 0.2g，蒸馏水1000 mL，调 pH 7.0。
本发明的有益效果在于：
1）本发明的碳载体采用了有机化合物为原料，运用低温（180℃）水热法制备的碳表面有含氧官能团（-OH、-COOH等），这种载体碳表面的带电性基团与水中的氢质子/氢氧负离子发生静电相互作用，使碳载体与水有了更好的相溶性，克服了一般炭载体的疏水性问题，使大比表面积的碳载体与污染物之间的接触性更好，同时载体碳表上的带电性基团会与氮磷物质中的孤对电子发生静电作用，提高了污染物的吸附效率；
2）本发明是在碳载体的合成过程中形成了多孔块状体，该微生物净水剂省去了碳载体压制成型的工艺，简化了流程、节约了成本；
3）本发明将亲水性自成型块状碳载体与微生物共培养，有利于微生物菌株的吸附固定，提高了净水剂的吸附效率；
4）将本发明的自成型块状碳载体固定微生物的净水剂，投入到养殖厌氧污水中，净水剂可利用微生物中的氮磷菌降解污水中氨基酸、蛋白质等有机物，能去除污水中大部分的污染物，显著地降低污水指标，达到净化目的。
具体实施方式
为进一步公开而不是限制本发明，以下结合实例对本发明作进一步的详细说明。
一种自成型块状碳载体固定微生物的净水剂的制备方法，具体步骤为：
1、表面含亲水性官能团的碳基载体的制备
1）用水热法合成粉末碳材料：将 20克C6H 6O6（葡萄糖）和6克CO(NH)2（尿素），溶于50-80 ml水中，置于200 ml反应釜内，反应温度为180℃，反应时间为24-48小时，生成块粒状碳前驱体；
2）将上述块粒状碳前驱体用无水乙醇洗涤，除去不溶于水的有机杂质，然后离心分离得下层沉淀；取下层沉淀，用水洗涤，除去水溶性杂质，并至pH约为7，最后于80℃干燥过夜，得块粒状碳前驱体A；
3）将块粒状碳前驱体A样品置于300℃马弗炉中煅烧2h，得块状多孔碳材料B；
4）将上述块状多孔碳材料B作为微生物净水剂的碳载体。
2、把10g自成型块状碳载体加入到50-150m牛肉膏蛋白胨培养基中，将脱氮假单胞杆菌Pseudomonas denitrificans、枯草芽胞杆菌枯草亚种Bacillus subtilis subsp. Subtilis、小球藻Chlorella vulgaris、脱氮硫杆菌Thiobacillus denitrificans、巨大芽孢杆菌Bacillus amyloliquefaciens按质量比为：4:5:2:1:2接种至牛肉膏蛋白胨培养基中，复合菌株接种量为1-2 %，在4℃、150 rpm条件下振荡共培养48~72h，最后捞出碳载体置于4℃的恒温箱里烘干，即制得菌碳净水剂，碳载体上有效活菌数为8×108~5×109 CFU/g；4℃条件下保存的净水剂在使用前于常温下放置8-12小时恢复生物活性即可直接投放于污水。
实施例1
一种自成型块状碳载体固定微生物的净水剂的制备方法，具体步骤为：
1、表面含亲水性官能团的碳基载体的制备
1）用水热法合成粉末碳材料：将 20克C6H 6 O6（葡萄糖）和6克CO(NH)2（尿素），溶于60ml水中，置于200 ml反应釜内，反应温度为180℃，反应时间为32小时，生成块状碳前驱体；
2）将上述块状碳前驱体用无水乙醇洗涤，除去不溶于水的有机杂质，然后离心分离得下层沉淀；取下层沉淀，用水洗涤，除去水溶性杂质，并至pH约为7，最后于80℃干燥过夜，得块状碳前驱体A；
3）将块状碳前驱体A样品置于300℃马弗炉中煅烧2h，得块状多孔碳材料B；
4）将上述块状多孔碳材料B作为微生物净水剂的碳载体。
2、把10g自成型块状碳载体加入到150ml牛肉膏蛋白胨培养基中，将脱氮假单胞杆菌Pseudomonas denitrificans、枯草芽胞杆菌枯草亚种Bacillus subtilis subsp. Subtilis、小球藻Chlorella vulgaris、脱氮硫杆菌Thiobacillus denitrificans、巨大芽孢杆菌Bacillus amyloliquefaciens按质量比为：4:5:2:1:2接种至牛肉膏蛋白胨培养基中，复合菌株接种量为1%，在4℃、150 rpm条件下振荡共培养72h，最后捞出碳载体置于4℃的恒温箱里烘干，即制得菌碳净水剂，碳载体上有效活菌数为5×109 CFU/g，菌碳结合率为98.0%；4℃条件下保存的净水剂在使用前于常温下放置8-12小时恢复生物活性即可直接投放于污水。
实施例2
一种自成型块状碳载体固定微生物的净水剂的制备方法，具体步骤为：
1、表面含亲水性官能团的碳基载体的制备
1）用水热法合成粉末碳材料：将 20克C6H6O6（葡萄糖）和6克CO(NH)2（尿素），溶于50 ml水中，置于200 ml反应釜内，反应温度为180℃，反应时间为24小时，生成块状碳前驱体；
2）将上述块状碳前驱体用无水乙醇洗涤，除去不溶于水的有机杂质，然后离心分离得下层沉淀；取下层沉淀，用水洗涤，除去水溶性杂质，并至pH约为7，最后于80℃干燥过夜，得块状碳前驱体A；
3）将块状碳前驱体A样品置于300℃马弗炉中煅烧2h，得块状多孔碳材料B；
4）将上述块状多孔碳材料B作为微生物净水剂的碳载体。
2、把10g自成型块状碳载体加入到100 ml牛肉膏蛋白胨培养基中，将脱氮假单胞杆菌Pseudomonas denitrificans、枯草芽胞杆菌枯草亚种Bacillus subtilis subsp. Subtilis、小球藻Chlorella vulgaris、脱氮硫杆菌Thiobacillus denitrificans、巨大芽孢杆菌Bacillus amyloliquefaciens按质量比为：4:5:2:1:2接种至牛肉膏蛋白胨培养基中，复合菌株接种量为2%，在4℃、150 rpm条件下振荡培养60h，最后捞出碳载体置于4℃的恒温箱里烘干，即制得菌碳净水剂，碳载体上有效活菌数为1×109 CFU/g，菌碳结合率为97.7%；4℃条件下保存的净水剂在使用前于常温下放置8小时恢复生物活性即可直接投放于污水。
实施例3
一种自成型块状碳载体固定微生物的净水剂的制备方法，具体步骤为：
1、表面含亲水性官能团的碳基载体的制备
1）用水热法合成粉末碳材料：将 20克C6H 6 O6（葡萄糖）和6克CO(NH)2（尿素），溶于80ml水中，置于200 ml反应釜内，反应温度为180℃，反应时间为48小时，生成块状碳前驱体；
2）将上述块状碳前驱体用无水乙醇洗涤，除去不溶于水的有机杂质，然后离心分离得下层沉淀；取下层沉淀，用水洗涤，除去水溶性杂质，并至pH约为7，最后于80℃干燥过夜，得块状碳前驱体A；
3）将块状碳前驱体A样品置于300℃马弗炉中煅烧2h，得块状多孔碳材料B；
4）将上述块状多孔碳材料B作为微生物净水剂的碳载体。
2、把10g自成型块状碳载体加入到50 ml牛肉膏蛋白胨培养基中，将脱氮假单胞杆菌Pseudomonas denitrificans、枯草芽胞杆菌枯草亚种Bacillus subtilis subsp. Subtilis、小球藻Chlorella vulgaris、脱氮硫杆菌Thiobacillus denitrificans、巨大芽孢杆菌Bacillus amyloliquefaciens 按质量比为：4:5:2:1:2接种至牛肉膏蛋白胨培养基中，复合菌株接种量为2%，在4℃、150 rpm条件下振荡共培养48h，最后捞出碳载体置于4℃的恒温箱里烘干，即制得菌碳净水剂，碳载体上有效活菌数为8×108CFU/g，菌碳结合率为97.3%；4℃条件下保存的净水剂在使用前于常温下放置12小时恢复生物活性即可直接投放于污水。
对比例1
与实施例1 基本相同，制得自成型块状碳载体固定微生物的净水剂，区别仅在于步骤1中制备的碳载体不同，对比例1中为市面上出售的柱状活性炭载体（比表面约1100 m2/g，孔容积为0.75 cm3/g）。
净水剂性能测试：
一、市售不同形状炭载体与自成型块状碳载体对污染物吸附效率对比
将不同形状的活性炭载体投放至养殖厌氧污水，对其吸附效果进行比较。分别称取100g各种形状的活性炭载体（即颗粒状煤质活性炭A、球状煤质活性炭B、圆柱状煤质活性炭C、自成型块状碳D），投入到10L的种猪养殖污水中，以未处理的养殖厌氧污水为对照，3.5d后分别测定其CODcr、BOD5、氨氮、总磷等技术指标，计算活性炭对养殖厌氧污水中各指标的吸附率。
实验结果见表1-1。从实验结果可以看出，前三者中圆柱状煤质活性炭对养殖厌氧污水的吸附能力较佳，其COD、BOD5、氨氮、总磷等吸附率都高于前两者；本专利中自成型块状碳吸附效果则优于A、B、C三者，且COD、BOD5、氨氮、总磷吸附率都有所提高，可见表面含氧官能团的自成型块状碳其对养殖厌氧污水污染物吸附去除效果优于市售的圆柱状活性炭。
表1-1 不同形状的炭载体对种猪养殖污水处理效果
二、取五个大小及水质完全相同的养殖厌氧污水水槽（10 L）进行测试，第一个投放实施例1制备的100 g微生物净水剂；第二个投放实施例2制备的100 g微生物净水剂；第三个投放实施例3制备的100 g微生物净水剂；第四个投放对比例1制备的100 g菌碳净水剂；第五个不投放任何净水剂，作为空白对照组。
3.5天后，对所有的养殖厌氧污水水槽进行水质测定。水质测量的依据为GB11607-89 中华人民共和国国家标准渔业水质标准和NY5051-2001 无公害食品淡水养殖用水水质，测定指标及数据如下表1-2、表1-3所示。
表1-2 3.5天后不同菌碳净化剂对污水指标浓度的作用效果
表1-3 3.5天后不同菌碳净化剂对污染物的去除效果
由表中数据可以看出，实施例1 的各项水质指标均优于实施例2、3及对比例1，更明显优于对照组。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭露的技术范围内，可不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种自成型块状碳载体固定微生物的净水剂，其特征在于：将自成型块状多孔碳置于牛肉膏蛋白胨培养基中，同时将复合菌株接种至牛肉膏蛋白胨培养基中，经振荡共培养、烘干后，制得净水剂；所述的自成型块状多孔碳的制备方法为：
（1）将20g C6H 6 O6和6g CO(NH)2，溶于50-80 ml水中，置于200 ml反应釜内，反应温度为180℃，反应时间为24-48小时，生成块状碳前驱体；
（2）将块状碳前驱体依次经无水乙醇、水洗涤后，于80℃干燥12h得块粒状碳前驱体A；
（3）将块状碳前驱体A置于300℃马弗炉中煅烧2h，得自成型块状多孔碳。
2.根据权利要求1所述的自成型块状碳载体固定微生物的净水剂，其特征在于：所述的牛肉膏蛋白胨培养基的配方为：牛肉膏5g，蛋白胨10g，NaCl 5g，蒸馏水1000 mL，pH 7.4。
3.一种制备如权利要求1或2所述的自成型块状碳载体固定微生物的净水剂的方法，其特征在于：把10g自成型块状碳载体加入到50-150ml牛肉膏蛋白胨培养基中，将脱氮假单胞杆菌Pseudomonas denitrificans、枯草芽胞杆菌枯草亚种Bacillus subtilis subsp. Subtilis、小球藻Chlorella vulgaris、脱氮硫杆菌Thiobacillus denitrificans、巨大芽孢杆菌Bacillus amyloliquefaciens按质量比为：4:5:2:1:2接种至牛肉膏蛋白胨培养基中，复合菌株接种量为1-2 %，在4℃、150 rpm条件下振荡共培养48~72h，最后捞出碳载体置于4℃的恒温箱里烘干，即制得菌碳净水剂，碳载体上有效活菌数为8×108~5×109 CFU/g。
4.一种如权利要求1或2所述的自成型块状碳载体固定微生物的净水剂在处理养殖厌氧污水方面的应用。
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