CN107746104B - 一种生物活性水及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于环境微生物及废水处理技术领域,具体涉及一种生物活性水及制备方法和应用。利用草炭土、膨润土、海藻酸钙、水泥、含芽孢杆菌制作含有细菌孢子的组合物。制作成品的组合物和浮石放入水中曝气制作成具有生物活性的水。活性水同时应用生物活性水技术处理高浓度有机废水,不仅效率高,而且不会产生二次污染,另外成本低,兼具经济效益与环保效益。
Description
技术领域
本发明属于环境微生物及废水处理技术领域,具体涉及一种生物活性水及制备方法和应用。
背景技术
我国是世界用水大国,也是全世界污水排放量最高的国家。在2016年中国城镇污水排放量达到318亿吨,较“十一五”期末增长114%。截止到2010年底,我国城乡的污水排放总量高达450.8亿吨。其中,657座城市污水排放总量为378.7亿吨,1633座县城污水排放总量为72.1亿吨。随着经济的发展,各类污染问题严重,其中水污染问题十分突出。众所周知,废水主要来源于工业、城市居民生活与农业三个方面,其中,工业和畜禽养殖产生的高浓度有机废水占据了废水中的绝大部分。高浓度有机废水一般是指化学需氧量(CODcr)在2000ppm以上的废水。高浓度有机废水对水体的污染范围广、程度深,且具有高危害性和难处理性,运用一般的废水处理方法难以净化完全且难以达到净化处理的要求,所以高浓度有机废水的净化处理是当前国内外环境研究和保护领域亟待解决的一个难题。
在日本RBS自然净化处理技术是模仿自然界的自净原理(艾海舰,刘翠英.生物活性水对堆肥腐熟过程的效应研究[J].西北农业学报,2006,15(5):258-260.),利用土壤微生物群的活动来达到有机物的分解,减少恶臭的目的。日本等国外一般是为了处理有机废水而应用并运行生物反应器。
国内有辽宁鞍山市种猪场废水(陈梅雪,杨敏,贺泓.日本畜禽产业排泄物处理与循环利用的现状与技术.环境污染治理技术与设备,2005,6(3):5-11.),吉林省长春市有机废弃物处理中心等城市应用生物降解反应器即RBS,达到去污除臭的好效果。
20世纪80年代,日本学者提出生物活性水技术(即BMW技术,Bacteria微生物、Mineral矿物质、Water水)(何文远.生物活性水技术机理及应用研究[D].上海:同济大学,2008.)处理畜禽粪便污水的同时产生“生物活性水”,可将其应用在种植业提高农作物品质与产量,抑制病虫害(何文远,顾国维.利用畜禽粪尿制作生物活性水方法及其应用利用[P].中国:CN200710036909,2[P].2007-01-29.),在区域内形成有机循环型农业。这种畜禽粪便废水资源化利用技术改变了传统废水治理的思想,使得畜禽粪便变“废”为“宝”,该技术借助自然界中微生物、矿物质及水的组合,创造出近似于自然净化程序的人工循环系统,在净化废水的同时出水具有活性(艾海舰,刘翠英.生物活性水对堆肥腐熟过程的效应研究[J].西北农业学报,2006,15(5):258-260.),可以二次利用且不会产生二次污染,能有效的处理畜禽粪便污水。生物活性水技术被日本农场企业或农民采用了20多年(陈梅雪,杨敏,贺泓.日本畜禽产业排泄物处理与循环利用的现状与技术.环境污染治理技术与设备,2005,6(3):5-11.),广泛应用于改善畜禽棚舍微生物环境、有机种植、改良土壤等方面,感性上认为该技术有良好效果。但是,对其机理仍然不清楚,缺乏相关的具体数据,至今对生物活性水性质、作用机理的文献极少。因此,对生物活性水制作过程的研究、生物活性水的各种应用及其机理的研究十分必要。
畜禽粪便,屠宰场处理废水,食品加工厂等废水中含有高浓度有机物质。这些废水处理不同于传统的生活污水处理中常用的活性污泥处理,其中利用自然净化法的日本RBS处理系统是针对这些废水处理研究出的一种较好的处理方法;BMW技术是生产生物活性水,但是两个处理系统中生物反应槽中的产品是全进口,而且制作主要成分出产于日本的特定地区的“活性土壤”,产量也有限。这些限制了这项技术的普及和成本的降低。本发明是为了克服这些限制,利用国内的可用材料,研究部分处理机理,在此基础上利用硅酸盐分解菌等,增加了高浓度废水处理效率。
发明内容
本发明是使用活性土壤,即含有丰富的腐殖质前驱物的土壤或类似物,有硅酸盐等添加物的环境下水中曝气,诱导培养有用的土壤微生物群和矿物质元素,使土壤微生物产生有机代谢物等的成分,把废水中的有机物质腐殖化形成具有活性的土壤及“活性土壤化”,该状态的物质成分与水形成一种特殊的具有净化处理高浓度有机废水能力的活性水。活性水可以高效高能的处理高浓度有机废水,使传统的活性污泥法更加进一步提升净化能力。同时应用生物活性水技术处理高浓度有机废水,不仅效率高,而且不会产生二次污染,另外,成本低,兼具经济效益与环保效益,研究生物活性水技术对高浓度有机废水的处理具有长远的学术意义和可产业化的巨大意义。
本发明的目的在于提供一种生物活性水,其特征在于:以重量份计,含有草炭土30-50、膨润土10-30、海藻酸钙0.2-1、水泥10-20,在模具中造型的组合物,将该组合物与浮石放入水中曝气,得到所述生物活性水。
本发明所述的生物活性水,其特征在于:所述重量份数为草炭土35-45、膨润土15-25、海藻酸钙0.4-0.8、水泥12-18。
本发明所述的生物活性水,其特征在于:所述重量份数为草炭土40、膨润土20、海藻酸钙0.6、水泥15。
本发明所述的生物活性水,其特征在于:还含有芽孢杆菌。
本发明所述的生物活性水,其特征在于:所述芽孢杆菌为CGMCC13429,CICC23692,CICC20666的培养液。
本发明所述的生物活性水,其特征在于CGMCC13429:CICC23692:CICC20666=1:1:1,且菌量不小于×108cfu/ml。
本发明所述的生物活性水,其特征在于:制备步骤如下:
(1)制作组合物:将所述重量份数的草炭土、膨润土、海藻酸钙和水泥混合;
(2)然后喷洒含或不含芽孢杆菌的蒸馏水,将混合物加入到模具中造型;
(3)将上述制作成的组合物与浮石放入水中曝气。
本发明所述的生物活性水在有机废水处理中的应用。
对高浓度有机废水处理技术中,如RBS系统中依赖日本进口有关含有活性土壤的柱子或粉末状物质来制作废水处理系统中反应槽活性水的缺点,本发明是一种活性土壤化技术及利用自然净化原理,利用富含腐殖质的活性土壤,硅酸盐矿物质等制作生物活性水,以此活化硅酸盐分解菌,提高高浓度有机废水的处理效果。这种活性水是加快了硅酸盐矿物质的风化,提高有效硅酸的利用率,同时又促进芽孢杆菌的增殖,通过这种方法制作后的水结构从大分子化变成小分子化的水,增强微生物活性,从而显著增加高浓度有机废水的处理效果。通过这种方法制作的具有生物活性水可在传统生物废水处理系统的曝气池中添加,使废水处理效率增加。
本发明是使用活性土壤,即含有丰富的腐殖质前驱物的土壤或类似物,有硅酸盐等添加物的环境下水中曝气,诱导培养有用的土壤微生物群和矿物质元素,使土壤微生物产生有机代谢物等的成分,把废水中的有机物质腐殖化形成具有活性的土壤及“活性土壤化”,该状态的物质成分与水形成一种特殊的具有净化处理高浓度有机废水能力的活性水。活性水可以高效高能的处理高浓度有机废水,使传统的活性污泥法更加进一步提升净化能力。同时应用生物活性水技术处理高浓度有机废水,不仅效率高,而且不会产生二次污染,另外成本低,兼具经济效益与环保效益,研究生物活性水技术对高浓度有机废水的处理具有长远的学术意义和可产业化的巨大意义。
附图说明
图1为CODcr处理效果柱形图
图2为TN处理效果柱形图
图3为TP处理效果柱形图
图4为SiO2浓度柱形图
图5为废水处理反应器示意图
具体实施方式
为了本发明成为有效的技术手段,结合以下实施例来说明本发明的特征。具体实施方式仅是例举性说明,而不是对本发明的限制,对本领域普通技术人员来说,可以根据上述说明加以改进或变换,而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求。
实施例1:组合物(Pellet)制作方法
将草炭土(pH 5.47)40g、膨润土20g、海藻酸钙0.6g和水泥15g在烧杯中混合,然后向烧杯中喷洒一定量的蒸馏水,边喷水边进行搅拌,待混合物软硬程度合适时停止喷水,将混合物加入到模具中制成柱状。已准备好形成芽孢的培养液,如芽孢杆菌CGMCC13429:CICC23692:CICC20666=1:1:1(菌量不小于×108cfu/ml),可放入蒸馏水中喷洒。
如下重量份数的草碳土30-50,膨润土10-30,海藻酸钙0.2-1,和水泥10-20也是可能的,其余操作步骤同上。
实施例2:生物活性水(bioactive water;BW)制作与废水处理效果
按DW 1000ml:pellet 12g:浮石24g的比例制作两组1000ml的活性水;一组为Pellet,二组为Pellet(加菌)。曝气4天,利用制作的BW进行废水处理实验。
1.实验分组
(1)用1L蒸馏水(DW)配制人工废水,300ml锥形瓶中,每个锥形瓶取100ml人工废水,分为实验组1,实验组2;
(2)用1L BW配制人工废水,300ml锥形瓶中,每个锥形瓶取100ml人工废水,分为实验组3,实验组4;
(3)用1L BW(菌)配制人工废水,300ml锥形瓶中,每个锥形瓶取100ml人工废水,分为实验组5,实验组6。
表1实验分组
将实验组1,实验组3,实验组5放入到高压灭菌锅中,灭菌后冷却,并与实验组2,实验组4,实验组6,各接种1ml的活性污泥,放入到37℃,120rpm的摇床内震荡培养4天。
2.水质分析
制作的人工废水指标约为CODcr 3000mg/L,TN 150mg/L,TP 30mg/L,在恒温摇床中处理4天后测水质分析。
一、CODcr分析
利用实验组BW和BW(菌)配制的人工废水接种污泥培养4天后分析,结果如图1所示,接种前灭菌和未灭菌COD去除率都大于80%,显著高于对照组DW组(19%)。说明BW对高浓度有机废水生物处理中提高处理效果,在灭菌后排除制作BW过程中产生的微生物对废水处理效果的影响,可以看出BW和BW(菌)组的去处理都是81%,差异不大。但是未灭菌组中两个组有一定的差异,且BW(菌)去除率(85%)高于BW组(83%)。实验结果中得到结论是,灭菌对生物活性水结构或对COD去除率影响不大,且制作过程中产生的微生物提高去除效率。生物活性水中存在的微生物(Pellet中存在的菌,经分析草炭土含有的微生物大部分为放线菌类)对于人工废水的处理作用小于BW中存在的活性物质或结构的作用,但是可能会参与BW制作过程中,起到作用。利用带菌的Pellet制作的生物活性水的作用要高于用不带菌的Pellet制作的生物活性水,且BW中的活性物质可以促进微生物的处理活性,同时对CODcr去除具有极大的促进作用。
二、TN分析
利用实验组BW和BW(菌)配制的人工废水接种污泥培养4天后分析。结果如图2所示,除了灭菌的BW(菌)组TN去除率为20%外,接种前灭菌和未灭菌TN去除率约15%,显著高于对照组DW组(10%)。
三、TP分析
利用实验组BW和BW(菌)配制的人工废水接种污泥培养4天后分析。结果如图3所示,BW(菌)+未灭菌组TP去除率为18%,这高于BW(菌)+未灭菌(16%),BW+灭菌(10%)和BW+未灭菌(7%),显著高于对照组DW组(无减少)。
实施例3:废水中有效硅酸盐浓度的分析
为了研究硅酸盐(SiO2)浓度和添加的芽孢杆菌对废水处理效果的影响,分析了水中有效SiO2的浓度变化。分析蒸馏水,BW,BW(菌)组中有效SiO2的浓度。结果如图4所示,发现曝气4天后水中SiO2的浓度增加,这应该是制作生物活性水的时候浮石和pellet存在的条件下曝气引起的,但是BW(菌)组中浓度低于BW组,说明pellet中添加的3种菌消耗SiO2,而且实验室规模的废水处理反应器中,pellet(菌)的实验组的曝气池和反应池中的SiO2的浓度最低,说明添加的硅酸分解菌(芽孢杆菌)消耗SiO2,根据国外的B3(Bio Best Bacillus)工艺处理废水原理中,Si元素对芽孢杆菌初期发芽阶段和细胞分裂的促进起到重要作用。这种工艺中,芽孢杆菌除磷机理有核酸,蛋白质成分合成等的物质代谢;孢子化过程中磷酸盐的补充;芽孢杆菌属细菌高菌体浓度引起的磷的去除等(菌体量比一般活性污泥法高10~100倍)。天然的SiO2含有的孔径支持细胞生长太小,通过细菌菌丝为模板合成约0.5um宽的中孔纤维丝,可以提供细胞生长,也就是有可能芽孢杆菌矿化SiO2形成有利于细菌生长的SiO2粒子。这可能有助于废水处理中氮磷的去除,也部分说明图3中BW(菌)+未灭菌组的TP去除效果好的原因。
实施例4:实验室规模废水处理反应器中废水处理比较
反应器的运行:运行3组生物废水处理反应器(见图5),反应器1是对照反应器,反应器2是在反应池添加接种菌的Pellet,反应器3是在反应池中加入了未接种菌的Pellet组作为实验组。
添加反应池系统(pellet+浮石)后运行生物反应器18天时,分析3组反应器出水水质指标。表明添加反应池后提高水质处理效果。
表2.水质分析
本发明是一种活性土壤化技术及利用自然净化原理,利用富含腐殖质的活性土壤,硅酸盐矿物质等制作生物活性水,以此活化硅酸盐分解菌,提高高浓度有机废水的处理效果。这种活性水是加快了硅酸盐矿物质的风化,提高有效硅酸的利用率,同时又促进芽孢杆菌的增殖,通过这种方法制作后的水结构从大分子化变成小分子化的水,增强微生物活性,从而显著增加高浓度有机废水的处理效果。通过这种方法制作的具有生物活性水可在传统生物废水处理系统的曝气池中添加,使废水处理效率增加。
本发明是使用活性土壤,即含有丰富的腐殖质前驱物的土壤或类似物,有硅酸盐等添加物的环境下水中曝气,诱导培养有用的土壤微生物群和矿物质元素,使土壤微生物产生有机代谢物等的成分,把废水中的有机物质腐殖化形成具有活性的土壤及“活性土壤化”,该状态的物质成分与水形成一种特殊的具有净化处理高浓度有机废水能力的活性水。活性水可以高效高能的处理高浓度有机废水,使传统的活性污泥法更加进一步提升净化能力。同时应用生物活性水技术处理高浓度有机废水,不仅效率高,而且不会产生二次污染,另外成本低,兼具经济效益与环保效益,研究生物活性水技术对高浓度有机废水的处理具有长远的学术意义和可产业化的巨大意义。
Claims (8)
1.一种生物活性水,其特征在于:以重量份计,含有草炭土30-50、膨润土10-30、海藻酸钙0.2-1、水泥10-20,在模具中造型的组合物,将该组合物与浮石放入水中曝气,得到所述生物活性水。
2.如权利要求1所述的生物活性水,其特征在于:所述重量份数为草炭土35-45、膨润土15-25、海藻酸钙0.4-0.8、水泥12-18。
3.如权利要求1所述的生物活性水,其特征在于:所述重量份数为草炭土40、膨润土20、海藻酸钙0.6、水泥15。
4.如权利要求1至3中任一项所述的生物活性水,其特征在于:还含有芽孢杆菌。
5.如权利要求4所述的生物活性水,其特征在于:所述芽孢杆菌为CGMCC13429,CICC23692,CICC20666的培养液。
6.如权利要求5所述的生物活性水,其特征在于CGMCC13429∶CICC23692∶CICC20666=1∶1∶1,且菌量不小于×108cfu/ml。
7.如权利要求1至3中任一项所述的生物活性水,其特征在于:制备步骤如下:
(1)制作组合物:将所述重量份数的草炭土、膨润土、海藻酸钙和水泥混合;
(2)然后喷洒含或不含芽孢杆菌的蒸馏水,将混合物加入到模具中造型;
(3)将上述制作成的组合物与浮石放入水中曝气。
8.一种如权利要求1至6中任一项所述的生物活性水在有机废水处理中的应用。
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