CN108220278A - 一种负载功能型微生物的营养缓释填料及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种负载功能型微生物的营养缓释填料及其应用，所述填料以多孔海藻酸盐凝胶为支架并负载微生物菌体制成。本发明中制备的负载功能型微生物的营养缓释填料投入反应器中运行后可发现，该填料在使用过程中能够缓慢释放营养成分，对环境pH进行调节，不需要外加无机营养液及进行碱液调节，对乙酸丁酯等降解效率要高于采用普通聚氨酯泡沫填料的对照反应器，同时该填料还能显著缩短反应器的启动期，在废气生物净化领域将发挥及其重要的作用。

Description

一种负载功能型微生物的营养缓释填料及其应用
(一)技术领域
本发明属于环境污染生物净化技术领域，涉及了本发明所述的负载功能型微生物的营养缓释填料制备方法，及其在废气生物净化设施中的应用。
(二)背景技术
近年来，生物净化法是一种潜力巨大的废气净化方法，在各个国家和地区的研究十分热门。填料是生物净化系统的重要组成部分，它的性能直接影响着整个净化系统的去除效率。因此，开展填料特性研究、开发新型废气处理用生物填料是十分必要的。
目前生物净化系统中应用的填料主要有天然填料和有机合成填料两类，其中天然填料如泥炭、木屑等质轻、孔隙率高、富含营养物质，适合微生物附着生长，但是这些天然填料机械强度不高，运行过程中容易出现填料层塌陷、压实等情况，反应器内易产生较大的压降，影响废气净化效果，3-5年需要更换且难再生。而有机合成填料如鲍尔环、聚氨酯泡沫等质轻、机械强度高、耐腐蚀、能够批量生产，但是这类填料大多表面光滑，缺乏微孔结构，不利于微生物附着挂膜且不含营养物质。然而这两类填料均不能同时满足理想填料的多种性能，限制了生物净化法的进一步应用。最近兴起的营养缓释技术和微生物固定化技术在填料制备中都显示出了一定的优势。
营养缓释技术旨在将营养物质实现固相负载，使其在运行过程中缓慢释放供微生物生长所需的营养物质，以保障系统的长期运行。E.Dumont等利用尿素、碳酸钙、磷酸和有机粘结剂等材料制备出一种新型填料UP20，这种填料pH缓冲能力强、持水性好，并且具有营养缓释功能，在处理流量为10g·(m3·h)-1的H2S废气时去除效率仍在93％以上，性能明显优于松树皮。遇静等采用褐煤、多面空心小球、碳酸钙和胶黏剂等材料制备出新型的生物填料，该填料能在湿润环境中长时间地保持结构完整性，含有丰富的营养并具有一定缓释能力，应用此复合填料的生物滤床具有较好的甲苯降解性能，在气流量为100m3·h-1、入口甲苯浓度150mg·m-3，床层温度为20℃～30℃，滤床湿度为50％时，甲苯去除率大于80％。陈建孟等利用低水溶性的有机矿粉、网状纤维和高分子粘结剂等材料制得新型填料，能在潮湿环境中保持良好的粘结强度，并且具有营养缓释功能，系统停运12d后只需2d就能恢复性能。但上述填料均未负载具有特定降解能力的微生物，在使用过程中仍需通过外界添加微生物而促进其形成生物膜。
微生物固定化技术旨在将微生物负载于填料上，使其自身携带一定量的活性菌群，这样可缩短启动周期，同时提高反应器在运行过程中内部有效降解菌的浓度，建立起高效的污染物去除系统。专利CN102050516A中刘璐公开了以植物有机纤维或植物有机纤维与活性炭的混合物作为载体，再经过营养液浸泡、喷淋和特效脱硫菌母液挂膜后，制备出含有一定营养物质和功能菌的选择性微生物填料。该填料能够有针对性的处理废气中的一类污染物质，提高处理负荷及效率。
本发明公开了一种负载功能型微生物的营养缓释填料的制备方法，其涉及了一种营养缓释型填料的制备以及特征降解菌的负载方法，将获得的填料填充在生物反应器中处理含挥发性有机气体(VOCs)废气，能在较短时间内实现挂膜启动，获得稳定的运行效果，解决了填料在使用过程中需频繁更换营养液、调节循环液pH值、反应器启动时需要接种特征降解菌等问题。本发明中的负载功能型微生物的营养缓释填料的制备及其应用对于废气生物净化具有重要的指导意义。
(三)发明内容
本发明的目的是提供一种负载功能型微生物的营养缓释填料及其应用，解决了现有填料在使用过程需要接种微生物、需要更换或添加无机营养盐循环液、需要外界调节pH来维持微生物活性等问题。
为了达到上述目的，本发明叙述如下：
本发明提供一种负载功能型微生物的营养缓释填料，所述填料以多孔海藻酸盐凝胶为支架并负载微生物菌体制成。
进一步，所述微生物菌体为曲霉菌和短黄杆菌的混合。
进一步，所述微生物菌体为曲霉菌(Aspergillus fumigates)HD2和短黄杆菌(Ralstoniapickettii)L2扩大培养后的菌体等量混合。
进一步，所述多孔海藻酸盐凝胶按如下方法制备(乳化交联原理制备)：将海藻酸钠溶于无机盐培养液制成海藻酸钠溶液，将海藻酸钠溶液在4℃冷冻至呈粘稠状(优选12-24h，更优选16h)后，在其表面喷洒CaCl2水溶液a直至形成膜后，再以玻璃棒引流的方式缓慢加入CaCl2水溶液b，4℃冷冻形成凝胶，最后经过-81℃冷冻干燥(优选60-84h，更优选72h)形成多孔结构，获得多孔海藻酸盐凝胶。
进一步，所述海藻酸钠溶液浓度为5～30g/L(优选15g/L)，所述CaCl2水溶液a和CaCl2水溶液b浓度均为0.1-0.4mol/L(优选0.2mol/L)，所述海藻酸钠溶液体积与CaCl2水溶液a和CaCl2水溶液b总体积比为2-5:1，所述CaCl2水溶液a体积用量对本发明没有影响，表面形成膜即可。所述CaCl2水溶液a和CaCl2水溶液b均为CaCl2水溶液，字母a、b没有含义。
进一步，所述填料按如下方法制备：将多孔海藻酸盐凝胶浸入微生物菌体与无机盐培养液制成的混悬液中，25-30℃、60-120rpm振荡0.5-1.5h(优选25-30℃、80rpm、1h)，取出多孔海藻酸盐凝胶用无机盐培养液洗涤，去除表面未牢固吸附的菌体，重复洗涤2-4次(优选3次)，然后在30℃风干24-48h(优选36h)，即得负载功能型微生物的营养缓释填料。
进一步，所述多孔海藻酸盐凝胶在浸入微生物菌体与无机盐培养液制成的混悬液前，先置于镂空壳体中形成填料载体，然后再负载微生物。
进一步，所述镂空壳体为两个直径为15mm的PE管圆环交叉形成的镂空壳体。
进一步，所述混悬液按如下方法制备：
(1)将斜面上保存的曲霉菌(Aspergillus fumigates)HD2接种于加有终浓度100mg/L乙酸丁酯的改良型PDA培养基，在30℃培养3-5d后，将上述培养液离心后获得菌体，然后添加灭菌后的无机盐培养液清洗2-3遍，离心取沉淀，获得Aspergillus fumigatesHD2菌体；所述PDA培养基组成为：土豆200g/L，葡萄糖20g/L，溶剂为蒸馏水，pH值自然，121℃灭菌20min；所述无机盐培养液组成为：K2HPO4·3H2O 0.942g·L-1，KH2PO4 0.234g·L-1，NaNO3 1.7g·L-1,NH4Cl 0.98g·L-1，MgCl2·6H2O 0.2033g·L-1，CaCl2·2H2O 0.0111g·L-1，FeCl3 0.0162g·L-1；微量元素母液5mL·L-1，溶剂为蒸馏水，pH＝7.0-7.2；所述微量元素母液组成为：ZnCl2 88mg·L-1，MnCl2·4H2O 60mg·L-1，KI 10mg·L-1，Na2MoO4·2H2O100mg·L-1，H3BO3 50mg·L-1，溶剂为蒸馏水；110℃灭菌40min；
(2)将斜面上保存的短黄杆菌(Ralstoniapickettii)L2接种于加有终浓度100mg/L乙酸丁酯的LB液体培养基，在30℃培养3-5d后，将上述培养液离心后获得菌体，然后添加灭菌后的无机盐培养液清洗2-3遍，离心取沉淀，获得Ralstoniapickettii L2菌体；所述无机盐培养液组成为：K2HPO4·3H2O 0.942g·L-1，KH2PO4 0.234g·L-1，NaNO3 1.7g·L-1,NH4Cl 0.98g·L-1，MgCl2·6H2O 0.2033g·L-1，CaCl2·2H2O 0.0111g·L-1，FeCl30.0162g·L-1；微量元素母液5mL·L-1，溶剂为蒸馏水，pH＝7.0-7.2；所述微量元素母液组成为：ZnCl2 88mg·L-1，MnCl2·4H2O 60mg·L-1，KI 10mg·L-1，Na2MoO4·2H2O 100mg·L-1，H3BO3 50mg·L-1，溶剂为蒸馏水；110℃灭菌40min；LB液体培养基为：蛋白胨10g/L，酵母膏5g/L，NaCl5g/L，溶剂为蒸馏水，pH＝7.0-7.2，121℃灭菌20min后，冷却至室温时加入乙酸丁酯，使其浓度为100mg/L；
(3)将Aspergillus fumigates HD2菌体和Ralstoniapickettii L2菌体以相同蛋白质含量混合均匀后，用无机盐培养液重悬，轻微振荡后得到混悬液，蛋白质总含量为30-60mg/L。
本发明还提供一种所述负载功能型微生物的营养缓释填料在处理挥发性有机废气(优选含乙酸丁酯、氯苯等挥发性有机废气)中的应用，具体应用为：将制备完成的负载功能型微生物的营养缓释填料投入生物反应器中用于气态污染物(如乙酸丁酯等)的降解，不需外界添加特征降解菌，应用该负载功能型微生物的营养缓释填料的反应器明显缩短了生物膜形成周期，并且在外界不供给营养元素和不进行pH调节的情况下，能维持高效、稳定的污染物(如乙酸丁酯)去除效率。
与现有技术相比，本发明有益效果主要体现在：
本发明填料本身附着有特征降解菌，因此在使用过程中不需要外接特征降解菌，能在较短时间内形成生物膜；
该填料本身含有多种无机营养元素，在使用过程中可以用自来水代替无机盐营养液作为循环液，不需要人工进行配置；
该填料还具有pH缓冲性能，在使用过程中填料自身能对周围环境进行pH调节，不需要额外添加碱液进行调节，运行维护更加简便。
(四)附图说明
图1为营养缓释型填料支架实物图；
图2为营养缓释型填料与聚氨酯填料的吸附曲线(a为营养缓释填料；b为聚氨酯填料)和孔径分布图(c为营养缓释填料；d为聚氨酯填料)；
图3为营养缓释型填料的SEM(A，其中a为横截面，b为纵截面)、FT-IR(B)和两种填料的EDX(C，其中a和b为营养缓释型填料的横截面和纵截面表面元素含量，c为聚氨酯填料表面元素含量)分析；
图4CaCl2添加方式优化反应过程图，a为反应过程中海藻酸盐溶液表面，b为两者反应完成后烧杯侧面；
图5为营养缓释型填料的营养释放能力(其中A为N元素的释放，B为P元素的释放)和pH缓冲性能(C)；
图6淋溶20d后该营养缓释型填料的SEM图(其中a为横截面，b为纵截面)；
图7负载功能型微生物营养缓释填料外观(a)和储藏不同时间后对乙酸乙酯的降解性能曲线(b)；
图8为应用该负载功能型微生物营养缓释填料和聚氨酯填料的生物反应器对于乙酸丁酯的处理效果比较(A)、循环液特性分析(B为循环液电导率，C为循环液pH值)及填料表面生物膜生长情况(D，其中a和c为聚氨酯填料，b和d为负载功能型微生物营养缓释填料)。
(五)具体实施方式
下面结合具体实例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此：
所述改良型PDA培养基组成为：土豆200g/L，葡萄糖20g/L，琼脂18g/L，溶剂为蒸馏水，pH值自然，121℃灭菌20min后，冷却至室温时加入乙酸丁酯，使其浓度为100mg/L；
所述LB液体培养基组成为：蛋白胨10g/L，酵母膏5g/L，NaCl 5g/L，溶剂为蒸馏水，pH＝7.0-7.2，121℃灭菌20min后，冷却至室温时加入乙酸丁酯，使其浓度为100mg/L；
所述无机盐培养液组成为：K2HPO4·3H2O 0.942g·L-1，KH2PO4 0.234g·L-1，NaNO31.7g·L-1,NH4Cl 0.98g·L-1，MgCl2·6H2O 0.2033g·L-1，CaCl2·2H2O 0.0111g·L-1，FeCl30.0162g·L-1，微量元素母液5mL·L-1，溶剂为蒸馏水，pH＝7.0-7.2；所述微量元素母液组成为：ZnCl2 88mg·L-1，MnCl2·4H2O 60mg·L-1，KI 10mg·L-1，Na2MoO4·2H2O 100mg·L-1，H3BO3 50mg·L-1，溶剂为蒸馏水，110℃灭菌40min。
实施例1：填料支架制备过程
(1)填料载体
室温(25-30℃)下，将9g海藻酸钠粉末在160rpm高速搅拌下缓慢加入600mL无机盐培养液中，持续搅拌2h，得到无色透明混合无机营养元素的15g/L海藻酸钠溶液。随后将50mL海藻酸钠溶液分装到100mL烧杯中，置于4℃冰柜中冷冻16h至呈粘稠状后。取出后喷洒0.2mol·L-1CaCl2水溶液a在其表面形成膜(图4中a)，然后再以玻璃棒引流的方式缓慢加入0.2mol·L-1CaCl2水溶液b，CaCl2水溶液a和CaCl2水溶液b总体积20mL，4℃静置冷冻反应72h后获得海藻酸盐凝胶，最后经过-81℃冷冻干燥60h后形成多孔结构，获得具有营养缓释功能的填料支架(图4中b)。随后将该填料支架塞入两个直径为15mm的PE管圆环交叉形成的壳体中，得到营养缓释型填料载体，如图1所示。
实验中形成凝胶的过程(图4中a)显示对添加CaCl2溶液的过程优化是有效的，形成的凝胶表面能够清晰可见密集小孔，且整体凝胶不再呈现螺旋状。整个反应速度比较缓慢，反应72h后仍未反应完全(图4中b)，能充分形成多孔结构。
(2)特性测定
将上述步骤(1)制备的营养缓释型填料载体和商品化的聚氨酯普通填料分别进行BET、SEM、FTIR和EDX测试，具体仪器信息为：采用美国Micromeritics公司的ASAP 2010型物理吸附仪测定比表面积及孔径(即BET分析)；采用美国Thermo公司的Nicolet6700-的傅里叶红外光谱仪进行表面基团分析(即FTIR分析)；采用PHILIPS公司的Philips XL-30-ESEM环境扫描电子显微镜对样品形貌和表面元素分布进行测定(即SEM和EDX分析)，测试前需对样品进行喷金处理。
图2为该营养缓释型填料载体(标记为SC)与聚氨酯普通填料(标记为PU)的吸附曲线和孔径分布对比图。可以发现，SC填料比表面积为2.45m2·g-1，总孔容为3.36×10-3cm3·g-1，孔径主要为1nm，PU填料比表面积为4.43m2·g-1，总孔容为5.91×10-3cm3·g-1，孔径主要为2nm孔。SC填料和PU填料两者相比较而言，比表面积处于同一数量级且相差不大，因此可见该SC填料在气液传质和微生物负载方面应该和PU填料性能相差不大。
图3为该营养缓释填料表面SEM照片、FTIR和EDX谱图。结果表明该填料表面粗糙，具备多孔结构，而且Ca2+与海藻酸钠反应后形成的孔道竖直贯通，这有利于微生物附着生长，加快反应器的挂膜启动。FT-IR表征结果表明，在818.6cm-1处有个较弱的吸收峰，反映了C-C的伸缩振动，在1594.0cm-1处有个较强的吸收峰，可归结为C＝O的伸缩振动，在3352.6cm-1处有一个宽而强的吸收峰，反应出此处存在缔合O-H基。这些结果说明该营养缓释填料表面存在大量的表面官能团(O-H，-C-C-和C＝O)，有利于微生物附着生长。通过EDX分析，可以明显发现营养缓释填料SC相较于PU填料而言，前者内部含有微生物生长所需的N、P营养元素和K等微量金属元素，而PU填料内部并不含有这些营养元素，说明后者无法在使用过程中缓慢释放营养元素。
实施例2：CaCl2加入方式优化
常规的海藻酸钙凝胶的制备方法是采用一步法，即常温或低温下50ml海藻酸钠溶液(同实施例1)直接与20mL、0.2mol·L-1CaCl2水溶液混合，4℃静置冷冻反应72h后获得海藻酸盐凝胶，最后经过-81℃冷冻干燥60h，制备成具有多孔结构的海藻酸钙凝胶。但该法制备成的凝胶多孔常呈螺旋状，不适合营养元素的传递和微生物的生长。
实施例3：具有营养缓释功能的填料载体缓释性能评价
(1)填料载体
营养缓释功能的填料支架采用乳化交联原理制备而成，制备过程如下：室温下，将18g海藻酸钠粉末在160rpm高速搅拌下缓慢加入600mL无机盐培养液中，持续搅拌2h，得到无色透明混合无机营养元素的30g/L海藻酸钠溶液。随后将50mL海藻酸钠溶液分装到100mL烧杯中，置于4℃冰柜中冷冻24h至呈粘稠状后。取出后在其表面喷洒0.1mol·L-1CaCl2水溶液a形成薄膜，然后再以玻璃棒引流的方式缓慢加入0.1mol·L-1CaCl2水溶液b，CaCl2水溶液a和CaCl2水溶液b总体积25mL，4℃冷冻静置反应84h后获得海藻酸盐凝胶，最后经过-81℃冷冻干燥84h后形成多孔结构，获得具有营养缓释功能的填料支架。随后将该支架塞入两个直径为15mm的PE管圆环交叉形成的壳体中，得到营养缓释型填料载体(同图1所示)。
(2)氮、磷释放情况
取上述制备的营养缓释型填料载体置于有机玻璃柱内，喷淋去离子水，待填料层开始有液体滴出后，每隔24h取10mL的淋出液，根据HJ 636-2012水质总氮的测定-碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法和GB 11893-89水质总磷的测定-钼酸铵分光光度法分别测定淋出液内的总氮和总磷含量。
图5分别表示了该营养缓释填料支架在淋溶状态下的氮、磷释放情况。经过24d喷淋，填料所释放P含量达到了200.532mg·L-1，在制备时所添加营养源P含量为221.216mg·L-1，实现了90.65％的总磷释放(图5中A)；填料所释放N含量达到了405.505mg·L-1，在制备时所添加营养源N含量为536.478mg·L-1，实现了75.59％的总氮释放(图5中B)。对于pH缓冲性能考察，可以发现在弱酸性的环境下该制备的填料能够对溶液pH进行调节(图5中C)，均能将弱酸性溶液的pH调节至中性左右，且调节能力较强，能够实现多个循环。
图6为淋溶24d后，该营养缓释填料载体表面SEM照片。可以发现填料表面粗糙度明显增加，出现许多坑洞，这可能是填料所携带的营养缓慢释放后形成的，这些坑洞能够增大比表面积，有利于微生物附着生长。
这些结果表明该填料在使用过程中能够缓慢释放营养，满足微生物生长过程的N、P营养所需，而且该填料在弱酸性的环境下还能够对溶液pH进行调节，将弱酸性溶液的pH调节至中性左右，使其适宜微生物生长，且调节能力强，能够实现多个循环。
实施例4：负载功能型微生物的营养缓释填料降解活性考察
负载功能型微生物的营养缓释填料是基于营养缓释填料支架的基础上负载功能型微生物而获得，具体制备方法如下：
(1)填料载体
室温下，将3g海藻酸钠粉末在160rpm高速搅拌下缓慢加入600mL无机盐培养液中，持续搅拌2h，得到无色透明混合无机营养元素的5g/L海藻酸钠溶液。随后将50mL海藻酸钠溶液分装到100mL烧杯中，置于4℃冰柜中冷冻24h。取出后在其表面喷洒0.4mol·L-1CaCl2水溶液a形成薄膜，然后再以玻璃棒引流的方式缓慢加入0.4mol·L-1CaCl2水溶液b，CaCl2水溶液a与CaCl2水溶液b总体积15mL，4℃冷冻反应60h后获得海藻酸盐凝胶，最后经过-81℃冷冻干燥60h后形成多孔结构，获得具有营养缓释功能的填料支架。随后将该支架塞入两个直径为15mm的PE管圆环交叉形成的壳体中，得到营养缓释型填料载体。
(2)微生物负载
a、浓缩菌液
将保存在斜面上的Aspergillus fumigates HD2(保藏在中国典型微生物保藏中心，保藏编号CCTCC NO.M 2014531，已在专利申请201410814363.9中公开)接种于加有终浓度100mg/L乙酸丁酯的改良型PDA培养基，在30℃培养3-5d后，将上述培养液离心后获得菌体，然后添加灭菌后的无机盐培养液清洗2-3遍，离心取沉淀，获得Aspergillus fumigatesHD2菌体。
将Ralstoniapickettii L2(保藏在中国典型微生物保藏中心，保藏编号CCTCCNO.M 209250，已在专利申请201010181332中公开)接种于加有终浓度100mg/L乙酸丁酯的LB液体培养基，在30℃培养3-5d后，将上述培养液离心后获得菌体，然后添加灭菌后的无机盐清洗2-3遍，离心取沉淀，获得Ralstoniapickettii L2菌体。
将Aspergillus fumigates HD2菌体和Ralstoniapickettii L2菌体以相同蛋白质含量混合均匀后，用无机盐培养液重悬，轻微振荡后得到混悬液，蛋白质总含量为30mg/L。
b、微生物的负载
将步骤(1)制备的填料载体浸入步骤a制备的混悬液中，25-30℃、80rpm振荡1h，取出填料载体用无机盐培养液洗涤，去除表面未牢固吸附的菌体，重复洗涤2-4次，然后放置在30℃的培养箱内风干36h，即得负载功能型微生物的营养缓释填料。置于250mL广口瓶中室温干燥储存。该负载功能型微生物的营养缓释填料如图7所示。
(3)营养缓释填料储藏稳定性
对步骤(2)制备的营养缓释填料的储藏稳定性进行考察，主要以对乙酸丁酯的降解能力来表征，具体方法如下：
配置测试降解活性的无机盐培养基1000L：NH4Cl 2.0g·L-1、KH2PO4 4.5g·L-1、K2HPO4 0.5g·L-1、MgSO4·7H2O 0.1g·L-1，微量元素母液2mL·L-1，溶剂为蒸馏水，pH值调至7.0；分装于250mL的密封玻璃瓶中(50mL/个)，在110℃下灭菌40min。微量元素母液配方：120mg·L-1FeCl3、50mg·L-1H3BO3、10mg·L-1CuSO4·5H2O、10mg·L-1KI、45mg·L-1MnSO4·4H2O、20mg·L-1Na2MoO4·2H2O、75mg·L-1ZnSO4·7H2O、50mg·L-1CoCl2·6H2O、20mg·L-1KAl(SO4)2·12H2O、13.25mg·L-1CaCl2·2H2O、10mg·L-1NaCl，溶剂为蒸馏水。
取室温下密闭储藏不同时间(0d、7d和30d)的填料2个加入15mL去离子水，室温下160rpm振荡60min，然后取5mL的振荡液接种于装有50mL上述灭菌过的无机盐培养基的摇瓶中，添加乙酸丁酯使其初始浓度均在180mg·L-1。将摇瓶置于30℃，160rpm的摇床上，每隔12h采用气相色谱测定乙酸丁酯的降解情况，结果如图8所示，可以看出填料在刚刚制备好时所负载的微生物具有较好的活性，经过36h便将180mg·L-1的乙酸丁酯全部降解完，分别经过7d和30d储存后，填料上负载的微生物活性虽略微有所降低，但经过36h后对180mg·L-1的乙酸丁酯仍有较高的去除效果，去除率达到96％。上述结果表明该填料的储藏稳定性较好，长时间储藏对其上所负载的微生物活性并没有很大影响，仍能够正常使用。
实施例5：负载功能型微生物的营养缓释填料用于处理乙酸丁酯废气的反应器性能考察
采用实施例1所述的方法制备具有营养缓释功能的填料载体，采用实施例4所述方法将负载微生物，获得营养缓释填料，以普通聚氨酯填料(PU)作为对照，分别投入生物滴滤塔中(分别标记为BTF1和BTF2)。生物滴滤塔参数如表1所示。
表1生物滴滤塔的参数
两塔均采用驯化的活性污泥挂膜接种液。活性污泥取自某城市污水处理厂曝气池，污泥经静置沉降3h后，除去上层清液和悬浮杂质，用水反复清洗活性污泥，去掉上层漂浮物和下层大块沉积物，留下颗粒细小的污泥，采用乙酸丁酯作为唯一碳源对其进行驯化，每3d更换一次营养液，驯化时间大约为3周。挂膜启动时，采用驯化的活性污泥加无机盐培养液作为接种液(蛋白含量25mg/L)，100-200mg·m-3乙酸丁酯作为废气源，废气在生物滴滤塔内停留时间为90s(即表2中的阶段1)。运行前期采用无机盐培养液作为喷淋液，后期用去离子水代替无机盐培养液作为循环喷淋液。整个运行过程分为3个阶段，如表2所示。
表2反应器运行阶段划分
*pH调节采用0.5mol/L的NaOH溶液。当pH值小于6.8时，向循环液加入一定量的NaOH溶液，调节至中性范围。
对两个反应器降解乙酸丁酯的效果、各阶段循环液的电导率和pH以及挂膜完成后填料表面生物膜附着情况进行了考察，结果如图8所示。每天采用气相色谱测定进气和出气中乙酸丁酯浓度，计算相应的去除率；每天取循环液5mL测定电导率和pH，同时以去离子水作为参考。
图8中A为两反应器对乙酸丁酯的去除性能对比，结果表明负载功能型微生物营养缓释填料相比于PU填料，微生物更快地完成挂膜，能够缩短反应器的启动时间，对乙酸丁酯的去除效率更高。图8中B为第2个阶段两塔循环液的电导率变化情况，可以看出更换去离子水喷淋后两塔循环液电导率均有降低，但负载功能型微生物营养缓释填料方面溶液电导率仍能保持在较高水平(3000μs·cm-1)，而PU填料方面溶液电导率则不断降低(500μs·cm-1左右)，表明负载功能型微生物营养缓释填料在运行过程中能够缓慢释放营养，保持反应器正常运行，而PU填料在使用过程中不能释放营养元素，从而导致对于乙酸乙丁酯的去除性能下降。图8中C为第3个阶段两塔循环液的pH变化情况，可以看出反应器在不调节pH后，应用负载功能型微生物营养缓释填料的BTF1，能够有效地调节塔内循环液pH，始终保持在中性，为塔内微生物的生长提供了良好的pH环境，对乙酸丁酯的去除率仍能维持在95％以上。而应用PU填料的BTF2，自身不能有效地进行pH调节，使得塔内微生物降解过程生成的酸性物质不断积累，导致循环液pH不断降低，进而影响塔内微生物的生长，对于乙酸丁酯的去除率只有80％，。图8中D显示了两塔完成挂膜后的填料表面形貌，可以看出负载功能型微生物营养缓释填料上生物膜的密度大于PU填料。
实施例6：负载功能型微生物的营养缓释填料用于处理氯苯废气的反应器性能考察
如实施例1所述的方法制备具有营养缓释功能的填料支架，如实施例4所述方法将功能型微生物负载上去。将所得的负载功能型微生物的营养缓释填料和普通聚氨酯填料(PU)分别投入生物滴滤塔中(分别标记为BTF1和BTF2)，处理含氯苯废气。生物滴滤塔结构参数如实施例5所述。
活性污泥取自某制药厂污水处理过程的曝气池，污泥经静置沉降2.5h后，除去上层清液和悬浮杂质，用水反复清洗活性污泥，去掉上层漂浮物和下层大块沉积物，留下颗粒细小的污泥，采用氯苯作为唯一碳源对其进行驯化，每5d更换一次营养液，驯化时间大约为4周。挂膜启动时，采用驯化的活性污泥加无机盐培养液作为接种液(蛋白含量30mg/L)，50-100mg·m-3氯苯作为废气源，废气在生物滴滤塔内停留时间90s。待生物膜形成后，循环液由无机盐培养液替换为去离子水，运行45d后，停止通入氯苯废气，期间每天只供给0.1L的去离子水保证填料呈润湿状态。约20d后恢复通入300-350mg·m-3氯苯废气，停留时间仍为90s，循环液为去离子水。考察两塔对于氯苯的去除效果。整个运行期间对于氯苯废气的去除效果如表3所示。
表3两塔对于氯苯废气的去除效果比较
可以看出，装填该负载功能型微生物的营养缓释填料的BTF1对于氯苯废气的净化性能始终优于BTF2，特别是对于浓度较高的氯苯废气和经历饥饿期后重新启动，BTF1表现出较好的去除性能。

Claims (10)

1.一种负载功能型微生物的营养缓释填料，其特征在于所述填料以多孔海藻酸盐凝胶为支架并负载微生物菌体制成。
2.如权利要求1所述负载功能型微生物的营养缓释填料，其特征在于所述微生物菌体为曲霉菌和短黄杆菌的混合。
3.如权利要求1所述负载功能型微生物的营养缓释填料，其特征在于所述微生物菌体为曲霉菌(Aspergillus fumigates)HD2和短黄杆菌(Ralstoniapickettii)L2扩大培养后的菌体以等蛋白量混合。
4.如权利要求1所述负载功能型微生物的营养缓释填料，其特征在于所述多孔海藻酸盐凝胶按如下方法制备：将海藻酸钠溶于无机盐培养液制成海藻酸钠溶液，将海藻酸钠溶液在4℃冷冻至呈粘稠状后，在其表面喷洒CaCl2水溶液a直至形成膜后，再以玻璃棒引流的方式缓慢加入CaCl2水溶液b，4℃冷冻形成凝胶，最后经过-81℃冷冻干燥形成多孔结构，获得多孔海藻酸盐凝胶。
5.如权利要求4所述负载功能型微生物的营养缓释填料，其特征在于所述海藻酸钠溶液浓度为5～30g/L，所述CaCl2水溶液a和CaCl2水溶液b浓度均为0.1-0.4mol/L，所述海藻酸钠溶液体积与CaCl2水溶液a和CaCl2水溶液b的总体积比为2-5:1。
6.如权利要求1所述负载功能型微生物的营养缓释填料，其特征在于所述填料按如下方法制备：将多孔海藻酸盐凝胶浸入微生物菌体与无机盐培养液制成的混悬液中，25-30℃、60-120rpm振荡0.5-1.5h，取出多孔海藻酸盐凝胶用无机盐培养液洗涤，去除表面未牢固吸附的菌体，重复洗涤2-4次，然后在30℃风干24-48h，即得负载功能型微生物的营养缓释填料。
7.如权利要求6所述负载功能型微生物的营养缓释填料，其特征在于所述多孔海藻酸盐凝胶在浸入微生物菌体与无机盐培养液制成的混悬液前，先置于镂空壳体中形成填料载体，然后再负载微生物。
8.如权利要求7所述负载功能型微生物的营养缓释填料，其特征在于所述镂空壳体为两个直径为15mm的PE管圆环交叉形成的镂空壳体。
9.如权利要求6所述负载功能型微生物的营养缓释填料，其特征在于所述混悬液按如下方法制备：
(1)将斜面上保存的曲霉菌(Aspergillus fumigates)HD2接种于加有终浓度100mg/L乙酸丁酯的改良型PDA培养基，在30℃培养3-5d后，将上述培养液离心后获得菌体，然后添加灭菌后的无机盐培养液清洗2-3遍，离心取沉淀，获得Aspergillus fumigates HD2菌体；所述PDA培养基组成为：土豆200g/L，葡萄糖20g/L，溶剂为蒸馏水，pH值自然；所述无机盐培养液组成为：K2HPO4·3H2O 0.942g·L-1，KH2PO4 0.234g·L-1，NaNO3 1.7g·L-1,NH4Cl0.98g·L-1，MgCl2·6H2O 0.2033g·L-1，CaCl2·2H2O 0.0111g·L-1，FeCl3 0.0162g·L-1，微量元素母液5mL·L-1，溶剂为蒸馏水，pH＝7.0-7.2；所述微量元素母液组成为：ZnCl288mg·L-1，MnCl2·4H2O 60mg·L-1，KI 10mg·L-1，Na2MoO4·2H2O 100mg·L-1，H3BO3 50mg·L-1，溶剂为蒸馏水；
(2)将斜面上保存的短黄杆菌(Ralstoniapickettii)L2接种于加有终浓度100mg/L乙酸丁酯的LB液体培养基，在30℃培养3-5d后，将上述培养液离心后获得菌体，然后添加灭菌后的无机盐培养液清洗2-3遍，离心取沉淀，获得Ralstoniapickettii L2菌体；
(3)将Aspergillus fumigates HD2菌体和Ralstoniapickettii L2菌体以相同蛋白质含量混合均匀后，用无机盐培养液重悬，轻微振荡后得到混悬液。
10.一种权利要求1所述负载功能型微生物的营养缓释填料在处理挥发性有机废气中的应用。
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