CN108715820A - 一种降解VOCs的复合菌剂以及利用该复合菌剂降解VOCs的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种降解VOCs的复合菌剂以及利用该复合菌剂降解VOCs的方法，属于难溶性气体的生物降解技术领域，所述降解VOCs的复合菌剂，包括主降解菌和辅助降解菌；所述主降解菌包括假单胞菌和鞘脂菌；所述辅助降解菌包括芽孢杆菌、伯克氏菌、新鞘氨醇杆菌、潘多拉菌和Dokdonella；所述主降解菌和辅助降解菌的数量比为(2.4～3.6)：1。所述降解方法为将所述复合菌剂、填料置于水中进行曝气挂膜后，将包括VOCs气体的混合气体自下而上与生物膜接触，通过复合菌剂的作用降解。所述方法对二甲苯去除效率稳定在90％以上，其基质去除负荷可高达303.61g/m3·h。
Description
技术领域
本发明属于难溶性气体的生物降解技术领域，具体涉及一种降解VOCs的复合菌剂以及利用该复合菌剂降解VOCs的方法。
背景技术
据世界卫生组织(WHO)定义，挥发性有机化合物(VOCs)是指在常压下，沸点50℃～260℃的各种有机化合物。苯系物作为VOCs中重要的组成部分，是有机化工领域的重要原料，同时也是形成光化学烟雾、城市灰霾以及大气对流层中臭氧的重要前驱体。而其中，二甲苯的生物可降解性最差，难溶于水，处理难度较大，同时也是形成臭氧的关键污染物。因此，寻找一种切实有效的方法处理苯系物成为国内外大气污染防治方面的重要课题。
与传统物化方法(如吸附法、燃烧法等)相比，生物法具有操作简单、经济高效、无二次污染等特点，成为VOCs治理的新兴关注点。近年来，在大量研究者的共同努力下，生物法净化有机废气技术得到了长足的发展，但从目前研究的现状来看，存在停留时间较长，处理质量负荷较低的问题。而停留时间过长造成设备占地面积大、体积大、所需填料多、一次性投资成本就大。这严重阻碍了生物法净化有机废气的工程应用。
对于生物净化法而言，获得高效降解菌是解决生物降解停留时间过长及处理质量负荷较低的关键因素。而目前大多研究都处于单一菌种的选育鉴定方面，但在实际的工程应用中，降解过程往往处于开放系统，单一降解菌容易发生变异，不稳定。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种稳定的降解VOCs的复合菌剂以及利用该复合菌剂降解VOCs的方法；所述方法处理质量负荷高，降解率高。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：一种降解VOCs的复合菌剂，包括主降解菌和辅助降解菌；所述主降解菌包括假单胞菌和鞘脂菌；所述辅助降解菌包括芽孢杆菌、伯克氏菌、新鞘氨醇杆菌、潘多拉菌和Dokdonella；所述主降解菌和辅助降解菌的数量比为(2.4～3.6)：1。
优选的，所述假单胞菌和鞘脂菌的数量比为(9～11)：(7～9)。
优选的，所述芽孢杆菌、伯克氏菌、新鞘氨醇杆菌、潘多拉菌和Dokdonella的数量比为(2～3)：(2～3)：(2～3)：(2～3)：(2～3)。
优选的，所述假单胞菌、鞘脂菌伯克氏菌、新鞘氨醇杆菌、潘多拉菌和Dokdonella来源于活性污泥。
本发明还提供了所述复合菌剂降解VOCs的方法，包括以下步骤：1)将所述复合菌剂、填料置于水中进行曝气，所述复合菌剂吸附于填料上获得生物膜；2)包括VOCs气体的混合气体自下而上与生物膜接触，通过复合菌剂的作用降解；所述降解过程中，营养循环液自上而下喷淋至填料。
优选的，步骤1)中所述填料为聚氨酯填料。
优选的，步骤2)中所述循环营养液包括(KH2PO4和(NH4)2SO4；所述循环营养液的喷淋速度为280～320ml/min。
优选的，通过酸碱调节所述降解过程循环营养液的pH值在6.8～7.2之间。
优选的，所述降解过程的温度为22～30℃。
优选的，包括VOCs气体的混合气体为空气与VOCs气体的混合气体；所述VOCs气体在混合气体中的浓度为300～3000mg/m3。
本发明的有益效果：本发明提供的降解VOCs的复合菌剂，以假单胞菌和鞘脂菌主降解菌；以芽孢杆菌、伯克氏菌、新鞘氨醇杆菌、潘多拉菌和Dokdonella为辅助降解菌，通过上述各个菌株之间的协同作用能够有效降解VOCs气体；本发明提供的方法，通过控制优化降解过程温度、气液比、pH值、空塔停留时间和VOCs进气浓度获得较高的VOCs降解率，根据本发明实施例的记载，对二甲苯去除效率稳定在90％以上，其基质去除负荷可高达303.61g/m3·h，单位质量菌体去除二甲苯的最大能力为205mg/g(湿重)。
附图说明
图1为本发明降解VOCs所用试验装置工艺流程；
图2为实施例1实验装置中二甲苯的浓度和去除效率随降解时间的变化曲线；
图3为实施例3中二甲苯代谢途径。
具体实施方式
本发明提供了一种降解VOCs的复合菌剂，包括主降解菌和辅助降解菌；所述主降解菌包括假单胞菌(Pseudomonas)和鞘脂菌(Sphingobium)；所述辅助降解菌包括芽孢杆菌(Bacillus)、伯克氏菌(Burkholderia)、新鞘氨醇杆菌(Novosphingobium)、潘多拉菌(Pandoraea)和Dokdonella；所述主降解菌和辅助降解菌的数量比为(2.4～3.6)：1。
在本发明中，所述VOCs为挥发性有机化合物(VOCs)；所述VOCs是指在常压下，沸点50℃～260℃的各种有机化合物。在本发明中所述VOCs优选的为苯系物；更优选的为二甲苯。本发明所述降解VOCs的复合菌剂能够快速高效降解VOCs，尤其是能够快速高效降解二甲苯。
在本发明中所述降解VOCs的复合菌剂包括主降解菌；所述主降解菌包括假单胞菌和鞘脂菌；所述假单胞菌和鞘脂菌的数量比优选的为(9～11)：(7～9)，更优选的为10：8。本发明对所述假单胞菌的来源没有特殊限定，采用市售的假单胞菌即可，在本发明具体实施过程中，所述假单胞菌也可以来源于活性污泥。本发明中所述的鞘脂菌优选的为市售商品，也可来源于活性污泥。
在本发明中，所述降解VOCs的复合菌剂还包括辅助降解菌，在本发明中所述辅助降解菌包括芽孢杆菌、伯克氏菌、新鞘氨醇杆菌、潘多拉菌和Dokdonella；所述主降解菌和辅助降解菌的数量比为(2.4～3.6)：1，优选的为(2.6～3.4)：1，更优选的为(2.8～3.2)：1。在本发明中，所述芽孢杆菌、伯克氏菌的来源优选的为市售商品，所述芽孢杆菌、伯克氏菌也可以来源于活性污泥。在本发明中所述新鞘氨醇杆菌、潘多拉菌和Dokdonella优选的来源于活性污泥。
在本发明中，所述降解VOCs的复合菌剂中辅助降解菌还包括Filimonas和地芽孢杆菌(Geobacillus)。在本发明中，所述Filimonas在复合菌剂中的数量占比优选的小于1％，所述Filimonas优选的来源于活性污泥，本发明中上述活性污泥优选的为市政活性污泥。在本发明中所述地芽孢杆菌在复合菌剂中的数量占比优选的小于1％；所述地芽孢杆菌优选的为市售商品。
在本发明中，所述降解VOCs的复合菌剂中各个菌种之间协同作用，共同实现降解VOCs，在本发明中，以二甲苯作为VOCs的代表物，二甲苯的降解途径：所述复合菌剂催化氧化二甲苯甲基，并产生相应的对甲基苯甲醇和对甲苯酸作为中间体；进一步，对甲苯酸转化为4-甲基儿茶酚，然后开环进入微生物的TCA循环，最后矿化成CO2，H2O和生物质。
在本发明中，所述的降解VOCs复合菌剂的制备方法优选的为将市售的假单胞菌和鞘脂菌；所述辅助降解菌包括芽孢杆菌、伯克氏菌、新鞘氨醇杆菌、潘多拉菌和Dokdonella菌种按照上述比例混合获得复合菌剂。
本发明还提供了另外一种所述降解VOCs复合菌剂的制备方法：将市售芽孢杆菌、假单胞菌、地芽孢杆菌属、鞘脂菌菌种与市政活性污泥混合获得降解VOCs复合菌剂。在本发明中，所述市政活性污泥优选的来源于天津市咸阳路污水处理厂。在本发明中，所述市政活性污泥优选为驯化后的市政活性污泥。在本发明中所述驯化优选的为将所述市政活性污泥接种于驯化体系中连续曝气培养5～12d。在本发明中，所述驯化体系包括营养盐溶液；所述营养盐溶液中C、N、P元素的质量比优选的为(90～110)：(4～6)：1，更优选的为100：5：1；在本发明中，所述营养盐溶液优选的为(NH4)2SO4和KH2PO4。在本发明中，所述活性污泥的接种量优选为8～20％，更优选的为10％～15％。在本发明中所述驯化过程中，22～26h对所述驯化系统进行换液，在本发明中所述换液具体为：停止向所属驯化体系曝气，静置25～30min后，排去45～55％的上清液，并补充与排去的上清液体积相同的自来水。在本发明中所述驯化的时间优选的为7～10d。在本发明中，所述驯化后的市政活性污泥24h的COD去除率大于90％，镜检出现钟虫、轮虫、累枝虫等原生生物，曝气池混合液在量筒静止沉降30min后污泥所占的体积百分比SV30达到35～45％，本发明中所述驯化后的市政活性污泥的微生物活性较强。
本发明还提供了所述复合菌剂降解VOCs的方法，包括以下步骤：1)将所述复合菌剂、填料置于水中进行曝气，所述复合菌剂吸附于填料上获得生物膜；2)包括VOCs气体的混合气体自下而上与生物膜接触，通过复合菌剂的作用降解；所述降解过程中，营养循环液自上而下喷淋至填料。
在本发明中，将所述复合菌剂、填料置于水中进行曝气，所述复合菌剂吸附于填料上获得生物膜。在本发明中，所述复合菌剂优选的包括市售芽孢杆菌、假单胞菌、地芽孢杆菌属、鞘脂菌菌种和驯化后的市政活性污泥。在本发明中，所述填料优选的为聚氨酯填料，本发明中所述聚氨酯填料优选的在使用前优选的进行灭菌，所述灭菌优选的为高压湿热灭菌，所述高压湿热灭菌的温度和时间参数采用本领域常规的范围即可，无其他特殊要求。在本发明中，所述曝气为从水体底部通入空气进行曝气。本发明在所述曝气过程中，市售芽孢杆菌、假单胞菌、地芽孢杆菌属、鞘脂菌菌种和驯化后的市政活性污泥中的微生物吸附于填料上获得生物膜。本发明中所述生物膜呈黄褐色，在本发明获得生物膜后，水体中的水质澄清。
本发明在获得生物膜之后，包括VOCs气体的混合气体自下而上与生物膜接触，通过复合菌剂的作用降解；所述降解过程中，营养循环液自上而下喷淋至填料。在本发明中，所述包括VOCs气体的混合气体优选为空气与VOCs气体的混合气体；所述VOCs气体在混合气体中的浓度优选为300～3000mg/m3。在本发明中所述生物膜优选的填充于固定介质上确保所述VOCs气体均匀的与生物膜接触；在本发明中所述固定介质优选的为多孔板。在本发明所述降解过程中，营养循环液自上而下喷淋至填料；所述循环营养液包括KH2PO4和(NH4)2SO4；本发明对所述循环营养液中KH2PO4和(NH4)2SO4的比例没有特殊限定；本发明中所述循环营养液的喷淋速度优选为280～320ml/min，更优选的为290～310ml/min，最优选的为300ml/min。本发明优选的通过酸碱调节所述降解过程循环营养液的pH值在6.8～7.2之间。本发明中所述酸碱为本领域常规的酸碱溶液即可，无其他特殊要求，在本发明具体实施过程中，所述酸可以为盐酸，所述碱为氢氧化钠。在本发明中，所述循环营养液的作用为生物膜上吸附的微生物提供营养物质。在本发明中，所述降解过程的温度优选为22～30℃，更优选的为24～28℃。
在本发明具体实施过程中，所述复合菌剂降解VOCs的整个过程可以在如图1所示的装置中进行模拟，其中1为气泵，2为气体混合室，3为气流计，4为二甲苯吹脱瓶，5为进气口，6为生物滴滤器，7为聚氨酯填料，8为出气口，9为循环营养液蠕动泵，10为NaOH溶液，11为碱液蠕动泵，12为在线pH检测计，13为循环营养液，14为磁力搅拌器，15为支撑台。在本发明具体实施过程中，所述装置由圆柱形有机玻璃制成。首先将先前加湿，高压灭菌，尺寸相同的聚氨酯填料填充在多孔板之上以确保气体的均匀分布。为了渗滤液收集和营养供应，底部和顶部分别提供10cm的空间。同时，柱的顶部和底部设有取样口。空气由空气泵供应，空气流被分成2部分，一部分连接到气体混合室，另一部分进入到含有二甲苯液体的吹脱瓶。通过两台转子流量计来控制进口二甲苯的所需浓度300～3000mg/m3和不同的气体空塔停留时间(EBRT)。两部分气流在混合室中混合，然后含有二甲苯的废气通过底部进气口进入反应器，在上升过程中与润湿的生物膜接触而被净化，净化后的气体从塔顶排出。在操作过程中，循环营养液KH2PO4和(NH4)2SO4经过蠕动泵以固定的速率300mL/min自塔顶均匀地喷洒在填料上，然后由塔底流回补料瓶。pH在线监测仪实时检测系统pH值，并通过蠕动泵用NaOH溶液控制pH在6.8～7.2。使用磁力搅拌器均匀混合补料瓶中的液体介质，并控制系统温度在22-30℃之间变化。在本发明降解过程中，每24h采用注射器从取样口采集空气-二甲苯混合物进行分析。
下面结合实施例对本发明提供的一种降解VOCs的复合菌剂以及利用该复合菌剂降解VOCs的方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
降解VOCs的复合菌剂的制备
将主降解菌和辅助降解菌混合；所述主降解菌包括假单胞菌20数量份和鞘脂菌16数量份；所述辅助降解菌包括芽孢杆菌3数量份、伯克氏菌2数量份、新鞘氨醇杆菌2.5数量份、潘多拉菌3数量份和Dokdonella 2数量份。
实施例2
降解VOCs的复合菌剂的制备
市政活性污泥的驯化：将来源于天津市咸阳路污水处理厂的活性污泥接种量为13％，营养盐C：N：P＝100：5：1，连续曝气培养，每隔24h对活性污泥系统进行换液(静置30min后排去1/2的上清液，并补充1/2的自来水)。培养9d，若活性污泥系统对于24h的COD去除率在90％以上，镜检出现钟虫、轮虫、累枝虫等原生生物，SV30达到40％，此时表明污泥活性较强，完成污泥驯化。
将驯化后的活性污泥与市售芽孢杆菌、假单胞菌、地芽孢杆菌属、鞘脂菌菌种混合获得复合菌剂。
实施例3
利用实施例2中的复合菌剂降解VOCs的方法
将实施例2中获得的复合菌剂一次性注入图1所示的生物滴滤器，生物滴滤器由内径为13cm的圆柱形有机玻璃制成，总高度为100cm。将先前加湿，高压灭菌，尺寸相同的聚氨酯填料(体积1cm3)填充在多孔板之上以确保气体的均匀分布。填料总体积为4.5L。为了渗滤液收集和营养供应，底部和顶部分别提供10cm的空间。同时，生物滴滤器的顶部和底部设有取样口。空气由空气泵供应。
生物滴滤净化二甲苯废气的工艺流程如图1所示。空气流被分成2部分，一部分连接到混合室，另一部分进入到含有二甲苯液体的吹脱瓶。通过两台转子流量计来控制进口二甲苯的所需浓度300～3000mg/m3和不同的气体空塔停留时间(EBRT)。两部分气流在混合室中混合，然后含有二甲苯的废气通过底部进气口进入反应器，在上升过程中与润湿的生物膜接触而被净化，净化后的气体从塔顶排出。在操作过程中，循环营养液KH2PO4和(NH4)2SO4经过计量蠕动泵以固定的速率300mL/min自塔顶均匀地喷洒在填料上，然后由塔底流回补料瓶。pH在线监测仪实时检测系统pH值，并通过蠕动泵用NaOH溶液控制pH在7.0。使用恒温磁力搅拌器均匀混合补料瓶中的液体介质，并控制系统温度在22-30℃之间变化。每隔24小时采用注射器从取样口采集空气-二甲苯混合物进行分析。
具体工艺流程：1)以浸没的方式进行启动挂膜，完成时间为24d。2)初级降解阶段，复合菌剂适应环境并充分生长，生物滴滤器的停留时间60s，二甲苯浓度范围300-3000mg/m3；初级降解阶段二甲苯的去除率达到90％。3)改变进气浓度为2000mg/m3，停留时间60s，控制气液比为15:1，pH为7.0，温度为25℃时，生物滴滤塔性能表现最好。4)改变二甲苯进气浓度为3000mg/m3，停留时间为33s，喷淋量300mL/min，pH为7.0，生物滴滤塔对二甲苯去除效率稳定在90％以上，其基质去除负荷可高达303.61g/m3·h。本实验条件下，单位质量菌体去除二甲苯的最大能力为205mg/g(湿重)。
二甲苯浓度的测定方法
采用福立9790气相色谱仪氢离子火焰检测器(FID)分析二甲苯废气浓度，六通阀进样。具体气相色谱条件条件为：进样口温度160℃，柱温90℃，检测器温度140℃，载气流速为50mL·min-1，柱前压为0.08Mpa，气相色谱柱为填充柱，用注射器采集进出口气体。
性能评价
在不同EBRT(s)条件下，通过EC(g/m3·h)和RC(％)对不同进气浓度下的系统性能进行评价。
去除能力，
空塔停留时间，
去除效率，
其中，Q是气体流量(L/min)，V是滴滤塔中聚氨酯填料的总体积(L)，Ci和Co分别是二甲苯的进口和出口浓度(g/m3)。
代谢产物测定方法
取稳定状态下生物滴滤塔循环液，然后用硅烷化方法前处理后，进入气相色谱(GC)/质谱(MS)联用仪(Agilent 7890A GC/7200 Q-TOF MS)进行分析测试。GC条件：色谱柱30m×250μm×0.25μm(DB-5MS UI)；进样量：1μL；进样口温度：250℃；不分流进样；载气为高纯氦气；柱流量：1.2mL/min；程序升温：平衡时间0.5min，初始温度60℃，保持1min，8℃/min升温到132℃，保持0min，再2℃/min升温到150℃，保持0min，再以5℃/min升温到185℃，保持10min，最后10℃/min升温到325℃，保持5min；接口温度：290℃。MS条件：离子源：EI，70eV；离子源温度：230℃；四级杆温度：150℃；扫描范围50-650amu；溶剂延迟5min。
代谢产物分析结果如图3所示，复合菌剂对二甲苯甲基的催化氧化，并产生相应的对甲基苯甲醇和对甲苯酸作为中间体。进一步，对甲苯酸转化为4-甲基儿茶酚，然后开环进入TCA循环，最后矿化成CO2，H2O和生物质。
由上述实施例可知，本发明提供的方法以聚氨酯为载体实验室规模的生物滴滤装置，在高处理负荷条件下，以Pseudomonas和Sphingobium菌属为主降解菌，Bacillus、Burkholderia、Dokdonella、Novosphingobium和Pandoraea菌属为辅助降解菌的微生物复合菌剂能高效去除气体二甲苯。在实施例3所述的温度25℃、气液比为15:1、pH值为7、空塔停留时间为33.75s时，对3000mg/m3二甲苯进气浓度，RE超过90％，去除负荷可高达303.61g/m·h。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种降解VOCs的复合菌剂，其特征在于，包括主降解菌和辅助降解菌；所述主降解菌包括假单胞菌和鞘脂菌；所述辅助降解菌包括芽孢杆菌、伯克氏菌、新鞘氨醇杆菌、潘多拉菌和Dokdonella；所述主降解菌和辅助降解菌的数量比为(2.4～3.6)：1。
2.根据权利要求1所述降解VOCs的复合菌剂，其特征在于，所述假单胞菌和鞘脂菌的数量比为(9～11)：(7～9)。
3.根据权利要求1所述降解VOCs的复合菌剂，其特征在于，所述芽孢杆菌、伯克氏菌、新鞘氨醇杆菌、潘多拉菌和Dokdonella的数量比为(2～3)：(2～3)：(2～3)：(2～3)：(2～3)。
4.根据权利要求1所述降解VOC的复合菌剂，其特征在于，所述假单胞菌、鞘脂菌伯克氏菌、新鞘氨醇杆菌、潘多拉菌和Dokdonella来源于活性污泥。
5.利用权利要求1～4任意一项所述复合菌剂降解VOCs的方法，包括以下步骤：
1)将所述复合菌剂、填料置于水中进行曝气，所述复合菌剂吸附于填料上获得生物膜；
2)包括VOCs气体的混合气体自下而上与生物膜接触，通过复合菌剂的作用降解；所述降解过程中，营养循环液自上而下喷淋至填料。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤1)中所述填料为聚氨酯填料。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，步骤2)中所述循环营养液包括KH2PO4和(NH4)2SO4；所述循环营养液的喷淋速度为280～320ml/min。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，通过酸碱调节所述降解过程循环营养液的pH值在6.8～7.2之间。
9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述降解过程的温度为22～30℃。
10.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，包括VOCs气体的混合气体为空气与VOCs气体的混合气体；所述VOCs气体在混合气体中的浓度为300～3000mg/m3。
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