CN112662657A - 微生物菌剂及其制备方法和在污水处理中的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微生物菌剂及其制备方法和在污水处理中的应用，涉及环保及微生物技术领域，所述微生物菌剂为颗粒状固体，颗粒为分层结构，由内到外包括核芯、支撑层和轻质层，其中，核芯、支撑层均包括多孔碳材料、生物碳源、淀粉胶粘剂、碳海绵和复合微生物菌液，轻质层包括多孔碳材料、生物碳源、淀粉胶粘剂、碳海绵。本发明采用一步成型，极大程度地简化了须要分层结构的颗粒状固体材料的制备步骤，通过与程序冷/热处理等步骤参数的配合，使得本发明提供的菌剂能够在制备方法简化的基础上，也能解决固体菌剂结构上存在的问题。菌剂结构稳定，去氨氮效率高。
Description
技术领域
本发明涉及环保及微生物技术领域，具体涉及一种微生物菌剂及其制备方法和在污水处理中的应用。
背景技术
污水处理是对污水进行净化，使其达到再利用或排放标准的过程，随着目前全球环境和资源形势的日渐严峻，现有的污水处理技术逐渐不能满足社会发展过程中，追寻可持续发展原则的需求。目前，污水处理常用方法包括传统的物理法、化学法和新型的生物法，物理法最为环保节能，但必然存在净化能力弱的问题，化学法也存在费用高、要求高等缺陷，生物法近年来受到人们的青睐，然而，由于传统的污水处理微生物菌剂多为液体状态，使用后菌剂及其添加剂均无法回收，这在生物法自身高成本的基础上，又再次增加了成本，另外，由于菌液投放在待处理废水或污泥环境中，直接分散开来，虽然使得菌与待处理物质溶液或悬浮液直接接触，但是也造成了菌的生长环境直接开放为污水环境，造成菌群生长环境极其不稳定，对菌群的生长、存活和及其对污水的处理效果均产生严重的负面影响。而现有的将污水处理菌剂制备成固体状态的技术仍不成熟，存在颗粒载体/支撑结构不稳定或对菌群固定效果不好，颗粒表层结构不稳定，长时间使用易破碎导致材料无法回收，制备过程中采用大量化学物质或能够游离出去的碳源/氮源对水体造成二次污染等问题，为解决这些问题，可采用在固体菌剂制备过程中进行多层包覆、程序热处理等方法，通过这样的制备步骤和调节各层、各步骤中的原料、比例、温度、时间等参数，从而解决上述问题，但是这样做的代价就是制备方法复杂，对制备环境、设备和人员要求较多，增加人力物力和资源成本。
发明内容
针对上述现有污水处理微生物菌剂存在的问题，本发明提供一种新的步骤简单易行的固体颗粒状的微生物菌剂的制备方法，该方法在克服上述微生物菌剂存在的问题的基础上，步骤和参数相对简单，且应用于污水处理的技术效果客观，技术方案如下：
首先，本发明提供一种微生物菌剂，所述微生物菌剂为颗粒状固体，颗粒为分层结构，由内到外包括核芯、支撑层和轻质层，其中，核芯、支撑层均包括多孔碳材料、生物碳源、淀粉胶粘剂、碳海绵和复合微生物菌液，轻质层包括多孔碳材料、生物碳源、淀粉胶粘剂、碳海绵。
所述复合微生物菌液由无菌水配制而成，其中包括枯草芽孢杆菌、交替假单胞菌、双岐菌和酵母菌。
所述复合微生物菌液中，枯草芽孢杆菌、交替假单胞菌、双岐菌和酵母菌的浓度分别为2.86-4.69×1013个/mL、6.11-8.96×1013个/mL、5.98-8.19×1013个/mL和6.18-8.31×1013/mL。
优选地，所述复合微生物菌液中还可以包括阿氏芽孢杆菌、环状芽孢杆菌、解木聚糖类芽孢杆菌、胶冻样类芽孢杆菌。所述复合微生物菌液中，阿氏芽孢杆菌、环状芽孢杆菌、解木聚糖类芽孢杆菌、胶冻样类芽孢杆菌的浓度分别为1.98-3.66×1013个/mL、2.95-5.96×1013个/mL、2.58-4.69×1013个/mL和1.98-4.02×1013/mL。
第二，本发明还提供上述微生物菌剂的制备方法，包括以下步骤：
(1)将多孔碳材料、生物碳源、淀粉胶粘剂、碳海绵混合均匀，加无菌水混匀后静置、造粒、干燥；
(2)步骤(1)所得颗粒浸泡在复合微生物菌液中；
(3)步骤(2)所得颗粒取出，程序冷/热处理，得到固态颗粒状微生物菌剂。
优选地，步骤(1)所述多孔碳材料为竹炭粉。
优选地，步骤(1)所述生物碳源包括麸皮；更优选地，所述生物碳源还包括秸秆、麦壳、稻壳、玉米芯中的一种或二种以上；生物碳源为粉末状，粒径为150-200目。
优选地，步骤(1)所述淀粉胶粘剂包括复合型淀粉粘合剂或改性淀粉粘合剂等，主要成分为淀粉或改性淀粉，可从市场购买或通过现有公开的方法自行制备。
优选地，步骤(1)所述碳海绵为粉末状，粒径为0.2-0.5mm。
优选地，步骤(1)所述多孔碳材料、生物碳源、淀粉胶粘剂、碳海绵、无菌水的质量比为(5-8):(9-13):(2-3):(4-20):(60-100)；静置时间为1-4h；所述造粒，粒径为15-70mm，造粒温度为40-70℃；所述干燥为热风干燥，温度为80-100℃，时间为45-120min。
步骤(2)所述复合微生物菌液由无菌水配制而成，其中包括枯草芽孢杆菌、交替假单胞菌、双岐菌和酵母菌。浸泡温度为23-25℃，浸泡时间为2-5h，浸泡期间可通过鼓气或震荡等方式促进复合微生物菌液渗透。
所述复合微生物菌液中，枯草芽孢杆菌、交替假单胞菌、双岐菌和酵母菌的浓度分别为2.86-4.69×1013个/mL、6.11-8.96×1013个/mL、5.98-8.19×1013个/mL和6.18-8.31×1013/mL。
优选地，所述复合微生物菌液中还可以包括阿氏芽孢杆菌、环状芽孢杆菌、解木聚糖类芽孢杆菌、胶冻样类芽孢杆菌。所述复合微生物菌液中，阿氏芽孢杆菌、环状芽孢杆菌、解木聚糖类芽孢杆菌、胶冻样类芽孢杆菌的浓度分别为1.98-3.66×1013个/mL、2.95-5.96×1013个/mL、2.58-4.69×1013个/mL和1.98-4.02×1013/mL。
优选地，步骤(3)所述程序冷/热处理，具体为：降温至15-20℃，以300-400℃/min速度升温至T1，保温时间t1；以300-400℃/min速度降温至T2，保温时间t2；以200-300℃/min速度降温至室温，室温鼓风10-30s。
优选地，上述程序冷/热处理过程中，T1为200-250℃，t1为5-10s；T2为100-150℃，t2为10-15s。
优选地，本发明中所述冷、热处理、干燥等操作，采用的均为冷风、热风的方式进行降温或升温。
优选地，所述核芯的粒径为l1，支撑层的厚度为d2，轻质层厚度为d3，则有：
l1为15-70mm，l1+d2+d3为制备得到的微生物菌剂颗粒总粒径，为17-90mm，μ为调节系数，数值为1.02-1.59。
有益效果
本发明的有益效果在于：
本发明采用一步成型，采用一种原料配方及比例配制原料后制备菌剂颗粒，极大程度地简化了须要分层结构的颗粒状固体材料的制备步骤，然而通常如果不配合本发明的其他技术特征，这样的做法会导致颗粒状材料在水中使用过程中结构不稳定，但本发明通过其他技术特征的加入克服了这一问题，使得本发明提供的菌剂能够在制备方法简化的基础上，也能解决结构上存在的问题。
由于制备方法中的热处理步骤，导致颗粒材料整体上呈现分层，但分层并不明显，其中，核芯部分的复合微生物菌液未受到短时间热处理的影响，其浓度和活性不变；支撑层中的复合微生物菌液的浓度必然在热处理之后有所提高，而轻质层中的复合微生物菌液水组分完全失去，活菌全部死去，彻底失活，且在短时间高温热处理后，轻质层中的生物碳源和淀粉胶粘剂部分碳化或气化，随着最后的鼓风操作排出，最终得到的轻质层时碳海绵含量较高，孔隙占比较多的表层结构，且程序热处理也使得轻质层的结构更加稳定，入水使用不易崩解。
本发明利用特定程序冷/热处理过程及参数关系设定，实现了同一配方原材料一体成型的颗粒状固体材料通过后处理的分层，使整体结构坚固的基础上，将浸泡菌液的步骤设定在程序冷/热处理之前，避免了在材料获得稳定结构之后短时间内浸泡菌液导致结构重新恢复松散，然而，如果在浸泡菌液步骤之后采取的热处理步骤、时间及温度等设定不当，则会导致菌液中的活性菌大量死去，严重影响菌剂的效果，甚至可能直接导致菌剂失效，本发明通过长期的思考和实验，创造性地提出了通过对这些参数彼此之间规定特定算法关系，解决上述问题的方法，经试验验证，方法切实有效且普遍适用。并且需要提别提到的是，本发明经探索得到的最佳冷/热处理程序，升降温次数少，程序相对简单，且耗时短。
同时，本发明还采用更高浓度的复合微生物菌液浓度，在上述方法的基础上，进一步保证在冷/热处理过程中损失一部分活菌后，菌剂本省仍能保持符合要求的污水处理能力。
本发明提供的颗粒状固体微生物菌剂，采用了特定的核芯和支撑层材料、配比和特定的热处理程序，保证了颗粒材料结构的稳定性，在后续的浸泡复合微生物菌液及产品进行污水处理应用过程中，均不会出现大量破碎的现象。
本发明采用种类较少的简单微生物配方即可达到非常高的污水处理效果，在减少制备成本的同时，也因为微生物种类较少而放宽了菌群存活和生长条件，结合固体菌剂自身的有点，有效保护菌群存活和生长，保证污水处理效果。
本发明采用更加简单易得且廉价环保的原材料，避免使用大量化学药品，采用的生物碳元及其他材料在使用过程中无法扩散到水体环境中，且使用后材料仍呈固体颗粒状，能够回收，处理后可有多种用途，既避免了污水处理材料自身对水体造成的二次污染，又节约了资源。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
除非特别指出，以下实施例和对比例为平行试验，采用同样的处理步骤和参数。以下实施例中涉及的菌种对应的保藏编号为：交替假单胞菌保藏编号CGMCC No.14429，枯草芽孢杆菌CCTCC NO.M2012078，双岐菌保藏编号CICC 6168，和酵母菌保藏编号CCTCC NO:M2014349，阿氏芽孢杆菌CGMCC No.11664，环状芽孢杆菌CGMCC NO.8910，解木聚糖类芽孢杆菌，购自商城北纳创联生物科技有限公司，资源编号BNCC204099，胶冻样类芽孢杆菌CGMCC No.7240。
实施例1制备微生物菌剂：
(1)将多孔碳材料、生物碳源、淀粉胶粘剂、碳海绵混合均匀，加无菌水混匀后静置、造粒、干燥；
(2)步骤(1)所得颗粒浸泡在复合微生物菌液中；
(3)步骤(2)所得颗粒取出，程序冷/热处理，得到固态颗粒状微生物菌剂。
步骤(1)所述多孔碳材料为竹炭粉。步骤(1)所述生物碳源为麸皮；生物碳源为粉末状，粒径为150-200目。步骤(1)所述淀粉胶粘剂包括复合型淀粉粘合剂或改性淀粉粘合剂等，主要成分为淀粉或改性淀粉，从市场购买。步骤(1)所述碳海绵为粉末状，粒径为0.2-0.5mm。步骤(1)所述多孔碳材料、生物碳源、淀粉胶粘剂、碳海绵、无菌水的质量比为5:9:2:4:60；静置时间为2h；所述造粒，粒径为20mm，造粒温度为40℃；所述干燥为热风干燥，温度为80℃，时间为45min。
步骤(2)所述复合微生物菌液由无菌水配制而成，其中包括枯草芽孢杆菌、交替假单胞菌、双岐菌和酵母菌。浸泡温度为23-25℃，浸泡时间为2h，浸泡期间可通过鼓气或震荡等方式促进复合微生物菌液渗透。
所述复合微生物菌液中，枯草芽孢杆菌、交替假单胞菌、双岐菌和酵母菌的浓度分别为2.86-4.69×1013个/mL、6.11-8.96×1013个/mL、5.98-8.19×1013个/mL和6.18-8.31×1013/mL。
步骤(3)所述程序冷/热处理，具体为：降温至15℃，以300-400℃/min速度升温至T1，保温时间t1；以300-400℃/min速度降温至T2，保温时间t2；以200-300℃/min速度降温至室温，室温鼓风15s。其中，T1为200℃，t1为5s；T2为100℃，t2为10s。
本发明中所述冷、热处理、干燥等操作，采用的均为冷风、热风的方式进行降温或升温。
制备后经过对固体颗粒切面的测量，得到以下参数关系：
所述核芯的粒径为l1，支撑层的厚度为d2，轻质层厚度为d3，则有：
l1为25mm，d2为5mm，μ为调节系数，数值为1.02。
实施例2制备微生物菌剂：
(1)将多孔碳材料、生物碳源、淀粉胶粘剂、碳海绵混合均匀，加无菌水混匀后静置、造粒、干燥；
(2)步骤(1)所得颗粒浸泡在复合微生物菌液中；
(3)步骤(2)所得颗粒取出，程序冷/热处理，得到固态颗粒状微生物菌剂。
步骤(1)所述多孔碳材料为竹炭粉。步骤(1)所述生物碳源包括麸皮和秸秆，二者质量比为3:1；生物碳源为粉末状，粒径为150-200目。步骤(1)所述淀粉胶粘剂包括复合型淀粉粘合剂或改性淀粉粘合剂等，主要成分为淀粉或改性淀粉，从市场购买。步骤(1)所述碳海绵为粉末状，粒径为0.2-0.5mm。步骤(1)所述多孔碳材料、生物碳源、淀粉胶粘剂、碳海绵、无菌水的质量比为8:13:3:20:90；静置时间为4h；所述造粒，粒径为70mm，造粒温度为70℃；所述干燥为热风干燥，温度为100℃，时间为120min。
步骤(2)所述复合微生物菌液由无菌水配制而成，其中包括枯草芽孢杆菌、交替假单胞菌、双岐菌和酵母菌。浸泡温度为23-25℃，浸泡时间为4h，浸泡期间可通过鼓气或震荡等方式促进复合微生物菌液渗透。
所述复合微生物菌液中，枯草芽孢杆菌、交替假单胞菌、双岐菌和酵母菌的浓度分别为2.86-4.69×1013个/mL、6.11-8.96×1013个/mL、5.98-8.19×1013个/mL和6.18-8.31×1013/mL。
步骤(3)所述程序冷/热处理，具体为：降温至20℃，以300-400℃/min速度升温至T1，保温时间t1；以300-400℃/min速度降温至T2，保温时间t2；以200-300℃/min速度降温至室温，室温鼓风30s。其中，T1为250℃，t1为10s；T2为150℃，t2为15s。
本发明中所述冷、热处理、干燥等操作，采用的均为冷风、热风的方式进行降温或升温。
制备后经过对固体颗粒切面的测量，得到以下参数关系：
所述核芯的粒径为l1，支撑层的厚度为d2，轻质层厚度为d3，则有：
l1为60mm，d2为10mm，μ为调节系数，数值为1.59。
实施例3制备微生物菌剂：
(1)将多孔碳材料、生物碳源、淀粉胶粘剂、碳海绵混合均匀，加无菌水混匀后静置、造粒、干燥；
(2)步骤(1)所得颗粒浸泡在复合微生物菌液中；
(3)步骤(2)所得颗粒取出，程序冷/热处理，得到固态颗粒状微生物菌剂。
步骤(1)所述多孔碳材料为竹炭粉。步骤(1)所述生物碳源包括麸皮和秸秆，二者质量比为3:1；生物碳源为粉末状，粒径为150-200目。步骤(1)所述淀粉胶粘剂包括复合型淀粉粘合剂或改性淀粉粘合剂等，主要成分为淀粉或改性淀粉，从市场购买。步骤(1)所述碳海绵为粉末状，粒径为0.2-0.5mm。步骤(1)所述多孔碳材料、生物碳源、淀粉胶粘剂、碳海绵、无菌水的质量比为8:13:3:20:90；静置时间为4h；所述造粒，粒径为70mm，造粒温度为70℃；所述干燥为热风干燥，温度为100℃，时间为120min。
步骤(2)所述复合微生物菌液由无菌水配制而成，其中包括枯草芽孢杆菌、交替假单胞菌、双岐菌、酵母菌、阿氏芽孢杆菌、环状芽孢杆菌、解木聚糖类芽孢杆菌、胶冻样类芽孢杆菌。浸泡温度为23-25℃，浸泡时间为4h，浸泡期间可通过鼓气或震荡等方式促进复合微生物菌液渗透。
所述复合微生物菌液中，枯草芽孢杆菌、交替假单胞菌、双岐菌和酵母菌的浓度分别为2.86-4.69×1013个/mL、6.11-8.96×1013个/mL、5.98-8.19×1013个/mL和6.18-8.31×1013/mL，阿氏芽孢杆菌、环状芽孢杆菌、解木聚糖类芽孢杆菌、胶冻样类芽孢杆菌的浓度分别为1.98-3.66×1013个/mL、2.95-5.96×1013个/mL、2.58-4.69×1013个/mL和1.98-4.02×1013/mL。
步骤(3)所述程序冷/热处理，具体为：降温至20℃，以300-400℃/min速度升温至T1，保温时间t1；以300-400℃/min速度降温至T2，保温时间t2；以200-300℃/min速度降温至室温，室温鼓风30s。其中，T1为250℃，t1为10s；T2为150℃，t2为15s。
本发明中所述冷、热处理、干燥等操作，采用的均为冷风、热风的方式进行降温或升温。
制备后经过对固体颗粒切面的测量，得到以下参数关系：
所述核芯的粒径为l1，支撑层的厚度为d2，轻质层厚度为d3，则有：
l1为60mm，d2为10mm，μ为调节系数，数值为1.59。
对比例1制备应用于污水处理的复合微生物菌剂：
(1)将多孔碳材料、生物碳源、淀粉胶粘剂混合均匀，加无菌水混匀后静置、造粒、干燥；多孔碳材料为竹炭粉。生物碳源包括麸皮和秸秆，二者质量比为3:1；生物碳源为粉末状，粒径为150-200目。多孔碳材料、生物碳源、淀粉胶粘剂、无菌水的质量比为8:13:3:90；静置时间为4h；造粒粒径为60mm，造粒温度为70℃；干燥为热风干燥，温度为120℃，时间为20min。
(2)步骤(1)所得颗粒在滚动状态下，表面喷洒包裹液A，程序热处理；包裹液A包括多孔碳材料、生物碳源、淀粉胶粘剂和无菌水，多孔碳材料、生物碳源、淀粉胶粘剂、无菌水的质量比为23:4:6:100；程序热处理具体为：120℃热风干燥8h后，以200-300℃/min的速率升温至180℃，保温60s，再降温至100℃，保温60min，自然冷却至室温。包裹液A的用量以最终所得复合微生物菌剂各层之间的结构比例为依据进行调节。
(3)步骤(2)所得颗粒浸泡在复合微生物菌液中；复合微生物菌液由无菌水配制而成，其中包括枯草芽孢杆菌、交替假单胞菌、双岐菌和酵母菌。浸泡温度为23-25℃，浸泡时间为5h，浸泡期间可通过鼓气或震荡等方式促进复合微生物菌液渗透。复合微生物菌液中，枯草芽孢杆菌、交替假单胞菌、双岐菌和酵母菌的浓度分别为2.86-4.69×1013个/mL、6.11-8.96×1013个/mL、5.98-8.19×1013个/mL和6.18-8.31×1013/mL。
(4)步骤(3)所得颗粒取出，在滚动状态下，表面喷洒包裹液B，经热处理得到固态颗粒状应用于污水处理的复合微生物菌剂；包裹液B包括多孔碳材料、淀粉胶粘剂、碳海绵和无菌水，多孔碳材料、淀粉胶粘剂、碳海绵、无菌水的质量比为25:9:20:80；热处理为热风热处理，具体为：热风以200-300℃/min的速率升温至180℃，保温30s，再以200-300℃/min的速率降温至室温。碳海绵为粉末状，粒径为0.3-1mm。包裹液B的用量以最终所得复合微生物菌剂各层之间的结构比例为依据进行调节。
利用上述方法制备的复合微生物菌剂为颗粒状固体，颗粒为分层结构，由内到外包括核芯、支撑层和轻质层，其中，核芯包括多孔碳材料、生物碳源、淀粉胶粘剂和复合微生物菌液，支撑层包括多孔碳材料、生物碳源、淀粉胶粘剂和复合微生物菌液，轻质层包括多孔碳材料、淀粉胶粘剂和碳海绵。复合微生物菌液由无菌水配制而成，其中包括枯草芽孢杆菌、交替假单胞菌、双岐菌和酵母菌。复合微生物菌液中，枯草芽孢杆菌、交替假单胞菌、双岐菌和酵母菌的浓度分别为6.66-9.19×1012个/mL、3.91-5.66×1012个/mL、2.78-4.12×1012个/mL和3.88-5.13×1012/mL。
设核芯的粒径为l1，支撑层的厚度为d2，轻质层厚度为d3，则有：
l1为步骤(1)造粒粒径60mm，d2为5mm，则有d3为2.5mm，l1+d2+d3为制备得到的微生物菌剂颗粒总粒径，为67.5mm。
对比例2制备应用于污水处理的复合微生物菌剂：
(1)将多孔碳材料、生物碳源、淀粉胶粘剂混合均匀，加无菌水混匀后静置、造粒、干燥；多孔碳材料为竹炭粉。生物碳源包括麸皮和秸秆，二者质量比为3:1；生物碳源为粉末状，粒径为150-200目。多孔碳材料、生物碳源、淀粉胶粘剂、无菌水的质量比为8:13:3:90；静置时间为4h；造粒粒径为60mm，造粒温度为70℃；干燥为热风干燥，温度为120℃，时间为20min。
(2)步骤(1)所得颗粒在滚动状态下，表面喷洒包裹液A，程序热处理；包裹液A包括多孔碳材料、生物碳源、淀粉胶粘剂和无菌水，多孔碳材料、生物碳源、淀粉胶粘剂、无菌水的质量比为23:4:6:100；程序热处理具体为：120℃热风干燥8h后，以200-300℃/min的速率升温至180℃，保温60s，再降温至100℃，保温60min，自然冷却至室温。包裹液A的用量以最终所得复合微生物菌剂各层之间的结构比例为依据进行调节。
(3)步骤(2)所得颗粒浸泡在复合微生物菌液中；复合微生物菌液由无菌水配制而成，其中包括枯草芽孢杆菌、交替假单胞菌、双岐菌和酵母菌。浸泡温度为23-25℃，浸泡时间为5h，浸泡期间可通过鼓气或震荡等方式促进复合微生物菌液渗透。复合微生物菌液中，枯草芽孢杆菌、交替假单胞菌、双岐菌和酵母菌的浓度分别为2.86-4.69×1013个/mL、6.11-8.96×1013个/mL、5.98-8.19×1013个/mL和6.18-8.31×1013/mL。
(4)步骤(3)所得颗粒取出，在滚动状态下，表面喷洒包裹液B，经热处理得到固态颗粒状应用于污水处理的复合微生物菌剂；包裹液B包括多孔碳材料、淀粉胶粘剂、碳海绵和无菌水，多孔碳材料、淀粉胶粘剂、碳海绵、无菌水的质量比为25:9:20:80；热处理为热风热处理，具体为：热风以200-300℃/min的速率升温至180℃，保温30s，再以200-300℃/min的速率降温至室温。碳海绵为粉末状，粒径为0.3-1mm。包裹液B的用量以最终所得复合微生物菌剂各层之间的结构比例为依据进行调节。
利用上述方法制备的复合微生物菌剂为颗粒状固体，颗粒为分层结构，由内到外包括核芯、支撑层和轻质层，其中，核芯包括多孔碳材料、生物碳源、淀粉胶粘剂和复合微生物菌液，支撑层包括多孔碳材料、生物碳源、淀粉胶粘剂和复合微生物菌液，轻质层包括多孔碳材料、淀粉胶粘剂和碳海绵。复合微生物菌液由无菌水配制而成，其中包括枯草芽孢杆菌、交替假单胞菌、双岐菌和酵母菌。复合微生物菌液中，枯草芽孢杆菌、交替假单胞菌、双岐菌和酵母菌的浓度分别为6.66-9.19×1012个/mL、3.91-5.66×1012个/mL、2.78-4.12×1012个/mL和3.88-5.13×1012/mL。
设核芯的粒径为l1，支撑层的厚度为d2，轻质层厚度为d3，l1为步骤(1)造粒粒径60mm，d2为5mm，d3为2.5mm，l1+d2+d3为制备得到的微生物菌剂颗粒总粒径，为67.5mm。
利用上述方法制备的复合微生物菌剂为颗粒状固体，颗粒为分层结构，由内到外包括核芯、支撑层和轻质层，其中，核芯包括多孔碳材料、生物碳源、淀粉胶粘剂和复合微生物菌液，支撑层包括多孔碳材料、生物碳源、淀粉胶粘剂和复合微生物菌液，轻质层包括多孔碳材料、淀粉胶粘剂和碳海绵。复合微生物菌液由无菌水配制而成，其中包括枯草芽孢杆菌、交替假单胞菌、双岐菌和酵母菌。复合微生物菌液中，枯草芽孢杆菌、交替假单胞菌、双岐菌和酵母菌的浓度分别为6.66-9.19×1012个/mL、3.91-5.66×1012个/mL、2.78-4.12×1012个/mL和3.88-5.13×1012/mL。
设核芯的粒径为l1，支撑层的厚度为d2，轻质层厚度为d3，l1为步骤(1)造粒粒径60mm，d2为5mm，d3为1.5mm。
经后续效果验证试验发现，此对比例所得产品经入水使用后无法悬浮，而是全部沉积在污水样品的底部，氨氮去除率也非常低，说明采用本发明提供的层间比例算法关系，可以保证颗粒材料在样品中的均匀分布，这样才能使其发挥去氨氮作用。
对比例3制备应用于污水处理的复合微生物菌剂：
优选地，上述应用于污水处理的复合微生物菌剂的制备方法包括以下步骤：
(1)将多孔碳材料、生物碳源、淀粉胶粘剂混合均匀，加无菌水混匀后静置、造粒、干燥；多孔碳材料为竹炭粉。生物碳源包括麸皮和秸秆，二者质量比为3:1；生物碳源为粉末状，粒径为150-200目。多孔碳材料、生物碳源、淀粉胶粘剂、无菌水的质量比为8:13:3:90；静置时间为4h；造粒粒径为60mm，造粒温度为70℃；干燥为热风干燥，温度为120℃，时间为20min。
(2)步骤(1)所得颗粒在滚动状态下，表面喷洒包裹液A，程序热处理；包裹液A包括多孔碳材料、生物碳源、淀粉胶粘剂和无菌水，多孔碳材料、生物碳源、淀粉胶粘剂、无菌水的质量比为23:4:6:100；程序热处理具体为：120℃热风干燥8h后，以200-300℃/min的速率升温至180℃，保温60s，再降温至100℃，保温60min，自然冷却至室温。包裹液A的用量以最终所得复合微生物菌剂各层之间的结构比例为依据进行调节。
(3)步骤(2)所得颗粒浸泡在复合微生物菌液中；复合微生物菌液由无菌水配制而成，其中包括枯草芽孢杆菌、交替假单胞菌、双岐菌和酵母菌。浸泡温度为23-25℃，浸泡时间为5h，浸泡期间可通过鼓气或震荡等方式促进复合微生物菌液渗透。复合微生物菌液中，枯草芽孢杆菌、交替假单胞菌、双岐菌和酵母菌的浓度分别为6.66-9.19×1012个/mL、3.91-5.66×1012个/mL、2.78-4.12×1012个/mL和3.88-5.13×1012/mL。
(4)步骤(3)所得颗粒取出，在滚动状态下，表面喷洒包裹液B，经热处理得到固态颗粒状应用于污水处理的复合微生物菌剂；包裹液B包括多孔碳材料、淀粉胶粘剂、碳海绵和无菌水，多孔碳材料、淀粉胶粘剂、碳海绵、无菌水的质量比为25:9:20:80；热处理为热风热处理，具体为：热风以200-300℃/min的速率升温至180℃，保温30s，再以200-300℃/min的速率降温至室温。碳海绵为粉末状，粒径为0.3-1mm。包裹液B的用量以最终所得复合微生物菌剂各层之间的结构比例为依据进行调节。
利用上述方法制备的复合微生物菌剂为颗粒状固体，颗粒为分层结构，由内到外包括核芯、支撑层和轻质层，其中，核芯包括多孔碳材料、生物碳源、淀粉胶粘剂和复合微生物菌液，支撑层包括多孔碳材料、生物碳源、淀粉胶粘剂和复合微生物菌液，轻质层包括多孔碳材料、淀粉胶粘剂和碳海绵。复合微生物菌液由无菌水配制而成，其中包括枯草芽孢杆菌、交替假单胞菌、双岐菌和酵母菌。复合微生物菌液中，枯草芽孢杆菌、交替假单胞菌、双岐菌和酵母菌的浓度分别为6.66-9.19×1012个/mL、3.91-5.66×1012个/mL、2.78-4.12×1012个/mL和3.88-5.13×1012/mL。
设核芯的粒径为l1，支撑层的厚度为d2，轻质层厚度为d3，l1为步骤(1)造粒粒径60mm，d2为5mm，d3为3.5mm。经后续效果验证试验发现，此对比例所得产品经入水使用后颗粒结构不稳定，易破碎，说明采用本发明提供的层间比例算法关系，可以保证颗粒材料的结构稳定性，达到长期使用和材料完整回收的目的。
效果验证：
采用以上实施例及对比例制备得到的微生物菌剂进行污水处理：污水样品中NH3-N含量为30mg/L，在每份样品中分别投入上述微生物菌剂，投加量为7g/L，空白组投加等量沸石颗粒，经30min、2h、5h、10h、24h、72h后分别取水样和其中的微生物菌剂进行检测和观察，结果如下：
空白组在30min氨氮去除率为1.8％，之后氨氮浓度无明显变化；实施例1、2、3在相同取样时间点的氨氮去除率相近，仅以实施例2举例，其在前四个不同取样时间点的氨氮去除率分别为49.6％、93.9％、99.5％、99.8％，之后氨氮浓度无明显变化。可见，本发明提供的颗粒状固体污水处理微生物菌剂去除水中低浓度氨氮效果显著，且显效快。对比例1在前四个不同取样时间点的氨氮去除率分别为32.6％、90.1％、99.4％、99.7％，之后氨氮浓度无明显变化。可见，采用本发明提供的方法制备的菌剂，其效果与对比例1采用的相对复杂得多的方法得到的菌剂，污水处理效果相近，且菌液浓度的增大并未对氨氮去除率起到正面影响，可见，本发明采用的特定的热处理步骤才是提升氨氮去除率的关键。本发明不仅简化了加工步骤，而且提升了氨氮去除率。对比例2在使用过程中菌剂颗粒沉积在污水样品底部，在30min氨氮去除率为16.8％，之后氨氮浓度无明显变化，说明其由于结构缺陷而无法实现污水处理的作用。
在72h时间点取出水中的微生物菌剂，观察发现，实施例1、2、3、对比例1、2颗粒表层结构完整，取出过程中也并无材料破碎现象出现，而对比例3在5h时间点之后的取样中均出现大量的颗粒破碎状况，且随着使用时间的增加而愈发严重，证明其结构缺陷导致了颗粒结构的不稳定，材料无法回收，且残留在污水样品中的破碎材料再次形成了污染。
以上对本发明优选的具体实施方式和实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式和实施例，在本领域技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明构思的前提下作出各种变化。
Claims (10)
1.一种微生物菌剂，其特征在于：所述微生物菌剂为颗粒状固体，颗粒为分层结构，由内到外包括核芯、支撑层和轻质层，其中，核芯、支撑层均包括多孔碳材料、生物碳源、淀粉胶粘剂、碳海绵和复合微生物菌液，轻质层包括多孔碳材料、生物碳源、淀粉胶粘剂、碳海绵；所述复合微生物菌液由无菌水配制而成，其中包括枯草芽孢杆菌、交替假单胞菌、双岐菌和酵母菌。
2.根据权利要求1所述的微生物菌剂，其特征在于：所述复合微生物菌液中，枯草芽孢杆菌、交替假单胞菌、双岐菌和酵母菌的浓度分别为2.86-4.69×1013个/mL、6.11-8.96×1013个/mL、5.98-8.19×1013个/mL和6.18-8.31×1013/mL。
3.根据权利要求2所述的微生物菌剂，其特征在于：所述复合微生物菌液中还包括阿氏芽孢杆菌、环状芽孢杆菌、解木聚糖类芽孢杆菌、胶冻样类芽孢杆菌。
4.一种权利要求1-3所述的微生物菌剂的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)将多孔碳材料、生物碳源、淀粉胶粘剂、碳海绵混合均匀，加无菌水混匀后静置、造粒、干燥；
(2)步骤(1)所得颗粒浸泡在复合微生物菌液中；
(3)步骤(2)所得颗粒取出，程序冷/热处理，得到固态颗粒状微生物菌剂。
5.根据权利要求4所述的微生物菌剂的制备方法，其特征在于：步骤(1)所述多孔碳材料为竹炭粉；步骤(1)所述生物碳源包括麸皮；更优选地，所述生物碳源还包括秸秆、麦壳、稻壳、玉米芯中的一种或二种以上；生物碳源为粉末状，粒径为150-200目；步骤(1)所述碳海绵为粉末状，粒径为0.2-0.5mm。
6.根据权利要求4所述的微生物菌剂的制备方法，其特征在于：步骤(1)所述多孔碳材料、生物碳源、淀粉胶粘剂、碳海绵、无菌水的质量比为(5-8):(9-13):(2-3):(4-20):(60-100)；静置时间为1-4h；所述造粒，粒径为15-70mm，造粒温度为40-70℃；所述干燥为热风干燥，温度为80-100℃，时间为45-120min。
7.根据权利要求4所述的微生物菌剂的制备方法，其特征在于：步骤(2)所述复合微生物菌液由无菌水配制而成，其中包括芽孢杆菌、交替假单胞菌、双岐菌和酵母菌。浸泡温度为23-25℃，浸泡时间为2-5h，浸泡期间可通过鼓气或震荡等方式促进复合微生物菌液渗透。
8.根据权利要求7所述的微生物菌剂的制备方法，其特征在于：所述复合微生物菌液中，芽孢杆菌、交替假单胞菌、双岐菌和酵母菌的浓度分别为2.86-4.69×1013个/mL、6.11-8.96×1013个/mL、5.98-8.19×1013个/mL和6.18-8.31×1013/mL。
9.根据权利要求4所述的微生物菌剂的制备方法，其特征在于：步骤(3)所述程序冷/热处理，具体为：降温至15-20℃，以300-400℃/min速度升温至T1，保温时间t1；以300-400℃/min速度降温至T2，保温时间t2；以200-300℃/min速度降温至室温，室温鼓风10-30s；其中，T1为200-250℃，t1为5-10s；T2为100-150℃，t2为10-15s。
10.一种权利要求1-3所述的微生物菌剂在污水处理中的应用。
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