CN112852674B - 一种工业污水处理菌剂的制备方法 - Google Patents

一种工业污水处理菌剂的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种工业污水处理菌剂的制备方法，涉及水处理技术领域。该菌剂原料组份包括：主料为复合菌，包括产吲哚金黄杆菌、恶臭假单胞菌、亚硝化菌、鲁氏不动杆菌；营养成分，包括咖啡酰苹果酸、抗坏血酸钠和核黄素；固体基质，包括珍珠岩和壳聚糖衍生物。投加本发明制得的菌剂后，可显著提升生物强化作用，增强去除污水中BOD等有机污染物、氨氮的效果；此外，还显著增强了菌剂对黄连素及重金属离子的去除效果。该菌剂可应用于畜禽养殖废水、工业有机废水、河道黑臭水体、餐厨垃圾厌氧消化沼液等的生化处理，具有较高的应用价值；用于处理有机废水，处理效率高、经济效益好、操作方便、无污染。

Description

一种工业污水处理菌剂的制备方法
技术领域
本发明属于水处理技术领域，具体涉及一种工业污水处理菌剂的制备方法。
背景技术
工业废水成分复杂，特别是大量的人工合成化合物进入环境，这类物质主要是烷烃类、烯烃类、脂环烃类、芳香烃类、人工合成的有机物，尤其是大分子、难降解、有毒有害物质如苯酚、氯酚、甲酚、硝基酚等、芳香烃类、氰类、胺类以及氨氮等随着工厂排放的废水或固废进入环境，由于这些物质本身结构的复杂性和生物的陌生性，在短时间内不能被微生物分解利用，传统的废水处理方法用活性污泥培养驯化的微生物已不能有效地对这些污染物加以去除，这些物质长期在环境中积累，给我们赖以生存的生态环境造成很大污染，给人类的身心健康带来很大危害。
目前工业废水处理方法主要有物理方法反渗透、蒸馏、土壤灌溉；化学法有离子交换法、氨吹脱、化学沉淀法、折点氯化、电渗析、电化学处理、催化裂解；生物方法有硝化及藻类养殖，然而物理方法处理效果不佳，较之化学法，生物处理方法是治理工业污染水体的有效方法。它是利用微生物的作用，使化合物得到分解。由于生物处理方法比物理、化学方法成本低得多，又无二次污染，且微生物又具有较强的可变异性及适应性，因此它已成为处理工业污染水体的理想方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种工业污水处理菌剂的制备方法，该菌剂具有优异的生物强化作用，有效除污水中BOD等有机污染物、氨氮；且还显著增强了对黄连素及重金属离子的去除效果。
本发明为实现上述目的所采取的技术方案为：
一种壳聚糖衍生物在污水处理中的用途，其中，壳聚糖衍生物为4-氨基-2-硝基二苯胺-2'-甲酸改性壳聚糖。壳聚糖具有良好的生物相容性，可生物降解。采用4-氨基-2-硝基二苯胺-2'-甲酸改性壳聚糖制得壳聚糖衍生物，增大其分子量，提高阳离子度，可有效增强对微生物的附着性能，提高微生物活性；且可与重金属离子形成络合物，有效提升对重金属离子的去除效果；同时应用于污水处理剂中，可显著提升菌剂的浊度去除性能。
一种壳聚糖衍生物的制备方法，包括：
将壳聚糖溶于1～2％的醋酸中，并搅拌至完全溶解，加入4-氨基-2-硝基二苯胺-2'-甲酸；接着将N-羟基琥珀亚胺(N-羟基琥珀亚胺与壳聚糖摩尔比为1～1.3：1)加入1～2mg/mL的EDC中溶解后，加入上述混合溶液中，继续搅拌至完全溶解后调节pH至8～9，接着搅拌22～24h。然后将溶液装入透析袋放进蒸馏水中透析3～4天，期间适时更换蒸馏水。之后将透析袋转入PEG溶液中浓缩1～2天。接着取浓缩液，加入丙酮(1：2～2.5)，使改性的壳聚糖沉淀10～12h。将溶液离心(转速12000～15000rpm)，取沉淀部分用无水乙醇清洗2～3次，然后在50～60℃条件下烘干即可。
需要说明的是，4-氨基-2-硝基二苯胺-2'-甲酸与壳聚糖摩尔比为1～1.5：1。
一种工业污水处理菌剂，包括：上述壳聚糖衍生物。
需要说明的是，处理菌剂原料组份包括：
主料，上述主料为复合菌，包括产吲哚金黄杆菌、恶臭假单胞菌、亚硝化菌、鲁氏不动杆菌；
营养成分，包括咖啡酰苹果酸、抗坏血酸钠和核黄素；
固体基质，包括珍珠岩和壳聚糖衍生物。复合菌中各微生物之间相互协调，达到最佳生物强化效果，处理方法简便，减少环境污染。营养成分主要用来提高菌种的生长速率和增强菌种对冲击的抵抗力。抗坏血酸钠作为有机盐化合物，可以调节水体的离子强度，有利于强化反应速率；咖啡酰苹果酸的存在可有效促进微生物各种酶的分泌，增强其生物活性，提升对黄连素的去除作用；咖啡酰苹果酸和核黄素同时为微生物提供碳源和氮源，有利于微生物生长。珍珠岩和壳聚糖衍生物作为微生物的载体，更有利于附着其生长，配合使用可以提高菌种的生物活性；壳聚糖衍生物的存在，可显著提升菌剂的浊度去除性能，增强对重金属离子的去除作用。投加本发明制得的菌剂后，可显著提升生物强化作用，增强去除污水中BOD等有机污染物、氨氮的效果；此外，还显著增强了菌剂对黄连素及重金属离子的去除效果。
需要说明的是，主料中复合菌的原料组成包括，按重量份计，8～13份产吲哚金黄杆菌、6～10份恶臭假单胞菌、3～7份亚硝化菌、2～5份鲁氏不动杆菌。
需要说明的是，辅营养成分的原料组成包括，按重量份计，2～4份抗坏血酸钠、0.8～1.6份咖啡酰苹果酸、0.1～0.8份核黄素。
需要说明的是，固体基质的原料组成包括，按重量份计，16～20份珍珠岩和6～10份壳聚糖衍生物。
一种工业污水处理菌剂的制备方法，包括：
复合微生物菌液的制备，取产吲哚金黄杆菌、恶臭假单胞菌、亚硝化菌、鲁氏不动杆菌分别进行一级斜面培养、二级液体培养得到微生物菌液，再进行混合得到复合微生物菌液；
污水处理菌剂的制备，将复合微生物菌液与营养成分、固体基质混合，30～34℃发酵24～48h即得污水处理菌剂。
需要说明的是，菌剂的使用量为处理污水总量的1～4wt‰。
需要说明的是，本领域技术人员可以根据常识选择合适的培养基及扩大培养方法。
相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：
复合菌中各微生物之间相互协调，达到最佳生物强化效果，处理方法简便，减少环境污染。营养成分主要用来提高菌种的生长速率和增强菌种对冲击的抵抗力；咖啡酰苹果酸的存在可有效促进微生物各种酶的分泌，增强其生物活性；咖啡酰苹果酸和核黄素为微生物提供碳源和氮源，促进微生物生长。珍珠岩和壳聚糖衍生物作为微生物的载体，更有利于其附着生长，进而提高菌种的生物活性；且壳聚糖衍生物的存在，可显著提升菌剂的浊度去除性能，增强对重金属离子的去除作用。投加本发明制得的菌剂后，可显著提升生物强化作用，增强去除污水中BOD等有机污染物、氨氮的效果；此外，还显著增强了菌剂对黄连素的去除效果。该菌剂可应用于畜禽养殖废水、工业有机废水、河道黑臭水体、餐厨垃圾厌氧消化沼液等的生化处理，具有较高的应用价值。
因此，本发明提供了一种工业污水处理菌剂的制备方法，该菌剂具有优异的生物强化作用，有效除污水中BOD等有机污染物、氨氮；且还显著增强了对黄连素及重金属离子的去除效果。
附图说明
图1为本发明试验例1中红外测试结果；
图2为本发明试验例1中酶含量测试结果。
具体实施方式
以下结合具体实施方式和附图对本发明的技术方案作进一步详细描述：
本发明实施例所用产吲哚金黄杆菌(Chryseobacterium indologenes)保藏号为CCTCC NO：M 2018651；恶臭假单胞菌(Pseudomonas putida)保藏号为ATCC 49128；鲁氏不动杆菌(Acinetobacter lwoffiis)保藏号为CICC 23693；亚硝化菌(Nitrosomonaseuropaea)保藏号为CCTCC No：M 2010002。
一级斜面培养用培养基为PDA固体培养基；
二级液体培养：
产吲哚金黄杆菌培养
液体培养基：
LB培养基：胰化蛋白胨10g，酵母提取物5g，NaCl 10g，蒸馏水1000.0ml，调节pH值到7.0，121℃下高压灭菌20min。
液体培养条件：30～32℃条件下培养2～4d。
恶臭假单胞菌培养
液体培养基：
牛肉膏3g、蛋白胨5g、氯化钠5g，蒸馏水1000.0ml，调节pH至7.0，121℃下灭菌15min。
液体培养条件：28～30℃条件下培养2～3d。
鲁氏不动杆菌培养
液体培养基：
牛脑浸粉4g，牛心浸粉4g，蛋白胨5g，酪蛋白胨16g，NaCl 5g，葡萄糖2g，磷酸氢二钠2.5g，蒸馏水1000.0ml，调节pH至7.4，121℃下灭菌15min。
液体培养条件：28～30℃条件下培养1～2d。
亚硝化菌培养
液体培养基：
硫酸铵8g，磷酸氢二钾2g，硫酸镁0.1g，NaCl 4g，硫酸铁0.8g，碳酸钙10g，蒸馏水1000.0ml，调节pH至8.0，121℃下灭菌15min。
液体培养条件：28～30℃条件下培养1～2d。
本发明实施例所用壳聚糖购自阿拉丁试剂公司，脱乙酰度≥95％，粘度100～200mPa·s。
实施例1：
壳聚糖衍生物的制备：
将壳聚糖溶于1％的醋酸中，并搅拌至完全溶解。按照4-氨基-2-硝基二苯胺-2'-甲酸与壳聚糖摩尔比为1.38：1的量加入4-氨基-2-硝基二苯胺-2'-甲酸；接着将N-羟基琥珀亚胺(N-羟基琥珀亚胺与壳聚糖摩尔比为1.1：1)加入1.5mg/mL的EDC中溶解后，加入上述混合溶液中，继续搅拌至完全溶解后调节pH至8.5，接着搅拌24h。然后将溶液装入透析袋放进蒸馏水中透析3天，期间适时更换蒸馏水。之后将透析袋转入PEG溶液中浓缩2天。接着取浓缩液，加入丙酮(1：2)，使改性的壳聚糖沉淀10h。将溶液离心(转速15000rpm)，取沉淀部分用无水乙醇清洗3次，然后在60℃条件下烘干即可。
一种工业污水处理菌剂，包括，主料，按重量份计，10份产吲哚金黄杆菌、7份恶臭假单胞菌、5份亚硝化菌、3份鲁氏不动杆菌。
营养成分，按重量份计，3份抗坏血酸钠、0.4份核黄素。
固体基质，按重量份计，18份珍珠岩和9份壳聚糖衍生物。
上述工业污水处理菌剂的制备：
复合微生物菌液的制备，取产吲哚金黄杆菌、恶臭假单胞菌、亚硝化菌、鲁氏不动杆菌分别进行一级斜面培养、二级液体培养得到微生物菌液，再进行混合得到复合微生物菌液；
污水处理菌剂的制备，将复合微生物菌液与营养成分、固体基质混合，30～34℃发酵48h，即得处理菌剂。
实施例2：
壳聚糖衍生物的制备与实施例1相同。
一种工业污水处理菌剂，包括，主料，按重量份计，11份产吲哚金黄杆菌、7份恶臭假单胞菌、4份亚硝化菌、4份鲁氏不动杆菌。
营养成分，按重量份计，4份抗坏血酸钠、0.7份核黄素。
固体基质，按重量份计，17份珍珠岩和7份壳聚糖衍生物。
工业污水处理菌剂的制备与实施例1相同。
实施例3：
壳聚糖衍生物的制备与实施例1相同。
一种工业污水处理菌剂，包括，主料，按重量份计，9份产吲哚金黄杆菌、6份恶臭假单胞菌、6份亚硝化菌、5份鲁氏不动杆菌。
营养成分，按重量份计，4份抗坏血酸钠、0.6份核黄素。
固体基质，按重量份计，19份珍珠岩和6份壳聚糖衍生物。
工业污水处理菌剂的制备与实施例1相同。
实施例4：
壳聚糖衍生物的制备与实施例1相同。
一种工业污水处理菌剂，包括，主料，按重量份计，10份产吲哚金黄杆菌、7份恶臭假单胞菌、5份亚硝化菌、3份鲁氏不动杆菌。
营养成分，按重量份计，3份抗坏血酸钠、0.4份核黄素和1份咖啡酰苹果酸。
固体基质，按重量份计，18份珍珠岩。
工业污水处理菌剂的制备与实施例1相同。
实施例5：
一种工业污水处理菌剂，包括，主料，按重量份计，10份产吲哚金黄杆菌、7份恶臭假单胞菌、5份亚硝化菌、3份鲁氏不动杆菌。
营养成分，按重量份计，3份抗坏血酸钠、0.4份核黄素和1份咖啡酰苹果酸。
固体基质，按重量份计，18份珍珠岩和9份壳聚糖衍生物。
工业污水处理菌剂的制备与实施例1相同。
对比例1：
一种工业污水处理菌剂与实施例1的不同之处在于：固体基质中不添加壳聚糖衍生物。
工业污水处理菌剂的制备与实施例1相同。
对比例2：
一种工业污水处理菌剂与实施例1的不同之处在于：固体基质中采用壳聚糖代替壳聚糖衍生物。
工业污水处理菌剂的制备与实施例1相同。
对比例3：
一种工业污水处理菌剂与实施例4的不同之处在于：营养成分中采用柠檬酸代替咖啡酰苹果酸。
工业污水处理菌剂的制备与实施例4相同。
试验例1：
1、红外光谱测定(FT-IR)
将样品在恒温干燥箱中除水处理后，取少量样品与溴化钾在玛瑙研钵中混合均匀、研磨和压片后，放置在TENSOR 27型红外光谱仪上进行测试，其中扫描波数范围为4000～500cm-1，扫描分辨率为6cm-1，扫描次数为18。
对实施例1中制备得到的壳聚糖衍生物及壳聚糖进行红外测试，结果如图1所示。从图中分析可知，壳聚糖的谱图中，3450cm-1附近为糖类高聚物的-OH基团振动峰，2920cm-1、2860cm-1附近的弱峰为甲基和亚甲基的伸缩峰，1661cm-1、1580cm-1、1320cm-1三处分别为酰胺I谱带、-NH2弯曲振动和C-N对称振动峰，是壳聚糖的三个典型振动峰。在壳聚糖衍生物的图谱中，在1750cm-1附近出现酯基中C＝O的特征吸收峰；1520cm-1～1600cm-1范围内出现苯环特征吸收峰；在1500cm-1和1300cm-1附近出现硝基-NO2伸缩振动特征峰，1190cm-1附近出现C-O特征吸收峰。以上结果表明壳聚糖衍生物成功制备。
2、酶的测定
制备液：取污水处理菌剂放入离心管中，离心，取上清液备用。
蛋白酶测定：取1mL制备液，加酪素(60℃水浴5min)1mL后，加2mL三氯乙酸摇匀，静置10min，过滤定容至10mL，用分光光度计在275nm波长处测吸光度。
淀粉酶测定：取2mL制备液灭菌，加淀粉，水浴振荡90min后离心，上清液与DNS显色，冷却后定容，510nm波长测吸光度吸光度。
对实施例1、实施例4、实施例5制得的菌剂进行上述测试，结果如图2所示。从图中可以看出，实施例4制得的污水处理菌剂的蛋白酶和淀粉酶的含量为107.4μg/mL·h和92.3μg/mL·h，明显高于实施例1，实施例5效果与实施例4相当，表明加入咖啡酰苹果酸可促进菌种胞外酶的分泌，提高微生物活性。
试验例2：
对黄连素去除能力测定
黄连素浓度测定：采用Agilent-1260高效液相色谱法测定，色谱条件为：HB-C8柱(150*4.6mm，5μm)；流动相：乙腈-0.02mol磷酸二氢钾(30：70)，检测波长：345nm；流速：1mL·min-1，柱温：30℃；进样量20μL。向浓度为30mg·L-1的黄连素溶液中加入2.5wt‰的菌剂，置于恒温生化摇床中25℃下培养48h，计算黄连素的生物去除率。采用黄连素的去除率来表征菌剂对黄连素的去除能力。
对对比例1～3、实施例1～5制得的菌剂进行上述测试，结果如表1所示：
表1对黄连素去除性能测试结果
样品 去除率/％
对比例1 76.4
对比例2 82.1
对比例3 80.3
实施例1 94.8
实施例2 93.6
实施例3 95.2
实施例4 89.9
实施例5 98.8
从表1中分析可知，实施例1制得菌剂对黄连素的去除率明显高于对比例1～2，表明壳聚糖衍生物的存在可有效提升污水处理菌剂对黄连素的去除作用。实施例4的效果好于对比例1和对比例3，实施例5的效果好于实施例1，表明咖啡酰苹果酸的存在对黄连素的去除效果起到增强作用。
试验例3：
模拟污水处理测试
自配模拟污水主要水质指标如表2所示：
表2进水水质
指标 PH BOD<sub>5</sub>(mg/L) 氨氮(mg/L) Cu<sup>2+</sup>(mg/L)
数值 5.8 1142±64 673±32 54±21
加入2.5wt％的菌剂进行处理。
常规检测指标与分析方法：
BOD5的测定
BOD5用稀释、接种五天培养法进行测定，水样加入稀释水和营养盐后，量取一定体积废水，装入培养瓶中放入生化培养箱，在20±1℃下培养五天；培养过程中微生物降解废水中的污染物质产生CO2，同时消耗培养瓶中的氧气，产生的CO2被NaOH吸收，培养瓶中气压发生变化是由消耗的氧气引起的，仪器通过测定压力差测得污染物的可生物降解性物质的多少，压力差通过半导体传感器经过电路处理后显示出废水的BOD5。
氨氮的去除率用N去除率(％)表示，按下列公式计算：
N去除率＝(N0-N1)/N0×100％
式中，N0—进水氨氮的数值，mg/L；N1—出水氨氮的数值，mg/L。
Cu2+浓度采用吸收分光光度法测定。
对对比例1～3、实施例1～5制得的菌剂进行上述测试，出水水质检测结果如表3所示：
表3出水水质各指标检测结果
Figure BDA0002945332450000081
从表3中可以看出，实施例1制得的菌剂投加后，BOD5和氨氮及铜离子的去除率明显高于对比例1～2，表明投加菌剂后强化了对BOD等有机污染物、氨氮及金属离子的去除效果，且壳聚糖衍生物的存在可有效提升强化作用。实施例4的对BOD5和氨氮效果好于对比例1和对比例3，实施例5的效果好于实施例1，而对铜离子的去除率并未有明显提升，表明咖啡酰苹果酸的存在对有机污染物及氨氮的去除效果起到增强作用，但对金属离子的去除无消极影响。
试验例4：
浊度去除率测定
(1)高岭土模拟悬浊液制备
将化学纯级高岭土200g加入500mL去离子水中，用0.1mmol/L的NaOH溶液调节pH上升至7.5，高速搅拌20min使其呈均匀粘浆状。去离子水稀释至1L，移入刻度量筒里静置一夜。然后取上部800mL，并用重量法测定固体浓度，最后用去离子水配制成50g/L高岭土储备液。在4℃下保存，放置至少两周后使用。烧杯实验时，取一定量高岭土储备液加入离子水稀释至特定浊度，加入0.1M的NaNO3及NaHCO3溶液至离子强度约为3.0mmol/L。用0.1mmol/L的NaOH及0.1mmol/L的HCl调节至预定pH。
(2)烧杯混凝实验
测试在六联搅拌机上进行，取1L高岭土悬浊液，150rpm搅拌下加入菌剂，继续搅拌60s后进入慢搅拌(50rpm)15min，然后静置沉淀10min。静置结束后，取上清液用哈希2100P浊度仪测定浊度。计算出浊度去除率，按下列公式计算：
浊度去除率％＝(原水浊度－剩余浊度)/原水浊度×100％
对对比例1～3、实施例1～5制得的菌剂进行上述测试，结果如表4所示：
表4浊度去除率
样品 浊度去除率(％)
对比例1 73.4
对比例2 80.3
对比例3 75.4
实施例1 94.3
实施例2 91.4
实施例3 93.3
实施例4 76.6
实施例5 96.7
从表4中可以看出，实施例1制得菌剂的浊度去除率明显高于对比例1～2，实施例5的效果好于实施例4，实施例4效果与对比例1和对比例3相当，表明壳聚糖衍生物的存在可显著提升菌剂的浊度去除性能。
上述实施例中的常规技术为本领域技术人员所知晓的现有技术，故在此不再详细赘述。
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，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，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以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种壳聚糖衍生物在污水处理中的用途，特征在于，所述壳聚糖衍生物为4-氨基-2-硝基二苯胺-2'-甲酸改性壳聚糖。
2.权利要求1所述的壳聚糖衍生物的制备方法，包括：
取壳聚糖-醋酸溶液，加入4-氨基-2-硝基二苯胺-2'-甲酸；接着将含有N-羟基琥珀亚胺的EDC加入上述混合溶液中，搅拌、调节pH至8~9，反应22~24h；然后透析、浓缩、离心、洗涤、烘干即可。
3.根据权利要求2所述的壳聚糖衍生物的制备方法，其特征在于：所述4-氨基-2-硝基二苯胺-2'-甲酸与壳聚糖摩尔比为1~1.5:1。
4.一种工业污水处理菌剂，其特征在于：所述处理菌剂原料组份包括：
主料，所述主料为复合菌，包括产吲哚金黄杆菌、恶臭假单胞菌、亚硝化菌、鲁氏不动杆菌；
营养成分，包括咖啡酰苹果酸、抗坏血酸钠和核黄素；
固体基质，包括珍珠岩和权利要求1所述的壳聚糖衍生物。
5.根据权利要求4所述的一种工业污水处理菌剂，其特征在于：所述主料中复合菌的原料组成包括，按重量份计，8~13份产吲哚金黄杆菌、6~10份恶臭假单胞菌、3~7份亚硝化菌、2~5份鲁氏不动杆菌。
6.根据权利要求4所述的一种工业污水处理菌剂，其特征在于：所述营养成分的原料组成包括，按重量份计，2~4份抗坏血酸钠、0.8~1.6份咖啡酰苹果酸、0.1~0.8份核黄素。
7.根据权利要求4所述的一种工业污水处理菌剂，其特征在于：所述固体基质的原料组成包括，按重量份计，16~20份珍珠岩和6~10份壳聚糖衍生物。
8.权利要求4~7任一项所述的工业污水处理菌剂的制备方法，包括：
复合微生物菌液的制备，取产吲哚金黄杆菌、恶臭假单胞菌、亚硝化菌、鲁氏不动杆菌分别进行一级斜面培养、二级液体培养得到微生物菌液，再进行混合得到复合微生物菌液；
污水处理菌剂的制备，将复合微生物菌液与营养成分、固体基质混合，30~34℃发酵24~48h即得污水处理菌剂。
9.根据权利要求8所述的工业污水处理菌剂的制备方法，其特征在于：所述菌剂的使用量为处理污水总量的1~4wt‰。
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