CN118028286A - 一种复合微生物制剂及其在治理地表水中的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种复合微生物制剂及其在治理地表水中的应用，属于污水处理技术领域，所述复合微生物制剂包括载体和吸附于所述载体上的微生物菌剂和壳聚糖水凝胶；所述载体为生物质多孔碳或铁修饰生物质多孔碳；所述微生物菌剂为地衣芽孢杆菌、恶臭假单胞菌、施氏假单胞菌、不动杆菌、植物乳杆菌的混合菌液。本发明将生物质多孔碳或铁修饰生物质多孔碳作为微生物菌剂的载体，还修饰壳聚糖水凝胶，使得复合微生物制剂在早期能够迅速地吸附污水中的污染物与微生物菌剂作用，同时载体和微生物菌剂具有协同作用，能够有效地去除地表水中的COD、氨氮和总磷，在地表水处理领域具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及污水处理技术领域，特别涉及一种复合微生物制剂及其在治理地表水中的应用。
背景技术
随着经济和社会的快速发展，人们的生活和生产排放了大量污水，造成地表水，尤其是城镇河道、水塘、小型湖泊等水体的富营养化，这些水体中含有的有机物在分解过程中快速消耗水中的溶解氧，使得地表水处于缺氧环境，导致厌氧微生物成为主导，将有机物中碳、氮、硫等成分转化为甲烷、硫化氢、氨等物质，发散到空气中，不仅造成水体污染还产生空气污染。因此，有必要对于污染水体进行治理。
污染水体的治理方法主要有物理治理、化学治理、生物治理方法，其中，生物治理方法可以从根本上水体的生态功能，具有更为广泛的应用前景。已有一些技术提供了复合微生物菌剂，在污水处理方面已经取得了较好的效果。例如，CN112501085A公开了一种应用于污水处理的复合微生物菌剂，所述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，核芯包括多孔炭材料、生物碳源、淀粉胶粘剂和复合微生物菌液，支撑层包括多孔炭材料、生物碳源、淀粉胶粘剂和复合微生物菌液，轻质层包括多孔炭材料、淀粉胶粘剂和碳海绵，复合微生物菌液来自微生物发酵液，包括枯草芽孢杆菌、交替假单胞菌、双岐菌和酵母菌，此微生物菌剂杜绝了污水环境微生物对菌剂自身组分微生物的污染，保证了复合微生物菌剂稳定高效的长期使用效果。CN113716679A公开了一种污水处理方法，用处理剂对渗滤液进行吸附降解处理后分离处理剂，处理剂包括多孔载体和吸附于多孔载体之上的微生物菌剂，所述多孔载体为稀土-TiO2/硅藻土/石墨烯复合气凝胶微球；稀土为La、Sm或Ce中的任意一种或多种；所述微生物菌剂为酱油曲霉、白腐菌、胶冻样芽孢杆菌组成的混合菌剂，此方法对于污水中的COD、NH3-N有极好的去除率。
从现有技术内容可以看出使用复合菌比单一的微生物在氮磷降解能够取得更好的效果，将复合菌吸附于载体上得到的复合菌剂更有助于提升稳定性。然而目前这样的复合菌剂的载体结构较为复杂限制了它们的应用。
发明内容
为了克服现有技术存在的问题，本发明提供了一种复合微生物制剂，包括载体和吸附于所述载体上的微生物菌剂和壳聚糖水凝胶；
所述载体为生物质多孔碳或铁修饰生物质多孔碳；
所述微生物菌剂为地衣芽孢杆菌、恶臭假单胞菌、施氏假单胞菌、不动杆菌、植物乳杆菌的混合菌液。
目前研究的微生物载体一般可以分为无机载体和有机载体，以及它们的复合载体，无机载体包括硅藻土、滑石粉、蛭石、沸石、火山岩、珊瑚砂等，这些材料的机械强度大、安全性高、稳定性好，但生物亲和性差，微生物易脱落；有机包括载体海藻酸钠、琼脂、纤维素，然而其生物兼容性较好，但强度较低，易被微生物分解。未经过处理的玉米芯可视为一种天然有机载体，在水污染处理中也可以被用来作为生物质吸附材料。因玉米芯富含木质纤维素、纤维素和半纤维素等成分，本发明将其热解制备生物质多孔碳，在保持玉米芯结构的同时，提高机械强度，生物质多孔碳还具有更好的吸附能力，能够更好地吸附水体中的污染物。
此外，为了更好地利用生物质多孔碳，本发明将玉米芯浸渍于铁离子溶液中，在高温保护气氛围下，铁元素被原位还原为铁单质并被碳结构包埋，在稳定性较高的同时铁单质和碳复合结构还具有一定的催化性能，能够将一些活性高的有机物进行氧化降解。同时还用壳聚糖水凝胶对表面进行修饰，壳聚糖水凝胶表面丰富的基团的存在能够在早期快速地吸引污染物与复合微生物制剂作用，壳聚糖水凝胶的溶胀性也提升了反应性能，促进了污水中有害物质的快速吸附。
进一步地，所述生物质多孔碳的制备方法包括，将玉米芯置于保护气氛围下煅烧，冷却后得到生物质多孔碳。
进一步地，所述铁修饰生物质多孔碳的制备方法包括，
将玉米芯在浓度为0.01~0.03mol/L的铁离子溶液中浸渍处理，捞出干燥后置于保护气氛围下煅烧，冷却后得到铁修饰生物质多孔碳；
所述玉米芯与铁离子溶液的比为5~10：100~150g/mL。
进一步地，所述煅烧在500~700℃保持2~5h。
进一步地，所述玉米芯的尺寸为2~5mm。
本发明也提供了上述的复合微生物制剂的制备方法，包括，
将生物质多孔碳或铁修饰生物质多孔碳浸泡于微生物菌剂中，随后在搅拌下加入羧甲基壳聚糖和海藻酸钠，再引入钙离子得到混合物，然后冷冻干燥，得到复合微生物制剂。
进一步地，所述微生物菌剂的菌种总浓度为5×1011~2×1012个/mL；
其中，地衣芽孢杆菌、恶臭假单胞菌、施氏假单胞菌、不动杆菌、乳酸菌、植物乳杆菌的浓度比为2~3：1~2：2~5：1~2：1~2。
进一步地，所述生物质多孔碳或铁修饰生物质多孔碳和微生物菌剂的比为5~10：100~150g/mL；
所述羧甲基壳聚糖和海藻酸钠的质量分别为生物质多孔碳或铁修饰生物质质量的0.05~0.1倍和0.08~0.2倍。
进一步地，所述钙离子浓度为0.002~0.01mol/L。
本发明还提供了上述的复合微生物制剂在治理地表水中的应用。
相对于现有技术，本发明具有以下的有益效果：
本发明将生物质多孔碳或铁修饰生物质多孔碳作为微生物菌剂的载体，还修饰壳聚糖水凝胶，使得复合微生物制剂在早期能够迅速地吸附污水中的污染物与微生物菌剂作用，同时载体和微生物菌剂具有协同作用，能够有效地去除污水中的COD、氨氮和总磷，在地表水处理领域具有广泛的应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了本发明实施例1中生物质多孔碳的微观形貌图；
图2示出了本发明实施例2中铁修饰生物质多孔碳微观形貌图。
具体实施方式
在本发明中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本发明中具体公开。
本发明实施例中使用的部分原料介绍：
玉米芯，收集于湖北省，使用时用水和乙醇各洗涤三次后置于120℃恒温烘箱干燥24h，后粉碎过筛得到2~5mm的小颗粒待用；
地衣芽孢杆菌，Bacillus licheniformis，保藏编号为CCTCC AB 92069；恶臭假单胞菌，Pseudomonas putida，保藏编号为CCTCC AB 2013324；施氏假单胞菌，Pseudomonasstutzeri，保藏编号为CCTCC AB 2012149；不动杆菌，Acinetobacter，保藏编号为CCTCC AB2014199；植物乳杆菌，保藏编号为CCTCC AB 2010210；这些菌种使用前均为冻干粉，直接购买获得，使用时溶于水配制成菌液。
其它未提及的原料均为常见原料，上述内容仅为帮助说明本发明，不得理解为对本发明的严格限定，本领域技术人员可以直接从市面购买或是自行制备相同/相近的原料。这些内容将不再在实施例中赘述。
下面将结合本发明具体实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种复合微生物制剂的制备方法，步骤如下，
步骤1、将玉米芯置于管式炉，于氮气氛围下以3℃/min的升温速率升温至650℃并保温3h，随后自然冷却至25℃后取出，用水和乙醇各洗涤三次后置于120℃恒温烘箱干燥16h，得到生物质多孔碳；
步骤2、配制菌种总浓度为1×1012个/mL的微生物菌剂，其中，地衣芽孢杆菌、恶臭假单胞菌、施氏假单胞菌、不动杆菌、植物乳杆菌的浓度比为2：1：4：1：1；
步骤3、将5g生物质多孔碳浸泡于100mL微生物菌剂中，随后在转速200rpm搅拌下加入0.25g羧甲基壳聚糖和0.5g海藻酸钠，再加入氯化钙并调节钙离子浓度为0.005mol/L，继续搅拌30min得到混合物，然后置于-55℃冷冻干燥，得到复合微生物制剂。
实施例2
一种复合微生物制剂的制备方法，步骤如下，
步骤1、将六水合氯化铁溶于水配制成0.02mol/L的氯化铁溶液，将10g玉米芯在150mL氯化铁溶液中16h，过滤后置于80℃恒温烘箱干燥16h得到固体物质，将固体物质置于管式炉，于氮气氛围下以3℃/min的升温速率升温至650℃并保温3h，随后自然冷却至25℃后取出，用水和乙醇各洗涤三次后置于120℃恒温烘箱干燥16h，得到铁修饰生物质多孔碳；
步骤2、配制菌种总浓度为1×1012个/mL的微生物菌剂，其中，地衣芽孢杆菌、恶臭假单胞菌、施氏假单胞菌、不动杆菌、植物乳杆菌的浓度比为2：1：4：1：1；
步骤3、将5g铁修饰生物质多孔碳浸泡于100mL微生物菌剂中，随后在转速200rpm搅拌下加入0.25g羧甲基壳聚糖和0.5g海藻酸钠，再加入氯化钙并调节钙离子浓度为0.005mol/L，继续搅拌30min得到混合物，然后置于-55℃冷冻干燥，得到复合微生物制剂。
对比例1
一种复合微生物制剂的制备方法，步骤如下，
步骤1、将玉米芯置于管式炉，于氮气氛围下以3℃/min的升温速率升温至650℃并保温3h，随后自然冷却至25℃后取出，用水和乙醇各洗涤三次后置于120℃恒温烘箱干燥16h，得到生物质多孔碳；
步骤2、配制菌种总浓度为1×1012个/mL的微生物菌剂，其中，地衣芽孢杆菌、恶臭假单胞菌、施氏假单胞菌、不动杆菌、植物乳杆菌的浓度比为2：1：4：1：1；
步骤3、将5g生物质多孔碳浸泡于100mL微生物菌剂中，随后在转速200rpm搅拌30min到混合物，然后置于-55℃冷冻干燥，得到复合微生物制剂。
对比例2
一种复合微生物制剂的制备方法，步骤如下，
步骤1、将六水合氯化铁溶于水配制成0.02mol/L的氯化铁溶液，将10g玉米芯在氯化铁溶液中16h，过滤后置于80℃恒温烘箱干燥16h得到固体物质，将固体物质置于管式炉，于氮气氛围下以3℃/min的升温速率升温至650℃并保温3h，随后自然冷却至25℃后取出，用水和乙醇各洗涤三次后置于120℃恒温烘箱干燥16h，得到铁修饰生物质多孔碳；
步骤2、配制菌种总浓度为1×1012个/mL的微生物菌剂，其中，地衣芽孢杆菌、恶臭假单胞菌、施氏假单胞菌、不动杆菌、植物乳杆菌的浓度比为2：1：4：1：1；
步骤3、将5g铁修饰生物质多孔碳浸泡于100mL微生物菌剂中，随后在转速200rpm搅拌30min到混合物，然后置于-55℃冷冻干燥，得到复合微生物制剂。
对比例3
一种复合微生物制剂的制备方法，步骤如下，
步骤1、配制菌种总浓度为1×1012个/mL的微生物菌剂，其中，地衣芽孢杆菌、恶臭假单胞菌、施氏假单胞菌、不动杆菌的浓度比为2：1：4：1；
步骤2、将5g玉米芯浸泡于100mL微生物菌剂中，随后在转速200rpm搅拌6h到混合物，然后置于40℃恒温烘箱干燥24h，得到复合微生物制剂。
对比例4
一种复合微生物菌剂，菌种总浓度为1×1012个/mL，由地衣芽孢杆菌、恶臭假单胞菌、施氏假单胞菌、不动杆菌、植物乳杆菌的浓度比为2：1：4：1：1混合而成。
测试例
使用扫描电子显微镜观测了本发明实施例1和实施例2中制备的生物质多孔碳和铁修饰生物质多孔碳的微观形貌，分别如图1和图2所示，可以看出使用玉米芯煅烧植被的生物质多孔碳具有疏松多孔的结构，这表明其具有一定的吸附性能；从铁修饰生物质多孔碳可以看出，除了疏松多孔结构以外还带有微小的圆形颗粒结构，这表明铁物种均匀地分散在碳结构表面，这样的复合结构可能对污染物有一定的降解能力。
本发明将生物质多孔碳或铁修饰生物质多孔碳作为载体吸附微生物菌剂，一般而言，作用的微生物菌剂在有效浓度内，浓度越大对于污染物的处理效果就越好，因此复合微生物制剂洗脱时的微生物的浓度也是衡量由载体吸附类的微生物菌剂的性能的重要指标。分别对吸附过程前后的初始菌液总浓度与复合微生物制剂浸没在0.05mol/L的磷酸盐缓冲溶液6h后进行微生物计数，洗脱的细菌总量和初始菌液总浓度的比值大小判定复合微生物制剂的固载率。还将制备的微生物菌剂存放了12个月后，再浸没在0.05mol/L的磷酸盐缓冲溶液6h后进行微生物计数，评价了菌剂的稳定性。这些结果如表1所示。
表1 复合微生物制剂的固载率和稳定性
从表1的测试结果可以看出，本发明实施例的固载率都在90%以上，而不存在壳聚糖水凝胶的对比例1和对比例2的固载率较低，而对比例3使用玉米芯的固载率最低，这是因为煅烧后得到的生物质多孔碳具有更为丰富的孔结构增强了微生物的吸附，同时羧甲基壳聚糖和海藻酸钠交联形成的壳聚糖水凝胶进一步增强了微生物的吸附，因此进一步提升了固载率。此外从稳定性测试结果也能看出，本发明实施例具有更高的稳定性，这是因为壳聚糖水凝胶具有一定的保护性。实施例2的固载率和稳定性均强于实施例1，这说明了铁的掺杂与壳聚糖水凝胶具有一定的协同作用，形成了更稳定的凝胶结构。
将实施例和对比例的菌剂以1g/100L的比例投加于污染的地表水中，此地表水中COD为100mg/L，氨氮为14mg/L，总磷为2.1mg/L，测试了3天后的去除率结果如表2所示。
表2 污染物去除率
从表2的测试结果以及结合表1的固载率可以看出，虽然对比例4中纯生物菌液的浓度较高，但其降解率不及使用生物质多孔碳、铁修饰生物质多孔碳、玉米芯的实施例和对比例。本发明实施例具有更高的COD、氨氮和总磷降解率，只是因为生物质多孔碳能够更好地吸附水体中的污染物并于复合微生物产生了很好的协同性能。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种复合微生物制剂，其特征在于，包括载体和吸附于所述载体上的微生物菌剂和壳聚糖水凝胶；
所述载体为生物质多孔碳或铁修饰生物质多孔碳；
所述微生物菌剂为地衣芽孢杆菌、恶臭假单胞菌、施氏假单胞菌、不动杆菌、植物乳杆菌的混合菌液。
2.根据权利要求1所述的复合微生物制剂，其特征在于，所述生物质多孔碳的制备方法包括，将玉米芯置于保护气氛围下煅烧，冷却后得到生物质多孔碳。
3.根据权利要求1所述的复合微生物制剂，其特征在于，所述铁修饰生物质多孔碳的制备方法包括，
将玉米芯在浓度为0.01~0.03mol/L的铁离子溶液中浸渍处理，捞出干燥后置于保护气氛围下煅烧，冷却后得到铁修饰生物质多孔碳；
所述玉米芯与铁离子溶液的比为5~10：100~150g/mL。
4.根据权利要求2或3所述的复合微生物制剂，其特征在于，所述煅烧在500~700℃保持2~5h。
5.根据权利要求2或3所述的复合微生物制剂，其特征在于，所述玉米芯的尺寸为2~5mm。
6.一种如权利要求1~5任一项所述的复合微生物制剂的制备方法，其特征在于，包括，
将生物质多孔碳或铁修饰生物质多孔碳浸泡于微生物菌剂中，随后在搅拌下加入羧甲基壳聚糖和海藻酸钠，再引入钙离子得到混合物，然后冷冻干燥，得到复合微生物制剂。
7.根据权利要求6所述的复合微生物制剂的制备方法，其特征在于，所述微生物菌剂的菌种总浓度为5×1011~2×1012个/mL；
其中，地衣芽孢杆菌、恶臭假单胞菌、施氏假单胞菌、不动杆菌、植物乳杆菌的浓度比为2~3：1~2：2~5：1~2：1~2。
8.根据权利要求6所述的复合微生物制剂的制备方法，其特征在于，所述生物质多孔碳或铁修饰生物质多孔碳和微生物菌剂的比为5~10：100~150g/mL；
所述羧甲基壳聚糖和海藻酸钠的质量分别为生物质多孔碳或铁修饰生物质质量的0.05~0.1倍和0.08~0.2倍。
9.根据权利要求6所述的复合微生物制剂的制备方法，其特征在于，所述钙离子浓度为0.002~0.01mol/L。
10.一种如权利要求1~5任一项所述的复合微生物制剂在治理地表水中的应用。
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