CN1554740A - 一种工业废气净化菌种的气相培育方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种工业废气净化微生物菌种的培育方法，属生物菌种培育技术领域。针对废气中污染物的种类，配制不含构成目标污染物主体元素的选择性培养基，用琼脂将其制成固化培养皿平板，再用对目标污染物有降解净化作用的菌种液对其涂布接种后放入废气净化菌种培育器中，并通入气态目标污染物培养驯化并选择优势菌种。经选择初次获得优势菌种后，重复进行平板涂布、培养驯化和优势菌种选择三项操作，最终得到净化用微生物菌种。具有获得的菌种对气态污染物净化能力强、菌种种源易于获取以及工业化推广应用方便等优点。
Description
技术领域：本发明涉及一种工业废气净化菌种的培育方法，属生物菌种培育技术领域。
背景技术：生物法净化低浓度工业废气是一种工业废气净化的新方法，广泛的研究与应用仅有约20～30年的历史。由于生物净化反应器涉及到气、液/固相传质、菌种性能、生物膜内扩散以及生物化学降解等过程，影响因素多而复杂，人们虽然已对其基础理论和实际应用进行了许多研究，但还不够深入、广泛，仍有许多问题需要进一步探讨和不断完善。
在以往国内外的生物法废气净化研究中，人们多采用废水处理领域内已经应用多年的菌种在液相经待处理的目标污染物培育驯化后，直接用于废气的净化处理，但这种方法培育的菌种净化能力差、往往难以达到预期的净化效果。因此，培育驯化废气净化能力强的微生物菌种显得十分重要。
发明内容：针对上述情况，本发明的目的在于以低浓度工业废气中常见的难溶(或不溶)于水的挥发性有机物VOC(如甲苯、苯、二甲苯、甲醛、苯乙烯)、硫化物(如硫化氢、二硫化碳、SO2)、NOx等污染物的生物净化过程为基础，利用目前在废水处理工程中常用的有机物降解菌(如假单胞菌)、脱氮菌、脱硫细菌等，用气相法对废气净化微生物菌种进行培育驯化，获得具有强净化能力的废气净化微生物菌种。
该工业废气净化菌种的气相培育方法为：
第一步，针对废气中的有机物、含硫化合物、氮氧化物等不同目标污染物(如甲苯、硫化氢、二硫化碳、NOx、SO2等)，分别配制不含构成目标污染物主体元素(如碳源，或碳、氮或硫元素)、但含有微生物菌种生长所需要的其它化学基质成分(如磷、铁、钾、氧、钠、氯、钙、镁等元素及化合物等)的选择性培养基(目标污染物含氮或硫时，选择性培养基不能含有氮或硫元素)。
第二步，用上述选择性培养基、蒸馏水及琼脂，通过溶解试剂、pH调整、高压蒸汽灭菌锅灭菌、倒平板等操作步骤(即微生物学常规实验操作方法)，将选择性培养基制作成专用固化不含构成目标污染物主体元素(无碳源，或无碳、氮或硫等元素)培养皿平板。
第三步，用预先选择好的对目标污染物(如甲苯、硫化氢、二硫化碳、NOx、SO2等)有降解及净化作用的菌种液，在无菌工作台内，用微生物接种环(属常用菌种接种器具)，对上述培养皿平板进行划线涂布接种。
预先选择好的对目标污染物(如甲苯、硫化氢、二硫化碳、NOx、SO2等)有降解及净化作用的菌种为目前在废水处理工程中常用的有机物降解菌(如假单胞菌、球菌、杆菌等)、脱氮菌(如脱氮杆菌、脱氮硫杆菌等)、脱硫细菌(如排硫杆菌、氧化亚铁硫杆菌等)等，可从相关的且正在正常运行的生物法废水处理装置中取样获得。
第四步，在常温常压下，将涂布有预选菌种的3～7个培养皿平板(数量根据培育器的大小确定)放入废气净化专用菌种培育器中，并通入气态目标污染物(如甲苯、硫化氢、二硫化碳、NOx、SO2等)进行培养驯化。在培养器内充满浓度为一般工业废气中浓度3～5倍的气态目标污染物气体和空气的混合物，并保持无液态水导入和排出，使接种涂布在固化且不含构成目标污染物主体元素(无碳源，或无碳、氮或硫等元素)培养基平板表面的微生物菌种(如假单胞菌)只能利用气相中的气态目标污染物(如甲苯气体)作为供其生长的主要基质的唯一基质源(如碳源)。
为了增加或增强菌种的某种性能以及菌种的快速生长，还可向培育器中注入能增强菌种净化能力的添加物。如培育甲苯净化菌种时，注入气态的苯或二甲苯，可以增加菌种对苯系物的综合净化能力；又如培育SO2、NOx净化菌种时，注入气态或液态易挥发的含碳化合物，以供给菌种生长时所必要的碳源。
当微生物菌种利用气相中目标污染物气体，在固化培养基平板表面以菌落形式不断生长并逐步形成生物膜时，即实现了生物膜中的菌种对气相中目标污染物气体的吸附-降解-净化的作用过程。通过观察及测算不同时间固化培养基平板表面生物膜的覆盖率，即可判断该平板上的菌种的生长状况。
第五步，当平板表面菌落生物膜的覆盖率达到30～60％时，按常规微生物学实验方法，在无菌工作台内，用微生物接种环，进行从优势菌落中选择优势菌种的操作，选择出优势菌种(即对气态目标污染物具有专门降解净化作用的微生物菌种)。
第六步，将获得的优势菌种返回第三步，再次进行平板划线涂布，而后再放入培育器进行再次培养驯化(第四步)及随后的优势菌种选择(第五步)，并依次重复操作三次，最终得到气态目标污染物净化专用微生物菌种(该微生物菌种可采用常规微生物学方法接种于试管斜面并置于低温环境中保存或经繁殖后应用)。
按上述气相培育法顺序接种培养菌种，第一次培养基平板涂布接种时，菌种采用经预选的微生物菌种；第二次重复涂布接种时，菌种采用第一次接种菌落生物膜内生长15～25天时的优势菌种；第三次重复涂布接种时，菌种采用第二次接种菌落生物膜内生长5～15天时的优势菌种。
本发明通过气相法并多次重复优化培育驯化废气净化微生物菌种，使得到的微生物菌种的降解净化性能快速增强、且菌种可以利用吸附在由其形成的生物膜表面的气态目标污染物，直接对该目标污染物气体进行生化降解反应，因而本培育方法具有获得的微生物菌种对废气中目标污染物的净化能力强(明显优于采用常规液相培育驯化法所得菌种的净化能力)、有利于提高生物法废气净化装置总体净化能力、以及推动生物法废气净化技术的推广应用等优点。
本发明是利用目前废水处理工程中常用的、对不同目标污染物具有降解净化作用的微生物菌种，菌种种源可以直接从相关的且正在正常运行的生物法废水处理装置中取样获得，再通过专门的气相培育方法培育驯化，使之成为对废气中的相同或类似污染物具有强降解净化作用的微生物菌种。通过本方法培育的废气净化专用微生物菌种是对气相中污染物降解净化活性更强的现有微生物菌种，不是基因产品，也不是新发现的菌种。因而本方法还具有菌种种源易于获取、工业化推广应用方便等优点。
附图说明：图1为本发明废气净化专用菌种的气相培育方法的工艺流程示意图。
图2为重复培养驯化甲苯废气专用净化菌种时，不同时间在固化培养基表面的菌落生物膜覆盖率曲线图。图中1为第1次接种曲线、2为第2次接种曲线、3为第3次接种曲线。
图3为利用本发明方法获得的甲苯废气净化用菌种进行工业试验用生物膜填料塔系统的工艺流程示意图。图中1为风机、2为缓冲混合器、3为循环液储槽、4为循环液泵、5为配气风机、6为甲苯挥发器、7为生物膜填料塔。
图4为液相培育驯化法所得甲苯废气净化用菌种对甲苯废气的净化效果。
图5为气相培育驯化法所得甲苯废气净化用菌种对甲苯废气的净化效果。
图6为关于CS2废气净化菌性能的实验结果—挂膜时间与CS2去除率的关系图。
图7为关于CS2废气净化菌性能的实验结果—循环液pH与CS2去除率的关系图。
图8为关于NOx废气净化菌性能的实验结果—挂膜时间与NOx去除率的关系图。
图9为关于甲醛废气净化菌性能的实验结果—挂膜时间与甲醛去除率的关系图。
图10为H2S废气净化菌对废气中H2S的生物化学去除性能的实验结果—废气中H2S的生物化学去除性能图。
图11为关于SO2废气净化菌性能的实验结果—废气中SO2浓度与净化效率的关系图。
图12为再生胶工业废气净化工程装置中甲苯净化菌对废气中甲苯的净化效果图。
具体实施方式：下面结合附图和实施例对本发明的实质作进一步说明。
实施例1：(工业甲苯废气净化菌的培育)其具体方法为：
第一步，针对废气中的目标污染物甲苯，配制不含碳源、但含有微生物菌种生长所需要的基质化学成分(氮、磷、硫、铁、钾、氧、钠、氯、钙、镁等元素及化合物等)的选择性培养基。
第二步，用上述选择性培养基、蒸馏水及琼脂，通过溶解试剂、pH调整、高压蒸汽灭菌锅灭菌、倒平板等操作步骤(即微生物学常规实验操作方法)，将选择性培养基制作成专用固化无碳源培养皿平板。
第三步，用预先从相关的且正在正常运行的生物法废水处理装置中取样获得的对目标污染物甲苯有降解作用的假单胞菌种液，按常规微生物学实验方法，在无菌工作台内，用微生物接种环(属常用菌种接种器具)，对上述培养皿平板进行涂布划线接种。
第四步，在常温常压下，将涂布有预选菌种的3个培养皿平板放入废气净化专用菌种培育器中，并通入气态目标污染物甲苯进行培养驯化。在培育器内充满浓度为一般工业废气中浓度3倍的气态目标污染物甲苯气体和空气的混合物，并保持无液态水导入和排出，使接种涂布在固化无碳源培养基平板表面的微生物假单胞菌只能利用气相中的甲苯气体作为供其生长的唯一基质碳源。
当微生物菌种利用气相中目标污染物甲苯气体，在固化培养基平板表面以菌落形式不断生长并逐步形成生物膜时，即实现了生物膜中的菌种对气相中目标污染物甲苯气体的吸附-降解-净化的作用过程。通过观察及测算不同时间固化培养基平板表面生物膜的覆盖率，可判断该平板上的菌种的生长状况。
第五步，当观察平板表面菌落生物膜的覆盖率达到30％时，按常规微生物学实验方法，在无菌工作台内，用微生物接种环，进行从优势菌落中选择优势菌种的操作，选择出的优势菌种就是对气态目标污染物甲苯具有专门降解净化作用的微生物菌种。
第六步，将获得的优势菌种返回第三步，再次进行平板划线涂布，而后再放入培育器进行再次培养驯化(第四步)和优势菌种选择(第五步)，并依次重复三次，最终得到气态目标污染物甲苯的净化专用微生物菌种(该微生物菌种可采用常规微生物学方法接种于试管斜面并置于低温环境中保存或经繁殖后应用)。
按上述气相培育法顺序接种培养菌种，第一次培养基平板涂布接种时，菌种采用经预选的假单胞菌菌种；第二次重复涂布接种时，菌种采用第一次接种菌落生物膜内生长15天时的菌种；第三次重复涂布接种时，菌种采用第二次接种菌落生物膜内生长5天时的菌种。所用微生物菌种经上述3次顺序接种期间，不同时间在固化培养基表面的生物膜覆盖率曲线如图2所示(该菌种后经鉴定为假单胞菌中的Pseudomonas putida菌)。
图2中的菌种利用气态甲苯性能结果表明：该菌种在无水相碳源供给的情况下，可以利用气相中碳源(气态甲苯)进行生长繁殖，由此可获得废气净化专用菌种。培育初期，培育(反应)器中气相CO2初始浓度为0.5％，7天后增高至5.8％，表明该菌种能够将废气中气态甲苯生化降解直至最终生成CO2和H2O。而且，所用微生物菌种对气相中的甲苯有很强的生化降解和适应能力。第3次顺序接种后，其菌落生物膜形成时间缩短且覆盖率增长速率加快，明显优于第1次接种时的状况。这表明该菌种经气相法培养驯化后，其性能可以快速增强，而且所用菌种可以直接利用吸附在由其形成的生物膜表面的气相甲苯分子，进行生化降解反应。因此，对菌种进行3次重复培养驯化是必要的。
实施例2：(工业硫化氢H2S废气净化菌的培育)其具体方法为：
第一步，针对废气中的目标污染物硫化氢，配制不含硫元素、但含有微生物菌种生长所需要的基质化学成分(碳、氮、磷、铁、钾、氧、钠、氯、钙、镁等元素及化合物等)的选择性培养基。
第二步，用上述选择性培养基、蒸馏水及琼脂，通过溶解试剂、pH调整、高压蒸汽灭菌锅灭菌、倒平板等操作步骤(即微生物学常规实验操作方法)，将选择性培养基制作成专用固化无硫元素培养皿平板。
第三步，用预先从相关的且正在正常运行的生物法废水处理装置中取样获得的对目标污染物硫化氢有降解作用的脱硫细菌菌种液(常用的氧化亚铁硫杆菌)，按常规微生物学实验方法，在无菌工作台内，用微生物接种环(属常用菌种接种器具)，对上述培养皿平板进行涂布划线接种。
第四步，在常温常压下，将涂布有预选菌种的5个培养皿平板放入废气净化专用菌种培育器中，并通入气态目标污染物硫化氢进行培养驯化。在培育器内充满浓度为一般工业废气中浓度5倍的气态目标污染物硫化氢气体和空气的混合物，并保持无液态水导入和排出，使接种涂布在固化无硫元素培养基平板表面的微生物氧化亚铁硫杆菌只能利用气相中的硫化氢气体作为供其生长的唯一基质硫源。
当微生物菌种利用气相中目标污染物硫化氢气体，在固化培养基平板表面以菌落形式不断生长并逐步形成生物膜时，即实现了生物膜中的菌种对气相中目标污染物硫化氢气体的吸附-降解-净化的作用过程。通过观察及测算不同时间固化培养基平板表面生物膜的覆盖率，可判断该平板上的菌种的生长状况。
第五步，当观察平板表面菌落生物膜的覆盖率达到60％时，按常规微生物学实验方法，在无菌工作台内，用微生物接种环，进行从优势菌落中选择优势菌种的操作，选择出的优势菌种就是对气态目标污染物硫化氢具有专门降解净化作用的微生物菌种。
第六步，将获得的优势菌种返回第三步，再次进行平板划线涂布，而后再放入培育器进行再次培养驯化(第四步)和优势菌种选择(第五步)，并依次重复三次，最终得到气态目标污染物硫化氢的净化专用微生物菌种(该微生物菌种可采用常规微生物学方法接种于试管斜面并置于低温环境中保存或经繁殖后应用)。
按上述气相培育法顺序接种培养菌种，第一次培养基平板涂布接种时，菌种采用经预选的氧化亚铁硫杆菌菌种；第二次重复涂布接种时，菌种采用第一次接种菌落生物膜内生长20天时的菌种；第三次重复涂布接种时，菌种采用第二次接种菌落生物膜内生长10天时的菌种。
实施例3：(工业氮氧化物NOx废气净化菌的培育)其具体方法为：
第一步，针对废气中的目标污染物NOx(一般为NO、NO2)，配制不含氮元素、但含有微生物菌种生长所需要的基质化学成分(碳、硫、磷、铁、钾、氧、钠、氯、钙、镁等元素及化合物等)的选择性培养基。
第二步，用上述选择性培养基、蒸馏水及琼脂，通过溶解试剂、pH调整、高压蒸汽灭菌锅灭菌、倒平板等操作步骤(即微生物学常规实验操作方法)，将选择性培养基制作成专用固化无氮元素培养皿平板。
第三步，用预先从相关的且正在正常运行的生物法废水处理装置中取样获得的对目标污染物NOx有降解作用的脱氮细菌菌种液(常用的脱氮硫杆菌)，按常规微生物学实验方法，在无菌工作台内，用微生物接种环(属常用菌种接种器具)，对上述培养皿平板进行涂布划线接种。
第四步，在常温常压下，将涂布有预选菌种的7个培养皿平板放入废气净化专用菌种培育器中，并通入气态目标污染物NOx进行培养驯化。在培育器内充满浓度为一般工业废气中浓度4倍的气态目标污染物NOx气体和空气的混合物，并保持无液态水导入和排出，使接种涂布在固化无氮元素培养基平板表面的微生物脱氮硫杆菌只能利用气相中的NOx气体作为供其生长的唯一基质氮源。
当微生物菌种利用气相中目标污染物NOx气体，在固化培养基平板表面以菌落形式不断生长并逐步形成生物膜时，即实现了生物膜中的菌种对气相中目标污染物NOx气体的吸附-降解-净化的作用过程。通过观察及测算不同时间固化培养基平板表面生物膜的覆盖率，可判断该平板上的菌种的生长状况。
第五步，当观察平板表面菌落生物膜的覆盖率达到45％时，按常规微生物学实验方法，在无菌工作台内，用微生物接种环，进行从优势菌落中选择优势菌种的操作，选择出的优势菌种就是对气态目标污染物NOx具有专门降解净化作用的微生物菌种。
第六步，将获得的优势菌种返回第三步，再次进行平板划线涂布，而后再放入培育器进行再次培养驯化(第四步)和优势菌种选择(第五步)，并依次重复三次，最终得到气态目标污染物NOx的净化专用微生物菌种(该微生物菌种可采用常规微生物学方法接种于试管斜面并置于低温环境中保存或经繁殖后应用)。
按上述气相培养法顺序接种培养菌种，第一次培养基平板涂布接种时，菌种采用经预选的脱氮硫杆菌菌种；第二次重复涂布接种时，菌种采用第一次接种菌落生物膜内生长25天时的菌种；第三次重复涂布接种时，菌种采用第二次接种菌落生物膜内生长15天时的菌种。
本发明气相培育法和常规液相培育法获得甲苯废气净化用菌种废气净化性能的对比试验效果情况：
在经上述例1方法获得甲苯废气净化专用菌种后，对其进行批量化培育驯化，并在工业试验用生物膜填料塔上接种挂膜，待生物膜形成后，即考察其对废气中低浓度甲苯的生物净化作用。同时，采用经由常规液相培育法获得的菌种，进行类似的接种挂膜与净化试验操作，并对两者的净化效果进行对比。工业试验用生物膜填料塔系统工艺流程如图3所示。
工业试验用生物膜填料塔生物膜填料塔(φ600×H2500mm)按处理气量100m3/h设计制作，塔体采用钢结构，其中生物膜填料总高度为2.0m，分4层安装，每层高度0.5m。从试验角度出发，在其上下部分别填充了两种填料。下部2层填充φ38×22×0.6mm的不锈钢双翻阶梯环，上部2层填充φ38×19×4mm的瓷质阶梯环。
分别采用两种菌种挂膜制作的生物膜填料塔，在常温常压及处理气量Q＝20m3/h条件下，进行甲苯废气净化试验，结果如图4和图5所示。
由图4和图5可看出，气相培育驯化法菌种对废气中甲苯的净化性能明显优于液相法的菌种。在近似相同的条件下，气相培育驯化法菌种塔对废气中甲苯的净化效率平均约为96％(图5)，而液相法菌种塔的净化效率平均却仅有约73％(图4)，两者相差值为23个百分点(经数理统计假设检验，在显著性水平α＝0.01时，两者间存在显著性差异)。这一结果表明，对于生物法净化处理低浓度挥发性有机废气，采用气相培育驯化法菌种挂膜制作生物膜填料塔是十分必要的。
由气相培育法获得的微生物菌种对其它污染物的净化效果：
在实验室采用扩大型生物膜填料塔(φ90×H1400mm)，对上述菌种净化废气相关污染物(二硫化碳CS2、氮氧化物NOx、甲醛、硫化氢H2S、二氧化硫SO2等)的净化性能进行了实验验证研究，其代表性的性能验证实验结果如以下图6～图12所示。(注：其中低浓度甲苯废气净化专用菌种已经过工业试验<图5>和再生胶工业废气净化工程应用<图12>的验证，效果良好。)
Claims (6)
1、一种工业废气净化菌种的气相培育方法，其特征在于培育工艺过程为：
(1)针对废气中的目标污染物，配制不含构成目标污染物主体元素，但含有微生物菌种生长所需要的其它化学基质成分的选择性培养基；
(2)用上述选择性培养基、蒸馏水及琼脂，通过溶解试剂、pH调整、高压蒸汽灭菌锅灭菌、倒平板微生物学常规实验操作步骤，将选择性培养基制作成专用固化无碳源或无碳、氮或硫元素培养皿平板；
(3)用预先选择好的对目标污染物有降解及净化作用的菌种液，在无菌工作台内，用常用微生物接种环对上述培养皿平板进行划线涂布接种；
预先选择好的对废气中目标污染物有降解及净化作用的菌种为目前在废水处理工程中常用的有机物降解菌、脱氮菌、脱硫细菌，其可从相关的且正在正常运行的生物法废水处理装置中取样获得；
(4)在常温常压下，将涂布有预选菌种的3～7个培养皿平板放入废气净化专用菌种培育器中，通入气态目标污染物进行培养驯化，并保持无液态水导入和排出，使接种涂布在固化且不含构成目标污染物主体元素培养基平板表面的微生物菌种只能利用气相中的气态目标污染物作为供其生长的主要基质的唯一基质源；
(5)当平板表面菌落生物膜的覆盖率达到30～60％时，按常规微生物学实验方法，在无菌工作台内，用微生物接种环，进行从优势菌落中选择优势菌种的操作，选择出优势菌种；
(6)将获得的优势菌种再次进行平板划线涂布，而后再放入培育器重复进行第二次的培养驯化及随后的优势菌种选择，并依次重复操作三次，最终得到气态目标污染物净化专用的微生物菌种。
2、根据权利要求1所述的一种工业废气净化菌种的气相培育方法，其特征在于第一次培养基平板涂布接种时，菌种采用经预选的微生物菌种；第二次重复涂布接种时，菌种采用第一次接种菌落生物膜内生长15～25天时的优势菌种；第三次重复涂布接种时，菌种采用第二次接种菌落生物膜内生长5～15天时的优势菌种。
3、根据权利要求1或2所述的一种工业废气净化菌种的气相培育方法，其特征在于将涂布有预选菌种的培养皿平板放入废气净化专用菌种培育器中、并通入气态目标污染物进行培养驯化时，通入培育器的气态目标污染物的浓度为一般工业废气中的3～5倍。
4、根据权利要求1或2所述的一种工业废气净化菌种的气相培育方法，其特征在于将涂布有预选菌种的培养皿平板放入废气净化专用菌种培育器中、并通入气态目标污染物进行培养驯化时，还可向培育器中注入能增强菌种净化能力的添加物。
5、根据权利要求3所述的一种工业废气净化菌种的气相培育方法，其特征在于将涂布有预选菌种的培养皿平板放入废气净化专用菌种培育器中、并通入气态目标污染物进行培养驯化时，还可向培育器中注入能增强菌种净化能力的添加物。
6、根据权利要求1或2所述的一种工业废气净化菌种的气相培育方法，其特征在于有机物降解菌为假单胞菌、球菌、杆菌，脱氮菌为脱氮杆菌、脱氮硫杆菌，脱硫细菌为排硫杆菌、氧化亚铁硫杆菌。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C12 | Rejection of a patent application after its publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |