申请日2017.09.29
公开(公告)日2017.12.26
IPC分类号C02F3/34; C12N1/12; C12N1/20; C12R1/01; C12R1/46; C12R1/085; C12R1/89; C02F103/20; C02F101/30
摘要
本发明属于生物净水剂技术领域，具体涉及一种去除养殖污水中高浓度氨氮的菌碳净水剂及其制备方法。将含有亲水性基团的柱型碳载体置于培养基中，同时将复合菌株接种至培养基，经振荡共培养制得菌碳净水剂;该净水剂可利用微生物中的氨氮菌降解污水中氨基酸、蛋白质等，能去除污水中大部分的污染物，显著地降低污水的氨氮指标，达到污水净化的目的;同时由于含有亲水性基团的柱型碳载体与水有了更好的相溶性，且与微生物共培养过程提高了碳载体对微生物的吸附固定效率，提高了对污染物的吸附效率，提高了微生物的生物活性以促进微生物对污染物协同降解作用，所以该菌碳净水剂易于沉淀，具有吸附与降解的双重净化作用等优点。
权利要求书
1.一种去除养殖污水中高浓度氨氮的菌碳净水剂，其特征在于：将含有亲水性基团的柱型碳载体置于牛肉膏蛋白胨培养基中，同时将复合菌株接种至牛肉膏蛋白胨培养基，经振荡共培养、烘干后，制得菌碳净水剂;所述的含有亲水性基团的柱型碳载体的制备方法为：
(1)以蔗糖为原料，经在180℃水热合成12 h，生成碳前驱体材料;
(2)碳前驱体材料依次经无水乙醇、水洗涤后，于80℃干燥12h得粉末碳前驱体;
(3)将碳前驱材料体置于300℃马弗炉中煅烧2h，得总孔容积为0.05 cm3/g的多孔粉末碳材料;
(4)将多孔粉末碳材料分散于乙醇中，然后在分散液中滴入聚乙二醇，充分搅拌形成胶状物后，压制成型，制成含有亲水性基团的柱型碳载体。
2.根据权利要求1所述的一种去除养殖污水中高浓度氨氮的菌碳净水剂，其特征在于：所述的牛肉膏蛋白胨培养基的配方为：牛肉膏5g，蛋白胨10g，NaCl 5g，蒸馏水1000 mL，pH7.4。
3.一种制备如权利要求1或2所述的去除养殖污水中高浓度氨氮的菌碳净水剂的方法，其特征在于：把10g含有亲水性基团的柱型碳载体加入到50-150 ml牛肉膏蛋白胨培养基中，并将脱氮副球菌Paracoccus denitrificans、链球菌Streptococcus、蜡状芽胞杆菌Bacillus cereus、小球藻Chlorella vulgaris、欧洲亚硝化毛杆菌Nitrosomonas europaea按质量比为：5:2:5:1:3接种至牛肉膏蛋白胨培养基中，复合菌株接种量为1-2 %，在4℃、150 rpm条件下振荡共培养48～72h，最后捞出碳载体置于4℃的恒温箱里烘干，即制得菌碳净水剂，碳载体上有效活菌数为6×108～4×109 CFU/g。
4.一种如权利要求1或2所述的菌碳净水剂在处理养殖厌氧污水方面的应用。
说明书
一种去除养殖污水中高浓度氨氮的菌碳净水剂及其制备方法
技术领域
本发明属于及生物净水剂技术领域，具体涉及一种去除养殖污水中高浓度氨氮的菌碳净水剂及其制备方法。
背景技术
畜牧业规模化发展中，统一的管理，降低了成本，提高了经济效益，但大量集中的污水排放引起的严重环境污染，急需治理。国内外对养殖污水处理方式主要有资源化利用和达标排放两大类，归纳为还田模式、自然处理模式及工业化处理3种模式，它们各有优缺点。我国养殖污水处理的目的是控制、减少其造成的危害，开展综合利用，最终实现减量化、资源化、无害化和达标排放的目标，减少对作物土壤质量和作物品质的影响，降低对水体、土壤环境和气候环境的潜在污染风险。
近年来研究者们针对农业环境污染物的性质特征，对养殖污水的处理方法和工艺都进行了较系统的研究，分别利用了化学方法和生物方法对氮、磷、重金属离子及有机物分子进行吸附、分离及生物/化学降解，单一的处理方式一定程度上实现了减量化和资源化的目标，但很难达到完全无害化和国家排放标准。在研究过程中，活性炭通常被用作污水污染物的吸附剂，它对于污水的色度和浊度都能有所改观，同时含有大孔、中孔及微孔结构，故对于小分子和重金属离子也会发生吸附作用，亦可被压制成柱状小颗粒作为生物净水剂的载体用于畜禽类养殖厌氧沼液的净化处理，且单一菌株固定于碳载体形成的菌碳净水剂，其污水净化效果往往不如复合菌株形成的菌碳净化效果理想。公布号为CN 104261570 A的专利公开了一种畜禽养殖厌氧污水净化剂，由复合微生物菌株与活性炭载体组成，所述活性炭载体为煤质柱状活性炭，是以2-10目的煤质活性炭经过定型制成的实心圆柱状活性炭。所用的煤质活性炭以及市售的碳材料(活性炭AC、碳纳米管CNT、石墨GC等)均有着诸多优点，如孔隙度高、比表面大、稳定性好、无毒无污染-环境友好等;但其表面官能团较少，不含亲水性基团(-COOH、-OH)，故净化剂在水中分散性较差，阻碍了与污水中污染物的充分接触，而且与含氢键及孤电子对的氨氮物质很难发生静电相互作用，不能完全发挥碳基载体对污染物的吸附作用，因此对碳材料的表面亲/疏水性的调控是显得非常必要。目前常用的方法是使用浓酸(浓HNO3、浓H2SO4)使惰性的炭表面活化并使表面炭氧化形成含氧官能团(-COOH、-OH、-C=O)，同时产生有污染的氮氧化物及硫氧化物，造成二次污染，且反应条件苛刻、反应容器要求耐浓酸，在实际操作及应用过程中存在诸多不足。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种去除养殖污水中高浓度氨氮的菌碳净水剂及其制备方法。通过将含有亲水性基团的柱型碳载体与复合氨氮菌株结合，有利于微生物菌株的吸附固定，一方面可以显著降低养殖污水中的氨氮含量，另一方面克服了净水剂在水中分散性差的缺陷，与污染物接触性更好，提高了污染物吸附效率，兼具吸附与降解双重净化作用，同时实现了微生物对有机质的循环利用和对污染物的协同高效降解，氨氮去除效果突出。
为实现本发明的目的，采用如下技术方案：
一种去除养殖污水中高浓度氨氮的菌碳净水剂：将含有亲水性基团的柱型碳载体置于牛肉膏蛋白胨培养基中，同时将复合菌株接种至牛肉膏蛋白胨培养基，经振荡共培养、烘干后，制得菌碳净水剂;所述的含有亲水性基团的柱型碳载体的制备方法为：
(1)以蔗糖为原料，经在180℃水热合成12 h，生成碳前驱体材料;
(2)碳前驱体材料依次经无水乙醇、水洗涤后，于80℃干燥12h得粉末碳前驱体;
(3)将碳前驱材料体置于300℃马弗炉中煅烧2h，得多孔粉末碳材料(总孔容积为0.05cm3/g);
(4)将多孔粉末碳材料分散于乙醇中，然后在分散液中滴入聚乙二醇，充分搅拌形成胶状物后，压制成型，制成含有亲水性基团的柱型碳载体。
所述的牛肉膏蛋白胨培养基的配方为：牛肉膏5g，蛋白胨10g，NaCl 5g，蒸馏水1000 mL，pH 7.4。
一种制备如上所述的去除养殖污水中高浓度氨氮的菌碳净水剂的方法：把10g含有亲水性基团的柱型碳载体加入到50-150 ml牛肉膏蛋白胨培养基中，并将脱氮副球菌Paracoccus denitrificans、链球菌Streptococcus、蜡状芽胞杆菌Bacillus cereus、小球藻Chlorella vulgaris、欧洲亚硝化毛杆菌 Nitrosomonas europaea按质量比为：5:2:5:1:3接种至牛肉膏蛋白胨培养基中，复合菌株接种量为1-2 %，在4℃、150 rpm条件下振荡共培养48～72h，最后捞出碳载体置于4℃的恒温箱里烘干，即制得菌碳净水剂，碳载体上有效活菌数为6×108 ~ 4×109 CFU/g，菌碳结合率达到97.4%;4℃条件下保存的菌碳净水剂在使用前于常温下放置8-12小时恢复生物活性即可直接投放于污水。
一种如上所述的菌碳净水剂在处理养殖厌氧污水方面的应用。
在亲水性碳载体与微生物共培养过程中，亲水性较好的革兰氏阴性菌(欧洲亚硝化毛杆菌/脱氮副球菌)因细胞表面成份主要为脂多糖类而显电正性，由于静电相互作用易于吸附固定于带负电基团的碳载体上;而偏疏水性的革兰氏阳性菌(小球藻/芽孢杆菌/链球菌)的细胞壁由一层厚而致密的5个甘氨酸交联的肽聚糖和磷壁酸组成，表面显负电性，在培养生长早期可利用其疏水性在营养液中扩散，获得多种资源以满足增殖需求，在生长进程中微生物疏水性下降使其可在水体自由浮游而免受环境胁迫，提高存活能力，进入生长后期微生物亲水性进一步增加，便于吸附固定于带负电基团的亲水性碳载体上，由此可见含亲水性官能团的碳载体有利于微生物菌株的吸附固定。
上述原料中采用的菌种可以由本领域技术人员通过常规菌种鉴定分离方法方便地从自然界分离得到的，或通过商业渠道公开购买的菌种。本发明采用的菌种可从中国微生物菌种网-北京北纳创联生物技术研究院等供应商处购买获得。
上述菌种根据现有常规方法培养：
1)脱氮副球菌的培养基：葡萄糖5g，KH2PO4 1g，K2HPO4 1g，MgSO4·7H2O 0.5g，KNO30.75g，蒸馏水1000 mL，pH值7.8;
2)链球菌的培养基：牛肉粉10.0g，胰蛋白胨20.g，葡萄糖2.0g，NaHCO3 2.0g，NaCl2.0g，Na2HPO4 0.4g，蒸馏水1000 mL，pH值7.8;
3)蜡状芽孢杆菌的培养基：葡萄糖 10g，(NH4)2SO4 2g，K2HPO4 3g，MgSO4 0.2g，CaCl20.1g，蒸馏水1000 mL，pH值7.2;
4)小球藻常用培养液配方：NH4NO3 50-100 mg，K2HPO4 5 mg，FeC6H5O7 0.1-0.5 mg，海水1000 mL;
5)欧洲亚硝化毛杆菌的培养基：(NH4)2SO4 2g，NaH2PO4 0.25g，MnSO4·4H2O 0.01g，K2HPO4 0.75g，MgSO4·7H2O 0.03 g，CaCO3 5g，蒸馏水 1000 mL。
本发明的有益效果在于：
1)本发明以蔗糖为原料，经水热合成、低温煅烧、压制成型工艺制得含有亲水性基团的柱型碳载体，避免了常规方法使用浓酸刻蚀炭时产生有毒污染性气体的弊端，这种含亲水性基团的载体碳表面上的带电性基团与水中的氢质子/氢氧根发生静电相互作用，使碳载体与水有了更好的相溶性，克服了一般炭载体的疏水性问题，使大比表面积的碳载体与污染物之间的接触性更好，同时载体碳表上的带电性基团会与氮磷物质中的孤对电子及氢质子发生静电作用，提高了污染物的吸附效率;
2)该菌碳净水剂可利用固定的氨氮菌降解污水中氨基酸、蛋白质等含氮有机物，能去除污水中大部分的污染物，显著地降低污水的氨氮指标;
3)本发明将亲水性碳载体与微生物共同培养，有利于微生物菌株的吸附固定，提高了菌碳结合率，净水剂的吸附效率高;同时载体碳上吸附的有机质被微生物作为营养物质高效降解，而微生物代谢的产物又可作为彼此利用的营养底物，提高微生物的生物活性以促进微生物对污染物协同降解作用;
4)本发明的菌碳净水剂易于沉淀，具有碳吸附与微生物降解的双重净化作用，去污效果稳定且易于处理，非常适用于高浓度养殖污水的规模化处理。
