申請日2017.09.29

　　公開(公告)日2017.12.26

　　IPC分類號C02F3/34; C12N1/12; C12N1/20; C12R1/01; C12R1/46; C12R1/085; C12R1/89; C02F103/20; C02F101/30

　　摘要

　　本發(fā)明屬于生物凈水劑技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種去除養(yǎng)殖污水中高濃度氨氮的菌碳凈水劑及其制備方法。將含有親水性基團的柱型碳載體置于培養(yǎng)基中，同時將復(fù)合菌株接種至培養(yǎng)基，經(jīng)振蕩共培養(yǎng)制得菌碳凈水劑;該凈水劑可利用微生物中的氨氮菌降解污水中氨基酸、蛋白質(zhì)等，能去除污水中大部分的污染物，顯著地降低污水的氨氮指標(biāo)，達(dá)到污水凈化的目的;同時由于含有親水性基團的柱型碳載體與水有了更好的相溶性，且與微生物共培養(yǎng)過程提高了碳載體對微生物的吸附固定效率，提高了對污染物的吸附效率，提高了微生物的生物活性以促進微生物對污染物協(xié)同降解作用，所以該菌碳凈水劑易于沉淀，具有吸附與降解的雙重凈化作用等優(yōu)點。

　　權(quán)利要求書

　　1.一種去除養(yǎng)殖污水中高濃度氨氮的菌碳凈水劑，其特征在于：將含有親水性基團的柱型碳載體置于牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基中，同時將復(fù)合菌株接種至牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基，經(jīng)振蕩共培養(yǎng)、烘干后，制得菌碳凈水劑;所述的含有親水性基團的柱型碳載體的制備方法為：

　　(1)以蔗糖為原料，經(jīng)在180℃水熱合成12 h，生成碳前驅(qū)體材料;

　　(2)碳前驅(qū)體材料依次經(jīng)無水乙醇、水洗滌后，于80℃干燥12h得粉末碳前驅(qū)體;

　　(3)將碳前驅(qū)材料體置于300℃馬弗爐中煅燒2h，得總孔容積為0.05 cm3/g的多孔粉末碳材料;

　　(4)將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?jǐn)嚢栊纬赡z狀物后，壓制成型，制成含有親水性基團的柱型碳載體。

　　2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種去除養(yǎng)殖污水中高濃度氨氮的菌碳凈水劑，其特征在于：所述的牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基的配方為：牛肉膏5g，蛋白胨10g，NaCl 5g，蒸餾水1000 mL，pH7.4。

　　3.一種制備如權(quán)利要求1或2所述的去除養(yǎng)殖污水中高濃度氨氮的菌碳凈水劑的方法，其特征在于：把10g含有親水性基團的柱型碳載體加入到50-150 ml牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基中，并將脫氮副球菌Paracoccus denitrificans、鏈球菌Streptococcus、蠟狀芽胞桿菌Bacillus cereus、小球藻Chlorella vulgaris、歐洲亞硝化毛桿菌Nitrosomonas europaea按質(zhì)量比為：5:2:5:1:3接種至牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基中，復(fù)合菌株接種量為1-2 %，在4℃、150 rpm條件下振蕩共培養(yǎng)48～72h，最后撈出碳載體置于4℃的恒溫箱里烘干，即制得菌碳凈水劑，碳載體上有效活菌數(shù)為6×108～4×109 CFU/g。

　　4.一種如權(quán)利要求1或2所述的菌碳凈水劑在處理養(yǎng)殖厭氧污水方面的應(yīng)用。

　　說明書

　　一種去除養(yǎng)殖污水中高濃度氨氮的菌碳凈水劑及其制備方法

　　技術(shù)領(lǐng)域

　　本發(fā)明屬于及生物凈水劑技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種去除養(yǎng)殖污水中高濃度氨氮的菌碳凈水劑及其制備方法。

　　背景技術(shù)

　　畜牧業(yè)規(guī)�；�發(fā)展中，統(tǒng)一的管理，降低了成本，提高了經(jīng)濟效益，但大量集中的污水排放引起的嚴(yán)重環(huán)境污染，急需治理。國內(nèi)外對養(yǎng)殖污水處理方式主要有資源化利用和達(dá)標(biāo)排放兩大類，歸納為還田模式、自然處理模式及工業(yè)化處理3種模式，它們各有優(yōu)缺點。我國養(yǎng)殖污水處理的目的是控制、減少其造成的危害，開展綜合利用，最終實現(xiàn)減量化、資源化、無害化和達(dá)標(biāo)排放的目標(biāo)，減少對作物土壤質(zhì)量和作物品質(zhì)的影響，降低對水體、土壤環(huán)境和氣候環(huán)境的潛在污染風(fēng)險。

　　近年來研究者們針對農(nóng)業(yè)環(huán)境污染物的性質(zhì)特征，對養(yǎng)殖污水的處理方法和工藝都進行了較系統(tǒng)的研究，分別利用了化學(xué)方法和生物方法對氮、磷、重金屬離子及有機物分子進行吸附、分離及生物/化學(xué)降解，單一的處理方式一定程度上實現(xiàn)了減量化和資源化的目標(biāo)，但很難達(dá)到完全無害化和國家排放標(biāo)準(zhǔn)。在研究過程中，活性炭通常被用作污水污染物的吸附劑，它對于污水的色度和濁度都能有所改觀，同時含有大孔、中孔及微孔結(jié)構(gòu)，故對于小分子和重金屬離子也會發(fā)生吸附作用，亦可被壓制成柱狀小顆粒作為生物凈水劑的載體用于畜禽類養(yǎng)殖厭氧沼液的凈化處理，且單一菌株固定于碳載體形成的菌碳凈水劑，其污水凈化效果往往不如復(fù)合菌株形成的菌碳凈化效果理想。公布號為CN 104261570 A的專利公開了一種畜禽養(yǎng)殖厭氧污水凈化劑，由復(fù)合微生物菌株與活性炭載體組成，所述活性炭載體為煤質(zhì)柱狀活性炭，是以2-10目的煤質(zhì)活性炭經(jīng)過定型制成的實心圓柱狀活性炭。所用的煤質(zhì)活性炭以及市售的碳材料(活性炭AC、碳納米管CNT、石墨GC等)均有著諸多優(yōu)點，如孔隙度高、比表面大、穩(wěn)定性好、無毒無污染-環(huán)境友好等;但其表面官能團較少，不含親水性基團(-COOH、-OH)，故凈化劑在水中分散性較差，阻礙了與污水中污染物的充分接觸，而且與含氫鍵及孤電子對的氨氮物質(zhì)很難發(fā)生靜電相互作用，不能完全發(fā)揮碳基載體對污染物的吸附作用，因此對碳材料的表面親/疏水性的調(diào)控是顯得非常必要。目前常用的方法是使用濃酸(濃HNO3、濃H2SO4)使惰性的炭表面活化并使表面炭氧化形成含氧官能團(-COOH、-OH、-C=O)，同時產(chǎn)生有污染的氮氧化物及硫氧化物，造成二次污染，且反應(yīng)條件苛刻、反應(yīng)容器要求耐濃酸，在實際操作及應(yīng)用過程中存在諸多不足。

　　發(fā)明內(nèi)容

　　本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種去除養(yǎng)殖污水中高濃度氨氮的菌碳凈水劑及其制備方法。通過將含有親水性基團的柱型碳載體與復(fù)合氨氮菌株結(jié)合，有利于微生物菌株的吸附固定，一方面可以顯著降低養(yǎng)殖污水中的氨氮含量，另一方面克服了凈水劑在水中分散性差的缺陷，與污染物接觸性更好，提高了污染物吸附效率，兼具吸附與降解雙重凈化作用，同時實現(xiàn)了微生物對有機質(zhì)的循環(huán)利用和對污染物的協(xié)同高效降解，氨氮去除效果突出。

　　為實現(xiàn)本發(fā)明的目的，采用如下技術(shù)方案：

　　一種去除養(yǎng)殖污水中高濃度氨氮的菌碳凈水劑：將含有親水性基團的柱型碳載體置于牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基中，同時將復(fù)合菌株接種至牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基，經(jīng)振蕩共培養(yǎng)、烘干后，制得菌碳凈水劑;所述的含有親水性基團的柱型碳載體的制備方法為：

　　(1)以蔗糖為原料，經(jīng)在180℃水熱合成12 h，生成碳前驅(qū)體材料;

　　(2)碳前驅(qū)體材料依次經(jīng)無水乙醇、水洗滌后，于80℃干燥12h得粉末碳前驅(qū)體;

　　(3)將碳前驅(qū)材料體置于300℃馬弗爐中煅燒2h，得多孔粉末碳材料(總孔容積為0.05cm3/g);

　　(4)將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?jǐn)嚢栊纬赡z狀物后，壓制成型，制成含有親水性基團的柱型碳載體。

　　所述的牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基的配方為：牛肉膏5g，蛋白胨10g，NaCl 5g，蒸餾水1000 mL，pH 7.4。

　　一種制備如上所述的去除養(yǎng)殖污水中高濃度氨氮的菌碳凈水劑的方法：把10g含有親水性基團的柱型碳載體加入到50-150 ml牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基中，并將脫氮副球菌Paracoccus denitrificans、鏈球菌Streptococcus、蠟狀芽胞桿菌Bacillus cereus、小球藻Chlorella vulgaris、歐洲亞硝化毛桿菌 Nitrosomonas europaea按質(zhì)量比為：5:2:5:1:3接種至牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基中，復(fù)合菌株接種量為1-2 %，在4℃、150 rpm條件下振蕩共培養(yǎng)48～72h，最后撈出碳載體置于4℃的恒溫箱里烘干，即制得菌碳凈水劑，碳載體上有效活菌數(shù)為6×108 ~ 4×109 CFU/g，菌碳結(jié)合率達(dá)到97.4%;4℃條件下保存的菌碳凈水劑在使用前于常溫下放置8-12小時恢復(fù)生物活性即可直接投放于污水。

　　一種如上所述的菌碳凈水劑在處理養(yǎng)殖厭氧污水方面的應(yīng)用。

　　在親水性碳載體與微生物共培養(yǎng)過程中，親水性較好的革蘭氏陰性菌(歐洲亞硝化毛桿菌/脫氮副球菌)因細(xì)胞表面成份主要為脂多糖類而顯電正性，由于靜電相互作用易于吸附固定于帶負(fù)電基團的碳載體上;而偏疏水性的革蘭氏陽性菌(小球藻/芽孢桿菌/鏈球菌)的細(xì)胞壁由一層厚而致密的5個甘氨酸交聯(lián)的肽聚糖和磷壁酸組成，表面顯負(fù)電性，在培養(yǎng)生長早期可利用其疏水性在營養(yǎng)液中擴散，獲得多種資源以滿足增殖需求，在生長進程中微生物疏水性下降使其可在水體自由浮游而免受環(huán)境脅迫，提高存活能力，進入生長后期微生物親水性進一步增加，便于吸附固定于帶負(fù)電基團的親水性碳載體上，由此可見含親水性官能團的碳載體有利于微生物菌株的吸附固定。

　　上述原料中采用的菌種可以由本領(lǐng)域技術(shù)人員通過常規(guī)菌種鑒定分離方法方便地從自然界分離得到的，或通過商業(yè)渠道公開購買的菌種。本發(fā)明采用的菌種可從中國微生物菌種網(wǎng)-北京北納創(chuàng)聯(lián)生物技術(shù)研究院等供應(yīng)商處購買獲得。

　　上述菌種根據(jù)現(xiàn)有常規(guī)方法培養(yǎng)：

　　1)脫氮副球菌的培養(yǎng)基：葡萄糖5g，KH2PO4 1g，K2HPO4 1g，MgSO4·7H2O 0.5g，KNO30.75g，蒸餾水1000 mL，pH值7.8;

　　2)鏈球菌的培養(yǎng)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，蒸餾水1000 mL，pH值7.8;

　　3)蠟狀芽孢桿菌的培養(yǎng)基：葡萄糖 10g，(NH4)2SO4 2g，K2HPO4 3g，MgSO4 0.2g，CaCl20.1g，蒸餾水1000 mL，pH值7.2;

　　4)小球藻常用培養(yǎng)液配方：NH4NO3 50-100 mg，K2HPO4 5 mg，F(xiàn)eC6H5O7 0.1-0.5 mg，海水1000 mL;

　　5)歐洲亞硝化毛桿菌的培養(yǎng)基：(NH4)2SO4 2g，NaH2PO4 0.25g，MnSO4·4H2O 0.01g，K2HPO4 0.75g，MgSO4·7H2O 0.03 g，CaCO3 5g，蒸餾水 1000 mL。

　　本發(fā)明的有益效果在于：

　　1)本發(fā)明以蔗糖為原料，經(jīng)水熱合成、低溫煅燒、壓制成型工藝制得含有親水性基團的柱型碳載體，避免了常規(guī)方法使用濃酸刻蝕炭時產(chǎn)生有毒污染性氣體的弊端，這種含親水性基團的載體碳表面上的帶電性基團與水中的氫質(zhì)子/氫氧根發(fā)生靜電相互作用，使碳載體與水有了更好的相溶性，克服了一般炭載體的疏水性問題，使大比表面積的碳載體與污染物之間的接觸性更好，同時載體碳表上的帶電性基團會與氮磷物質(zhì)中的孤對電子及氫質(zhì)子發(fā)生靜電作用，提高了污染物的吸附效率;

　　2)該菌碳凈水劑可利用固定的氨氮菌降解污水中氨基酸、蛋白質(zhì)等含氮有機物，能去除污水中大部分的污染物，顯著地降低污水的氨氮指標(biāo);

　　3)本發(fā)明將親水性碳載體與微生物共同培養(yǎng)，有利于微生物菌株的吸附固定，提高了菌碳結(jié)合率，凈水劑的吸附效率高;同時載體碳上吸附的有機質(zhì)被微生物作為營養(yǎng)物質(zhì)高效降解，而微生物代謝的產(chǎn)物又可作為彼此利用的營養(yǎng)底物，提高微生物的生物活性以促進微生物對污染物協(xié)同降解作用;

　　4)本發(fā)明的菌碳凈水劑易于沉淀，具有碳吸附與微生物降解的雙重凈化作用，去污效果穩(wěn)定且易于處理，非常適用于高濃度養(yǎng)殖污水的規(guī)�；�處理。