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

　　本發明屬于生物凈水劑技術領域，具體涉及一種去除養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基中，同時將復合菌株接種至培養基，經振蕩共培養制得菌碳凈水劑;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，達到污水凈化的目的;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點。

　　權利要求書

　　1.一種去除養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基中，同時將復合菌株接種至牛肉膏蛋白胨培養基，經振蕩共培養、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，經在180℃水熱合成12 h，生成碳前驅體材料;

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

　　(3)將碳前驅材料體置于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，充分攪拌形成膠狀物后，壓制成型，制成含有親水性基團的柱型碳載體。

　　2.根據權利要求1所述的一種去除養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。

　　3.一種制備如權利要求1或2所述的去除養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按質量比為：5:2:5:1:3接種至牛肉膏蛋白胨培養基中，復合菌株接種量為1-2 %，在4℃、150 rpm條件下振蕩共培養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為6×108～4×109 CFU/g。

　　4.一種如權利要求1或2所述的菌碳凈水劑在處理養殖厭氧污水方面的應用。

　　說明書

　　一種去除養殖污水中高濃度氨氮的菌碳凈水劑及其制備方法

　　技術領域

　　本發明屬于及生物凈水劑技術領域，具體涉及一種去除養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

　　畜牧業規模化發展中，統一的管理，降低了成本，提高了經濟效益，但大量集中的污水排放引起的嚴重環境污染，急需治理。國內外對養殖污水處理方式主要有資源化利用和達標排放兩大類，歸納為還田模式、自然處理模式及工業化處理3種模式，它們各有優缺點。我國養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，最終實現減量化、資源化、無害化和達標排放的目標，減少對作物土壤質量和作物品質的影響，降低對水體、土壤環境和氣候環境的潛在污染風險。

　　近年來研究者們針對農業環境污染物的性質特征，對養殖污水的處理方法和工藝都進行了較系統的研究，分別利用了化學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/化學降解，單一的處理方式一定程度上實現了減量化和資源化的目標，但很難達到完全無害化和國家排放標準。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、中孔及微孔結構，故對于小分子和重金屬離子也會發生吸附作用，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殖厭氧污水凈化劑，由復合微生物菌株與活性炭載體組成，所述活性炭載體為煤質柱狀活性炭，是以2-10目的煤質活性炭經過定型制成的實心圓柱狀活性炭。所用的煤質活性炭以及市售的碳材料(活性炭AC、碳納米管CNT、石墨GC等)均有著諸多優點，如孔隙度高、比表面大、穩定性好、無毒無污染-環境友好等;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很難發生靜電相互作用，不能完全發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)，同時產生有污染的氮氧化物及硫氧化物，造成二次污染，且反應條件苛刻、反應容器要求耐濃酸，在實際操作及應用過程中存在諸多不足。

　　發明內容

　　本發明的目的在于針對現有技術的不足，提供了一種去除養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合氨氮菌株結合，有利于微生物菌株的吸附固定，一方面可以顯著降低養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，同時實現了微生物對有機質的循環利用和對污染物的協同高效降解，氨氮去除效果突出。

　　為實現本發明的目的，采用如下技術方案：

　　一種去除養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基中，同時將復合菌株接種至牛肉膏蛋白胨培養基，經振蕩共培養、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，經在180℃水熱合成12 h，生成碳前驅體材料;

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

　　(3)將碳前驅材料體置于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，充分攪拌形成膠狀物后，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按質量比為：5:2:5:1:3接種至牛肉膏蛋白胨培養基中，復合菌株接種量為1-2 %，在4℃、150 rpm條件下振蕩共培養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為6×108 ~ 4×109 CFU/g，菌碳結合率達到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殖厭氧污水方面的應用。

　　在親水性碳載體與微生物共培養過程中，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)的細胞壁由一層厚而致密的5個甘氨酸交聯的肽聚糖和磷壁酸組成，表面顯負電性，在培養生長早期可利用其疏水性在營養液中擴散，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域技術人員通過常規菌種鑒定分離方法方便地從自然界分離得到的，或通過商業渠道公開購買的菌種。本發明采用的菌種可從中國微生物菌種網-北京北納創聯生物技術研究院等供應商處購買獲得。

　　上述菌種根據現有常規方法培養：

　　1)脫氮副球菌的培養基：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)小球藻常用培養液配方：NH4NO3 50-100 mg，K2HPO4 5 mg，FeC6H5O7 0.1-0.5 mg，海水1000 mL;

　　5)歐洲亞硝化毛桿菌的培養基：(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。

　　本發明的有益效果在于：

　　1)本發明以蔗糖為原料，經水熱合成、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，避免了常規方法使用濃酸刻蝕炭時產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子/氫氧根發生靜電相互作用，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中的孤對電子及氫質子發生靜電作用，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;

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

　　4)本發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，去污效果穩定且易于處理，非常適用于高濃度養殖污水的規模化處理。