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一种用于污水处理的复合微生物菌剂及其制备方法和应用

文献发布时间：2023-06-19 11:30:53

技术领域

本发明属于微生物应用技术领域，具体涉及一种用于污水处理的复合微生物菌剂及其制备方法和应用。

背景技术

随着城市化进程的不断推进和工业经济的日益发展，城市范围内的生活污水和工业废水等越来越多，水质日趋复杂和污染日趋严重。大量的生活和工业污水流入河流和地下水中，城市污水中不仅含有有机污染物，还含有大量的悬浮物(包含有机物和无机物)、氮和磷污染等，这些污染对人类的日常生活和人体健康都造成极大的负面影响。城市污水的有效处理和利用成为人们普遍关注的问题。

目前，人们尝试采用各种物理、化学或生物学方式来处理污水，力争减少城市水体中的各种污染物含量，从而提高水体的水质。例如，CN110902849B公开了一种利用生物吸附剂处理工业废水的方法，其中以ZrO2-Fe3O4作为磁性纳米吸收剂，加入壳聚糖、海藻酸钠、滑石粉等生物载体；CN1303009C公开了一种清洁型一体化污水处理系统，其由三个反应区构成的立体封闭体系对污水实现了净化；CN109701311A公开了一种方便维修的污水处理装置，该装置的连接筒和净化筒能够拆卸，从而容易对连接筒内部的过滤网进行清理，防止过滤网的堵塞，从实现较高的净化效率；CN108421423A公开了一种用于污水处理的光催化污水处理复合膜，其通过增加光催化的接触面积，增大对废水中的污染物的光催化降解；CN112079474A公开了一种污泥减量化的污水处理工艺，其采用过滤、絮凝和COD去除剂等化学措施来减少污水中的污泥含量及产生污泥的因素，从而提高污水处理的效果；CN108034602B公开了一种用于重金属废水处理的微生物菌剂，其中，所述微生物菌剂由于纤维素分解菌、固氮菌和纤维粉碎物等而对重金属具有强的吸附效果。与传统的物理化学处理方式相比，生物学方式、尤其是通过微生物代谢作用来处理污水是一种环境友好的、成本低、且不易形成二次污染的处理方式。

常规的微生物处理方法是利用微生物的生长代谢来消耗污水中的营养物质以达到分解或降低污染元素、净化水体的目的。然而，微生物生长必须满足一定的碳氮比，当污水中的碳源不足或被微生物耗尽时，或者当水体中的碳源过量，导致N不足时，都会影响微生物的生长和代谢活动，进而影响污水处理的效果。另外，由于当前城市污染水的组分复杂，污染物多样化，单一的微生物菌株处理污水难以实现有效的净化效果。

因此，面对复杂的城市污水现状，如何利用微生物生长代谢，构建一种合理且高效的污水处理方式是需要迫切解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于污水处理的复合微生物菌剂，所述复合微生物菌剂源自活性污泥的多种活性污泥菌，通过对其合理配伍，能够有效地去除污水中的过量氮磷、悬浮物和其他污染物。

本发明的目的通过包括以下的技术方案来实现：

根据本发明的一个方面，提供了一种用于污水处理的复合微生物菌剂，其由包括以下的原料制备而成：枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)、地衣芽孢杆菌(Bacilluslicheniformis)、解淀粉芽孢杆菌(Bacillus amyloliquefaciens)、侧胞芽胞杆菌(Brevibacillus laterosporus)、灰色链霉菌(Streptomyces griseus)和脱氮硫杆菌(Thiobacillus denitrificans)。

其中，所述复合微生物菌剂由包括以下重量份的原料制备而成：枯草芽孢杆菌10-20份、地衣芽孢杆菌10-20份、解淀粉芽孢杆菌10-20份、侧胞芽胞杆菌10-20份、灰色链霉菌5-20份和脱氮硫杆菌5-10份。

其中，按重量份计，所述枯草芽孢杆菌的含量为10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20份或它们之间任意范围内的任意值。

其中，按重量份计，所述地衣芽孢杆菌的含量为10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20份或它们之间任意范围内的任意值。

其中，按重量份计，所述解淀粉芽孢杆菌的含量为10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20份或它们之间任意范围内的任意值。

其中，按重量份计，所述侧胞芽胞杆菌的含量为10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20份或它们之间任意范围内的任意值。

其中，按重量份计，所述灰色链霉菌的含量为5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20份或它们之间任意范围内的任意值。

其中，按重量份计，所述脱氮硫杆菌的含量为5、5.5、6、6.5、7、7.5、8、8.5、9、9.5、10份或它们之间任意范围内的任意值。

其中，所述复合微生物菌剂的原料还包括碳源补充剂，碳源补充剂的用量为100-200份。

其中，所述碳源补充剂为淀粉和/或弱碱改性的秸秆粉末。其中，所述弱碱选自碳酸钠、碳酸钾、碳酸氢钠、碳酸氢钾、氨水或尿素中的一种或多种；所述秸秆选自青稞、玉米、小麦、水稻和棉花作物中的一种或多种的秸秆。

优选地，所述碳源补充剂为淀粉和弱碱改性的秸秆粉末按照质量比1-2:1-2的复配。

所述弱碱改性的秸秆粉末的制备包括如下步骤：取烘干粉碎后80-100目过筛的秸秆，加入浓度为10-20％(质量分数)的弱碱溶液，混匀，在40-55℃预处理48-72小时，然后将预处理后的秸秆用去离子水冲洗3-5次，烘干。

优选地，所述秸秆粉末为氨水改性的秸秆粉末。所述氨水改性的秸秆粉末的制备包括如下步骤：取烘干粉碎后80-100目过筛的秸秆，加入浓度12-16％的氨水，混匀，在40-55℃预处理48-72小时，然后将预处理后的秸秆用去离子水冲洗3-5次，烘干。

其中，所述复合微生物菌剂的原料还包括：苏云金芽孢杆菌(Bacillusthuringiensis)、蜡样芽孢杆菌(Bacillus cereus)和多粘芽孢杆菌(Bacillus polymyxa)中的一种或多种。

其中，所述复合微生物菌剂的原料还包括：解淀粉芽孢杆菌、蜡样芽孢杆菌和多粘芽孢杆菌。其中，按重量份计，所述复合微生物菌剂的原料还包括：解淀粉芽孢杆菌1-5份、蜡样芽孢杆菌1-5份和多粘芽孢杆菌1-5份。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于污水处理的复合微生物菌剂的制备方法，包括以下步骤：

1)分别将枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌、解淀粉芽孢杆菌、侧胞芽胞杆菌、灰色链霉菌和脱氮硫杆菌的斜面菌种接入各自合适的液体培养基中，可选地，还添加解淀粉芽孢杆菌、蜡样芽孢杆菌和多粘芽孢杆菌中的至少一种，进行液体发酵培养，直至各个菌在液体发酵液中的活菌浓度不少于1×10

2)按照预设的比例将所制备的休眠状态的微生物干粉进行混合，得到本发明的复合微生物菌剂。

优选地，在步骤2)中，加入碳源补充剂。具体地，按照预设的比例将所制备的休眠状态的微生物干粉和碳源补充剂进行混合，得到本发明的复合微生物菌剂。

其中，所述枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌、解淀粉芽孢杆菌、侧胞芽胞杆菌、灰色链霉菌、脱氮硫杆菌、苏云金芽孢杆菌、蜡样芽孢杆菌和多粘芽孢杆菌均可利用本领域已知的技术进行液体发酵培养。

根据本发明的又一方面，提供一种污水处理的方法，包括下列步骤：

1)将来自市政管道的生活污水依次经过粗格栅井和细格栅井去除大体积的污染物质，其中粗格栅网孔为25-100mm和细格栅网孔为1.5-25mm；

2)细格栅井出水流入沉砂池，使水中的其他杂质沉淀；

3)沉砂池出水进入厌氧池中；

4)厌氧池出水进入混合配水池中，相对于混合配水池进水的总体积，以15g/m

5)将混合配水池出水流入生化池中，通过鼓风机向生化池中供气，调节生化池内溶氧量保持0.2-2.0mg/L，其中生化池混合液回流至混合配水池中，回流量为0-1Q；

6)生化池内的出水流入二沉池，在二沉池内泥水进行分离，二沉池一部分污泥回流至厌氧池中，回流量为0-1Q；

7)二沉池出水流入消毒系统后经过出水计量槽排出。

其中，在生化池中加入本发明的复合微生物菌剂。

根据本发明的又一方面，提供了一种上述复合微生物菌剂在污水、尤其是富营养化污水处理中的应用。

在本发明中，各种菌之间相互协同，起到共同净化水质的作用。

枯草芽孢杆菌适应性强且能够分泌多种消化酶，尤其是分泌淀粉酶、脂肪酶和纤维素酶等，因此能够分解多种有机物。在本发明中，枯草芽孢杆菌分泌的枯草菌素、多粘菌素、制酶菌素、淀粉酶、蛋白酶等活性物质能够抑制有害病原菌(如弧菌、大肠杆菌)等在水体中的生长繁殖，从而可以分解污水中存在的多种有机污染物，从而实现降低有机污染物的目的。

地衣芽孢杆菌是具有较强酶活性的细菌。在本发明中，在氧气条件下，地衣芽孢杆菌分泌淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶和纤维素酶，从而分解污水中的蛋白、纤维素、淀粉和脂类等有机物质。在缺氧条件下，地衣芽孢杆菌分泌硝酸盐还原酶，将硝酸盐还原为亚硝酸盐，进而生成氮气。另外，地衣芽孢杆菌还可能产生抑制致病菌的生长繁殖的活性物质。

解淀粉芽孢杆菌是一种重要的溶磷菌，其能够分泌溶磷酶，让固态的磷变成离子态的磷。在本发明中，解淀粉芽孢杆菌可以通过分泌、几丁质酶以及其他具有絮凝功能的多糖和蛋白，这些多糖或蛋白上的羟基和羧基等活性官能团通过化学反应、氢键和静电等作用使悬浮在污水中的颗粒物、重金属离子或者病毒颗粒连接成团，加速悬浮物的凝聚沉降，从而净化水质。

侧胞芽胞杆菌是一类好气性蜡状芽孢杆菌，可做微生物源低毒杀虫剂，且能够产生两大类毒素，即内毒素和外毒素。在本发明中，侧胞芽胞杆菌净化污水的原因可能在于其营养体在成为芽孢状态的过程中产生内毒素和外毒素，其导致污水中的有害菌死亡。

灰色链霉菌是一种放线菌，其能够产生多种抗生素，例如链霉素和土霉素等，菌丝体发达，且具有较强的淀粉和蛋白质水解能力。在本发明中，灰色链霉菌产生大量菌丝，该菌丝不仅具有吸附作用，还能产生蛋白酶、淀粉酶和纤维素酶等物质，有效地分解污水中的各种有机物质，并且能分解纤维素作为各种细菌生长和繁殖的碳源。另外，灰色链霉菌产生的大量菌丝还可能吸附其他细菌形成活性菌团，加快污水中各种污染物的分解。

脱氮硫杆菌是反硝化过程中的重要功能菌。在本发明中，在缺氧条件下，脱氮硫杆菌以硫化物作为电子供体，以硝酸盐中的NO

秸秆的主要成分是纤维素、半纤维素和木质素，其富含羟基、羰基、羧基等多种活性官能团。在本发明中，通过使用碱对秸秆进行改性处理提高污水净化效果，其原因可能在于碱处理后的秸秆表面的粗糙度增加，使得复合菌剂中各种芽孢杆菌和灰色链霉菌等产生的纤维素酶和半纤维素酶更容易接触并分解秸秆纤维素，最终生成葡萄糖作为各种菌的补充碳源。配合淀粉一起使用效果更佳。

上述的技术方案具有如下的优点或有益效果：

在本发明中，复合菌剂中的各种组分是相互协同发挥作用。具体地，在秸秆粉末的吸附承载和各种芽孢菌所分泌的粘液作用下，各种活性菌或活性菌团更容易且均匀地分散在污水中或者吸附在高碳源、长泥龄的生物转盘上。枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌、灰色链霉菌等生成纤维素酶，分解纤维素生成葡萄糖为各种活性菌的生长提供必要的碳底物，尤其是低C/N比情况下；巨大芽胞杆菌分泌的絮凝组分和灰色链霉菌分生的菌丝供体促使各种菌形成较大的活性菌团，不仅具有较强的生物絮凝、吸附能力和氧化分解各种污染物的能力，也为污水中各种有益微生物提供良好的生存环境；在芽孢杆菌和灰色链霉菌分泌的毒素或抗生素作用下，污水中大部分的病毒和致病菌被杀死，进一步改善各种活性菌的生长和繁殖环境；而在底物充足和生长环境良好的前提下，各种硝化细菌和反硝化细菌以及硫化细菌更好地实现了N、P、S等污染物质的消化和分解，从而净化了污水的水质。

与污水或污泥种的土著菌种相比，本发明的复合微生物菌剂的菌种、特别是芽孢杆菌可快速成为优势菌种且存活时间久，同时能够在低C/N比下实现持续、稳定地降低污水体BOD、COD、TN、TP以及硝酸盐和重金属含量，有机物去除效率高，高效实现富营养化水体的净化。另外，本发明的复合微生物菌剂的制备方法简单，所需菌种的种类少、投入成本低，能够实现批量生产，用于大规模污水处理应用。

具体实施方式

下面将结合具体实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是出于举例的目的，而不是全部。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员将更好地理解和掌握本发明所要求保护的技术方案及其实现的技术效果。

以下实施例中的各个菌种均购自北京北纳创联生物。

本发明实施例所用的生物转盘源自青海洁神环境能源产业有限公司，其中生物转盘的材质是聚偏二氯乙烯(PVDC)，厚度为6cm，孔隙率98％，主要工作参数如下：盘片30个，盘片直径1m，连续运行进行污水处理，污水来自城镇污水厂进水，处理水量3000m

(一)复合菌剂的制备

1、配制培养基

1.1、种子培养基：蛋白胨1％、酵母浸出物0.5％、氯化钠1％、自然pH；

1.2、基础发酵培养基：黄豆饼粉5％、玉米淀粉4％、硫酸铵0.6％、K

2、菌种活化：将保存的菌种转接到斜面培养基培养，以备用；

3、种子液的制备

取一环活化的菌种接入装量为50ml种子培养基的250ml三角瓶中，37℃

180r/min培养18h；

4、摇瓶培养

分别取1ml种子液，接入盛有50ml发酵培养基的250ml三角瓶中，30℃振荡培养12h，转速为160r/min；

5、发酵条件

采用摇瓶培养处于对数生长期末期的菌液作为种子液接种到发酵罐，发酵前调节初始pH和温度、装液量、接种量、通气量、泡沫、菌体浓度、基质、发酵时间等；

6、发酵工艺

1)将发酵培养基原物料按比例混合在配料罐中搅拌混匀，加入适量水与配好的干物料混合形成料浆；

2)将所有管路、灭菌罐、发酵罐等系列设施进行蒸汽灭菌，灭菌时间随情况而定；

3)发酵培养基灭菌完成后，由于培养基灭菌时处于高温，利用喷淋降温管对其降温(如高温培养基直接输送至发酵罐中冷却需花费大量时间)，再通过管道输送至发酵罐；

4)利用空气过滤系统将空气进行多级过滤以及蒸汽灭菌，空气压缩机经管路将无菌空气送入种子罐以及发酵罐中；

5)对数生长期末期的菌液作为种子液经管路或接种口接种到一级种子罐，再由一级种子罐接种至二级种子罐，再由二级种子罐接种至发酵罐；

6)根据发酵量由一级发酵罐发酵后输送至二级发酵罐进行发酵，发酵期间利用检测系统及时调控参数，控制pH、温度、装液量、接种量、通气量、泡沫、菌体浓度和基质量等影响因素，确保发酵生产处于良好可控；

7)发酵周期一般为6-7天，不同菌种发酵时间也有差异；

8)发酵完成后的发酵液经管道输送至过滤浓缩装置，使发酵液进一步过滤浓缩；

9)再通过管道输送至干燥车间，采用喷雾干燥装置将浓缩液干燥，制成芽孢杆菌粉剂；

10)单芽孢杆菌粉剂按配制比例进行混合搅拌均匀，最终制备成复合芽孢杆菌菌剂。

实施例1

1.各个菌的发酵培养：将枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌、解淀粉芽孢杆菌、侧胞芽胞杆菌和脱氮硫杆菌的斜面菌种分别接入LB液体培养基中，在37℃各自培养；将灰色链霉菌的斜面菌种接入发酵培养基(黄豆饼粉5％、玉米淀粉4％、硫酸铵0.6％、K

2.改性青稞秸秆粉末的制备：取烘干粉碎后100目过筛的青稞秸秆，加入秸秆10倍质量的浓度14％(质量分数)的氨水，搅拌混匀，在50℃预处理48小时，然后将预处理后的秸秆用去离子水冲洗3次，烘干。

3.按照下列的比例混合各个菌和改性青稞干粉，得到本发明的复合微生物菌剂：

枯草芽孢杆菌15份、地衣芽孢杆菌15份、解淀粉芽孢杆菌15份、侧胞芽胞杆菌15份、灰色链霉菌13份、脱氮硫杆菌8份，淀粉100份，改性青稞秸秆粉末50份。

实施例2