一种人工菌胶团及其制备方法
【专利摘要】本发明公开一种人工菌胶团，其原料按重量计包括：第一聚合基质、第二聚合基质、第三聚合基质、菌胶团骨架、增韧剂、第一吸附剂、第二吸附剂加入剩余的去离子水。本发明提供的人工菌胶团性质稳定、有机污染物降解效率高且污泥产出率低、不易造成二次污染，可适用于高浓度有机废水处理、自然水体原位修复和污泥治理。
【专利说明】一种人工菌胶团及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及水污染处理技术，具体涉及一种人工菌胶团及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 在水体污染(含水域中的污泥）治理工程中，一般采用生物降解法除去污水中的蛋 白质、脂肪、芳香族化合物等有机污染物。现有应用于污水处理的生物降解法包括活性污泥 法以及生物膜法。
[0003] 活性污泥法利用附着在活性污泥上的好养微生物在曝气的条件下氧化降解污水 中的有机污染物，成本低廉，在国内具有较大的应用规模。生物膜法则是在固体表面培育微 生物，使之自然形成由微生物构成的膜状物质，再利用该物质处理污水，具有操作简便、易 于回收等优点。无论是活性污泥还是生物膜，其中具有生物分解活性的功能单位主要是具 有分解有机污染物功能的微生物群形成的菌胶团。天然的菌胶团大多是由微生物群落通过 分泌黏液层而相互粘集形成的，其形态为松散的絮状物质，在污水治理过程中，容易解体、 消溶，不但影响活性污泥/生物膜的活性，消溶在水体中的菌胶团难以在二沉池中被分离， 造成水体污泥率高等问题。此外，天然的菌胶团中微生物种类和数量难以控制，不利于针对 污染物的种类提高处理效率，还容易混杂入有害微生物，造成水体的二次污染。
[0004] 现有一种人工制造菌胶团的技术，通过将胶体物质(如果胶）与微生物悬液混合凝 固后制得。上述的人工菌胶团中微生物的种类和数量可控，结构较为紧密、稳定，有利于提 高污染物的分解效率。但与天然菌胶团相比，现有的人工菌胶团通透性不足、吸附效率低， 分子量较大的有机污染物难以进入菌胶团内部，影响有机污染物处理效率的进一步提升。
[0005] 同时，现有的单一基质的人工菌胶团具有稳定性不足的问题，容易受污水的温度、 pH、电荷、重金属浓度等因素的影响而分解、消溶、微生物流失，导致其使用寿命的缩短，而 消溶在污水中的生物膜又将导致二次污染，增加污水处理的难度。
【发明内容】
[0006] 有鉴于此，本发明公开一种有机污染物处理效率高、运行稳定、使用寿命长的菌胶 团。
[0007] 本发明的目的通过以下技术方案实现： 一种人工菌胶团，其原料按重量计包括： 第一聚合基质 5?15份； 第二聚合基质 5?10份； 第三聚合基质 10?50份； 增韧剂 3?5份； 菌胶团骨架 25?50份； 第一吸附剂 1?5份； 第二吸附剂 25?50份； 去尚子水 300?600份； 生物活性组分 30?50份； 其中，所述第一聚合基质为耐酸水溶性植物多糖；所述第二聚合基质为耐碱水溶性植 物多糖；所述第三聚合基质为明胶；所述增韧剂为淀粉；所述菌胶团骨架为高分子树脂；所 述第一吸附剂为活性炭粉末；所述第二吸附剂为钠基膨润土。
[0008] 上述生物活性组分为微生物悬液，可根据生物降解的机理和目标污染物的性质， 针对性地选用优质高效的有益菌株制备，使微生物能更发挥其降解作用。作为制备菌胶团 基质的植物多糖稳定性与环境的pH呈现较大的关联性，在特定的pH环境下，菌胶团基质容 易发生分解、消溶。但不同来源的污水其pH值差距较大，而在生物降解处理的过程中，随着 污染物种类、浓度以及微生物代谢产物的变化，上述pH值也将不断变化，采用单一组分的 基质往往难以适应上述pH值不断变化的环境。因此本发明特别选用三种不同类型的物质 共同构成菌胶团的聚合基质。其中，所述耐酸水溶性植物多糖在低pH环境中具有高稳定 性，而耐碱水溶性植物多糖在高pH环境中具有高稳定性。本发明还选用明胶作为聚合基质 之一，明胶相对于植物多糖类聚合基质具有较高的韧性、分散性，可有效提升本发明菌胶团 的强度。上述三种聚合基质共同作用，可有效提高本发明菌胶团的稳定性、对污水环境的适 应性，同时可大幅延长菌胶团的使用寿命。而主要由氨基酸构成的明胶，在特定条件下(如 在催化剂的作用下水解）可以释放少量单体氨基酸，同时具有氨基和羧基的氨基酸能够缓 冲污水的pH变化，保持菌胶团中的植物多糖类聚合基质的稳定性。此外，明胶还可以中和 污水中低浓度的重金属，防止其毒害生物活性组分，保持本发明的菌胶团在污水中存在一 定浓度重金属的条件下的生物活性。与此同时，本发明还选用淀粉作为菌胶团的增韧剂。淀 粉经糊化可以产生糊精，糊精具有较好的持水性、增韧效果，有助于维持菌胶团的形态、提 高菌胶团的强度。同时淀粉还可以作为碳源，维持菌胶团上微生物的活性，降低菌胶团的保 存难度。与此同时，本发明的菌胶团中还包括由活性炭粉末和钠基膨润土的吸附剂。活性 炭粉末具有较大的比表面积，能够为菌胶团中的微生物提供足够的附着位点从而提高菌胶 团中的微生物浓度，也能为微生物的降解反应提供充裕的反应面积以提高对污染物的处理 效率。同时活性炭粉末对污水中有机污染物的吸附、富集作用，可以克服现有人工菌胶团吸 附效果差的问题，可大幅提高菌胶团中底物的浓度，进而提高生物降解效率。活性炭粉末与 上述三种聚合基质都有较好的相容性，可以提高上述三种聚合基质的表面活化能，促进三 者充分混合而形成一稳定、均匀的体系。本发明的活性炭粉末可选用粒径为100?200 的产品实现。所述钠基膨润土同样具有富集有机污染物的作用，尤其富集本来难以扩散入 极性菌胶团的非极性、大分子污染物，增强对非极性污染物的降解效果。需要强调的是，钠 基膨润土具有较好的持水性和膨胀性，可吸附因污水环境变化而被消溶的上述多糖类聚合 基质，在污水处理后对菌胶团进行中和处理后，被吸附的多糖类聚合基质将重新凝聚。钠基 膨润土的上述特性可进一步延长本发明菌胶团的使用寿命、提高其稳定性。本发明的菌胶 团还采用高分子树脂作为菌胶团骨架，高分子树脂有较高的稳定性且与本发明中的其他组 分有较高的相容性，能够提高本发明菌胶团的机械强度和稳定性，防止菌胶团脱落、消溶造 成二次污染。本发明的菌胶团相对于现有技术，具有更高的强度和稳定性、环境适应性，不 易因分解、消溶而产生二次污染，能够降低污水处理成本、简化污水处理工艺。在上述有益 效果的基础上，本发明菌胶团中微生物的种类和浓度高于现有产品且更为稳定，菌胶团对 各种有机污染物的富集作用明显，对污染物的降解效率优于一般的活性污泥和生物膜法， 尤其适用于高浓度有机废水的处理、自然水体的原位修复、污泥治理以及低浓度重金属污 染水体的处理。本发明的菌胶团在实际应用中可以附着在一个固体核心表面，固体核心可 以提高菌胶团的强度，还能增加菌胶团的自重，降低泥水分离的难度。
[0009]进一步的，所述耐酸水溶性植物多糖为琼脂、海藻酸钠、果胶中的任一种；所述耐 碱水溶性植物多糖为羧甲基纤维素钠、甘露聚糖、卡拉胶中的任一种；所述淀粉为支链淀 粉；所述高分子树脂为聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯中的任一种或二者的混合。
[0010] 本发明还提供一种制备所述菌胶团的方法，其包括以下工序： 51. 将所述增韧剂加入所述离子水的二分之一中，将去离子水加热至95?100°C，保持 10?20min，在2min内将其冷却至50°C; 52. 将所述第一聚合基质、第二聚合基质、第三聚合基质、菌胶团骨架、第一吸附剂、第 二吸附剂加入剩余的去离子水中，搅拌均匀后将其加入所述糊状物中，搅拌并将其加热至 90?95°C，保持15?20min获得菌胶团熔质； 53. 使菌胶团熔质冷却至35?38°C，加入所述生物活性组分，保持恒温震荡至均匀； 54. 使所述菌胶团熔质附着于基体表面，冷却凝固后获得所述菌胶团；或使所述菌胶 团熔质冷却凝固，获得所述菌胶团。
[0011] 本发明针对菌胶团原料的特性，对菌胶团的制备方法进行了优化。本发明选用较 高的温度对淀粉进行糊化处理，以降低糊化物的粘度，促进本发明菌胶团的其他组分充分 地分散在糊化物中，最终形成均匀、稳定的溶胶态。本发明首先对淀粉进行糊化处理之后再 加入其他组分，可有效避免上述的聚合基质溶化后包裹于淀粉颗粒的表面使之发生团聚、 结块，保证淀粉的糊化效果。菌胶团熔质本发明特别在菌胶团熔质冷却至35?38°C后再加 入所述生物活性组分，这一温度下可保持生物活性组分的降解活性，同时还能保证菌胶团 菌胶团熔质的流动性，有利于生物活性组分中的微生物均匀地分散在菌胶团熔质中，进而 提高最终制得的菌胶团其性能的稳定。正如上文所述，本发明在菌胶团菌胶团熔质中添加 活性炭粉末增加其内部面积，以提高菌胶团的微生物容量。菌胶团熔质若直接将含有高浓 度微生物的生物活性组分直接加入菌胶团熔质中混合，微生物难以在短时间内附着在活性 炭粉末上，待菌胶团菌胶团熔质冷却后，微生物便难以附着在活性炭粉末上，导致菌胶团部 分位置微生物浓度过高。过高菌群浓度将降低微生物活性甚至发生凋亡，影响菌胶团的污 水处理效果。若在混合操作中对菌胶团熔质保温，虽然可以使微生物充分分散在活性炭粉 末上，但长时间的高温处理容易使微生物失活，同时还容易使菌胶团菌胶团熔质遭受杂菌 污染。因此本发明针对上述问题，选用在恒温下震荡的方式，将生物活性组分中的微生物分 散至菌胶团菌胶团熔质中。而震荡过程中，还可在菌胶团菌胶团熔质中产生大量的细小气 泡。这些细小气泡可在一定程度上提高制得的菌胶团的强度，同时提高菌胶团的比表面积， 增强菌胶团对有机污染物的吸附效果，进一步增强菌胶团对有机污染物的降解效率。本发 明的菌胶团在冷却凝固后，可以根据实际需要处理成块状、颗粒状、粉末状。
[0012] 更进一步的，所述S3中保持恒温震荡至均匀是指将菌胶团熔质浸泡在质量浓度 2%?4%的磷酸二氢钾溶液中，采用旋转式摇床以20?40转/min的速度在35?40°C恒 温下震荡25min。
[0013]低浓度的磷酸二氢钾溶液可以保持菌胶团熔质的通透性，促进生物活性组分中的 微生物进入菌胶团熔质内部固定，有利于提高制得的菌胶团内微生物的浓度。磷酸二氢钾 溶液的体积一般为生物活性组分的二分之一至五分之四。
[0014] 本发明相对于现有技术，具有如下的有益效果： 1.本发明采用三种聚合基质，采用包埋法固定具有污水处理效用的生物活性组分制 成菌胶团；该生物活性组分为根据污染物种类、水体pH、温度、气候等因素，以多种纯化培 养的微生物浓缩液为原料配置成，本发明提供的人工菌胶团性质稳定、有机污染物降解效 率高且污泥产出率低、不易造成二次污染，可适用于高浓度有机废水处理、自然水体原位修 复和污泥治理。
[0015] 2.本发明向菌胶团中添加两种可以吸附有机污染物的吸附剂，二者不但能够将 大量的有机污染物富集至聚焦团中，更能提高菌胶团的比表面积和活化能，大幅提高菌胶 团内部微生物的浓度，进一步增强菌胶团对有机污染物的降解效率。
【具体实施方式】
[0016] 为了便于本领域技术人员理解，下面将结合实施例对本发明作进一步详细描述： 实施例1 本实施例提供一种用于海产养殖池污水处理的菌胶团，其原料按重量计包括： 第一聚合基质 10份； 第二聚合基质 9份； 第三聚合基质 30份； 增韧剂 5份； 菌胶团骨架 45份； 第一吸附剂 4份； 第二吸附剂 30份； 去离子水 500份； 生物活性组分 20份； 其中，所述第一聚合基质为海藻酸钠；所述第二聚合基质为羧甲基纤维素钠；所述第 三聚合基质为明胶；所述增韧剂为淀粉；所述菌胶团骨架为聚甲基丙烯酸甲酯；所述第一 吸附剂为活性炭粉末；所述第二吸附剂为钠基膨润土。
[0017] 本实施例中，所述海藻酸钠、羧甲基纤维素钠、明胶、淀粉、聚甲基丙烯酸甲酯、活 性炭粉末、钠基膨润土均为市售产品。上述生物活性组分为微生物悬液，其中含有10 9cfu/ mL鼻疽诺卡氏菌、105cfu/mL假诺卡氏菌、102cfu/mL游动放线菌、108cfu/mL小球孢白僵菌、 106cfu/mL假蜜环菌。
[0018] 上述鼻疽诺卡氏菌、假诺卡氏菌、游动放线菌、小球孢白僵菌、假蜜环菌均为市售 菌种。
[0019] 经测试，上述的几种微生物均能大密度地聚集在被实施例所提供的菌胶团中，尤 其是能够与上述海藻酸钠、明胶相容。而这几种微生物的分泌物及菌丝，可以进一步增强本 实施例菌胶团的强度。同时，上述几种微生物在菌胶团中形成的群落对水产养殖污水具有 优秀的处理效率，能够在短时间内降解水产养殖污水中的蛋白质、脂肪。上述效果尚未见现 有文献记载。
[0020] 本实施例进一步提供上述菌胶团的制备方法，包括以下工序： 51. 将所述淀粉加入所述250份的离子水中，将去离子水加热至95°C，保持15min，在 2min内将其冷却至50°C; 52. 将所述第一聚合基质、第二聚合基质、第三聚合基质、菌胶团骨架、第一吸附剂、第 二吸附剂加入剩余的去离子水中，搅拌均匀后将其加入所述糊状物中，搅拌并将其加热至 95°C，保持15min获得菌胶团熔质； 53. 使菌胶团熔质冷却至35°C，加入所述生物活性组分，将菌胶团熔质浸泡在质量 浓度4%的磷酸二氢钾溶液中，采用旋转式摇床以20转/min的速度在35°C恒温下震荡 25min； 54. 使所述菌胶团熔质冷却凝固后获得所述菌胶团。本实施例中，上述菌胶团被切割为 块状后投入使用。
[0021] 实施例2 本实施例提供一种用于海产养殖池污水处理的人工菌胶团，其原料按重量计包括： 第一聚合基质 15份； 第二聚合基质 5份； 第三聚合基质 50份； 增韧剂 3份； 菌胶团骨架 50份； 第一吸附剂 1份； 第二吸附剂 50份； 去离子水 300份； 生物活性组分 50份； 其中，所述第一聚合基质为海藻酸钠；所述第二聚合基质为羧甲基纤维素钠；所述第 三聚合基质为明胶；所述增韧剂为淀粉；所述菌胶团骨架为聚甲基丙烯酸甲酯；所述第一 吸附剂为活性炭粉末；所述第二吸附剂为钠基膨润土。
[0022] 本实施例中，所述海藻酸钠、羧甲基纤维素钠、明胶、淀粉、聚甲基丙烯酸甲酯、活 性炭粉末、钠基膨润土均为市售产品。上述生物活性组分为微生物悬液，其中含有l〇7cfu/ mL沼泽红假单胞菌、106cfu/mL枯草芽孢杆菌、103cfu/mL乳酸菌、106cfu/mL黑曲霉、106cfu/ mL啤酒酵母。
[0023] 本实施例还提供上述人工菌胶团的制备方法，其包括以下工序： 51. 将所述增韧剂加入150份离子水中，将去离子水加热至95°C，保持20min，在2min 内将其冷却至50°C; 52. 将所述第一聚合基质、第二聚合基质、第三聚合基质、菌胶团骨架、第一吸附剂、第 二吸附剂加入剩余的150份去离子水中，搅拌均匀后将其加入所述糊状物中，搅拌并将其 加热至95°C，保持15min获得菌胶团熔质； 53. 使菌胶团熔质冷却至40°C，加入所述生物活性组分，采用旋转式摇床以20转/min 的速度在40°C恒温下震荡25min; 54. 使所述菌胶团熔质附着于基体表面，冷却凝固后获得所述菌胶团。
[0024] 对比例1 本对比例提供一种由2007年7月公开的中国专利（申请号2006101246362)用于处理 污水的生物膜。
[0025] 对比例2 本对比例提供一种用于处理污水的菌胶团，其具体构成与实施例1 一致，但原料中不 包含活性炭粉末。
[0026] 对比例3 本对比例提供一种用于处理污水的菌胶团，其具体构成与实施例1 一致，但原料中不 包含淀粉。
[0027] 对比例4 本对比例提供一种用于处理污水的菌胶团，其具体构成与实施例1 一致，但原料中不 包含海藻酸钠。
[0028] 对比例5 本对比例提供一种用于处理污水的菌胶团，其具体构成与实施例1 一致，但原料中不 包含钠基膨润土。
[0029] 对比例6 本对比例提供一种用于处理污水的菌胶团，其具体构成与实施例1 一致，但原料中不 包含聚甲基丙烯酸甲酯。
[0030] 污水处理效果 污水来源于中国某沿海城市一海产养殖场，依照DB33/453-2006检测处理前养殖池中 污水，其结果如表1所示。
[0031]表1
【权利要求】
1. 一种人工菌胶团，其原料按重量计包括： 第一聚合基质 5?15份； 第二聚合基质 5?10份； 第三聚合基质 10?50份； 增韧剂 3?5份； 菌胶团骨架 25?50份； 第一吸附剂 1?5份； 第二吸附剂 25?50份； 去尚子水 300?600份； 生物活性组分 30?50份； 其中，所述第一聚合基质为耐酸水溶性植物多糖；所述第二聚合基质为耐碱水溶性植 物多糖；所述第三聚合基质为明胶；所述增韧剂为淀粉；所述菌胶团骨架为高分子树脂；所 述第一吸附剂为活性炭粉末；所述第二吸附剂为钠基膨润土。
2. 根据权利要求1所述的人工菌胶团，其特征在于：所述耐酸水溶性植物多糖为琼脂、 海藻酸钠、果胶中的任一种；所述耐碱水溶性植物多糖为羧甲基纤维素钠、甘露聚糖、卡拉 胶中的任一种；所述淀粉为支链淀粉；所述高分子树脂为聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯中 的任一种或二者的混合。
3. -种制备权利要求2所述人工菌胶团的方法，其包括以下工序：
51. 将所述增韧剂加入所述离子水的二分之一中，将去离子水加热至95?100°C，保持 10?20min，在2min内将其冷却至50°C ;
52. 将所述第一聚合基质、第二聚合基质、第三聚合基质、菌胶团骨架、第一吸附剂、第 二吸附剂加入剩余的去离子水中，搅拌均匀后将其加入所述糊状物中，搅拌并将其加热至 90?95°C，保持15?20min获得菌胶团熔质；
53. 使菌胶团熔质冷却至35?40°C，加入所述生物活性组分，保持恒温震荡至均匀；
54. 使所述菌胶团熔质附着于基体表面，冷却凝固后获得所述菌胶团；或使所述菌胶 团熔质冷却凝固，获得所述菌胶团。
4. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述S3中保持恒温震荡至均匀是指将菌 胶团熔质浸泡在质量浓度2%?4%的磷酸二氢钾溶液中，采用旋转式摇床以20?40转/ min的速度在35?40°C恒温下震荡25min。
5. 根据权利要求2所述的人工菌胶团，其特征在于：所述生物活性组分为微生物悬液， 其中含有109cfu/mL鼻疽诺卡氏菌、105cfu/mL假诺卡氏菌、102cfu/mL游动放线菌、10 8cfu/ mL小球孢白僵菌、106cfu/mL假蜜环菌。
【文档编号】C12N11/12GK104342428SQ201410524851
【公开日】2015年2月11日 申请日期:2014年10月8日 优先权日:2014年10月8日
【发明者】吴俊豪, 杨敏波 申请人:广东惠山生物科技有限公司