一种除磷微生物絮凝剂及其制备方法和应用与流程

本发明涉及富磷污水处理技术领域，具体涉及一种除磷微生物絮凝剂及其制备方法和应用。

背景技术：

目前在城市污水处理过程中不但要求取出cod和ss，而且对除磷和脱氮都提出了较高的要求。而在农村，因环境意识淡薄，因贪图便宜而使用富磷洗衣粉的还大有人在，这就导致农村河水的磷污染情况也不容乐观。

污水除磷技术可以分为生物除磷和化学除磷两类。其中，生物除磷的本质是通过聚磷菌在好氧条件下过量摄取废水中的磷并积聚在细胞内，然后作为剩余污泥排出。通常认为生物除磷系统运行费用低，管理方便，但处理效果不稳定，聚磷菌本身存在固定的生长周期，很难实现长时间稳定达标排放，尤其是进水磷酸盐浓度较高时，这种情况尤为明显。

而化学除磷则是通过投加化学药剂使磷酸盐以化学沉淀形式从污水中分离出来。化学除磷系统最大的特点是可以通过控制药剂投加量来控制除磷效果，但化学药剂通常费用较高，限制了它在实际工程中的应用。

技术实现要素：

本申请提供了一种除磷微生物絮凝剂的制备方法，利用该制备方法获得的除磷微生物絮凝剂，不仅除磷效果好，而且成本低。

一种除磷微生物絮凝剂的制备方法，该制备方法包括：

(1)在粗纤维原料中接种产絮菌，制成含水量为50～70％，ph为3～6的一级发酵基质，进行好氧发酵，获得一级发酵物；

(2)在一级发酵物中接种解纤维梭菌(clostridiumcellulolyticum)atcc35319，进行厌氧发酵，获得二级发酵物；

(3)待所述二级发酵物的含水量降至20～30％后，在二级发酵物中接种粘细菌，制成含水量在40％以下、ph为6～8的三级发酵基质；

(4)进行好氧发酵，获得三级发酵物；

(5)利用乙酸乙酯对三级发酵物进行浸提，取浸提液，过滤取清液，干燥，获得所述微生物絮凝剂；

所述产絮菌包括：

①：日内瓦毛霉(mucorgenevensis)cgmcc3.4901、里氏木霉(trichodermareesei)cgmcc3.3711、烟灰色红曲霉(monascusfumeus)cgmcc3.2093、纳米青霉(penicilliumnamyslowskii)cgmcc3.4376和米根霉(rhizopusoryzae)cgmcc3.5818中的至少一种。

本发明先在粗纤维原料中接种产絮菌，利用产絮菌对粗纤维原料进行第一次的生物转化，生成能够使污水中的磷酸盐沉淀的代谢物；但经过一轮好氧发酵后，产絮菌已经进入生长周期末尾(衰败期)，这就使得产絮菌对粗纤维原料的转化非常有限。

因此，本发明继续在一级发酵物中接种解纤维梭菌atcc35319进行厌氧发酵，在厌氧发酵过程中，不仅有解纤维梭菌atcc35319对纤维素作进一步生物转化，而且在步骤(1)好氧发酵过程中产生的代谢物之间、以及厌氧发酵过程中产生的代谢物与好氧发酵过程中产生的代谢物之间都会发生复杂的化学反应，从而获得具有多种官能团的絮凝剂。

本发明进一步在二级发酵物中接种粘细菌，粘细菌能够以二级发酵物中残留的粗纤维原料作为营养来源，或者能以二级发酵物中死亡的或活性较低的产絮菌和解纤维梭菌作为营养来源，进一步生成能够使污水中的磷酸盐沉淀的代谢物，大大提高了原料利用率和产能效率。

作为优选，所述产絮菌还包括：

③：孢淡灰链霉菌(streptomycesspororaveus)cgmcc4.5873、苍白色链霉菌(streptomycespallidus)cgmcc4.1384、藤黄灰链霉菌(streptomycesluteogriseus)cgmcc4.2001和砖红链霉菌(streptomyceslateritius)cgmcc4.1427中的至少一种。

第②组产絮菌与第①组不同，第②组是放线菌(第①组是真菌)，本发明发现，上述放线菌不仅能降解纤维素对其进行生物转化，而且与第①组中所列的真菌之间不存在拮抗作用，可能还存在互利共生，使得所产絮凝剂的成分更为丰富。

在接种产絮菌前，可以先将粗纤维原料进行粉碎，粉碎程度越细越好。如此不仅能够提高粗纤维利用率，而且也便于产絮菌、解纤维梭菌和粘细菌生长，后续提取絮凝剂时，也能获得较高的提取效率。

粗纤维原料可以是农作物，如秸秆，甘薯渣，甘蔗渣等。

作为进一步优选，所述产絮菌包括：日内瓦毛霉(mucorgenevensis)cgmcc3.4901和苍白色链霉菌(streptomycespallidus)cgmcc4.1384。

作为优选，以干重计，第①组和第③组产絮菌的接种量为10⁵～10⁶个孢子/克粗纤维原料；第③组产絮菌生长速度相对较慢，因此其接种量可以略高于第①组。接种后，调整一级发酵基质的含水量和ph能够为产絮菌提供更加适宜的增殖环境。

作为优选，步骤(1)中，所述好氧发酵的温度为20～35℃，好氧发酵时间为25～35天。

作为优选，以干重计，所述解纤维梭菌(clostridiumcellulolyticum)atcc35319的接种量优选为10⁸～10¹⁰cfu/克粗纤维原料。

作为优选，步骤(2)中，所述厌氧发酵的时间为68～75天。

作为优选，所述粘细菌为橙黄色黏球菌(myxococcusxanthus)cgmcc1.3865。橙黄色黏球菌(myxococcusxanthus)cgmcc1.3865能够以一级发酵物中产絮菌的残体作为营养物质，提高原料利用率，还能够产生大量粘液，粘液中含有的糖蛋白、粘多糖等大分子能与二级发酵物中的代谢物和反应物混合，使获得的絮凝剂具有更佳的絮凝能力和除磷效率。

作为优选，以干重计，所述粘细菌的接种量为10¹⁰～10¹⁴个粘孢子/克粗纤维原料。之所以要将二级发酵物的含水量降至30～35％后再接种粘细菌，同时控制接种后二级发酵物的含水量在40％以下、ph在6～8，是因为粘细菌对自身生长条件的要求较高，需氧量高，若含水量过高不利于粘细菌生长。

作为优选，步骤(3)中，所述好氧发酵的温度为30～35℃，发酵时间为48～55天。

本发明还提供了由所述制备方法获得的除磷微生物絮凝剂。该微生物絮凝剂中不仅含有由产絮菌和解纤维梭菌生成的代谢物，以及代谢物之间相互反应生成的反应物，还包含了粘细菌生成的糖蛋白、粘多糖等大分子，这些大分子与二级发酵物中的代谢物和反应物混合，进一步提高絮凝剂的絮凝能力和除磷效率。

本发明还提供了所述微生物絮凝剂在富磷污水处理中的应用。

在进行富磷污水处理时，所述微生物絮凝剂的投加量可以根据污水中磷酸盐的浓度而作相应调节。对于本发明的微生物絮凝剂，当污水中磷酸盐的浓度在5mg/l左右时，投加量在0.1g/l即可，此时磷酸盐的浓度越小，本发明的微生物絮凝剂的投加量也可以适当减少。当污水中磷酸盐的浓度在200mg/l左右时，投加量在0.04～0.06g/l即可。本发明的微生物絮凝剂具有优异的除磷效果，使用较少的投加量即可高效处理富磷污水，使富磷污水中的含磷量降低到正常水平。

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：

(1)本发明先在粗纤维原料中接种产絮菌，利用产絮菌对粗纤维原料进行第一次的生物转化，生成能够使污水中的磷酸盐沉淀的代谢物；并继续在一级发酵物中接种解纤维梭菌atcc35319进行厌氧发酵，在厌氧发酵过程中，不仅有解纤维梭菌atcc35319对纤维素作进一步生物转化，而且在步骤(1)好氧发酵过程中产生的代谢物之间、以及厌氧发酵过程中产生的代谢物与好氧发酵过程中产生的代谢物之间都会发生复杂的化学反应，从而获得具有多种官能团的絮凝剂；

(2)本发明进一步在二级发酵物中接种粘细菌，粘细菌能够以二级发酵物中残留的粗纤维原料作为营养来源，或者能以二级发酵物中死亡的或活性较低的产絮菌作为营养来源，进一步生成能够使污水中的磷酸盐沉淀的代谢物，大大提高了原料利用率和产能效率；

(3)第②组好氧型纤维素分解微生物与第①组不同，第②组是放线菌(第①组是真菌)，本发明发现，上述放线菌不仅能降解纤维素对其进行生物转化，而且与第①组中所列的真菌之间不存在拮抗作用，可能还存在互利共生，使得所产絮凝剂的成分更为丰富。

附图说明

图1为各实施例制备的微生物絮凝剂对不同浓度含磷模拟废水的处理效果；

图2为实施例1制备的微生物絮凝剂在不同投加量下对含磷模拟废水的处理效果；

图3为对比例1和对比例2制备的微生物絮凝剂以及实施例1中的中间絮凝剂对含磷模拟废水的处理效果。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案做进一步的详细说明。

本发明中使用的解纤维梭菌(clostridiumcellulolyticum)atcc35319是从美国模式培养物集存库(americantypeculturecollection)购买获得的，其余菌株是从中国普通微生物菌种保藏管理中心(chinageneralmicrobiologicalculturecollectioncenter,cgmcc)购买获得的。

实施例1

本实施例一种微生物絮凝剂的制备方法，包括：

1、活化菌种

(1)将日内瓦毛霉(mucorgenevensis)cgmcc3.4901接种于已灭菌的麸皮培养基中，于28℃下培养5天，待培养物中日内瓦毛霉的孢子数量超过10⁸个/克培养物时，获得日内瓦毛霉菌剂，待用。

(2)将苍白色链霉菌(streptomycespallidus)cgmcc4.1384接种于已灭菌的高氏一号斜面培养基中，于30℃下培养7天后，向试管斜面内注入带玻璃珠的无菌水，充分振荡后，过滤成单孢子悬液，采用光电比浊法检测孢子数，并制成孢子数量为10⁹个/ml的孢子悬液，待用。

(3)将解纤维梭菌(clostridiumcellulolyticum)atcc35319接种于已灭菌的装有100mldcb-1培养基(含有5.0g/l的粉碎玉米秸秆)的250ml厌氧瓶中，35℃培养3天，收集菌体，制成浓度为10¹⁰cfu/ml的菌悬液，待用。

(4)将橙黄色黏球菌(myxococcusxanthus)cgmcc1.3865接种于已灭菌的vy/2培养基中，在35℃下培养7天，收集粘孢子，制成浓度为10¹⁵个粘孢子/ml的粘孢子悬液，待用。

2、制备微生物絮凝剂

(1)取新鲜玉米秸秆和甘蔗渣各10kg，经粉碎机粉碎处理后装入搅拌机中，边搅拌边加水至粗纤维原料含水量为55％左右时，以喷雾的方式加入硝酸，待粗纤维原料的ph至3-4时，继续加水直至粗纤维原料的含水量为60％；加入上述日内瓦毛霉菌剂40g，上述苍白色链霉菌孢子悬液100ml，搅拌均匀后，获得一级发酵基质；

(2)将一级发酵基质转移至一个四壁均设有透气孔的塑料箱中，将塑料箱置于28℃中进行恒温好氧发酵，28天后，获得一级发酵物；

(3)将箱中的一级发酵物转移至一塑料桶中，加入上述解纤维梭菌(clostridiumcellulolyticum)atcc35319菌悬液200ml；压实，保证塑料桶内装满一级发酵物，桶口盖紧封死，将塑料桶置于32℃下进行恒温厌氧发酵，68天后获得二级发酵产物(含水量28％)；

(4)将二级发酵产物的ph调整至7～7.5后，加入200ml上述橙黄色黏球菌(myxococcusxanthus)cgmcc1.3865的粘孢子悬液，搅拌均匀，转移至一个四壁均设有透气孔的塑料箱中，将塑料箱置于32℃中进行恒温好氧发酵，50天后获得三级发酵物；

(5)取出三级发酵物，向三级发酵物中加入50l乙酸乙酯，在室温下进行浸提，每次浸提24小时，反复浸提6～7次，收集浸提液，过滤取清液，旋蒸至干，获得本实施例的微生物絮凝剂。

发酵过程中，分别取部分一级发酵物、二级发酵物，向其中加入适量乙酸乙酯，在室温下进行浸提，每次浸提24小时，反复浸提6～7次，收集浸提液，过滤取清液，旋蒸至干，分别获取一级中间絮凝剂、二级中间絮凝剂，备用。

实施例2

1、活化菌种

(1)将里氏木霉(trichodermareesei)cgmcc3.3711接种于已灭菌的麸皮培养基中，于28℃下培养5天，待培养物中日内瓦毛霉的孢子数量超过10⁸个/克培养物时，获得里氏木霉菌剂，待用。

(2)将孢淡灰链霉菌(streptomycesspororaveus)cgmcc4.5873接种于已灭菌的高氏一号斜面培养基中，于30℃下培养7天后，向试管斜面内注入带玻璃珠的无菌水，充分振荡后，过滤成单孢子悬液，采用光电比浊法检测孢子数，并制成孢子数量为10⁹个/ml的孢子悬液，待用。

(3)将解纤维梭菌(clostridiumcellulolyticum)atcc35319接种于已灭菌的装有100mldcb-1培养基(含有5.0g/l的粉碎玉米秸秆)的250ml厌氧瓶中，35℃培养3天，收集菌体，制成浓度为10¹²cfu/ml的菌悬液，待用。

(4)将橙黄色黏球菌(myxococcusxanthus)cgmcc1.3865接种于已灭菌的vy/2培养基中，在35℃下培养7天，收集粘孢子，制成浓度为10¹⁵个粘孢子/ml的粘孢子悬液，待用。

2、制备微生物絮凝剂

(1)取新鲜玉米秸秆和甘蔗渣各10kg，经粉碎机粉碎处理后装入搅拌机中，边搅拌边加水至粗纤维原料含水量为45％左右时，以喷雾的方式加入硝酸，待粗纤维原料的ph至3-4时，继续加水直至粗纤维原料的含水量为50％；加入上述里氏木霉菌剂30g，上述苍白色链霉菌孢子悬液80ml，搅拌均匀后，获得一级发酵基质。

(2)将一级发酵基质转移至一个四壁均设有透气孔的塑料箱中，将塑料箱置于28℃下进行恒温好氧发酵，25天后，获得一级发酵物；

(3)将箱中的一级发酵物转移至一只塑料桶中，加入上述解纤维梭菌菌悬液160ml，压实，保证塑料桶内装满一级发酵物，桶口盖紧封死，将塑料桶置于32℃下进行恒温厌氧发酵，65天后获得二级发酵产物(含水量20％)；

(4)将二级发酵产物的ph调整至7～7.5后，加入180ml上述橙黄色黏球菌的粘孢子悬液，搅拌均匀，转移至一个四壁均设有透气孔的塑料箱中，将塑料箱置于32℃中进行恒温好氧发酵，48天后获得三级发酵物；

(5)取出三级发酵物，向三级发酵物中加入50l乙酸乙酯，在室温下进行浸提，每次浸提24小时，反复浸提6～7次，收集浸提液，过滤取清液，旋蒸至干，获得本实施例的微生物絮凝剂。

实施例3

1、活化菌种

(1)将米根霉(rhizopusoryzae)cgmcc3.5818接种于已灭菌的麸皮培养基中，于28℃下培养5天，待培养物中日内瓦毛霉的孢子数量超过10⁸个/克培养物时，获得里氏木霉菌剂，待用。

(2)将砖红链霉菌(streptomyceslateritius)cgmcc4.1427接种于已灭菌的高氏一号斜面培养基中，于30℃下培养7天后，向试管斜面内注入带玻璃珠的无菌水，充分振荡后，过滤成单孢子悬液，采用光电比浊法检测孢子数，并制成孢子数量为10⁹个/ml的孢子悬液，待用。

(3)将解纤维梭菌(clostridiumcellulolyticum)atcc35319接种于已灭菌的装有100mldcb-1培养基(含有5.0g/l的粉碎玉米秸秆)的250ml厌氧瓶中，35℃培养3天，收集菌体，制成浓度为10¹¹cfu/ml的菌悬液，待用。

(4)将橙黄色黏球菌(myxococcusxanthus)cgmcc1.3865接种于已灭菌的vy/2培养基中，在35℃下培养7天，收集粘孢子，制成浓度为10¹⁵个粘孢子/ml的粘孢子悬液，待用。

2、制备微生物絮凝剂

(1)取新鲜玉米秸秆和甘蔗渣各10kg，经粉碎机粉碎处理后装入搅拌机中，边搅拌边加水至粗纤维原料含水量为65％左右时，以喷雾的方式加入硝酸，待粗纤维原料的ph至3-4时，继续加水直至粗纤维原料的含水量为70％；加入上述里氏木霉菌剂60g，上述苍白色链霉菌孢子悬液150ml，搅拌均匀后，获得一级发酵基质。

(2)将一级发酵基质转移至一个四壁均设有透气孔的塑料箱中，将塑料箱置于28℃下进行恒温好氧发酵，35天后，获得一级发酵物；

(3)将箱中的一级发酵物转移至一只塑料桶中，加入上述解纤维梭菌菌悬液350ml，压实，保证塑料桶内装满一级发酵物，桶口盖紧封死，将塑料桶置于32℃下进行恒温厌氧发酵，75天后获得二级发酵产物(含水量30％)；

(4)将二级发酵产物的ph调整至7～7.5后，加入400ml上述橙黄色黏球菌的粘孢子悬液，搅拌均匀，转移至一个四壁均设有透气孔的塑料箱中，将塑料箱置于32℃中进行恒温好氧发酵，55天后获得三级发酵物；

(5)取出三级发酵物，向三级发酵物中加入50l乙酸乙酯，在室温下进行浸提，每次浸提24小时，反复浸提6～7次，收集浸提液，过滤取清液，旋蒸至干，获得本实施例的微生物絮凝剂。

同时，另外取步骤(2)的一级发酵产物和步骤(3)二级发酵产物，加入50l乙酸乙酯，在室温下进行浸提，每次浸提24小时，反复浸提6～7次，收集浸提液，过滤取清液，旋蒸至干，获得一级中间絮凝剂和二级中间絮凝剂，备用。

实施例4微生物絮凝剂的除磷效果

1、微生物絮凝剂对模拟废水中磷酸盐的去除效果

取烧杯21只，分成三组，在每组烧杯中分别倒入100ml磷酸二氢钾溶液(浓度依次为5mg/l、10mg/l、20mg/l、40mg/l、80mg/l、100mg/l、200mg/l)，向第一组的各烧杯中分别投入0.01g实施例1制备的除磷微生物絮凝剂，向第二组的各烧杯中分别投入0.01g实施例2制备的除磷微生物絮凝剂，向第三组的各烧杯中分别投入0.01g实施例3制备的除磷微生物絮凝剂，搅拌均匀，于100r/min、室温下振荡混合40min，离心，去沉淀，取上清液，检测上清液中磷酸二氢钾的浓度，计算各实施例的除磷微生物絮凝剂对磷酸二氢钾的去除效率，结果见图1。

由图1可见，各实施例制备的除磷微生物絮凝剂对浓度为5mg/l的含磷模拟废水均具有97％以上的处理效率，其中实施例1制备的除磷微生物絮凝剂对含磷模拟废水的处理效果最好，当含磷模拟废水中磷浓度为20mg/l时仍具有91.3％的除磷效率，含磷模拟废水中磷浓度为200mg/l时仍具有54.7％的除磷效率。

2、微生物絮凝剂投加量对模拟废水中磷酸盐的去除效果的影响

取21只烧杯，分成七组，向每只烧杯中均倒入100ml浓度为200mg/l的磷酸二氢钾溶液作为模拟废水，分别向六组烧杯中投入实施例1制备的微生物絮凝剂各0.01g、0.02g、0.03g、0.04g、0.05g、0.06g、0.07g，搅拌均匀，于100r/min、室温下振荡混合40min，离心，去沉淀，取上清液，检测上清液中磷酸二氢钾的浓度，计算各组除磷微生物絮凝剂对磷酸二氢钾的去除效率，取平均值，结果见图2。

由图2可见，随着投加量的增加，实施例1的微生物絮凝剂对模拟废水的处理效率也逐渐提高，当投加量为0.05g时处理效率达到86.2％，继续增加投加量后，处理效率的提升空间不大。

3、微生物絮凝剂对生活污水的除磷效果

取东阳市吴宁街道某河道河水200ml，检测其中磷酸盐浓度为0.6mg/l，将该河水分成两份，分别向两份河水中投入0.01g、0.005g实施例1制备的微生物絮凝剂，搅拌均匀，于100r/min、室温下振荡混合40min，离心，去沉淀，取上清液，检测上清液中磷酸二氢钾的浓度。

检测到两份河水中磷酸盐的浓度均约为0.0006mg/l，处理效率均达到99％。

由实施例4的实验结果可以看出，当模拟废水中含磷量相对较低时，可以少量投加本发明的微生物絮凝剂，少量投加就可以获得不错的除磷效果了。当模拟废水中的含磷量较高时，可以适当增加微生物絮凝剂的投加量。

对比例1

采用与实施例1相同的方法制备微生物絮凝剂，但步骤“2、制备微生物絮凝剂之(1)”中，不加入苍白色链霉菌孢子悬液。

对比例2

采用与实施例1相同的方法制备微生物絮凝剂，但步骤“2、制备微生物絮凝剂之(1)”中，不加入日内瓦毛霉菌剂。

取实施例1中的一级中间絮凝剂和二级中间絮凝剂，以及对比例1和对比例2制备的微生物絮凝剂；再取烧杯12只，分成四组，在每组烧杯中分别倒入100ml浓度为5mg/l的磷酸二氢钾溶液，向第一组的各烧杯中投入0.01g一级中间絮凝剂，向第二组的各烧杯中投入0.01g二级中间絮凝剂，向第三组的各烧杯中投入0.01g对比例1微生物絮凝剂，向第四组的各烧杯中投入0.01g对比例2微生物絮凝剂；搅拌均匀，于100r/min、室温下振荡混合40min，离心，去沉淀，取上清液，检测上清液中磷酸二氢钾的浓度，计算各絮凝剂对磷酸二氢钾的去除效率，结果见图3。

由图3可见，解纤维梭菌进行的厌氧发酵能够提高一级中间絮凝剂的除磷效率，而橙黄色黏球菌进行的好氧发酵又能进一步提高二级中间絮凝剂的除磷效率。而苍白色链霉菌或日内瓦毛霉单独存在时获得的絮凝剂的除磷效率均没有两者同时存在时获得的絮凝剂的除磷效率高，指示此两者之间可能存在协同共生，或者两者的代谢物之间可能存在协同增效。