一种利用微生物净化水质的生物活性复合发酵液的制作方法

文档序号:25543431发布日期:2021-06-18 20:40
一种利用微生物净化水质的生物活性复合发酵液的制作方法

本发明涉及一种利用微生物净化水质的复合发酵液——酵素活性剂,主要技术领域:发酵工程;涉及相关领域:酶催化工程、微生物学、环境工程。



背景技术:

食品加工业在发展中国家的发展趋势越来越明显。这些类型的工业产生了大量以蔬菜和水果为主的有机废物。一方面,在露天垃圾场对这些有机废物和其他城市固体废物进行不当处置,会产生令人不快的气味,并且还会增加影响人类健康的致病微生物。另一方面,通过填埋方法处理有机废物会产生温室气体和渗滤液,会更大程度影响大气和水环境。填埋中的有机废物和污泥最终会降解,产生二氧化碳和甲烷,从而将二氧化碳循环回大气,导致全球变暖。温室气体排放到大气中预计会对环境、人类健康和经济产生重大影响。因此,有机废物的管理和再利用,需要低成本的对环境有利的可持续技术。有机废物可以通过发酵,生产出本产品,可以用作肥料、植物生长激素、去虫剂、废水处理和抗菌剂。

据统计,目前国内污水处理工艺大约在30种左右,而占比率居于前六位的污水处理工艺分别是:氧化沟工艺、a2/o工艺、传统活性污泥法工艺、sbr工艺、a/o工艺以及生物膜法工艺。以上的工艺有的在处理污水成效方面比较突出,但在经济投入方面耗损太大;而有的工艺处理效果不算理想,但却因为经济投入少而被大规模接受使用。

目前污水处理主要包括如下方法

1.物理法

①引水换水法:造成水体透明度降低的最主要原因是水体中的泥、沙等悬浮物的增加,当水质变得混浊时,可通过引水、换水使得水中的杂质释放出来,可为进一步净化作用创造条件,如降低有害物质的浓度。定期补水能起到降低水体由于蒸发渗漏作用而引起的含盐量的增加,以及稀释水体中有害污染物浓度的作用。

②混凝沉淀法:处理的对象包括水中的胶体杂质和悬浮物。在处理悬浮物时,处理的效果随水藻密度的大小而有一定的区别,如果密度过高,会给处理带来很大的困难,从而降低了除藻率。混凝沉淀时,还能去除一定的磷。

2.生化处理法

①生物接触氧化:在处理微污染水源时一般会选择生物接触氧化的方式。如果水体在注入水的初期有机物含量过高,或者后期补水时含有过高的有机物,都可以选择生化处理工艺去除污染物。目前我国在去除有机物方面最常见的是生物接触氧化物法,这种方法既能取得较好的处理效果,缩短水力的停留时间,而且减少了占地面积,并能承载较大的容积荷载,不会出现污泥膨胀等情况,在管理方面提供了极大的便利,运行稳定。一般来说,生物接触氧化利用的是原水中自然存在的细菌,有时也会加入一部分人工培养的细菌。

3.光合细菌

我国在处理微污染水源时更多的选择生物接触氧化法,而国外,如澳大利亚、韩国等国家,则更多选择定期向水中投放光合细菌的方法。光合细菌能够通过对光能和氧的利用,将微污染水源中的无机碳源和有机碳源以及其他各类营养物质转化为菌体,从而完成水质净化的修复。

4.pbb法

pbb法指的是原位物理、生物、生化修复技术,具体来说就是增加水体中含氧量,并定期接种有净水作用的复合微生物。pbb法在去除硝酸盐方面有着明显的优势,即通过有益微生物、藻类、水草等的吸附作用,这样可以有效防止其它不良影响的出现。在底泥深处,厌氧环境下将硝酸盐反硝化成气态氮,然后再上升到水面,最终返还到大气。另外,虽然磷、氮的抑制与去除机制不同,但无论使用何种方法,都有着一样的要求,即需要充足的氧。因此,氧是治理水环境的首要条件,而具有非常重要的地位和意义。

上述处理方法存在的问题在于:

1.物理方法包括机械过滤、疏浚底泥、光调节、水位调节、高压放电、超声波等方法,这些方法效果明显,但不易普及,难以大规模实施。在一定周期内清除水体底部的沉积物及抑制泥中氮、磷的释放是控制内负荷的有效途径。

2.定期补水是保持水质的最基本方法之一,其主要机理为稀释作用,但是并不能改变污染物的性质。对于较小水面的水体来说是一种行之有效的方法,在经济上可行,也达到预期的效果;但是对于较大水面的水体等,由于一次性换水会造成水源的大量浪费,在经济上是不可行的。因此,对于防止水体水质变坏及其防止水体富营养化的发生只能起到延缓作用,但是从根本上并不能解决水体水质逐渐变坏“腐败”的问题。

3.光合细菌:这种净化方法操作简单,免去了构筑物的建设过程,减少了基建费用的投入。但是菌种则需要较多的投资,同时由于光合细菌属光能自养菌,不含有硝化及反硝化菌种,而使得去除磷、氮效果不明显,其去除比例仅为cod:n:p=100:5:l,而不能解决水体“升华”和富营养化的问题。

4.化学方法对于湖泊、河道等缓流水体,由于氮、磷等植物营养物的大量排入已经发生富营养化引起水质变臭时,可以采用直接向水中投加化学药剂的方法杀死藻类,然后通过自然沉淀后,清除淤泥层即可达到防止水体富营养化的目的,但是此种方法会添加化学试剂,对水体本身也会造成一定“沾污”的影响。

5.曝气充氧,曝气主要是向水中补充氧气,以保证水生生物生命活动及微生物氧化分解有机物所需的氧量,同时搅拌水体达到水体循环的目的。采用曝气的方法给封闭水体充氧,在一定程度上可以防止因藻类大量繁殖而导致的鱼类死亡,对维持水体生态平衡起到一定的作用。但是曝气的方法只能延缓水体富营养化的发生,不能从根本上解决水体富营养化造成的“赤潮”现象。



技术实现要素:

本公司是鉴于上述问题,发明了一种微生物活性净化污水——复合酵素活性剂及其制备方法和应用。其目的在于提供一种用于净化水质的具有生物活性的发酵液,它是一种复合型微生物发酵(表面)活性剂。所述复合型生物活性酵素是基于红糖/糖蜜、新鲜果皮/果渣菌类复合物发酵液。一种自然发酵复合生化氧化剂,又称酵素活性剂。所谓具有生物活性成分为有机酸、蛋白酶、脂肪酶、超氧化物歧化酶、生物表面活性剂、活性微生物、天然抗生素、矿物元素、抗氧化剂等物质。具有优异的废污水处理效果和抗菌、抗氧化性能。特别适用于陆地的池塘、湖泊、河流、水库和水源地已被有机物污水被微生物分解,达到水质治理和修复。整体评价相对氧化沟工艺、a2/o工艺、sbr工艺、a/o工艺、以及生物膜法工艺治理环境有机污染废水效率高,具有非常好优势。此生物净化技术是指利用生物的生命代谢活动,降低存在于环境中有害物质的浓度或使其完全无害化,从而使受到污染的生态环境能够部分或完全恢复到原初状态的过程。

本发明提出一种利用微生物净化水质的生物活性复合发酵液,此酵素活性剂的制备方法,采用常规酵素发酵新工艺制得,制备工艺,简单易行。工艺包括如下原料组分及其重量分数:红糖和/或糖蜜0.8-1.2份、新鲜果皮2.5-3.5份、水8-12份。

根据本发明的进一步改进,所述发酵液通过将所述原料组分混合后采用密封厌氧发酵,发酵时间三个月以上形成。

根据本发明的进一步改进,该发酵液包括如下原料组分及其重量分数:红糖和/或糖蜜1份、新鲜果皮3份、水10份。

根据本发明的进一步改进,所述新鲜果皮为新鲜菠萝皮、新鲜橘子皮、新鲜橙子皮的至少其中一者。

根据本发明的进一步改进,所述发酵液通过加入酸碱调节剂使得酸碱度处于ph6.5-ph7.5。

本发明还提出一种用于改善水质的具有生物活性的发酵液,包括如下原料组分及其重量分数:红糖和/或糖蜜0.8-1.2份、新鲜果皮和果渣混合物2.5-3.5份、水8-12份。

根据本发明的进一步改进,包括如下原料组分及其重量分数:红糖和/或糖蜜1份、新鲜果皮和果渣混合物3份、水10份。这种复合型酵素活性剂,它是一种集亲水基和和疏水基结构同一分子内部的两亲化合物,也能将油乳化并分散至水体中,使油形成微小的油颗粒,增加与氧气和微生物接触机会,从而促进油的生物降解。

在处理生活污水、不能回收的有机污废水和由化学制剂改变了其存在形态的污染物质,通过加入酵素活化剂,达到去除有机质污染目的的一个受控或自发进行的过程,促使环境水体中的生物降解作用使其净化。最终,从水体环境中有机物彻底消除。

本发明酵素活性剂,淡水环境中的最佳生物降解温度通常大概是20—30度。而可改善水质的生物活性发酵液可以做到从源头处减少污染,不添加任何化学成分,不会造成二次污染,大大减少了成本和时间。无论从经济角度,还是从技术角度上来讲,本品都有其他方法不可比拟的优势,可以成为污水治理的一项净化技术。本发明的具有生物活性的发酵液具有如下优点:①修复时间短;②操作简便,对周围环境干扰少;③费用低,仅为理化方法费用的30%-50%;④不会产生二次污染;⑤人类直接暴露在这些污染物下的机会小;⑥污染物可被完全从环境中去除。因此,可使得精养池塘生态系沿着改善水质、提高鱼产力等良性方向发展。较之前两者,生物方法净化水体不会引起二次污染,且能逐渐修复被破坏的水体生态平衡,是具有发展前景的方法。

附图说明

图1示出了添加不同剂量发酵液的各参数变化。

图2a示出了添加不同浓度的酵素活性剂河道化学需氧量变化曲线。

图2b示出了添加不同浓度的酵素活性剂河道生物需氧量变化曲线。

图2c示出了添加不同浓度的酵素活性剂河道磷酸盐变化曲线。

图2d示出了添加不同浓度的酵素活性剂河道氨氮变化曲线。

图3a为不同酵素活性剂溶液水解酶活性的测定。

图3b为不同酵素活性剂溶液水解酶活性的测定,竖条从左至右依次淀粉酶、脂肪酶、蛋白酶。

图4a示出了污泥中挥发性固体和悬浮固体的去除百分比。

图4b示出了污泥中挥发性固体和悬浮固体的去除百分比。

图4c示出了污泥中挥发性固体和悬浮固体的去除百分比。

图4d示出了污泥中挥发性固体和悬浮固体的去除百分比。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式,然而应当理解,可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反,提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开酵素活性剂性能和作用,并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

酵素活性剂——鉴于酵素活性剂制备一定发酵工程复杂性,价格昂贵。采用六核果酵素发酵新工艺,是微生物在一定条件下培养时,在其代谢过程中分泌产生的具有一定活性的代谢产物。在池塘、水库、河流受污染水体环境里,可以增加非极性底物的乳化作用和溶解作用、及颗粒有机物和降解菌的接触面,促进微生物在非极性底物中的生长,从而促进水生生物量的增长,提高有机物cod、无机氮和磷酸盐的降解率。

如上所述,根据本发明的实施方式,提出一种用于净化水质的具有生物活性的发酵液,此酵素活性剂,它采用红糖、新鲜果皮、水按照一定的重量比例混合后经过密封厌氧发酵一段时间形成。根据本发明的优选的实施方式,该发酵液包括如下原料组分及其重量分数:红糖0.8-1.2份、新鲜果皮2.5-3.5份、水8-12份,将所述原料组分混合后采用密封厌氧发酵,发酵时间三个月以上形成,ph值为3.0-3.5之间。

根据本发明的最优选的实施方式,该发酵液采用红糖、新鲜果皮、水按照1:3:10的重量比例混合。本发明的用于净化水质的酵素活性剂,采用纯天然原材料,对人体无毒无害,有催化、分解、转化、重组的作用,并且对生物催化、抑制病菌也有很好的效果。对大肠杆菌、克雷伯氏肺炎菌、绿脓杆菌、鲍氏不动杆菌、金黄色葡萄球菌、蜡样芽孢杆菌有抑制作用,对白色念珠菌等四种霉菌有抑制作用;同时具有降解油污、去除浮灰、除霉除臭等多重环保功效。作为活菌制剂排放到环境中不会增加环境负担,可以改善环境,促进环境中有益微生物的生长。

本发明的酵素活性剂能够用于改善水质的原理在于,该发酵液能产生臭氧,有杀菌功能,能增加空气中的氧含量,减少空气中的废气和毒气,还能分解人工化学污染物与河川油污。此外,本发明的活性剂能转化阿摩尼亚成为硝酸盐,是植物需要的肥料与营养;也可以转化二氧化碳为碳三氧化物,可以为植物、鱼类及其他生物提供营养。生物活性发酵液中存在纤维素酶、脂肪酶、蛋白酶、淀粉酶等多种具有清洁效果的生物酶和乙醇、醋酸等具有杀菌效果的有效成分,具有一定的清洁作用。发酵完成后的具有生物活性的酵素剂在治理河流污染中,能将不能分解的重金属与其它有毒的人工化学废物转化成有利于大自然的产品,能起到分解有害物质的作用。

本发明的具有生物活性的酵素,采用厌氧消化,含有的碱性蛋白酶、脂肪酶等水解酶水解、降解复杂的有机物,在减少病原体、减少固体和改善污水、污泥方面具有有益的效果。该发酵液能够自然地降解水质中、淤泥污染成分。目前有显著效果的是封闭河流、池塘、淡水湖等。考虑到水流河段,与其投放点、时间都有联系,对河段内水质具有改善效果。

本发明的酵素活性剂可以采用不同种类的新鲜果皮作为原材料,能够在不同的酸碱度,不同的时间,对物质进行溶解。当处理时间从48小时增加到60小时后,被处理水的挥发性物质(挥发性悬浮固体)、总悬浮固体的减少量更高,化学需氧量、tkn(氮)和总磷的溶解度均有较大提高。根据实验结果,与其他生物活性发酵液相比,菠萝和橘子为原料的生物活性发酵液显示出近20-25%的vss和tss的较高减少百分比,处理后的活性物质中,化学需氧量、tkn和总磷的溶解百分比分别增加了近20-25%、15-20%和9-11%。这一重要实验结果表明,生物活性酵素剂具有将复杂的不溶性有机化合物溶解为可溶性有机化合物的能力,这些化合物随后可被厌氧微生物处理以产生甲烷或氢气。

菠萝和橘子为原料的生物活性发酵液在不同浓度条件下治理生活污水的效果见图1。实验结果表明:使用5%-50%的酵素活性剂(竖条从左至右依次代表5%、10%、20%和50%浓度的发酵液)能够在大约25-30天基本上完成分解有机物并符合现行河川标准。其中,使用10%浓度的发酵液可以实现tds总溶解固体降低58.8%,bod生物需氧量降低64.6%,cod化学需氧量降低78.6%,氨氮&磷酸盐降低100%,大肠菌群数降低99.4%。

图2a、2b、2c、2d分别显示了本发明的5%、10%、20%和50%浓度的酵素活性剂处理污水的实验处理结果,此图示表明:10%的生物活性发酵剂具有分别降低生化需氧量bod、化学需氧量cod和总悬浮固体tds分别达到70%、50%和39%的能力。

在废水中加9%的酵素活性剂,可以最有效地去除氨氮和磷,还可以中和生活废水。截至目前,还没有尝试使用生物活性发酵液来溶解工业废物活性物质。此外,生物活性发酵液的生产成本较低,它是由有机固体废物生产,因此可以利用有机废物的处理和活性物质溶解的优势。

通过分阶段使用本发明的酵素活性剂达到的效果如下:

本发明还针对由不同类型的原材料制成的酵素活性剂特性进行了研究,并且使用不同的粗制酵素活性剂对乳品废物活性物质进行增溶实验。研究了处理前后的可溶性固形物、总悬浮固体、可溶性化学需氧量、可溶性总凯氏氮和可溶性总磷等参数,以了解处理时间和酸碱度对水溶性淀粉增溶的影响。

在这项组合对比实验中,使用的原材料包括菠萝、橙子、番茄、花椰菜和芒果的果皮和果渣,并储存在4℃的冰箱中。取五个2升密闭容器,命名为pge(菠萝生物活性发酵液)、oge(橙子生物活性发酵液)、tge(番茄生物活性发酵液)、cge(花椰菜生物活性发酵液)、mge(芒果生物活性发酵液)。在充分混合的情况下,向每个容器中加入500毫升水和50克糖蜜,并向各个容器中分别加入150克上述果皮/果渣原材料,并在各自的容器中充分混合。这些密封的容器被放置在一个凉爽、干燥和通风良好的区域进行3个月的发酵。

用200毫升超纯水稀释20毫升浓缩的pge、oge、tge、cge和mge酶溶液。在柠檬酸钠和磷酸盐缓冲溶液的帮助下,将复合酵素活性剂的酸碱度调节至3.5和7。这些稀释的改善水质的酵素活性剂经调节酸碱度后用于处理,以提高废水中化学需氧量、tkn和总磷的溶解性。取五个250毫升的锥形瓶,在所有的瓶中加入20克去离子水。此后,将50毫升稀释的pge酶、oge酶、tge酶、cge酶和mge酶分别加入所有烧瓶中,并分别标记。取另一个标记为对照的250毫升锥形瓶,仅加入20克含相应缓冲溶液的洗涤液。将所有锥形瓶保持在100转/分钟的培养箱摇床中,并通过将温度保持在35℃进行60小时的污泥处理实验。通过测定处理后的化学需氧量溶解、vss和tss减少以及营养物(氮和磷)溶解来评估污泥的溶解度。在规则的时间间隔内,对上述参数进行估计,并重复两次实验,以确定所得结果的一致性。

在本研究中,测定了不同有机物产生的酵素活性剂改善水质的干细胞水解酶活性,结果如图3a和图3b所示。由图3可知,所有类型的改善水质的酵素活性剂在ph3.5(图3a)和ph7(图3b)下都具有淀粉酶、蛋白酶和脂肪酶活性;与ph值为3.5酵素活性剂相比,ph值为7酵素活性剂的水解酶活性更高。其中,番茄的酵素活性剂淀粉酶活性较高,芒果的酵素活性剂淀粉酶活性较低。类似地,菠萝的生物活性发酵液溶液的蛋白酶活性较高,而番茄酵素活性剂溶液的蛋白酶活性较低。菠萝的酵素活性剂脂肪酶活性较高,所有其他的酵素活性剂溶液都具有相当的脂肪酶活性。因此,本实验证实,与ph3.5相比,ph7时所有类型酵素活性剂溶液中水解酶活性的存在更高。

污泥处理过程的稳定性和有效性可以通过使用vss和tss还原来确定。如下表4a、4b、4c、4d所示,当处理时间从12-60小时增加到两个酸碱度时,所有类型的酵素活性剂vss和tss的去除百分比都增加了。但是,显而易见的是,与在酸碱度为3.5时的酵素活性剂相比,在酸碱度为7时,用酵素活性剂处理的污泥的vss和tss的降低更大。原因是在ph7时水解酶的活性增强,而在ph3.5时酶的活性由于酸性条件而被抑制。图4a示出了酸碱度为3.5的酵素活性剂对经处理的废水中vss减少的影响。图4b示出了酸碱度为7的酵素活性剂对经处理的废水中vss减少的影响。图4c示出了酸碱度为3.5的酵素活性剂对经处理的废水中tss减少的影响。图4d示出了酸碱度为7的酵素活性剂对经处理的废水中tss减少的影响。

总体来说,酵素活性剂工业化推广治理污染水体和污泥价格适宜,由于对有机废水采用生物处理法有如下优点:①经济,治理技术资金需要量小,费用一般为物理或化学方法的1/5—1/2;②高效,经生物处理,污染物被完全从环境中去除,残留量可降至很低的水平。③对周围环境影响小,无二次污染,生物治理最终产物为二氧化碳、水和脂肪酸,对人类和环境无害。④可以就地处理,原位修复。

为此,本公司发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本发明的专利保护范围之内。因此,本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

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