一種人工菌膠團及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種人工菌膠團，其原料按重量計包括：第一聚合基質、第二聚合基質、第三聚合基質、菌膠團骨架、增韌劑、第一吸附劑、第二吸附劑加入剩余的去離子水。本發(fā)明提供的人工菌膠團性質穩(wěn)定、有機污染物降解效率高且污泥產(chǎn)出率低、不易造成二次污染，可適用于高濃度有機廢水處理、自然水體原位修復和污泥治理。
【專利說明】一種人工菌膠團及其制備方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及水污染處理技術，具體涉及一種人工菌膠團及其制備方法。

【背景技術】
[0002] 在水體污染(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 白質、脂肪、芳香族化合物等有機污染物?，F(xiàn)有應用于污水處理的生物降解法包括活性污泥 法以及生物膜法。
[0003] 活性污泥法利用附著在活性污泥上的好養(yǎng)微生物在曝氣的條件下氧化降解污水 中的有機污染物，成本低廉，在國內具有較大的應用規(guī)模。生物膜法則是在固體表面培育微 生物，使之自然形成由微生物構成的膜狀物質，再利用該物質處理污水，具有操作簡便、易 于回收等優(yōu)點。無論是活性污泥還是生物膜，其中具有生物分解活性的功能單位主要是具 有分解有機污染物功能的微生物群形成的菌膠團。天然的菌膠團大多是由微生物群落通過 分泌黏液層而相互粘集形成的，其形態(tài)為松散的絮狀物質，在污水治理過程中，容易解體、 消溶，不但影響活性污泥/生物膜的活性，消溶在水體中的菌膠團難以在二沉池中被分離， 造成水體污泥率高等問題。此外，天然的菌膠團中微生物種類和數(shù)量難以控制，不利于針對 污染物的種類提高處理效率，還容易混雜入有害微生物，造成水體的二次污染。
[0004] 現(xiàn)有一種人工制造菌膠團的技術，通過將膠體物質(如果膠）與微生物懸液混合凝 固后制得。上述的人工菌膠團中微生物的種類和數(shù)量可控，結構較為緊密、穩(wěn)定，有利于提 高污染物的分解效率。但與天然菌膠團相比，現(xiàn)有的人工菌膠團通透性不足、吸附效率低， 分子量較大的有機污染物難以進入菌膠團內部，影響有機污染物處理效率的進一步提升。
[0005] 同時，現(xiàn)有的單一基質的人工菌膠團具有穩(wěn)定性不足的問題，容易受污水的溫度、 pH、電荷、重金屬濃度等因素的影響而分解、消溶、微生物流失，導致其使用壽命的縮短，而 消溶在污水中的生物膜又將導致二次污染，增加污水處理的難度。


【發(fā)明內容】

[0006] 有鑒于此，本發(fā)明公開一種有機污染物處理效率高、運行穩(wěn)定、使用壽命長的菌膠 團。
[0007] 本發(fā)明的目的通過以下技術方案實現(xiàn)： 一種人工菌膠團，其原料按重量計包括： 第一聚合基質 5?15份； 第二聚合基質 5?10份； 第三聚合基質 10?50份； 增韌劑 3?5份； 菌膠團骨架 25?50份； 第一吸附劑 1?5份； 第二吸附劑 25?50份； 去尚子水 300?600份； 生物活性組分 30?50份； 其中，所述第一聚合基質為耐酸水溶性植物多糖；所述第二聚合基質為耐堿水溶性植 物多糖；所述第三聚合基質為明膠；所述增韌劑為淀粉；所述菌膠團骨架為高分子樹脂；所 述第一吸附劑為活性炭粉末；所述第二吸附劑為鈉基膨潤土。
[0008] 上述生物活性組分為微生物懸液，可根據(jù)生物降解的機理和目標污染物的性質， 針對性地選用優(yōu)質高效的有益菌株制備，使微生物能更發(fā)揮其降解作用。作為制備菌膠團 基質的植物多糖穩(wěn)定性與環(huán)境的pH呈現(xiàn)較大的關聯(lián)性，在特定的pH環(huán)境下，菌膠團基質容 易發(fā)生分解、消溶。但不同來源的污水其pH值差距較大，而在生物降解處理的過程中，隨著 污染物種類、濃度以及微生物代謝產(chǎn)物的變化，上述pH值也將不斷變化，采用單一組分的 基質往往難以適應上述pH值不斷變化的環(huán)境。因此本發(fā)明特別選用三種不同類型的物質 共同構成菌膠團的聚合基質。其中，所述耐酸水溶性植物多糖在低pH環(huán)境中具有高穩(wěn)定 性，而耐堿水溶性植物多糖在高pH環(huán)境中具有高穩(wěn)定性。本發(fā)明還選用明膠作為聚合基質 之一，明膠相對于植物多糖類聚合基質具有較高的韌性、分散性，可有效提升本發(fā)明菌膠團 的強度。上述三種聚合基質共同作用，可有效提高本發(fā)明菌膠團的穩(wěn)定性、對污水環(huán)境的適 應性，同時可大幅延長菌膠團的使用壽命。而主要由氨基酸構成的明膠，在特定條件下(如 在催化劑的作用下水解）可以釋放少量單體氨基酸，同時具有氨基和羧基的氨基酸能夠緩 沖污水的pH變化，保持菌膠團中的植物多糖類聚合基質的穩(wěn)定性。此外，明膠還可以中和 污水中低濃度的重金屬，防止其毒害生物活性組分，保持本發(fā)明的菌膠團在污水中存在一 定濃度重金屬的條件下的生物活性。與此同時，本發(fā)明還選用淀粉作為菌膠團的增韌劑。淀 粉經(jīng)糊化可以產(chǎn)生糊精，糊精具有較好的持水性、增韌效果，有助于維持菌膠團的形態(tài)、提 高菌膠團的強度。同時淀粉還可以作為碳源，維持菌膠團上微生物的活性，降低菌膠團的保 存難度。與此同時，本發(fā)明的菌膠團中還包括由活性炭粉末和鈉基膨潤土的吸附劑?；钚?炭粉末具有較大的比表面積，能夠為菌膠團中的微生物提供足夠的附著位點從而提高菌膠 團中的微生物濃度，也能為微生物的降解反應提供充裕的反應面積以提高對污染物的處理 效率。同時活性炭粉末對污水中有機污染物的吸附、富集作用，可以克服現(xiàn)有人工菌膠團吸 附效果差的問題，可大幅提高菌膠團中底物的濃度，進而提高生物降解效率?；钚蕴糠勰┡c 上述三種聚合基質都有較好的相容性，可以提高上述三種聚合基質的表面活化能，促進三 者充分混合而形成一穩(wěn)定、均勻的體系。本發(fā)明的活性炭粉末可選用粒徑為100?200 的產(chǎn)品實現(xiàn)。所述鈉基膨潤土同樣具有富集有機污染物的作用，尤其富集本來難以擴散入 極性菌膠團的非極性、大分子污染物，增強對非極性污染物的降解效果。需要強調的是，鈉 基膨潤土具有較好的持水性和膨脹性，可吸附因污水環(huán)境變化而被消溶的上述多糖類聚合 基質，在污水處理后對菌膠團進行中和處理后，被吸附的多糖類聚合基質將重新凝聚。鈉基 膨潤土的上述特性可進一步延長本發(fā)明菌膠團的使用壽命、提高其穩(wěn)定性。本發(fā)明的菌膠 團還采用高分子樹脂作為菌膠團骨架，高分子樹脂有較高的穩(wěn)定性且與本發(fā)明中的其他組 分有較高的相容性，能夠提高本發(fā)明菌膠團的機械強度和穩(wěn)定性，防止菌膠團脫落、消溶造 成二次污染。本發(fā)明的菌膠團相對于現(xiàn)有技術，具有更高的強度和穩(wěn)定性、環(huán)境適應性，不 易因分解、消溶而產(chǎn)生二次污染，能夠降低污水處理成本、簡化污水處理工藝。在上述有益 效果的基礎上，本發(fā)明菌膠團中微生物的種類和濃度高于現(xiàn)有產(chǎn)品且更為穩(wěn)定，菌膠團對 各種有機污染物的富集作用明顯，對污染物的降解效率優(yōu)于一般的活性污泥和生物膜法， 尤其適用于高濃度有機廢水的處理、自然水體的原位修復、污泥治理以及低濃度重金屬污 染水體的處理。本發(fā)明的菌膠團在實際應用中可以附著在一個固體核心表面，固體核心可 以提高菌膠團的強度，還能增加菌膠團的自重，降低泥水分離的難度。
[0009]進一步的，所述耐酸水溶性植物多糖為瓊脂、海藻酸鈉、果膠中的任一種；所述耐 堿水溶性植物多糖為羧甲基纖維素鈉、甘露聚糖、卡拉膠中的任一種；所述淀粉為支鏈淀 粉；所述高分子樹脂為聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯中的任一種或二者的混合。
[0010] 本發(fā)明還提供一種制備所述菌膠團的方法，其包括以下工序： 51. 將所述增韌劑加入所述離子水的二分之一中，將去離子水加熱至95?100°C，保持 10?20min，在2min內將其冷卻至50°C; 52. 將所述第一聚合基質、第二聚合基質、第三聚合基質、菌膠團骨架、第一吸附劑、第 二吸附劑加入剩余的去離子水中，攪拌均勻后將其加入所述糊狀物中，攪拌并將其加熱至 90?95°C，保持15?20min獲得菌膠團熔質； 53. 使菌膠團熔質冷卻至35?38°C，加入所述生物活性組分，保持恒溫震蕩至均勻； 54. 使所述菌膠團熔質附著于基體表面，冷卻凝固后獲得所述菌膠團；或使所述菌膠 團熔質冷卻凝固，獲得所述菌膠團。
[0011] 本發(fā)明針對菌膠團原料的特性，對菌膠團的制備方法進行了優(yōu)化。本發(fā)明選用較 高的溫度對淀粉進行糊化處理，以降低糊化物的粘度，促進本發(fā)明菌膠團的其他組分充分 地分散在糊化物中，最終形成均勻、穩(wěn)定的溶膠態(tài)。本發(fā)明首先對淀粉進行糊化處理之后再 加入其他組分，可有效避免上述的聚合基質溶化后包裹于淀粉顆粒的表面使之發(fā)生團聚、 結塊，保證淀粉的糊化效果。菌膠團熔質本發(fā)明特別在菌膠團熔質冷卻至35?38°C后再加 入所述生物活性組分，這一溫度下可保持生物活性組分的降解活性，同時還能保證菌膠團 菌膠團熔質的流動性，有利于生物活性組分中的微生物均勻地分散在菌膠團熔質中，進而 提高最終制得的菌膠團其性能的穩(wěn)定。正如上文所述，本發(fā)明在菌膠團菌膠團熔質中添加 活性炭粉末增加其內部面積，以提高菌膠團的微生物容量。菌膠團熔質若直接將含有高濃 度微生物的生物活性組分直接加入菌膠團熔質中混合，微生物難以在短時間內附著在活性 炭粉末上，待菌膠團菌膠團熔質冷卻后，微生物便難以附著在活性炭粉末上，導致菌膠團部 分位置微生物濃度過高。過高菌群濃度將降低微生物活性甚至發(fā)生凋亡，影響菌膠團的污 水處理效果。若在混合操作中對菌膠團熔質保溫，雖然可以使微生物充分分散在活性炭粉 末上，但長時間的高溫處理容易使微生物失活，同時還容易使菌膠團菌膠團熔質遭受雜菌 污染。因此本發(fā)明針對上述問題，選用在恒溫下震蕩的方式，將生物活性組分中的微生物分 散至菌膠團菌膠團熔質中。而震蕩過程中，還可在菌膠團菌膠團熔質中產(chǎn)生大量的細小氣 泡。這些細小氣泡可在一定程度上提高制得的菌膠團的強度，同時提高菌膠團的比表面積， 增強菌膠團對有機污染物的吸附效果，進一步增強菌膠團對有機污染物的降解效率。本發(fā) 明的菌膠團在冷卻凝固后，可以根據(jù)實際需要處理成塊狀、顆粒狀、粉末狀。
[0012] 更進一步的，所述S3中保持恒溫震蕩至均勻是指將菌膠團熔質浸泡在質量濃度 2%?4%的磷酸二氫鉀溶液中，采用旋轉式搖床以20?40轉/min的速度在35?40°C恒 溫下震蕩25min。
[0013]低濃度的磷酸二氫鉀溶液可以保持菌膠團熔質的通透性，促進生物活性組分中的 微生物進入菌膠團熔質內部固定，有利于提高制得的菌膠團內微生物的濃度。磷酸二氫鉀 溶液的體積一般為生物活性組分的二分之一至五分之四。
[0014] 本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術，具有如下的有益效果： 1.本發(fā)明采用三種聚合基質，采用包埋法固定具有污水處理效用的生物活性組分制 成菌膠團；該生物活性組分為根據(jù)污染物種類、水體pH、溫度、氣候等因素，以多種純化培 養(yǎng)的微生物濃縮液為原料配置成，本發(fā)明提供的人工菌膠團性質穩(wěn)定、有機污染物降解效 率高且污泥產(chǎn)出率低、不易造成二次污染，可適用于高濃度有機廢水處理、自然水體原位修 復和污泥治理。
[0015] 2.本發(fā)明向菌膠團中添加兩種可以吸附有機污染物的吸附劑，二者不但能夠將 大量的有機污染物富集至聚焦團中，更能提高菌膠團的比表面積和活化能，大幅提高菌膠 團內部微生物的濃度，進一步增強菌膠團對有機污染物的降解效率。

【具體實施方式】
[0016] 為了便于本領域技術人員理解，下面將結合實施例對本發(fā)明作進一步詳細描述： 實施例1 本實施例提供一種用于海產(chǎn)養(yǎng)殖池污水處理的菌膠團，其原料按重量計包括： 第一聚合基質 10份； 第二聚合基質 9份； 第三聚合基質 30份； 增韌劑 5份； 菌膠團骨架 45份； 第一吸附劑 4份； 第二吸附劑 30份； 去離子水 500份； 生物活性組分 20份； 其中，所述第一聚合基質為海藻酸鈉；所述第二聚合基質為羧甲基纖維素鈉；所述第 三聚合基質為明膠；所述增韌劑為淀粉；所述菌膠團骨架為聚甲基丙烯酸甲酯；所述第一 吸附劑為活性炭粉末；所述第二吸附劑為鈉基膨潤土。
[0017] 本實施例中，所述海藻酸鈉、羧甲基纖維素鈉、明膠、淀粉、聚甲基丙烯酸甲酯、活 性炭粉末、鈉基膨潤土均為市售產(chǎn)品。上述生物活性組分為微生物懸液，其中含有10 9cfu/ mL鼻疽諾卡氏菌、105cfu/mL假諾卡氏菌、102cfu/mL游動放線菌、108cfu/mL小球孢白僵菌、 106cfu/mL假蜜環(huán)菌。
[0018] 上述鼻疽諾卡氏菌、假諾卡氏菌、游動放線菌、小球孢白僵菌、假蜜環(huán)菌均為市售 菌種。
[0019] 經(jīng)測試，上述的幾種微生物均能大密度地聚集在被實施例所提供的菌膠團中，尤 其是能夠與上述海藻酸鈉、明膠相容。而這幾種微生物的分泌物及菌絲，可以進一步增強本 實施例菌膠團的強度。同時，上述幾種微生物在菌膠團中形成的群落對水產(chǎn)養(yǎng)殖污水具有 優(yōu)秀的處理效率，能夠在短時間內降解水產(chǎn)養(yǎng)殖污水中的蛋白質、脂肪。上述效果尚未見現(xiàn) 有文獻記載。
[0020] 本實施例進一步提供上述菌膠團的制備方法，包括以下工序： 51. 將所述淀粉加入所述250份的離子水中，將去離子水加熱至95°C，保持15min，在 2min內將其冷卻至50°C; 52. 將所述第一聚合基質、第二聚合基質、第三聚合基質、菌膠團骨架、第一吸附劑、第 二吸附劑加入剩余的去離子水中，攪拌均勻后將其加入所述糊狀物中，攪拌并將其加熱至 95°C，保持15min獲得菌膠團熔質； 53. 使菌膠團熔質冷卻至35°C，加入所述生物活性組分，將菌膠團熔質浸泡在質量 濃度4%的磷酸二氫鉀溶液中，采用旋轉式搖床以20轉/min的速度在35°C恒溫下震蕩 25min； 54. 使所述菌膠團熔質冷卻凝固后獲得所述菌膠團。本實施例中，上述菌膠團被切割為 塊狀后投入使用。
[0021] 實施例2 本實施例提供一種用于海產(chǎn)養(yǎng)殖池污水處理的人工菌膠團，其原料按重量計包括： 第一聚合基質 15份； 第二聚合基質 5份； 第三聚合基質 50份； 增韌劑 3份； 菌膠團骨架 50份； 第一吸附劑 1份； 第二吸附劑 50份； 去離子水 300份； 生物活性組分 50份； 其中，所述第一聚合基質為海藻酸鈉；所述第二聚合基質為羧甲基纖維素鈉；所述第 三聚合基質為明膠；所述增韌劑為淀粉；所述菌膠團骨架為聚甲基丙烯酸甲酯；所述第一 吸附劑為活性炭粉末；所述第二吸附劑為鈉基膨潤土。
[0022] 本實施例中，所述海藻酸鈉、羧甲基纖維素鈉、明膠、淀粉、聚甲基丙烯酸甲酯、活 性炭粉末、鈉基膨潤土均為市售產(chǎn)品。上述生物活性組分為微生物懸液，其中含有l(wèi)〇7cfu/ mL沼澤紅假單胞菌、106cfu/mL枯草芽孢桿菌、103cfu/mL乳酸菌、106cfu/mL黑曲霉、106cfu/ mL啤酒酵母。
[0023] 本實施例還提供上述人工菌膠團的制備方法，其包括以下工序： 51. 將所述增韌劑加入150份離子水中，將去離子水加熱至95°C，保持20min，在2min 內將其冷卻至50°C; 52. 將所述第一聚合基質、第二聚合基質、第三聚合基質、菌膠團骨架、第一吸附劑、第 二吸附劑加入剩余的150份去離子水中，攪拌均勻后將其加入所述糊狀物中，攪拌并將其 加熱至95°C，保持15min獲得菌膠團熔質； 53. 使菌膠團熔質冷卻至40°C，加入所述生物活性組分，采用旋轉式搖床以20轉/min 的速度在40°C恒溫下震蕩25min; 54. 使所述菌膠團熔質附著于基體表面，冷卻凝固后獲得所述菌膠團。
[0024] 對比例1 本對比例提供一種由2007年7月公開的中國專利（申請?zhí)?006101246362)用于處理 污水的生物膜。
[0025] 對比例2 本對比例提供一種用于處理污水的菌膠團，其具體構成與實施例1 一致，但原料中不 包含活性炭粉末。
[0026] 對比例3 本對比例提供一種用于處理污水的菌膠團，其具體構成與實施例1 一致，但原料中不 包含淀粉。
[0027] 對比例4 本對比例提供一種用于處理污水的菌膠團，其具體構成與實施例1 一致，但原料中不 包含海藻酸鈉。
[0028] 對比例5 本對比例提供一種用于處理污水的菌膠團，其具體構成與實施例1 一致，但原料中不 包含鈉基膨潤土。
[0029] 對比例6 本對比例提供一種用于處理污水的菌膠團，其具體構成與實施例1 一致，但原料中不 包含聚甲基丙烯酸甲酯。
[0030] 污水處理效果 污水來源于中國某沿海城市一海產(chǎn)養(yǎng)殖場，依照DB33/453-2006檢測處理前養(yǎng)殖池中 污水，其結果如表1所示。
[0031]表1

【權利要求】
1. 一種人工菌膠團，其原料按重量計包括： 第一聚合基質 5?15份； 第二聚合基質 5?10份； 第三聚合基質 10?50份； 增韌劑 3?5份； 菌膠團骨架 25?50份； 第一吸附劑 1?5份； 第二吸附劑 25?50份； 去尚子水 300?600份； 生物活性組分 30?50份； 其中，所述第一聚合基質為耐酸水溶性植物多糖；所述第二聚合基質為耐堿水溶性植 物多糖；所述第三聚合基質為明膠；所述增韌劑為淀粉；所述菌膠團骨架為高分子樹脂；所 述第一吸附劑為活性炭粉末；所述第二吸附劑為鈉基膨潤土。
2. 根據(jù)權利要求1所述的人工菌膠團，其特征在于：所述耐酸水溶性植物多糖為瓊脂、 海藻酸鈉、果膠中的任一種；所述耐堿水溶性植物多糖為羧甲基纖維素鈉、甘露聚糖、卡拉 膠中的任一種；所述淀粉為支鏈淀粉；所述高分子樹脂為聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯中 的任一種或二者的混合。
3. -種制備權利要求2所述人工菌膠團的方法，其包括以下工序：
51. 將所述增韌劑加入所述離子水的二分之一中，將去離子水加熱至95?100°C，保持 10?20min，在2min內將其冷卻至50°C ;
52. 將所述第一聚合基質、第二聚合基質、第三聚合基質、菌膠團骨架、第一吸附劑、第 二吸附劑加入剩余的去離子水中，攪拌均勻后將其加入所述糊狀物中，攪拌并將其加熱至 90?95°C，保持15?20min獲得菌膠團熔質；
53. 使菌膠團熔質冷卻至35?40°C，加入所述生物活性組分，保持恒溫震蕩至均勻；
54. 使所述菌膠團熔質附著于基體表面，冷卻凝固后獲得所述菌膠團；或使所述菌膠 團熔質冷卻凝固，獲得所述菌膠團。
4. 根據(jù)權利要求3所述的方法，其特征在于：所述S3中保持恒溫震蕩至均勻是指將菌 膠團熔質浸泡在質量濃度2%?4%的磷酸二氫鉀溶液中，采用旋轉式搖床以20?40轉/ min的速度在35?40°C恒溫下震蕩25min。
5. 根據(jù)權利要求2所述的人工菌膠團，其特征在于：所述生物活性組分為微生物懸液， 其中含有109cfu/mL鼻疽諾卡氏菌、105cfu/mL假諾卡氏菌、102cfu/mL游動放線菌、10 8cfu/ mL小球孢白僵菌、106cfu/mL假蜜環(huán)菌。
【文檔編號】C12N11/12GK104342428SQ201410524851
【公開日】2015年2月11日 申請日期:2014年10月8日 優(yōu)先權日:2014年10月8日
【發(fā)明者】吳俊豪, 楊敏波 申請人:廣東惠山生物科技有限公司