CN111534507A - 一种粘土矿物原矿固定化微生物菌剂及制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种粘土矿物原矿固定化微生物菌剂，含有以下重量份成分：粘土矿物原矿1~8份、生理盐水0.5~5份、硫酸铵0.1~2份、硝酸钾1~10份、柠檬酸钠2~10份、磷酸盐1~10份、硫酸镁0.1~2份、复合菌0.3~5份。本发明还公开了一种粘土矿物原矿固定化微生物菌剂的制备方法和应用。本发明的一种粘土矿物原矿固定化微生物菌剂对于高浓度氨氮废水处理效果好，可达到一级排放标准；且其制备方法操作简单、容易控制，可以大规模批量制备。

Description

一种粘土矿物原矿固定化微生物菌剂及制备方法和应用

技术领域

本发明涉及废水处理技术领域，

尤其是，本发明涉及一种粘土矿物原矿固定化微生物菌剂及制备方法和应用。

背景技术

随着工业废水、城市生活用水的过量排放，含有高浓度氨氮的污水未经处理大量流入江河、湖泊，使水体成为富营养水体、造成水体黑臭，加大水处理的难度和成本，甚至对人及生物产生毒害作用。新的前沿学科技术引入废水处理，废水处理成为水处理技术领域的研究热点。

当前的废水处理方法，如吹脱法和沉淀法分别存在有动力消耗过大且易造成二次污染，出水达不到排放标准需二次处理等缺陷；传统的生物吸附法具有成本低、工艺简单、环境危害小、适合处理低浓度废液等优点，然而由于微生物难以回收再利用，吸附系统不易长期自然维持稳定等因素，限制了微生物吸附技术的实际应用。

微生物固定化相比于游离的微生物细胞，微生物固定化具有富集生物量大、可重复利用、机械强度高、微生物稳定性和活性高等特点。

目前，现有技术中利用微生物固定的方法仍然存在很多缺陷，如包埋法存在结合强度小，限制微生物活性和传质阻力大的缺陷；共价结合法制备较难，细胞活性损失较大，同时操作与控制条件复杂苛刻；吸附法在吸附前需要对固定化载体进行加工处理，成本较高不利于大规模生产。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种粘土矿物原矿固定化微生物菌剂及制备方法和应用。

为解决上述问题，本发明采用如下技术方案：

一种粘土矿物原矿固定化微生物菌剂，含有以下重量份成分：粘土矿物原矿1~8份、生理盐水0.5~5份、硫酸铵0.1~2份、硝酸钾1~10份、柠檬酸钠2~10份、磷酸盐1~10份、硫酸镁0.1~2份、复合菌0.3~5份。

优选地，所述粘土矿物原矿为蒙脱土、膨润土、累托石、高岭土、伊利石、埃洛石、坡缕石、海泡石、凹凸棒石、蛭石、绿泥石、硫铁矿中的至少一种。

优选地，所述复合菌包括以下至少两种：硝化细菌、反硝化细菌、同步硝化反硝化细菌。

优选地，所述粘土矿物原矿中有效组分包括：SiO₂、Al₂O₃、TiO₂、CaO、Na₂O、K₂O、MnO、ZnO、CuO、FeS₂、Fe₂O₃。

本发明还提供一种粘土矿物原矿固定化微生物菌剂的制备方法，包括以下步骤：

将粘土矿物原矿分散在去离子水中，经过搅拌、离心、洗涤、静置、干燥、粉碎得到粘土矿物原矿固定化载体；

将复合菌置于培养箱中预热活化，之后加入培养液进行培养，离心收集湿菌体、加入生理盐水混匀得到菌悬液；

将所述粘土矿物原矿固定化载体与所述菌悬液混合，加入生理盐水、培养液进行培养，之后用生理盐水进行洗涤、自然烘干得到所述粘土矿物原矿固定化微生物菌剂；

所述培养液中含有以下重量份成分：生理盐水0.5~5份、硫酸铵0.1~2份、硝酸钾1~10份、柠檬酸钠2~10份、磷酸盐1~10份、硫酸镁0.1~2份。

优选地，所述预热活化的预热温度为30~37 ℃，预热时间为10~35 min。

本发明还提供一种粘土矿物原矿固定化微生物菌剂在废水处理上的应用，将所述粘土矿物原矿固定化微生物菌剂加入到含氨氮的废水中，在搅拌下进行反应。

优选地，所述粘土矿物原矿固定化微生物菌剂在废水中的投加量为1~10g/L；所述搅拌时间为1~16 h，所述反应温度为15~45 ℃。

与现有技术相比，本发明的技术效果体现在：

（1）本发明的粘土矿物原矿相对于现有技术的常用粘土吸附，具有价格便宜、成本低、不需要二次加工的特点；

（2）本发明的粘土矿物原矿由于本身含有天然组分，载菌数量和活性较于现有技术常用的粘土效果更好，且对于高浓度氨氮废水处理效果好，可达到一级排放标准；

（3）本发明以粘土矿物原矿作为复合菌剂吸附载体，粘土矿物原矿的吸附性和阳离子交换性使得复合菌剂可通过层间释放的阳离子，架桥吸附在粘土矿物原矿表面；复合菌剂表面的多糖和官能团使其能更加稳固的固定在粘土矿物原矿表面以及内部的结构空隙中；相较其他吸附材料，本发明的粘土矿物原矿对微生物菌剂的吸附更加快速、高效；

（4）本发明的一种粘土矿物原矿固定化微生物菌剂的制备方法操作简单、容易控制，可以大规模批量制备。

附图说明

图1为本发明实施例1的粗累托石原矿及提纯后累托石的XRD图；

图2为本发明实施例1的粗累托石原矿的SEM图；

图3为本发明实施例4制备的不同载体固定的微生物复合菌剂的OD600图；

图4为本发明实施例5制备的不同载体固定的微生物复合菌剂对氨氮去除效果图。

图1中，A、粗累托石原矿，B、选矿提纯后的粗累托石；图3中，1、2、3、4、5分别代表钠化纯累托石、钠化累托石原矿、纯累托石、粗累托石原矿、细累托石原矿，6代表空白样品；图4中10、20、30、40、50分别代表钠化纯累托石、钠化累托石原矿、纯累托石、粗累托石原矿、细累托石原矿为载体制备的微生物菌剂，60代表空白对照，即废水中氨氮的初始浓度；纵坐标Y代表废水经过微生物菌剂处理后剩余氨氮的浓度。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提供一种粘土矿物原矿固定化微生物菌剂，含有以下重量份成分：粘土矿物原矿1~8份、生理盐水0.5~5份、硫酸铵0.1~2份、硝酸钾1~10份、柠檬酸钠2~10份、磷酸盐1~10份、硫酸镁0.1~2份、复合菌0.3~5份。生理盐水的浓度为0.87-0.9%。

其中，粘土矿物原矿为蒙脱土、膨润土、累托石、高岭土、伊利石、埃洛石、坡缕石、海泡石、凹凸棒石、蛭石、绿泥石、硫铁矿中的至少一种。复合菌包括以下至少两种：硝化细菌、反硝化细菌、同步硝化反硝化细菌。粘土矿物原矿中有效组分包括但不限于：SiO₂、Al₂O₃、TiO₂、CaO、Na₂O、K₂O、MnO、ZnO、CuO、FeS₂、Fe₂O₃。

本发明实施例还提供一种粘土矿物原矿固定化微生物菌剂的制备方法，包括以下步骤：

（1）将粘土矿物原矿分散在去离子水中，经过150~200 r/min搅拌、3000~6000 r/min离心、洗涤2~4次、静置5~40 min、在40~100 ℃干燥12~24 h、粉碎得到粘土矿物原矿固定化载体；

（2）将复合菌置于培养箱中预热活化，之后加入培养液进行培养，离心收集湿菌体、加入生理盐水混匀得到菌悬液；

（3）将粘土矿物原矿固定化载体与菌悬液混合，加入生理盐水、培养液进行培养，之后用生理盐水进行洗涤、自然烘干得到粘土矿物原矿固定化微生物菌剂。

其中，步骤（2）中预热活化的预热温度为30~37 ℃，预热时间为10~35 min。培养液中含有以下重量份成分：生理盐水0.5~5份、硫酸铵0.1~2份、硝酸钾1~10份、柠檬酸钠2~10份、磷酸盐1~10份、硫酸镁0.1~2份。培养温度为30~35 ℃，振荡频率为170~200 r/min，培养时间为20~24 h；离心转速为6000~6500 r/min，离心时间为5~8 min。

本发明实施例还提供一种粘土矿物原矿固定化微生物菌剂在废水处理上的应用，使用时，将粘土矿物原矿固定化微生物菌剂加入到含氨氮的废水中，搅拌反应一段时间后，分离得到粘土矿物原矿固定化微生物菌剂和再生水，其中1L高氨氮废水中，粘土矿物原矿固定化微生物菌剂的投加量为1~10g/L；搅拌时间为1~16 h，搅拌反应温度为15~45 ℃。

本发明的粘土矿物原矿相对于现有技术的常用粘土吸附，具有价格便宜、成本低、不需要二次加工的特点；此外，本发明的粘土矿物原矿由于本身含有天然组分，载菌数量和活性较于现有技术常用的粘土效果更好，且对于高浓度氨氮废水处理效果好，可达到一级排放标准；本发明以粘土矿物原矿作为复合菌剂吸附载体，粘土矿物原矿的吸附性和阳离子交换性使得复合菌剂可通过层间释放的阳离子，架桥吸附在粘土矿物原矿表面；复合菌剂表面的多糖和官能团使其能更加稳固的固定在粘土矿物原矿表面以及内部的结构空隙中；相较其他吸附材料，本发明的粘土矿物原矿对微生物菌剂的吸附更加快速、高效；本发明的一种粘土矿物原矿固定化微生物菌剂的制备方法操作简单、容易控制，可以大规模批量制备。

以下结合具体实施例做进一步说明。

实施例1

本发明实施例1提供一种粗累托石原矿固定化微生物菌剂及其制备方法。按以下过程制备：

（1）取粗累托石原矿1g，加人20倍质量的二次去离子水（ddH₂O），搅拌1 h后，4000 r/min离心机离心10 min，弃上清液和底部杂质。重复上述操作3次。再次加入二次去离子水，搅拌后，静置30 min，收集悬浮液并于60℃下干燥24h，粉碎至100目，得到粘土矿物原矿固定化载体；

（2）取在4℃冰箱中保存的0.3g硝化细菌、反硝化细菌的复合菌在30 ℃培养箱中预热30min，之后加入培养液，在30 ℃、150 r/min下培养24 h。将取出的菌混液立即在6000 r/min下离心 10 min，收集湿菌体，用无菌生理盐水洗 3 次，然后用无菌生理盐水与湿菌体混匀得菌悬液；

（3）将0.1g粘土矿物原矿固定化载体与2mL菌悬液混合，加入18mL生理盐水、10mL培养液进行培养，之后用生理盐水进行洗涤、自然烘干得到粘土矿物原矿固定化微生物菌剂。

步骤（2）、步骤（3）中的培养液含有以下成分：生理盐水0.5g、硫酸铵0.1g、硝酸钾1g、柠檬酸钠2g、磷酸盐1g、硫酸镁0.1g。

粗累托石原矿及提纯后累托石的XRD图如图1所示，由图1可知，粗累托石原矿的XRD图谱中，在2θ=17.90°、18.74°、19.97°、25.37°、26.51°、27.46°、29.09°、35.15°、62.61°处均存在一系列较为明显的累托石特征峰；相比于选矿提纯后累托石，粗累托石原矿在33.06°、37.11°、40.77°、47.42°、56.28°处出现的峰来源于粗累托石原矿中存在的FeS₂。对本实施例的粗累托石原矿进行SEM测试，测试结果如图2所示，由图2可知，粗累托石原矿中除分散有较多的小颗粒累托石粘土片外，还存在有一部分粒径较大的硫铁矿。

实施例2

本发明实施例2提供一种海泡石原矿固定化微生物菌剂及其制备方法。按以下过程制备：

（1）取海泡石原矿5g，加人20倍质量的二次去离子水（ddH2O），搅拌1 h后，3000 r/min离心机离心10 min，弃上清液和底部杂质。重复上述操作3次。再次加入二次去离子水，搅拌后，静置30 min，收集悬浮液并于100℃下干燥12h，粉碎至100目，得到粘土矿物原矿固定化载体；

（2）取在4℃冰箱中保存的5g硝化细菌、反硝化细菌的复合菌在37 ℃培养箱中预热10min，之后加入培养液，在30 ℃、100 r/min下培养10 h。将取出的菌混液立即在5000 r/min下离心 5 min，收集湿菌体，用无菌生理盐水洗 3 次，然后用无菌生理盐水与湿菌体混匀得菌悬液；

（3）将0.1g粘土矿物原矿固定化载体与2mL菌悬液混合，加入18mL生理盐水、10mL培养液进行培养，之后用生理盐水进行洗涤、自然烘干得到粘土矿物原矿固定化微生物菌剂。

步骤（2）、步骤（3）中的培养液含有以下成分：生理盐水3g、硫酸铵2g、硝酸钾5g、柠檬酸钠7g、磷酸盐5g、硫酸镁1g。

实施例3

本发明实施例3提供一种高岭土原矿固定化微生物菌剂及其制备方法。按以下过程制备：

（1）取高岭土原矿8g，加人20倍质量的二次去离子水（ddH2O），搅拌1 h后，5000 r/min离心机离心10 min，弃上清液和底部杂质。重复上述操作3次。再次加入二次去离子水，搅拌后，静置20 min，收集悬浮液并于40℃下干燥24h，粉碎至100目，得到粘土矿物原矿固定化载体；

（2）取在4℃冰箱中保存的5g硝化细菌、反硝化细菌的复合菌在37 ℃培养箱中预热10min，之后加入培养液，在37 ℃、150 r/min下培养12 h。将取出的菌混液立即在4000 r/min下离心5 min，收集湿菌体，用无菌生理盐水洗 3 次，然后用无菌生理盐水与湿菌体混匀得菌悬液；

（3）将0.1g粘土矿物原矿固定化载体与2mL菌悬液混合，加入18mL生理盐水、10mL培养液进行培养，之后用生理盐水进行洗涤、自然烘干得到粘土矿物原矿固定化微生物菌剂。

步骤（2）、步骤（3）中的培养液含有以下成分：生理盐水2g、硫酸铵1g、硝酸钾10g、柠檬酸钠10g、磷酸盐10g、硫酸镁2g。

实施例4

本发明实施例4提供一种验证不同种类的累托石做载体对微生物复合菌剂吸附效果不同的方法，具体如下：

（1）取钠化纯累托石、纯累托石、细累托石原矿、钠化累托石原矿、粗累托石原矿0.1 g，分别加人20倍质量的二次去离子水(ddH₂O)，搅拌1 h后，4000 r/min离心机离心10 min，弃上清液和底部杂质。重复上述操作3次。再次加入二次去离子水，搅拌后，静置30 min，收集悬浮液并于60℃下干燥18h，粉碎至100目得到5种累托石矿物载体。

（2） 取在4℃冰箱中保存的0.5g硝化细菌、反硝化细菌的复合菌在30 ℃培养箱中预热30min，之后加入培养液，在30 ℃，150 r/min下培养24 h。将取出的菌混液立即在6000r/min下离心10 min，收集湿菌体，用无菌生理盐水洗 3 次，然后用无菌生理盐水与湿菌体混匀得菌悬液。

（3）将步骤（1）中的5个样品经过高温灭菌冷却至室温后，将其分别加入到5个50mL离心管中，加入2mL步骤（2）中的菌悬液，再加生理盐水至20mL，加入培养液10 mL吸附挂膜1天，再加5 mL培养液培养一天，以只加菌悬液、不加粘土矿物原矿载体为空白对照组。步骤（2）、步骤（3）中的培养液含有以下成分：生理盐水0.5g、硫酸铵0.2g、硝酸钾1g、柠檬酸钠1g、磷酸盐1g、硫酸镁0.2g。

（4）将步骤（3）的6个样品在30 ℃培养箱中静置12 h，取上悬液测定其OD值，测试结果如3图所示。

由图3可知，本实施例的粗累托石原矿载体对复合菌剂的吸附效果最好，对比于其他现有技术发明的常用粘土，粘土原矿固定微生物数量更多。

实施例5

将本发明实施例4制备的不同累托石矿物载体固定的微生物菌剂用于含高氨氮废水的处理，具体步骤如下：

（1）用生理盐水将实施例4的步骤（3）中的混合相洗涤3次，在30℃培养箱自然烘干24 h得到5种不同累托石矿物载体固定的微生物复合菌剂。

（2）将5种不同累托石矿物载体固定的微生物复合菌剂投入至氨氮浓度为134 mg/L的水溶液中，调节溶液初始pH至7.2，并在25℃下搅拌反应24 h，其中，1L含氨氮废水中，粘土原矿固定微生物菌剂的投加量为5 g/L，控制恒温振荡器温度为30 ℃，转速为200 r/min，反应24 h后过滤，得到吸附去除污染物的粘土矿物原矿固定化微生物菌剂和再生水。对反应前后溶液中的氨氮含量进行测试，测试结果如图4所示。由图4可知，粗累托石原矿固定微生物菌剂对氨氮的去除效果最好，其粘土原矿对氨氮的去除可达123.37 mg/L，即对氨氮的去除率可达92.13 %。

用同样的方法测试本发明实施例1、实施例2、实施例3制备的粘土矿物原矿固定化微生物菌剂对废水中氨氮的去除率，计算其氨氮去除率分别为92.35 %、91.86 %、92.84 %。

本发明不局限于上述具体的实施方式，本发明可以有各种更改和变化。凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种粘土矿物原矿固定化微生物菌剂，其特征在于，含有以下重量份成分：粘土矿物原矿1~8份、生理盐水0.5~5份、硫酸铵0.1~2份、硝酸钾1~10份、柠檬酸钠2~10份、磷酸盐1~10份、硫酸镁0.1~2份、复合菌0.3~5份。

2.如权利要求1所述的一种粘土矿物原矿固定化微生物菌剂，其特征在于，所述粘土矿物原矿为蒙脱土、膨润土、累托石、高岭土、伊利石、埃洛石、坡缕石、海泡石、凹凸棒石、蛭石、绿泥石、硫铁矿中的至少一种。

3.如权利要求1所述的一种粘土矿物原矿固定化微生物菌剂，其特征在于，所述复合菌包括以下至少两种：硝化细菌、反硝化细菌、同步硝化反硝化细菌。

4.如权利要求2所述的一种粘土矿物原矿固定化微生物菌剂，其特征在于，所述粘土矿物原矿中有效组分包括：SiO₂、Al₂O₃、TiO₂、CaO、Na₂O、K₂O、MnO、ZnO、CuO、FeS₂、Fe₂O₃。

5.一种粘土矿物原矿固定化微生物菌剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

将粘土矿物原矿分散在去离子水中，经过搅拌、离心、洗涤、静置、干燥、粉碎得到粘土矿物原矿固定化载体；

将复合菌置于培养箱中预热活化，之后加入培养液进行培养，离心收集湿菌体、加入生理盐水混匀得到菌悬液；

将所述粘土矿物原矿固定化载体与所述菌悬液混合，加入生理盐水、培养液进行培养，之后用生理盐水进行洗涤、自然烘干得到所述粘土矿物原矿固定化微生物菌剂；

所述培养液中含有以下重量份成分：生理盐水0.5~5份、硫酸铵0.1~2份、硝酸钾1~10份、柠檬酸钠2~10份、磷酸盐1~10份、硫酸镁0.1~2份。

6.如权利要求5所述的一种粘土矿物原矿固定化微生物菌剂的制备方法，其特征在于，所述预热活化的预热温度为30~37 ℃，预热时间为10~35 min。

7.如权利要求1~4任一项所述的一种粘土矿物原矿固定化微生物菌剂在废水处理上的应用，其特征在于，将所述粘土矿物原矿固定化微生物菌剂加入到含氨氮的废水中，在搅拌下进行反应。

8.如权利要求7所述的一种粘土矿物原矿固定化微生物菌剂在废水处理上的应用，其特征在于，所述粘土矿物原矿固定化微生物菌剂在废水中的投加量为1~10g/L；所述搅拌时间为1~16 h，所述反应温度为15~45 ℃。

Images