CN108163994A - 一种处理工业污水的微生物制剂及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种处理工业污水的微生物制剂，由核壳结构的颗粒组成，包括由内向外依次设置的复合制剂、中间壳层、外部壳层；复合制剂包括海洋解淀粉芽孢杆菌(Bacillus amyloliquefaciens)BMF01发酵液和固定化脂肪酶；固定化脂肪酶是由脂肪酶固定在氨基功能化的Al2O3纳米粒子表面得到的；中间壳层为植物胶黏剂构成的壳层；外部壳层为由无机凝胶、氯化钙和醋酸钙构成的壳层。本发明还公开上述微生物制剂的制备方法和应用。本发明的微生物制剂能够高效处理工业废水，使工业废水的有机物、氨氮和重金属得到极大的去除。
Description
技术领域
本发明涉及工业污水处理领域，特别是一种处理工业污水的微生物制剂及其制备方法和应用。
背景技术
随着城市化进程的推进和工业的迅速发展，环境污染问题越来越严峻。大量的生活、工业污水流入江河、湖泊或地下水中，会给水体造成严重污染，对居民身体健康、安全产生负面影响。
目前，污水处理技术主要包括以下几种：(1)向污水中加入化学物质来降解或回收污水中的污染物，包括沉淀法、中和法、氧化还原法和化学物理消毒法等；(2)利用物理化学的方法除去污水中的污染物，包括离子交换法、吸附法和膜分离法等；(3)通过物理方法来分离、回收污水中的不溶性污染物；(4)通过微生物的代谢作用将污水中的有机污染物降解为稳定而无害的物质的方法。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种能够高效处理工业废水，使工业废水中的有机物、氨氮和重金属得到极大的去除的微生物制剂。
本发明的另一目的是提供上述微生物制剂的制备方法及在处理工业污水中的应用。
技术方案：本发明提供一种处理工业污水的微生物制剂，由核壳结构的颗粒组成，所述核壳结构的颗粒包括由内向外依次设置的复合制剂、中间壳层、外部壳层；
复合制剂包括海洋解淀粉芽孢杆菌(Bacillus amyloliquefaciens)BMF01发酵液和固定化脂肪酶；复合制剂中，海洋解淀粉芽孢杆菌(Bacillus amyloliquefaciens)BMF01发酵液与固定化脂肪酶的重量比为1：0.2～0.6；固定化脂肪酶是由脂肪酶固定在氨基功能化的Al2O3纳米粒子表面得到的；
中间壳层为植物胶黏剂构成的壳层；外部壳层为由无机凝胶、氯化钙和醋酸钙构成的壳层。
微生物制剂中，复合制剂、中间壳层、外部壳层的重量比为1：0.5～0.7：0.8～1。
复合制剂中，活菌含量为5×108～1010cfu/g，固定化脂肪酶为的浓度为20～25U/mg。
固定化脂肪酶的酶活定义为：在38℃、pH7.0水解1μmol脂肪酸所需的酶量为1个酶活单位(U)；固定化脂肪酶的浓度为20～25U/mg是指，每克复合制剂中包含20～25个酶活单位。
上述脂肪酶可以为常见的脂肪酶，如甘油三酯脂肪酶(ATGL)等。
本发明另一方面提供一种制备上述微生物制剂的方法，包括以下步骤：
1)将活化的海洋解淀粉芽孢杆菌(Bacillus amyloliquefaciens)BMF01培养到对数期，然后按培养基体积2％～5％的接种量将培养到对数期的菌种接种到LB液体培养基中，20～35℃下，摇床震荡120～180rpm，培养24～48小时，制得海洋解淀粉芽孢杆菌(Bacillus amyloliquefaciens)BMF01发酵液；
2)将氨基功能化的Al2O3纳米粒子加入到戊二醛溶液中，于30～50℃反应5～20小时，将得到的产品过滤，洗涤，干燥后加入到脂肪酶溶液中，30～50℃反应2～4小时，即得所述固定化脂肪酶；
3)将步骤1)制得的海洋解淀粉芽孢杆菌(Bacillus amyloliquefaciens)BMF01发酵液与步骤2)制得的固定化脂肪酶按照重量比为1：0.2～0.6的比例混合均匀，制成颗粒状的复合制剂；
4)将植物胶黏剂均匀喷淋至步骤3)制得的复合制剂表面，干燥，即在复合制剂表面形成中间壳层；
5)将无机凝胶、氯化钙和醋酸钙按照重量比为1：2～5：1～2的比例混合均匀，均匀喷淋至步骤4)制得的中间壳层表面，干燥，即在中间壳层表面形成外部壳层，得到核壳结构的颗粒。
步骤2)中，氨基功能化的Al2O3纳米粒子制备方法包括：将乙酰丙酮铝与聚乙二醇混合均匀后，在250～300℃惰性气氛下反应3～5小时，冷却至室温后，加入葡萄糖，混合均匀后加入氨水，在密闭反应釜中200～260℃反应20～30小时，冷却，过滤，洗涤，干燥。
氨水中NH3质量百分含量为20～30％，乙酰丙酮铝、聚乙二醇、葡萄糖和氨水的质量比为1：2～5：2～5：0.2～0.5。
步骤2)中，氨基功能化的Al2O3纳米粒子与戊二醛的质量比为1：1～1.5。
步骤3)中，步骤1)制得的发酵液与步骤2)制得的固定化脂肪酶混合均匀后制成颗粒状的复合制剂的方法可选择任意现有的将液体制剂制成颗粒状的制剂的手段，如喷雾干燥等。
步骤4)中，可将植物胶黏剂溶解在溶剂中，以便均匀喷淋；植物胶黏剂用于将核壳结构的颗粒核心处的复合制剂与外部壳层粘合在一起，植物胶黏剂优选淀粉胶、糊精胶、阿拉伯树胶或羧甲基纤维素胶。
步骤5)中，可将无机凝胶、氯化钙和醋酸钙在溶剂中混合均匀，以便均匀喷淋。
上述室温优选15～30℃。
本发明另一方面提供上述微生物制剂在处理工业污水中的应用。
有益效果：本发明的微生物制剂的颗粒呈三层核壳结构，当微生物制剂进入工业污水中后，外壳层可快速溶解在污水中，并络合污水中的重金属离子，接着中间壳层逐渐溶解在污水中，进一步吸附部分重金属离子，最后内部的复合制剂逐渐分散在污水中，对有机物进行高效降解；本发明首次将海洋解淀粉芽孢杆菌(Bacillus amyloliquefaciens)BMF01用于污水处理领域，通过将海洋解淀粉芽孢杆菌(Bacillus amyloliquefaciens)BMF01的发酵液与固定化脂肪酶复合，使海洋解淀粉芽孢杆菌(Bacillusamyloliquefaciens)BMF01的发酵液与固定化脂肪酶协同作用，可高效去除工业废水中的色度、COD以及异味臭味。
具体实施方式
试剂来源：
脂肪酯：Aldrich化学试剂公司；
戊二醛：国药集团化学试剂有限公司；
乙酰丙酮铝：国药集团化学试剂有限公司；
聚乙二醇200：国药集团化学试剂有限公司；
葡萄糖：国药集团化学试剂有限公司；
海洋解淀粉芽孢杆菌(Bacillus amyloliquefaciens)BMF01保藏于中国典型培养物保藏中心CCTCC，保藏编号为CCTCC No.M2017153，该菌种已在公开号为CN107460145A、申请号为201710719461.8的在先专利中公开。
实施例1
处理工业污水的微生物制剂由核壳结构的颗粒组成，核壳结构的颗粒包括由内向外依次设置的复合制剂、中间壳层、外部壳层；复合制剂包括海洋解淀粉芽孢杆菌(Bacillus amyloliquefaciens)BMF01发酵液和固定化脂肪酶。微生物制剂中，复合制剂、中间壳层和外部壳层的重量比为1：0.6：0.8。
上述微生物制剂的制备方法为：
1)将活化的海洋解淀粉芽孢杆菌(Bacillus amyloliquefaciens)BMF01培养到对数期，然后按培养基体积5％的接种量将培养到对数期的菌种接种到LB液体培养基中，25℃下，摇床震荡180rpm，培养24小时，制得海洋解淀粉芽孢杆菌(Bacillusamyloliquefaciens)BMF01发酵液。
2)将乙酰丙酮铝与聚乙二醇混合均匀后，在300℃氩气气氛下反应3小时，冷却至室温后，加入葡萄糖，超声混合均匀后加入氨水，在密闭反应釜中200℃反应25小时，冷却至室温后，过滤，洗涤，干燥，制得氨基功能化的Al2O3纳米粒子；氨水中NH3质量百分含量为28％，乙酰丙酮铝、聚乙二醇、葡萄糖和氨水的质量比为1：5：5：0.5；
将氨基功能化的Al2O3纳米粒子加入到戊二醛溶液中，使氨基功能化的Al2O3纳米粒子与戊二醛的质量比为1：1，在40℃反应10小时，将得到的产品过滤，洗涤，干燥后加入到脂肪酶溶液中，40℃反应3小时，将得到的产物进行过滤，洗涤，真空干燥，即得固定化脂肪酶。
3)将步骤1)制得的海洋解淀粉芽孢杆菌(Bacillus amyloliquefaciens)BMF01发酵液与步骤2)制得的固定化脂肪酶按照重量比为1：0.5的比例混合均匀，制成颗粒状的复合制剂；复合制剂中，活菌含量为5×109cfu/g，固定化脂肪酶为的浓度为25U/mg。
4)将羧甲基纤维素溶解在水中，均匀喷淋至步骤3)制得的复合制剂表面，干燥，即在复合制剂表面形成中间壳层；
5)将无机凝胶、氯化钙和醋酸钙按照重量比为1：5：1的比例在溶剂中混合均匀，均匀喷淋至步骤4)制得的中间壳层表面，干燥，即在中间壳层表面形成外部壳层，得到微生物制剂。
实施例2
处理工业污水的微生物制剂由核壳结构的颗粒组成，核壳结构的颗粒包括由内向外依次设置的复合制剂、中间壳层、外部壳层；复合制剂包括海洋解淀粉芽孢杆菌(Bacillus amyloliquefaciens)BMF01发酵液和固定化脂肪酶。微生物制剂中，复合制剂、中间壳层和外部壳层的重量比为1：0.5：1。
上述微生物制剂的制备方法为：
1)将活化的海洋解淀粉芽孢杆菌(Bacillus amyloliquefaciens)BMF01培养到对数期，然后按培养基体积2％的接种量将培养到对数期的菌种接种到LB液体培养基中，25℃下，摇床震荡120rpm，培养48小时，制得海洋解淀粉芽孢杆菌(Bacillusamyloliquefaciens)BMF01发酵液。
2)将乙酰丙酮铝与聚乙二醇混合均匀后，在250℃氮气气氛下反应5小时，冷却至室温后，加入葡萄糖，混合均匀后加入氨水，在密闭反应釜中260℃反应20小时，冷却，过滤，洗涤，干燥，制得氨基功能化的Al2O3纳米粒子；氨水中NH3质量百分含量为20％，乙酰丙酮铝、聚乙二醇、葡萄糖和氨水的质量比为1：2：2：0.2；
将氨基功能化的Al2O3纳米粒子加入到戊二醛溶液中，使氨基功能化的Al2O3纳米粒子与戊二醛的质量比为1：1.5，在30℃反应20小时，将得到的产品过滤，洗涤，干燥后加入到脂肪酶溶液中，30℃反应4小时，将得到的产物进行过滤，洗涤，真空干燥，即得固定化脂肪酶。
3)将步骤1)制得的海洋解淀粉芽孢杆菌(Bacillus amyloliquefaciens)BMF01发酵液与步骤2)制得的固定化脂肪酶按照重量比为1：0.6的比例混合均匀，制成颗粒状的复合制剂；复合制剂中，活菌含量为5×109cfu/g，固定化脂肪酶的浓度为20U/mg。
4)将淀粉胶溶解在水中，均匀喷淋至步骤3)制得的复合制剂表面，干燥，即在复合制剂表面形成中间壳层；
5)将无机凝胶、氯化钙和醋酸钙按照重量比为1：2：2的比例在溶剂中混合均匀，均匀喷淋至步骤4)制得的中间壳层表面，干燥，即在中间壳层表面形成外部壳层，得到微生物制剂。
对比例1
处理工业污水的微生物制剂由核壳结构的颗粒组成，核壳结构的颗粒包括由内向外依次设置的复合制剂和壳层；复合制剂包括海洋解淀粉芽孢杆菌(Bacillusamyloliquefaciens)BMF01发酵液和固定化脂肪酶。微生物制剂中，复合制剂和壳层的重量比为1：0.6。
上述微生物制剂的制备方法为：
1)将活化的海洋解淀粉芽孢杆菌(Bacillus amyloliquefaciens)BMF01培养到对数期，然后按培养基体积5％的接种量将培养到对数期的菌种接种到LB液体培养基中，25℃下，摇床震荡180rpm，培养24小时，制得海洋解淀粉芽孢杆菌(Bacillusamyloliquefaciens)BMF01发酵液。
2)将乙酰丙酮铝与聚乙二醇混合均匀后，在300℃氮气气氛下反应3小时，冷却至室温后，加入葡萄糖，混合均匀后加入氨水，在密闭反应釜中200℃反应25小时，冷却，过滤，洗涤，干燥，制得氨基功能化的Al2O3纳米粒子；氨水中NH3质量百分含量为28％，乙酰丙酮铝、聚乙二醇、葡萄糖和氨水的质量比为1：5：5：0.5；
将氨基功能化的Al2O3纳米粒子加入到戊二醛溶液中，使氨基功能化的Al2O3纳米粒子与戊二醛的质量比为1：1，在40℃反应10小时，将得到的产品过滤，洗涤，干燥后加入到脂肪酶溶液中，40℃反应3小时，将得到的产物进行过滤，洗涤，真空干燥，即得固定化脂肪酶。
3)将步骤1)制得的海洋解淀粉芽孢杆菌(Bacillus amyloliquefaciens)BMF01发酵液与步骤2)制得的固定化脂肪酶按照重量比为1：0.5的比例混合均匀，制成颗粒状的复合制剂；复合制剂中，活菌含量为5×109cfu/g，固定化脂肪酶为的浓度为25U/mg。
4)将羧甲基纤维素溶解在水中，均匀喷淋至步骤3)制得的复合制剂表面，干燥，即在复合制剂表面形成壳层，得到微生物制剂。
对比例2
处理工业污水的微生物制剂由核壳结构的颗粒组成，核壳结构的颗粒包括由内向外依次设置的制剂、中间壳层、外部壳层；制剂包括海洋解淀粉芽孢杆菌(Bacillusamyloliquefaciens)BMF01发酵液。微生物制剂中，复合制剂、中间壳层和外部壳层的重量比为1：0.6：0.8。
上述微生物制剂的制备方法为：
1)将活化的海洋解淀粉芽孢杆菌(Bacillus amyloliquefaciens)BMF01培养到对数期，然后按培养基体积5％的接种量将培养到对数期的菌种接种到LB液体培养基中，25℃下，摇床震荡180rpm，培养24小时，制得海洋解淀粉芽孢杆菌(Bacillusamyloliquefaciens)BMF01发酵液，制成颗粒状的制剂，其中，活菌含量为5×109cfu/g。
2)将羧甲基纤维素溶解在水中，均匀喷淋至步骤1)制得的制剂表面，干燥，即在制剂表面形成中间壳层；
3)将无机凝胶、氯化钙和醋酸钙按照重量比为1：5：1的比例在溶剂中混合均匀，均匀喷淋至步骤2)制得的中间壳层表面，干燥，即在中间壳层表面形成外部壳层，得到微生物制剂。
实施例3
取实施例1～2、对比例1～2制得的微生物制剂，测试其对水体各项指标的影响。
从某河道内取水样，利用河道模型进行水质改良实验。未经处理的水样中，CODcr含量为305mg/L，BOD5含量为196mg/L，氨氮含量为32mg/L，重金属Ni含量为46mg/L，微生物制剂与水的质量比为1：50000，于向水样中加入实施例1～2、对比例1～2制得的微生物制剂120h后测定水样中CODcr、BOD5、氨氮含量和Ni含量，计算水样中CODcr、BOD5、氨氮含量和Ni含量。测试结果如表1所示。
由表1可知，本发明的复合制剂中，海洋解淀粉芽孢杆菌(Bacillusamyloliquefaciens)BMF01的发酵液与固定化脂肪酶协同作用，可有效降低工业污水中CODcr、BOD5、氨氮含量和Ni含量。
表1
Claims (9)
1.一种处理工业污水的微生物制剂，其特征在于，该微生物制剂由核壳结构的颗粒组成，所述核壳结构的颗粒包括由内向外依次设置的复合制剂、中间壳层、外部壳层；
所述复合制剂包括海洋解淀粉芽孢杆菌(Bacillus amyloliquefaciens)BMF01发酵液和固定化脂肪酶；所述固定化脂肪酶是由脂肪酶固定在氨基功能化的Al2O3纳米粒子表面得到的；
所述中间壳层为植物胶黏剂构成的壳层；所述外部壳层为由无机凝胶、氯化钙和醋酸钙构成的壳层。
2.根据权利要求1所述的一种处理工业污水的微生物制剂，其特征在于，所述复合制剂、中间壳层、外部壳层的重量比为1：0.5～0.7：0.8～1。
3.根据权利要求1所述的一种处理工业污水的微生物制剂，其特征在于，所述复合制剂中，活菌含量为5×108～1×1010cfu/g，所述固定化脂肪酶为的浓度为20～25U/mg。
4.根据权利要求1所述的一种处理工业污水的微生物制剂，其特征在于，所述复合制剂中，所述海洋解淀粉芽孢杆菌(Bacillus amyloliquefaciens)BMF01发酵液与固定化脂肪酶的重量比为1：0.2～0.6。
5.一种制备权利要求1～3中任意一项所述的微生物制剂的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
1)将活化的海洋解淀粉芽孢杆菌(Bacillus amyloliquefaciens)BMF01培养到对数期，然后按培养基体积2％～5％的接种量将培养到对数期的菌种接种到LB液体培养基中，20～35℃下，摇床震荡120～180rpm，培养24～48小时，制得海洋解淀粉芽孢杆菌(Bacillusamyloliquefaciens)BMF01发酵液；
2)将氨基功能化的Al2O3纳米粒子加入到戊二醛溶液中，于30～50℃反应5～20小时，将得到的产品过滤，洗涤，干燥后加入到脂肪酶溶液中，30～50℃反应2～4小时，即得所述固定化脂肪酶；
3)将步骤1)制得的海洋解淀粉芽孢杆菌(Bacillus amyloliquefaciens)BMF01发酵液与步骤2)制得的固定化脂肪酶按照重量比为1：0.2～0.6的比例混合均匀，制成颗粒状的所述复合制剂；
4)将植物胶黏剂均匀喷淋至步骤3)制得的复合制剂表面，干燥，即在所述复合制剂表面形成中间壳层；
5)将无机凝胶、氯化钙和醋酸钙按照重量比为1：2～5：1～2的比例混合均匀，均匀喷淋至步骤4)制得的中间壳层表面，干燥，即在中间壳层表面形成外部壳层，得到所述核壳结构的颗粒。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤2)中，所述氨基功能化的Al2O3纳米粒子制备方法包括：将乙酰丙酮铝与聚乙二醇混合均匀后，在250～300℃惰性气氛下反应3～5小时，冷却至室温后，加入葡萄糖，混合均匀后加入氨水，在密闭反应釜中200～260℃反应20～30小时，冷却，过滤，洗涤，干燥。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述氨水中NH3质量百分含量为20～30％，所述乙酰丙酮铝、聚乙二醇、葡萄糖和氨水的质量比为1：2～5：2～5：0.2～0.5。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤2)中，所述氨基功能化的Al2O3纳米粒子与戊二醛的质量比为1：1～1.5。
9.权利要求1～4中任意一项所述的微生物制剂在处理工业污水中的应用。
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