一种真菌-细菌混合生物滤床构建与快速启动的方法与流程

1.本发明涉及vocs治理技术领域，特别是涉及一种真菌-细菌混合生物滤床构建与快速启动的方法。


背景技术：

2.挥发性有机化合物(volatile organic compounds，vocs)可以和氮氧化合物发生光化学反应，形成光化学烟雾；也能与大气中的oh
·
、no、o等氧化剂发生多途径反应，生成二次有机气溶胶，已成为影响区域复合大气污染的重要前体物和参与物。石油、化工、印刷、涂料、电镀和纺织等行业生产过程中排放vocs成分繁杂、流量大(》1000m3/h)、浓度小(《10g/m3)、浓度波动性强且具有周期排放的特点，既没有回收价值，又危害人们身体健康和生态环境，对其进行有效治理对改善大气环境质量起着关键作用。目前，大风量、低浓度vocs气体治理已成为大气污染控制中一个急需解决的问题，也是国内外废气治理领域的研究热点和难点。
3.与传统的物理-化学方法相比，生物过滤技术具有投资与运行成本低、性能高、环境友好等特点，对于具有大风量、低浓度特征的工业源vocs，是最佳的末端治理技术之一。ottengraf、baltzis、alonson等认为传统滤床生物膜表面存在着一层完整的水膜，气态vocs首先要通过扩散作用穿过这层水膜，然后才能进入生物膜表面和内部被微生物降解，并由此提出了提出ⅲ相(气、水和生物膜)模型，即吸收-生物膜理论。“吸收-生物膜”理论主要包含两个过程，即vocs的传质过程与代谢过程。首先vocs与营养液或生物膜相接触，由气相经液相进入到生物相中；然后主要利用生物相中不同微生物的降解能力，将vocs作为能源和碳源进行代谢，生成二氧化碳和水，小部分转化为生物量，从而达到净化目的。据此理论，vocs亲、疏水性决定其能否实现由气相经液相到生物膜相的质量传递，将影响反应器的去除性能。vocs的亲、疏水性可根据亨利常数进行大致分类：亨利常数小于0.1的可视为亲水性vocs，如二氯乙烷、乙酸乙酯；亨利常数为0.1～0.99的可归类为适度疏水性vocs，如苯系物、二氯甲烷等；亨利系数大于1的则可认定为疏水性vocs，如乙烯、甲烷等。对于传统生物技术而言，vocs亨利系数越高，疏水性越强，传质效果越差，致使反应器的生物可利用度和降解率较低，处理效果越不理想。
4.为了提高生物滤床对疏水性vocs的去除性能，近年来学者从增加预处理、引入亲水性vocs共代谢、投加表面活性剂、改进生物滤床结构、引入真菌等五个方面开展了相关的研究。与其他四种技术相比，真菌生物滤床因其菌丝具有巨大的比表面积，可从气相中直接捕获疏水性vocs，不经液相可直接由气相传质至生物相，可以较好地解决疏水性vocs传质差的问题，且无需添加化学药剂、无需改造滤床结构，即便是在不利的环境条件下(如低水分含量、低ph值、冲击负荷)，对于疏水性vocs也可起到较高的去除效果。在正己烷进口负荷为140g/m3h的条件下，真菌滤床与细菌滤床的去除能力分别为100和60g/m3h。真菌滤床去除甲苯的最大能力为258～270g/m3h(去除率为95％)，是细菌滤床的2～7倍。但与细菌相比，真菌生长速率慢，降解菌种不够丰富，其丝状结构经常会引起反应器压力降的增加，最终导
致沟流和阻塞问题，同时还会产生一些对人体健康有害的孢子。liu等首次提出“真菌-细菌耦合生物过滤系统”的概念，并将该工艺用于恶臭的控制。研究结果表明在ebrt为20s的条件下，h2s的去除率为95％，去除能力为60g h2s m3/h，最大去除能力达到了170g h2s m3/h，压力降为5～15mm h2o。cheng等对细菌滤床、真菌滤床、真菌-细菌混合生物滤床处理甲苯废气的性能进行了比较。研究结果表明在同等条件下真菌滤、细菌滤床以及真菌-细菌混合生物滤床对甲苯的去除率分别为《20％、》60％、》90％，真菌滤床对甲苯的矿化率分别是细菌滤床的2/3，真菌-细菌混合生物滤床的1/2。真菌-细菌混合生物滤床与细菌、真菌滤床相比，对甲苯具有更高的去除率和矿化率。在已有的文献报道中往往向传统生物滤床中接种目标污染物专属降解真菌的方法完成真菌-细菌混合生物滤床的启动与构建。接种的目标污染物专属降解真菌与细菌相比，获取碳源的能力与生长速率均偏低，若运行参数控制不当，其生长和繁殖将会受到抑制，容易导致反应器性能失效。此外，文献报道的启动方法需要根据不同的目标降解物接种不同种类的真菌。同时，因真菌生长速度缓慢还将会导致真菌-细菌混合生物滤床启动周期过长。因此，亟需构建一种具备操作简单、启动周期短、去除效率高等特点的真菌-细菌混合生物滤床，以用于vocs处理中。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种真菌-细菌混合生物滤床构建与快速启动的方法，以解决上述现有技术存在的问题，通过采用“两步法”构建与快速启动真菌-细菌混合生物滤床，无需对传统生物滤床的结构进行改变，无需外加添加真菌菌种与化学试剂，运行方便、成本低廉。
6.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
7.本发明提供一种真菌-细菌混合生物滤床构建与快速启动的方法，采用两步法实现真菌-细菌混合生物滤床的构建与快速启动，具体包括以下步骤：
8.(1)在滤床中接种活性污泥，同时在所述滤床的营养液中投加外源碳源i，完成细菌滤床的快速启动；
9.(2)在所述细菌滤床的基础上，调节所述营养液ph值，同时投加抗生素和外源碳源ⅱ，当反应器中真菌和细菌拷贝数之比f/b﹥0.27时，真菌-细菌混合生物滤床的构建与启动完成。
10.优选的是，所述活性污泥接种浓度为2500～3500mg vss/l。
11.优选的是，步骤(1)中，所述营养液中的外源碳源i的浓度为0～500mg/m3，所述外源碳源i为苯甲醇。
12.优选的是，所述营养液中的苯甲醇浓度为300mg/m3。
13.优选的是，步骤(2)中，所述营养液中外源碳源ⅱ的浓度为0～500mg/m3，所述外源碳源ⅱ为麦麸。
14.优选的是，所述营养液中麦麸的麦麸的浓度为100mg/m3。
15.优选的是，步骤(2)中，所述营养液中抗生素的浓度为20～50g/m3，所述抗生素为氯霉素。
16.优选的是，所述营养液中氯霉素的浓度为20g/m3。
17.优选的是，所述ph值为5.9。
18.本发明还提供所述的方法在处理甲苯中的应用。
19.本发明公开了以下技术效果：
20.已报道的真菌-细菌生物滤床中真菌起捕捉与降解疏水性vocs的作用，其降解作用不具备广谱性，即针对不同的疏水性vocs需要接种不同种类的真菌。而本发明中的真菌-细菌混合生物滤床，则充分发挥了真菌吸附能力强与细菌生物多样性高的优势，真菌主要负责吸附各种vocs，并将其从气相输送至生物相，而生物相中的细菌则主要起降解作用。
21.与现有技术中生物滤床启动方式相比，本发明不存在因接种真菌，对于碳源竞争能力弱导致反应器性能下降的现象出现。
22.与现有技术中真菌-细菌混合生物滤床以及传统生物滤床相比，本发明具有较强的抗vocs负荷波动能力，并且本发明启动周期仅为15天，甲苯去除率为93.0％、矿化率为77.6％，同时δp/h稳定在5.0cm h2o/m。可见，本发明去除甲苯的周期短，并且去除效率高，具有广泛的应用价值。
附图说明
23.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
24.图1为接种菌源对细菌滤床启动周期和甲苯去除率的影响；
“▲”
甲苯进口浓度；
“△”
甲苯出口浓度；
“●”
甲苯去除率；
25.图2为接种菌源在细菌门和属水平上的分析图；(a)细菌门水平分析；(b)细菌属水平分析；
26.图3为picrust预测四种接种活性污泥中污染物降解功能基因热图；
27.图4为接种菌源对细菌滤床中甲苯去除能力的影响；
“■”
甲苯去除能力；
“●”
二氧化碳产能；
“▲”
矿化率；
28.图5为接种yz活性污泥浓度对细菌滤床启动周期和甲苯去除率的影响；
“▲”
甲苯进口浓度；
“△”
甲苯出口浓度；
“●”
甲苯去除率；
29.图6为外源碳源的种类和浓度对细菌滤床启动周期和甲苯去除率的影响；
30.图7为ph值对真菌-细菌混合生物滤床启动周期、甲苯去除率、矿化率、生物膜中真菌和细菌绝对拷贝数对数、压力降以及在属水平上的真菌群落结构的影响；(a)启动周期；(b)甲苯去除率；(c)矿化率；(d)生物膜中真菌和细菌绝对拷贝数对数；(e)压力降；(f)在属水平上的真菌群落结构；
31.图8为抗生素种类与浓度对真菌-细菌混合生物滤床启动周期、甲苯去除率及矿化率的影响；(a)投加50g m-3
氯霉素、硫酸庆大霉素及未添加任何抗生素对真菌-细菌混合生物滤床启动周期以及甲苯去除率的影响；(b)投加50g m-3
氯霉素、硫酸庆大霉素及未添加任何抗生素对真菌-细菌混合生物滤床启动周期以及甲苯矿化率的影响；(c)投加50g m-3
氯霉素、20g m-3
氯霉素及未添加任何抗生素对真菌-细菌混合生物滤床启动周期以及甲苯去除率的影响；(d)投加50g m-3
氯霉素、20g m-3
氯霉素及未添加任何抗生素对真菌-细菌混合生物滤床启动周期以及甲苯矿化率的影响。
32.图9为外源碳源种类与浓度对真菌-细菌混合生物滤床启动周期和甲苯去除率的影响；(a)投加不同外加碳源(toc 300mg m-3
麦麸、苯甲醇)以及无外加碳源投加对真菌-细菌混合生物滤床的启动周期与甲苯去除率的影响；(b)投加不同量麦麸(toc 0、100、300和500mg m-3
)对真菌-细菌混合生物滤床的启动周期与甲苯去除率的影响。
具体实施方式
33.现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
34.应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
35.除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
36.在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见的。本技术说明书和实施例仅是示例性的。
37.关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
38.本发明的设计思路：采用“两步法”快速启动真菌-细菌混合生物滤床，即首先快速启动细菌滤床，在此基础之上进行真菌-细菌混合生物滤床的构建与启动。填料选用聚氨酯泡沫块，尺寸为边长4-6mm，容积密度为0.015g cm-3
，持水能力55g-h2o g-1
，孔隙率为95％，平均孔径0.8mm，表面积73.65m
2 g-1
。选用的营养液每升含有0.5g k2hpo4、0.1g mgso4·
7h2o、4.5g kh2po4、2g nh4cl以及2ml维他命和微量元素。首先，采用气液循环动态挂膜法进行细菌滤床的启动。在相同实验条件下，将相同vss/l的不同活性污泥以及不同vss/l的同一种活性污泥，利用蠕动泵将等体积的活性污泥与营养液的混合溶液自塔顶以0.5l/min的流量自上而下均匀喷淋到填料层，进行生物滤床挂膜。甲苯废气则自下而上穿过填料层，先后经历驯化阶段(甲苯浓度300
±
10mg/m3)、生长阶段(甲苯浓度500
±
15mg/m3)以及稳定运行阶段(甲苯浓度1000
±
112mg/m3)。在驯化阶段，当在填料表面可以明显看到生物膜时，则认定挂膜完成；当甲苯去除率达到85％时即认定驯化与启动完成。在相同实验条件下，选择启动周期短、甲苯去除性能高的活性污泥作为最佳接种菌种和浓度。然后，采用低ph值耦合抗生素的方法在细菌滤床的基础上构建真菌-细菌混合生物滤床。低ph值和投加抗生素均可抑制细菌的生长，促进真菌的繁殖。当真菌/细菌拷贝数之比大于0.27时，则认定真菌-细菌混合生物滤床构建完成。采用投加外加碳源的方法加快真菌-细菌混合生物滤床的启动。以真菌-细菌混合生物滤床的启动时间和甲苯去除性能作为评价标准，确定最佳ph值、抗生
素的种类与浓度以及外加碳源的种类及浓度。
39.实施例1
40.接种2500mg vss/l四种不同来源的活性污泥后，测定细菌滤床的启动周期以及在驯化阶段、生长阶段和稳定阶段对甲苯的去除率。
41.如图1所示，当甲苯浓度为500
±
15mg/m3，分别接种yz(扬子石化)、ng(南京钢铁公司)、hy(华北制药)和hh(淮河化工)活性污泥的细菌滤床，对甲苯的平均去除率分别为91.2％、91.7％、83.3％和91.1％。当甲苯浓度由500
±
15mg/m3增加至1000
±
112mg/m3时，上述生物滤床对甲苯的平均去除率则分别为85.6％、85.2％、80.3％和85.4％，对应的启动周期则分别为15、20、24和15天。由此可以看出，接种yz和hh活性污泥的细菌滤床启动周期最短为15天。
42.实施例2
43.采用illumina miseq高通量测序方法分析比较yz(扬子石化)、ng(南京钢铁公司)、hy(华北制药)和hh(淮河化工)活性污泥在细菌与真菌在门和属水平上的群落结构。
44.如图2所示：yz活性污泥中细菌主要分布在变形菌门(proteobacteria)、拟杆菌门(bacteroidetes)、酸杆菌门(acidobacteria)，相对丰度分别为47.96％、28.02％、9.24％；ng活性污泥中proteobacteria、acidobacteria、异常球菌-栖热菌门(deinococus-thermus)的相对丰度分别为44.90％、33.27％、11.18％；hy活性污泥中绿菌门(chlorobi)、proteobacteria和bacteroidetes的相对丰度分别为37.37％、25.41％以及22.78％；而hh活性污泥中proteobacteria、candidate_division_tm7和bacteroidetes的相对丰度则分别为25.73％、16.21％和15.86％。说明四种接种活性污泥均具有降解甲苯的功能。yz、ng、hy和hh活性污泥中相对丰度最高的菌属分别为thauera(18.1％)、blastocatela(33.2％)、thauera(4.1％)以及nitrospira(12.6％)。其中thauera是公认的甲苯降解菌，其在ng和hh活性污泥中相对丰度分别为1.08％、2.71％。nitrospira可降解甲苯、甲硫醇和α-蒎烯混合废气，该属在ng活性污泥中的比例为4.76％。由此，可以说明yz活性污泥中细菌属thauera，ng活性污泥中细菌属nitrospira和thauera，hy活性污泥中细菌属thauera，hh活性污泥中细菌属nitrospira和thauera在降解甲苯废气的过程中起着关键作用，具有甲苯降解功能的细菌属相对丰度分别为yz(18.1％)、hh(15.31％)、ng(5.84％)和hy(4.1％)。
45.实施例3
46.基于16s rrna基因的高通量测序结果，picrust预测不同接种污泥中细菌的代谢功能。
47.如图3所示，分析发现四种接种活性污泥的甲苯降解功能非常接近。而对于苯甲酸降解功能而言，yz活性污泥中的相对丰度要高于其他三种。这说明活性污泥中苯甲酸降解功能的相对丰度越高，细菌滤床启动周期越短，接种yz活性污泥的细菌滤床启动周期最短。
48.实施例4
49.在甲苯去除能力为70.5
±
2.3g/m3h时，分别向细菌滤床接种yz、ng、hy和hh活性污泥，分析细菌滤床的二氧化碳产能以及对甲苯的矿化率情况。
50.如图4所示，细菌滤床的二氧化碳产能分别为198.4
±
8.9、167.8
±
6.6、147.0
±
9.0和188.1
±
8.6g/m3h，对甲苯的矿化率分别为72.1、61.3、53.0和68.8％。综合比较细菌滤床启动周期、甲苯去除性能和矿化率等指标，yz活性污泥作为接种菌源展现了良好性能。
51.实施例5
52.在甲苯进口浓度为1000
±
112mg/m3的条件下，接种不同浓度yz活性污泥，分析yz活性污泥接种浓度细菌滤床启动周期和甲苯去除率的影响。
53.如图5所示，接种2500和3500mg vss/l两种浓度的yz活性污泥，在第15天甲苯的去除率就可达到85～88％，完成细菌滤床的启动。采用1500mg vss/l的接种污泥，在第24天甲苯的去除率仅达到72％。而采用500mg vss/l的接种污泥，驯化周期更长、甲苯去除率更低，经过35天的驯化，甲苯去除率仅为40％。这说明接种污泥浓度过低，会导致污泥流失，造成反应器的启动失败。因此，yz活性污泥最佳接种浓度为2500mg vss/l。
54.实施例6
55.在甲苯进口浓度为1000
±
112mg m-3
，接种2500mg vss l-1
yz活性污泥的条件下，分析外加碳源的种类和浓度对细菌滤床启动周期和甲苯去除率的影响。
56.如图6所示，在未投加外加碳源的条件下，甲苯的去除率为85.6
±
0.5％，启动周期为15天。在相同实验条件下，投加了toc为300mg/m3的苯甲醇之后，甲苯去除率增加至88.0
±
0.4％，同时启动周期缩短至10天。然而，投加相同toc的二甲酚同分异构体混合物之后，细菌滤床对甲苯的去除率降至81.0
±
0.3％，启动周期延长至20天。
57.随着苯甲醇(toc为0、100、300和500mg/m3)投加浓度的增加，细菌滤床的启动周期不断缩短，甲苯的去除率则持续增加。当苯甲醇投加toc超过500mg/m3之后，细菌滤床的启动周期由10天增加至15天，甲苯去除率则由88.0
±
0.4降至81.9
±
0.2％。
58.实施例7
59.在甲苯进气浓度为1000
±
112mg m-3
，停留时间为45s的条件下，分析ph值对真菌-细菌混合生物滤床启动周期、甲苯去除率、矿化率、生物膜中真菌和细菌绝对拷贝数对数、压力降以及在属水平上的真菌群落结构的影响。
60.如图7所示，在营养液ph值为5.9的条件下，f/b＝0.89》0.27，且生物滤床稳定运行期间甲苯的去除率为92.0
±
0.3％、矿化率为79.1
±
0.2％，均高于ph值为7.0和4.0的情况。同时，δp/h稳定在5.0cm h2o/m，低于ph值为4.0时的8.3cm h2o/m，这有利于反应器的长期稳定运行。综上所述，在营养液ph值为5.9的条件下，甲苯去除性能和矿化率稳定之后，即可认定真菌-细菌混合生物滤床构建与启动完成。
61.实施例8
62.在甲苯进气浓度为1000
±
112mg m-3
，停留时间为45s，营养液ph值为5.9的条件下，分析抗生素种类与浓度对真菌-细菌混合生物滤床启动周期、甲苯去除率及矿化率的影响。
63.如图8所示，添加50g/m3氯霉素的真菌-细菌混合生物滤床启动周期为18天，而添加50g/m3硫酸庆大霉素的真菌-细菌混合生物滤床启动周期则为19天，与未添加任何抗生素的反应器相比，分别缩短了2天和1天。
64.分别添加50g/m3氯霉素和硫酸庆大霉素的真菌-细菌混合生物滤床对甲苯废气的去除率，与未添加的相比，几乎未发生任何变化。真菌-细菌混合生物滤床对甲苯废气的矿化率顺序为：未添加的(79.1
±
0.2％)》添加50g/m3氯霉素(75.6
±
0.3％)》添加50g/m3硫酸庆大霉素(70.6
±
0.2％)。
65.氯霉素的投加浓度由50g/m3降至20g/m3，真菌-细菌混合生物滤床对甲苯的去除率和启动周期未发生显著变化，甲苯的矿化率由75.6
±
0.3％增加至77.6
±
0.2％。综上所述，
选择氯霉素作为抑菌剂，最佳投加浓度为20g/m3。
66.实施例9
67.在甲苯进气浓度为1000
±
112mg m-3
，停留时间为45s，营养液ph值为5.9，氯霉素投加浓度为20g/m3的条件下，分析外加碳源种类与浓度对真菌-细菌混合生物滤床启动周期和甲苯去除率的影响。
68.如图9所示，投加麦麸的反应器启动周期缩短至15天，而投加苯甲醇和无外加碳源投加的均保持在18天，甲苯的去除率分别为94.3
±
0.2％、93.9
±
0.2％和92.1
±
0.3％。当麦麸投加量分别为toc 0、100、300和500mg/m3时，真菌-细菌混合生物滤床启动周期分别为18天、15天、15天和15天，甲苯去除率分别为92.1
±
0.3％、93.0
±
0.3％、94.3
±
0.2％和94.8
±
0.3％。综上所述，兼顾反应器性能和运行费用，真菌-细菌混合生物滤床启动选择麦麸作为外加碳源，最佳投加量为toc 100mg/m3。
69.以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。