本发明属于微生物应用技术领域，具体涉及一种污水处理用微生物营养液及其制备方法。
背景技术：
随着城市化进程的不断推进和工业经济的日益发展，城市范围内的生活污水和工业废水等越来越多，水质日趋复杂和污染日趋严重。大量的生活和工业污水流入河流和地下水中，城市污水中不仅含有有机污染物，还含有大量的悬浮物(包含有机物和无机物)、氮和磷污染等，这些污染对人类的日常生活和人体健康都造成极大的负面影响。城市污水的有效处理和利用成为人们普遍关注的问题。
近几年，国家对环保行业的重视程度和支持力度不断提升，为我国城市污水处理市场提供了广阔的发展空间。因此，对于污水处理的需求也必将进一步扩大，在污水处理率与污水排放量双增的形势下，提升污水处理能力必将是成为水处理行业和企业的趋势和必然选择。我国污水处理起步于较晚，20世纪70年代末才开始出现，起初受到技术和经济等条件的限制，二级污水处理厂的比例较低且大多数以活性污泥法等有机工艺为主，用以去除污水中的bod和ss；21世纪以后，新的脱氮除磷工艺迅速崛起，快速成长成为污水处理的主流工艺，bbr、a2/o、sbr、a/o和氧化沟工艺所占比例逐渐上升，新生的污水处理技术在工艺和处理效果上都比常规活性污泥法要好。其中，利用微生物来消化和分解污水中的有害物质逐级成为一种无害化处理污水一种新的趋势。
例如，cn105923773b公开了一种多层固定化微生物污水处理装置，将固定化微生物、微生物的好氧厌氧和磁场相结合来实现污水的净化；cn110240291a公开了一种超浅层曝气微生物生化床及污水处理系统，其中所述生化床包括床体、微孔曝气管、辅助加热管、溢流管、导气管、消泡网和微生物载体；cn108034602b公开了一种用于重金属废水处理的微生物菌剂，其中，所述微生物菌剂由于纤维素分解菌、固氮菌和纤维粉碎物等而对重金属具有强的吸附效果；cn102925357b公开了一种无害化处理用微生物复合菌剂，其包括多种细菌且可用于处理污水、生活垃圾、污水污泥或人畜粪便。
通常，微生物处理方法是利用微生物的生长代谢来消耗污水中的营养物质以达到分解或降低污染元素、净化水体的目的。然而，由于污水或污泥中含有大量的土著微生物，如何使污水处理用微生物快速生长和繁殖成为优势菌种，并持续较长的时间，进而促进对污水中有害污染成分的分解和去除，实现污水的高效净化是一个势必需要解决的关键问题。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种污水处理用微生物营养液，所述微生物营养液包含微生物生长和繁殖所需的元素和氨基酸等营养物质，促进微生物、特别是芽孢杆菌和灰色链霉菌等的快速生长，从而促使微生物菌剂有效地去除污水中的过量氮磷、悬浮物和其他污染物。
本发明的目的通过包括以下的技术方案来实现：
根据本发明的一个方面，提供了一种污水处理用微生物营养液，其由包括以下的原料依次经过有氧发酵和无氧发酵的二次发酵制备而成：木瓜、苹果、芒果和柠檬。
其中，所述微生物营养液还包括占微生物营养液总重量的0.5-2.5wt％的氨基酸。所述氨基酸选自谷氨酸、精氨酸、脯氨酸、天冬氨酸、苯丙氨酸中的一种或多种。优选地，所述氨基酸选自质量比为1：(2-5)的谷氨酸和苯丙氨酸的组合。
更优选地，所述微生物营养液还包括占微生物营养液总重量的1-1.5wt％的氨基酸，所述氨基酸味质量比为1：2-3的谷氨酸和苯丙氨酸的组合。
其中，木瓜、苹果、芒果和柠檬的质量比为(1-6):(10-20):(5-12):(2-8)；优选地，木瓜、苹果、芒果和柠檬按的质量比(2-5):(12-18):(7-10):(4-6)。
其中，所述微生物营养液的原料还包括：菠萝、柚子和甜橙中的一种或多种。优选地，所述微生物营养液的原料还包括菠萝，且木瓜与菠萝的质量比为1：(1-5)。
优选地，上述的水果选自产地海南的水果。
优选地，上述的水果选自成熟度七成至八成熟的水果。其中，各种水果的成熟度判断按照现有技术中常用的外部色泽和果实硬度相结合的方法进行判断。
在本发明中，木瓜含有丰富的维生素、多种氨基酸以及k、na、ca和mg等元素；苹果含有丰富的碳水化合物、维生素和营养元素ca、mn、fe、mo和i等元素；芒果含有丰富的蛋白质、维生素、多种氨基酸以及fe、mn和mg等元素；柠檬富含维生素c、维生素e等维生素，且富含p、ca、mg、zn和mn等元素；菠萝果实营养丰富，果肉中除含有糖类、蛋白质、脂肪和有机酸外，还含有ca、p、fe等元素；柚子果肉的营养十分丰富，其含有ca、mg、fe、cu等元素；甜橙含有大量的蛋白质、膳食纤维、碳水化合物和维生素，以及ca、fe、zn、si等多种元素。
根据本发明的另一方面，提供了一种微生物营养液的制备方法，包括：
(1)分别将木瓜、苹果、芒果和柠檬按预设比例称重、清洗；
(2)消毒、洗涤和切块；
(3)榨汁得到粗浆；
(4)将各水果的粗浆进行有氧发酵得到发酵原液；
(5)将各水果的发酵原液混合，得到混合液；
(6)将混合液进行无氧发酵得到混合发酵液，过滤得到滤液；
(7)将滤液与去离子水混合，得到营养液。
在所述方法中，在步骤(1)中，所述清洗意指用水清洗1-2次，以去除水果表面存在或残留的农药、病原菌、泥土、灰尘、杂质等。
在所述方法中，在步骤(1)中，将木瓜、苹果、芒果和柠檬按照(1-6):(10-20):(5-12):(2-8)的质量比进行混合。优选地，木瓜、苹果、芒果和柠檬按照(2-5):(12-18):(7-10):(4-6)的质量比进行混合。
在所述方法中，在步骤(2)中，所述消毒意指用30-50％(质量份数)氯化钠水溶液，或0.1-0.2％(质量份数)高锰酸钾水溶液，或20-50mg/l的clo2水溶液消毒，以去除水果表面残留的农药、病原菌等。
在所述方法中，在步骤(2)中，所述洗涤意指用去离子水或纯水冲洗消毒后的水果2-3次，以去除水果表面残留的消毒液。
在所述方法中，在步骤(2)中，所述切块意指切成长度5-10公分左右的块，以方便后续的榨汁处理。
在所述方法中，在步骤(3)中，所述榨汁意指用研磨机或压榨机将水果块去除果皮后榨汁，得到粗浆。
在所述方法中，在步骤(4)中，所述有氧发酵包括将白糖和/或红糖以及酵母粉加入各水果的粗浆中，32-38℃下密封容器发酵20-30天，其中每隔一段时间打开容器盖通气一次，搅拌混匀后再密封。在本发明中，每隔一段时间是指每1-2天通气一次使得发酵液中具有足够的氧气，其能够确保酵母细胞用于合成健康细胞膜所必备的固醇和不饱和脂肪酸物质。因此，在有氧条件下，酵母细胞生长得更快，达到更高的细胞密度，进而有利于水果的发酵。
其中，所述酵母粉的添加量为粗浆重量的2-8％。
其中，白糖和/或红糖的添加量为粗浆重量的5-10％。
在所述方法中，在步骤(6)中，所述无氧发酵包括加入乳酸菌粉，密封容器，在26-30℃下持续发酵7-15天。在本发明中，在无氧状态下，无氧发酵使得葡萄糖转化成丙酮酸，而丙酮酸进一步转化为微生物易于消化的乳酸或者乙醇小分子。
在所述方法中，在步骤(6)中，所述乳酸菌粉的添加量为混合液重量的1-5％。
在所述方法中，在步骤(7)中，将混合发酵液与去离子水以1:(10-30)的体积比混合。优选地，将混合发酵液与去离子水以1:(15-25)的体积比混合。
任选地，在步骤(8)中，加入氨基酸，使得氨基酸的添加量占最终营养液产品重量的0.5-2.5wt％。
根据本发明的另一方面，提供了根据本发明的污水处理用微生物营养液在促进微生物在污水环境中生长和繁殖中的应用。
在所述应用中，所述微生物包含芽孢杆菌；优选地，所述微生物为芽孢杆菌作为主要活性菌的复合菌。其中，所述芽孢杆菌选自枯草芽孢杆菌(bacillussubtilis)、地衣芽孢杆菌(bacilluslicheniformis)、解淀粉芽孢杆菌(bacillusamyloliquefaciens)、侧胞芽胞杆菌(brevibacilluslaterosporus)、苏云金芽孢杆菌(bacillusthuringiensis)、蜡样芽孢杆菌(bacilluscereus)、多粘芽孢杆菌(bacilluspolymyxa)、灰色链霉菌(streptomycesgriseus)和脱氮硫杆菌(thiobacillusdenitrificans)中的一种或多种。
优选地，在所述应用中，所述微生物源自复合微生物菌剂，其包括枯草芽孢杆菌10-20份、地衣芽孢杆菌10-20份、解淀粉芽孢杆菌10-20份、侧胞芽胞杆菌10-20份、灰色链霉菌5-20份、脱氮硫杆菌5-10份。
其中，所述复合微生物菌剂还包括碳源补充剂，碳源补充剂的用量为100-200份。
其中，所述碳源补充剂为淀粉和/或弱碱改性的秸秆粉末。所述弱碱改性的秸秆粉末的制备方法包括如下步骤：取烘干粉碎后80-100目过筛的秸秆，加入浓度为10-20wt％的弱碱溶液，混匀，在40-55℃预处理48-72小时，然后将预处理后的秸秆用去离子水冲洗3-5次，烘干。所述弱碱选自碳酸钠、碳酸钾、碳酸氢钠、碳酸氢钾、氨水或尿素中的一种或多种；所述秸秆选自青稞、玉米、小麦、水稻和棉花作物中的一种或多种的秸秆。
在本发明中，微生物营养液由芒果、苹果、木瓜、柠檬等果浆的发酵液与水配合组成，上述水果经清洗、消毒、切块、榨汁、发酵制成一种富含诸如钾、镁、硅、钙和锰等元素和多种氨基酸的营养液。在污水处理过程中，该营养液能够最大限度地补充芽孢杆菌等细菌的生长和增殖培养所需的养分，并促使其在局部特定的生态系统内形成优势菌群，更好地发挥其微生物活性作用，进而提高污水中n、p以及有机污染物的吸附和分解。
上述的技术方案具有如下的优点或有益效果：
通过本发明的方法制备的微生物营养液具有多种微生物生长、特别是芽孢杆菌等细菌生长所必须的多种营养元素和氨基酸等养分，其使得芽孢杆菌等在较短时间内迅速成为污水处理系统中的优势菌群；另外，在本发明的制备方法中，通过有氧发酵和无氧发酵的有机结合，在较短的发酵周期内实现了发酵液中的易于被芽孢杆菌等消耗的小分子有机酸和乙醇的快速积累，使得用于污染处理的复合菌快速生长和增殖，其进一步显著提高了污水处理的效率。
另外，本发明的微生物营养液的制备方法简单，投入成本低，能够实现批量生产。
附图说明
图1示出本发明的微生物营养液的制备工艺的示意性流程图。
具体实施方式
下面将结合具体实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是出于举例的目的，而不是全部。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员将更好地理解和掌握本发明所要求保护的技术方案及其实现的技术效果。
以下实施例中的各个菌种均购自北京北纳创联生物。
本发明实施例所用生物转盘源自青海洁神环境能源产业有限公司，其中生物转盘的材质是聚偏二氯乙烯(pvdc)，厚度为6cm，孔隙率98％，主要工作参数如下：盘片30个/台，盘片直径2m，连续运行进行污水处理，污水来自城镇污水厂进水，处理水量2250m3/d.台。
(一)营养液的制备
实施例1
(1)将总重量共计30kg的来自产地海南的七至八分熟的木瓜、苹果、芒果和柠檬以3：15：7：5的质量比分别进行称重，用水清洗2次；
(2)用40wt％氯化钠水溶液浸泡30分钟进行消毒，然后用去离子水冲洗3次，切成长度5-10公分左右的水果块；
(3)去除果皮后的各水果块分别用压榨机榨汁，得到粗浆；
(4)将各水果的粗浆置于有盖的发酵罐中，添加占粗浆重量8％的白糖于发酵罐中，再加入占粗浆重量5％的酵母粉，在35℃发酵25天，每天打开容器盖通气一次，搅拌混匀后再密封发酵，得到发酵原液；
(5)将上述各种水果的发酵原液混合，得到混合液；
(6)将混合液至于另一密封罐中，加入混合液重量的3％的复合乳酸菌粉(西安全奥生物科技有限公司)，在28℃密封发酵10天，过滤得到滤液；
(7)将滤液与去离子水以1：20的体积比进行混合，得到营养液。
其具体的制备流程如图1所示。
实施例2
制备原料和步骤与实施例1相同，除了木瓜、苹果、芒果和柠檬的质量比为2：10：12：6外。
实施例3
制备原料和步骤与实施例1相同，除了木瓜、苹果、芒果和柠檬的质量比为2：10：5：3外。
实施例4
制备原料和步骤与实施例1相同，除了木瓜、苹果、芒果和柠檬的质量比为6：15：10：5外。
实施例5
制备原料和步骤与实施例1相同，除了木瓜、苹果、芒果和柠檬的质量比为4：16：8：5外。
实施例6
除了步骤(4)的发酵温度改变为32℃且发酵时间改成30天外，制备原料和其他制备步骤与实施例1中相同。
实施例7
除了步骤(4)的发酵温度改变为38℃且发酵时间改成21天外，制备原料和其他制备步骤与实施例1中相同。
实施例8
除了步骤(6)的发酵温度改变为26℃且发酵时间改成14天外，制备原料和其他制备步骤与实施例1中相同。
实施例9
除了步骤(6)的发酵温度改变为30℃且发酵时间改成8天外，制备原料和其他制备步骤与实施例1中相同。
实施例10
除了步骤(4)中占粗浆重量8％的白糖改变为占粗浆重量5％的红糖，以及将酵母粉的重量5％改变为3％将外，制备原料和其他制备步骤与实施例1中相同。
实施例11
除了步骤(4)中占粗浆重量8％的白糖改变为占粗浆重量10％的白糖，以及将酵母粉的重量5％改变为8％将外，制备原料和其他制备步骤与实施例1中相同。
实施例12
除了在步骤(7)中添加最终营养液产品中终浓度为1.4wt％的苯丙氨酸外，其余制备原料和制备步骤与实施例1相同。
实施例13
除了在步骤(7)中添加最终营养液产品中终浓度分别为1wt％的苯丙氨酸和0.4wt％的谷氨酸外，其余制备原料和制备步骤与实施例1相同。
对比例1
除了不包含步骤(6)的无氧发酵步骤外，制备原料和其他制备步骤与实施例1中相同。
对比例2
除了不包含步骤(4)的有氧发酵步骤外，制备原料和其他制备步骤与实施例1中相同。
对比例3
制备步骤与实施例1相同，除了原料中不含有苹果外。
对比例4
制备步骤与实施例1相同，除了原料中不含有柠檬外。
应用例
(一)复合菌剂的配制
1.各个菌的发酵培养：将枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌、解淀粉芽孢杆菌、侧胞芽胞杆菌和脱氮硫杆菌的斜面菌种分别接入lb液体培养基中，在37℃各自培养；将灰色链霉菌的斜面菌种接入发酵培养基(黄豆饼粉5％、玉米淀粉4％、硫酸铵0.6％、k2hpo41％、mgso4·7h2o0.075％，nacl1.0％、ph7.8(参照李海燕等，科学技术与工程，2013年，13(27)，8202-8204))中，32℃培养，直至各个菌在液体发酵液中的活菌浓度均不少于1×109cfu/ml，冷冻干燥，得到休眠状态的菌干粉。
2.改性秸秆粉末的制备：取烘干粉碎后100目过筛的青稞秸秆，加入秸秆10倍质量的浓度14％的氨水，搅拌混匀，在50℃预处理48小时，然后将预处理后的秸秆用去离子水冲洗3次，烘干。
3.按照下列的比例混合各个菌，淀粉和改性青稞干粉，得到本发明的复合微生物菌剂：
枯草芽孢杆菌15份、地衣芽孢杆菌15份、解淀粉芽孢杆菌、15份、侧胞芽胞杆菌15份、灰色链霉菌13份、脱氮硫杆菌8份、淀粉100份和改性青稞秸秆粉末50份。
(二)污水处理
1)将来自市政管道的生活污水(原水：cod＝277mg/l，tn＝58mg/l，tp＝6.3mg/l，nh3-n＝45mg/l)依次经过粗格栅井和细格栅井去除大体积的污染物质，其中粗格栅网孔为20mm和细格栅网孔为3mm；
2)细格栅井出水流入沉砂池，使水中的其他杂质沉淀；
3)沉砂池出水进入混合池中，相对于混合池进水的总体积，以0.06g/m3·d的量加入上述实施例和对比例制备的营养液，营养液加入方式是营养液原液稀释300倍后24h连续投加；
4)混合池出水进入厌氧池中，厌氧池中设置有立体生物转盘，其中该生物转盘50％浸没在污水中，do＝0.2mg/l，以每分钟4转的转速匀速转动；
5)将厌氧池出水流入生化池中，相对于生化池进水的总体积，以100g/m3的量加入上述步骤(一)制备的复合菌剂，通过鼓风机向所述生化池供气，调节气管阀门使生化池内溶解氧量保持2.5mg/l，生化池出水的混合液回流泵设置在生化池末端，回流至混合配水池，回流量为1q；
6)生化池内的出水流入二沉池，在二沉池内进行泥水分离，二沉池一部分污泥经污泥回流泵回流至厌氧池中，回流量为1q；
7)二沉池出水流入消毒系统后经过出水计量槽排出。
分别对处理后的污水的cod(化学需氧量)、tn、tp、nh3-n(氨氮)采用行业或国家标准进行了测量。其中，cod的测定采用重铬酸钾法(gbt11914-89)、总n的测定采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法(gb11894-89)、总p的测定采用钼酸铵分光光度法(gb11893-89)、氨氮的测定采用气相分子吸收光谱法(hj/t195-2005)。
测定结果如下表1所示：
表1
从表1可以看出，与不具有有氧发酵或无氧发酵过程的营养液相比，添加有氧发酵和无氧发酵两个过程的营养液处理的cod、tn、tp和nh3-n的去除率都显著地降低，但对n的去除效果影响相对较大，这充分说明水果的有氧发酵和无氧发酵过程对于各种细菌的生长和增殖是非常重要的。在发酵过程中产生的各种小分子有机酸和醇促进污水中的芽孢杆菌等快速成为优势菌种，从而显著改善了污水中过量n、p成分以及有机物的去除。如对比例3-4所示，与本发明的营养液相比，不含木瓜或不含柠檬酸的营养液处理对tp和cod去除具有显著影响，其原因可能是木瓜和柠檬酸中含有的大量元素或微量元素组分影响了芽孢杆菌等生长的条件，进而影响了污水中p和有机染物的去除效果。
另外，对本发明制备所得的营养液进行测试发现，在混合配水池中加入复合菌剂后的第4、8、12、16、20、24、36和48小时，分别从混合配水池取样测定污水中的活菌浓度，结果发现：添加本发明的营养液的处理的复合菌剂的活菌浓度在24小时内成稳步上升趋势，例如添加实施例1制备的营养液处理在第24小时的活菌浓度达到4.5×109cfu/ml以上，且在以后的48小时内保持在6.5×109cfu/ml以上，而添加如实施例12制备的含有苯丙氨酸的营养液处理则在第20小时，活菌浓度即可达到4.5×109cfu/ml以上；添加如实施例13制备的含有氨基酸的营养液处理则在第18小时，活菌浓度即可达到4.5×109cfu/ml以上。这说明本发明提供的营养液中加入一定量的氨基酸，特别是复配的苯丙氨酸和谷氨酸，彼此产生协同复配的作用，能够明显增强复合菌的生长繁殖速度，更有利于污水处理。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在不偏离本发明要求保护的精神和实质的前提下，可以对本发明的各个技术特征进行替代、修改和组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。
1.一种污水处理用微生物营养液，其特征在于，所述微生物营养液由包括以下的原料依次经过有氧发酵和无氧发酵的二次发酵制备而成：木瓜、苹果、芒果和柠檬。
2.根据权利要求1所述的微生物营养液，其特征在于，所述微生物营养液还包括占微生物营养液总重量的0.5-2.5wt％的氨基酸，其中所述氨基酸选自谷氨酸、精氨酸、脯氨酸、天冬氨酸、苯丙氨酸中的一种或多种；优选地，所述氨基酸选自谷氨酸和苯丙氨酸的组合；更优选为1：(2-5)的谷氨酸和苯丙氨酸的组合。
3.根据权利要求2所述的微生物营养液，其特征在于，所述微生物营养液的原料还包括：菠萝、柚子和甜橙中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的微生物营养液，其特征在于，木瓜、苹果、芒果和柠檬的质量比为(1-6):(10-20):(5-12):(2-8)；优选地，木瓜、苹果、芒果和柠檬的质量比(2-5):(12-18):(7-10):(4-6)。
5.根据权利要求1所述的微生物营养液，其特征在于，所述有氧发酵是各水果经过榨汁得到的粗浆，加入白糖和/或红糖和酵母粉，在32-38℃下密封容器发酵20-30天；所述无氧发酵是加入乳酸菌粉，密封容器，在26-30℃下持续发酵7-15天，32-38℃下密封容器发酵20-30天。
6.一种污水处理用微生物营养液的制备方法，包括以下步骤：
(1)分别将木瓜、苹果、芒果和柠檬按预设比例称重、清洗；
(2)消毒、洗涤和切块；
(3)榨汁得到粗浆；
(4)将粗浆进行有氧发酵得到发酵原液；
(5)将各水果的发酵原液混合，得到混合液；
(6)将混合液进行无氧发酵得到混合发酵液，过滤得到滤液；
(7)将滤液与去离子水混合，得到营养液。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，在步骤(1)中，将木瓜、苹果、芒果和柠檬按(1-6):(10-20):(5-12):(2-8)的质量比进行称重；优选地，木瓜、苹果、芒果和柠檬按(2-5):(12-18):(7-10):(4-6)的质量比进行称重。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，在步骤(4)中，所述有氧发酵包括如下步骤：将白糖和/或红糖和酵母粉加入粗浆中，32-38℃下密封容器发酵20-30天，定期打开容器盖通气，搅拌混匀后再密封；在步骤(6)中，所述无氧发酵包括加入乳酸菌粉，密封容器，在26-30℃下持续发酵7-15天。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，白糖和/或红糖的添加量为粗浆重量的5-10％，且所述酵母粉的添加量为粗浆重量的2-8％。
10.根据权利1-5中任一项所述的微生物营养液或者根据权利要求6-9中任一项所述的制备方法制备的微生物营养液在促进微生物在污水环境中生长和繁殖中的应用，优选地，所述微生物为芽孢杆菌作为主要活性菌的复合菌。
技术总结