本发明属于微生物净水剂技术领域，具体涉及一种富缺陷碳载体固定微生物的净水剂及其制备方法。
技术背景
畜牧业规模化发展中，统一的管理，降低了成本，提高了经济效益，但大量集中的污水排放引起的严重环境污染，急需治理。国内外对养殖污水处理方式主要有资源化利用和达标排放两大类，归纳为还田模式、自然处理模式及工业化处理3种模式，它们各有优缺点。我国养殖污水处理的目的是控制、减少其造成的危害，开展综合利用，最终实现减量化、资源化、无害化和达标排放的目标，减少对作物土壤质量和作物品质的影响，降低对水体、土壤环境和气候环境的潜在污染风险。
近年来研究者们针对农业环境污染物的性质特征，对养殖污水的处理方法和工艺都进行了较系统的研究，分别利用了化学方法和生物方法对氮、磷、重金属离子及有机物分子进行吸附、分离及生物/化学降解，单一的处理方式一定程度上实现了减量化和资源化的目标，但很难达到完全无害化和国家排放标准。在研究过程中，活性炭通常被用作污水污染物的吸附剂，它对于污水的色度和浊度都能有所改观，同时含有大孔、中孔及微孔结构，故对于小分子和重金属离子也会发生吸附作用，亦可被压制成柱状小颗粒作为生物净水剂的载体用于畜禽类养殖厌氧沼液的净化处理，且单一菌株固定于碳载体形成的菌碳净水剂，其污水净化效果往往不如复合菌株形成的菌碳净化效果理想。公布号为cn104261570a的专利公开了一种畜禽养殖厌氧污水净化剂，由复合微生物菌株与活性炭载体组成，所述活性炭载体为煤质柱状活性炭，是以2-10目的煤质活性炭经过定型制成的实心圆柱状活性炭。所用的煤质活性炭以及市售的碳材料（活性炭ac、碳纳米管cnt、石墨gc等）均有着诸多优点，如孔隙度高、比表面大、稳定性好、无毒无污染-环境友好等；但其表面官能团较少，不含亲水性基团（-cooh、-oh），故净化剂在水中分散性较差，阻碍了与污水中污染物的充分接触，而且与含氢键及孤电子对的氨氮物质很难发生静电相互作用，不能完全发挥碳基载体对污染物的吸附作用，因此对碳材料的表面亲/疏水性的调控是显得非常必要。目前常用的方法是使用浓酸（浓hno3、浓h2so4）使惰性的炭表面活化并使表面炭氧化形成含氧官能团（-cooh、-oh、-c=o），同时产生有污染的氮氧化物及硫氧化物，造成二次污染；以及利用600-900℃左右高温状态下的碱在惰性气体环境中与碳发生反应，刻蚀出二次孔隙结构及表面活性位点，这些方法反应条件苛刻且要求反应容器耐酸碱及高温，在实际操作及应用过程中都存在许多不足。
技术实现要素：
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种富缺陷碳载体固定微生物的净水剂及其制备方法。所用的碳载体富含亲水性基团，使净化剂与水有了更好的相溶性，克服了一般炭载体的疏水性问题，并且更有利于微生物菌株的吸附固定，与污染物之间的接触性更好，提高了污染物的吸附效率，且因富含二次孔隙结构及表面活性位点，增加了对污染物的吸附。该富缺陷碳载体固定微生物的净水剂具有碳吸附与生物降解的双重净化作用，同时实现了微生物对有机质的循环利用和对污染物的协同高效降解。
为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
一种富缺陷碳载体固定微生物的净水剂：将富缺陷碳载体置于luria-bertani培养基中，同时将复合菌株接种至luria-bertani培养基，经振荡共培养、烘干后，制得净水剂；所述的富缺陷碳载体的制备方法包括以下步骤：
（1）将90gnaoh和koh的混合碱置于200ml反应釜内胆中，置于165℃下熔融2h，得澄清熔融碱液；
（2）以葡萄糖和尿素为原料，加入澄清熔融碱液中反应12小时，生成富缺陷粉末碳前驱体材料；
（3）碳前驱体材料依次经水、无水乙醇洗涤后，于80℃干燥12h得粉末碳前驱体；
（4）将粉末碳前驱体置于300℃马弗炉中煅烧2h，得多孔富缺陷碳粉末材料（总孔容积约0.05~0.06cm3/g）；
（5）将多孔富缺陷碳粉末材料分散于乙醇中，然后在分散液中滴入聚乙二醇，充分搅拌形成胶状物后，压制成型，制成微生物净水剂的碳载体。
所述的luria-bertani培养基的配方为：胰蛋白胨10g，酵母提取物5g，nacl10g，蒸馏水1000ml，ph7.0。
步骤（1）中所述的混合碱中naoh和koh的质量比为46.5:43.5。
一种制备如上所述的富缺陷碳载体固定微生物的净水剂的方法：将10g富缺陷碳载体加入到50-150mlluria-bertani培养基中，并将地衣芽孢杆菌bacilluslicheniformis、沼泽红假单胞菌rhodopseudanonaspalustris、小球藻chlorellavulgaris、链球菌streptococcus、氧化硫杆菌thiobacillusthiooxidant按质量比为4:5:1:4:1接种至luria-bertani培养基中，复合菌株接种量为1-2%，在4℃、150rpm条件下振荡共培养48～72h，最后捞出碳载体置于4℃的恒温箱里烘干，即制得净水剂；碳载体上有效活菌数为7×108～6×109cfu/g，菌碳结合率达到97.8%。
在富缺陷碳载体与微生物共培养过程中，亲水性的革兰氏阴性菌（氧化硫杆菌/沼泽红假单胞菌）因细胞表面成份主要为脂多糖类而显电正性，可通过静电相互作用吸附固定于带负电基团的碳载体上；而革兰氏阳性菌（小球藻/芽孢杆菌/链球菌）的细胞壁由一层厚而致密的5个甘氨酸交联的肽聚糖和磷壁酸组成，表面的负电性使其呈现疏水性，在培养生长早期可利用其疏水性在营养液中扩散，获得多种资源以满足增殖需求，在生长进程中微生物疏水性下降使其可在水体自由浮游而免受环境胁迫，提高存活能力，进入生长后期微生物亲水性进一步增加，便于吸附固定于带负电基团的亲水性碳载体上，由此可见，含亲水性官能团的碳载体有利于微生物菌株的吸附固定。
一种如上所述的富缺陷碳载体固定微生物的净水剂保存于4℃条件下，使用前在常温下放置8-12小时恢复生物活性后在处理养殖厌氧污水方面的应用。
上述原料中采用的菌种可以由本领域技术人员通过常规菌种鉴定分离方法方便地从自然界分离得到的，或通过商业渠道公开购买的菌种。本发明采用的菌种可从中国微生物菌种网-北京北纳创联生物技术研究院等供应商处购买获得。
上述菌种根据现有常规方法培养：
ⅰ地衣芽孢杆菌的培养基：胰蛋白胨5g，酵母膏15g，k2hpo43g，葡萄糖2g，蒸馏水1000ml，ph7.5；
ⅱ沼泽红假单胞菌的培养基：nh4cl1.0g，k2hpo40.5g，nahco33.0g，酵母膏2.0g，蒸馏水1000ml，ph7.2；
ⅲ小球藻常用培养液配方：nh4no350-100mg，k2hpo45mg，fec6h5o70.1-0.5mg，海水1000ml；
ⅳ链球菌的培养基：牛肉粉10.0g，胰蛋白胨20.g，葡萄糖2.0g，nahco32.0g，nacl2.0g，na2hpo40.4g，蒸馏水1000ml，ph值7.8；
ⅴ氧化硫杆菌的培养基：胰蛋白胨5.0g，kh2po41.0g，mgso4·7h2o0.5g，葡萄糖10g，蒸馏水1000ml。
本发明的有益效果在于：
1）将本发明微生物净水剂投放至养殖厌氧污水中，净水剂可利用微生物降解污水中大分子有机物，能去除污水中大部分的污染物，达到净化污水的目的；
2）由于微生物净水剂的碳载体采用了有机化合物为原料，制备的碳载体表面含氧官能团（-oh、-cooh等）丰富，这些带电性基团与水中的氢质子/氢氧根离子发生静电相互作用，使碳载体与水有了更好的相溶性，克服了一般炭载体的疏水性问题，与污染物接触性更好；同时碳载体表面上的带电性基团会与氮、磷、硫的孤对电子发生静电作用，提高了对污染物的吸附效率；其次，300℃煅烧过程也提高了碳粉末的纯度和孔隙度，熔融的固体碱环境使碳材料获得表面缺陷和二次孔隙结构，为吸附反应提供了更多的活性位点，增加了对污染物的吸附；
3）通过将亲水性碳载体与微生物共培养，所制得的净水剂碳载体上有效活菌数为7×108～6×109cfu/gcfu/g，菌碳结合率达到97.8%，提高了碳载体对微生物的吸附固定效率；
4）该富缺陷碳载体固定微生物的净水剂由于定植于活性碳上的微生物将碳上吸附的有机质等作为营养物质高效降解，既净化了水质，又可将自身代谢的产物作为彼此利用的营养底物，提高微生物活性，促进微生物菌群对污染物协同降解，故具有碳吸附与生物降解的双重净化作用、亲水但易于沉淀的特点、净化效果稳定且易于处理等优点，非常适用于养殖厌氧污水的规模化处理。
具体实施方式
为进一步公开而不是限制本发明，以下结合实例对本发明作进一步的详细说明。
一种富缺陷碳载体固定微生物的净水剂的制备方法，具体步骤为：
1、表面含亲水性官能团及缺陷的碳载体的制备
1）将naoh+koh=90g（naoh:koh=46.5:43.5，质量比）置于200ml反应釜内胆中，置于165℃下熔融2h，得澄清熔融碱液；
2）以葡萄糖和尿素为原料，加入澄清熔融碱液中反应12小时，生成富缺陷粉末碳前驱体材料a；
3）将上述碳前驱体a用水洗涤至洗液ph值约为7，除去水溶性杂质，然后离心分离得下层沉淀；下层沉淀再用无水乙醇洗涤，除去不溶于水的有机杂质，最后离心的沉淀物于80℃干燥过夜，得富缺陷粉末碳前驱体样品a；
4）将碳前驱体样品a置于300℃马弗炉中煅烧2h，得多孔富缺陷碳粉末b（总孔容积约0.05~0.06cm3/g）；
5）将0.5-1.0克的多孔富缺陷碳粉末b置于玛瑙研钵内，加入2-4ml乙醇，搅拌30分钟使碳粉末均匀分散于乙醇中，再加入1-2ml聚乙二醇（peg400），充分搅拌使粉末碳形成胶状物后放入到压片机的压片槽内（圆柱型、药片型）或耐压力的模具内，置于80℃的环境中干燥24小时，最后在10-15mpa压力下压制成型，制成微生物净水剂的碳载体。
2、将10g富缺陷碳载体加入到50-150mlluria-bertani培养基中，并将地衣芽孢杆菌bacilluslicheniformis、沼泽红假单胞菌rhodopseudanonaspalustris、小球藻chlorellavulgaris、链球菌streptococcus、氧化硫杆菌thiobacillusthiooxidant按质量比为4:5:1:4:1接种至luria-bertani培养基中，复合菌株接种量为1-2%，在4℃、150rpm条件下振荡共培养48～72h，最后捞出碳载体置于4℃的恒温箱里烘干，即制得净水剂；碳载体上有效活菌数为7×108～6×109cfu/g，菌碳结合率达到97.8%；4℃条件下保存的净水剂在使用前于常温下放置8-12小时恢复生物活性即可直接投放于污水。
实施例1
一种富缺陷碳载体固定微生物的净水剂的制备方法，具体步骤为：
（1）表面含亲水性官能团及缺陷的碳载体的制备
1）将naoh+koh=90g（naoh:koh=46.5:43.5，质量比）置于200ml反应釜内胆中，置于165℃下熔融2h，得澄清熔融碱液；
2）以葡萄糖和尿素为原料，加入澄清熔融碱液中反应12小时，生成富缺陷粉末碳前驱体材料a；
3）将上述碳前驱体a用水洗涤至洗液ph值约为7，除去水溶性杂质，然后离心分离得下层沉淀；下层沉淀再用无水乙醇洗涤，除去不溶于水的有机杂质，最后离心的沉淀物于80℃干燥过夜，得富缺陷粉末碳前驱体样品a；
4）将碳前驱体a置于300℃马弗炉中煅烧2h，得多孔富缺陷碳粉末材料b；
5）将0.8克的多孔缺陷碳粉末b置于玛瑙研钵内，加入3ml乙醇，搅拌30分钟使碳粉末均匀分散于乙醇中，再加入1.6ml聚乙二醇（peg400），充分搅拌使粉末碳形成胶状物后放入到压片机的压片槽内（圆柱型、药片型）或耐压力的模具内，置于80℃的环境中干燥24小时，最后在15mpa压力下压制成型，制成微生物净水剂的碳载体。
（2）将10g富缺陷碳载体加入到150mlluria-bertani培养基中，并将地衣芽孢杆菌bacilluslicheniformis、沼泽红假单胞菌rhodopseudanonaspalustris、小球藻chlorellavulgaris、链球菌streptococcus、氧化硫杆菌thiobacillusthiooxidant按质量比为4:5:1:4:1接种至luria-bertani培养基中，复合菌株接种量为1%，在4℃、150rpm条件下振荡共培养72h，最后捞出碳载体置于4℃的恒温箱里烘干，即制得净水剂；碳载体上有效活菌数为6×109cfu/g，菌碳结合率达到97.8%；4℃条件下保存的净水剂在使用前于常温下放置10小时恢复生物活性即可直接投放于污水。
实施例2
一种富缺陷碳载体固定微生物的净水剂的制备方法，具体步骤为：
（1）表面含亲水性官能团及缺陷的碳载体的制备
1）将naoh+koh=90g（naoh:koh=46.5:43.5，质量比）置于200ml反应釜内胆中，置于180℃下熔融2h，得澄清熔融碱液；
2）以葡萄糖和尿素为原料，加入澄清熔融碱液中反应10小时，生成富缺陷粉末碳前驱体材料a；
3）将上述碳前驱体a用水洗涤至洗液ph值约为7，除去水溶性杂质，然后离心分离得下层沉淀；下层沉淀再用无水乙醇洗涤，除去不溶于水的有机杂质，最后离心的沉淀物于80℃干燥过夜，得富缺陷粉末碳前驱体样品a；
4）将碳前驱体a置于300℃马弗炉中煅烧2h，得多孔富缺陷碳粉末材料b；
5）将0.5克的多孔缺陷碳粉末b置于玛瑙研钵内，加入2ml乙醇，搅拌30分钟使碳粉末均匀分散于乙醇中，再加入1.0ml滴聚乙二醇（peg400），充分搅拌使粉末碳形成胶状物后放入到压片机的压片槽内（圆柱型、药片型）或耐压力的模具内，置于80℃的环境中干燥24小时，最后在10mpa压力下压制成型，制成微生物净水剂的碳载体。
（2）将10g富缺陷碳载体加入到100mlluria-bertani培养基中，并将地衣芽孢杆菌bacilluslicheniformis、沼泽红假单胞菌rhodopseudanonaspalustris、小球藻chlorellavulgaris、链球菌streptococcus、氧化硫杆菌thiobacillusthiooxidant按质量比为4:5:1:4:1接种至luria-bertani培养基中，复合菌株接种量为2%，在4℃、150rpm条件下振荡共培养60h，最后捞出碳载体置于4℃的恒温箱里烘干，即制得净水剂；碳载体上有效活菌数为1×109cfu/g，菌碳结合率达到97.4%；4℃条件下保存的净水剂在使用前于常温下放置10小时恢复生物活性即可直接投放于污水。
实施例3
一种富缺陷碳载体固定微生物的净水剂的制备方法，具体步骤为：
（1）表面含亲水性官能团及缺陷的碳载体的制备
1）将naoh+koh=90g（naoh:koh=46.5:43.5，质量比）置于200ml反应釜内胆中，置于200℃下熔融2h，得澄清熔融碱液；
2）以葡萄糖和尿素为原料，加入澄清熔融碱液中反应8小时，生成富缺陷粉末碳前驱体材料a；
3）将上述碳前驱体a用水洗涤至洗液ph值约为7，除去水溶性杂质，然后离心分离得下层沉淀；下层沉淀再用无水乙醇洗涤，除去不溶于水的有机杂质，最后离心的沉淀物于80℃干燥过夜，得富缺陷粉末碳前驱体样品a；
4）将碳前驱体a置于300℃马弗炉中煅烧2h，得多孔富缺陷碳材料b；
5）将1.0克的多孔缺陷碳粉末b置于玛瑙研钵内，加入4ml乙醇，搅拌30分钟使碳粉末均匀分散于乙醇中，再加入2ml聚乙二醇（peg400），充分搅拌使粉末碳形成胶状物后放入到压片机的压片槽内（圆柱型、药片型）或耐压力的模具内，置于80℃的环境中干燥24小时，最后在15mpa压力下压制成型，制成微生物净水剂的碳载体。
（2）将10g富缺陷碳载体加入到50mlluria-bertani培养基中，并将地衣芽孢杆菌bacilluslicheniformis、沼泽红假单胞菌rhodopseudanonaspalustris、小球藻chlorellavulgaris、链球菌streptococcus、氧化硫杆菌thiobacillusthiooxidant按质量比为4:5:1:4:1接种至luria-bertani培养基中，复合菌株接种量为1%，在4℃、150rpm条件下振荡共培养48h，最后捞出碳载体置于4℃的恒温箱里烘干，即制得净水剂；碳载体上有效活菌数为7×108cfu/g，菌碳结合率达到97.1%；4℃条件下保存的净水剂在使用前于常温下放置10小时恢复生物活性即可直接投放于污水。
对比例1
与实施例1-3基本相同，制得富缺陷碳载体固定微生物的净水剂，区别仅在于前三个步骤（1）中制备的碳载体不同，对比例1中为市面上出售的柱型活性炭载体（比表面约1100m2/g，孔容积为0.75cm3/g）。
性能测试：
一、将不同形状的活性炭载体投入到养殖厌氧污水，对其吸附效果进行比较。分别称取100g各种形状的活性炭载体（即颗粒状煤质活性炭a、球状煤质活性炭b、圆柱状煤质活性炭c、富缺陷柱状碳d），投入到10l的养殖厌氧污水中，以未处理的养殖厌氧污水为对照，3.5d后分别测定其codcr、bod5、氨氮、总磷等技术指标，计算活性炭对养殖厌氧污水中各指标的吸附率。
实验结果见表1-1。从实验结果可以看出，前三者中圆柱状煤质活性炭对养殖厌氧污水的吸附能力较佳，其cod、bod5、氨氮、总磷等吸附率都高于前两者；本专利中富缺陷柱状碳吸附效果则优于a、b、c三者，且cod、bod5、氨氮、总磷吸附率都有较明显提高，可见表面含氧官能团及表面缺陷协同促进了污染物的吸附，去污效果优于市售的不同形状活性炭。
表1-1不同形状的炭载体对养殖厌氧污水处理效果
二、取五个大小及水质完全相同的养殖厌氧污水水槽（10l）进行测试，第一个投放实施例1的微生物净水剂；第二个投放实施例2的微生物净水剂；第三个投放实施例3的微生物净水剂；第四个投放对比例1的菌碳净水剂；第五个不投放任何净水剂，作为空白对照组。
将100g净水剂分别投放至养殖厌氧污水水槽，3.5天后，对所有的养殖厌氧污水水槽进行水质测定。水质测量的依据为gb11607-89中华人民共和国国家标准渔业水质标准和ny5051-2001无公害食品淡水养殖用水水质，测定指标及数据如下表1-2、表1-3所示。
表1-23.5天后不同菌碳净化剂对污水指标浓度的作用效果
表1-33.5天后不同菌碳净化剂对污染物的去除效果
由表中数据可以看出，实施例1-3的各项水质指标均优于对比例1，更明显优于对照组。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭露的技术范围内，可不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。