CN101348781A - 包埋有固定化优势菌的微胶囊及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种包埋有固定化优势菌的微胶囊，该微胶囊是由内核和外覆的膜构成，其内核为海藻酸钙凝胶珠，海藻酸钙凝胶珠中包含有纳米材料固定的优势菌，内核外包覆有壳聚糖膜，壳聚糖膜外包覆有海藻酸钠膜。该微胶囊是通过优势菌的筛选、优势菌的固定等步骤制备得到，能够有效地应用于对木浆造纸废水的处理。本发明微胶囊的制备方法简单，成本低，制得的微胶囊其传质性能和机械强度得到很大提高，对造纸废水的处理效果更好。
Description
技术领域
本发明属于污水的微生物处理技术领域，尤其涉及一种包埋固定化细菌的微胶囊及其制备和在污水处理中的应用。
背景技术
对于高得率木浆造纸厂的污水可用与其他造纸污水相同的方法进行处理，治理技术多样化，但生物处理是其不可缺少的重要组成部分。生物处理作为经济合理、有效的水污染控制手段，目前常用的方法有活性污泥法以及生物膜法，而强化生物技术也逐渐成为研究热点，例如微生物的固定化。目前微生物的固定化主要有吸附法、共价结合法、交联法、包埋法等四大类。吸附法是指微生物吸附在载体表面而固定的方法，生物膜法是其代表性的例子，吸附法由于耐水冲击性不强而受到限制；共价结合法和交联法因化学反应过程复杂激烈，因此污水处理中这两种方法基本不用；现有的包埋法技术因其传质性能差、凝胶机械强度低而影响其应用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种成本低、生物相容性好、传质性能好、机械强度高、并能有效处理造纸废水的包埋有固定化优势菌的微胶囊，还提供一种工艺简单、成本低、环境友好的微胶囊的制备方法及应用。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为一种包埋有固定化优势菌的微胶囊，其特征在于所述微胶囊由内核和外覆的膜构成，其内核为海藻酸钙凝胶珠，所述海藻酸钙凝胶珠中包含有纳米材料固定的优势菌，内核外包覆有壳聚糖膜，壳聚糖膜外包覆有海藻酸钠膜，所述微胶囊的平均粒径一般为1～2mm。
上述微胶囊中包含的优势菌是用同步培养法对活性污泥进行驯化、分离浓缩后，在含造纸废水培养基或含木质素培养基中筛选得到，其可以是假单胞菌属、戈登氏菌属中的任意一种细菌，所述的优势菌能有效降解造纸废水中的木质素、芳香烃类等有毒有机污染物。
上述用于固定优势菌的纳米材料为二氧化硅，二氧化硅的比表面积为1000m2/g～1200m2/g。
本发明还提供一种上述包埋有固定化优势菌的微胶囊的制备方法，包括以下步骤：
(1)优势菌的筛选：采集活性污泥，用同步培养法对活性污泥进行驯化，所述同步培养法是指用生活污水与造纸废水的配比混合液进行驯化，且造纸废水与生活污水的体积比逐日增加，直至造纸废水替代生活污水；将驯化成熟的活性污泥分离浓缩制成不同浓度的菌悬液，在含选择性培养基(含造纸废水培养基或含木质素培养基)对菌悬液进行划线分离后，筛选出高效降解造纸废水的优势菌悬液；
(2)优势菌的固定：首先向海藻酸钠溶液(质量分数为1.5～2.5％)中添加乳化剂吐温80，100体积的海藻酸钠溶液中添加0.5～1体积的吐温80，搅拌均匀后得溶液A；将筛选出的优势菌悬液与纳米二氧化硅混合后添加到溶液A中得到溶液B，所述优势菌悬液在溶液B中的体积分数控制在10～25％，纳米二氧化硅在溶液B中的浓度控制在0.5～1.0g/L；将溶液B以注射方式滴加到氯化钙溶液(质量分数为3～5％)中进行凝胶化反应，得到小球状的海藻酸钙凝胶珠；再将海藻酸钙凝胶珠与壳聚糖溶液(可选用质量分数为1.5～2.0％壳聚糖溶液)进行成膜反应，最后用海藻酸钠溶液(可选用质量分数为0.15～0.2％的海藻酸钠溶液)覆膜，制得包埋有固定化优势菌的微胶囊。
本发明还提供一种上述包埋有固定化优势菌的微胶囊在木浆造纸废水处理上的应用。所述微胶囊一般用于处理pH值为7～9的木浆造纸废水。每升木浆造纸废水中可添加20～50g的微胶囊。将添加有所述微胶囊的木浆造纸废水置于曝气生化处理池中对其进行曝气处理，曝气生化处理池中的水力停留时间为8～30小时，溶解氧浓度控制在2～8mg/L。
与现有技术相比，本发明的优点在于将高效降解造纸废水的优势菌固定在纳米材料上再包埋于微胶囊中，从而有效提高了微生物对造纸废水的处理效果，减少了微生物的流失；其次，本发明中装备微胶囊的物质——海藻酸钠其生物相容性好，且廉价易得，分子链上有大量的梭基，可以通过正、负电荷吸引与许多聚阳离子物质形成聚电解质膜；再次，本发明在成膜壁材中添加了适量的壁材添加物——纳米二氧化硅，其有很大的比表面积和细孔容积，利用二氧化硅的吸附作用，一方面可以使更多的小分子的降解基质和溶解氧被吸附进微胶囊并浓缩在二氧化硅表面和周围，为微生物的代谢活动营造良好的微环境，加快了有机物的降解过程，另一方面还可以延长降解基质与微生物的接触时间，达到更好的降解效果；同时，纳米二氧化硅材料的加入，还有助于本发明微胶囊的传质性能和机械强度性能的提高。
此外，本发明微胶囊的制备工艺简单，成本低；在应用于造纸废水的处理时，其操作也非常方便，可直接利用原有用于造纸废水的沉淀池和生化处理池，不需要重大投资，处理效果好，能够满足环保要求。本发明微胶囊制备用的材料可液化，菌种也可重复利用，工艺运行过程中不会产生不良气体及污泥，有利于生态环境的保护。
具体实施方式
实施例1：
一种包埋有固定化优势菌的微胶囊，该微胶囊是由内核和外覆的膜构成，其内核为海藻酸钙凝胶珠，所述海藻酸钙凝胶珠中包含有纳米二氧化硅材料(比表面积为1000m2/g)固定的优势菌，内核外包覆有壳聚糖膜，壳聚糖膜外包覆有海藻酸钠膜，内核材料中包含的优势菌为产碱假单胞菌(Pseudomonas alcaligenes)。
本实施例的微胶囊是通过以下方法和步骤制备得到：
(1)优势菌的筛选：采集生活污水下的活性污泥，用同步培养法对活性污泥进行驯化；将驯化成熟的活性污泥分离浓缩制成不同浓度的菌悬液，在含造纸废水的平板上对菌悬液进行划线分离后，筛选出一株高效降解造纸废水的优势菌产碱假单胞菌，制备优势菌悬液；
(2)利用包埋法对优势菌进行固定：首先向100ml质量分数为2％的海藻酸钠溶液中添加1ml的乳化剂吐温80，搅拌均匀后得溶液A；将筛选出的优势菌悬液与纳米二氧化硅材料(比表面积为1000m2/g)混合后添加到溶液A中得到溶液B，所述优势菌悬液在溶液B中的体积分数控制在15％，纳米二氧化硅材料在溶液B中的浓度控制在0.75g/L；用注射器将搅拌均匀的溶液B滴加到100ml质量分数为4％的氯化钙溶液中进行凝胶化反应，得到平均粒径为2mm的小球状海藻酸钙凝胶珠；再将海藻酸钙凝胶珠与20ml质量分数为1.8％的壳聚糖溶液进行成膜反应，最后用20ml质量分数为0.18％的海藻酸钠溶液覆膜，制得包埋有固定化优势菌的微胶囊。
将上述制得的包埋有固定化优势菌的微胶囊用于对木浆造纸废水的处理，木浆造纸废水的pH值为8.2，每升木浆造纸废水中添加40g的微胶囊；将添加有微胶囊的木浆造纸废水置于曝气生化处理池中对其进行曝气处理，曝气生化处理池中的水力停留时间为24小时，溶解氧浓度控制在6mg/L。每隔2小时取一次水样，按重铬酸钾法测定造纸废水进出水的CODcr以判断处理效果，检测收集到的数据如下表一所示：
表一：实施例1中检测的造纸废水进出水的CODcr值
实施例2：
一种包埋有固定化优势菌的微胶囊，该微胶囊是由内核和外覆的膜构成，其内核为海藻酸钙凝胶珠，所述海藻酸钙凝胶珠中包含有纳米二氧化硅材料(比表面积为1200m2/g)固定的优势菌，内核外包覆有壳聚糖膜，壳聚糖膜外包覆有海藻酸钠膜，内核材料中包含的优势菌为和善戈登氏菌(Gordonia amicalis)。
(1)优势菌的筛选：采集生活污水下的活性污泥，用同步培养法对活性污泥进行驯化；将驯化成熟的活性污泥分离浓缩制成不同浓度的菌悬液，在含木质素的平板上对菌悬液进行划线分离后，筛选出一株高效降解造纸废水的优势菌和善戈登氏菌，制备优势菌悬液；
(2)利用包埋法对优势菌进行固定：首先向50ml质量分数为2％的海藻酸钠溶液中添加0.5ml的乳化剂吐温80，搅拌均匀后得溶液A；将筛选出的优势菌悬液与纳米二氧化硅材料(比表面积为1200m2/g)混合后添加到溶液A中得到溶液B，所述优势菌悬液在溶液B中的体积分数控制在25％，纳米二氧化硅材料在溶液B中的浓度控制在1.0g/L；用注射器将搅拌均匀的溶液B滴加到100ml质量分数为4％的氯化钙溶液中进行凝胶化反应，得到平均粒径为1mm小球状的海藻酸钙凝胶珠；再将海藻酸钙凝胶珠与20ml质量分数为1.8％的壳聚糖溶液进行成膜反应，最后用20ml质量分数为0.15％的海藻酸钠溶液覆膜，制得包埋有固定化优势菌的微胶囊。
本实施例中污水的水质、处理量都同实施例1。将上述制得的包埋有固定化优势菌的微胶囊用于对木浆造纸废水的处理，木浆造纸废水的pH值为8.2，每升木浆造纸废水中添加50g的微胶囊；将添加有微胶囊的木浆造纸废水置于曝气生化处理池中对其进行曝气处理，曝气生化处理池中的水力停留时间为10小时，溶解氧浓度控制在8mg/L。每隔2小时取一次水样，按重铬酸钾法测定造纸废水进出水的CODcr以判断处理效果，检测收集到的数据如下表二所示：
表二：实施例2中检测的造纸废水进出水的CODcr值
Claims (9)
1、一种包埋有固定化优势菌的微胶囊，其特征在于所述微胶囊由内核和外覆的膜构成，其内核为海藻酸钙凝胶珠，所述海藻酸钙凝胶珠中包含有纳米材料固定的优势菌，内核外包覆有壳聚糖膜，壳聚糖膜外包覆有海藻酸钠膜。
2、根据权利要求1所述的包埋有固定化优势菌的微胶囊，其特征在于所述优势菌是用同步培养法对活性污泥进行驯化、分离浓缩后在选择性培养基中筛选得到，采用的选择性培养基为含造纸废水培养基或含木质素培养基。
3、根据权利要求2所述的包埋有固定化优势菌的微胶囊，其特征在于所述优势菌是假单胞菌属、戈登氏菌属中的任意一种细菌。
4、根据权利要求1～3中任一项所述的包埋有固定化优势菌的微胶囊，其特征在于所述纳米材料为二氧化硅，二氧化硅比表面积为1000～1200m2/g。
5、一种如权利要求1～4中任一项所述的包埋有固定化优势菌的微胶囊的制备方法，包括以下步骤：
(1)优势菌的筛选：采集活性污泥，用同步培养法对活性污泥进行驯化，将驯化成熟的活性污泥分离浓缩制成不同浓度的菌悬液，在含造纸废水培养基或含木质素培养基上对菌悬液进行划线分离后筛选出高效降解造纸废水的优势菌悬液；
(2)优势菌的固定：首先向海藻酸钠溶液中添加乳化剂吐温80，每100体积的海藻酸钠溶液中添加0.5～1体积的吐温80，搅拌均匀后得溶液A；将筛选出的优势菌悬液与纳米二氧化硅混合后添加到溶液A中得到溶液B，所述优势菌悬液在溶液B中的体积分数控制在10～25％，纳米二氧化硅在溶液B中的浓度控制在0.5～1g/L；将溶液B以注射方式滴加到氯化钙溶液中进行凝胶化反应，得到海藻酸钙凝胶珠；再将海藻酸钙凝胶珠与壳聚糖溶液进行成膜反应，最后用海藻酸钠溶液覆膜，制得包埋有固定化优势菌的微胶囊。
6、一种如权利要求1～4中任一项所述的包埋有固定化优势菌的微胶囊在木浆造纸废水处理上的应用。
7、根据权利要求6所述的应用，其特征在于所述木浆造纸废水的pH值为7～9。
8、根据权利要求6或7所述的应用，其特征在于：每升木浆造纸废水中添加20～50g的包埋有固定化优势菌的微胶囊。
9、根据权利要求8所述的应用，其特征在于：对添加有所述微胶囊的木浆造纸废水进行曝气处理，曝气池中的水力停留时间为8～30小时，溶解氧浓度控制在2～8mg/L。
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