CN102730818A - 一种基于脲酶固定化纳米膜修复水体富营养化污染的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于治理富营养化污染水体的脲酶固定化电纺纤维膜及其使用方法。利用静电纺丝技术可以将具有分解酰氮化合物功能的脲酶原位固定于聚乙烯醇电纺纤维膜中，并直接覆盖于受富营养化污染的水体表面。脲酶可催化含氮有机物分解成易挥发的铵盐并在光照下分解，以达到降低水体中总氮浓度的目的。该负载脲酶的电纺纤维膜能够高效、便捷的控制总氮浓度。相比其它的富营养化污染防治技术，脲酶固定化电纺纤维膜效率高、无能耗、环境友好，无二次污染，可方便地实现对常见水体富营养化污染的修复。
Description
技术领域
本发明属于水污染控制技术领域，具体为一种用于处理中度至重度富营养化污染水体的固定化脲酶生物活性膜制备和使用方法。
背景技术
随着我国社会经济的快速发展，工业化和城市化程度的不断提高，我国水资源短缺与水污染问题日益突出，严重影响了人民的生活和身体健康，制约着我国社会、经济和环境的可持续发展。其中，水体富营养化是制约人类生存与发展的世界性环境问题，在城市和近郊水体中表现得尤为严重，并对周围环境产生负面影响。一般地，富营养化被定义为水体营养盐增加引起的一系列征兆变化，其中藻类和大型植物生产力增加、水质恶化和其他征兆变化破坏了水的利用。
在富营养化污染水体中，氮是主要的富营养化污染因子之一。城镇生活污水中的氮主要由厕所冲洗、沐浴、洗衣途径等带入，此外，城市垃圾的渗滤液也含有较高的氨氮，每吨垃圾约可产生等量的垃圾渗漏液；工业废水中合成氨厂、屠宰厂、肉联厂、复合肥厂、炼焦厂、冶金厂、石化厂、炼油厂等都会产生大量的含氮废水；农业污水的氮来源主要是农业面源流失的氮肥和畜禽养殖场的废弃物和排泄物，如牛羊等牲畜尿液中氨氮可高达1220毫克/升，猪场废水中氨氮浓度约达420毫克/升。过多的氮化合物进入天然水体会恶化水质，影响渔业发展和危害人体健康。水体中游离氨的含量很低时即可对鱼类产生影响，阻止溶解氧在鱼鳃内部的传递。更严重的，水体中的溶解性含氮营养盐类会造成水体严重富营养化，导致在温度、光照等适宜的条件下藻类迅速繁殖，大量消耗水中溶解氧，破坏水生态平衡。以京津唐地区为例，随着该地区经济发展进程的加快，库区城市生活污水排放量大大增加，同时由于区域内大量的面源以及污染严重的中小企业的存在，造成该地区的氮、磷等污染负荷快速增加。多年监测结果表明，京津唐地区流域干流水体中的总氮、总磷指标长期偏高。其中，总磷浓度和总氮浓度均已经超过国际上公认的暴发水华的总磷、总氮临界值。
一般来说，对富营养化污染水体的修复技术主要包括：物理法、化学法和植物修复等。物理法具有治理过程不造成水体二次污染的特点，但大多作为一种应急措施，不能从根本上解决富营养化污染问题。此外，物理法操作成本高，工艺繁琐，且去除效果受现场条件影响大，不适合大范围的治理修复；化学法是目前采用较多、发展较快的一类富营养化治理方法，可迅速降低水中氨氮含量，但水的流动可能造成药效下降、二次污染、成本高等问题，故其应用前景受到一定限制；植物修复对去除氮、磷具有明显效果，水中高等植物生长过程中可吸收水体氮、磷等营养物质，从而降低总磷、总氮含量，但植物修复法修复周期较慢，如对生物浮岛的控制不当，可能会导致氮磷再释放；此外，还包括在异位条件下的生物脱氮技术。以好氧脱氮为例，在好氧条件下，由好氧氨氧化菌把氨氮转化为亚硝酸盐，再由亚硝酸盐氧化菌将亚硝酸盐进一步氧化为硝酸盐。但该技术一般需要反应池协助处理，对于大尺度，流动水域的富营养化问题无法充分解决。
脲酶是一种催化氮有机物水解的专一性酶。尿素等含氮化合物水解后，释放出氨和二氧化碳，从而使氮变为植物可利用形态，促进土壤氮素供应，它参与土壤中各种生物化学过程，在营养物质循环和能量转化方面起着重要作用。相关性分析表明土壤中的脲酶活性与总氮去除率之间的相关性较显著。但游离的脲酶可利用效率不高，稳定性差，不利于长期使用，如将其固定于生物相容性好的物质表面，可望提高其催化活性稳定性，延长使用周期，提高使用效果。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于修复富营养化污染水体的脲酶固定化纳米纤维膜及其使用技术，即利用静电纺丝技术将脲酶直接固定于聚乙烯醇纳米纤维中，得到负载脲酶的纳米电纺纤维膜。该纤维膜利用脲酶的高效分解氮酰有机物的功能，迅速降低稳定氨氮化合物的浓度，生成大量不稳定的氨水化合物，该化合物在日光照射下迅速分解，可显著减低水体中氨氮含量，此方法的优点在于安全、稳定、便捷、高效的达到降低导致水体富营养化的氨氮污染物的目的。
本发明提供的纳米纤维膜固定化脲酶是以具有亲水表面的高分子量聚乙烯醇为载体，将脲酶通过吸附和交联固定在该载体上。该固定化脲酶前驱体溶液的合成步骤包括：
1)将一定量聚乙烯醇和嵌段共聚体溶解于温热水中，剧烈搅拌至完全溶解；
2)将一定量的脲酶溶于磷酸盐缓冲溶液中，震荡摇匀至全部溶解，并与少量低浓度戊二醛水溶液充分混合；
3)将1)和2)中得到的溶液混合，在4℃培养箱中充分混匀。
在上述过程中，聚乙烯醇水溶液的质量浓度为12.5％，加入的嵌段共聚物与聚乙烯醇的质量比为0.08；高压静电纺丝设备由高压电源、喷丝头组成，修复水体作为负极，并连接地线；将3)中所得混合凝胶引入到高压静电纺丝装置中；调解电源电压为35千伏，喷丝头与水面间距30厘米，调解喷丝头高度以获得稳定连续的喷射。
本发明中聚乙烯醇的醇解度为99％，平均聚合度为2450；步骤1)中所述的聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯嵌段共聚物F108，其分子式为PEO132-PPO50-PEO132，分子量为15500克/摩尔；本发明的方法中，脲酶由上海楷洋生物技术公司提供，生物技术级，比活性为35U/毫克。
本发明的优点在于：本发明利用静电纺丝技术将脲酶直接共固定于电纺纤维膜中，从而解决了游离脲酶易流失、稳定性差、不能回收利用等问题；而且，将此负载脲酶的电纺纳米纤维膜应用于富营养化污染水体方面具有高效、便捷、稳定、无二次污染的优点。
附图说明
图1为聚乙烯醇电纺纤维固定化脲酶催化剂的扫描电子显微镜图像；
图2为在使用本发明的聚乙烯醇电纺纤维固定化脲酶催化剂降解水中氨氮的过程中，其水溶液的总氮弄浓度随处理时间的变化。
具体实施方法
实施例1
量取200毫升去离子水，以电炉加热至接近沸腾，称取25克聚合度为2450的聚乙烯醇溶解于该热水中，形成质量浓度为12.5％的聚乙烯醇溶液。加入2.0克F108嵌段共聚体表面活性剂，不断搅拌至完全溶解。200毫克比活性为35U/毫克的生物技术级脲酶溶于5毫升pH值为4.01的磷酸盐缓冲溶液中，震荡摇匀至全部溶解，与2.5克浓度为5％的戊二醛水溶液混合，震荡1小时，加入上述聚乙烯醇溶液，在4℃培养箱中持续震荡1小时。引入高压静电纺丝装置待纺。
目标修复水体样品采自北京北三环某公园内人工湖泊，采样点位于湖岸5米，水深1米处，采样体积20升，其水质指标为：总氮3.31毫克/升；总磷0.20毫克/升；COD 42.69毫克/升；叶绿素88.71微克/升；溶解氧6.83毫克/升；透明度31厘米。将上述水样置于模拟湖泊环境的实验室水池(30厘米×30厘米×30厘米)中。
将电纺装置置于水池上方，调解高压电源电压为35千伏，喷丝头和水面间距30厘米，获得稳定连续的喷射流。5分钟后待纤维膜达到一定厚度，停止纺丝。该样品纺丝产品在氮气吸附脱附比表面积孔分布测定仪上(SSA-4000系列全自动孔隙及比表面分析仪，北京彼奥德电子技术有限公司)进行比表面积测定，其比表面积为88平方米/克。在(JSM-6700F冷场发射扫描电子显微镜，日本电子公司)扫描电子显微镜下进行纤维形貌表征，其纤维平均直径100～200纳米，纤维直径分布均匀，表面光滑。
经投加水质修复固定化酶膜后，将模拟水池置于强烈日照下，以实现氨水的光照分解和低沸点有机物的挥发。处理一定时间后，水质逐渐好转。5小时后，总氮降低至2.27毫克/升；10小时后，总氮降低至2.12毫克/升；24小时后，总氮降低至1.87毫克/升，此刻其他水质指标为：总磷0.17毫克/升；COD 16.69毫克/升；叶绿素13.71微克/升；溶解氧8.83毫克/升；透明度50厘米。
Claims (4)
1.一种以脲酶负载电纺丝纳米纤维膜修复富营养化污染水体的方法，其特征在于：负载脲酶的电纺丝纤维膜及其使用过程为：量取200毫升去离子水，以电炉加热至接近沸腾，称取25克聚合度为2450的聚乙烯醇溶解于该热水中，形成质量浓度为12.5％的聚乙烯醇溶液，加入2.0克F108嵌段共聚体表面活性剂，不断搅拌至完全溶解，200毫克比活性为35U/毫克的生物技术级脲酶溶于5毫升pH值为4.01的磷酸盐缓冲溶液中，震荡摇匀至全部溶解，与2.5克戊二醛水溶液混合，震荡1小时，加入上述聚乙烯醇溶液，在4℃培养箱中持续震荡1小时，引入高压静电纺丝装置待纺，目标修复水体样品20升，置于模拟湖泊环境的实验室水池(30厘米×30厘米×30厘米)中，将电纺装置置于水池上方，调解高压电源电压为35千伏，喷丝头和水面间距30厘米，获得稳定连续的喷射流，5分钟后待纤维膜达到一定厚度，停止纺丝，开始在日光照射下进行富营养化污染水体修复工作。
2.如权利要求1中所述方法，其特征在于：其中载体的合成步骤中所述的聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯嵌段共聚物为F108，其分子式为PEO132-PPO50-PEO132，分子量为15500克/摩尔。
3.如权利要求1中所述方法，其特征在于：F108的用量为聚乳酸质量的8％。
4.如权利要求1中所述方法，其特征在于：用于提高脲酶在纤维膜上固定化效率的戊二醛水溶液质量浓度为5％，其水溶液用量为脲酶用量的12.5倍。
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