CN103193315A - 一种厌氧氨氧化细菌固定化制备生物活性填料的方法 - Google Patents
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Abstract
一种厌氧氨氧化细菌固定化制备生物活性填料的方法，属于水处理领域。将活性炭破碎，在厌氧氨氧化细菌液体培养基中浸泡，将聚乙烯醇、碳酸钙、浓缩后的厌氧氨氧化菌液按照比例制成包埋液；将制成的包埋液按比例与浸泡后的颗粒活性炭混合搅拌均匀，进行硼酸固化完成交联固定，制成活性填料。生物活性填料在培养2周后即可恢复厌氧氨氧化活性。本发明所得的生物活性填料沉降性能好，机械强度高，可在上向流生物滤池中达到微膨胀的状态。
Description
技术领域
本发明涉及水处理领域，特别涉及一种厌氧氨氧化细菌固定化制备生物活性填料的方法。
背景技术：
厌氧氨氧化技术（ANAMMOX）是目前己知的最为经济的生物脱氮途径，荷兰Delft大学Strous等的研究表明，在厌氧氨氧化过程包括细胞合成在内的生物反应过程可表示为式（1）
NH4 ++1.32NO2-+0.066HCO3 -+0.13H+→
1.02N2+0.26NO3-+0.066CH2O0.5N0.5+2.03H2O (1)
由ANAMMOX的生物反应特点可以看出，ANAMMOX与传统的硝化反硝化技术相比，具有需氧量低、运行费用低和不需外加碳源等优点。
由于ANAMMOX菌的倍增时间长，细胞产率较低（公认的倍增时间为11d，而有报道的最快的倍增时间也达到4.8d）因此为了在反应器内保持相对稳定的生物量，厌氧氨氧化反应器要求的固体停留时间相对较长。同时，在厌氧氨氧化细菌的研究中还发现，只有在细胞密度高于1010-1011个/mL时，厌氧氨氧化菌才能显现出ANAMMOX活性。厌氧氨氧化细菌的这种细胞密度特性与细菌中普遍存在的群体感应（Quorum sensing）现象相符。群体感应是一种普遍存在于微生物细胞之间的通讯机制，它具有根据菌群密度和周围环境变化来调节基因表达从而控制细菌群体行为的功能。因此，如何保持其在反应器中较高的细胞密度并防止宝贵的ANAMMOX细菌从反应器中流失已经成为当前研究的重点。
发明内容：
本发明的目的在于利用细菌包埋固定化技术制备生物活性填料，使厌氧氨氧化细菌在固定区域可以保持较高的细胞密度，并减轻或消除厌氧氨氧化菌的流失，从而便于厌氧氨氧化技术的工业化推广。
粉碎后的颗粒活性炭，具有孔隙发达，中小孔充分暴露等优点，将其作为包埋载体利于生物膜再生时细菌的附着，活性炭的优良吸附性能有利于基质的转移和局部浓缩。通过将颗粒活性炭浸泡在厌氧氨氧化细菌液体培养基中，可使活性炭吸附适量营养盐，利于生物活性填料在短时间内恢复活性，由于颗粒活性炭本身沉降性能好，孔隙发达适于细菌附着，因此使用颗粒活性炭作为包埋载体制成的生物活性填料可有效减少微生物的流失，利于反应器的长期稳定运行。
利用硼酸进行交联固定具有稳定性好、强度高、耗时短、对细菌细胞损害作用小等优点，在细菌包埋液中添加碳酸钙可以进一步提高生物活性填料的机械强度。
本发明的技术方案，包括以下步骤：
（1）活性炭的选取和处理
选取粒径大于1.0mm的活性炭颗粒进行机械粉碎，筛选后保留粒径为0.3-0.5mm的颗粒体，用厌氧氨氧化细菌液体培养基浸泡3天后取出，烘干蒸发掉颗粒体表面水分备用；
（2）厌氧氨氧化菌液的处理
将厌氧氨氧化菌悬液浓缩，制成菌悬液；
（3）细菌包埋液的制备
称取一定量的聚乙烯醇，加水加热溶解，自然冷却至室温后将其和制备好的菌悬液混合，最终制成聚乙烯醇质量浓度为8-10%、厌氧氨氧化菌质量浓度为1-4%的混合液，之后加入混合液质量2-4%的碳酸钙，搅拌均匀制成细菌包埋液；
（4）细菌包埋液和颗粒活性炭混合
将上述细菌包埋液倒入已经准备好的颗粒活性炭中，混合均匀，包埋液和活性炭的体积比为（1-1.3）：10；
（5）包埋液的固定化
向步骤（4）中的混合物倒入饱和硼酸水溶液中，进行硼酸固定化过程，取出固化后的填料，用不含氯的清水清洗填料即完成生物活性填料的制备。
活性恢复培养
配置厌氧氨氧化细菌液体培养基，浸泡制备完成的填料2周，用以恢复活性填料的生化活性。
本发明的优点：1、通过将粉碎后的颗粒活性炭浸泡在厌氧氨氧化细菌液体培养基中，可使活性炭吸附适量营养盐，利于生物活性填料在短时间内恢复活性；2、粉碎后的颗粒活性炭选粒径范围在0.3mm-0.5mm之间，具有孔隙发达，中小孔充分暴露等优点，在本发明所选用颗粒活性炭的粒径条件下，可使生物活性填料在水流的作用下保证较为理想的微膨胀状态。将其作为包埋载体利于细菌的附着和基质的转移。随着聚乙烯醇缓慢的被微生物不断降解（按以往的实验经验需要约1年时间），原有包埋体中的细菌可在活性炭表面通过再生形成新的不含聚乙烯醇的生物膜，该更替过程能够使反应器始终保持较好的生物活性；3、制备出的厌氧氨氧化生物活性填料具有沉降性能好，机械强度高，生物活性恢复快等优点，可有效减少细菌的流失，利于反应器的长期稳定运行；4、利用聚乙烯醇和硼酸进行交联固定具有稳定性好、强度高、耗时短、对细菌细胞损害作用小等优点，在细菌包埋液中添加碳酸钙可以进一步提高生物活性填料的机械强度；5、利用该生物活性填料可以灵活的设计厌氧氨氧化反应器，减短厌氧氨氧化工艺的启动时间（传统方法需要1-3年时间），使厌氧氨氧化技术实现大规模工程应用成为可能；6、生物活性填料适于工业化生产，具有较好的社会、经济效益，利于推广。所制备所得的生物活性填料沉降性能好，机械强度高，可在上向流生物滤池中达到微膨胀的状态，与现有的厌氧氨氧化固定化技术相比操作更加方便，工艺更加简单，更加利于解决厌氧氨氧化细菌流失的问题。此外使用生物活性填料利于灵活的设计高效厌氧氨氧化反应器，造价低廉，运行稳定，为厌氧氨氧化技术的工程应用创造良好的技术基础。
具体实施方式
1）活性炭的选取和处理
选取粒径大于1.0mm的颗粒活性炭进行机械粉碎，通过筛分筛选保留粒径为0.3-0.5mm的颗粒体，用厌氧氨氧化细菌液体培养基浸泡3天后取出，放入60℃恒温烘箱中烘干，保证颗粒活性炭表面不潮湿，将烘干的活性炭取出冷却至常温备用。
（2）厌氧氨氧化菌液的处理
将发酵扩增培养后的厌氧氨氧化菌悬液浓缩，制成菌悬液。
（3）细菌包埋液的获取
称取一定量的聚乙烯醇，加入一定量水后加热溶解，然后自然冷却至室温，将其和制备好的菌悬液混合，最终制成聚乙烯醇质量浓度为8-10%、厌氧氨氧化菌质量浓度为1-4%的混合液，之后按混合液的质量2-4%的浓度，参入碳酸钙，搅拌均匀制成细菌包埋液。
（4）细菌包埋液和颗粒活性炭混合
将细菌包埋液分批少量倒入已经准备好的颗粒活性炭中，在倒入每批细菌包埋液的过程中应进行充分的搅拌，混合均匀后再倒入下一批细菌包埋液直至全部包埋液与颗粒活性炭混合均匀，包埋液和活性炭的体积比为10-13%。。
（5）厌氧氨氧化生物活性填料的固定化
向步骤（4）中的混合物内倒入饱和硼酸溶液，至淹没混合固体为止，进行硼酸固定化。取出固化后的填料，用不含氯的清水清洗填料3次后即完成生物活性填料的制备。将生物活性填料用厌氧氨氧化细菌液体培养基进行培养，保证HRT24h，pH7.5-8.5，温度25-35℃，NH4 +-N和NO2 --N浓度在60mg/L左右，培养2周后即可使制备好的生物活性填料恢复厌氧氨氧化活性。
下面结合实施案例对本发明作进一步具体的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
（1）活性炭的选取和处理
选取粒径大于1.0mm的颗粒活性炭进行机械粉碎，通过筛分筛选保留粒径为0.3-0.5mm的颗粒体，用厌氧氨氧化细菌液体培养基浸泡3天，放入60℃恒温烘箱中烘干，保证颗粒活性炭表面不潮湿，将烘干的活性炭取出240ml冷却至常温备用。
（2）厌氧氨氧化菌液的处理
通过离心机（12000r/min，4℃）将现有厌氧氨氧化菌液浓缩并分为两份20ml的菌悬液；
（3）细菌包埋液的获取
称取聚乙烯醇2.7g，加入10ml超纯水后加热溶解15min，取出搅拌均匀后再加热5min，取出后搅拌均匀并冷却至室温，将10ml聚乙烯醇溶液和制备好的20ml菌悬液混合，混合后厌氧氨氧化菌质量浓度为2%，并加入1.2g碳酸钙，搅拌均匀后制成30ml细菌包埋液。
（4）细菌包埋液和颗粒活性炭混合
将细菌包埋液分批少量倒入已经准备好的颗粒活性炭中，在倒入每批细菌包埋液的过程中应进行充分的搅拌，混合均匀后再倒入下一批细菌包埋液直至全部包埋液与颗粒活性炭混合均匀，包埋液和活性炭的体积比为12.5:100
（5）厌氧氨氧化生物活性填料的固定化
向步骤（4）中的混合物内倒入饱和硼酸水溶液，至淹没混合固体为止，静置完成固定化，清洗备用。
（6）生物活性填料的活性恢复
将两个500ml的带塞儿锥形瓶灭菌后冷却至室温，分别将对照组和试验组编号为A和B。向B中投加包埋好的生物活性填料，向A中投加步骤（2）制备好的剩余20ml菌悬液作为对照培养。向两个锥形瓶中投加相同的厌氧氨氧化培养基并放入34℃恒温摇床中培养，保证pH7.5-8.5，HRT24h，NH4 +-N和NO2 --N浓度在60mg/L左右，按时测定两个反应器的脱氮效果。出水监测结果表明，反应器B在培养2周后恢复厌氧氨氧化活性。
上述实例表明，利用包埋技术制备厌氧氨氧化生物活性填料制备过程简单，可在培养2周后表现出厌氧氨氧化活性，生物活性恢复快，具有较好的应用前景。
实施例2
（1）活性炭的选取和处理
活性炭的选取和处理同实施例（1），将烘干的活性炭取出1000ml冷却至常温备用。
（2）厌氧氨氧化菌液的处理
厌氧氨氧化菌液的处理同实施例（1），制成两份100ml的菌悬液。
（3）细菌包埋液的获取
称取聚乙烯醇11.7g，加入25ml超纯水后加热溶解15min，取出搅拌均匀后再加热5min，取出后搅拌均匀并冷却至室温，将25ml聚乙烯醇溶液和制备好的100ml菌悬液混合，混合后厌氧氨氧化菌质量浓度为2%，并加入5.2g碳酸钙，加入适量超纯水，搅拌均匀后制成130ml细菌包埋液。
（4）细菌包埋液和颗粒活性炭混合
细菌包埋液和颗粒活性炭混合方法同实施例（1）
（5）厌氧氨氧化生物活性填料的固定化
厌氧氨氧化生物活性填料的固定化方法同实施例（1）
（6）生物活性填料的活性恢复
将1000ml生物活性填料填装于有效容积为2.5L的上向流生物滤池反应器中，利用蠕动泵将厌氧氨氧化菌培养基自下方打入进水管口，由下而上从顶部出水口流出，保证进水水温（25±1）℃，pH7.5-8.5，NH4 +-N和NO2 --N浓度在60mg/L左右，通过控制进水流量保证生物活性填料处于微膨胀的状态，膨胀率在5%左右。出水监测结果表明：反应器运行至第2-3周恢复厌氧氨氧化活性。活性炭流失量极少，避免了细菌的流失，利于工业化推广。
Claims (2)
1.一种厌氧氨氧化细菌固定化制备生物活性填料的方法，包括以下步骤：
（1）活性炭的选取和处理
选取粒径大于1.0mm的活性炭颗粒进行机械粉碎，筛选后保留粒径为0.3-0.5mm的颗粒体，用厌氧氨氧化细菌液体培养基浸泡3天后取出，烘干蒸发掉颗粒体表面水分备用；
（2）厌氧氨氧化菌液的处理
将厌氧氨氧化菌悬液浓缩，制成菌悬液；
（3）细菌包埋液的制备
称取一定量的聚乙烯醇，加水加热溶解，自然冷却至室温后将其和制备好的菌悬液混合，最终制成聚乙烯醇质量浓度为8-10%、厌氧氨氧化菌质量浓度为1-4%的混合液，之后加入混合液质量2-4%的碳酸钙，搅拌均匀制成细菌包埋液；
（4）细菌包埋液和颗粒活性炭混合
将上述细菌包埋液倒入已经准备好的颗粒活性炭中，混合均匀，包埋液和活性炭的体积比为（1-1.3）：10；
（5）包埋液的固定化
向步骤（4）中的混合物倒入饱和硼酸水溶液中，进行硼酸固定化过程，取出固化后的填料，用不含氯的清水清洗填料即完成生物活性填料的制备。
2.按照权利要求1所述的方法制备的生物活性填料的活性恢复培养方法，其特征在于，配置厌氧氨氧化细菌液体培养基，浸泡制备完成的生物活性填料2周，用以恢复活性填料的生化活性。
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