CN103951042B

CN103951042B - 一种基于网状载体的氨氧化细菌固定化直筒状生物活性填料制备及应用

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Publication number: CN103951042B
Application number: CN201410137401.1A
Authority: CN
Inventors: 杨宏; 尚海源; 吴城锋; 管清坤; 陈伟; 鄢琳; 王小乐; 王猛; 孟婷; 陶慕翔; 胡希佳; 赵月兰; 王玉洁; 姚仁达
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2014-04-04
Filing date: 2014-04-04
Publication date: 2016-06-01
Anticipated expiration: 2034-04-04
Also published as: CN103951042A

Abstract

一种基于网状载体的氨氧化细菌固定化直筒状生物活性填料制备及应用，属于水处理技术领域。直筒状生物活性填料由包埋体和载体两部分组成；载体是以聚乙烯、聚丙烯为主要材料，并添加聚乙烯醇亲水材料经热熔或板材热压而成的直筒状载体；载体的网状结构，可使包埋体贯穿网孔和载体形成铆固结构而增加填料整体稳定性；包埋液由氨氧化细菌浓缩液和聚乙烯醇溶液混合组成；包埋液均匀涂布于网状载体上，经硼酸二次交联后形成包埋体，并结合直筒状网状载体得到氨氧化细菌直筒状生物活性填料。本发明所制备的氨氧化细菌生物活性填料，不仅解决了硝化细菌优势建立困难、易流失等问题，而且提高了反应器处理能力，缩短了启动时间，具有广阔的应用前景。

Description

一种基于网状载体的氨氧化细菌固定化直筒状生物活性填料制备及应用

技术领域

本发明涉及水处理领域，特别涉及一种基于网状载体的氨氧化细菌固定化直筒状生物活性填料制备及应用。

背景技术：

当今，氨氮污染问题越来越严重，氨氮成为十二五减排新的约束指标，提升氨氮污染防治水平成为改善水环境质量的必要举措。目前，氨氮废水处理方法分为三大类，物化法、生化法和高级氧化法。生化法由于工艺成熟，性能稳定，被公认为是一种经济、有效和最有发展前途的方法。生化法包括活性污泥法和生物膜法。传统活性污泥法中通过污泥回流来保持细菌量，要想获得高效率就必须增大回流量来保持高的细菌浓度，这样就会造成运行成本上升，显然不实际。另外，硝化细菌的世代周期长，增值速率慢，致使反应器中硝化细菌浓度低，处理效率难以提高。受季节影响大。夏季温度升高，生化速率快，而到了冬季，北方大部分污水厂都会面临丝状菌引起的污泥膨胀问题，导致硝化菌流失，进而导致出水氨氮超标。因此，可考虑应用生物膜法来弥补活性污泥法中的缺点，但是生物膜法同样存在问题，对于硝化细菌来说，由于自身成膜能力较差，自然挂膜时间很长，而且，自然挂膜无选择性，难以形成高密度的菌群优势。种种原因表明，传统生化法无法达到高效的硝化效率。

硝化反应是氨氧化细菌（AOB）和亚硝酸盐氧化细菌（NOB）共同作用完成的，AOB将氨氮氧化成亚氮，NOB将亚氮进一步转化成硝氮。短程硝化又称亚硝化，此工艺可减少25%的硝化需氧量、40%的反硝化碳源、50%的污泥产量及反硝化池容积。

微生物细胞固定化技术可以大幅度提高微生物浓度，使微生物不易流失、缩短反应器启动时间、抗毒性和耐酸碱、耐盐能力明显增强，能纯化和创造特性细菌的生态优势，产生特性高效反应，显示出良好的应用前景。微生物细胞常用的固定化方法有吸附法、交联法和包埋法。其中,以包埋法最为常用，已成功地用于微生物细胞包埋的材料有:聚乙烯醇、琼脂、K‐卡拉胶、明胶、海藻酸钠、聚丙烯酰胺、聚氨酯等。上述包埋材料具有对微生物无毒性、传质性能好、不易被生物分解、性质稳定、机械强度高、寿命长、价格低等特点。

目前，传统的细菌包埋方法是将细菌与包埋材料结合在一起，形成包埋体，例如微球、包埋块等。此方法操作简单，但局限性大，无法理想应用到工程实际当中。我们经过多年研究，在传统的包埋方法上做了改进，将包埋体与载体结合在一起，形成整体的生物活性填料。由于包埋体和载体的有机结合，使生物活性填料具有更多的性能，其继承了原有单纯细菌与包埋材料的所有优点；由于载体材料的应用使生物活性填料具有各种载体所具有的特性，例如易流动性、比表面积大、不易堵塞等优点；还可根据需要做成可悬浮式、可沉淀式、可漂浮式或者区域“固定式”等具有其它功能的各种形式的生物活性填料。实验研究表明，利用现有的拉西环、鲍尔环、阶梯环、悬浮改性填料等传统载体与包埋体通过粘附方式结合起来制得的生物活性填料均存在整体稳定性差，包埋体容易脱落，造成细菌流失等问题。

针对上述问题，我们开发出一种整体稳定性好的固定化生物活性填料具有广泛的应用前景。

发明内容

本发明的目的在于开发出一种基于网状载体的氨氧化细菌固定化直筒状生物活性填料，该生物活性填料载体的网状结构设计，使氨氧化细菌包埋体通过网孔和载体形成整体的铆固结构，包埋体不易脱落，并且包埋体能在网状结构上形成毫米级的薄膜结构，使制得的氨氧化细菌生物活性填料整体稳定性好，整体通透性好，传质效果较高。网状载体设计为直筒状，水流对氨氧化细菌生物活性填料的切向摩擦可以避免生物活性填料表面其他杂菌生长，中空结构可使流体穿过，不会造成筒状内腔生物膜堵塞。短程硝化工艺不仅节约了能源也降低了费用。

为了实现上述状态，本发明采用了以下技术方案：

一种基于网状载体的氨氧化细菌固定化直筒状生物活性填料的制备方法，其特征在于：以聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、ABS树脂高分子材料为主，添加6wt%‐9wt%聚乙烯醇（PVA）亲水材料，通过丝条热熔成型或板材热压成孔方式，制成直筒状的立体网状结构载体，其直径为0.5‐3cm，高为0.5‐3cm；其网孔形状可为圆形、菱形、正方形、矩形；丝径为0.5‐1.5mm；以城市污水厂二沉池剩余污泥为菌源，将筛选富集培养后的氨氧化细菌菌悬液离心浓缩，得到10⁸‐10¹⁰个/mL的氨氧化细菌浓缩液，根据聚乙烯醇‐硼酸二次交联方法，将氨氧化细菌浓缩液和聚乙烯醇溶液混合，并添加碳酸钙制备成包埋液，聚乙烯醇质量浓度为80‐100g/L，碳酸钙质量浓度为10‐40g/L；将上述包埋液均匀涂布在筒状网状载体上，放入饱和硼酸溶液中1‐3h后，调节硼酸溶液pH到8‐10，交联3‐24h；将其取出，洗净表面残留物质，得到氨氧化细菌生物活性填料。

上述直筒状生物活性填料用于水处理。

本发明所述的基于网状载体的氨氧化细菌固定化直筒状生物活性填料的有益效果主要体现在：

1.网状结构的设计，使氨氧化细菌包埋体通过网孔和载体形成整体的铆固结构，包埋体不易脱落，使制得的氨氧化细菌生物活性填料整体稳定性好，有利于保持较高的氨氧化细菌浓度，亚硝化效率高；

2.网状载体设计为直筒状，水流对氨氧化细菌生物活性填料的切向摩擦可以避免生物活性填料表面其他杂菌的生长，中空结构可使流体穿过，不会造成筒状内腔生物膜堵塞；

3.实验研究表明，以传统填料为载体固定化得到的氨氧化细菌生物活性填料，稳定性差，2天内包埋材料几乎全部脱落，而以网状载体固定化得到的氨氧化细菌生物活性填料整体稳定性好，填料寿命在3年以上；

4.固定化制得的氨氧化细菌生物活性填料，整体比重在0.95‐1.05之间，在气提作用下流化状态好，不存在边角堆积，水流短路等问题；

5.网状载体由聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、ABS树脂为主要材料，添加了5wt%‐10wt%的聚乙烯醇（PVA）亲水材料，改善了载体的亲水性，增加了载体与氨氧化细菌包埋体粘结的强度，提高了整体的稳定性；

6.氨氧化细菌生物活性填料由于网状骨架结构的存在使氨氧化细菌包埋体可以实现结构厚度较小的同时又不失整体结构对水处理运行环境的变化性，较小的厚度能实现较高的传质效率和包埋体较高的利用率，如果用氨氧化细菌包埋体自身材料做成如此厚度在水处理工艺处理单元里无法实现良好的填料性能；

7.氨氧化细菌固定化生物活性填料包菌量大，可建立氨氧化细菌菌群优势，可实现短程硝化，亚硝化效率高；

8.生物活性填料的表面积全部为有效面积，避免了材料的浪费；

9.氨氧化细菌种群优势可将氨氮控制氧化成亚氮，实现短程硝化不仅节约了能源也降低了处理费用。

附图说明

图1为直筒状氨氧化细菌生物活性填料示意图；

图2为Ⅰ‐Ⅰ剖面示意图；

图3为Ⅱ‐Ⅱ剖面示意图。

图中1.网丝，2.包埋体

具体实施方式

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.网状载体的制备

以聚丙烯等高分子聚合物为主要材料，添加6%wt的聚乙烯醇（PVA）亲水材料，制成直径为0.5‐1.5cm，高为0.5‐1.5cm的直筒状网状载体，丝径为1.2mm，其网孔形状为边长2.5mm的正方形。

2.氨氧化细菌的处理

以城市污水厂二沉池剩余污泥为菌源，将筛选富集培养后的氨氧化细菌菌悬液离心浓缩，得到3.5×10⁹个/mL的氨氧化细菌浓缩液。

3.氨氧化细菌包埋液的获取

称取聚乙烯醇500g，加入2500ml超纯水后加热至90℃溶解15min，取出搅拌均匀后再加热至90℃溶解5min，取出后搅拌均匀并冷却至30℃，将2500mL聚乙烯醇溶液和制备好的2500mL氨氧化细菌菌悬液混合，并加入100g碳酸钙，搅拌均匀后制成5000mL氨氧化细菌包埋液。

4.包埋液和网状载体的结合

将氨氧化细菌包埋液均匀涂布在网状载体表面，确保网状载体表面全部被包埋液覆盖均匀。

5.氨氧化细菌生物活性填料的制备

将步骤（4）中涂抹氨氧化细菌包埋液的网状载体放入饱和硼酸溶液中，使其处于淹没状态，静置3h，调节溶液pH至9.0，静置4h完成固定化，清洗，得到氨氧化细菌生物活性填料，此氨氧化细菌生物活性填料比重在0.95‐1.05之间。

6.氨氧化细菌生物活性填料的应用

向100L的反应器中投加包埋好的直筒状生物活性填料，填充率为30%，水温25±2℃，HRT=5h，pH为7.5‐8.5，溶解氧控制在1.5‐2.0mg/L，NH₄ ⁺‐N浓度为200mg/L，氨氧化细菌生物活性填料在气提的作用下成悬浮流化状态，按时测定反应器的硝化效果。出水检测结果表明，反应器在培养10天后恢复到包埋前的亚硝化活性的97.0%，NH₄ ⁺‐N浓度为5mg/L以下，去除率在97.2%以上，亚氮积累率均在90%以上，生物活性填料连续运行3年，短程硝化效果稳定。

实施例2

1.网状载体的制备

以聚乙烯等高分子聚合物为主要材料，添加7%wt的聚乙烯醇（PVA），制成直径为1.0‐2.0cm，高为1.0‐2.0cm的直筒状网状载体，丝径为1.5mm，其网孔形状为菱形。

2.氨氧化细菌的处理

3.氨氧化细菌包埋液的获取

称取聚乙烯醇5kg，加入25L超纯水后加热至90℃溶解15min，取出搅拌均匀后再加热至90℃溶解5min，取出后搅拌均匀并冷却至30℃，将25L聚乙烯醇溶液和制备好的25L浓缩液混合，并加入1kg碳酸钙，搅拌均匀后制成50L氨氧化细菌包埋液。

4.包埋液和网状载体的结合

5.氨氧化细菌生物活性填料的制备

将步骤（4）中涂抹氨氧化细菌包埋液的网状载体放入饱和硼酸溶液中，使其处于淹没状态，静置3h，调节溶液pH至9.0，静置4h完成固定化，清洗，得到氨氧化细菌生物活性填料，此生物活性填料比重在0.98‐1.04之间。

6.氨氧化细菌生物活性填料活性的应用

向实验室中成熟A²O反应器好氧池中投加包埋好的直筒状生物活性填料，好氧池容积为1m³，填充率为30%，水温20±2℃，HRT=2h，溶解氧浓度为1.5‐2.0mg/L，进水水质为城市生活污水（NH₄ ⁺‐N浓度为40‐70mg/L），按时测定好氧池的硝化能力，检测结果表明，反应器在培养10天后达到稳定状态，出水NH₄ ⁺‐N浓度为5mg/L以下，去除率在90%以上，亚氮积累均在92%以上。运行1年后仍无包埋体脱落现象，亚硝化效果稳定。

上述实例表明，利用网状载体进行氨氧化细菌固定化制备生物活性填料操作过程简单，包埋体与载体通过网孔形成的整体铆固结构，使制得的氨氧化细菌生物活性填料整体稳定性好、包埋体不易脱落，氨氧化细菌浓度较高，形成优势种群，可在培养10天后恢复到包埋前硝化活性的97.0%，短程硝化效果稳定，且此生物活性填料稳定性好，使用寿命长，具有较好的应用前景。

Claims

1.一种基于网状载体的氨氧化细菌固定化直筒状生物活性填料的制备方法，其特征在于，以聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯或ABS树脂高分子材料为主，添加6wt％-9wt％聚乙烯醇(PVA)亲水材料，通过丝条热熔成型或板材热压成孔方式，制成直筒状的立体网状结构载体，以城市污水厂二沉池剩余污泥为菌源，将筛选富集培养后的氨氧化细菌菌悬液离心浓缩，得到10⁸-10¹⁰个/mL的氨氧化细菌浓缩液，根据聚乙烯醇-硼酸二次交联方法，将氨氧化细菌浓缩液和聚乙烯醇溶液混合，并添加碳酸钙制备成包埋液，聚乙烯醇质量浓度为80-100g/L，碳酸钙质量浓度为10-40g/L，将上述包埋液均匀涂布在筒状网状载体上，放入饱和硼酸溶液中1-3h后，调节硼酸溶液pH到8-10，交联3-24h，将其取出，洗净表面残留物质，得到基于网状载体的氨氧化细菌固定化直筒状生物活性填料。

2.按照权利要求1的方法，其特征在于：筒直径为0.5-3cm，高为0.5-3cm。

3.按照权利要求1的方法，其特征在于：网孔形状为圆形、菱形或矩形。

4.按照权利要求1的方法，其特征在于：孔的丝径为0.5-1.5mm。

5.按照权利要求1-4的任一方法制备得到的基于网状载体的氨氧化细菌固定化直筒状生物活性填料。

6.按照权利要求1-4的任一方法制备得到的基于网状载体的氨氧化细菌固定化直筒状生物活性填料用于水处理。