CN103951047A - 一种基于网状载体的厌氧氨氧化细菌固定化直筒状生物活性填料制备及应用 - Google Patents

Abstract

一种基于网状载体的厌氧氨氧化细菌固定化直筒状生物活性填料制备及应用，属于水处理领域。由包埋体和载体两部分组成，包埋体由包埋液经硼酸交联固定化形成；载体是以聚乙烯、聚丙烯为主要材料，并添加亲水材料（聚乙烯醇）经热熔或板材热压而成的网状直筒状载体；载体的网状结构，可使包埋体贯穿网孔形成铆固结构而增加填料整体稳定性；包埋液由厌氧氨氧化细菌菌悬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，经硼酸二次交联固定后结合于网状载体上得到厌氧氨氧化细菌生物活性填料。本发明所制备的生物活性填料，不仅可以有效解决细菌包埋体容易脱落、易流失等问题，还可以避免产生的氮气对传质的影响，缩短反应器的启动时间。

Description

一种基于网状载体的厌氧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

本发明属于水处理领域，特别涉及一种基于网状载体的厌氧氨氧化菌固定化直筒状生物活性填料制备及应用。

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 ^‐+0.066CH₂O_0.5N_0.5+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厌氧氨氧化细菌量，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珍贵的ANAMMOX细菌从反应器中流失已经成为了当前研究的重点。

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。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、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厌氧氨氧化细菌固定化直筒状生物活性填料及其制备方法。

发明内容：

本发明的目的在于开发一种基于网状载体的厌氧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，使厌氧氨氧化细菌包埋体通过网孔形成整体的铆固结构，细菌包埋体不易脱落，并且包埋体能在网状结构载体上形成毫米级的薄膜结构，使厌氧氨氧化细菌生物活性填料整体稳定性好，利于保持较高的细菌浓度，整体通透性好，传质效果好。生物活性填料由于网状骨架结构的存在使厌氧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适应性，较小的厚度能实现较高的传质效率和厌氧氨氧化细菌包埋体较高的利用率，从而利于生物膜表面基质的传质过程和氮气的散失。此外，单纯使用厌氧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是无法实现良好填料性能的。将厌氧氨氧化细菌与网状载体的有机包埋结合不仅继承了厌氧氨氧化细菌与载体材料的各自优点，与现有的厌氧氨氧化细菌固定化技术相比操作更加方便、工艺更加简单、造价低廉、运行稳定。

为了达到上述目的，本发明采用了以下技术方案。

一种基于网状载体的厌氧氨氧化细菌固定化直筒状生物活性填料，其特征在于：所述的直筒状生物活性整体是中空直筒状，筒壁是网状的，组成网孔的网丝被厌氧氨氧化细菌包埋体通过网孔包埋形成整体的铆固结构，细菌包埋体在网状结构上形成毫米级的薄膜结构。

网状的生物活性填料载体为聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯或ABS树脂高分子材料为主，添加亲水材料为聚乙烯醇（PVA），通过丝条热熔成型或板材热压成孔等方式，制成具有网状筒壁的筒状结构载体，筒状结构直径为0.5‐3.0cm，高度为0.5‐3.0cm，其筒壁的网孔形状可为圆形、菱形、正方形、矩形。优选构成网孔的丝径为0.5‐2.0mm。

上述一种基于网状载体的厌氧氨氧化细菌固定化直筒状生物活性填料的制备方法，包括以下步骤：

（1）以聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、ABS树脂高分子材料为主，添加亲水材料为聚乙烯醇（PVA），通过丝条热熔成型或板材热压成孔等方式，制成网状壁面的直筒状结构载体；

（2）将厌氧氨氧化细菌的浓缩液和聚乙烯醇包埋体混合后形成的包埋液均匀涂布在直筒状结构载体的外表面上，根据聚乙烯醇‐硼酸二次交联方法，将涂布有包埋液的直筒状结构载体放入饱和硼酸溶液中浸泡1h‐3h后，调节硼酸溶液pH范围到8‐10，交联时间为3h‐24h，然后将其取出，洗净表面残留物质，得到生物活性填料。此时得到的厌氧氨氧化细菌生物活性填料比重在0.90‐1.10之间。

聚乙烯醇（PVA）的添加量可以根据需要适当调整，此为现有技术，优选将厌氧氨氧化菌菌悬液和聚乙烯醇溶液混合制得包埋液，包埋液中聚乙烯醇的质量浓度为80-100g/L。

本发明基于网状载体的直筒状生物活性填料应用于水处理。

本发明所述的基于网状载体的厌氧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，能够使厌氧氨氧化细菌包埋材料通过网孔形成整体的铆固结构，细菌包埋体不易脱落，固定化后制成的厌氧氨氧化细菌生物活性填料整体稳定性好，有利于保持较高的细菌浓度。

2.网状载体设计为直筒状，水流对生物活性填料中的切向摩擦可以避免杂菌的生长，中空结构可使流体穿过，不会造成填料内腔堵塞。

3.实验研究表明，以传统填料为载体固定化得到的厌氧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该细菌生物活性填料整体稳定性好，填料寿命在2年以上。

4.由于厌氧氨氧化细菌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，其继承了厌氧氨氧化细菌与包埋材料的各自优点，细菌的固定化和细菌密度的增加不仅有效解决了厌氧氨氧化细菌的流失和富集问题，而且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。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、造价低廉、运行稳定。

5.网状载体由聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、ABS树脂为主要材料，添加了聚乙烯醇（PVA）等亲水材料，改善了载体的亲水性，增加了载体与厌氧氨氧化细菌包埋体粘结的强度，提高了生物活性填料整体的稳定性。

6.生物活性填料由于网状骨架结构的存在使氧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细菌包埋体较高的利用率，如果用厌氧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.固定化生物活性填料包埋菌量大，可形成厌氧氨氧化细菌菌群优势，提高了局部的细菌密度，处理效率高。

8.生物活性填料的表面积全部为有效面积，避免了载体材料的浪费。增加了有效接触面积，并且产生的氮气及时散失，增强传质效果，利于反应快速、有效地进行。

9.生物活性填料的比重在0.90‐1.10之间，此时的生物活性填料密度在反应器中处于流化状态，周围被基质所包围利于传质过程，并且利于产生氮气的散失。

附图说明

图1为直筒状厌氧氨氧化细菌生物活性填料示意图；

图2为图1Ⅰ—Ⅰ剖面示意图；

图3为图1Ⅱ—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。

1.网状载体的制备

以聚丙烯高分子聚合物为主要材料，添加质量分数为5%的亲水材料聚乙烯醇（PVA），制成直径为0.8cm，高为1.0cm，丝径为1.0mm的直筒状网状载体，其网孔形状为直径2mm的圆形。

2.厌氧氨氧化菌浓缩液的制取

将培养后的厌氧氨氧化细菌菌悬液进行离心浓缩，得到细菌浓度为2.5×10¹⁰个/mL的厌氧氨氧化细菌浓缩液。

3.厌氧氨氧化细菌包埋液的获取

称取聚乙烯醇270.0g加入2100ml水中，用高温灭菌锅在100℃温度下加热溶解15min，取出搅拌均匀后在100℃温度下再加热5min，取出并搅拌均匀冷却至30℃，将2100ml聚乙烯醇溶液和制备好的900ml厌氧氨氧化细菌浓缩液混合，并加入30.0g活性炭粉末，搅拌均匀后制成3000ml包埋液。

4.厌氧氨氧化细菌包埋液和网状载体的结合

将步骤3中得到的厌氧氨氧化细菌包埋液均匀涂布在环状载体上，确保环状载体表面全部被细菌包埋液均匀覆盖。

5.厌氧氨氧化生物活性填料的制备

将步骤4中涂抹细菌包埋液的直筒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，清洗填料3次后，得到厌氧氨氧化生物活性填料，此时厌氧氨氧化细菌生物活性填料比重在0.96‐1.05之间。

6.生物活性填料活性的应用

将上述的厌氧氨氧化细菌生物活性填料按反应器体积填充率50%投加到有效容积为2.5L的上向流生物反应器中，填料在水流带动下处于流化状态，利于排出产生的氮气气泡。控制进水水温为（28±2）℃，pH为7.5‐7.8，NH₄ ⁺‐N浓度在80mg/L和NO₂ ^‐‐N浓度在100mg/L，HRT为2h。出水监测结果表明：反应器运行2周恢复厌氧氨氧化活性，NH₄ ⁺‐N浓度为1.5mg/L以下，去除率为98.1%以上，NO₂ ^‐‐N浓度为0.86mg/L以下，去除率为99.1%以上。反应器连续运行1年后，厌氧氨氧化细菌生物活性填料包埋体完好率为92%，避免了细菌的流失，较传统生物滤池排气、传质效果好，有利于厌氧氨氧化细菌的生长繁殖。

Claims (8)

1.一种基于网状载体的厌氧氨氧化细菌固定化直筒状生物活性填料，其特征在于：所述的直筒状生物活性整体是中空直筒状，筒壁是网状的，组成网孔的网丝被厌氧氨氧化细菌包埋体通过网孔包埋形成整体的铆固结构，细菌包埋体在网状结构上形成毫米级的薄膜结构。

2.按照权利要求1的一种基于网状载体的厌氧氨氧化细菌固定化直筒状生物活性填料，其特征在于：筒状结构直径为0.5‐3.0cm，高度为0.5‐3.0cm。

3.按照权利要求1的一种基于网状载体的厌氧氨氧化细菌固定化直筒状生物活性填料，其特征在于：筒壁的网孔形状为圆形、菱形、正方形或矩形。

4.按照权利要求1的一种基于网状载体的厌氧氨氧化细菌固定化直筒状生物活性填料，其特征在于：构成网孔的丝径为0.5‐2.0mm。

5.按照权利要求1的一种基于网状载体的厌氧氨氧化细菌固定化直筒状生物活性填料，其特征在于：基于网状载体的厌氧氨氧化细菌固定化直筒状生物活性填料比重在0.90‐1.10之间。

6.制备权利要求1的一种基于网状载体的厌氧氨氧化细菌固定化直筒状生物活性填料的制备方法，包括以下步骤：

（1）以聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯或ABS树脂高分子材料为主，添加亲水材料聚乙烯醇（PVA），通过丝条热熔成型或板材热压成孔的方式，制成网状壁面的直筒状结构载体；

（2）将厌氧氨氧化细菌浓缩液和聚乙烯醇溶液混合后形成的包埋液均匀涂布在直筒状结构载体的外表面上，根据聚乙烯醇‐硼酸二次交联方法，将涂布有包埋液的直筒状结构载体放入饱和硼酸溶液中浸泡1‐3h后，调节硼酸溶液pH范围到8‐10，交联时间为3‐24h，然后将其取出，洗净表面残留物质，得到厌氧氨氧化细菌生物活性填料。

7.制备权利要求6的方法，其特征在于：包埋液中聚乙烯醇的质量浓度为80-100g/L，碳酸钙的质量浓度为10-40g/L。

8.权利要求1-5的一种基于网状载体的厌氧氨氧化细菌固定化直筒状生物活性填料应用于水处理。