CN103951050B - 一种基于网状载体的反硝化细菌固定化直筒状生物活性填料制备及应用 - Google Patents

一种基于网状载体的反硝化细菌固定化直筒状生物活性填料制备及应用 Download PDF

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一种基于网状载体的反硝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。直筒生物活性填料由载体和包埋液固定化而成的包埋体两部分组成；载体是以聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、ABS树脂为主要材料，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；包埋液由反硝化细菌浓缩液和聚乙烯醇溶液混合组成；包埋体由包埋液经硼酸二次交联固定而成，并结合网状载体，得到反硝化细菌生物活性填料。本发明所制备的生物活性填料，不仅可以有效解决反硝化污泥易上浮、易流失、不易排气的问题，还可维持高效的反硝化能力，缩短反应器的启动时间。

Description

一种基于网状载体的反硝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反硝化细菌固定化直筒状生物活性填料制备及应用。
背景技术
农业氮肥的过量施用，工业含氮废水和城市生活污水的不合理处置，造成水中硝酸盐氮浓度升高。人体摄入过量高硝酸盐氮的水会引发消化道癌症或肝癌，高硝酸盐水体也会引发水体富营养化的问题，因此去除硝酸盐氮的研究成为国内外的研究热点。
常用的传统脱氮方法是生物法。目前生物法处理水中的硝酸盐氮，主要是活性污泥法，该脱氮方法存在的主要问题有：反硝化细菌在目前工艺条件下难以形成较强的菌群优势，脱氮效率低，反应器的启动时间长；与生物膜法相比，系统抗冲击负荷能力较差；大量的反硝化细菌在高浓度下，在沉淀池部位易出现污泥呈大团块上浮现象，对出水水质有很大的影响。
反硝化细菌固定化技术可以大幅度提高反硝化细菌浓度，使反硝化细菌不易流失、缩短反应器启动时间、抗毒性和耐酸碱、耐盐能力明显增强，能纯化反硝化细菌的生态优势，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。吸附法固定的微生物量少，微生物与吸附载体之间的结合力不强；交联法对微生物的活性有影响，并且交联剂比较昂贵；传统单纯的包埋反硝化细菌是将反硝化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，但使用局限性大，包埋体本身缺乏水处理填料所具有的结构优势，无法理想应用到工程实际当中。
针对上述问题，我们把细菌包埋和载体填料有机结合在一起。开发出一种整体稳定性好、工艺性能好的的反硝化细菌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反硝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，使反硝化细菌包埋体通过网孔和载体形成整体的铆固结构，细菌包埋体不易脱落，并且细菌包埋体能在网状结构上形成毫米级的薄膜结构。固定化生物活性填料整体稳定性、通透性好，传质效果较高。水流对直筒状的反硝化生物活性填料的切向摩擦可以抑制杂菌生长，利于优势菌群的保持，中空结构可使水流穿过，不会造成填料内腔堵塞。
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反硝化细菌固定化的直筒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，添加质量分数为5%-10%的亲水材料聚乙烯醇（PVA），通过热熔或板材热压的方式，制成中空直筒状的立体网状结构载体，直筒的直径为1.0-3.5cm，直筒高为1.0-3.5cm，直筒筒壁为网状的，网孔形状为圆形、菱形、正方形或矩形，优选网孔的丝径为0.5-2mm。
以城市污水厂二沉池剩余污泥为菌源，将富集培养反硝化细菌后得到的反硝化细菌菌悬液离心浓缩，得到细菌浓度为108-109个/mL的反硝化细菌浓缩液，根据聚乙烯醇-硼酸二次交联方法，向聚乙烯醇中添加碳酸钙或活性炭粉末，在90℃中溶解后冷却至31℃±1℃，将反硝化细菌浓缩液和聚乙烯醇溶液混合制得反硝化包埋液，聚乙烯醇质量浓度为80-100g/L，碳酸钙质量浓度为10-40g/L，活性炭质量浓度为10g/L，将上述包埋液均匀涂布在网状载体上，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，得到反硝化细菌生物活性填料。
本发明基于网状载体的反硝化细菌固定化直筒状生物活性填料应用于水处理。
本发明所述的网状载体的反硝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.反硝化细菌生物活性填料能在反应器内维持较高的反硝化细菌浓度，脱氮效率高，减少处理设施的体积和占地面积，运行效果稳定；
2.反硝化细菌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；
3.实验研究表明，传统固定化生物活性填料，稳定性差，包埋材料易脱落，而以网状载体固定化得到的生物活性填料整体稳定性好，填料寿命在3年以上；
4.水流对直筒状生物活性填料的切向（筒壁外表面切向）摩擦可以促使生物载体沿中心轴旋转，避免杂菌的生长，中空结构可使水流穿过，不会造成填料内腔堵塞；
5.反硝化细菌生物活性填料由于网状骨架结构的存在使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，并且利于排出气体；
6.固定化制得的反硝化细菌生物活性填料，整体密度在0.90-1.10范围内，在水中成悬浮状态，有利于传质和氮气排出。
附图说明
图1为直筒状反硝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，添加亲水材料5wt%聚乙烯醇（PVA），制成直径为1.0cm，高为1.0cm的直筒状网状载体，丝径为1mm，其网孔形状为菱形。
2.反硝化细菌的处理
取已培养好的反硝化细菌菌悬液离心浓缩，得到3.5×109个/mL的反硝化细菌浓缩液。
3.包埋液的获取
称取聚乙烯醇7.2kg，加入40L超纯水后加热至90℃溶解15min，取出搅拌均匀后在90℃温度下加热5min，取出后搅拌均匀并冷却至30℃，将40L聚乙烯醇溶液和制备好的40L反硝化细浓缩液混合，并加入1.44kg碳酸钙，搅拌均匀后制成80L包埋液。
4.包埋液和网状载体的结合
将反硝化包埋液均匀涂布在网状载体外表面，确保网状载体表面全部被包埋液覆盖均匀。
5.反硝化细菌生物活性填料的制备
将步骤（4）中涂抹反硝化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，得到反硝化细菌生物活性填料，此生物活性填料比重为0.95-1.05之间。
6.反硝化细菌生物活性填料的应用
向1000L的上向流方形反应器中投加包埋好的直筒状生物活性填料，填充率为40%，水温20±2℃，HRT=2h，pH为7.3-7.5，NO3 --N浓度为80mg/L，以甲醇作为碳源，C/N=8，DO在0.5mg/L以下，按时测定反应器的反硝化效果。出水检测结果表明，反应器运行1周后达到稳定状态，出水NO3 --N浓度在2mg/L以下，NO3 --N去除率在97.5%以上，几乎没有亚硝氮的积累，反硝化效果稳定。连续运行1年，填料完整率达97%以上，使用寿命长，具有较好的应用前景。
实例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，添加亲水材料6wt%聚乙烯醇（PVA），制成直径为1.0cm，高为1.0cm的直筒状网状载体，丝径为1mm，其网孔形状为直径2mm的圆形。
2.反硝化细菌的处理
取已培养好的反硝化细菌菌悬液离心浓缩，得到3.5×109个/mL的反硝化细浓缩液。
3.包埋液的获取
称取聚乙烯醇7.2kg，加入40L超纯水后加热至90℃溶解15min，取出搅拌均匀后在90℃温度下加热5min，取出后搅拌均匀并冷却至30℃，将40L聚乙烯醇溶液和制备好的40L浓缩液混合，并加入800.0g活性炭粉末，搅拌均匀后制成80L包埋液。
4.包埋液和网状载体的结合
将包埋液均匀涂布在直筒状网状载体表面，确保网状载体表面全部被包埋液覆盖均匀。
5.反硝化细菌生物活性填料的制备
将步骤（4）中涂抹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，得到反硝化生物活性填料，此生物活性填料密度在0.95-1.05之间。
6.反硝化细菌生物活性填料的应用
将上述的反硝化生物活性填料按反应器体积填充率40%投加到有效容积为1000L的方形上向流反应器中，水温为20±2℃，HRT=2h，pH=7.3-7.5，NO3 --N浓度为80mg/L，以甲醇作为碳源，C/N=9，DO在0.5mg/L以下，按时测定反应器的反硝化效果。出水监测结果表明：反应器运行1周后达到稳定状态，NO3 --N浓度在2mg/L以下，NO3 --N去除率在97.5%，几乎没有亚硝氮的积累，反硝化效果稳定。连续运行1年，反硝化生物活性填料包埋体完好率约为97%，避免了细菌的流失，较传统生物滤池排气、传质好，有利于反硝化细菌的生长繁殖。

Claims (5)

1.一种基于网状载体的反硝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，添加质量分数为5%-10%聚乙烯醇（PVA）的亲水材料，通过热熔或板材热压的方式，制成中空直筒状的立体网状结构载体，直筒的直径为1.0-3.5cm，直筒高为1.0-3.5cm，直筒筒壁为网状的，网孔形状为圆形、菱形、正方形或矩形；以城市污水厂二沉池剩余污泥为菌源，筛选富集反硝化细菌，通过浓缩得到108-109个/mL的反硝化细菌浓缩液，根据聚乙烯醇-硼酸二次交联方法，向聚乙烯醇中添加碳酸钙或活性炭粉末，在90℃中溶解后冷却至30℃，将反硝化细菌浓缩液和聚乙烯醇溶液混合制得反硝化包埋液，聚乙烯醇质量浓度为80-100g/L，碳酸钙质量浓度为10-40g/L，活性炭质量浓度为10g/L，将上述包埋液均匀涂布在立体网状结构载体上，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，得到反硝化细菌生物活性填料。
2.按照权利要求1的一种基于网状载体的反硝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：网孔的丝径0.5-2mm。
3.按照权利要求1的一种基于网状载体的反硝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：细菌包埋体在立体网状结构载体上形成毫米级的薄膜结构。
4.按照权利要求1-3的任一方法制备得到的基于网状载体的反硝化细菌固定化直筒状生物活性填料。
5.按照权利要求1-3的任一方法制备得到的基于网状载体的反硝化细菌固定化直筒状生物活性填料用于水处理。
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