CN103951053A - 一种厌氧氨氧化细菌三明治型多层固定化生物活性填料、制备及应用 - Google Patents
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Abstract
一种厌氧氨氧化细菌三明治型多层固定化生物活性填料、制备及应用，属于水处理技术领域。生物活性填料由包埋体和无纺布载体两部分组成；包埋体和无纺布载体相间排布；无纺布载体的维丝与包埋体结合为一个稳定的有机整体，将由厌氧氨氧化细菌菌悬液和聚乙烯醇溶液混合而成的包埋液均匀涂布于无纺布载体上，多层载体叠加在一起，经硼酸二次交联固定后包埋液固化形成包埋体并制成类似三明治结构的层状填料，再经切割制成颗粒状生物活性填料。本发明中无纺布和包埋体形成的类似三明治层状结构提高了生物活性填料的稳定性，解决了传统厌氧氨氧化细菌固定化方法制成的填料稳定性差的问题，填料上厌氧氨氧化细菌浓度高，处理效率高，具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及水处理中种厌氧氨氧化细菌三明治型多层固定化生物活性填料制备及应用，属于水处理领域。
背景技术
厌氧氨氧化技术（ANAMMOX）是目前已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）
由厌氧氨氧化细菌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，具有运行费用低、需氧量低和不需外加碳源等优点。
由于厌氧氨氧化细菌的倍增时间长，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厌氧氨氧化细菌活性。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厌氧氨氧化细菌从反应器中流失已经成为当前研究的重点。
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、纯化和创造特性细菌的生态优势，并且固定化后的生物活性填料抗毒性和耐酸碱、耐盐能力明显增强，具有良好的应用前景。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，制备的生物填料容易发生水溶膨胀的问题，填料在使用过程中机械强度会因水溶膨胀而大大减弱，甚至会出现破碎的现象，因而缩短了填料的使用寿命，无法理想地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、细菌易流失等问题。因此提高生物活性填料的整体稳定性才是生物活性填料长期稳定高效运行的关键。
发明内容
针对上述问题，本发明开发出厌氧氨氧化细菌三明治型多层固定化生物活性填料，其特征在于，该填料是由包埋体和无纺布载体两部分组成，无纺布载体和包埋体相间排布，无纺布载体的纤维丝与包埋体材料牢固结合构成一个稳定的有机整体，将由厌氧氨氧化细菌浓缩液和聚乙烯醇溶液混合而成的包埋液均匀涂布于无纺布载体上，多层载体叠加在一起，经硼酸二次交联固定后包埋液固化形成包埋体，并制成类似三明治结构的层状填料，再经切割制成颗粒状生物活性填料。生物活性填料呈三明治层状结构，稳定性好。由于包埋体和无纺布的有机结合，厌氧氨氧化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；制备的颗粒状生物活性填料具有各种载体所具有的特性，例如流动性强、比表面积大、不易堵塞等优点。
颗粒状生物活性填料为长方体、正方体或圆柱体。优选层面方向为边长3mm-10mm正方形、长宽为5mm-20mm长方形或底面直径为5mm-10mm圆形，厚度即层叠加方向为3mm-10mm。
一种厌氧氨氧化细菌三明治型多层固定化生物活性填料的制备步骤如下：
（1）将厌氧氨氧化细菌菌悬液离心浓缩浓度至108-1010个/mL，得到厌氧氨氧化细菌浓缩液；
（2）将聚乙烯醇加热溶解于水，得到聚乙烯醇溶液；
（3）将步骤（2）中的聚乙烯醇溶液冷却至30℃并与步骤（1）得到的细菌浓缩液充分混合，得到厌氧氨氧化细菌包埋液，包埋液中聚乙烯醇的质量浓度可为80-150g/L；
（4）本填料采用聚乙烯醇无纺布（无纺布规格可为40g/m2-200g/m2），将步骤（3）得到的细菌包埋液均匀涂抹在无纺布载体上，将涂有细菌包埋液的无纺布多层叠加在一起，经饱和硼酸交联1.5h后取出，调节硼酸溶液pH值至8-10进行第二次交联，二次交联时间为5h，二次交联结束后用清水冲洗，随后将其切割成正方体（层面方向边长可为5mm-10mm）、长方体（层面方向长宽可为5mm-20mm）或圆柱体（底面直径可为5mm-10mm）即完成固定化生物活性填料的制备过程。填料整体厚度可根据载体层数的不同而变化，制备完成后的填料厚度可为3mm-10mm。
本发明的厌氧氨氧化细菌三明治型多层固定化生物活性填料用于水处理。
本发明所述的厌氧氨氧化细菌三明治型多层固定化生物活性填料的有益效果体现在：
（1）所采用无纺布的主要成分为聚乙烯醇纤维，通过硼酸二次交联法交联固化填料，无纺布载体的立体不规则纤维丝与包埋体材料结合为一个稳定的有机整体，多层无纺布的应用起到了在不影响传质的情况下保持填料整体结构稳定的作用，厌氧氨氧化细菌生物活性填料可稳定运行3年以上；
（2）最终制备成的厌氧氨氧化细菌生物活性填料产品为颗粒状，其相对于水的比重为0.90-1.10，在水中呈悬浮状态，流化状态好，有利于生物活性填料与底物的充分接触；
（3）在填料交联过程中，包埋体外层会形成一层致密的膜，阻碍底物传递，因此本发明采用先整体固化，填料成型后切割成颗粒状生物活性填料，减少了致密膜的形成；
（4）三明治结构的设计，使包埋体置于无纺布之间，有效地减少了厌氧氨氧化细菌填料使用过程中包埋体之间的相互摩擦；
（5）厌氧氨氧化细菌生物活性填料有效比表面积大、底物传质效率高，利于氮气的排出和营养基质的传递，厌氧氨氧化细菌能在短时间内形成菌群优势，缩短启动时间。
附图说明
图1为正方体颗粒状厌氧氨氧化细菌三明治结构固定化生物活性填料三维示意图，图中：1、无纺布，2、包埋体。
图2为长方体颗粒状厌氧氨氧化细菌三明治结构固定化生物活性填料三维示意图，图中：1、无纺布，2、包埋体。
图3为圆柱体颗粒状厌氧氨氧化细菌三明治结构固定化生物活性填料三维示意图，图中：1、无纺布，2、包埋体。
具体实施方式
现以厌氧氨氧化细菌为例进一步描述本发明，该实施方式旨在进一步举例说明厌氧氨氧化细菌固定化生物活性填料、制备及使用，但是本发明的实施方式不限于此。
（1）将富集培养后的厌氧氨氧化细菌菌悬液经离心浓缩后得到厌氧氨氧化细菌浓缩液，取50mL离心后含菌量为3.0×109个/mL的厌氧氨氧化细菌浓缩液备用；
（2）取15.0kg聚乙烯醇水浴加热至90℃加热溶解于100mL水中，得到聚乙烯醇溶液；
（3）将步骤（2）中的聚乙烯醇溶液冷却至30℃并与步骤（1）得到的厌氧氨氧化细菌浓缩液混合，加水定容得到包埋液，该包埋液中聚乙烯醇质量浓度为100g/L。
（4）将步骤（3）得到的包埋液均匀涂抹到聚乙烯醇无纺布载体上，四层载体叠加在一起，经饱和硼酸交联1.5h后取出，调节硼酸溶液pH值至8-10进行第二次交联，二次交联时间为5h，二次交联结束后填料厚度为6mm-7mm，清洗后将其切割成长、宽各为10mm的立方体颗粒块即完成厌氧氨氧化细菌固定化生物活性填料的制备过程；
（5）生物活性填料的应用：将上述的厌氧氨氧化生物活性填料按反应器体积填充率30%投加到有效容积为1L的上向流生物反应器中，填料在水流带动下处于流化状态，利于排出产生的气泡。控制进水水温（28±2）℃，pH为7.5-7.8，NH4 +浓度为100mg/L，NO2 —浓度为130mg/L，HRT为2h。出水监测结果表明：反应器运行2周后恢复厌氧氨氧化活性，运行稳定后，出水NH4 +-N浓度为1.5mg/L以下，去除率为98.5%以上，出水NO2 --N浓度为0.86mg/L以下，去除率为99.3%以上。反应器连续运行1年，厌氧氨氧化生物活性填料包埋体完好率为92%，避免了厌氧氨氧化细菌的流失，厌氧氨氧化细菌三明治型多层固定化生物活性填料整体稳定性好，反应器较传统生物滤池排气、传质好，脱氮效率高，利于推广。
Claims (8)
1.厌氧氨氧化细菌三明治型多层固定化生物活性填料，其特征在于：该填料是由包埋体和无纺布载体两部分组成，无纺布载体和包埋体相间排布，无纺布载体的纤维丝与包埋体材料牢固结合构成一个稳定的有机整体，将由厌氧氨氧化细菌浓缩液和聚乙烯醇溶液混合而成的包埋液均匀涂布于无纺布载体上，多层载体叠加在一起，经硼酸二次交联固定后包埋液固化形成包埋体，并制成类似三明治结构的层状填料，再经切割制成颗粒状生物活性填料。
2.权利要求1的厌氧氨氧化细菌三明治型多层固定化生物活性填料，其特征在于：颗粒状生物活性填料为长方体、正方体或圆柱体。
3.权利要求2的厌氧氨氧化细菌三明治型多层固定化生物活性填料，其特征在于，层面方向为边长3mm-10mm正方形、长宽为5mm-20mm长方形或底面直径为5mm-10mm圆形，厚度即层叠加方向为3mm-10mm。
4.权利要求1的厌氧氨氧化细菌三明治型多层固定化生物活性填料的制备方法，包括以下步骤：
（1）将厌氧氨氧化细菌菌悬液离心浓缩浓度至108-1010个/mL，得到厌氧氨氧化细菌浓缩液；
（2）将聚乙烯醇加热溶解于水，得到聚乙烯醇溶液；
（3）将步骤（2）中的聚乙烯醇溶液冷却至30℃并与步骤（1）得到的厌氧氨氧化细菌浓缩液按充分混合，得到细菌包埋液；
（4）采用聚乙烯醇无纺布，将步骤（3）得到的包埋液均匀涂抹在无纺布载体上，将涂有细菌包埋液的无纺布多层叠加在一起，经饱和硼酸交联1.5h后取出，调节硼酸溶液pH值至8-10进行第二次交联，二次交联时间为5h，二次交联结束后用清水冲洗，随后将其切割。
5.按照权利要求4的方法，其特征在于：填料厚度为3mm-10mm。
6.按照权利要求4的方法，其特征在于：包埋液中聚乙烯醇的质量浓度为80-150g/L。
7.按照权利要求4的方法，其特征在于：无纺布规格可为40g/m2-200g/m2。
8.权利要求1或2或3的厌氧氨氧化细菌三明治型多层固定化生物活性填料用于水处理。
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