CN103951074A - 一种以聚乙烯醇纤维为骨架材料的颗粒状反硝化细菌固定化生物活性填料制备及应用 - Google Patents

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Abstract

一种以聚乙烯醇纤维为骨架材料的颗粒状反硝化细菌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纤维丝骨架两部分组成；包埋体由包埋液经硼酸二次交联得到；包埋体嵌入到纤维丝之间的孔隙中，骨架中的不规则纤维丝与包埋体结合为一个稳定的有机整体。将由立体不规则聚乙烯醇纤维丝组成的纤维块浸泡于聚乙烯醇溶液和反硝化细菌浓缩液混合而成的包埋液中，随后经硼酸二次交联固定后，再经切割制成颗粒状生物活性填料。本发明所制备的以聚乙烯醇纤维为骨架材料的颗粒状反硝化细菌固定化生物活性填料整体稳定性好、工艺性能好，可以在短时间内建立并维持反硝化细菌的菌群优势，维持系统高效的反硝化能力。

Description

一种以聚乙烯醇纤维为骨架材料的颗粒状反硝化细菌固定化生物活性填料制备及应用
技术领域
本发明属于水处理技术领域，涉及一种以聚乙烯醇纤维为骨架材料的颗粒状反硝化细菌固定化生物活性填料制备及应用。 
背景技术
随着国内外对水体氮污染问题的日益关注和高度重视，污水处理厂的出水标准越发严格。我国污水处理厂普遍要求严格执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）一级A标准。然而现有工艺的脱氮效果很难达到总氮（TN）提标的要求，必须对现有技术进行升级。 
水体脱氮技术包括物理化学法和生物法。物理化学法虽然简单，但易引起二次污染。目前污水处理厂大多采用生物法。传统生物脱氮是指在好氧条件下通过硝化细菌的作用将氨氮转化为硝态氮，再在缺氧条件下通过反硝化细菌的作用将硝态氮转化为氮气。 
新近研究发现了自养反硝化细菌和好氧反硝化细菌，拓宽了反硝化细菌的适用条件。但目前两者的主要瓶颈在于反硝化细菌生长较慢，反应器启动时间较长且脱氮能力较低。其大规模推广应用尚需进一步研究和实践验证。因此，目前我国各大水厂仍普遍利用异养反硝化细菌在缺氧条件下进行生物脱氮，主要工艺形式为活性污泥法。 
根据国内大多数污水处理厂的实际运行情况得出活性污泥系统反硝化过程中常存在如下问题：反硝化细菌在目前工艺条件下难以形成较强的菌群优势，反应器启动时间长，脱氮效率低；与生物膜法相比，系统抗冲击负荷能力较差；大量反硝化细菌在高浓度下，沉淀池部位易出现污泥呈大团块上浮，对出水水质产生较大影响等。 
近年来微生物细胞固定化技术用于水处理领域关注度大幅提高。此技术可以在短时间内大幅提高系统内功能微生物的浓度，建立并维持稳定的功能微生物的生态优势，产生预期的物质代谢过程，缩短反应器的启动时间，明显增强对原水酸碱度、毒性、盐度等变化的适应能力，在水处理领域显示出巨大的应用前景。 
常见的微生物细胞固定化方法包括吸附法、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。目前以包埋法最为常用。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，包埋体本身缺乏水处理填料所具有的结构优势，实际应用效果不理想。而利用拉西环、鲍尔环、阶梯环等传统填料与包埋体通过粘附方式结合起来制得的生物活性填料存在整体稳定性差、包埋体易脱落、细菌易流失等问题。 
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、工艺性能好的以聚乙烯醇纤维为骨架材料的颗粒状反硝化细菌固定化生物活性填料，在水处理脱氮领域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以聚乙烯醇纤维为骨架材料的颗粒状反硝化细菌固定化生物活性填料的制备方法，利用该方法制备出一种整体稳定性好、工艺性能好的反硝化细菌固定化生物活性填料，投加至水处理反应器中，应用于水处理脱氮领域，在短时间内建立并维持反硝化细菌的菌群优势，维持系统高效的反硝化能力。该生物活性填料由包含反硝化细菌菌体的包埋体和聚乙烯醇纤维丝骨架两部分组成，包埋体由包埋液经硼酸二次交联得到；将由立体不规则聚乙烯醇纤维丝组成的纤维块浸泡于聚乙烯醇溶液和反硝化细菌浓缩液混合而成的包埋液中，经硼酸二次交联固定后，包埋体嵌入到骨架中纤维丝之间孔隙中，将聚乙烯醇纤维丝骨架包埋在包埋体中，骨架中不规则纤维丝与包埋体结合为一个稳定的有机整体，再经切割制成颗粒状生物活性填料。由于包埋体和聚乙烯醇纤维丝的有机结合，生物活性填料具有更多的性能，其继承了原有单纯反硝化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。为了实现上述状态，本发明采用了以下技术方案。 
一种以聚乙烯醇纤维丝为骨架材料的颗粒状反硝化细菌固定化生物活性填料，其特征在于：该填料是由包含反硝化细菌菌体的包埋体和聚乙烯醇纤维丝骨架两部分组成；包埋体嵌入到骨架中纤维丝之间孔隙中，将聚乙烯醇纤维丝骨架包埋在包埋体中，骨架中不规则纤维丝与包埋体结合为一个稳定的有机整体。上述以聚乙烯醇纤维丝为骨架材料的反硝化细菌生物活性填料为颗粒状，可为正方 体、长方体或圆柱体。优选长、宽、高可为5mm-10mm的正方体或长方体，或底面直径和高均可为5mm-10mm的圆柱体。 
一种以聚乙烯醇纤维丝为骨架材料的颗粒状反硝化细菌固定化生物活性填料的具体制备步骤如下： 
（1）将长度在5mm-20mm之间的聚乙烯醇纤维丝无规则、均匀、蓬松地置于槽型模具中，纤维丝之间粘结在一起进行加固（尤其采用化学粘合的方法），得到立体三维网状聚乙烯醇纤维骨架块，该纤维骨架块的厚度可为5mm-10mm，面密度可为1000g/m2-2000g/m2； 
（2）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，得到细菌数量级为108-109的反硝化细菌浓缩液； 
（3）将聚乙烯醇加入水中，加热至90℃溶解，取出搅拌均匀并冷却至31℃±1℃，得到聚乙烯醇溶液； 
（4）将制备的聚乙烯醇溶液与反硝化细菌浓缩液混合均匀，包埋液中聚乙烯醇质量浓度为80-150g/L； 
（5）将整块聚乙烯醇纤维块浸泡于反硝化细菌包埋液中15min，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，即完成以聚乙烯醇纤维丝为骨架材料的颗粒状反硝化细菌固定化生物活性填料的制备过程。 
将颗粒状反硝化细菌固定化生物活性填料投加至水处理反应器中，应用于水处理脱氮领域。 
本发明所述的以聚乙烯醇纤维丝为骨架材料的颗粒状反硝化细菌固定化生物活性填料的有益效果体现在： 
（1）所述颗粒状反硝化细菌固定化生物活性填料中的聚乙烯醇纤维丝与反硝化细菌包埋液经硼酸二次交联后的包埋体能够牢固地结合为一个稳定的有机整体，生物活性填料可稳定运行3年以上； 
（2）最终制备成的反硝化细菌固定化生物活性填料为颗粒状，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）以聚乙烯醇纤维丝为骨架材料的反硝化细菌固定化生物活性填料有效比表面积大、底物传质效率高，可以在短时间内大幅提高系统内反硝化细菌的浓度，建立并维持稳定的反硝化细菌的生态优势，缩短反应器的启动时间，维持高效的反硝化能力； 
（5）反硝化细菌固定于生物活性填料上，不会出现活性污泥法中的污泥膨胀及上浮问题。 
附图说明
图1为正方体颗粒状反硝化细菌固定化生物活性填料三维示意图，其中，1为聚乙烯醇纤维丝，2为包埋体； 
图2为长方体颗粒状反硝化细菌固定化生物活性填料三维示意图，其中，1为聚乙烯醇纤维丝，2为包埋体； 
图3为圆柱体颗粒状反硝化细菌固定化生物活性填料三维示意图，其中，1为聚乙烯醇纤维丝，2为包埋体。 
具体实施方式
下面结合实施案例对本发明作进一步具体描述，但本发明的实施方式不限于此。 
实施例1 
1.聚乙烯醇纤维块的制备 
将长度在5mm-20mm之间的聚乙烯醇纤维丝无规则、均匀、蓬松地置于槽型模具中，纤维丝之间采用化学粘合的方法加固，得到聚乙烯醇纤维块，该纤维块的厚度为10mm，面密度为1200g/m2。 
2.反硝化细菌浓缩液的制备 
以某城市污水处理厂二沉池剩余污泥为菌源，富集培养反硝化细菌，将培养后得到的反硝化细菌菌悬液离心浓缩，得到细菌浓度为3.5×109个/mL的反硝化细菌浓缩液，取75L备用。 
3.反硝化细菌包埋液的制备 
取15kg聚乙烯醇加入至100L水中，水浴加热至90℃溶解，取出后搅拌均匀并冷却至30℃，得到聚乙烯醇溶液；将制备的75L聚乙烯醇溶液和75L反硝 化细菌浓缩液混合，搅拌均匀后制成150L反硝化细菌包埋液，包埋液中聚乙烯醇质量浓度为100g/L。 
4.以聚乙烯醇纤维丝为骨架材料的颗粒状反硝化细菌固定化生物活性填料的制备 
取制备的聚乙烯醇纤维块浸泡于包埋液中15min，经饱和硼酸交联1.5h后取出，调节硼酸溶液pH值至9.0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，随后将其切割成边长为10mm的正方体，即完成颗粒状反硝化细菌固定化生物活性填料的制备过程。 
5.颗粒状反硝化细菌固定化生物活性填料的应用 
向有效容积为720L（长为1.2m，宽为0.6m，有效水深为1m）的上向流立方体反应器中投加制得的正方体颗粒状反硝化细菌固定化生物活性填料，填充率为40%，填料在水流带动下处于流化状态。进水采用人工配水，以乙酸钠为碳源，NO3 --N180±10mg/L，C/N=10（碳源充足），pH7.3-7.5，DO0-0.5mg/L，水温25±1℃，HRT=2h。每天按时取样测定系统的反硝化能力，检测结果表明，反应器运行1周后达到稳定状态，出水NO3 --N、NO2 --N浓度均在2mg/L以下，脱氮率在97.6%以上。反应器连续运行1年，颗粒状反硝化细菌固定化生物活性填料包埋体完好率为90%，反硝化效果稳定。 
上述实例表明，将以聚乙烯醇纤维丝为骨架材料的颗粒状反硝化细菌固定化生物活性填料投加至水处理反应器中，可以在短时间内建立反硝化细菌的菌群优势，缩短反应器的启动时间，提高系统的反硝化能力；系统能够长期保持较高的反硝化细菌浓度，维持高效的反硝化能力；填料寿命较长，具有良好的应用前景。 

Claims (6)

1.一种以聚乙烯醇纤维丝为骨架材料的颗粒状反硝化细菌固定化生物活性填料，其特征在于：该方法具体步骤如下：
（1）将长度在5mm-20mm之间的聚乙烯醇纤维丝无规则、均匀、蓬松地置于槽型模具中，纤维丝之间粘结在一起进行加固，得到立体三维网状聚乙烯醇纤维骨架块；
（2）将富集培养后的反硝化细菌菌悬液离心浓缩，得到细菌数量级为108-109的反硝化细菌浓缩液；
（3）将聚乙烯醇加入水中，加热至90℃溶解，取出搅拌均匀并冷却至31℃±1℃，得到聚乙烯醇溶液；
（4）将制备的聚乙烯醇溶液与反硝化细菌浓缩液混合均匀，包埋液中聚乙烯醇质量浓度为80-150g/L；
（5）将整块聚乙烯醇纤维块浸泡于包埋液中15min，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，即完成以聚乙烯醇纤维丝为骨架材料的颗粒状反硝化细菌固定化生物活性填料的制备过程。
2.按照权利要求1制备的一种以聚乙烯醇纤维丝为骨架材料的颗粒状反硝化细菌固定化生物活性填料，其特征在于，该填料是由包含反硝化细菌菌体的包埋体和聚乙烯醇纤维丝骨架两部分组成，包埋体嵌入到骨架中纤维丝之间孔隙中，将聚乙烯醇纤维丝骨架包埋在包埋体中，骨架中不规则纤维丝与包埋体结合为一个稳定的有机整体。
3.按照权利要求1制备的一种以聚乙烯醇纤维丝为骨架材料的颗粒状反硝化细菌固定化生物活性填料，其特征在于，以聚乙烯醇纤维丝为骨架材料的反硝化细菌固定化生物活性填料为颗粒状，可为正方体、长方体或圆柱体。
4.按照权利要求1制备的一种以聚乙烯醇纤维丝为骨架材料的颗粒状反硝化细菌固定化生物活性填料，其特征在于，以聚乙烯醇纤维丝为骨架材料的反硝化细菌固定化生物活性填料可为长、宽、高为5mm-10mm的正方体或长方体，或底面直径和高均可为5mm-10mm的圆柱体。
5.权利要求2-4所述的以聚乙烯醇纤维丝为骨架材料的颗粒状反硝化细菌固定化生物活性填料，其特征在于，纤维骨架块的厚度为5mm-10mm，面密度为1000g/m2-2000g/m2。
6.按照权利要求2-4所述的以聚乙烯醇纤维丝为骨架材料的颗粒状反硝化细菌固定化生物活性填料的应用，其特征在于：投加于水处理反应器中，应用于水处理脱氮领域。
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