CN103951077B - 一种以聚乙烯醇纤维为骨架材料的氨氧化细菌固定化颗粒状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氨氧化细菌固定化颗粒状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。将由不规则立体聚乙烯醇纤维丝组成的纤维块浸泡于氨氧化细菌浓缩液和聚乙烯醇溶液混合而成的包埋液中，随后经硼酸二次交联固定后，清洗，再经切割制成氨氧化细菌固定化颗粒状生物活性填料。本发明解决了传统生化法中氨氧化细菌浓度低、易流失等问题，而且包埋体和聚乙烯醇纤维结合牢固，制备的生物活性填料稳定性好，处理效率高，具有良好的应用前景。

Description

一种以聚乙烯醇纤维为骨架材料的氨氧化细菌固定化颗粒状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氨氧化细菌固定化颗粒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、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，制备的微球、包埋块容易发生水溶膨胀的问题，微球、包埋块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，本发明开发出一种以聚乙烯醇纤维丝为骨架材料的氨氧化细菌固定化颗粒状生物活性填料，其特征在于：该填料由含氨氧化细菌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；包埋体嵌入到纤维丝骨架之间的孔隙中，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。将由不规则聚乙烯醇纤维丝组成的立体纤维块浸泡于氨氧化细菌浓缩液和聚乙烯醇溶液混合而成的包埋液中，经硼酸二次交联固定后，清洗，再经切割制成氨氧化细菌固定化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。
上述以聚乙烯醇纤维丝为骨架材料的生物活性填料为颗粒状，形状为长方体或圆柱体。
优选长、宽、高可为5mm-10mm的长方体或底面直径、高可为5mm-10mm的圆柱体。
一种以聚乙烯醇纤维丝为骨架材料的氨氧化细菌固定化颗粒状生物活性填料的制备：
(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)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；
(3)将聚乙烯醇加热至90℃溶解于水中，得到聚乙烯醇溶液；
(4)将步骤(3)中的聚乙烯醇溶液冷却至30℃并与步骤(2)得到的细菌浓缩液充分混合，得到包埋液，包埋液中聚乙烯醇的质量浓度为80g/L-150g/L；
(5)将整块步骤(1)得到的聚乙烯醇纤维块浸泡于步骤(4)得到的包埋液中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，即完成氨氧化细菌固定化颗粒状生物活性填料的制备过程。
本发明所述的以聚乙烯醇纤维丝为骨架材料的氨氧化细菌颗粒状生物活性填料的有益效果体现在：
(1)所述颗粒状生物活性填料中的聚乙烯醇纤维丝与包埋液经硼酸二次交联后形成的包埋体能牢固的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)最终制备成的氨氧化细菌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的膜，影响底物传质，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，不仅传质效果好，而且节省了包埋液；
(4)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，氨氧化细菌能在短时间内形成菌群优势，可实现短程硝化，缩短启动时间；
(5)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为氨氧化细菌正方体颗粒状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为氨氧化细菌长方体颗粒状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为氨氧化细菌圆柱体颗粒状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
现以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)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，该纤维块的厚度约为10mm，面密度为1016g/m2；
(2)氨氧化细菌浓缩液的制备
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60L4.0×109个/mL的氨氧化细菌浓缩液；
(3)聚乙烯醇溶液的制备
取20.0kg聚乙烯醇加热至90℃溶解于140L水，得到聚乙烯醇溶液；
(4)包埋液的获取
将步骤(3)中的聚乙烯醇溶液冷却至30℃并与步骤(2)得到的氨氧化细菌浓缩液充分混合，得到200L包埋液，该包埋液中聚乙烯醇质量浓度为100g/L；
(5)氨氧化细菌固定化颗粒状生物活性填料的制备
取适量步骤(1)得到的聚乙烯醇纤维块浸泡于步骤(4)得到的包埋液中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，随后将其切割成圆柱体，底面直径为5mm-7mm，高为5mm-7mm，即完成氨氧化细菌固定化颗粒状生物活性填料的制备过程。
(6)氨氧化细菌固定化颗粒状生物活性填料的应用
向800L的反应器中投加步骤(5)得到的填料，填充率为50％，水温25±1℃，HRT＝3h，pH为7.5-8.5，NH4 +-N进水浓度为120mg/L，生物活性填料在曝气充氧的作用下呈悬浮流化状态，反应器中溶解氧基本维持在1.5-2.0mg/L，定时测定反应器的出水氨氮浓度。出水检测结果表明：反应器在10天后出水基本稳定，出水NH4 +-N浓度稳定在5.0mg/L以下，去除率在95.8％以上，亚氮积累率均在90％以上。生物活性填料连续运行3年，亚硝化效果稳定。

Claims (6)

1.一种以聚乙烯醇纤维丝为骨架材料的氨氧化细菌固定化颗粒状生物活性填料，其特征在于：该填料是由含氨氧化细菌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，即将由不规则聚乙烯醇纤维丝组成的立体纤维块浸泡于氨氧化细菌浓缩液和聚乙烯醇溶液混合而成的包埋液中，经硼酸二次交联固定后，清洗，再经切割制成氨氧化细菌固定化颗粒状生物活性填料；包埋体嵌入到纤维丝骨架之间的孔隙中，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。
2.权利要求1的一种以聚乙烯醇纤维丝为骨架材料的氨氧化细菌固定化颗粒状生物活性填料，其特征在于：以聚乙烯醇纤维丝为骨架材料的生物活性填料为颗粒状，形状为长方体或圆柱体。
3.权利要求2的一种以聚乙烯醇纤维丝为骨架材料的氨氧化细菌固定化颗粒状生物活性填料，其特征在于：以聚乙烯醇纤维丝为骨架材料的生物活性填料为长、宽、高为5mm-10mm的长方体或底面直径、高为5mm-10mm的圆柱体。
4.制备权利要求1的一种以聚乙烯醇纤维丝为骨架材料的氨氧化细菌固定化颗粒状生物活性填料的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(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)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离心浓缩，得到108-1010个/mL的氨氧化细菌浓缩液；
(3)将聚乙烯醇加热至90℃溶解于水中，得到聚乙烯醇溶液；
(4)将步骤(3)中的聚乙烯醇溶液冷却至30℃并与步骤(2)得到的氨氧化细菌浓缩液充分混合，得到包埋液，包埋液中聚乙烯醇的质量浓度为80g/L-150g/L；
(5)将整块步骤(1)得到的聚乙烯醇纤维块浸泡于步骤(4)得到的包埋液中15min，取出经饱和硼酸交联1.5h后，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，即完成氨氧化细菌固定化颗粒状生物活性填料的制备过程。
5.按照权利要求4的方法，其特征在于，步骤(1)纤维骨架块的厚度为5mm-10mm，面密度为1000g/m2-2000g/m2。
6.权利要求1的一种以聚乙烯醇纤维丝为骨架材料的氨氧化细菌固定化颗粒状生物活性填料用于水处理。
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