CN103951083B - 一种氨氧化细菌固定式生物活性填料、制备及应用 - Google Patents

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Abstract

一种氨氧化细菌固定式生物活性填料、制备及应用，属于水处理技术领域。生物活性填料由载体和负载有氨氧化细菌的包埋体组成，填料固定于预制框架上构成固定式生物活性填料；载体由多层聚乙烯醇无纺布和一层纺织物缝制而成；包埋体由包埋液经硼酸交联固定而成；包埋液由氨氧化细菌浓缩液和聚乙烯醇溶液混合而成。将载体浸泡于包埋液中，通过硼酸二次交联，无纺布与包埋体牢固的结合在一起，包埋体透过纺织物网孔形成整体铆固结构，包埋体不易脱落，纺织物良好的抗拉性能提高了生物活性填料的整体稳定性。本发明所制备的氨氧化细菌固定式生物活性填料，不仅解决了氨氧化细菌优势建立困难、易流失等问题，而且提高了反应器处理能力，具有良好的应用前景。

Description

一种氨氧化细菌固定式生物活性填料、制备及应用
技术领域
本发明涉及水处理中一种氨氧化细菌固定式生物活性填料制备及应用，特别涉及一种以纺织物和聚乙烯醇无纺布为载体的氨氧化细菌固定式生物活性填料，属于水处理技术领域。
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。
细菌固定化技术可以大幅度提高细菌浓度，使细菌不易流失、缩短反应器启动时间，能纯化和创造特性细菌的生态优势，产生特性高效反应，并且固定化后的细菌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研究集中在如何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。操作方法虽然简单，但局限性较大，无法理想地应用到工程实际当中。我们经过多年研究，在传统的包埋方法上做了改进，将包埋体与载体结合在一起，形成稳定性好的生物活性填料。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，其结合了单纯微生物细菌与包埋材料所具有的优点。
通过载体与包埋体的结合制备出的生物活性填料具有巨大的应用优势和广阔的应用空间。填料结构形式和固定化技术的选择应用直接决定了生物活性填料的应用效果和使用寿命。经过试验研究比较，我们发现基于传统填料结构形式和包埋方法而制备出的生物活性填料在试验中效果并不理想，存在着生物活性填料整体稳定性差，包埋体容易脱落和水溶膨胀等诸多问题。
发明内容
针对上述问题，我们提出了一种整体稳定性好的氨氧化细菌固定式生物活性填料的制备方法，由此方法制备出的氨氧化细菌生物活性填料具有填料结构稳定性好、抗水流冲击作用强、氨氧化细菌优势地位建立时间短及亚硝化生物群落结构维持时间长等优点。
多层无纺布和一层纺织物叠加在一起的包埋载体被含有氨氧化细菌的包埋体包埋，此包埋载体被固定在框架上，包埋体由包埋液经硼酸二次交联而成。
多个被包埋体包埋的包埋载体以纺织物为支撑平行地固定在预制框架上。
无纺布与无纺布之间、无纺布与纺织物之间均有包埋体。
载体被包埋体包埋后的厚度可为3.5mm-11mm。
固定式生物活性填料的制备步骤如下：
（1）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；
（2）聚乙烯醇加热至90℃溶解于水中，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）得到细菌浓缩液按一定比例充分混合，得到包埋液，包埋液中聚乙烯醇的质量浓度为80-150g/L；
（4）将多层聚乙烯醇无纺布与一层纺织物叠在一起，得到包埋载体；
（5）将步骤（4）得到的包埋载体浸泡于步骤（3）所得到的包埋液中15min，然后将其置于饱和硼酸中交联1.5h后取出调节硼酸溶液pH值在8-10之间进行二次交联，二次交联时间为5h，二次交联结束后用清水冲洗，然后利用纺织物固定在预制框架（预制框架为正方体或长方体，框架的外形尺寸可为0.5m～2m）上即完成固定式生物活性填料的制备过程。填料的厚度可根据无纺布载体层数的不同而变化，可为3.5mm-11mm。
上述氨氧化细菌固定式生物活性填料用于水处理。
本发明所述氨氧化细菌固定式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，经过硼酸二次交联法交联固化后，无纺布与包埋体能牢固的结合在一起，包埋体层通过纺织物网孔形成整体的铆固结构，包埋体不易脱落，生物活性填料可稳定运行3年以上；
（2）所采用纺织物强度高，耐酸碱能力强，制备的氨氧化细菌生物活性填料抗水流冲击能力强，细菌不易流失；
（3）生物活性填料由于网状骨架结构的存在使包埋体实现结构厚度较小的同时增加了整体结构对水处理运行环境变化适应性，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，如果用包埋体自身材料做成如此厚度无法在水处理工艺处理单元里实现良好的填料性能；
（4）生物活性填料有效比表面积大、底物传质效果好，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为氨氧化细菌固定式生物活性填料整体及局部剖面示意图。
图中：1为无纺布，2为包埋体，3为纺织物，4为预制框架。
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。
实例1
（1）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15L3.5×109个/mL的氨氧化细菌浓缩液；
（2）聚乙烯醇溶液的制备
取5.0kg聚乙烯醇水浴加热至90℃溶解于35L水中，得到聚乙烯醇溶液；
（3）包埋液的获取
将步骤（2）中的聚乙烯醇溶液冷却至30℃并与步骤（1）得到的15L氨氧化细菌浓缩液充分混合得到50L包埋液，该包埋液中聚乙烯醇质量浓度为100g/L；
（4）包埋载体的制备
将四层聚乙烯醇无纺布与一层纺织物（纺织物两侧各两层无纺布）叠在一起，得到包埋载体；
（5）氨氧化细菌固定式生物活性填料的制备
将步骤（4）得到的包埋载体置于步骤（3）得到的包埋液中浸泡15min，然后将其置于饱和硼酸中交联1.5h后取出调节硼酸溶液pH值在8-10之间进行二次交联，二次交联时间为5h，二次交联结束后用清水冲洗，然后利用纺织物将填料平行倾斜地固定在预制框架上即完成氨氧化细菌固定式生物活性填料的制备过程，填料长1.2m、宽0.5m、平均厚6mm，共4片，预制框架长为1m、宽为0.5m、高为1m。
（6）氨氧化细菌固定式生物活性填料的应用
在500L的反应器中固定步骤（5）得到的氨氧化细菌生物活性填料，水温25±1℃，HRT=4h，pH7.5～8.5，NH4 +-N进水浓度为150mg/L，溶解氧维持在1.5-2.0mg/L，定时测定反应器的出水三氮浓度。出水检测结果表明：反应器在7天后出水氨氮值基本稳定，出水NH4 +-N浓度基本稳定在5.0mg/L以下，去除率在96.7%以上，亚氮积累率在90%以上，生物活性填料连续运行3年，亚硝化效果稳定，无包埋体脱落现象。

Claims (7)

1.一种氨氧化细菌固定式生物活性填料，其特征在于：多层无纺布和一层纺织物叠加在一起的包埋载体被含有氨氧化细菌的包埋体包埋，此包埋载体被固定在框架上，包埋体由包埋液经硼酸二次交联而成；其制备方法包括以下步骤：
(1)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；
(2)聚乙烯醇加热至90℃溶解于水中，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)得到细菌浓缩液按一定比例充分混合，得到包埋液，包埋液中聚乙烯醇的质量浓度为80-150g/L；
(4)将多层聚乙烯醇无纺布与一层纺织物叠在一起，得到包埋载体；
(5)将步骤(4)得到的包埋载体浸泡于步骤(3)所得到的包埋液中15min，然后将其置于饱和硼酸中交联1.5h后取出调节硼酸溶液pH值在8-10之间进行二次交联，二次交联时间为5h，二次交联结束后用清水冲洗，然后利用纺织物固定在预制框架上即完成固定式生物活性填料的制备过程。
2.按照权利要求1的一种氨氧化细菌固定式生物活性填料，其特征在于：多个被包埋体包埋的包埋载体以纺织物为支撑平行地固定在预制框架上。
3.按照权利要求1的一种氨氧化细菌固定式生物活性填料，其特征在于：无纺布与无纺布之间、无纺布与纺织物之间均有包埋体。
4.按照权利要求1的一种氨氧化细菌固定式生物活性填料，其特征在于：载体被包埋体包埋后的厚度可为3.5mm-11mm。
5.制备权利要求1的一种氨氧化细菌固定式生物活性填料的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)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；
(2)聚乙烯醇加热至90℃溶解于水中，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)得到细菌浓缩液按一定比例充分混合，得到包埋液，包埋液中聚乙烯醇的质量浓度为80-150g/L；
(4)将多层聚乙烯醇无纺布与一层纺织物叠在一起，得到包埋载体；
(5)将步骤(4)得到的包埋载体浸泡于步骤(3)所得到的包埋液中15min，然后将其置于饱和硼酸中交联1.5h后取出调节硼酸溶液pH值在8-10之间进行二次交联，二次交联时间为5h，二次交联结束后用清水冲洗，然后利用纺织物固定在预制框架上即完成固定式生物活性填料的制备过程。
6.按照权利要求5的方法，其特征在于，预制框架为正方体或长方体，框架的外形尺寸为0.5m～2m。
7.权利要求1或2或3或4的一种氨氧化细菌固定式生物活性填料在水处理中的应用。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN103194437A (zh) * 2013-04-12 2013-07-10 北京工业大学 一种聚乙烯醇-硼酸二次交联完成细菌固定化的方法
CN103657399A (zh) * 2012-09-06 2014-03-26 中国石油化工股份有限公司 一种高分子活性炭复合填料的制造方法

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