CN103951087B - 一种硫酸盐还原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
一种硫酸盐还原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。生物活性填料由包埋体和无纺布载体两部分组成。包埋液由硫酸盐还原菌浓缩液和聚乙烯醇溶液混合组成，将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形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。无纺布载体的纤维丝能够稳定地结合包埋体，并且包埋体和无纺布载体相间排布的形式，可以增加活性填料的稳定性。本发明所制备的三明治型硫酸盐还原菌多层固定化生物活性填料，不仅可以有效解决硫酸盐还原菌附着能力差、易流失等问题，还可以提高反应器处理能力，缩短启动时间，具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于水处理领域，特别涉及一种硫酸盐还原菌三明治型多层固定化生物活性填料制备及应用。
背景技术
在利用硫酸盐还原菌（SRB）进行硫酸盐废水的处理过程中，功能微生物（主要是指硫酸盐还原菌）的数量、代谢活性和生态因子直接影响着反应器的处理效能。由于在硫酸盐废水的厌氧处理中存在着丰富的碳源（废水中原有或者为处理而投加的COD）和适宜的厌氧条件，许多生境条件相似的微生物得以聚集，所以如何保持SRB的种群优势地位、适宜的生态因子和底物竞争优势将是SRB法处理硫酸盐废水的研究重点。目前，利用SRB处理硫酸盐废水的主要处理工艺有单项厌氧工艺、单项吹脱工艺、两相厌氧工艺以及生物膜法工艺。传统的处理工艺存在着反应器启动时间长、处理能力有限、SRB附着性和成膜性差、难以形成优势菌群以及与其他厌氧菌存在底物竞争等缺陷，使之在硫酸盐废水处理上的实际应用中具有局限性。为了改善SRB的附着能力差、易流失等不足以及反应器启动时间长的缺点，许多学者开始了利用微生物固定化技术固定硫酸盐还原菌的试验研究，并取得了一定的研究成果。
微生物细胞固定化技术可以在短时间内大幅度提高水处理单元中功能微生物的生物量和细胞浓度，使反应器的启动时间缩短、微生物流失量降低、对原水酸碱度、毒性、盐度等变化的适应能力明显增强。利用微生物细胞固定化技术能够创建稳定的特定功能微生物的生态优势，产生预期的物质代谢过程，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。上述包埋材料具有传质性能好、不易被生物分解、性能稳定、机械强度高、使用寿命长、价格低、对微生物无毒等优点。
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稳定结合在一起，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，将包埋体与载体填料结合在一起，形成整体的生物活性填料。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而制备出的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活性生物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应用中效果不理想，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等诸多问题。针对上述问题，我们开发出的一种硫酸盐还原菌三明治型多层固定化生物活性填料具有广泛的应用前景。
发明内容
针对上述问题，本发明开发出一种硫酸盐还原菌三明治型多层固定化生物活性填料，其特征在于：该填料是由含硫酸盐还原菌的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，填料整体固化后切割成颗粒状生物活性填料，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，生物活性填料呈三明治层状结构，稳定性好。包埋体和无纺布的有机结合，使生物活性填料具有更多的性能，其继承了原有单纯硫酸盐还原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。
一种硫酸盐还原菌三明治型多层固定化生物活性填料的制备步骤如下：
（1）将硫酸盐还原菌菌悬液离心浓缩至细胞浓度为108‐109个/mL，得到硫酸盐还原菌浓缩液；
（2）将聚乙烯醇加热至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）得到的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80g/L‐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）得到的包埋液均匀涂抹在无纺布载体上，将涂有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（边长可为5mm-10mm）、长方体（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。
上述三明治型多层固定化生物活性填料用于水处理。
本发明所述的三明治结构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，生物活性填料可稳定运行3年以上；
（2）最终制备成的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，在水中可呈悬浮状态，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，有效地减少了填料使用过程中包埋体之间的相互摩擦；
（5）固定化生物活性填料的硫酸盐还原菌包菌量大，SRB可以在短时间内建立菌群优势，处理效率高、稳定性好。
附图说明
图1为正方体颗粒状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
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）将扩增培养后的硫酸盐还原菌离心浓缩，取45L离心后含菌量为7.5×108个/mL的硫酸盐还原菌浓缩液备用；
（2）取30.0kg聚乙烯醇水浴加热至90℃溶解于200L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）得到的细菌浓缩液充分混合，加水定容到300L得到包埋液，该包埋液中聚乙烯醇的质量浓度为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为10mm，宽为10mm，高为10mm的立方体颗粒块即完成硫酸盐还原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：向800L的反应器中投加步骤（4）包埋好的硫酸盐还原菌固定化生物活性填料，填充率为47.5%，水温为22℃-24℃，HRT=12h，pH为7.5-8.0，ORP≤-330mv以乳酸钠作为有机碳源，SO4 2-浓度为1000-1100mg/L，保证COD/SO4 2-≥2，生物活性填料在反应器中处于悬浮状态，按时测定反应器硫酸盐的去除效果。出水检测结果表明，反应器运行到第七天，反应器中硫酸盐还原效果稳定，出水SO4 2-浓度为72～97mg/L，去除率保持在90%以上，反应器连续运行1年，硫酸盐还原效果稳定，生物活性填料的完整率达90%。
Claims (6)
1.一种硫酸盐还原菌三明治型多层固定化生物活性填料，其特征在于：该填料是由包含硫酸盐还原菌的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，填料整体固化后切割成颗粒状生物活性填料，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，生物活性填料呈三明治层状结构；其制备方法，包括以下步骤：
(1)将硫酸盐还原菌菌悬液离心浓缩至细胞浓度为108-109个/mL，得到硫酸盐还原菌浓缩液；
(2)将聚乙烯醇加热溶解于水中，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)得到的硫酸盐还原菌浓缩液按一定比例充分混合，得到包埋液；
(4)生物活性填料的无纺布载体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，即完成固定化生物活性填料的制备过程。
2.按权利要求1的一种硫酸盐还原菌三明治型多层固定化生物活性填料，其特征在于：生物活性填料为长方体、正方体或圆柱体。
3.按权利要求2的一种硫酸盐还原菌三明治型多层固定化生物活性填料，其特征在于：所述的正方体的边长为5mm-10mm；长方体与无纺布载体平行的面的长宽为5mm-20mm，垂直面的高为3mm-10mm；所述的圆柱体中无纺布载体作为圆柱体底面，底面直径为5mm-10mm，圆柱体的高为3mm-10mm。
4.制备权利要求1的一种硫酸盐还原菌三明治型多层固定化生物活性填料的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将硫酸盐还原菌菌悬液离心浓缩至细胞浓度为108-109个/mL，得到硫酸盐还原菌浓缩液；
(2)将聚乙烯醇加热溶解于水中，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)得到的硫酸盐还原菌浓缩液按一定比例充分混合，得到包埋液；
(4)生物活性填料的无纺布载体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，即完成固定化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，无纺布规格为40g/m2-200g/m2。
6.权利要求1或2或3的一种硫酸盐还原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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