CN104108800B - 一种基于网状载体的硫氧化细菌固定化固定式生物活性填料制备及应用 - Google Patents
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Abstract
一种基于网状载体的硫氧化细菌固定化固定式生物活性填料制备及应用，属于水处理领域。固定式生物活性填料由包埋体和载体两部分组成：载体是以聚乙烯、聚丙烯等为主要材料，并添加聚乙烯醇等亲水材料经热熔或板材热压而成的网状固定式载体；载体的网状结构，可使包埋体贯穿网孔与载体形成铆固结构而增加填料整体稳定性；包埋液由硫氧化细菌浓缩液和聚乙烯醇溶液混合组成；包埋液均匀涂布于网状载体上，经硼酸二次交联固定后形成包埋体，并结合于网状载体得到硫氧化细菌生物活性填料。本发明所制备的生物活性填料，不仅可以有效解决硫氧化细菌附着能力差、易流失等问题，还可以提高反应器处理能力，缩短启动时间。
Description
技术领域
本发明属于水处理领域，特别涉及一种基于网状载体的硫氧化细菌固定化固定式生物活性填料制备及应用。
背景技术
随着我国工业的快速发展，在炼油、焦化、制药及石油化工等行业中常有含硫化物的废水大量排出。目前针对水中硫化物的处理大致包含物化法和生物氧化法，而生物氧化法由于具有无需投加化学药剂、去除效率高、生物污泥量产生少、无二次污染等优势，逐步成为含硫废水处理的主要方法和研究重点。利用硫氧化细菌的生物代谢功能对含硫废水进行处理时，常常由于进水硫化物浓度高而使反应器内的功能微生物的代谢活动受到抑制，致使功能微生物需要很长的适应期，而且由于硫氧化细菌的附着性能不强，极易随出水流失，所以要在反应器中保持较高的硫氧化细菌浓度也十分不易。近年来，许多学者开始采用填料挂膜的形式来试图保持反应器中硫氧化细菌的生物量，但由于传统填料的局限性，在实际废水处理实践中收效甚微。于是，一些学者开始了硫氧化细菌的固定化技术。
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，无法理想的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。
通过包埋体与载体的结合而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应用中效果难以达到预期目的，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，我们开发出的一种整体稳定性好的基于网状载体的硫氧化细菌固定化固定式生物活性填料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基于网状载体的硫氧化细菌固定化固定式生物活性填料，该生物活性填料载体的网状结构设计，使包埋体通过网孔与载体形成整体的铆固结构，包埋体不易脱落，并且包埋体能在网状结构上形成毫米级的薄膜结构，使制得的生物活性填料整体稳定性好、整体通透性好、传质效果较高。此外，生物活性填料通过框架结构支撑体固定在反应器中，填料不会随水流流失，处理效果稳定。
一种基于网状载体的硫氧化细菌固定化固定式生物活性填料，其特征在于：固定化固定式生物活性填料为网状结构的长方形片载体被含硫氧化细菌包埋体包埋，构成网状结构的长方形片载体的网丝被硫氧化细菌包埋体通过网孔包埋形成整体的铆固结构。优选网孔的丝径为0.5‐2.0mm。硫氧化细菌包埋体在网状片形结构上形成毫米级的薄膜结构。
所述网状结构的长方形片载体，长度范围为0.1‐3.0m，宽度范围为0.1‐3.0m，所述网状载体的网孔可为圆形、菱形、正方形、矩形。
为了达到上述目的，本发明采用了以下技术方案。
一种基于网状载体的硫氧化细菌固定化固定式生物活性填料，其特征在于：以聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、ABS树脂材料为主，添加质量百分数为6%-9%聚乙烯醇（PVA）亲水材料，通过丝条热熔或者板材热压成孔等方式制成片状的网状结构载体；所述网状结构的长方形片状载体，长为0.1-3m，宽为0.1-3m，网孔为圆形、菱形、正方形、矩形，网孔的丝径0.5-2mm；含硫氧化细菌的包埋体包埋固定于网状结构的长方形片状载体，构成网状结构的长方形片状载体的网丝被通过网孔的包埋体包埋形成整体的铆固结构；包埋体在网状片状结构上形成毫米级的薄膜结构。
上述一种基于网状载体的硫氧化细菌固定化固定式生物活性填料的制备方法，其特征在于，包含以下步骤：
（1）以聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、ABS树脂为主要材料，添加质量百分数为6%-9%亲水剂聚乙烯醇（PVA），通过丝条热熔或者板材热压成孔等方式制成网状结构的长方形片状载体；
（2）将硫氧化细菌浓缩液和聚乙烯醇溶液混合，并添加碳酸钙制备成包埋液，聚乙烯醇质量浓度为80-100g/L，碳酸钙质量浓度为10-40g/L；
（3）根据聚乙烯醇-硼酸二次交联方法，将步骤（2）中的包埋液均匀涂布在网状结构长方形片状载体表面上，放入饱和硼酸溶液中1-3h后，调节硼酸溶液pH到8-10，交联3-24h，将其取出，洗净表面残留物质，得到片状生物活性填料。
优选将上述多个基于网状载体的固定化固定式生物活性填料平行地固定于框架结构支撑体上，然后将支撑体置于反应器中用于水处理。
载体中聚乙烯醇（PVA）的添加量可以根据需要适当调整，此为现有技术，优选聚乙烯醇（PVA）的质量百分含量为5-10%。
本发明所述的基于网状载体的硫氧化细菌固定化固定式生物活性填料的有益效果主要体现在：
1.网状结构的设计，使包埋体通过网孔与载体形成整体的铆固结构，包埋体不易脱落，使制得的生物活性填料整体稳定性好，硫氧化细菌不易流失，反应器中能够保持较高浓度的硫氧化细菌；
2.固定化生物活性填料的硫氧化细菌包菌量大，硫氧化细菌可以在短时间内建立菌群优势，处理效率高、稳定性好；
3.网状载体由聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、ABS树脂为主要材料，添加了亲水剂聚乙烯醇，改善了载体的亲水性，增加了载体与包埋体粘结的强度，提高了填料整体的稳定性；
4.生物活性填料由于网状骨架结构的存在使包埋体可以实现结构厚度较小的同时又增强了整体结构对水处理运行环境变化的适应性，较小的厚度能提高底物的传质效率和包埋体的利用率，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；
5.固定式生物活性填料的表面全部被包埋体覆盖，加之包埋体结构较薄，有利于硫氧化细菌接触底物，同时避免了材料的浪费，有效的提高了载体填料的利用率。
附图说明
图1为片状硫氧化细菌生物活性填料示意图；
图2为图1的Ⅰ-Ⅰ剖面示意图；
图3为图1的Ⅱ-Ⅱ剖面示意图；
图4为固定式硫氧化细菌生物活性填料示意图。
图中1.网丝，2.包埋体，3.框架结构支撑体
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.网状载体的制备
以聚氯乙烯为主要材料，添加质量分数为6%的亲水材料聚乙烯醇（PVA），长方形片状载体长1.0m，宽0.4m，其网孔形状为正方形，丝径为1mm。
2.硫氧化细菌浓缩液的制备
将扩增培养后的硫氧化细菌菌悬液离心浓缩，得到3.5×109个/mL的硫氧化细菌的浓缩液。
3.包埋液的制备
称取聚乙烯醇5kg，加入25L超纯水后加热至85℃，溶解15min。将溶解的聚乙烯醇溶液取出并搅拌均匀后再加热5min，搅拌均匀冷却至31±1℃。25L聚乙烯醇溶液和制备好的25L硫氧化细菌浓缩液混合，并加入1kg碳酸钙，搅拌均匀后即制成50L包埋液。
4.包埋液和网状载体的结合
将包埋液均匀涂布在网状载体表面，确保网状载体表面全部被包埋液均匀覆盖。
5.硫氧化细菌生物活性填料的制备
将步骤（4）中涂抹包埋液的网状载体放入饱和硼酸溶液中，使其处于淹没状态，静置3h，调节溶液pH至9.0，静置4h完成固定化，清洗，得到硫氧化细菌生物活性填料，此生物活性填料比重在0.98-1.02之间。
6.硫氧化细菌生物活性填料活性的应用
将硫氧化细菌生物活性填料通过框架结构支撑体固定于500L的方形有机玻璃反应器中，该反应器长为1.0m，宽为0.5m，高为1.0m，框架长为0.9m，宽为0.4m，高为0.9m，长方形片状填料长1.0m，宽0.4m，固定间距为10cm，。水温为24℃-26℃，HRT=0.4h，DO为1.0-4.0mg/L。采用硫酸盐还原反应器出水作为进水，硫化物浓度为352～391mg/L。每天测定反应器的脱硫效果，出水检测结果表明，反应器运行到第八天，反应器生物脱硫效果稳定，出水硫化物的平均浓度为10.3～21.8mg/L，去除率保持在94%以上，反应器连续运行1年，反应器生物脱硫效果稳定，生物活性填料完整率达93%。
Claims (6)
1.一种基于网状载体的硫氧化细菌固定化固定式生物活性填料，其特征在于：固定化固定式生物活性填料为网状结构的长方形片载体被含硫氧化细菌包埋体包埋，构成网状结构的长方形片载体的网丝被硫氧化细菌包埋体通过网孔包埋形成整体的铆固结构；其制备方法包括以下步骤：
(1)以聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯或ABS树脂高分子材料为主，添加亲水剂PVA，通过丝条热熔或者板材热压成孔方式制成网状结构的长方形片状载体；
(2)将硫氧化细菌浓缩液和聚乙烯醇溶液混合，并添加碳酸钙制备成包埋液；
(3)根据聚乙烯醇-硼酸二次交联方法，将步骤(2)中的包埋液均匀涂布在网状结构长方形片状载体表面上，放入饱和硼酸溶液中1-3h后，调节硼酸溶液pH到8-10，交联3-24h，将其取出，洗净表面残留物质，得到硫氧化细菌片形生物活性填料。
2.按照权利要求1的一种基于网状载体的硫氧化细菌固定化固定式生物活性填料，其特征在于：网孔的丝径0.5-2mm。
3.按照权利要求1的一种基于网状载体的硫氧化细菌固定化固定式生物活性填料，其特征在于：包埋体在网状片状结构上形成毫米级的薄膜结构。
4.按照权利要求1的一种基于网状载体的硫氧化细菌固定化固定式生物活性填料，其特征在于：网状结构的片状载体，长为0.1-3m，宽为0.1-3m，所述网状载体的网孔为圆形、菱形、正方形或矩形。
5.制备权利要求1-4所述的任一一种基于网状载体的硫氧化细菌固定化固定式生物活性填料的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)以聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯或ABS树脂高分子材料为主，添加亲水剂PVA，通过丝条热熔或者板材热压成孔方式制成网状结构的长方形片状载体；
(2)将硫氧化细菌浓缩液和聚乙烯醇溶液混合，并添加碳酸钙制备成包埋液；
(3)根据聚乙烯醇-硼酸二次交联方法，将步骤(2)中的包埋液均匀涂布在网状结构长方形片状载体表面上，放入饱和硼酸溶液中1-3h后，调节硼酸溶液pH到8-10，交联3-24h，将其取出，洗净表面残留物质，得到硫氧化细菌片形生物活性填料。
6.权利要求1的一种基于网状载体的硫氧化细菌固定化固定式生物活性填料平行地固定于框架结构支撑体上，然后将支撑体置于反应器中，用于水处理。
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