CN104673777B - 微生物微球及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微生物微球及其制备方法和应用，该微生物微球包括载体和附着在载体上的微生物，所述载体以聚乙烯醇和海藻酸钠为包埋材料，所述载体包含0.4～2wt％的磁铁粉。本发明将磁铁粉加入到微生物微球中作为载体的组分之一，不仅使微生物微球的机械强度增大、破碎率降低、使用寿命延长，还有效促进了微生物的繁殖，进而提高了污水的处理效果；本发明微生物微球对功能菌具有保护作用，避免功能菌完全暴露在有毒的污水中，使微生物耐污水冲击性提高，确保污水处理工艺的稳定。
Description
技术领域
本发明涉及环境污染处理技术领域，尤其涉及一种微生物微球及其制备方法和应用。
背景技术
固定化生物技术是从60年代开始迅速发展的一项新技术，它是通过采用化学或物理的手段将游离细胞或酶定位于限定的空间区域内，使其保持活性并反复利用。微生物固定化技术可分为“固定化微生物膜”和“固定化微生物细胞”。
随着环境污染的日益严重，研究高效生物处理污染物系统的需求日益迫切，近年来，在固定化酶技术基础上发展起来的固定化微生物处理污水技术成为国内外研究热门，开始应用固定化细胞技术处理工业废水。固定化微生物技术是采用物理或化学的方法，将游离微生物限位于有限的微处理单元，以保持菌种高效性和较高的生物浓度。
固定化微生物细胞的方法主要有包埋法、吸附法、共价结合法和交联法等。相比普通的活性污泥法，固定化微生物处理技术用于废水处理具有处理效果高，运行稳定，可纯化和保持高效优势菌种，反应器生物量大，污泥产生量少、防止微生物流失，反应器中可达到较高的微生物浓度，抗毒物和冲击负荷、沉降性能好、有利于固液分离等一系列优点，在废水处理方面得到了广泛的研究和应用。
近年来，国内科研学者为了优化固定化载体，提高固定化微生物的活性，开展了一系列的研究。例如：
(1)2009年李博等(李博，熊小京，赵志新，郑天凌.包埋固定化CK3脱色菌对偶氮染料Reactive Red 180的脱色特性.水处理技术，2009年06期)采用改进的聚乙烯醇-硼酸包埋法固定化CK3脱色菌，所制备的固定化生物活性微球具有脱色的功能；
(2)2013年卢磊等(卢磊，张守娟等.吸附-包埋法制备固定化原油降解菌的研究.现代化工，2013年11期)在聚乙烯醇-海藻酸钠复配包埋固定化过程中分别加入活性炭、硅藻土、淀粉等吸附剂对固定化微球进行改性，以提高对胜利原油的降解效果，研究结果表明，将活性炭等吸附剂与传统的包埋材料联用，可以制得具有较好弹性、渗透性和较低破碎率的固定化微球。固定化微球的原油降解效果均明显优于游离菌。
(3)2014年姜立春等(姜立春，阮期平，王晓丽.PVA固定化Corynebacteriumsp.JY03降解苯酚的特性研究.环境工程，2014年2月)以聚乙烯醇作为载体将降酚菌株Corynebacterium sp.JY03进行固定化包埋处理固定化细胞重复利用6次苯酚降解率仍高于85.2％，其性能优于游离细胞，这将为该菌株进一步应用于含酚废水的生物处理提供实践条件。
(4)申请号为02148674.3的中国专利文献公开了一种固定化微生物处理污水工艺，该发明所采用的载体为改性的泡沫塑料载体，固定化方法为吸附法，吸附法固定微生物叫包埋法微生物容易脱落，抗冲击性差，不利于重复使用。
发明内容
本发明提供了一种微生物微球及其制备方法和应用，该微生物微球机械强度大，不易破碎，适宜微生物生长繁殖，采用该微生物微球可显著提高污水处理效果。
一种微生物微球，包括载体和附着在载体上的微生物，所述载体以聚乙烯醇和海藻酸钠为包埋材料，所述载体包含0.4～2wt％的磁铁粉。
本发明将大量的微生物包埋在载体内部，在污水处理过程中，不会随着污水流动而流失，使污水处理前期微生物的保有量得到保障，同时也因为载体的保护，使得微生物的耐冲击性增强，缩短了污水处理系统的启动时间，在足够的微生物保有量的情况下，处理效果更好。
所述的磁铁粉又名铁精粉是铁矿石经过破碎、磨碎、选矿等加工处理后获得的矿粉，磁铁粉为黑色粉末，大小在300目左右，磁性物含量在95％以上，铁含量在63％以上，水分含量小于1％，主要用途是作为煤炭行业重介质选煤工艺的分选介质。
所述载体还包含活性炭粉末。活性炭可作为吸附剂，起到吸附污水中污染物的作用，能将污水的污染素进行吸附，并供给微生物用于繁殖生长；同时活性炭与磁铁粉相互作用，可实现载体机械强度的增大和破碎率的降低。作为优选，所述活性炭粉末的粒径为小于0.075mm。
磁铁粉的粒径对微生物微球的结构有影响，进而影响微生物微球的机械强度、破碎率和使用寿命。所述磁铁粉的粒径为0.03～0.05mm。
聚乙烯醇的醇解度对微生物微球的机械强度、破碎率有影响，作为优选，所述聚乙烯醇的醇解度≥99％
所述微生物微球的粒径为2～5mm，有利于包埋剂与交联剂充分反应，结构稳定，同时，比表面积大，便于微球与污水接触，有利用微生物的释放和提高污水处理效率。
本发明提供了一种所述的微生物微球的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将聚乙烯醇和海藻酸钠水浴加热溶解后，与活性炭粉末和磁铁粉混合，得到混合液；
(2)将混合液与微生物混合，过滤杂质后，滴入交联剂中，得到微生物微球。
本发明对于微生物微球中固定化的微生物种类无严格要求，微生物以菌泥的形式加入到混合液中。所述的交联剂为硼酸-氯化钙交联剂。混合液滴入交联剂后获得的微球还需经过质量分数为0.9％的氯化钠去离子水洗涤2～3次，以去除微生物微球表面残留的杂质。
作为优选，所述聚乙烯醇、海藻酸钠、活性炭粉末和磁铁粉的质量比为10～20∶1～4∶1～4∶1～4。
本发明还提供了一种所述的微生物微球在处理工业污水和市政污水中的应用。
将本发明微生物微球加入污水处理工艺中，微生物微球的投加量为2～10％。投入量过少时，易造成污水处理效率较低的问题；而投入量过高时，不利于微生物微球在反应池内的流动，影响微生物微球与污水的充分接触。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明将磁铁粉加入到微生物微球中作为载体的组分之一，不仅使微生物微球的机械强度增大、破碎率降低、使用寿命延长，还有效促进了微生物的繁殖，进而提高了污水的处理效果；
(2)本发明微生物微球对功能菌具有保护作用，避免功能菌完全暴露在有毒的污水中，使微生物耐污水冲击性提高，确保污水处理工艺的稳定。
附图说明
图1为本发明微生物微球的图片；
图2为本发明微生物微球在处理工业污水的工艺中污水的化学需氧量的变化情况；
图3为本发明微生物微球在处理市政污水的工艺中污水的化学需氧量的变化情况；
图4为本发明微生物微球表面扫描电镜图；
图5为本发明微生物微球内部透射电镜图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步阐释。
本发明中采用的实验检测方法分别为：
氨氮(NH4 +-N)的检测方法：水杨酸-次氯酸盐光度法；亚硝酸盐氮(NO2-N)的检测方法：N-(1-萘基)-乙二胺光度法；化学需氧量(CODcr)检测方法。聚乙烯醇的CAS号为9002-89-5，海藻酸钠的CAS号为9005-38-3。
实施例1
1、每1L水中加入60g的醇解度(摩尔分数)≥99％的聚乙烯醇和10g的海藻酸钠，并置于95℃的热水中进行水浴，至聚乙烯醇和海藻酸钠充分溶解；
2、往步骤(1)溶解后的液体中加入20g的粒径小于0.075mm的活性炭粉末和20g的粒径为0.044mm的磁铁粉，充分混匀；
3、步骤(2)中制成的混合液冷却至室温，将60g菌泥(水解菌、脱氮菌等功能微生物)用20ml 0.9wt％氯化钠去离子水悬浮后加入到混合液中，充分混匀；
4、用纱布过滤步骤(3)混匀后的混合液，去除混合液中颗粒较大的杂质；
5、配制硼酸-氯化钙交联剂：配制饱和硼酸溶液，每升饱和的硼酸溶液中加入氯化钙10-30g，充分溶解后，用碳酸钠将溶液的pH调至6-7，将配制好的溶液放置在4-8℃下预冷；
6、将步骤(4)得到的混合液滴入步骤(5)配制的交联剂中制备成2-5mm的微球，4-8℃下静置12-36小时；
7、将所得的微球用0.9wt％NaCl去离子水洗涤2-3次，得到微生物微球；
8、将微生物微球置于4-8℃下保存备用。
实施例2
1、每1L水中加入60g的醇解度(摩尔分数)97.0～98.8％的聚乙烯醇和10g的海藻酸钠，并置于95℃的热水中进行水浴，至聚乙烯醇和海藻酸钠充分溶解；
2、往步骤(1)溶解后的液体中加入20g的粒径小于0.075mm的活性炭粉末和20g的粒径为0.044mm的磁铁粉，充分混匀；
3、步骤(2)中制成的混合液冷却至室温，将60g菌泥(水解菌、脱氮菌等功能微生物)用20ml 0.9wt％氯化钠去离子水悬浮后加入到混合液中，充分混匀；
4、用纱布过滤步骤(3)混匀后的混合液，去除混合液中颗粒较大的杂质；
5、配制硼酸-氯化钙交联剂：配制饱和硼酸溶液，每升饱和的硼酸溶液中加入氯化钙10-30g，充分溶解后，用碳酸钠将溶液的pH调至6-7，将配制好的溶液放置在4-8℃下预冷；
6、将步骤(4)得到的混合液滴入步骤(5)配制的交联剂中制备成2-5mm的微球，4-8℃下静置12-36小时；
7、将所得的微球用0.9wt％NaCl去离子水洗涤2-3次，得到微生物微球；
8、将微生物微球置于4-8℃下保存备用。
实施例3
1、每1L水中加入60g的醇解度(摩尔分数)87.0～89.0％的聚乙烯醇和10g的海藻酸钠，并置于95℃的热水中进行水浴，至聚乙烯醇和海藻酸钠充分溶解；
2、往步骤(1)溶解后的液体中加入20g的粒径小于0.075mm的活性炭粉末和20g的粒径为0.044mm的磁铁粉，充分混匀；
3、步骤(2)中制成的混合液冷却至室温，将60g菌泥(本室分离的水解菌、脱氮菌等功能微生物离心收集)用20ml 0.9wt％氯化钠去离子水悬浮后加入到混合液中，充分混匀；
4、用纱布过滤步骤(3)混匀后的混合液，去除混合液中颗粒较大的杂质；
5、配制硼酸-氯化钙交联剂：配制饱和硼酸溶液，每升饱和的硼酸溶液中加入氯化钙10-30g，充分溶解后，用碳酸钠将溶液的pH调至6-7，将配制好的溶液放置在4-8℃下预冷；
6、将步骤(4)得到的混合液滴入步骤(5)配制的交联剂中制备成2-5mm的微球，4-8℃下静置12-36小时；
7、将所得的微球用0.9Wt％NaCl去离子水洗涤2-3次，得到微生物微球；
8、将微生物微球置于4-8℃下保存备用。
实施例4
1、每1L水中加入60g的醇解度(摩尔分数)≥99％的聚乙烯醇和10g的海藻酸钠，并置于95℃的热水中进行水浴，至聚乙烯醇和海藻酸钠充分溶解；
2、往步骤(1)溶解后的液体中加入20g的粒径小于0.075mm的活性炭粉末和20g的粒径为0.075mm的磁铁粉，充分混匀；
3、步骤(2)中制成的混合液冷却至室温，将60g菌泥(本室分离的水解菌、脱氮菌等功能微生物离心收集)用20ml 0.9wt％氯化钠去离子水悬浮后加入到混合液中，充分混匀；
4、用纱布过滤步骤(3)混匀后的混合液，去除混合液中颗粒较大的杂质；
5、配制硼酸-氯化钙交联剂：配制饱和硼酸溶液，每升饱和的硼酸溶液中加入氯化钙10-30g，充分溶解后，用碳酸钠将溶液的pH调至6-7，将配制好的溶液放置在4-8℃下预冷；
6、将步骤(4)得到的混合液滴入步骤(5)配制的交联剂中制备成2-5mm的微球，4-8℃下静置12-36小时；
7、将所得的微球用0.9wt％NaCl去离子水洗涤2-3次，得到微生物微球；
8、将微生物微球置于4-8℃下保存备用。
实施例5
1、每1L水中加入50g的醇解度(摩尔分数)≥99％的聚乙烯醇和20g的海藻酸钠，并置于95℃的热水中进行水浴，至聚乙烯醇和海藻酸钠充分溶解；
2、往步骤(1)溶解后的液体中加入20g的粒径小于0.075mm的活性炭粉末和20g的粒径为0.044mm的磁铁粉，充分混匀；
3、步骤(2)中制成的混合液冷却至室温，将60g菌泥(水解菌、脱氮菌等功能微生物)用20ml 0.9wt％氯化钠去离子水悬浮后加入到混合液中，充分混匀；
4、用纱布过滤步骤(3)混匀后的混合液，去除混合液中颗粒较大的杂质；
5、配制硼酸-氯化钙交联剂：配制饱和硼酸溶液，每升饱和的硼酸溶液中加入氯化钙10-30g，充分溶解后，用碳酸钠将溶液的pH调至6-7，将配制好的溶液放置在4-8℃下预冷；
6、将步骤(4)得到的混合液滴入步骤(5)配制的交联剂中制备成2-5mm的微球，4-8℃下静置12-36小时；
7、将所得的微球用0.9Wt％NaCl去离子水洗涤2-3次，得到微生物微球；
8、将微生物微球置于4-8℃下保存备用。
实施例6
1、每1L水中加入100g的醇解度(摩尔分数)≥99％的聚乙烯醇和5g的海藻酸钠，并置于95℃的热水中进行水浴，至聚乙烯醇和海藻酸钠充分溶解；
2、往步骤(1)溶解后的液体中加入10g的粒径小于0.075mm的活性炭粉末和10g的粒径为0.044mm的磁铁粉，充分混匀；
3、步骤(2)中制成的混合液冷却至室温，将60g菌泥(水解菌、脱氮菌等功能微生物)用20ml 0.9wt％氯化钠去离子水悬浮后加入到混合液中，充分混匀；
4、用纱布过滤步骤(3)混匀后的混合液，去除混合液中颗粒较大的杂质；
5、配制硼酸-氯化钙交联剂：配制饱和硼酸溶液，每升饱和的硼酸溶液中加入氯化钙10-30g，充分溶解后，用碳酸钠将溶液的pH调至6-7，将配制好的溶液放置在4-8℃下预冷；
6、将步骤(4)得到的混合液滴入步骤(5)配制的交联剂中制备成2-5mm的微球，4-8℃下静置12-36小时；
7、将所得的微球用0.9wt％NaCl去离子水洗涤2-3次，得到微生物微球；
8、将微生物微球置于4-8℃下保存备用。
对比例1
1、每1L水中加入60g的醇解度(摩尔分数)≥99％的聚乙烯醇和10g的海藻酸钠，并置于95℃的热水中进行水浴，至聚乙烯醇和海藻酸钠充分溶解；
2、往步骤(1)溶解后的液体中加入20g的粒径小于0.075mm的活性炭粉末，充分混匀；
3、步骤(2)中制成的混合液冷却至室温，将60g菌泥(水解菌、脱氮菌等功能微生物)用20ml 0.9wt％氯化钠去离子水悬浮后加入到混合液中，充分混匀；
4、用纱布过滤步骤(3)混匀后的混合液，去除混合液中颗粒较大的杂质；
5、配制硼酸-氯化钙交联剂：配制饱和硼酸溶液，每升饱和的硼酸溶液中加入氯化钙10-30g，充分溶解后，用碳酸钠将溶液的pH调至6-7，将配制好的溶液放置在4-8℃下预冷；
6、将步骤(4)得到的混合液滴入步骤(5)配制的交联剂中制备成2-5mm的微球，4-8℃下静置12-36小时；
7、将所得的微球用0.9wt％NaCl去离子水洗涤2-3次，得到微生物微球；
8、将微生物微球置于4-8℃下保存备用。
上述制备方法与实施例1的区别仅在于，所制备的微生物微球载体成分中未添加磁铁粉。所制备的微生物微球与实施例1制备的微生物微球相比，机械强度差、使用寿命短、处理效率低。
对比例2
采用实施例1所述的微生物微球制备方法制备微生物微球，区别在于，所制备的微生物微球载体成分中以铁粉替代磁铁粉。
1、每1L水中加入60g的醇解度(摩尔分数)≥99％的聚乙烯醇和10g的海藻酸钠，并置于95℃的热水中进行水浴，至聚乙烯醇和海藻酸钠充分溶解；
2、往步骤(1)溶解后的液体中加入20g的粒径小于0.075mm的活性炭粉末和20g的粒径为0.044mm的铁粉(又名还原铁粉，化学式：Fe)，充分混匀；
3、步骤(2)中制成的混合液冷却至室温，将60g菌泥(水解菌、脱氮菌等功能微生物)用20ml 0.9wt％氯化钠去离子水悬浮后加入到混合液中，充分混匀；
4、用纱布过滤步骤(3)混匀后的混合液，去除混合液中颗粒较大的杂质；
5、配制硼酸-氯化钙交联剂：配制饱和硼酸溶液，每升饱和的硼酸溶液中加入氯化钙10-30g，充分溶解后，用碳酸钠将溶液的pH调至6-7，将配制好的溶液放置在4-8℃下预冷；
6、将步骤(4)得到的混合液滴入步骤(5)配制的交联剂中制备成2-5mm的微球，4-8℃下静置12-36小时；
7、将所得的微球用0.9Wt％NaCl去离子水洗涤2-3次，得到微生物微球；
8、将微生物微球置于4-8℃下保存备用。
上述制备方法与实施例1的区别仅在于，所制备的微生物微球载体成分中以铁粉替代磁铁粉。所制备的微生物微球与实施例1制备的微生物微球相比，机械强度差、使用寿命短、处理效率低。
将上述实施例1～6以及对比例1～2进行对比，具体对比情况见下表：
应用例1微生物微球在处理工业污水中的应用
采用厌氧-微氧-缺氧-好氧工艺对某污水处理厂污水进行处理试验，该污水处理厂以工业污水为主，其中，印染污水体积占工业污水体积的70％。
将实施例1制备获得的微生物微球投入反应池中，投加量为ABFT池体积的2～10％；其中，在厌氧池投加的微生物微球中固定的是水解菌和缺氧池中投加的微生物微球中固定的是嗜麦芽寡养单胞菌CM-NRD3；在微氧池和好氧池投加的微生物微球中固定的是亚硝化单胞菌CM-NRO14和好氧降COD微生物。微生物微球投加后需驯化24小时，驯化过程为：初始进水为原水浓度的30％(需处理的污水用河水或自来水水稀释)，进水中原水所占的比例逐步增加，最后的浓度逐步提高至100％。
污水处理过程中，运行条件及参数为：温度20～40℃，pH值为6～9；水力停留时间分别为：厌氧池5h，微氧池6h、缺氧池5h、好氧池10h。DO(溶解氧)：厌氧池DO＜0.2mg/L，微氧池0.5-2.0mg/L，缺氧池0.2-0.5mg/L，好氧池2.0-4.0mg/L。
污水处理过程中保持连续进出水，并检测进出水中氨氮、CODcr、TN等指标的含量。进水CODcr 800-1000mg/L，出水CODcr保持在100-150mg/L，去除率大于85％；进水氨氮为50-70mg/L，出水氨氮为1-5mg/L，去除率大于95％；进水TN为60-80mg/L，出水TN为5-15mg/L，去除率大于80％；详见附图2。
应用例2微生物微球在处理市政污水中的应用
采用曝气生物流化床(ABFT)工艺应用于对市政污水进行处理；
将实施例2制备获得的微生物微球投入ABFT池内，投加量为ABFT池体积的2-10％；微生物微球中固定的微生物包括：嗜麦芽寡养单胞菌CM-NRD3、水解菌、亚硝化单胞菌CM-NRO14和好氧降COD微生物。
微生物微球投加后需驯化24小时，驯化过程为：初始进水为原水浓度的50％(需处理的污水用河水或自来水水稀释)，进水中原水所占的比例逐步增加，最后的浓度逐步提高至100％。
运行条件及参数为：温度20～40℃，pH值为6～9；水力停留时间为9h；DO(溶解氧)为0.5-2.0mg/L。
污水处理过程中保持连续进出水，检测进出水中氨氮、CODcr、TN等指标的含量。进水氨氮在30-70mg/L，出水氨氮在0.5-5mg/L平均去除率高于95％；进水总氮为40-80mg/L，出水总氮降至5-12mg/L，平均去除率达到75％，与一般污水处理厂总氮去除率40％-60％相比有明显提高；进水CODcr为300-600mg/L的负荷下，出水CODcr维持在5-50mg/L，平均去除率高于90％；见附图3。
Claims (1)
1.一种微生物微球在处理工业污水和市政污水中的应用，所述的微生物微球包括载体和附着在载体上的微生物，所述载体以聚乙烯醇和海藻酸钠为包埋材料，其特征在于，所述载体包含磁铁粉和活性炭粉末；
所述微生物微球的制备方法为：
(1)每1L水中加入60g的醇解度≥99％的聚乙烯醇和10g的海藻酸钠，并置于95℃的热水中进行水浴，至聚乙烯醇和海藻酸钠充分溶解；
(2)往步骤(1)溶解后的液体中加入20g的粒径小于0.075mm的活性炭粉末和20g的粒径为0.044mm的磁铁粉，充分混匀；
(3)步骤(2)中制成的混合液冷却至室温，将60g菌泥用20ml 0.9wt％氯化钠去离子水悬浮后加入到混合液中，充分混匀；
(4)用纱布过滤步骤(3)混匀后的混合液，去除混合液中颗粒较大的杂质；
(5)配制硼酸-氯化钙交联剂：配制饱和硼酸溶液，每升饱和的硼酸溶液中加入氯化钙10-30g，充分溶解后，用碳酸钠将溶液的pH调至6-7，将配制好的溶液放置在4-8℃下预冷；
(6)将步骤(4)得到的混合液滴入步骤(5)配制的交联剂中制备成2-5mm的微球，4-8℃下静置12-36小时；
(7)将所得的微球用0.9wt％NaCl去离子水洗涤2-3次，得到微生物微球。
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