CN104694527A - 一种以聚氨酯海绵为载体固定类芽孢杆菌强化人工湿地处理生活污水的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种以聚氨酯海绵为载体固定类芽孢杆菌强化人工湿地处理生活污水的方法，属于环保技术领域。该方法包括载体的预处理，固定化类芽孢杆菌的制备以及对生活污水中氮、磷的去除。该载体具有多孔性、亲水性与强吸附性的特性。固定化该载体可以有效吸附固定类芽胞杆菌，显著提高固定化类芽胞杆菌对水中氮、磷的去除能力，并适用于在人工湿地系统中应用，适用于对多种污水进行生物处理。

Description

一种以聚氨酯海绵为载体固定类芽孢杆菌强化人工湿地处理生活污水的方法

技术领域

本发明属于环保技术领域,涉及一种以聚氨酯海绵为载体固定类芽孢杆菌强化人工湿地处理生活污水的方法。

背景技术

固定化微生物技术是20世纪60年代由固定化酶技术发展的一项技术。该技术是利用化学或物理手段将游离的微生物或酶，固定于限定的空间区域并使其保持活性的一种基本技术，已广泛应用于生物工程领域。与游离微生物技术相比，固定化微生物技术具有以下的优点：实验速度快；便于培养优势微生物种群；微生物密度高、流失量少；处理过程的稳定性高；对环境耐受力强(如pH、温度、有机溶剂、有毒物质)；固液分离效果好；处理过程便于控制。基于这些优点，固定化微生物技术逐渐成为国内外生物科学及相关学科研究的热点。

20世纪70年代，水污染问题日趋严重，固定化微生物技术开始应用于废水处理领域。微生物的固定化方法分类很多，包括吸附法、包埋法、交联法、自固定化法、介质截留法以及最近发展起来的复合固定化法。但在实际应用过程中，现有的固定化技术又有各自的局限性和缺点。吸附法是利用微生物具有的可吸附到固体物质或其他细胞表面的能力，将其固定到吸附剂表面的方法。其操作简单，固定化过程对微生物活性的影响小，实验条件温和。常见的吸附固定化载体有活性炭、硅胶、多孔玻璃、碎石、硅藻土、焦炭、多孔砖、聚氨酯海绵等。其中聚氨酯载体具有孔径大、比表面积大、机械强度高、生物相容性好及成本低等特点，呈悬浮状态，协调微生物固相、液相以及气相为一体，且微生物的代谢以及营养物质的传递使得生物膜处于一种动态平衡，从而使得系统具备很好的氨氮和总氮去除效果，因而聚氨酯载体是一种理想的生物载体。

在人工湿地系统中，微生物是污染物去除的主要承担者，因此提高人工湿地去污能力的关键是提高其内部微生物的作用。通过增加外源微生物，来提高湿地微生物数量，可以有效的弥补湿地微生物随动态水体流动而造成的流失。因此为了更好的发挥外源微生物的作用，在进行微生物强化时，对外源微生物进行固定化处理是很有必要的。类芽孢杆菌是芽孢杆菌中具有较大应用潜力的菌种之一。近年来，类芽孢杆菌在植物病害防治、环境污染防治两方面具有广泛的应用，可用来制备处理高难度废水的微生物制剂。

目前已有学者将聚氨酯海绵生物载体应用于微污染水处理过程中，取得了良好的脱碳脱氮效果。然而，并未有人将聚氨酯海绵固定化微生物应用到人工湿地中，以此来强化人工湿地处理生活污水。该方法在人工湿地中的应用将大大增强人工湿地处理效果，对完善人工湿地技术有一定的现实意义，同时人工湿地出水可作为景观用水，对水资源的可持续发展利用具有重大意义。

发明内容

本发明的目的在于：提供了一种以聚氨酯海绵为载体固定类芽孢杆菌处理生活污水的方法。所述的载体具有多孔性、亲水性与强吸附性的特性。该载体可以有效吸附固定类芽胞杆菌，显著提高类芽胞杆菌对水中氮、磷的去除能力，并适用于在人工湿地系统中应用，适用于对多种污水进行生物处理。

一种以聚氨酯海绵为载体固定类芽孢杆菌强化人工湿地处理生活污水的方法，包括步骤如下：

1)将聚氨酯海绵在蒸馏水中浸泡20-24h，50-60℃下烘干后，备用；

2)在上述处理后的聚氨酯海绵载体上接种微生物菌液，培养，得固定化微生物；

3)将固定化微生物在厌氧条件下培养；

4)将上述厌氧培养的固定化微生物加入到人工湿地系统中，处理生活污水。

优选的是，步骤1)中，所述聚氨酯海绵裁剪为2cm×3cm×3cm的长方体小块。

优选的是，步骤2)中，所述的培养条件为：温度为30℃、转速为110r/min的条件下，振荡培养24h。

优选的是，步骤2)中，所述的微生物为类芽孢杆菌。

优选的是，步骤2)中，所述的类芽孢杆菌为灿烂类芽孢杆菌Paenibacillus lautus。

优选的是，步骤3)中，所述厌氧条件下培养的具体步骤为锥形瓶下端烧制一个取样口，用硅胶塞封住，锥形瓶上端用带有进气和出气两根导管的橡胶塞封住，用橡胶管连接通入氮气，将装置置于恒温水浴锅中控制温度30℃，每次接种固定化菌株后，进行15min氮吹。

优选的是，步骤3)中，所述人工湿地系统是芦苇人工湿地系统。

根据本发明，以聚氨酯海绵为载体固定类芽孢杆菌的具体步骤如下：

(1)载体的预处理

将大块的聚氨酯海绵剪成2cm×3cm×3cm的长方体小块，每块海绵体积约为18cm³。充分清洗后在蒸馏水中浸泡24h，期间换水若干次，之后将海绵小块于50℃下烘干，放入干燥器中储存备用。

(2)类芽孢杆菌的固定

取一定量的载体，放入500mL富集培养基中，接种定量的类芽孢杆菌菌液，在温度为30℃、转速为110r/min的条件下，振荡培养24h后，即得到固定化微生物1份。

(3)固定化载体的厌氧培养

使用前，对固定化载体进行厌氧培养：在1L的锥形瓶下端烧制一个取样口，用硅胶塞封住，锥形瓶上端用带有进气和出气两根导管的橡胶塞封住，用橡胶管连接通入氮气，将装置置于恒温水浴锅中控制温度30℃，每次接种的固定化菌株在使用前进行15min氮吹。

根据上述方法，得到的载体表面多孔性良好，可以吸附固定微生物。所述的聚氨酯海绵载体是一种海绵塑料。所述的类芽孢杆菌为灿烂类芽孢杆菌(Paenibacillus lautus)。

根据本发明，以聚氨酯海绵为载体固定类芽孢杆菌强化人工湿地处理生活污水的具体步骤如下：

a.将厌氧培养的固定化类芽胞杆菌加入到芦苇人工湿地系统中，将人工湿地系统中注入实际生活污水。

b.每天固定时间取出水水样，检测出水N、P污染物的浓度是否达到《城市污水再生利用——景观环境用水水质》(GB/T18921-2002)的要求。

根据本发明的上述步骤，利用固定化微生物对湿地的强化作用，有效降低生活污水中的有机物、氮、磷等污染物的含量，使N、P含量指标达到《城市污水再生利用——景观环境用水水质》(GB/T18921-2002)的要求。

附图说明

图1为制备固定化类芽胞杆菌的厌氧培养装置。

其中，1氮气罐；2阀门；3输气管；4锥形瓶；5聚氨酯海绵；6菌液。

图2为固定化类芽胞杆菌在实验室反硝化培养液中的COD和氮的持续处理效果。

图3为固定化类芽胞杆菌强化人工湿地处理生活污水对TP的持续处理效果。

其中，S1为不加固定化类芽孢杆菌，不加菌悬液；S2为不加固定化类芽胞杆菌，加菌悬液；S3为加固定化类芽孢杆菌。

图4为固定化类芽胞杆菌强化人工湿地处理生活污水对TN的持续处理效果。

其中，S1为不加固定化类芽孢杆菌，不加菌悬液；S2为不加固定化类芽胞杆菌，加菌悬液；S3为加固定化类芽孢杆菌。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的说明。实施例用于说明本发明内容，而不是限定本发明内容。

实施例1以聚氨酯海绵为载体固定类芽孢杆菌的制备

(1)所使用的培养液

反硝化培养液(DM：Denitrifying Medium)(/L)：CH₃COONa，2g；KH₂PO₄，0.4g；MgSO₄·7H₂O，0.6g；CaCl₂·2H₂O，0.07g；KNO₃，1g；Tris缓冲液12mL；微量元素2mL；pH控制在7.0～7.2。使用前，121℃，灭菌20分钟。

LB培养基：蛋白胨5g；酵母膏2.5g；NaCl 5g，蒸馏水500mL；琼脂1.2％～2％。pH＝7.2。

(2)所使用的菌株

将LB培养基斜面上保存的灿烂类芽胞杆菌用接种环刮取1环菌苔，接种入装有200mlLB培养液的锥形瓶中，30℃恒温培养箱静置培养12h，5000rpm离心15min，得到浓缩的菌体细胞，无菌水稀释后按1.5g湿菌体/L配制菌悬液，4℃保存。

(3)载体的预处理

将大块的聚氨酯海绵剪成2cm×3cm×3cm的长方体小块，每块海绵体积约为18cm³。充分清洗后在蒸馏水中浸泡24h，期间换水若干次，之后将海绵小块于50℃下烘干，放入干燥器中储存备用。

(4)类芽孢杆菌的固定

取一定量的载体，放入500mL LB培养基中，接种定量的类芽胞杆菌菌液，细菌数量不少于10⁹CFU/ml，在温度30℃、转速110r/min的条件下，振荡培养24h后，即得到固定化微生物1份。

(5)固定化载体的厌氧培养

使用前，对固定化载体进行厌氧培养，装置如图1所示。在1L的锥形瓶下端烧制一个取样口，用硅胶塞封住，锥形瓶上端用带有进气和出气两根导管的橡胶塞封住，用橡胶管连接通入氮气，将装置置于恒温水浴锅中控制温度30℃，每次接种的固定化菌株在使用前进行15min氮吹。

实施例2以聚氨酯海绵为载体固定类芽孢杆菌在最佳脱氮条件下的脱氮性能

在厌氧培养装置中，在500ml C/N为4培养液中，投加7块聚氨酯海绵固定化的类芽胞杆菌，以24小时为一个反应周期，进行了5个周期的序批式实验，即每隔24h取培养液并更换培养液。所取培养液在0.22μm的滤膜下抽滤，测定滤液中硝酸盐氮和亚硝酸盐氮的含量。实验结果见图1。

从图2中可以看出，随着反应时间的增加，COD的去除效果在第3天开始出现波动，去除率在38％～56％之间；TN的去除率相对稳定，在68％～79％之间；硝酸盐氮的去除率没有出现大的波动，稳定在82％～89％之间。反应过程中，系统内的亚硝酸盐氮维持在较低水平，没有出现大量的积累。结果表明以聚氨酯海绵作为类芽胞杆菌的固定化载体对污染物的去除有持续效果。

实施例3以聚氨酯海绵为载体固定类芽孢杆菌强化人工湿地处理生活污水的持续脱氮除磷效果

实验装置采用小型人工湿地系统，由PVC材料制成。由圆柱体，出水管，阀门组成。柱体高65cm，直径50cm。在距离底端5cm，25cm，45cm处分别安装有三个出水管。出水管口处以纱布包扎，防止基质填料随水流出堵塞出水口。人工湿地系统内填充有砾石(30cm)，细沙(5cm)，土壤(10cm)，栽种芦苇。实验用水为实际生活污水，其中COD为123-143mg/L、TN为51.9-66.3mg/L、TP为2.35-2.49mg/L。开始前将各人工湿地注满。设置3个试验组，其中S1组为对照组；S2组投加类芽胞杆菌的菌悬液；S2组投加类芽胞杆菌7块。以5天为一个实验周期，每天固定时间取样，对出水水质的N、P浓度进行检测。每个周期结束后，对各湿地进行重新注水，考察各湿地的持续运行效果。

如图3所示，经过五个周期的运行，未投加类芽胞杆菌的S1对TP的去除效果较差，由于进水中的磷负荷相对较高，经过湿地处理后的出水并不能达到回用于景观用水的标准。S2中加入的类芽胞杆菌的菌悬液由于缺少良好的固定，在周期运行的过程中，部分游离的细菌随着出水流失，导致系统内微生物量下降，出水中TP的浓度逐渐升高，去除率从80％降低到70％。加入固定化反硝化细菌的人工湿地，由于该灿烂类芽胞杆菌本身具有一定的聚磷效果，与湿地植物根际土壤中的除磷微生物协同作用，对校园污水中的TP有持续高效的去除效果。去除率稳定在78％-84％之间，出水浓度均在0.23mg/L～0.48mg/L之间，满足《城市污水再生利用——景观环境用水水质》(GB/T 18921-2002)对水质的要求。

如图4所示，加入固定化类芽胞杆菌的人工湿地对校园污水中的TN去除有明显的促进作用，去除率稳定在69％-79％之间，前三个周期的运行出水浓度均小于15mg/L，满足《城市污水再生利用——景观环境用水水质》(GB/T 18921-2002)对水质的要求。随着运行的周期增加，处理效果出现下降，出水浓度略有升高。S2中加入类芽胞杆菌的菌悬液在连续进水放水的五个周期下，每次的菌体都会随水体的排出而有所减少，菌体数量的逐渐减少降低了湿地系统对氨氮和硝酸盐氮等的去除率，相应的导致TN的去除效果由最初的75％逐渐降低到49％。而S1系统中只有湿地植物根际微生物对氮素的去除，在长期运行时，与加菌强化的S2、S3相比效果最差，随着实验周期的延长，去除率也逐渐下降到43％。

固定化类芽胞杆菌的投加提高了人工湿地的对污染物的去除效率，水力停留时间5天时，氮、磷的去除效果显著，处理后的废水达到城市污水再生利用——景观环境用水水质》(GB/T 18921-2002)，实现了生活污水的重复利用。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (7)

1.一种以聚氨酯海绵为载体固定类芽孢杆菌强化人工湿地处理生活污水的方法，其特征是，包括步骤如下：

1)将聚氨酯海绵在蒸馏水中浸泡20-24h，50-60℃下烘干后，备用；

2)在上述处理后的聚氨酯海绵载体上接种微生物菌液，培养，得固定化微生物；

3)将固定化微生物在厌氧条件下培养；

4)将上述厌氧培养的固定化微生物加入到人工湿地系统中，处理生活污水。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1)中，所述聚氨酯海绵裁剪为2cm×3cm×3cm的长方体小块。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2)中，所述的培养条件为：温度为30℃、转速为110r/min的条件下，振荡培养24h。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2)中，所述的微生物为类芽孢杆菌。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤2)中，所述的类芽孢杆菌为灿烂类芽孢杆菌Paenibacillus lautus。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3)中，所述厌氧条件下培养的具体步骤为锥形瓶下端烧制一个取样口，用硅胶塞封住，锥形瓶上端用带有进气和出气两根导管的橡胶塞封住，用橡胶管连接通入氮气，将装置置于恒温水浴锅中控制温度30℃，每次接种固定化菌株后，进行15min氮吹。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3)中，所述人工湿地系统是芦苇人工湿地系统。