CN104894099B

CN104894099B - 一种水质净化用细菌固定化颗粒及其制备方法

Info

Publication number: CN104894099B
Application number: CN201510322066.7A
Authority: CN
Inventors: 黄薇; 宋永康; 林代炎; 陈丽华; 刘文静; 王命福
Original assignee: Fuzhou Honghui Environmental Protection Science & Technology Co ltd; CENTRAL LABORATORY FUJIAN ACADEMY OF AGRICULTURAL SCIENCES
Current assignee: Fuzhou Honghui Environmental Protection Science & Technology Co ltd; CENTRAL LABORATORY FUJIAN ACADEMY OF AGRICULTURAL SCIENCES
Priority date: 2015-06-12
Filing date: 2015-06-12
Publication date: 2017-07-14
Anticipated expiration: 2035-06-12
Also published as: CN104894099A

Abstract

本发明公开了一种水质净化用细菌固定化颗粒及其制备方法，属于水处理技术领域。先用活性炭、硅藻土、壳聚糖乙酸溶液絮凝制成细菌浓缩液，再向浓缩液中加入硅藻土、膨润土、二氧化硅以及聚乙烯醇和海藻酸钠混合溶液，搅拌，造粒机造粒制得细菌固定化颗粒。本发明制得的细菌固定化颗粒生物活性强、含菌量高（5×10⁹~1×10¹⁰CFU/g），启动时间短，反应速度快，有适合细菌附着生长和传质的蜂窝状结构（比表面积为100~300m²/g），能长久固定细菌，阻止外界有害物质的侵害，可持久、高效地治理各种不同环境水质污水。同时，整个细菌固定化颗粒制备过程可实现工业化生产，制备得到的颗粒机械性能好，使用寿命长，便于存储和运输。

Description

一种水质净化用细菌固定化颗粒及其制备方法

技术领域

本发明属于水处理技术领域，具体涉及一种水质净化用细菌固定化颗粒及其制备方法。

背景技术

固定化微生物技术是利用物理或化学的手段将游离微生物细胞限制于一定空间区域内，使微生物保持高密度和活性并可反复利用的方法。与传统的游离微生物处理法相比，固定化微生物技术可大幅度提高微生物浓度，使微生物不易流失和污染，利用时间长，抗毒性和耐受力明显增加，且固液分离容易，二次污染少。这些优点使得固定化微生物技术在水处理领域中具有广阔的应用前景。

目前，细菌固定化技术最为常见的是多孔介质包埋法和吸附法。常用的包埋载体主要有琼脂、海藻酸钠（SA）、聚乙烯醇（PVA）、聚丙烯酰胺（ACAM）等。包埋法具有成本低、制备的小球易于成形、传质性能好、细胞暴露少，外面的细胞难以进入等优点，但高浓度的凝胶在与高浓度细胞悬浮液充分混合的过程，会使细胞受到很高的剪切作用，易导致细菌细胞大量死亡。且现有的包埋方法大都是采用滴注法，产量非常有限，且颗粒大小极难控制，无法实现批量生产，同时还存在水溶膨胀严重、颗粒内部微生物浓度低、沉降性能差易被水气冲走等缺点。

吸附法又称载体结合法，常用的吸附载体主要有活性炭、矿渣、陶粒、硅藻土、矿石、石英砂、高岭土等。该方法的优点是操作简单、反应温和、载体可重复利用；缺点是结合不牢固、细胞易脱落、固定的细菌数量受载体种类及其表面积的限制。

此外，常规的固定技术使用的细菌菌液基本上是原始培养液，单位水体中的有效菌含量相对较低（10⁹CFU/mL）。目前，细菌浓缩收集技术主要有离心法、过滤法以及絮凝沉淀法。其中离心法与过滤法因设备投资高、能耗大，在批量生产时应用较少。絮凝是一种行之有效的水体微生物浓缩技术，并逐步代替以往的浓缩方法。常规的絮凝法虽然浓缩效果可与离心法相媲美，但絮凝剂的残留会降低菌细胞的活性。因此，进一步开发一种工艺简便、成本低下、浓缩菌生物活性高，适用细菌固定化的菌浓缩方法，对固定化细菌的工业化生产和应用具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于针对现有细菌固定化颗粒的制备方法难以实现工业化生产，制备得到的细菌固定化颗粒含菌量较低、细菌活性不高、易受外界环境侵害、使用寿命短以及颗粒机械性能差、沉降性能弱、易流失等问题，提供一种水质净化用细菌固定化颗粒及其制备方法，经本发明方法制得的细菌固定化颗粒能有效维持高浓度的细菌量和生物活性，耐毒害能力增强，启动时间短，反应速度快，微生物流失少，能高效、持久、稳定地处理各类污水；同时本发明的制备工艺简单，可高效率批量生产且机械性能好的细菌固定化颗粒。本发明解决的问题是

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种水质净化用细菌固定化颗粒，按照质量份数计，包括以下原料：对数生长后期的细菌菌液2000~2400份、活性炭200~250份、硅藻土300~400份、壳聚糖乙酸溶液15~25份、聚乙烯醇和海藻酸钠的混合液750~810份、钠基膨润土80~120份、二氧化硅80~120份。通过对制作材料的选择与配比，控制细菌固定化颗粒的内部孔隙度和通透性，使细菌更适合附着生长，减少高浓度有害物质的侵害，同时进一步提高颗粒的传质性能、机械性能与比重（适用于处理不同环境污水的颗粒沉降性能）。

所述的壳聚糖乙酸溶液其浓度为12wt%；所述的聚乙烯醇和海藻酸钠的混合液中，聚乙烯醇浓度为15wt%，海藻酸钠的浓度为0.75wt%。

一种制备如上所述的水质净化用细菌固定化颗粒的方法，包括以下步骤：

（1）将200~250份活性炭、50~100份硅藻土加入到2000~2400份对数生长后期的细菌菌液中，搅拌吸附20~60min，制得微生物菌液；

（2）将15~25份壳聚糖乙酸溶液加入到步骤（1）制得的微生物菌液中，先快速搅拌20~30 min，再缓慢搅拌30~60 min，然后静置4~6 h，再用虹吸管吸掉上清液，所得沉淀即为细菌浓缩液；

（3）将250~300份硅藻土、80~120份钠基膨润土以及80~120份二氧化硅加入到步骤（2）制得的细菌浓缩液中，搅拌20~30 min，得到细菌混合物料；

（4）将750~810份聚乙烯醇和海藻酸钠混合溶液加入到步骤（3）得到的细菌混合物料中，将物料搅拌均匀；

（5）运用造粒机对步骤（4）得到的细菌混合物料进行造粒，即得到细菌颗粒；

（6）将步骤（5）得到的细菌颗粒分别置于含2wt%CaCl₂和4wt%硼酸混合溶液中交联4~6 h，转移至0.5 mol/L Na₂SO₄溶液中继续交联8~12 h，取出颗粒用蒸馏水清洗，放入30~40℃烘箱中连续干燥36~48 h，常温保存，即得细菌固定化颗粒。

步骤（2）中所制得的细菌浓缩液其细菌浓度为2×10¹⁰~5×10¹⁰CFU/mL。

步骤（4）中采用搅拌机将物料搅拌均匀，搅拌转速为60~70r/min，搅拌时间为5~10min。

步骤（6）所制得的细菌固定化颗粒外形为圆柱形，粒径为5~7 mm，粒长为1~2 cm，重量为0.4~1.0 g，比表面为100~300 m²/g，含菌量为5×10⁹~1×10¹⁰CFU/g。

其中，活性炭与硅藻土作用温和、化学性质稳定、对细菌具有极强的吸附能力。采用活性炭与硅藻土混合使用，形成不同孔径，可以对不同长度大小的细菌进行吸附，提供合适的繁殖和传质空间，同时避免后续乙酸、硼酸等化学试剂对细菌的毒性，持久维持被吸附细菌的生物活性。此外，活性炭和硅藻土对细菌进行吸附，可以改变发酵液的过滤特性，有助于提高壳聚糖的絮凝能力。

所述细菌菌液采用对数生长后期的细菌，保证了细菌的高生物活性。

壳聚糖乙酸溶液中的壳聚糖长分子链能够网捕、絮凝大的颗粒，便于细菌从发酵液中分离。采用先吸附再用壳聚糖絮凝的方法也为细菌浓缩液的工业化生产提供了新的方法。同时壳聚糖粘附在活性炭和硅藻土的孔径内表面，能极大提高载体对细菌的吸附能力，减少外部有害物质的侵害以及部分培养基中的营养物质在絮凝过程中与细菌絮凝在一起，能帮助快速活化细菌固定化颗粒。

钠基膨润土具有粘结力强、流动性好、可塑性性高、透气性优等特点，能帮助细菌固定化颗粒造粒成形，稳定膨胀系数，使颗粒的膨胀系数控制在1.1~1.3。此外，钠基膨润土也具有吸附性，可以提供更大的比表面积吸附细菌。

二氧化硅的作用是帮助加速颗粒的硬化速度，提高颗粒机械性能，减少颗粒在化学试剂中的交联时间。在增强细菌颗粒机械性能的同时，减少细菌的生物活性损失，延长细菌颗粒的使用寿命，同时由于二氧化硅的比重较大，可以调节颗粒的沉降性能。

运用750~810份的15wt%PVA（聚乙烯醇）和+0.75wt%SA（海藻酸钠）对活性炭200~250份、硅藻土300~400份、12wt%壳聚糖乙酸溶液15~25份、膨润土80~120份、二氧化硅80~120份以及细菌浓缩液进行包埋。当15wt%PVA+0.75wt%SA<750份，制备的细菌颗粒粘结性不好，容易散开；当15wt%PVA+0.75wt%SA>810份，细菌混合物料粘结成糊状，无法造粒。同时由于15wt%PVA+0.75wt%SA太稠，所以细菌混合物料的搅拌时间为5~10 min，搅拌转速为60~70r/min，当搅拌时间<5 min或搅拌转速<60 r/min时，混合物料均不容易均匀。

2wt%CaCl₂+4wt%硼酸溶液通过脱水作用使得PVA分子内的氢键，微晶区以及大分子链间的缠结形成网络完成交联过程。细菌颗粒在2wt%CaCl₂+4wt%硼酸溶液中交联4~6 h。当交联时间<4 h，细菌颗粒的机械强度较差；当细菌交联时间>6 h，细菌活性损失较大。

细菌颗粒在0.5 mol/L Na₂SO₄交联8~12 h，可以将硫酸盐离子与PVA未反应完全的羟基继续反应，提高颗粒的机械强度。但当交联时间<8 h，细菌颗粒的弹性较差，膨胀系数偏大，容易出现颗粒破碎、变形现象；但当交联时间>12 h，细菌表面越致密，传质阻力增大，细菌活性损失较大。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点：

（1）运用先吸附再絮凝的细菌浓缩方法，可以改变发酵液的过滤特性，降低发酵液工业化收菌的困难，浓缩后的细菌可以有效抵抗环境有害物质对细菌的毒性，保持被吸附细菌的生物活性，可运用各种不同的水质处理环境；

（2）用于包埋的细菌菌液浓度高达2×10¹⁰~5×10¹⁰CFU/mL，且所用材料均对细菌有固定作用，制备得到的细菌固定化颗粒含菌量高，可达到5×10⁹~1×10¹⁰CFU/g；

（3）本发明的制备工艺简单，可以运用造粒机直接制备细菌固定化颗粒，适合于工业化生产；

（4）按本发明所选材料与配比制备的细菌固定化颗粒内部有适合细菌附着生长和传质的蜂窝状结构，能长久有效固定细菌，减少细菌流失，同时阻止外界有害物质的侵入，是颗粒中细菌保持高的生物活性和菌量，缩短反应启动时间，提高反应速率，增强处理效果的稳定性；

（5）本发明制备的细菌固定化颗粒具有优越的机械强度性能，膨胀系数小，弹性好，不易破碎、磨损、变形，沉降性能好，使用寿命长，便于存储和运输。

附图说明

图1 为枯草芽孢杆菌固定化颗粒的扫描电镜照片。

具体实施方式

下面结合实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

细菌菌液：枯草芽孢杆菌菌液。

枯草芽孢杆菌固定化颗粒的制备方法，包括如下制备步骤：

（1）将1.6 kg活性炭、0.4 kg硅藻土加入到18 L对数生长后期的细菌菌液中，搅拌吸附20 min，制得枯草芽孢杆菌菌液；

（2）将160 mL 12wt%壳聚糖乙酸溶液加入到步骤（1）制得的微生物菌液中，先快速搅拌20 min，再缓慢搅拌30 min，然后静置6 h，再用虹吸管吸掉上清液，制成3.8 kg的细菌浓缩液；

（3）将2.4 kg硅藻土、0.8 kg钠基膨润土以及0.8 kg二氧化硅加入到步骤（2）制备的细菌浓缩液中，搅拌20min；

（4）将6.24 L（15wt%PVA+0.75wt%SA）混合溶液加入到步骤（3）得到的细菌混合物料中，采用搅拌机搅拌物料，搅拌转速为60 r/min，搅拌时间为10 min；

（6）将步骤（5）得到的细菌颗粒分别置于含2wt%CaCl₂+4wt%硼酸溶液中交联4 h，转移至0.5 mol/L Na₂SO₄中继续交联10 h，取出颗粒用蒸馏水清洗，放入30℃烘箱连续干燥36h，常温保存，即得细菌固定化颗粒。

所得细菌固定化颗粒外形为圆柱形，粒径为6 mm左右，粒长为1 cm，平均重量为0.41 g左右，比表面积约为187 m²/g，密度约为1.45 g/cm³，含菌量约为7.2×10⁹ CFU/g，氧吸收速率0.35 mg/(g﹒min)，相对生物活性为71%，膨胀系数1.15。连续运行使用三个月后，颗粒的氧吸收速率0.32 mg/(g﹒min)，相对生物活性为65%，膨胀系数1.21，颗粒未出现破碎、变形现象。

取6 kg枯草芽孢固定化颗粒，装填于圆筒状空铁桶内，放置于养猪场沼液污水池中，进行曝气处理10d，处理情况参见表1。

表1

实施例2

微生物菌液为枯草芽孢杆菌、苏云金芽孢杆菌，酵母菌、光合细菌混合液。

混合细菌固定化颗粒的制备方法，包括如下制备步骤：

（1）将200 g活性炭、50 g硅藻土加入到2L对数生长后期的细菌混合菌液（枯草芽孢杆菌、苏云金芽孢杆菌、酵母菌、光合细菌混合比例为2:1:1:1）中，搅拌吸附20min，制得微生物菌液；

（2）将20 mL12wt%壳聚糖乙酸溶液加入到步骤（1）所制得的微生物菌液中，先快速搅拌20 min，再缓慢搅拌30 min，静置6 h，再用虹吸管吸掉上清液，制成450 g的细菌浓缩液；

（3）将300 g硅藻土、100 g钠基膨润土以及100 g二氧化硅加入到步骤（2）制备的细菌浓缩液中，搅拌20min；

（4）将780 mL（15wt%PVA+0.75wt%SA）混合溶液加入到步骤（3）得到的细菌混合物料中，采用搅拌机搅拌物料，搅拌转速为70 r/min，搅拌时间为5 min；

（6）将步骤（5）得到的细菌颗粒分别置于含2wt%CaCl₂+4wt%硼酸溶液中交联4 h，转移至0.5 mol/L Na₂SO₄中继续交联10 h，取出颗粒用蒸馏水清洗，放入37℃烘箱连续干燥48h，常温保存，即得细菌固定化颗粒。

所得细菌固定化颗粒外形为圆柱形，粒径为6 mm左右，粒长为1.5 cm，平均重量为0.62 g左右，比表面积约为213 m²/g，密度约为1.46 g/cm³，含菌量约为5.7×10⁹ CFU/g，氧吸收速率0.41 mg/(g﹒min)，相对生物活性为82%，膨胀系数1.12。连续运行使用三个月后，颗粒的氧吸收速率0.38 mg/(g﹒min)，相对生物活性为76%，膨胀系数1.15，颗粒未出现破碎、变形现象。

取100 g制备的细菌固定化颗粒，放置于20L水族箱中，水族箱中15L的水量，5 cm大小的鱼5尾，14天不换水，水族箱中水质情况参见表2。

表2

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims

1.一种水质净化用细菌固定化颗粒的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）将200~250 份活性炭、50~100 份硅藻土加入到2000~2400 份对数生长后期的细菌菌液中，搅拌吸附20~60min，制得微生物菌液；

（2）将15~25 份壳聚糖乙酸溶液加入到步骤（1）制得的微生物菌液中，先快速搅拌20~30 min，再缓慢搅拌30~60 min，然后静置4~6 h，再用虹吸管吸掉上清液，所得沉淀即为细菌浓缩液；

（3）将250~300 份硅藻土、80~120 份钠基膨润土以及80~120 份二氧化硅加入到步骤（2）制得的细菌浓缩液中，搅拌20~30 min，得到细菌混合物料；

（4）将750~810 份聚乙烯醇和海藻酸钠混合溶液加入到步骤（3）得到的细菌混合物料中，将物料搅拌均匀；

（6）将步骤（5）得到的细菌颗粒分别置于含2wt%CaCl2和4wt% 硼酸混合溶液中交联4~6h，转移至0.5 mol/L Na2SO4溶液中继续交联8~12 h，取出颗粒用蒸馏水清洗，放入30~40℃烘箱中连续干燥36~48 h，常温保存，即得细菌固定化颗粒。

2.根据权利要求1所述的水质净化用细菌固定化颗粒的制备方法，其特征在于：步骤（2）中所制得的细菌浓缩液其细菌浓度为2×10¹⁰~5×10¹⁰CFU/mL。

3.根据权利要求1所述的水质净化用细菌固定化颗粒的制备方法，其特征在于：步骤（4）中采用搅拌机将物料搅拌均匀，搅拌转速为60~70r/min，搅拌时间为5~10min。

4. 根据权利要求1所述的水质净化用细菌固定化颗粒的制备方法，其特征在于：步骤（6）所制得的细菌固定化颗粒外形为圆柱形，粒径为5~7 mm，粒长为1~2 cm，重量为0.4~1.0g，比表面为100~300 m²/g，含菌量为5×10⁹~1×10¹⁰CFU/g。