CN105505913A - 一种厌氧菌固定化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种厌氧菌固定化方法，包括以下步骤：1)、将包埋材料加入到生长因子溶液中，加热至50～120℃，搅拌均匀，制得混合浆液；包埋材料为海藻酸钠和聚乙烯醇中的至少一种；2)、当混合浆液的温度降至30～45℃后，向混合浆液中加入厌氧菌，搅拌，制成含有厌氧菌的混合浆液；3)、将含有厌氧菌的混合浆液逐滴加入到固化剂中，0～10℃下静置2～24h，得到厌氧菌包埋颗粒；其中，固化剂由氯化钙、滑石粉及饱和硼酸溶液组成；4)、用水或NaCl水溶液冲洗厌氧菌包埋颗粒，获得固定化厌氧菌颗粒；其中，NaCl水溶液中NaCl的质量分数小于等于0.9％。本发明提供的方法，在固化剂中加入了滑石粉，解决了厌氧菌固定化过程中易产生粘连的问题。
Description
技术领域
本发明涉及废水处理技术领域，特别涉及一种厌氧菌固定化方法。
背景技术
随着经济的快速发展以及人口的不断增长，城市生活污水和工业废水的排放量逐年上升，水环境污染的形势十分严峻。目前，厌氧生物处理法是城市生活污水和工业废水处理中普遍采用的一项技术。
厌氧生物处理法是利用厌氧菌将污水中的大分子有机物降解为低分子化合物，进而转化为甲烷、二氧化碳的有机污水处理方法。厌氧生物处理法具有有机物去除率高，处理过程消耗能量少，污泥产量少，对氮、磷等营养物质需求量少等优点。但常规的厌氧生物处理法存在菌种流失严重，菌群繁殖缓慢且反应体系不稳定，易受外界影响等问题。
为解决上述问题，20世纪70年代发展了厌氧菌固定化微生物技术。该技术是将游离微生物限制或定位在某一特定空间范围内，保留其固有的催化活性，且能够被重复和连续使用的现代生物工程技术。在厌氧菌固定化微生物技术中，以包埋法最为常用。包埋法的原理是将生物体细胞截留在水不溶性的凝胶聚合物孔隙的网络中，通过聚合作用或通过离子网络形成，或通过沉淀作用，或通过改变溶剂、温度、pH值使细胞截留。凝胶聚合物的网络可以阻止细胞的泄露，同时能让基质渗入和产物扩散出来。但是通常包埋法在厌氧菌固定化过程中容易存在颗粒粘连的问题，致使不能实现规模化设备生产。
发明内容
本发明实施例公开了一种厌氧菌固定化方法，解决了通常包埋法在厌氧菌固定化过程中易产生粘连的问题，可以实现规模化设备生产。技术方案如下：
一种厌氧菌固定化方法，包括以下步骤：
1)、将包埋材料加入到生长因子溶液中，加热至50～120℃，搅拌均匀，制得混合浆液；其中，
所述包埋材料为海藻酸钠和聚乙烯醇中的至少一种；且在所述包埋材料包括海藻酸钠的情况下，所述海藻酸钠与所述生长因子溶液的比例为0.1:100～5:100g/mL；在所述包埋材料包括聚乙烯醇的情况下，所述聚乙烯醇与所述生长因子溶液的比例为1:100～20:100g/mL；所述生长因子溶液包括：维生素溶液、葡萄糖溶液、酒石酸铵溶液、乙醇溶液中的一种或多种；
2)、当所述混合浆液的温度降至30～45℃后，向混合浆液中加入厌氧菌，搅拌，制成含有厌氧菌的混合浆液；
3)、将含有厌氧菌的混合浆液逐滴加入到固化剂中，0～10℃下静置2～24h，得到厌氧菌包埋颗粒；其中，所述固化剂由氯化钙、滑石粉及饱和硼酸溶液组成，基于所述固化剂的总质量，所述氯化钙的质量分数为1％～20％，所述滑石粉的质量分数为0.1％～1％；
4)、用水或NaCl水溶液冲洗厌氧菌包埋颗粒，获得固定化厌氧菌颗粒；其中，所述NaCl水溶液中NaCl的质量分数小于等于0.9％。
在本发明的一种优选实施方式中，所述包埋材料还包括：密度调节剂；
所述密度调节剂包括：活性炭粉、煤炭粉、硫酸盐矿石粉、硅酸盐矿石粉、碳酸盐矿石粉中的至少一种；所述密度调节剂的粒度为200～500目；所述密度调节剂与所述生长因子溶液的比例为1:100～10:100g/mL；所述硅酸盐矿石粉优选为沸石粉或蒙脱石粉。
在本发明的一种更为优选实施方式中，所述包埋材料为海藻酸钠、聚乙烯醇和密度调节剂三者的混合物。
在本发明的一种更为优选实施方式中，所述海藻酸钠与所述生长因子溶液的比例为0.1:100～3:100g/mL，优选为0.1:100～1:100g/mL。
在本发明的一种更为优选实施方式中，所述聚乙烯醇与所述生长因子溶液的比例为4:100～15:100g/mL，优选为6:100～10:100g/mL。
在本发明的一种更为优选实施方式中，所述密度调节剂与所述生长因子溶液的比例为2:100～8:100g/mL，优选为2:100～5:100g/mL。
在本发明的一种更为优选实施方式中，所述氯化钙的质量分数为3％～15％，优选为5％～10％。
在本发明的一种更为优选实施方式中，所述滑石粉的质量分数为0.2％～0.8％，优选0.4％～0.6％。
本发明实施例还公开了一种由上述厌氧菌固定化方法制备的固定化厌氧菌颗粒。
本发明提供的一种厌氧菌固定化方法，在固化剂中加入了滑石粉，不会干扰原有产品的特性，解决了通常包埋法在厌氧菌固定化过程中易产生粘连的问题，可以实现规模化设备生产。
具体实施方式
本发明提供的一种厌氧菌固定化方法，包括以下步骤：
1)、将包埋材料加入到生长因子溶液中，加热至50～120℃，搅拌均匀，制得混合浆液；其中，
所述包埋材料为海藻酸钠和聚乙烯醇中的至少一种；且在所述包埋材料包括海藻酸钠的情况下，所述海藻酸钠与所述生长因子溶液的比例为0.1:100～5:100g/mL；在所述包埋材料包括聚乙烯醇的情况下，所述聚乙烯醇与所述生长因子溶液的比例为1:100～20:100g/mL；所述生长因子溶液包括：维生素溶液、葡萄糖溶液、酒石酸铵溶液、乙醇溶液中的一种或多种。
在本发明的技术方案中，所述生长因子溶液用于向厌氧菌提供养分，利于固定化后厌氧菌的活化。控制所述包埋材料中的各组分与所述生长因子溶液的比例可以得到粘稠的混合浆液，便于后续形成颗粒。
需要说明的是，本领域技术人员能够想到，本发明使用的聚乙烯醇为本领域常用的聚乙烯醇，通常平均聚合度在1500道尔顿以上，聚乙烯醇的聚合度过低溶于水后不能形成粘稠的液体，在后续的实验中都不能得到固定化厌氧菌颗粒。该聚乙烯醇可以通过在市场上购买获得。
本领域技术人员可以根据所述包埋材料中的各组分的加入量、聚乙烯醇的平均聚合度，确定搅拌时间，一般需要40-100min，为了避免搅拌时产生大量的气泡，搅拌的转速可控制在60～100rmp(转/分钟)。
2)、当所述混合浆液的温度降至30～45℃后，向混合浆液中加入厌氧菌，搅拌，制成含有厌氧菌的混合浆液。
在本发明的技术方案中，所述厌氧菌是指一类在无氧条件下比在有氧环境中生长好的细菌，厌氧菌的种类可以根据处理污水的需要来选择，本发明在此不作具体限定，例如厌氧菌可以是产甲烷菌，而且，厌氧菌一般都是可以通过购买或者由污泥、污水等培养得到的，总之，厌氧菌不应构成对本发明的限定。
本领域技术人员可以根据厌氧菌的保存形式、单位菌浓度等确定厌氧菌与混合浆液的比例，以保证每颗厌氧菌包埋颗粒中的厌氧菌的数量大于106cell。
在本发明的技术方案中，所述混合浆液的温度不能过低也不能过高，温度过低混合浆液容易凝固，温度过高会影响厌氧菌的活性。发明人发现，在30～45℃的条件下，厌氧菌的活性最高，而且在这个温度范围内混合浆液也不会凝固。
3)、将含有厌氧菌的混合浆液逐滴加入到固化剂中，0～10℃下静置2～24h，得到厌氧菌包埋颗粒；其中，所述固化剂由氯化钙、滑石粉及饱和硼酸溶液组成，基于所述固化剂的总质量，所述氯化钙的质量分数为1％～20％，所述滑石粉的质量分数为0.1％～1％。
在实验操作中，可选用注射器针管吸取含有厌氧菌的混合浆液，注射器针头在固化剂液面上方，高度一般为10～30cm，以保证液滴在空中下落过程中收缩成球状，然后逐滴滴入到固化剂中。
具体的，关于固化剂的配制，本领域技术人员可以先将硼酸加入到水中溶解制得饱和硼酸溶液，再将氯化钙和滑石粉加入到饱和硼酸溶液中制得固化剂。
4)、用水或NaCl水溶液冲洗厌氧菌包埋颗粒，获得固定化厌氧菌颗粒；其中，所述NaCl水溶液中NaCl的质量分数小于等于0.9％。
在实际应用中，发明人发现，NaCl水溶液中NaCl浓度过高会影响厌氧菌的活性，一般地，NaCl水溶液中NaCl的质量分数小于等于0.9％比较合理，在这个范围内，NaCl水溶液既能将厌氧菌包埋颗粒冲洗干净，又不会影响厌氧菌的活性。
上述厌氧菌固定化方法中，在固化剂中加入了滑石粉，滑石粉有较好的光滑度，且不会干扰原有产品的特性，保证厌氧菌固定化过程中不会产生粘连。
本发明的技术方案中，优选地，所述包埋材料还包括密度调节剂。所述密度调节剂是用来调节含厌氧菌的混合浆液的密度，从而调节厌氧菌包埋颗粒的密度，且密度调节剂对其他物质没有影响。优选地，所述密度调节剂为密度增大剂，用来增大厌氧菌包埋颗粒的密度，使厌氧菌包埋颗粒在使用过程中能够沉入到液面以下，减少厌氧菌与空气的接触。本领域技术人员根据工艺需要，可以通过控制密度调节剂的加入量来合理控制厌氧菌包埋颗粒的密度。在保证厌氧菌包埋颗粒能够沉入液面以下的前提下，厌氧菌包埋颗粒的密度不宜过大，以使得厌氧菌包埋颗粒在UASB(Up-flowAnaerobicSludgeBed，上流式厌氧污泥床)、EGSB(ExpandedGranularSludgeBed，膨胀颗粒污泥床)等工艺中能够呈现流化态，与污水充分接触，提高厌氧菌对污水的处理效率。具体的，所述密度调节剂包括：活性炭粉、煤炭粉、硅酸盐矿石粉、硫酸盐矿石粉、碳酸盐矿石粉中的至少一种，粒度为200～500目。所述硅酸盐矿石粉优选为沸石粉或蒙脱石粉。所述密度调节剂与所述生长因子溶液的比例为1:100～10:100g/mL。
在本发明的技术方案中，优选地，所述包埋材料为海藻酸钠、聚乙烯醇和密度调节剂三者的混合物。将海藻酸钠、聚乙烯醇和密度调节剂三者加入到生长因子溶液中，本领域技术人员可以先向生长因子溶液中加入海藻酸钠和聚乙烯醇，待二者溶解后，再加入密度调节剂。
在本发明的技术方案中，所述生长因子溶液包括：维生素溶液、葡萄糖溶液、酒石酸铵溶液、乙醇溶液中的一种或多种，其中，维生素溶液中具体包含的维生素种类可以根据实际的情况进行选择，本发明不对此进行限定。优选地，所述生长因子溶液由维生素溶液、葡萄糖溶液、酒石酸铵溶液和乙醇溶液组成。
在本发明的技术方案中，所述海藻酸钠与所述生长因子溶液的比例优选为0.1:100～3:100g/mL，更优选为0.1:100～1:100g/mL；所述聚乙烯醇与所述生长因子溶液的比例优选为4:100～15:100g/mL，更优选为6:100～10:100g/mL；所述密度调节剂与所述生长因子溶液的比例优选为2:100～8:100g/mL，更优选为2:100～5:100g/mL，保证固定化厌氧菌颗粒具有更好的机械强度和传质性能，有利于提高废水中的污染物降解效果。
在本发明的技术方案中，所述固化剂中氯化钙的质量分数优选为3％～15％，更优选为5％～10％，保证含有厌氧菌的混合浆液能够在固化剂中快速充分固化成粒且不粘连。
在本发明的一个优选方式中，所述滑石粉的质量分数优选为0.2％～0.8％，更优选为0.4％～0.6％。所述滑石粉具有无毒、无味、洁白度高、光泽度强、光滑度强的特点，pH值为7～9，不会干扰原有产品的特性，保证固定化厌氧菌颗粒制备过程中不会发生粘连。
需要说明的是，本发明的技术方案中用到的水可以为普通自来水、工业上处理后清洁度较高的二次用水，也可以是纯度较高的水，例如：蒸馏水、双蒸水或去离子水，本发明在此不作具体限定。
下面将结合具体实施例对本发明的技术方案进行描述，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例中所用到的厌氧菌为博天环境集团股份有限公司研发中心驯化获得的复合菌；所用到的试剂均市售可得。
实施例1
(1)配制固化剂：将硼酸加入到500mL蒸馏水中溶解制得饱和硼酸溶液，称取6gCaCl2、0.6g滑石粉，加入到饱和硼酸溶液中，制得固化剂。
(2)配制生长因子溶液：将维生素B1、维生素B6、尼克酸各10.0mg，葡萄糖3g、酒石酸铵0.15g加入到500mL水中制得生长因子溶液。
(3)固定化厌氧菌颗粒制备：在200mL生长因子溶液中加入6g聚乙烯醇、2g海藻酸钠和10g粒度为200目的沸石粉，加热至50℃，以70rpm的转速连续搅拌1小时，制得混合浆液。将混合浆液的温度降至30℃后，向混合浆液中加入10mL厌氧菌，继续搅拌，制成含有厌氧菌的混合浆液。用带有针头的50mL注射器吸取含有厌氧菌的混合浆液，再将其滴入到固化剂中，注射器针头与固化剂液面距离为15cm，4℃下静置12h，得到厌氧菌包埋颗粒。将厌氧菌包埋颗粒取出，并用生理盐水洗净后，即得到固定化厌氧菌颗粒。
实施例2
(1)配制固化剂：将硼酸加入到500mL蒸馏水中溶解制得饱和硼酸溶液，称取55gCaCl2、5g滑石粉，加入到饱和硼酸溶液中，制得固化剂。
(2)配制生长因子溶液：将维生素B1、维生素B6、尼克酸各15.0mg，葡萄糖4g、酒石酸铵0.15g、25％的乙醇溶液5mL加入到500mL的蒸馏水中制得生长因子溶液。
(3)固定化厌氧菌颗粒制备：在200mL生长因子溶液中加入20g聚乙烯醇、0.2g海藻酸钠和3.3g粒度为325目的活性炭粉，加热至120℃，以80rpm的转速连续搅拌50min，制得混合浆液。将混合浆液的温度降至45℃后，向混合浆液中加入10mL厌氧菌，继续搅拌，制成含有厌氧菌的混合浆液。用带有针头的50mL注射器吸取含有厌氧菌的混合浆液，再将其滴入到固化剂中，注射器针头与固化剂液面距离为20cm，4℃下静置2h，得到厌氧菌包埋颗粒。将厌氧菌包埋颗粒取出，并用生理盐水洗净后，即得到固定化厌氧菌颗粒。
实施例3
(1)配制固化剂：将硼酸加入到500mL蒸馏水中溶解制得饱和硼酸溶液，称取20gCaCl2、2g滑石粉，加入到饱和硼酸溶液中，制得固化剂。
(2)配制生长因子溶液：将维生素B1、维生素B6、尼克酸各20.0mg，葡萄糖3g、25％的乙醇溶液3mL加入到500mL自来水中制得生长因子溶液。
(3)固定化厌氧菌颗粒制备：在200mL生长因子溶液中加入10g海藻酸钠，加热至70℃，以60rpm的转速连续搅拌100min，制得混合浆液。将混合浆液的温度降至35℃后，向混合浆液中加入10mL厌氧菌，继续搅拌，制成含有厌氧菌的混合浆液。用带有针头的50mL注射器吸取含有厌氧菌的混合浆液，再将其滴入到固化剂中，注射器针头与固化剂液面距离为30cm，0℃下静置24h，得到厌氧菌包埋颗粒。将厌氧菌包埋颗粒取出，并用水洗净后，即得到固定化厌氧菌颗粒。
实施例4
(1)配制固化剂：将硼酸加入到500mL蒸馏水中溶解制得饱和硼酸溶液，称取40gCaCl2、4g滑石粉，加入到饱和硼酸溶液中，制得固化剂。
(2)配制生长因子溶液：将维生素B1、尼克酸各30.0mg，葡萄糖4g、酒石酸铵0.15g加入到500mL水中制得生长因子溶液。
(3)固定化厌氧菌颗粒制备：在200mL生长因子溶液中加入10g聚乙烯醇和12g粒度为500目的硫酸盐矿石粉，加热至100℃，以100rpm的转速连续搅拌40min，制得混合浆液。将混合浆液的温度降至40℃后，向混合浆液中加入10mL厌氧菌，继续搅拌，制成含有厌氧菌的混合浆液。用带有针头的50mL注射器吸取含有厌氧菌的混合浆液，再将其滴入到固化剂中，注射器针头与固化剂液面距离为10cm，10℃下静置18h，得到厌氧菌包埋颗粒。将厌氧菌包埋颗粒取出，并用生理盐水洗净后，即得到固定化厌氧菌颗粒。
实施例5
分别称取实施例1～4制备的固定化厌氧菌颗粒30g，分别置于300mL博天环境集团股份有限公司某工程项目的废水中，废水初始CODCr(采用重铬酸钾(K2Cr2O7)作为氧化剂测定出的化学需氧量(ChemicalOxygenDemand))为12068mg/L，pH值为7.39，在30℃下震荡培养处理，每隔12小时取样检测废水中的CODCr值。实验结果详见表1。
表1实施例1～4制备的固定化厌氧菌颗粒处理废水的实验结果
从表1可以看出，实施例1～4制备的固定化厌氧菌颗粒处理60h后的废水中CODCr值分别为：2975.97mg/L、2592.21mg/L、2026.22mg/L和2785.29mg/L。实施例1～4制备的固定化厌氧菌颗粒有效地降解了废水中的有机污染物，并且降解效率很高，达75％以上。
本发明提供的一种厌氧菌固定化方法，在固化剂中加入了滑石粉，滑石粉有较好的光滑度，且不会干扰原有产品的特性，使固定化过程中不会发生粘连，并且由该方法制备的固定化厌氧菌颗粒可有效去除废水中的有机物。
以上对本发明所提供的一种厌氧菌固定化方法进行了详细介绍。本文中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其中心思想。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护。
Claims (9)
1.一种厌氧菌固定化方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)、将包埋材料加入到生长因子溶液中，加热至50～120℃，搅拌均匀，制得混合浆液；其中，
所述包埋材料为海藻酸钠和聚乙烯醇中的至少一种；且在所述包埋材料包括海藻酸钠的情况下，所述海藻酸钠与所述生长因子溶液的比例为0.1:100～5:100g/mL；在所述包埋材料包括聚乙烯醇的情况下，所述聚乙烯醇与所述生长因子溶液的比例为1:100～20:100g/mL；所述生长因子溶液包括：维生素溶液、葡萄糖溶液、酒石酸铵溶液、乙醇溶液中的一种或多种；
2)、当所述混合浆液的温度降至30～45℃后，向混合浆液中加入厌氧菌，搅拌，制成含有厌氧菌的混合浆液；
3)、将含有厌氧菌的混合浆液逐滴加入到固化剂中，0～10℃下静置2～24h，得到厌氧菌包埋颗粒；其中，所述固化剂由氯化钙、滑石粉及饱和硼酸溶液组成，基于所述固化剂的总质量，所述氯化钙的质量分数为1％～20％，所述滑石粉的质量分数为0.1％～1％；
4)、用水或NaCl水溶液冲洗厌氧菌包埋颗粒，获得固定化厌氧菌颗粒；其中，所述NaCl水溶液中NaCl的质量分数小于等于0.9％。
2.如权利要求1所述的厌氧菌固定化方法，其特征在于，所述包埋材料还包括：密度调节剂；
所述密度调节剂包括：活性炭粉、煤炭粉、硫酸盐矿石粉、硅酸盐矿石粉、碳酸盐矿石粉中的至少一种；所述密度调节剂的粒度为200～500目；所述密度调节剂与所述生长因子溶液的比例为1:100～10:100g/mL；所述硅酸盐矿石粉优选为沸石粉或蒙脱石粉。
3.如权利要求2所述的厌氧菌固定化方法，其特征在于，所述包埋材料为海藻酸钠、聚乙烯醇和密度调节剂三者的混合物。
4.如权利要求1所述的厌氧菌固定化方法，其特征在于，所述海藻酸钠与所述生长因子溶液的比例为0.1:100～3:100g/mL，优选为0.1:100～1:100g/mL。
5.如权利要求1所述的厌氧菌固定化方法，其特征在于，所述聚乙烯醇与所述生长因子溶液的比例为4:100～15:100g/mL，优选为6:100～10:100g/mL。
6.如权利要求2所述的厌氧菌固定化方法，其特征在于，所述密度调节剂与所述生长因子溶液的比例为2:100～8:100g/mL，优选为2:100～5:100g/mL。
7.如权利要求1所述的厌氧菌固定化方法，其特征在于，所述氯化钙的质量分数为3％～15％，优选为5％～10％。
8.如权利要求1所述的厌氧菌固定化方法，其特征在于，所述滑石粉的质量分数为0.2％～0.8％，优选0.4％～0.6％。
9.一种由权利要求1至8中任一项所述的厌氧菌固定化方法制备的固定化厌氧菌颗粒。
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