CN105734042A - 一种光催化型固定化脱氮除磷颗粒的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光催化型固定化脱氮除磷颗粒的制备方法，将海藻酸钠、聚乙烯醇混合溶解后，添加除磷菌粉和脱氮菌粉中的一种或两种，形成混合液C；将硼酸、氯化钙和掺杂氮的纳米二氧化钛进行混合，形成混合液D；在制作光催化型固定化脱氮除磷颗粒的装置系统中，将混合液C通过蠕动泵缓缓输到装置(a)中，在蠕动泵的推动力下，混合液C缓慢滴入到装有混合液D的装置(b)中，并不断用磁力搅拌转子进行搅拌，经过钙化反应后，制得光催化型固定化脱氮除磷颗粒。本发明可以缓解近海岸的富营养化危机，脱氮率均超过80%，除磷率均超过70%，COD去除率均超过60%，而且操作简单，自制的装置系统实现连续运行，为机械化生产提供参考。

Description

一种光催化型固定化脱氮除磷颗粒的制备方法
技术领域
本发明属于固定化微生物技术领域，具体涉及一种光催化型固定化脱氮除磷颗粒的制备方法。
背景技术
近年来，伴随着滨海城市人口的不断增加，越来越多的城市垃圾直接排入到近海流域，海岸带富营养化程度加剧，赤潮、水华等环境问题日益严重。此外，近海岸的海水养殖业的规模也在不断扩大，各种污染物的污染直接危害到养殖产品的质量，更危及到人类自身的健康。近海岸的污染物的成分越来越复杂，处理难度日益加剧，如何有效的处理多种污染物，是目前学者研究的热点。
赤潮的根本原因是因为富营养化，主要是由于氮、磷等营养盐含量过高产生的，近海岸特别是海湾地区，由于地形问题，水的交换和自净能力较弱，是赤潮最容易发生的地方，传统的生物处理方式可以达到脱氮除磷的效果，其主要利用微生物的降解，但是存在游离微生物难回收，并且很多微生物无法耐受海水高盐度的特点，处理效率低，因此需要驯化出可以耐受高盐度的脱氮除磷菌，并且通过固定化技术将其结合起来，达到高效、稳定的处理效果。
随着近海流域污染物成分的复杂化，单纯的脱氮除磷可能无法满足水质的需求，而光催化技术被视为最有前途的净水处理技术之一，近海流域光线较强，可利用光触酶的强氧化性，将水中的有机物去除，研究表明，惰性材料的掺杂可提高光触酶对可见光的吸收，以提高光能利用率。
东华大学吴李国等，东华大学学报（自然科学版），2001，27（6），对聚乙烯醇水凝胶的制备及应用进展进行了研究，指出聚乙烯醇水凝胶作为固定剂，具良好的氧气渗透性、适宜微生物但也指出国内对于水凝胶还停留在实验研究阶段，离规模化的商业生产还有一定的距离。专利号为201210115164.X的发明人胡安杨等，发明了聚乙烯醇固定化微生物的反应装置，在一定程度上提高了生产的自动化程度，但是该反应装置未考虑在大批量生产固定化凝胶的同时，固化剂也会随着反应的进行而损失掉，造成固定效果减弱。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光催化型固定化脱氮除磷颗粒的制备方法，并且实现自动化生产。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种光催化型固定化脱氮除磷颗粒的制备方法，具体包括以下步骤：
1）耐盐性脱氮除磷菌的筛选与培养：
取自然风干后的海水养殖场底泥，分别接种到高盐富磷液体培养基和高盐富氮液体培养基中，用恒温振荡摇床控制温度35℃，以100～120r/min的转速培养48h后，从高盐富磷液体培养基和高盐富氮液体培养基中分别取出占培养基体积10%~20%的混合液，分别加到上述高盐富磷和富氮的液体培养基中，并分别提高磷和氮的投加量，再培养48h，依此类推，通过三代的驯化，培养出嗜磷菌和嗜氮菌，再通过稀释涂布法，分别分离出脱氮菌和除磷菌，通过富集培养将分离出来的菌株进行扩增，再通过离心、洗脱和干燥，分别得到除磷菌粉和脱氮菌粉；
2）含氮纳米二氧化钛的制备
将乙醇、乙酸和钛酸四丁酯按体积比为85～91:4～6:5～9混合，得到溶液A；将乙醇、1wt%尿素和水按体积比为85～90:4～5:6～10混合，得到溶液B；将溶液A缓慢滴入溶液B中，溶液A与溶液B的体积比为4～6:1，在30℃下让其陈化至形成凝胶，通过烘干、煅烧形成掺杂氮的纳米二氧化钛；
3）光催化型固定化脱氮除磷颗粒的制备
将海藻酸钠和聚乙烯醇于90～100℃水浴锅中加热搅拌，待其完全溶解后，冷却至室温，添加步骤1）得到的除磷菌粉和脱氮菌粉中的一种或两种，搅拌10min，形成混合液C；将硼酸、氯化钙和步骤2）所制备的掺杂氮的纳米二氧化钛进行混合，形成混合液D；在制作光催化型固定化脱氮除磷颗粒的装置系统中，将混合液C通过蠕动泵缓缓输到装置(a)中，在蠕动泵的推动力下，混合液C缓慢滴入到装有混合液D的装置(b)中，并不断用磁力搅拌转子进行搅拌，经过钙化反应后，制得粒径大小为3mm～5mm的光催化型固定化脱氮除磷颗粒。
在步骤1）中，所述的高盐富磷液体培养基配方为：2.5g/L乙酸钠、0.125g/L磷酸氢二钾、0.25g/L硫酸镁、0.1g/L氯化钙、1g/L硫酸氨和25g/L氯化钠；所述的高盐富氮液体培养基配方为：2.5g/L柠檬酸钠、0.5g/L磷酸氢二钾、0.5g/L磷酸二氢钾、0.1g/L硫酸镁、25g/L氯化钠和1g/L氯化铵；这两种培养基都经过高压灭菌。
步骤1）中所述分别提高磷和氮的投加量，每次的增加量较上次的含量增加25wt%～50wt%。
在步骤2）中，所述的烘干温度为105～110℃，烘干时间为5～8h；煅烧温度为600℃～800℃，煅烧时间为2～3h。
在步骤3）中，所述的混合液C中，海藻酸钠的质量浓度为0.5%～2%，聚乙烯醇的质量浓度为7.5%～12.5%，菌粉质量浓度0.5%～1%；所述的混合液D中，硼酸的质量浓度为3%～4%，氯化钙的质量浓度为4%～5%，掺杂氮的纳米二氧化钛的质量浓度为0.5%～2%。
步骤3）中所述的钙化反应时间为24h～48h。
在步骤3）中，所述的制作光催化型固定化脱氮除磷颗粒的装置系统由装置(a)和装置(b)组成，装置(a)上端为进样口，由蠕动泵将混合液C输送到装置(a)的反应室，反应室下端为平板，布设了一系列的倒梯形圆孔，在蠕动泵的推力作用下，混合液C通过圆孔形成固定化小球，并且滴入到装有混合液D并带有搅拌装置的装置(b)内，装置(b)下方为磁力加热搅拌器，上方为反应室，反应室采用下进上出的进样方式，对混合液D进行输送，实现了混合液D的动态流动过程，补充了参与钙化反应而损失掉的溶质，保证了反应的正常运行，装置(b)中混合液D的水力停留时间为2h～5h。
本发明的有益效果在于：本发明操作简单，技术难度低，可操作性强，并且本发明所得的固定化颗粒表面增加了掺杂氮的纳米二氧化钛，具备了光催化性能，并且固定化的耐盐性脱氮除磷菌可以有效的去除氨氮和磷等营养盐，脱氮率均超过80%，除磷率均超过70%，COD去除率均超过60%，可以缓解近海岸的的富营养化危机，并且将上述的二氧化钛与高效菌种固定起来，较游离状态更高效，更易回收。此外，自制的装置系统实现了连续运行，为机械化生产提供参考。
附图说明
图1是制作光催化型固定化脱氮除磷颗粒的装置系统图；
图2是实施例1的NH3-N和COD的去除率的时间变化曲线；
图3是实施例2的P和COD的去除率的时间变化曲线。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明做进一步说明，但本发明不仅仅限于这些实施例。
实施例1
1）称取10g自然风干后的海水养殖场底泥，接种到100mL通过高压灭菌过的高盐富氮液体培养基（其配方为：2.5g/L柠檬酸钠、0.5g/L磷酸氢二钾、0.5g/L磷酸二氢钾、0.1g/L硫酸镁、25g/L氯化钠、1g/L氯化铵）中，用恒温振荡摇床控制温度35℃，以100r/min的转速培养48h后，取出20mL混合液，接种到80mL通过高压灭菌过的高盐富磷液体培养基中，并且添加0.25g氯化铵，再用恒温振荡摇床控制温度35℃，以100r/min的转速再培养48h后，取出10mL混合液，接种到90mL通过高压灭菌过的高盐富磷液体培养基中，并且添加0.5g氯化铵，再培养48h，通过三代的驯化，培养出嗜氮菌；
2）通过稀释涂布法，将上述培养的嗜氮菌进行分离，分离出生长周期长、去除效果高的脱氮菌，通过富集培养将分离出来的菌株进行扩增，再通过离心、洗脱和干燥，制备成脱氮菌粉；
3）将乙醇、乙酸和钛酸四丁酯按85:6:9比例（体积比）混合成溶液A，将乙醇、1wt%尿素和水按比例（体积比）85:5:10混合成溶液B中；
4）将上述A液与B液的按照体积比4:1，将B液以2滴/秒的速度缓慢滴加入A液中，并且保持磁力转子的搅拌转速为800r/min，在30℃下让其陈化至形成凝胶，通过105℃烘干时间为5h，再用马福炉在600℃煅烧2h，通过研磨得到掺杂氮的纳米级二氧化钛；
5）称取海藻酸钠1g，聚乙烯醇10g，加水至100g，放置于95℃水浴锅中加热，待完全溶解后，冷却至室温，再投加0.5g步骤2）的脱氮菌粉，混合搅拌10min，得到混合液C；
6）称取硼酸3g，氯化钙4g，步骤4）的纳米二氧化钛1g，加水至100g，混合搅拌10min，得到混合液D；
7）将混合液C通过蠕动泵缓缓输到装置a中，在蠕动泵的推动力下，混合液C缓慢滴入到装有混合液D的装置b中，并不断用磁力搅拌转子进行搅拌，通过24h钙化时间后，形成粒径大小为3mm～5mm，具有光催化性能的固定化脱氮颗粒。
称取上述颗粒2g，投入到100mL模拟废水中，模拟废水初始参数为：氨氮：20mg/L，COD：300mg/L，盐度：0.3%，将其在光照条件下放置于恒温振荡器内，控制温度35℃，以120r/min的转速进行培养，结果如图2所示，该试验平行三次。由图2可知，本实施例在运行时间12h后的氨氮去除率超过90%，COD去除率超过65%。
实施例2
1）称取10g自然风干后的海水养殖场底泥，接种到100mL通过高压灭菌过的高盐富磷液体培养基（其配方为：2.5g/L乙酸钠、0.125g/L磷酸氢二钾、0.25g/L硫酸镁、0.1g/L氯化钙、1g/L硫酸氨、25g/L氯化钠）中，用恒温振荡摇床控制温度35℃，以120r/min的转速培养48h后，取出20mL混合液，接种到80mL通过高压灭菌过的高盐富磷液体培养基中，并且添加0.05g磷酸氢二钾，再用恒温振荡摇床控制温度35℃，以120r/min的转速再培养48h后，取出10mL混合液，接种到90mL通过高压灭菌过的高盐富磷液体培养基中，并且添加0.1g磷酸氢二钾，再培养48h，通过三代的驯化，培养出嗜磷菌；
2）通过稀释涂布法，将上述培养的嗜磷混合菌进行分离，分离出生长周期长，去除效果高的除磷菌，通过富集培养将分离出来的菌株进行扩增，再通过离心、洗脱和干燥，制备成除磷菌粉；
3）将乙醇、乙酸和钛酸四丁酯按90:4:6比例（体积比）混合成溶液A，将乙醇、1wt%尿素和水按比例（体积比）90:4:6混合成溶液B；
4）将上述A液与B液的按照体积比5:1，将B液以2滴/秒的速度缓慢滴加入A液中，并且保持磁力转子的搅拌转速为800r/min，在30℃下让其陈化至形成凝胶，通过105℃烘干时间为5h，再用马福炉在600℃煅烧2h，通过研磨即可得到掺杂氮的纳米级二氧化钛；
5）称取海藻酸钠1.5g，聚乙烯醇10g，加水至100g，放置于95℃水浴锅中加热，待完全溶解后，冷却至室温，再投加1g步骤2）的除磷菌粉，混合搅拌10min，得到混合液C；
6）称取硼酸3g，氯化钙4g，步骤4）的纳米二氧化钛0.8g，加水至100g，混合搅拌10min，得到混合液D；
7）将混合液C通过蠕动泵缓缓输到装置a中，在蠕动泵的推动力下，混合液C缓慢滴入到装有混合液D的装置b中，并不断用磁力搅拌转子进行搅拌，通过36h钙化时间后，形成粒径大小为3mm～5mm，具有光催化性能的固定化除磷颗粒。
称取上述颗粒2g，投入到100mL模拟废水中，模拟废水初始参数为：总磷：10mg/L，COD：300mg/L，盐度：0.3%，将其在光照条件下放置于恒温振荡器内，控制温度35℃，以120r/min的转速进行培养，结果如图2所示，该试验平行三次。由图2可知，本实施例在运行时间12h后的总磷的去除率超过85%，COD去除率超过65%。
实施例3
1）将实施例1中的脱氮菌粉和实施例2中的除磷菌粉按照质量比1:1，2:1和1:2进行混合，制备成混合菌粉，并且标记为H1，H2和H3；
2）将乙醇、乙酸和钛酸四丁酯按90:4:6（体积比）混合成溶液A，将乙醇、1wt%尿素和水按比例（体积比）90:4:6混合成溶液B中；
3）将上述A液与B液的按照体积比5:1，将B液以2滴/秒的速度缓慢滴加入A液中，并且保持磁力转子的搅拌转速为800r/min，在30℃下让其陈化至形成凝胶，通过105℃烘干时间为5h，再用马福炉在600℃煅烧2h，通过研磨得到掺杂氮的纳米级二氧化钛
4）称取海藻酸钠1.5g，聚乙烯醇10g，加水至100g，放置于95℃水浴锅中加热，待完全溶解后，冷却至室温，再分别投加1g步骤1）的混合菌粉，混合搅拌10min，得到混合液C；
5）称取硼酸3g，氯化钙4g，步骤4）的纳米二氧化钛0.8g，加水至100g，混合搅拌10min，得到混合液D；
6）将混合液C通过蠕动泵缓缓输到装置a中，在蠕动泵的推动力下，混合液C缓慢滴入到装有混合液D的装置b中，并不断用磁力搅拌转子进行搅拌，通过36h钙化时间后，形成粒径大小为3mm～5mm，具有光催化性能的固定化脱氮除磷颗粒；
分别称取上述所制备出来的固定化颗粒2g，投入到100mL模拟废水中，模拟废水初始参数为：氨氮：20mg/L，总磷：10mg/L，COD：300mg/L，盐度：0.3%，将其在光照条件下放置于恒温振荡器内，控制温度35℃，以120r/min的转速进行培养12h，结果如表1所示。由表1可知，本实施例在运行时间12h后的脱氮率均超过80%，除磷率均超过70%，COD去除率均超过60%。
表1实施例3三种固定化颗粒去除效果对比
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 (7)

1.一种光催化型固定化脱氮除磷颗粒的制备方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
1）耐盐性脱氮除磷菌的筛选与培养：
取自然风干后的海水养殖场底泥，分别接种到高盐富磷液体培养基和高盐富氮液体培养基中，用恒温振荡摇床控制温度35℃，以100～120r/min的转速培养48h后，从高盐富磷液体培养基和高盐富氮液体培养基中分别取出占培养基体积10%~20%的混合液，分别加到上述高盐富磷和富氮的液体培养基中，并分别提高磷和氮的投加量，再培养48h，依此类推，通过三代的驯化，培养出嗜磷菌和嗜氮菌，再通过稀释涂布法，分别分离出脱氮菌和除磷菌，通过富集培养将分离出来的菌株进行扩增，再通过离心、洗脱和干燥，分别得到除磷菌粉和脱氮菌粉；
2）含氮纳米二氧化钛的制备
将乙醇、乙酸和钛酸四丁酯按体积比为85～91:4～6:5～9混合，得到溶液A；将乙醇、1wt%尿素和水按体积比为85～90:4～5:6～10混合，得到溶液B；将溶液A缓慢滴入溶液B中，溶液A与溶液B的体积比为4～6:1，在30℃下让其陈化至形成凝胶，通过烘干、煅烧形成掺杂氮的纳米二氧化钛；
3）光催化型固定化脱氮除磷颗粒的制备
将海藻酸钠和聚乙烯醇于90～100℃水浴锅中加热搅拌，待其完全溶解后，冷却至室温，添加步骤1）得到的除磷菌粉和脱氮菌粉中的一种或两种，搅拌10min，形成混合液C；将硼酸、氯化钙和步骤2）所制备的掺杂氮的纳米二氧化钛进行混合，形成混合液D；在制作光催化型固定化脱氮除磷颗粒的装置系统中，将混合液C通过蠕动泵缓缓输到装置(a)中，在蠕动泵的推动力下，混合液C缓慢滴入到装有混合液D的装置(b)中，并不断用磁力搅拌转子进行搅拌，经过钙化反应后，制得粒径大小为3mm～5mm的光催化型固定化脱氮除磷颗粒。
2.根据权利要求1所述的一种光催化型固定化脱氮除磷颗粒的制备方法，其特征在于：
在步骤1）中，所述的高盐富磷液体培养基配方为：2.5g/L乙酸钠、0.125g/L磷酸氢二钾、0.25g/L硫酸镁、0.1g/L氯化钙、1g/L硫酸氨和25g/L氯化钠；所述的高盐富氮液体培养基配方为：2.5g/L柠檬酸钠、0.5g/L磷酸氢二钾、0.5g/L磷酸二氢钾、0.1g/L硫酸镁、25g/L氯化钠和1g/L氯化铵；这两种培养基都经过高压灭菌。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤1）中所述分别提高磷和氮的投加量，每次的增加量较上次的含量增加25wt%～50wt%。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：在步骤2）中，所述的烘干温度为105～110℃，烘干时间为5～8h；煅烧温度为600℃～800℃，煅烧时间为2～3h。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：在步骤3）中，所述的混合液C中，海藻酸钠的质量浓度为0.5%～2%，聚乙烯醇的质量浓度为7.5%～12.5%，菌粉质量浓度0.5%～1%；所述的混合液D中，硼酸的质量浓度为3%～4%，氯化钙的质量浓度为4%～5%，掺杂氮的纳米二氧化钛的质量浓度为0.5%～2%。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤3）中所述的钙化反应时间为24h～48h。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：在步骤3）中，所述的制作光催化型固定化脱氮除磷颗粒的装置系统由装置(a)和装置(b)组成，装置(a)上端为进样口，由蠕动泵将混合液C输送到装置(a)的反应室，反应室下端为平板，布设了一系列的倒梯形圆孔，在蠕动泵的推力作用下，混合液C通过圆孔形成固定化小球，并且滴入到装有混合液D并带有搅拌装置的装置(b)内，装置(b)下方为磁力加热搅拌器，上方为反应室，反应室采用下进上出的进样方式，对混合液D进行输送，装置(b)中混合液D的水力停留时间为2h～5h。
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