CN105950602B - 一种微生物固定化方法及其制备的固定化絮凝菌颗粒 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种微生物固定化方法及其制备的固定化絮凝菌颗粒，其中，该方法包括：获得聚丙烯酰胺质量分数为0.1％～5％的聚丙烯酰胺菌溶液；将聚合氯化铝、水泥、载体材料混合均匀，制得混合包埋材料；将聚丙烯酰胺菌溶液与混合包埋材料混合均匀后，进行造粒，得到固定化絮凝菌颗粒前体；对所述絮凝菌颗粒前体反复进行浸渍、干燥处理，使其硬化，得到固定化絮凝菌颗粒；其中，所述载体材料选自于沙子、活性炭、膨润土、沸石、粉煤灰及矿石材料中的至少一种。

Description

一种微生物固定化方法及其制备的固定化絮凝菌颗粒
技术领域
本发明涉及废水处理技术领域，特别涉及一种微生物固定化方法及其制备的固定化絮凝菌颗粒。
背景技术
固定化微生物技术是用化学或物理的手段和方法，将游离的细胞或者酶定位至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。固定化微生物技术克服了生物细胞太小，与水溶液分离较难，易造成随水流失的缺点，并且具有效率高、稳定性强和保持高效菌种的优点。目前，该项技术被广泛应用在水处理领域，成为研究热点。
微生物的固定化方法包括：吸附法、共价结合法、包埋法和交联法，其中以包埋法最为常用。包埋法固定化微生物的载体材料主要有两类，一类是天然高分子多糖类，如海藻酸钠、琼脂等，具有固定化成形方便，对微生物毒性小及固定化密度高等优点，但抗微生物分解能力差，机械强度较低，并且使用寿命短，通常为2～3个月；另一类是合成的高分子化合物，如聚乙烯醇、聚丙烯酞胺等，具有抗微生物分解性能强、机械强度高、化学稳定性好等优点，但在包埋过程中，聚合物载体网络的形成条件比较剧烈，对微生物细胞的损害较大，而且成形多样结构可控性差。
在工业废水处理过程中，经常会利用微生物菌来降解废水中有毒有害的有机物，根据水质的不同，可以采用不同的菌来降解，例如可以采用CODCr降解菌、氨氮降解菌或苯酚降解菌等来处理废水，上述微生物的固定化方法所存在的问题也同样存在于工业废水处理过程中，因此，如何找到一种更为合适的微生物固定化方法就显得格外重要。
发明内容
本发明实施例公开了一种微生物固定化方法及其制备的固定化絮凝菌颗粒，用于解决现有包埋法中，在包埋过程中对微生物损害大，形成微生物固定化颗粒后抗微生物分解能力差，机械强度较低，导致使用寿命短的问题。技术方案如下：
首先，本发明提供了一种微生物固定化方法，包括以下步骤：
获得聚丙烯酰胺质量分数为0.1％～5％的聚丙烯酰胺菌溶液；
将聚合氯化铝、水泥、载体材料混合均匀，制得混合包埋材料；
将聚丙烯酰胺菌溶液与混合包埋材料混合均匀后，进行造粒，得到固定化絮凝菌颗粒前体；
对所述固定化絮凝菌颗粒前体反复进行浸渍、干燥处理，使其硬化，得到固定化絮凝菌颗粒；
其中，所述载体材料选自于沙子、活性炭、膨润土、沸石、粉煤灰及矿石材料中的至少一种。
在本发明的一种具体实施方式中，所述聚丙烯酰胺菌溶液通过将聚丙烯酰胺溶解于浓度为107-1011cells/mL的微生物菌剂中获得，其中，所述聚丙烯酰胺的分子量为1000万-2000万。
在本发明的一种具体实施方式中，所述微生物菌剂选自于微生物菌混悬液及含有微生物菌的活性污泥中的一种。
在本发明的一种具体实施方式中，所述微生物菌剂中的微生物菌是CODCr降解菌、氨氮降解菌和苯酚降解菌中的至少一种。
在本发明的一种具体实施方式中，基于所述混合包埋材料的总质量，聚合氯化铝的质量分数为1-20％；水泥的质量分数为15-45％；载体材料的质量分数为40-80％。
在本发明的一种具体实施方式中，所述载体材料选自于活性炭、膨润土、沸石及粉煤灰中的至少一种，优选为沸石；所述载体材料的粒度为100-500目，优选为200-500目，更优选为300-400目。
在本发明的一种具体实施方式中，聚丙烯酰胺菌溶液与混合包埋材料的比例为(0.2-2):1mL/g。
在本发明的一种具体实施方式中，所述反复进行浸渍、干燥处理,使其硬化，包括：
将固定化絮凝菌颗粒前体用水浸渍3-10分钟后，于室温中干燥6-36小时，优选为24小时；重复浸渍、干燥，直到固定化絮凝菌颗粒前体硬化。
本发明还提供了应用上述的方法制备的固定化絮凝菌颗粒。
在本发明的一种具体实施方式中，所述固定化絮凝菌颗粒中的菌浓度为106-109cells/mL。
本发明的技术方案，在固定化过程中不涉及剧烈的化学反应，固定化条件温合，对微生物菌损害小，利于微生物菌存活，获得的絮凝菌颗粒的机械强度高，不易破损，并且不会被其它微生物分解，增加了絮凝菌颗粒的使用寿命。此外，本发明的方法实现了集载体吸附、药剂混凝和微生物降解于一体，提高了废水降解、净化效率。
具体实施方式
本发明提供了一种微生物固定化方法，包括以下步骤：
获得聚丙烯酰胺质量分数为0.1％～5％的聚丙烯酰胺菌溶液；
将聚合氯化铝、水泥、载体材料混合均匀，制得混合包埋材料；
在实际应用中，聚丙烯酰胺菌溶液可以通过将聚丙烯酰胺溶解于浓度为107～1011cells(细胞)/mL的微生物菌剂中获得，在本发明的技术方案中，所采用的聚丙烯酰胺的分子量为1000万-2000万。
本发明中所说的微生物菌剂为目标微生物菌经过驯化、扩繁之后，浓缩制成高浓度的活菌制剂。微生物菌剂具体可以以微生物菌混悬液和含有微生物菌的活性污泥形式存在。浓缩后菌种浓度优选为107～1011cells/mL。本发明中聚丙烯酰胺菌溶液中的“菌”以及微生物菌剂中的“微生物菌”指的是在废水处理领域常用的用于降解工业废水中有毒有害的有机物的细菌。更为具体地，包括但不限于CODCr降解菌、氨氮降解菌和苯酚降解菌等。对于菌种本身本发明在此不进行限定。同样地，需要说明的是，目标微生物菌的驯化、扩繁等处理技术为现有技术，本领域普通技术人员可以采用现有技术来实现，本发明在此不进行限定。另外，浓缩通常包括膜浓缩、离心浓缩等，浓缩为本领域常规技术手段，本发明在此不作具体限定。
本发明所用的聚合氯化铝为废水处理领域常规的用作絮凝剂的聚合氯化铝，本领域普通技术人员可以根据实际需要选择合适的厂家、型号的聚合氯化铝来实现本发明；本发明所用的水泥也是建筑领域常用的水泥，对于水泥的标号也没有特别的要求，325#、425#、525#等标号的水泥均可。本发明所用的载体材料选自于沙子、活性炭、膨润土、沸石、粉煤灰及矿石材料中的至少一种，优选为活性炭、膨润土、沸石及粉煤灰中的至少一种，更优选为沸石；所述载体材料的粒度为100-500目，优选为200-500目，更优选为300-400目。
在本发明的具体实施过程中，基于所述混合包埋材料的总质量，聚合氯化铝的质量分数为1-20％，优选为6-8％；水泥的质量分数为15-45％，优选为20-33％；载体材料的质量分数为40-80％，优选为60-74％。
将聚丙烯酰胺菌溶液与混合包埋材料混合均匀后，进行造粒，得到固定化絮凝菌颗粒前体。在本发明的一种具体实施方式中，聚丙烯酰胺菌溶液与混合包埋材料的体积质量比为(0.2-2):1mL/g。需要说明的是，整个的造粒工艺，包括将聚丙烯酰胺菌溶液与混合包埋材料混合均匀后置于造粒模具中压制成型，然后再进行造粒，均为现有技术，本领域普通技术人员可以采用现有技术中的相关技术方案来实现，本发明在此不进行限定，在本发明中，可以采用巩义市站街腾达机械厂生产的平膜颗粒机KLG-150来实现造粒。
在获得固定化絮凝菌颗粒前体后，优选对前体进行干燥后，对所述絮凝菌颗粒前体反复进行浸渍、干燥处理，使其硬化，得到固定化絮凝菌颗粒。在本发明的一种具体实施方式中，该硬化过程(反复浸渍、干燥过程)可以包括将絮凝菌颗粒前体用水浸渍为3-10分钟后，于室温中干燥6-36小时，优选为24小时；然后重复进行浸渍、干燥处理，直到絮凝菌颗粒前体硬化(硬化也可以理解为是絮凝菌剂颗粒前体中水泥的硬化)。在实际应用中，整个的重复浸渍、干燥过程一般为3-7天，优选为3-4天。可以理解的是，在本发明的技术方案中，凡是涉及到“微生物菌”的步骤，均应当在保证“微生物菌”的活性的温度下进行，例如在不高于40℃的条件下进行，更具体地，在造粒及干燥过程中，均应在不高于40℃的条件下进行，优选为10-30℃，一般地，在室温下操作即可。
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。
仪器和试剂
微生物菌剂来源于博天环境集团股份有限公司研发中心，其中，CODCr降解菌剂、氨氮降解菌剂和苯酚降解菌剂浓度均在108～109cells/mL，还需要强调的是，各菌剂的驯化、扩繁及浓缩过程均是很成熟的技术，本发明在此不进行赘述；聚合氯化铝购自河南天亿环保科技有限公司，型号TY-069。
实施例中所用到的试剂均市售可得。
实施例1
(1)、聚丙烯酰胺菌溶液：用氨氮降解菌剂溶解聚丙烯酰胺，制成3％的聚丙烯酰胺菌溶液备用。
(2)、200目活性炭粉的制备：活性炭经过粉碎、研磨、过筛获得粒度为200目的活性炭粉。
(3)、将50g水泥、90g活性炭和10g聚合氯化铝充分混合均匀，得混合包埋材料；用300mL的3％聚丙烯酰胺菌溶液加入混合包埋材料中，充分搅拌均匀，获得粘稠含有菌液的混合浆液；将混合浆液置于模具中压制成型、造粒，在室温25℃下干燥，获得固定化絮凝菌颗粒前体，其后，每隔6小时用水间断浸渍固定化絮凝菌颗粒前体，每次浸渍5分钟，连续浸渍3天，用清水充分洗去固定化颗粒表面未固化的悬浮材料，获得多孔的固定化多效絮凝菌颗粒，试验备用。
(4)、固定化多效絮凝菌废水处理试验：博天环境集团股份有限公司某工程项目的含氨氮废水，氨氮含量为278.4mg/L。取30g(3)中制备的固定化多效絮凝菌颗粒，置于300mL氨氮废水中30℃下曝气培养处理，曝气量为20L/分钟，处理48小时后取样检测废水中氨氮值。氨氮浓度为24.5mg/L，去除率为91.2％，固定化多效絮凝菌颗粒硬度良好，颗粒没有出现破碎迹象。
实施例2
(1)、聚丙烯酰胺菌溶液：用CODCr降解菌液溶解聚丙烯酰胺，制成2％的聚丙烯酰胺菌溶液备用。
(2)、300目粉煤灰的制备：粉煤经过粉碎、研磨、过筛获得粒度为300目的粉煤灰。
(3)、将60g水泥、70g粉煤灰和10g聚合氯化铝充分混合均匀，得混合包埋材料；用30mL的3％聚丙烯酰胺菌溶液加入混合包埋材料中，充分搅拌均匀，获得粘稠含有菌液的混合浆液；将混合浆液置于模具中压制成型、造粒，在室温25℃下干燥造粒，获得固定化絮凝菌颗粒前体，其后，每隔10小时用水间断浸渍固定化絮凝菌颗粒前体，每次浸渍7分钟，连续浸渍4天，用清水充分洗去固定化颗粒表面未固化的悬浮材料，获得多孔的固定化多效絮凝菌剂颗粒，试验备用。
(4)、固定化多效絮凝菌废水处理试验：博天环境集团股份有限公司某工程项目的含CODCr浓度为159.2mg/L的废水样品。取12g(3)中制备的固定化多效絮凝菌颗粒，置于300mL废水中30℃下震荡培养处理，震荡反应18小时取样检测废水中CODCr值。CODCr的浓度为24.1mg/L，去除率为84.9％，固定化多效絮凝菌颗粒硬度良好，颗粒没有出现破碎迹象。
实施例3
(1)、聚丙烯酰胺菌溶液：用CODCr降解菌液溶解聚丙烯酰胺，制成5％的聚丙烯酰胺菌溶液备用。
(2)、200目膨润土的制备：从灵寿县丰信矿物粉体加工厂直接购进。
(3)、将20g水泥、110g膨润土和10g聚合氯化铝充分混合均匀，得混合包埋材料；用150mL的3％聚丙烯酰胺菌溶液加入混合包埋材料中，充分搅拌均匀，获得粘稠含有菌液的混合浆液；将混合浆液置于模具中压制成型、造粒，在室温25℃下干燥造粒，获得固定化絮凝菌颗粒前体，其后，每隔15小时用水间断浸渍固定化絮凝菌颗粒前体，每次浸渍5分钟，连续浸渍5天，用清水充分洗去固定化颗粒表面未固化的悬浮材料，获得多孔的固定化多效絮凝菌颗粒，试验备用。
(4)、固定化多效絮凝菌废水处理试验：博天环境集团股份有限公司某工程项目的含CODCr浓度为727.4mg/L的废水样品。取15g(3)中制备的固定化多效絮凝菌颗粒，置于300mL废水中30℃下震荡培养处理，震荡反应36小时取样检测废水中CODCr值。CODCr的浓度为67.2mg/L，去除率为90.88％，固定化多效絮凝菌剂颗粒硬度良好，颗粒没有出现破碎迹象。
实施例4
(1)、聚丙烯酰胺菌溶液：用苯酚降解菌液溶解聚丙烯酰胺，制成0.1％的聚丙烯酰胺菌溶液备用。
(2)、200目沸石的制备：从灵寿县溢盛矿产品加工厂直接购进。
(3)、将25g水泥、90g沸石和10g聚合氯化铝充分混合均匀，得混合包埋材料；用150mL的3％聚丙烯酰胺菌溶液加入混合包埋材料中，充分搅拌均匀，获得粘稠含有菌液的混合浆液；将混合浆液置于模具中压制成型、造粒，在室温20℃下干燥造粒，获得固定化絮凝菌颗粒前体，其后，每隔8小时用水间断浸渍固定化絮凝菌颗粒前体，每次浸渍10分钟，连续浸渍7天，用清水充分洗去固定化颗粒表面未固化的悬浮材料，获得多孔的固定化多效絮凝菌颗粒，试验备用。
(4)、固定化多效絮凝菌废水处理试验：博天环境集团股份有限公司某工程项目的高浓度含苯酚废水，苯酚浓度为325.6mg/L。取24g(3)中制备的固定化多效絮凝菌颗粒，置于300mL废水中30℃下曝气培养处理，曝气量为20L/分钟，曝气培养反应44小时取样检测废水中苯酚值，苯酚的浓度为37.1mg/L，去除率为88.6％，固定化多效絮凝菌颗粒硬度良好。
实施例5
(1)、聚丙烯酰胺菌溶液：用苯酚降解菌液溶解聚丙烯酰胺，制成1％的聚丙烯酰胺菌溶液备用。
(2)、500目活性炭的制备：活性炭经过粉碎、研磨、过筛获得粒度为400目的活性炭粉。
(3)、将1000g水泥、1800g活性炭和200g聚合氯化铝充分混合均匀，得混合包埋材料；用3L的3％聚丙烯酰胺菌溶液加入混合包埋材料中，充分搅拌均匀，获得粘稠含有菌液的混合浆液；将混合浆液置于模具中压制成型、造粒，在室温25℃下干燥造粒，获得固定化絮凝菌颗粒前体，其后，每隔24小时用水间断浸渍固定化絮凝菌颗粒前体，每次浸渍5分钟，连续浸渍5天，用清水充分洗去固定化颗粒表面未固化的悬浮材料，获得多孔的固定化多效絮凝菌颗粒，试验备用。
(4)、固定化多效絮凝菌废水处理试验：博天环境集团股份有限公司某工程项目的高浓度含苯酚废水，苯酚浓度为325.2mg/L。取(3)中制备的固定化多效絮凝菌颗粒装填到内径为15cm、高度为80cm的小型反应柱内，固定化多效絮凝菌颗粒的装填高度为65cm；含苯酚废水通过提升泵打入到反应柱内，水浴循环加热控制反应柱温度为25℃，通过提升泵控制反应柱内的水力停留时间为20小时，以进行废水处理，处理结束后出水为完成处理的废水。经多次取样检测出水，苯酚的浓度皆低于25mg/L，去除率皆在90％以上，连续运行三个月固定化多效絮凝菌颗粒硬度良好，磨损率低于2％。
从实施例5可知，本发明的方法制备的固定化多效絮凝菌颗粒在连续运行三个月，固定化微生物颗粒磨损率仅为2％，依此数据推算，连续运行2年，固定化微生物颗粒磨损率仅为16％。说明本方法制备的固定化多效絮凝菌颗粒硬度良好，机械强度高，磨损率低，使用寿命长。
对比例1
(1)配制CaCl2溶液：称取40g CaCl2，用460g蒸馏水溶解，制得质量分数为8％的CaCl2溶液。
(2)固定化苯酚降解菌颗粒制备：在200mL纯净水中加入14g聚乙烯醇、0.6g海藻酸钠在100℃水浴锅中以70rpm的转速连续搅拌50分钟，制得混合匀浆。待混合匀浆冷却至35℃，向溶液中加入10mL苯酚降解菌，继续搅拌，制成含有苯酚降解菌的混合匀浆。用带有针头的50mL注射器吸取含有苯酚降解菌的混合匀浆，再将其滴入到质量分数为8％的CaCl2溶液中，针头与CaCl2溶液液面距离为15cm，以保证液滴在空中下落过程中收缩成球状，得到微生物包埋颗粒。将苯酚降解菌包埋颗粒在CaCl2溶液中4℃静止固化10小时，将苯酚降解菌包埋颗粒取出，并用生理盐水洗净后，即得到固定化苯酚降解菌颗粒，试验备用。
(3)、固定化苯酚降解菌废水处理试验：博天环境集团股份有限公司某工程项目的高浓度含苯酚废水，苯酚浓度为325.2mg/L。取(2)中制备的固定化苯酚降解菌颗粒装填到内径为15cm、高度为80cm的小型反应柱内，固定化苯酚降解菌颗粒的装填高度为65cm；含苯酚废水通过提升泵打入到反应柱内，水浴循环加热控制反应柱温度为25℃，通过提升泵控制反应柱内的水力停留时间为20小时，以进行废水处理，处理结束后出水为完成处理的废水。经多次取样检测出水，苯酚的浓度低于30mg/L，去除率在90％以上，连续运两个星期，固定化苯酚降解菌颗粒出现大量粘连、破损现象，通过颗粒完整率计算，颗粒磨损率为18％；继续运行一个月，颗粒大部分出现损坏，颗粒磨损率达63％。
从对比例1可知，由该方法制备的固定化苯酚降解菌颗粒在连续运行一个月，固定化微生物颗粒磨损率达63％，破损率较大。说明该法制备的固定化苯酚降解菌颗粒机械强度弱，磨损率高，使用寿命较短。
从实施例1至5及对比例1中可以看出，本发明的微生物的固定化方法，采用水泥、载体材料、聚合氯化铝与聚丙烯酰胺菌溶液混合制备的固定化多效絮凝菌颗粒，包埋过程不涉及剧烈化学反应，包埋条件温合，对微生物细胞的损害小，利于微生物存活，机械强度高，不易破损，并且不会被微生物分解，增加了固定化絮凝菌颗粒的使用寿命。
需要说明的是，CODCr是指用重铬酸钾为氧化剂测出的需氧量，是用重铬酸钾法测出COD的值，实际应用中CODCr是表示COD的一种方法，本发明亦用CODCr表示COD。
综上所述，本发明的固定化多效絮凝菌颗粒具有很好的生物活性和水力机械强度，对不同浓度的水质耐受性好，便于工业化应用，该固定化多效絮凝菌颗粒在曝气生物反应器中可连续使用2年以上，解决了固定化包埋颗粒运行时间短的问题。可以预见，该技术将成为环境修复工程治理的一项高效而实用的技术，并将发挥巨大的作用。
以上对本发明所提供的一种微生物固定化方法及其制备的固定化絮凝菌颗粒进行了详细介绍。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 (12)

1.一种微生物固定化方法，其特征在于，包括以下步骤：
获得聚丙烯酰胺质量分数为0.1％～5％的聚丙烯酰胺菌溶液；
将聚合氯化铝、水泥、载体材料混合均匀，制得混合包埋材料；
将聚丙烯酰胺菌溶液与混合包埋材料混合均匀后，进行造粒，得到固定化絮凝菌颗粒前体；
对所述固定化絮凝菌颗粒前体反复进行浸渍、干燥处理，使其硬化，得到固定化絮凝菌颗粒；
其中，所述载体材料选自于沙子、活性炭、沸石、粉煤灰及矿石材料中的至少一种；
基于所述混合包埋材料的总质量，聚合氯化铝的质量分数为1-20％；水泥的质量分数为15-45％；载体材料的质量分数为40-80％；
聚丙烯酰胺菌溶液与混合包埋材料的比例为(0.2-2):1mL/g。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述聚丙烯酰胺菌溶液通过将聚丙烯酰胺溶解于浓度为107-1011个细胞/mL的微生物菌剂中获得，其中，所述聚丙烯酰胺的分子量为1000万-2000万。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述微生物菌剂选自于微生物菌混悬液及含有微生物菌的活性污泥中的一种。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述微生物菌剂中的微生物菌是CODCr降解菌、氨氮降解菌和苯酚降解菌中的至少一种。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述载体材料选自于活性炭、沸石及粉煤灰中的至少一种；所述载体材料的粒度为100-500目。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述载体材料为沸石。
7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述载体材料的粒度为200-500目。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述载体材料的粒度为300-400目。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述反复进行浸渍、干燥处理,使其硬化，包括：
将固定化絮凝菌颗粒前体用水浸渍3-10分钟后，于室温中干燥6-36小时；重复浸渍、干燥，直到固定化絮凝菌颗粒前体硬化。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，室温中干燥24小时。
11.应用权利要求1-10中任一项所述的方法制备的固定化絮凝菌颗粒。
12.如权利要求11所述的固定化絮凝菌颗粒，其特征在于，所述固定化絮凝菌颗粒中的菌浓度为106-109个细胞/mL。
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