CN106186352A - 一种利用多孔纤维素气凝胶固定化微生物菌处理氨氮废水的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用多孔纤维素气凝胶固定化微生物菌处理氨氮废水的方法，属于废水处理制备领域。本发明制备得多孔纤维素气凝胶，采用载体结合法将硝化菌和反硝化菌吸附固定在多孔纤维素气凝胶上，本发明将微生物固定在多孔纤维素气凝胶处理氨氮水，固定化微生物污水根据曝气条件的不同使废水处于好氧态或厌氧态，有利于同步硝化和反硝化反应地进行，有很好的氨氮去除能力，反应效率高、稳定性强。

Description

一种利用多孔纤维素气凝胶固定化微生物菌处理氨氮废水的 方法

技术领域

本发明公开了一种利用多孔纤维素气凝胶固定化微生物菌处理氨氮废水的方法，属于废水处理制备领域。

背景技术

随着社会经济的高速发展及人们生活水平的不断提高，生产与生活污水的排放量急剧增加，全球性水体污染日趋严重，威胁着社会经济乃至人类自身的可持续发展。水环境的管理法规日趋完善及严格，传统的污水生物处理技术已难于适应污水处理的发展要求，研究开发和应用新型废水处理工艺、技术及材料，已成为世界水体污染控制与防治工程领域的研究热点，固定化微生物技术及其在水处理领域的应用逐渐成为国内外研究者的热点之一。与传统的废水生物处理技术相比，固定化微生物技术处理废水时可较大幅度地提高微生物浓度，具有反应启动快、处理效率高、操作稳定、产污泥量少、固液分离容易、能纯化和保持优势菌群，以及基建占地少等优点而倍受关注，并取得了令人瞩目的研究成果。然而，迄今报道较多的仍是以人工废水为处理对象的实验室研究结果，并大多采用包埋及物理吸附类固定化方法。研究较多的固定化材料则主要是琼脂、角叉莱胶、海藻酸钙等天然高分子凝胶载体，以及聚丙烯酰胺(PAM)、聚乙烯醇(PVA)、光硬化树脂、聚丙烯酸等有机合成高分子凝胶载体。

冶炼、化肥生产、畜禽养殖等工农业生产过程中产生大量氨氮废水。氨氮废水是造成水体富营养化的主要因素。缺氧、好氧、间歇式活性污泥法、氧化沟等生物处理工艺在氨氮废水的治理中得以广泛应用，但存在水力停留时间较长、耐冲击负荷性较差、剩余污泥量大等缺点。固定化微生物作为一种新兴生物处理技术，是将微生物固定在载体上使其高度密集并保持其生物活性，该技术具有反应效率高、稳定性强、污泥量少等优点。

发明内容

本发明主要解决的技术问题：针对目前生物处理工艺在氨氮废水的治理中得以广泛应用，但存在水力停留时间较长、耐冲击负荷性较差、剩余污泥量大等的问题，提供了一种利用多孔纤维素气凝胶固定化微生物菌处理氨氮废水的方法，本发明制备得多孔纤维素气凝胶，采用载体结合法将硝化菌和反硝化菌吸附固定在多孔纤维素气凝胶上，本发明将微生物固定在多孔纤维素气凝胶处理氨氮水，固定化微生物污水根据曝气条件的不同使废水处于好氧态或厌氧态，有利于同步硝化和反硝化反应地进行，有很好的氨氮去除能力，反应效率高、稳定性强。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

(1)称取50～100g干燥的纤维素，按固液比1∶20将其分散在质量分数15％氢氧化钠溶液中，并加入5～8g聚乙二醇，加热至75～85℃下进行搅拌反应3～4h，将反应后的溶液冷却至-10～-8℃，保持此温度下冰冻8～10h，将冰冻后的固体取出，在室温下解冻并用800～1000r/min转速快速搅拌，搅拌40～50min后得到纤维素水溶液；

(2)将上述纤维素水溶液用浓度5mol/L盐酸溶液调节pH值为3.5～4.0，并在室温下静置6～8h，形成水凝胶，将水凝胶放入无水乙醇中进行老化20～23h，每隔3h换无水乙醇一次，取出后再用正己烷浸泡凝胶20～25h，每隔2h更换正己烷一次，老化后将水凝胶取出，进水凝胶进行冷冻干燥，干燥后得到多孔纤维素气凝胶；

(3)在1000mL反应器中，向其中加入30～40g葡萄糖、20～30g琼脂、15～25g蛋白胨、3～5g磷酸氢二钾、8～10g硫酸铵和200～300mL蒸馏水并混合，再向反应器中加入100～200mL活性污泥的上清液，用质量分数15％草酸调节pH值为4.8～5.5，调节后向培养基中接种5～8株硝化菌和8～10株反硝化菌，从底部充入空气进行曝气，培养温度为25～30℃，培养3～5天；

(4)上述培养结束后，向培养后的混合物中投加氨氮对其进行驯化，先投加氨氮的量为20～25mg/L，驯化1～2天，再投放50～70mg/L，驯化2～3天，投放100～150mg/L，驯化2～3天，投放200～250mg/L，驯化2～3天，投放300～350mg/L，驯化2～3天，驯化结束后过滤，得滤液；

(5)将步骤(2)的多孔纤维素气凝胶按固液比1∶5与上述滤液混合，进行固定化反应12～15天，固定化结束后，过滤，得多孔纤维素气凝胶固定化微生物菌。

本发明的应用方法：在室温下，将本发明制得多孔纤维素气凝胶固定化微生物菌按20～30g/L加入50～100L的100～500mg/L氨氮废水中，在废水中停留时间为30～40h，同时向水中连续曝气，通过曝气控制水中溶解氧从0.1～0.2mg/L到2.0～2.5mg/L，处理后对氨氮的去除率为68～89％。

本发明的有益效果是：

(1)本发明将微生物固定在多孔纤维素气凝胶处理氨氮水，固定化微生物污水处理系统会依曝气条件的不同而处于好氧态或厌氧态，有利于同步硝化和反硝化反应地进行，有很好的氨氮去除能力，反应效率高、稳定性强；

(2)本发明具有反应启动快、处理效率高、操作稳定、产污泥量少、固液分离容易、能纯化和保持优势菌群。

具体实施方式

首先称取50～100g干燥的纤维素，按固液比1∶20将其分散在质量分数15％氢氧化钠溶液中，并加入5～8g聚乙二醇，加热至75～85℃下进行搅拌反应3～4h，将反应后的溶液冷却至-10～-8℃，保持此温度下冰冻8～10h，将冰冻后的固体取出，在室温下解冻并用800～1000r/min转速快速搅拌，搅拌40～50min后得到纤维素水溶液；将纤维素水溶液用浓度5mol/L盐酸溶液调节pH值为3.5～4.0，并在室温下静置6～8h，形成水凝胶，将水凝胶放入无水乙醇中进行老化20～23h，每隔3h换无水乙醇一次，取出后再用正己烷浸泡凝胶20～25h，每隔2h更换正己烷一次，老化后将水凝胶取出，进水凝胶进行冷冻干燥，干燥后得到多孔纤维素气凝胶；在1000mL反应器中，向其中加入30～40g葡萄糖、20～30g琼脂、15～25g蛋白胨、3～5g磷酸氢二钾、8～10g硫酸铵和200～300mL蒸馏水并混合，再向反应器中加入100～200mL活性污泥的上清液，用质量分数15％草酸调节pH值为4.8～5.5，调节后向培养基中接种5～8株硝化菌和8～10株反硝化菌，从底部充入空气进行曝气，培养温度为25～30℃，培养3～5天；培养结束后，向培养后的混合物中投加氨氮对其进行驯化，先投加氨氮的量为20～25mg/L，驯化1～2天，再投放50～70mg/L，驯化2～3天，投放100～150mg/L，驯化2～3天，投放200～250mg/L，驯化2～3天，投放300～350mg/L，驯化2～3天，驯化结束后过滤，得滤液；将多孔纤维素气凝胶按固液比1∶5与滤液混合，进行固定化反应12～15天，固定化结束后，过滤，得多孔纤维素气凝胶固定化微生物菌。

实例1

首先称取50g干燥的纤维素，按固液比1∶20将其分散在质量分数15％氢氧化钠溶液中，并加入5g聚乙二醇，加热至75℃下进行搅拌反应3h，将反应后的溶液冷却至-10℃，保持此温度下冰冻8h，将冰冻后的固体取出，在室温下解冻并用800r/min转速快速搅拌，搅拌40min后得到纤维素水溶液；将纤维素水溶液用浓度5mol/L盐酸溶液调节pH值为3.5，并在室温下静置6h，形成水凝胶，将水凝胶放入无水乙醇中进行老化20h，每隔3h换无水乙醇一次，取出后再用正己烷浸泡凝胶20h，每隔2h更换正己烷一次，老化后将水凝胶取出，进水凝胶进行冷冻干燥，干燥后得到多孔纤维素气凝胶；在1000mL反应器中，向其中加入30g葡萄糖、20g琼脂、15g蛋白胨、3g磷酸氢二钾、8g硫酸铵和200mL蒸馏水并混合，再向反应器中加入100mL活性污泥的上清液，用质量分数15％草酸调节pH值为4.8，调节后向培养基中接种5株硝化菌和8株反硝化菌，从底部充入空气进行曝气，培养温度为25℃，培养3天；培养结束后，向培养后的混合物中投加氨氮对其进行驯化，先投加氨氮的量为20mg/L，驯化1天，再投放50mg/L，驯化2天，投放100mg/L，驯化2天，投放200mg/L，驯化2天，投放300mg/L，驯化2天，驯化结束后过滤，得滤液；将多孔纤维素气凝胶按固液比1∶5与滤液混合，进行固定化反应12天，固定化结束后，过滤，得多孔纤维素气凝胶固定化微生物菌。

在室温下，将本发明制得多孔纤维素气凝胶固定化微生物菌按20g/L加入50L的100mg/L氨氮废水中，在废水中停留时间为30h，同时向水中连续曝气，通过曝气控制水中溶解氧从0.1mg/L到2.0mg/L，处理后对氨氮的去除率为68％。

实例2

首先称取75g干燥的纤维素，按固液比1∶20将其分散在质量分数15％氢氧化钠溶液中，并加入6g聚乙二醇，加热至80℃下进行搅拌反应3.5h，将反应后的溶液冷却至-9℃，保持此温度下冰冻9h，将冰冻后的固体取出，在室温下解冻并用900r/min转速快速搅拌，搅拌45min后得到纤维素水溶液；将纤维素水溶液用浓度5mol/L盐酸溶液调节pH值为3.8，并在室温下静置7h，形成水凝胶，将水凝胶放入无水乙醇中进行老化21h，每隔3h换无水乙醇一次，取出后再用正己烷浸泡凝胶23h，每隔2h更换正己烷一次，老化后将水凝胶取出，进水凝胶进行冷冻干燥，干燥后得到多孔纤维素气凝胶；在1000mL反应器中，向其中加入35g葡萄糖、25g琼脂、20g蛋白胨、4g磷酸氢二钾、9g硫酸铵和25mL蒸馏水并混合，再向反应器中加入150mL活性污泥的上清液，用质量分数15％草酸调节pH值为5.0，调节后向培养基中接种7株硝化菌和9株反硝化菌，从底部充入空气进行曝气，培养温度为27℃，培养4天；培养结束后，向培养后的混合物中投加氨氮对其进行驯化，先投加氨氮的量为23mg/L，驯化1.5天，再投放60mg/L，驯化2.5天，投放125mg/L，驯化2.5天，投放225mg/L，驯化2.5天，投放325mg/L，驯化2.5天，驯化结束后过滤，得滤液；将多孔纤维素气凝胶按固液比1∶5与滤液混合，进行固定化反应13天，固定化结束后，过滤，得多孔纤维素气凝胶固定化微生物菌。

在室温下，将本发明制得多孔纤维素气凝胶固定化微生物菌按25g/L加入75L的300mg/L氨氮废水中，在废水中停留时间为35h，同时向水中连续曝气，通过曝气控制水中溶解氧从0.15mg/L到2.3mg/L，处理后对氨氮的去除率为75％。

实例3

首先称取100g干燥的纤维素，按固液比1∶20将其分散在质量分数15％氢氧化钠溶液中，并加入8g聚乙二醇，加热至85℃下进行搅拌反应4h，将反应后的溶液冷却至-8℃，保持此温度下冰冻10h，将冰冻后的固体取出，在室温下解冻并用1000r/min转速快速搅拌，搅拌50min后得到纤维素水溶液；将纤维素水溶液用浓度5mol/L盐酸溶液调节pH值为4.0，并在室温下静置8h，形成水凝胶，将水凝胶放入无水乙醇中进行老化23h，每隔3h换无水乙醇一次，取出后再用正己烷浸泡凝胶25h，每隔2h更换正己烷一次，老化后将水凝胶取出，进水凝胶进行冷冻干燥，干燥后得到多孔纤维素气凝胶；在1000mL反应器中，向其中加入40g葡萄糖、30g琼脂、25g蛋白胨、5g磷酸氢二钾、10g硫酸铵和300mL蒸馏水并混合，再向反应器中加入200mL活性污泥的上清液，用质量分数15％草酸调节pH值为5.5，调节后向培养基中接种8株硝化菌和10株反硝化菌，从底部充入空气进行曝气，培养温度为30℃，培养5天；培养结束后，向培养后的混合物中投加氨氮对其进行驯化，先投加氨氮的量为25mg/L，驯化2天，再投放70mg/L，驯化3天，投放150mg/L，驯化3天，投放250mg/L，驯化3天，投放350mg/L，驯化3天，驯化结束后过滤，得滤液；将多孔纤维素气凝胶按固液比1∶5与滤液混合，进行固定化反应15天，固定化结束后，过滤，得多孔纤维素气凝胶固定化微生物菌。

在室温下，将本发明制得多孔纤维素气凝胶固定化微生物菌按30g/L加入100L的500mg/L氨氮废水中，在废水中停留时间为40h，同时向水中连续曝气，通过曝气控制水中溶解氧从0.2mg/L到2.5mg/L，处理后对氨氮的去除率为89％。

Claims (1)

1.一种利用多孔纤维素气凝胶固定化微生物菌处理氨氮废水的方法，其特征在于具体制备步骤为：

(1)称取50～100g干燥的纤维素，按固液比1∶20将其分散在质量分数15％氢氧化钠溶液中，并加入5～8g聚乙二醇，加热至75～85℃下进行搅拌反应3～4h，将反应后的溶液冷却至-10～-8℃，保持此温度下冰冻8～10h，将冰冻后的固体取出，在室温下解冻并用800～1000r/min转速快速搅拌，搅拌40～50min后得到纤维素水溶液；

(2)将上述纤维素水溶液用浓度5mol/L盐酸溶液调节pH值为3.5～4.0，并在室温下静置6～8h，形成水凝胶，将水凝胶放入无水乙醇中进行老化20～23h，每隔3h换无水乙醇一次，取出后再用正己烷浸泡凝胶20～25h，每隔2h更换正己烷一次，老化后将水凝胶取出，进水凝胶进行冷冻干燥，干燥后得到多孔纤维素气凝胶；

(3)在1000mL反应器中，向其中加入30～40g葡萄糖、20～30g琼脂、15～25g蛋白胨、3～5g磷酸氢二钾、8～10g硫酸铵和200～300mL蒸馏水并混合，再向反应器中加入100～200mL活性污泥的上清液，用质量分数15％草酸调节pH值为4.8～5.5，调节后向培养基中接种5～8株硝化菌和8～10株反硝化菌，从底部充入空气进行曝气，培养温度为25～30℃，培养3～5天；

(4)上述培养结束后，向培养后的混合物中投加氨氮对其进行驯化，先投加氨氮的量为20～25mg/L，驯化1～2天，再投放50～70mg/L，驯化2～3天，投放100～150mg/L，驯化2～3天，投放200～250mg/L，驯化2～3天，投放300～350mg/L，驯化2～3天，驯化结束后过滤，得滤液；

(5)将步骤(2)的多孔纤维素气凝胶按固液比1∶5与上述滤液混合，进行固定化反应12～15天，固定化结束后，过滤，得多孔纤维素气凝胶固定化微生物菌。