CN106947754B - 一种高效包埋微生物凝胶及其制备方法 - Google Patents

一种高效包埋微生物凝胶及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种高效包埋微生物凝胶及其制备方法，凝胶包括包埋剂、交联剂、活性污泥菌种，所述包埋剂为聚乙烯醇、海藻酸钠和β环糊精，交联剂包括为氯化钙与饱和硼酸或氯化钙与硝酸钠的混合物。本发明中加入了β环糊精，大大增强污水脱氮效果，以及对有机物的去除效率，同时增强了凝胶的吸附性能和微生物活性，大大提高了对污染物的去除效率；β环糊精能够改善小球内部结构，SEM扫描电镜结果显示加入β环糊精后，凝胶内部微生物的生物量增多，表面缝隙更大，有利于营养物质的向内传质；红外光谱结果显示加入β环糊精的凝胶内部的氢键增多，β环糊精能够增加微生物的活性，提高微生物的呼吸速率，增大微生物对有毒物质的抵抗力。

Description

一种高效包埋微生物凝胶及其制备方法
技术领域
本发明属于污水处理技术领域，尤其是涉及一种高效包埋微生物凝胶及其制备方法。
背景技术
固定化生物技术的作用方法大致有吸附法、共价结合法、交联法和包埋法四大类。其中化学交联的高分子凝胶包埋固定法不存在固定不牢导致的脱落和抗冲击性差等问题，对于底物和产物是小分子的体系十分适合。然而凝胶的化学合成过程中往往存在多种有毒有害物质，且制备条件一般较为剧烈，特别是对于温度和压力敏感的微生物来说，经常造成微生物的大批死亡。如何降低有害物质和聚合过程对微生物的影响，是微生物固定化领域需要解决的难题之一。
微生物包埋固定化技术是废水生物处理处理领域中一个较新的技术，它是将微生物封闭在天然高分子多糖类或合成高分子凝胶中，从而使微生物固定化。相比普通的微生物法，包埋固定化技术具有以下优点：防止微生物流失、反应器中可以达到较高的微生物浓度、抗毒物和冲击负荷、沉降性能好、有利于固液分离等。但是现有的微生物包埋微生物凝胶小球对水中污染物的吸附能力有限而且在生物脱氮和有机物去除方面效果不是很好。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种高效包埋微生物凝胶及其制备方法，提高被包埋的微生物活性，增大对水体中污染物的吸附能力的凝胶，特别是在生物脱氮和有机物去除方面相对传统包埋微生物凝胶有更好的效果。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种高效包埋微生物凝胶，凝胶包括包埋剂、交联剂、微生物，所述包埋剂为聚乙烯醇、海藻酸钠和β环糊精，交联剂包括为氯化钙与饱和硼酸或氯化钙与硝酸钠的混合物。
进一步的，所述聚乙烯醇1.2～7％(W/V包埋剂)，海藻酸钠0.5～1.7％(W/V包埋剂)，β环糊精1～2％(W/V包埋剂)，氯化钙1～3％(W/V交联剂)和饱和硼酸3～5％(W/V交联剂)。
进一步的，所述聚乙烯醇1.2～7％(W/V包埋剂)，海藻酸钠0.5～1.7％(W/V包埋剂)，β环糊精1～2％(W/V包埋剂)，氯化钙1～3％(W/V交联剂)和硝酸钠40～60％(W/V交联剂)。
本发明还提供了一种制备如上所述的高效包埋微生物凝胶的方法，包括如下步骤：
将聚乙烯醇、海藻酸钠和β环糊精混合均匀后溶于水形成包埋剂，加热使上述包埋剂融化后冷却，然后将微生物加入到冷却后的上述包埋剂中，充分混匀后用蠕动泵将加入了微生物的包埋剂滴入交联剂中成小球，然后将小球放入冰箱中冷藏硬化，最后用水冲洗掉交联剂即可得到微生物凝胶小球。
进一步的，所述加热温度为85～95℃。
进一步的，所述冷却温度为35℃。
进一步的，所述微生物经过3500rpm离心10分钟。
进一步的，所述小球在4℃冰箱中冷藏硬化24小时。
相对于现有技术，本发明所述的高效包埋微生物凝胶及其制备方法具有以下优势：
本发明所述的高效包埋微生物凝胶及其制备方法，通过以聚乙烯醇、海藻酸钠、β环糊精、交联剂、水和活性微生物为原料，聚合反应制备成更加高效的微生物的水凝胶作为微生物载体，β环糊精能够大大增强污水脱氮效果，以及对有机物的去除效率，同时增强了凝胶的吸附性能，另一方面也提高了微生物活性，大大提高了对污染物的去除效率；β环糊精能够改善小球内部结构，SEM扫描电镜结果显示加入β环糊精后，凝胶内部微生物的生物量增多，表面缝隙更大，有利于营养物质的向内传质；红外光谱结果显示加入β环糊精的凝胶内部的氢键增多，β环糊精能够增加微生物的活性，提高微生物的呼吸速率，增大微生物对有毒物质的抵抗力。
附图说明
图1为本发明测试1的红外光谱检测结果；
图2为本发明测试2的SEM测试结果；
图3为本发明测试3的生物脱氮速率的结果；
图4为本发明测试4的苯甲酸降解速率的结果。
具体实施方式
除有定义外，以下实施例中所用的技术术语具有与本发明所属领域技术人员普遍理解的相同含义。以下实施例中所用的试验试剂，如无特殊说明，均为常规生化试剂；所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。
下面结合实施例及附图来详细说明本发明。
本发明中的微生物为：活性污泥菌种。
实施例1
将聚乙烯醇、海藻酸钠和β环糊精溶于水，使聚乙烯醇、海藻酸钠和β环糊精在包埋剂中的质量分数分别为1.2％(W/V包埋剂)、0.5％(W/V包埋剂)和2％(W/V包埋剂)，加热到90℃使上述包埋剂融化后冷却到35℃，然后将3500rpm离心分离10分钟后的活性污泥菌种加入到冷却后的上述包埋剂中，充分混匀后用蠕动泵将加入了微生物的包埋剂滴入饱和硼酸4％(W/V交联剂)和CaCl2 2％(W/V交联剂)的交联剂中成小球，然后将小球放入4℃冰箱中冷藏硬化24小时，最后用水冲洗掉交联剂即可得到微生物凝胶小球。
实施例2
将聚乙烯醇、海藻酸钠和β环糊精溶于水，使聚乙烯醇、海藻酸钠和β环糊精在包埋剂中的质量分数分别为1.7％(W/V包埋剂)、0.5％(W/V包埋剂)和2％(W/V包埋剂)，加热到90℃使上述包埋剂融化后冷却到35℃，然后将3500rpm离心分离10分钟后的活性污泥菌种加入到冷却后的上述包埋剂中，充分混匀后用蠕动泵将加入了微生物的包埋剂滴入饱和硼酸4％(W/V交联剂)和CaCl2 2％(W/V交联剂)的交联剂中成小球，然后将小球放入4℃冰箱中冷藏硬化24小时，最后用水冲洗掉交联剂即可得到微生物凝胶小球。
实施例3
将聚乙烯醇、海藻酸钠和β环糊精溶于水，使聚乙烯醇、海藻酸钠和β环糊精在包埋剂中的质量分数分别为7％(W/V包埋剂)、1％(W/V包埋剂)和2％(W/V包埋剂)，加热到90℃使上述包埋剂融化后冷却到35℃，然后将3500rpm离心分离10分钟后的活性污泥菌种加入到冷却后的上述包埋剂中，充分混匀后用蠕动泵将加入了微生物的包埋剂滴入硝酸钠50％(W/V交联剂)和CaCl2 2％(W/V交联剂)的交联剂中成小球，然后将小球放入4℃冰箱中冷藏硬化24小时，最后用水冲洗掉交联剂即可得到微生物凝胶小球。
实施例4
将聚乙烯醇、海藻酸钠和β环糊精溶于水，使聚乙烯醇、海藻酸钠和β环糊精在包埋剂中的质量分数分别为1.2％(W/V包埋剂)、0.5％(W/V包埋剂)和2％(W/V包埋剂)，加热到90℃使上述包埋剂融化后冷却到35℃，用蠕动泵将包埋剂滴入饱和硼酸4％(W/V交联剂)和CaCl2 2％(W/V交联剂)的交联剂中成小球，然后将小球放入4℃冰箱中冷藏硬化24小时，最后用水冲洗掉交联剂即可得到微生物凝胶小球。
对比例1
将海藻酸钠溶于水，使海藻酸钠在包埋剂中的质量分数为0.5％(W/V包埋剂)，加热到90℃使上述包埋剂融化后冷却到35℃，然后将3500rpm离心分离10分钟后的活性污泥菌种加入到冷却后的上述包埋剂中，充分混匀后用蠕动泵将加入了微生物的包埋剂滴入饱和硼酸4％(W/V交联剂)和CaCl2 2％(W/V交联剂)的交联剂中成小球，然后将小球放入4℃冰箱中冷藏硬化24小时，最后用水冲洗掉交联剂即可得到微生物凝胶小球。
对比例2
将聚乙烯醇溶于水，使聚乙烯醇在包埋剂中的质量分数为1.2％(W/V包埋剂)，加热到90℃使上述包埋剂融化后冷却到35℃，然后将3500rpm离心分离10分钟后的活性污泥菌种加入到冷却后的上述包埋剂中，充分混匀后用蠕动泵将加入了微生物的包埋剂滴入饱和硼酸4％(W/V交联剂)和CaCl2 2％(W/V交联剂)的交联剂中成小球，然后将小球放入4℃冰箱中冷藏硬化24小时，最后用水冲洗掉交联剂即可得到微生物凝胶小球。
对比例3
将聚乙烯醇和海藻酸钠溶于水，使聚乙烯醇和海藻酸钠在包埋剂中的质量分数分别为1.2％(W/V包埋剂)和0.5％(W/V包埋剂)，加热到90℃使上述包埋剂融化后冷却到35℃，然后将3500rpm离心分离10分钟后的活性污泥菌种加入到冷却后的上述包埋剂中，充分混匀后用蠕动泵将加入了微生物的包埋剂滴入饱和硼酸4％(W/V交联剂)和CaCl2 2％(W/V交联剂)的交联剂中成小球，然后将小球放入4℃冰箱中冷藏硬化24小时，最后用水冲洗掉交联剂即可得到微生物凝胶小球。
对比例4
将聚乙烯醇和海藻酸钠溶于水，使聚乙烯醇和海藻酸钠在包埋剂中的质量分数分别为7％(W/V包埋剂)和1％(W/V包埋剂)，加热到90℃使上述包埋剂融化后冷却到35℃，然后将3500rpm离心分离10分钟后的活性污泥菌种加入到冷却后的上述包埋剂中，充分混匀后用蠕动泵将加入了微生物的包埋剂滴入硝酸钠50％(W/V交联剂)和CaCl2 2％(W/V交联剂)的交联剂中成小球，然后将小球放入4℃冰箱中冷藏硬化24小时，最后用水冲洗掉交联剂即可得到微生物凝胶小球。
对比例5
将海藻酸钠溶于水，使海藻酸钠在包埋剂中的质量分数为0.5％(W/V包埋剂)，加热到90℃使上述包埋剂融化后冷却到35℃，用蠕动泵将包埋剂滴入饱和硼酸4％(W/V交联剂)和CaCl2 2％(W/V交联剂)的交联剂中成小球，然后将小球放入4℃冰箱中冷藏硬化24小时，最后用水冲洗掉交联剂即可得到微生物凝胶小球。
对比例6
将聚乙烯醇溶于水，使聚乙烯醇在包埋剂中的质量分数为1.2％(W/V包埋剂)，加热到90℃使上述包埋剂融化后冷却到35℃，用蠕动泵将包埋剂滴入饱和硼酸4％(W/V交联剂)和CaCl2 2％(W/V交联剂)的交联剂中成小球，然后将小球放入4℃冰箱中冷藏硬化24小时，最后用水冲洗掉交联剂即可得到微生物凝胶小球。
对比例7
将聚乙烯醇和海藻酸钠溶于水，使聚乙烯醇和海藻酸钠在包埋剂中的质量分数分别为1.2％(W/V包埋剂)和0.5％(W/V包埋剂)，加热到90℃使上述包埋剂融化后冷却到35℃，用蠕动泵将包埋剂滴入饱和硼酸4％(W/V交联剂)和CaCl2 2％(W/V交联剂)的交联剂中成小球，然后将小球放入4℃冰箱中冷藏硬化24小时，最后用水冲洗掉交联剂即可得到微生物凝胶小球。
测试：
1、红外光谱检测
如图1所示，为对比例5、对比例6、对比例7与实施例4的红外光谱图。其中对比例5表示为SA，对比例6表示为PVA，对比例7表示为PVA+SA，实施例4表示为PVA+SA+CD。
可以发现在PVA+SA和PVA+SA+CD中都存在2900-3000cm-1和1590cm-1两处峰值，说明β-CD的加入并没有改变PVA和SA之间的交联情况。进一步会发现3000到3600cm-1处的氢键峰值在PVA+SA+CD中要比在PVA+SA中要大，说明β-CD能够增强凝胶的亲水性，从而有利于与微生物的接触。
2、SEM测试
如图2所示，是对比例3和实施例1的扫描电镜结果。其中A和B分别是实施例1中凝胶小球表面和内部的扫描电镜图片；C和D分别是对比例3中凝胶小球表面和内部的扫描电镜图片。
通过扫描电镜观察到的凝胶小球表面和内部的结构，发现实施例1中加入了β-CD改性的凝胶小球内部微生物的数量更多，同时凝胶小球表面的缝隙更大，有利于氧气和营养物质向凝胶内部进行传质。
3、生物脱氮速率
如图3所示，为对比例3的凝胶小球在25℃和30℃，实施例1的凝胶小球在25℃，实施例2的凝胶小球在30℃的总无机氮去除效率的对比。其中25-1.2-CD表示的是25℃下培养的实施例1的凝胶小球；25-1.2是25℃培养的对比例3的凝胶小球；30-1.7-CD是30℃下培养的实施例2的凝胶小球；30-1.2是30℃培养的对比例3的凝胶小球。
四种不同处理的凝胶小球对污水脱氮效果的对比，发现30-1.7-CD具有最高的无机氮去除效率，75小时后高达85.4％，而且降解的速率也是最快的。原因可能是由于较高的温度，较大的微生物密度(如图2)和较强的微生物活性。通过比较说明了β-CD对于脱氮效果的促进作用。比较30-1.2和25-1.2-CD处理的小球，他们的无机氮去除效率相似，都接近57％，说明即使在较低温度下，含有β-CD的凝胶小球依然能够帮助提高脱氮效率。最后，既没有加入β-CD又是在低温运行的25-1.7小球的无机氮去除效率最低，仅为46.3％。
4、苯甲酸降解速率
如图4所示，为实施例3、对比例4以及活性污泥菌种的苯甲酸降解效果。
可以发现三者处理的苯甲酸浓度最终分别降低到43mg/L，74mg/L和93mg/L，实施例3含β-CD的凝胶小球的苯甲酸降解速率最快。通过拟合得到的苯甲酸降解曲线，可以计算出三者的苯甲酸降解速率，分别为16.033mg/(L.h)，6.300mg/(L.h)和0.378mg/(L.h)。结合微生物生物量的数据(凝胶小球生物量为0.4gVSS/L，活性污泥菌种为1.1gVSS/L)，可以计算出三者的苯甲酸去除速率分别为961mg/(gVSS.d)，378mg/(gVSS.d)和8mg/(gVSS.d)。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种高效包埋微生物凝胶，其特征在于：凝胶包括包埋剂、交联剂、微生物，所述包埋剂为聚乙烯醇、海藻酸钠和β环糊精，交联剂包括为氯化钙与饱和硼酸或氯化钙与硝酸钠的混合物。
2.根据权利要求1所述的高效包埋微生物凝胶，其特征在于：所述聚乙烯醇1.2～7％W/V包埋剂，海藻酸钠0.5～1.7％W/V包埋剂，β环糊精1～2％W/V包埋剂，氯化钙1～3％W/V交联剂和饱和硼酸3～5％W/V交联剂。
3.根据权利要求1所述的高效包埋微生物凝胶，其特征在于：所述聚乙烯醇1.2～7％W/V包埋剂，海藻酸钠0.5～1.7％W/V包埋剂，β环糊精1～2％W/V包埋剂，氯化钙1～3％W/V交联剂和硝酸钠40～60％W/V交联剂。
4.一种根据权利要求1～3任一项所述的高效包埋微生物凝胶的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
将聚乙烯醇、海藻酸钠和β环糊精混合均匀后溶于水形成包埋剂，加热使上述包埋剂融化后冷却，然后将微生物加入到冷却后的上述包埋剂中，充分混匀后用蠕动泵将加入了微生物的包埋剂滴入交联剂中成小球，然后将小球放入冰箱中冷藏硬化，最后用水冲洗掉交联剂即可得到微生物凝胶小球。
5.根据权利要求4所述的高效包埋微生物凝胶的制备方法，其特征在于：所述加热温度为85～95℃。
6.根据权利要求4所述的高效包埋微生物凝胶的制备方法，其特征在于：所述冷却温度为35℃。
7.根据权利要求4所述的高效包埋微生物凝胶的制备方法，其特征在于：所述微生物经过3500rpm离心10分钟。
8.根据权利要求4所述的高效包埋微生物凝胶的制备方法，其特征在于：所述小球在4℃冰箱中冷藏硬化24小时。
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