CN107034208A - 一种厌氧氨氧化污泥包埋凝胶小球的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种厌氧氨氧化污泥包埋凝胶小球的制备方法，称取聚乙二醇6000、海藻酸钠、纳米氧化铝，将聚乙二醇6000、海藻酸钠、纳米氧化铝制成凝胶溶液，按质量比计，聚乙二醇6000浓度为3％‑5wt％，海藻酸钠浓度(SA)为2％‑3wt％；纳米氧化铝浓度为0.3％‑0.7wt％，将微生物生长因子溶液以体积比为(0.5‑2)ml/L加入到凝胶溶液中，再对凝胶溶液进行超声处理。本发明方法的包埋剂制作简便，制得的凝胶小球活性较高，有良好的机械强度以及通透性，能够有效地去除废水中氮素污染物，可以广泛地应用于污水处理领域。

Description

一种厌氧氨氧化污泥包埋凝胶小球的制备方法
技术领域
本发明属于污水处理领域，涉及一种厌氧氨氧化污泥包埋凝胶小球的制备方法。
背景技术
近些年来，厌氧氨氧化越来越受到关注，究其原因，在于它简洁的脱氮途径以及经济性，有良好的应用前景。但是由于厌氧氨氧化菌属于自养脱氮菌，且倍增时间较长(约11d)，所以启动一个厌氧氨氧化反应器需要的时间比较长，至少需要3个月左右。菌体的截留就受到了关注。
包埋固定化技术作为一种高效率、稳定性好、生物浓度较高的微生物截留手段，在近些年被逐渐引入污水处理领域并得到了广泛的认可和关注。但是目前大部分包埋材料都存在各种各样的缺陷，比如寿命短、机械强度不高、通透性较差、以及对微生物有一定的毒害性。因此，如何不断的优化包埋的载体材料，以及通过其他手段改善包埋材料的空间结构、强度、传质性能和提高厌氧氨氧化菌的活性，提高厌氧氨氧化菌的脱氮性能并能很好对菌进行截留,已成为近年来的研究热点。
发明内容
为了解决上述提到的问题，本发明提供一种厌氧氨氧化污泥包埋凝胶小球的制备方法，利用微生物固定化技术，使厌氧氨氧化污泥在固定区域有较高的密度，减少厌氧氨氧化污泥的流失，提高厌氧氨氧化污泥活性，改善普通聚乙二醇-海藻酸钠包埋材料的空隙结构，提高它的传质性能，增强机械强度。
为了达到上述目的，本发明通过以下方案来实现：
一种厌氧氨氧化污泥包埋凝胶小球的制备方法，包括以下步骤：
步骤(1)、包埋剂的配制：称取聚乙二醇6000(PEG)、海藻酸钠(SA)、纳米氧化铝制成凝胶溶液，将聚乙二醇6000、海藻酸钠、纳米氧化铝制成凝胶溶液，溶液以质量百分比计，聚乙二醇6000浓度3％-5wt％，海藻酸钠浓度2％-3wt％，纳米氧化铝浓度0.3％-0.7wt％，制成包埋剂；
步骤(2)、污泥与包埋剂的混合：将厌氧氨氧化污泥经pH为7-8的碳酸氢钾缓冲溶液洗涤并离心2-3次，然后将等体积的包埋剂与离心后的污泥混合；
步骤(3)、固定化厌氧氨氧化凝胶小球的制取：将包埋剂与污泥的混合液逐滴滴入到3％-4wt％CaCl2溶液中，密封并避光放进4℃冰箱中，交联10-14小时后得到固定后的厌氧氨氧化凝胶小球，固定化凝胶小球的直径为2-4mm，用磷酸缓冲溶液和灭菌水清洗后备用；
步骤(4)、固定化厌氧氨氧化凝胶小球的活化：在处理废水之前，先将固定化凝胶小球在30-35℃范围内用目标废水活化培养6-8天，使固定化凝胶小球的内部微生物得到充分的恢复和驯化。
进一步，步骤(1)具体包括以下步骤：
步骤(1.1)制备聚乙二醇-海藻酸钠溶液：
将聚乙二醇在70-90℃水浴条件下溶解，然后向聚乙二醇溶液中加入海藻酸钠，混合均匀至完全溶解，并冷却至室温；
步骤(1.2)、加入微生物生长因子溶液
将体积比为(0.5-2)ml/L的厌氧氨氧化菌生长因子溶液加入到上述配制的溶液中。
步骤(1.3)、加入纳米氧化铝溶液
将纳米氧化铝溶液加入到聚乙二醇-海藻酸钠溶液中，混合均匀至完全溶解；
步骤(1.4)、超声波处理
将混合凝胶放置到超声装置中，超声处理30-40分钟后，静置至冷却到室温；
进一步，步骤(2)中所述厌氧氨氧化污泥离心转数为4000r/min，离心时间为10min。
进一步，步骤(1)中纳米氧化铝的α晶型约90％，γ晶型约10％，粒径约50nm。
进一步，步骤(1.4)中所述超声装置频率设置为40kHZ。
进一步，步骤(3)中所述CaCl2溶液的体积是包埋剂和污泥混合液体积的4倍以上。
进一步，步骤(4)中所述固定化凝胶小球的活化培养是采用间歇培养方式，即固定化凝胶小球和目标废水的体积比例为1:9，以氨氮浓度降低到10％为一个周期，每个周期结束后，换入新鲜的目标废水。
进一步，步骤(1.2)中所述微生物生长因子溶液为由维生素B1、维生素B6、维生素K、尼克酸组成的厌氧氨氧化菌生长因子溶液，所述厌氧氨氧化菌生长因子溶液按照如下步骤配制：
步骤(1.2.1)、分别取维生素B1、维生素B6、维生素K、尼克酸各50mg,分别以25％乙醇溶液溶解并定容至1L，混合均匀，并分装在1L的棕色药剂瓶中，在冰箱中保存，得到浓度为50mg/L的维生素B1、维生素B6、维生素K、尼克酸溶液；
步骤(1.2.2)、用时分别取2ml配制的溶液，定容至10ml，混匀，得到浓度为10mg/L的维生素B1、维生素B6、维生素K、尼克酸溶液。
本发明作用的原理是：
聚乙二醇-海藻酸钠凝胶(PEG-SA)相对于其他包埋材料比如常用的比较好的聚乙烯醇-海藻酸钠(PVA-SA)具有更好的稳定性能、更高的稳定性，对厌氧氨氧化菌性小的优点。并且，本发明用超声辅助纳米氧化铝对聚乙二醇-海藻酸钠包埋材料进行改性处理，纳米氧化铝相对于其他纳米无机材料，具有更大的比表面积和吸附性能，通过超声波辅助技术可以强化纳米氧化铝在包埋剂中的分散性，这不仅能够进一步减小包埋材料的传质阻力，还能增大包埋剂的功能性比表面积以提高细胞的的负载率，改善聚乙二醇-海藻酸钠材料的空隙结构，进一步提高其传质性能，增强它的机械强度。同时也由于纳米氧化铝对微生物的吸附作用，可减少包埋过程中微生物的流失，提高了厌氧氨氧化性能。
通过向包埋剂中添加针对微生物生长因子，有效的改善了固定化厌氧氨氧化菌的的微环境。生长因子的添加，对于固定化过程中厌氧氨氧化菌营养的流失，也起到了一定的补充作用，有利于保持和维护整个固定化过程中厌氧氨氧化菌的数量和活性，对于包埋菌的活性恢复以及恢复后的性能有巨大的提高作用。
为了获得最佳的固定化载体配方，本发明对主体和辅助材料进行了多组组合以及配比实验，以包埋菌颗粒的物理性质以及生理活性作为对比的指标，得到了优化后的固定化厌氧氨氧化菌工艺，最终获得了优良的固定化厌氧氨氧化菌产品。
本发明与现有的技术相比，具有以下优点：
(1)与使用较多的聚乙烯醇-海藻酸钠(PVA-SA)包埋技术相比，具有更好的传质性能，提高了包埋材料的机械强度和弹性。
(2)与单纯的聚乙二醇(PEG)包埋技术相比，降低了固定化厌氧氨氧化菌过程中对微生物的毒害作用。
(3)在聚乙二醇-海藻酸钠(PEG-SA)的基础上，添加了纳米氧化铝，并用超声辅助，对聚乙二醇-海藻酸钠进行改性处理。纳米氧化铝相对于其他纳米无机材料，具有更大的比表面积和吸附性能，通过超声波辅助技术可以强化纳米氧化铝在包埋剂中的分散性，这不仅能够进一步减小包埋材料的传质阻力，还能增大包埋剂的功能性比表面积以提高细胞的的负载率，改善聚乙二醇-海藻酸钠材料的空隙结构，进一步提高其传质性能，增强它的机械强度。同时也由于纳米氧化铝对微生物的吸附作用，可减少包过程中微生物的流失，提高了厌氧氨氧化性能。
(4)同时加入了微生物生长因子，生长因子的添加，效的改善了固定化厌氧氨氧化菌的的微环境。对于固定化过程中厌氧氨氧化菌营养的流失，也起到了一定的补充作用，有利于保持和维护整个固定化过程中厌氧氨氧化菌的数量和活性，对于包埋菌的活性恢复以及恢复后的性能有巨大的提高作用。
附图说明
图1为本发明厌氧氨氧化污泥包埋凝胶小球的制备方法的流程图；
图2是测得的实验三角瓶中氨氮浓度随时间变化的曲线；
图3是测得的实验三角瓶中亚硝态氮浓度随时间变化的曲线。
具体实施方式
如图1所示，本发明提供一种厌氧氨氧化污泥包埋凝胶小球的制备方法，包括以下步骤：
步骤(1)、包埋剂的配制：称取聚乙二醇6000(PEG)、海藻酸钠(SA)、纳米氧化铝制成凝胶溶液，将聚乙二醇6000、海藻酸钠、纳米氧化铝制成凝胶溶液，溶液以质量百分比计，聚乙二醇6000浓度3％-5wt％，海藻酸钠浓度2％-3wt％，纳米氧化铝浓度0.3％-0.7wt％，制成包埋剂；
步骤(2)、污泥与包埋剂的混合：将厌氧氨氧化污泥经pH为7-8的碳酸氢钾缓冲溶液洗涤并离心2-3次，然后将等体积的包埋剂与离心后的污泥混合；
步骤(3)、固定化厌氧氨氧化凝胶小球的制取：将包埋剂与污泥的混合液逐滴滴入到3％-4wt％CaCl2溶液中，密封并避光放进4℃冰箱中，交联10-14小时后得到固定后的厌氧氨氧化凝胶小球，固定化凝胶小球的直径为2-4mm，用磷酸缓冲溶液和灭菌水清洗后备用；
步骤(4)、固定化厌氧氨氧化凝胶小球的活化：在处理废水之前，先将固定化凝胶小球在30-35℃范围内用目标废水活化培养6-8天，使固定化凝胶小球的内部微生物得到充分的恢复和驯化。
进一步，步骤(1)具体包括以下步骤：
步骤(1.1)制备聚乙二醇-海藻酸钠溶液：
将聚乙二醇在70-90℃水浴条件下溶解，然后向聚乙二醇溶液中加入海藻酸钠，混合均匀至完全溶解，并冷却至室温；
步骤(1.2)、加入微生物生长因子溶液
将体积比为(0.5-2)ml/L的厌氧氨氧化菌生长因子溶液加入到上述配制的溶液中。
步骤(1.3)、加入纳米氧化铝溶液
将纳米氧化铝溶液加入到聚乙二醇-海藻酸钠溶液中，混合均匀至完全溶解；
步骤(1.4)、超声波处理
将混合凝胶放置到超声装置中，超声处理30-40分钟后，静置至冷却到室温；
进一步，步骤(2)中所述厌氧氨氧化污泥离心转数为4000r/min，离心时间为10min。
进一步，步骤(1)中纳米氧化铝的α晶型约90％，γ晶型约10％，粒径约50nm。
进一步，步骤(1.4)中所述超声装置频率设置为40kHZ。
进一步，步骤(3)中所述CaCl2溶液的体积是包埋剂和污泥混合液体积的4倍以上。
进一步，步骤(4)中所述固定化凝胶小球的活化培养是采用间歇培养方式，即固定化凝胶小球和目标废水的体积比例为1:9，以氨氮浓度降低到10％为一个周期，每个周期结束后，换入新鲜的目标废水；将制得的固定化凝胶小球，在处理废水时按照反应器填充体积15-20％投加到反应器中。
进一步，步骤(1.2)中所述微生物生长因子溶液为由维生素B1、维生素B6、维生素K、尼克酸组成的厌氧氨氧化菌生长因子溶液，所述厌氧氨氧化菌生长因子溶液按照如下步骤配制：
步骤(1.2.1)、分别取维生素B1、维生素B6、维生素K、尼克酸各50mg,分别以25％乙醇溶液溶解并定容至1L，混合均匀，并分装在1L的棕色药剂瓶中，在冰箱中保存，得到浓度为50mg/L的维生素B1、维生素B6、维生素K、尼克酸溶液；
步骤(1.2.2)、用时分别取2ml配制的溶液，定容至10ml，混匀，得到浓度为10mg/L的维生素B1、维生素B6、维生素K、尼克酸溶液。
实施例1
称取聚乙二醇6000(PEG)、海藻酸钠(SA)、纳米氧化铝，溶液以质量百分比计，聚乙二醇6000浓度4wt％,海藻酸钠浓度2.5％,纳米氧化铝浓度0.3wt％，加入营养因子并进行超声处理，制成包埋剂。再将包埋剂和等体积的离心后的厌氧氨氧化污泥混合(厌氧氨氧化污泥经pH7.5的碳酸氢钾溶液洗涤3次后再4000r/min的条件下离心10min)，将上述混合液经蠕动泵(每分钟15-20滴)逐滴加入到冰浴过的4wt％CaCl2溶液中，密封并避光处理放入4℃冰箱中交联12小时，制得固定化厌氧氨氧化凝胶小球，小球粒径在2-4mm之间。交联结束后，用磷酸缓冲溶液和灭菌水清洗后三次，冷藏备用。取固定化凝胶小球，加入目标废水进行活化，在30℃恒温培养箱里培养7天，以氨氮降到初始浓度的10％为一个周期，换入新鲜废水，固定化小球和目标废水的体积比为1:9。
将上述活化后的凝胶小球按反应器体积填充率为15％投加到ASBR反应器中，反应器有效容积为17L，水力停留时间为24小时，废水中氨氮和亚硝态氮的初始浓度分别为115mg/L和140mg/L。出水的监测结果为NH3-N浓度为2.6mg/L，去除率达到97.7％，NO2-N浓度为0.6mg/L，去除率达到99.6％，去除效果很理想。
实施例2
称取聚乙二醇6000(PEG)、海藻酸钠(SA)、纳米氧化铝，溶液以质量百分比计，聚乙二醇6000浓度4wt％,海藻酸钠浓度3％,纳米氧化铝浓度0.7wt％，加入营养因子并进行超声处理，制成包埋剂。再将包埋剂和等体积的离心后的厌氧氨氧化污泥混合(厌氧氨氧化污泥经pH7.5的碳酸氢钾溶液洗涤3次后再4000r/min的条件下离心10min)，将上述混合液经蠕动泵(每分钟15-20滴)逐滴加入到冰浴过的4wt％CaCl2溶液中，密封并避光处理放入4℃冰箱中交联10小时，制得固定化厌氧氨氧化凝胶小球，小球粒径在2-4mm之间。交联结束后，用磷酸缓冲溶液和灭菌水清洗后三次，冷藏备用。取固定化凝胶小球，加入目标废水进行活化，在30℃恒温培养箱里培养8天，以氨氮降到初始浓度的10％为一个周期，换入新鲜废水。
取上述活化后的固定小球40ml，加入到500ml三角瓶中，并加入360ml目标废水(NH3-N的初始浓度为2.6mg/L，NO2-N的初始浓度为0.6mg/L)静置于32℃厌氧恒温培养箱中，每天摇动三角瓶4-6次，每隔8小时取样，测氨氮和亚硝态氮浓度，每个样设置3个平行试验，结果取其均值，设置同体积的没有经过包埋处理的厌氧氨氧化泥对照组，实验条件相同。
图2、3是测得的实验三角瓶中氨氮和亚硝态氮浓度随时间变化的曲线。从图中可以看出，实验前8个小时内，包埋厌氧氨氧化凝胶小球对氨氮和亚硝态氮的去除速率要低于没有经过包埋处理的厌氧氨氧化泥，分析是由于底物透过包埋材料被厌氧氨氧化菌利用需要一定的传质时间，8个小时以后，包埋厌氧氨氧化凝胶小球的对氨氮和亚硝态氮的去除速率显著提高，后来也一直保持良好的去除效果，包埋厌氧氨氧化凝胶小球对氨氮和亚硝态氮的去除效率更高。

Claims (8)

1.一种厌氧氨氧化污泥包埋凝胶小球的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤(1)、包埋剂的配制：称取聚乙二醇6000、海藻酸钠、纳米氧化铝制成凝胶溶液，将聚乙二醇6000、海藻酸钠、纳米氧化铝制成凝胶溶液，溶液以质量百分比计，聚乙二醇6000浓度3％-5wt％，海藻酸钠浓度2％-3wt％，纳米氧化铝浓度0.3％-0.7wt％，制成包埋剂；
步骤(2)、污泥与包埋剂的混合：将厌氧氨氧化污泥经pH为7-8的碳酸氢钾缓冲溶液洗涤并离心2-3次，然后将等体积的包埋剂与离心后的污泥混合；
步骤(3)、固定化厌氧氨氧化凝胶小球的制取：将包埋剂与污泥的混合液逐滴滴入到3％-4wt％CaCl2溶液中，密封并避光放进4℃冰箱中，交联10-14小时后得到固定后的厌氧氨氧化凝胶小球，固定化凝胶小球的直径为2-4mm，用磷酸缓冲溶液和灭菌水清洗后备用；
步骤(4)、固定化厌氧氨氧化凝胶小球的活化：在处理废水之前，先将固定化凝胶小球在30-35℃范围内用目标废水活化培养6-8天，使固定化凝胶小球的内部微生物得到充分的恢复和驯化。
2.根据权利要求1所述的厌氧氨氧化污泥包埋凝胶小球的制备方法，其特征在于，步骤(1)具体包括以下步骤：
步骤(1.1)制备聚乙二醇-海藻酸钠溶液：
将聚乙二醇在70-90℃水浴条件下溶解，然后向聚乙二醇溶液中加入海藻酸钠，混合均匀至完全溶解，并冷却至室温；
步骤(1.2)、加入微生物生长因子溶液
将体积比为(0.5-2)ml/L的厌氧氨氧化菌生长因子溶液加入到上述配制的溶液中。
步骤(1.3)、加入纳米氧化铝溶液
将纳米氧化铝溶液加入到聚乙二醇-海藻酸钠溶液中，混合均匀至完全溶解；
步骤(1.4)、超声波处理
将混合凝胶放置到超声装置中，超声处理30-40分钟后，静置至冷却到室温。
3.根据权利要求1所述的厌氧氨氧化污泥包埋凝胶小球的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述厌氧氨氧化污泥离心转数为4000r/min，离心时间为10min。
4.根据权利要求1所述的厌氧氨氧化污泥包埋凝胶小球的制备方法，其特征在于，步骤(1)中纳米氧化铝的α晶型约90％，γ晶型约10％，粒径约50nm。
5.根据权利要求2所述的厌氧氨氧化污泥包埋凝胶小球的制备方法，步骤(1.4)中所述超声装置频率设置为40kHZ。
6.根据权利要求1所述的厌氧氨氧化污泥包埋凝胶小球的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述CaCl2溶液的体积是包埋剂和污泥混合液体积的4倍以上。
7.根据权利要求1所述的厌氧氨氧化污泥包埋凝胶小球的制备方法，其特征在于，步骤(4)中所述固定化凝胶小球的活化培养是采用间歇培养方式，即固定化凝胶小球和目标废水的体积比例为1:9，以氨氮浓度降低到10％为一个周期，每个周期结束后，换入新鲜的目标废水。
8.根据权利2要求的厌氧氨氧化污泥包埋凝胶小球的制备方法，其特征在于，步骤(1.2)中所述微生物生长因子溶液为由维生素B1、维生素B6、维生素K、尼克酸组成的厌氧氨氧化菌生长因子溶液，所述厌氧氨氧化菌生长因子溶液按照如下步骤配制：
步骤(1.2.1)、分别取维生素B1、维生素B6、维生素K、尼克酸各50mg,分别以25％乙醇溶液溶解并定容至1L，混合均匀，并分装在1L的棕色药剂瓶中，在冰箱中保存，得到浓度为50mg/L的维生素B1、维生素B6、维生素K、尼克酸溶液；
步骤(1.2.2)、用时分别取2ml配制的溶液，定容至10ml，混匀，得到浓度为10mg/L的维生素B1、维生素B6、维生素K、尼克酸溶液。
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