CN108163995A - 用于城市河道污水处理的复合生物制剂及其制备方法和应用 - Google Patents

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姚竣耀
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Abstract

本发明公开一种用于城市河道污水处理的复合生物制剂，由核壳结构的颗粒组成，复合生物制剂颗粒为核壳结构，包括由内向外依次设置的复合制剂、中间壳层和外部壳层；复合制剂包括脱氮硫杆菌发酵液和固定化脂肪酶；固定化脂肪酶是由脂肪酶固定在氨基功能化的Al2O3纳米粒子表面得到的；中间壳层为植物胶黏剂构成的壳层；所述外部壳层为由无机凝胶、氯化钙和醋酸钙构成的壳层。本发明还公开上述复合生物制剂的制备方法和应用。本发明的复合生物制剂能够高效处理城市河道污水，使城市河道污水中的有机物、氨氮和重金属得到有效去除。

Description

用于城市河道污水处理的复合生物制剂及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于污水处理领域，具体涉及一种用于城市河道污水处理的复合生物制剂及其制备方法和应用。
背景技术
城市河道是城市生态系统的重要组成，具有水环境容量小、易受到污染和自净能力差等缺点。同时，城市河道通常作为城市内的重要排污通道，常常有大量污染物流入，导致城市河道水体富营养化严重，水体长期处于缺氧状态从而成为黑臭水体。黑臭水体的出现，已严重影响城市形象和居民的身体健康。
目前，城市河道污水的治理方法主要有物理法、化学法和生物法。其中，生物法常常将微生物制剂加入到水体中，以加强水体自净能力，加速水体中污染物降解。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种能够高效处理城市河道污水，使城市河道污水中的有机物、氨氮和重金属得到有效去除的复合生物制剂。
本发明的另一目的是提供上述复合生物制剂的制备方法及在处理城市河道污水中的应用。
技术方案：本发明提供一种用于城市河道污水处理的复合生物制剂，该复合生物制剂由核壳结构的颗粒组成，所述核壳结构的颗粒包括由内向外依次设置的复合制剂、中间壳层和外部壳层；
复合制剂包括脱氮硫杆菌(Thiobacillus denitrificans)发酵液和固定化脂肪酶；固定化脂肪酶是由脂肪酶固定在氨基功能化的Al2O3纳米粒子表面得到的；
中间壳层为植物胶黏剂构成的壳层；外部壳层为由无机凝胶、氯化钙和醋酸钙构成的壳层。
上述复合制剂中，活菌含量为1×109～1×1010cfu/g，固定化脂肪酶为的浓度为30～35U/mg。
固定化脂肪酶的酶活定义为：在38℃、pH7.0水解1μmol脂肪酸所需的酶量为1个酶活单位(U)；固定化脂肪酶的浓度为20～25U/mg是指，每克复合制剂中包含20～25个酶活单位。
上述脂肪酶可以为常见的脂肪酶，如甘油三酯脂肪酶(ATGL)等。
上述复合制剂中，脱氮硫杆菌(Thiobacillus denitrificans)发酵液与固定化脂肪酶的重量比为1：0.5～0.8。
上述脱氮硫杆菌(Thiobacillus denitrificans)优选为脱氮硫杆菌ATCC23642。
上述脂肪酶可以为常见的脂肪酶，如甘油三酯脂肪酶(ATGL)等。
上述复合制剂、中间壳层、外部壳层的重量比为1：0.4～0.6：0.6～0.8。
本发明另一方面提供一种制备上述用于城市河道污水处理的复合生物制剂的方法，包括以下步骤：
1)将活化的脱氮硫杆菌培养到对数期，然后按培养基体积2％～5％的接种量将培养到对数期的菌种接种到液体培养基中，20～35℃下，摇床震荡120～180rpm，培养24～48小时，制得脱氮硫杆菌发酵液；
2)将氨基功能化的Al2O3纳米粒子加入到戊二醛溶液中，于30～50℃反应5～20小时，将得到的产品过滤，洗涤，干燥后加入到脂肪酶溶液中，30～50℃反应2～4小时，即得所述固定化脂肪酶；
3)将步骤1)制得的脱氮硫杆菌发酵液与步骤2)制得的固定化脂肪酶按照重量比为1：0.5～0.8的比例混合均匀，制成颗粒状的复合制剂；
4)将植物胶黏剂均匀喷淋至步骤3)制得的复合制剂表面，干燥，即在所述复合制剂表面形成中间壳层；
5)将无机凝胶、氯化钙和醋酸钙按照重量比为1：2～5：1～2的比例混合均匀，均匀喷淋至步骤4)制得的中间壳层表面，干燥，即在中间壳层表面形成外部壳层，得到核壳结构的颗粒。
步骤1)中，每升所述液体培养基中含有：牛肉膏8～9g、蛋白胨10～11g、酵母膏3～4g、氯化钠5～6g、磷酸二氢钾1～1.5g、微量元素0.1～0.2g、蔗糖30～35g，pH为6.8～7.2；所述微量元素为Mg2+或者Fe2+，微量元素以相应的硫酸盐形式存在。优选地，每升液体培养基中含有的成分如下：牛肉膏8g、蛋白胨10g、酵母膏3g、氯化钠5g、磷酸二氢钾1g、微量元素0.1g、蔗糖30g、其余为蒸馏水。
步骤2)中，氨基功能化的Al2O3纳米粒子制备方法包括：将乙酰丙酮铝与聚乙二醇混合均匀后，在250～300℃惰性气氛下反应3～5小时，冷却至室温后，加入葡萄糖，混合均匀后加入氨水，在密闭反应釜中200～260℃反应20～30小时，冷却，过滤，洗涤，干燥。氨水中NH3质量百分含量为20～30％，所述乙酰丙酮铝、聚乙二醇、葡萄糖和氨水的质量比为1：2～5：2～5：0.2～0.5。上述氨基功能化的Al2O3纳米粒子与戊二醛的质量比为1：1～1.5。
步骤3)中，步骤1)制得的脱氮硫杆菌发酵液与步骤2)制得的固定化脂肪酶混合均匀后制成颗粒状的复合制剂的方法可选择现有的将液体制剂制成颗粒状的制剂的手段，如喷雾干燥等。
步骤4)中，可将将植物胶黏剂溶解在溶剂中，以便均匀喷淋；植物胶黏剂用于将核壳结构的颗粒核心处的复合制剂与外部壳层粘合在一起，植物胶黏剂优选淀粉胶、糊精胶、阿拉伯树胶或羧甲基纤维素胶。
步骤5)中，可将无机凝胶、氯化钙和醋酸钙在溶剂中混合均匀，以便均匀喷淋。
上述室温优选15～30℃。
本发明另一方面提供上述复合生物制剂在处理工业污水中的应用。
有益效果：本发明的复合生物制剂的颗粒呈三层核壳结构，当复合生物制剂进入工业污水中后，外壳层可快速溶解在污水中，并络合污水中的重金属离子，接着中间壳层逐渐溶解在污水中，进一步吸附部分重金属离子，最后内部的复合制剂逐渐分散在污水中，对有机物进行高效降解；本发明通过将脱氮硫杆菌的发酵液与特定组成的固定化脂肪酶复合，使脱氮硫杆菌的发酵液与固定化脂肪酶协同作用，可高效去除工业废水中的BOD、COD以及异味臭味。
具体实施方式
试剂来源：
脂肪酯：Aldrich化学试剂公司；
戊二醛：国药集团化学试剂有限公司；
乙酰丙酮铝：国药集团化学试剂有限公司；
聚乙二醇200：国药集团化学试剂有限公司；
葡萄糖：国药集团化学试剂有限公司；
脱氮硫杆菌ATCC23642购买于ATCC。
实施例1
用于城市河道污水处理的复合生物制剂由核壳结构的颗粒组成，核壳结构的颗粒包括由内向外依次设置的复合制剂、中间壳层和外部壳层。复合制剂包括脱氮硫杆菌(Thiobacillus denitrificans)ATCC23642发酵液和固定化脂肪酶。复合生物制剂颗粒中，复合制剂、中间壳层、外部壳层的重量比为1：0.4：0.8。
上述复合生物制剂的制备方法为：
1)将活化的脱氮硫杆菌培养到对数期，然后按培养基体积2％的接种量将培养到对数期的菌种接种到液体培养基中，25℃下，摇床震荡180rpm，培养48小时，制得脱氮硫杆菌发酵液；
其中，每升液体培养基中含有：牛肉膏8g、蛋白胨10g、酵母膏3g、氯化钠5g、磷酸二氢钾1g、微量元素0.1g、蔗糖30g、其余为蒸馏水，pH为6.8～7.2；微量元素为Mg2+或者Fe2+，微量元素以相应的硫酸盐形式存在。
2)将乙酰丙酮铝与聚乙二醇混合均匀后，在250℃氮气气氛下反应5小时，冷却至室温后，加入葡萄糖，混合均匀后加入氨水，在密闭反应釜中200℃反应30小时，冷却，过滤，洗涤，干燥。氨水中NH3质量百分含量为28％，乙酰丙酮铝、聚乙二醇、葡萄糖和氨水的质量比为1：2：2：0.2；
将氨基功能化的Al2O3纳米粒子加入到戊二醛溶液中，使氨基功能化的Al2O3纳米粒子与戊二醛的质量比为1：1，在50℃反应5小时，将得到的产品过滤，洗涤，干燥后加入到脂肪酶溶液中，30℃反应4小时，将得到的产物进行过滤，洗涤，真空干燥，即得固定化脂肪酶。
3)将步骤1)制得的脱氮硫杆菌发酵液与步骤2)制得的固定化脂肪酶按照重量比为1：0.5的比例混合均匀，制成颗粒状的复合制剂；复合制剂中，活菌含量为5×109cfu/g，固定化脂肪酶为的浓度为35U/mg；
4)将羧甲基纤维素溶解在水中，均匀喷淋至步骤3)制得的复合制剂表面，干燥，即在所述复合制剂表面形成中间壳层；
5)将无机凝胶、氯化钙和醋酸钙按照重量比为1：2：2的比例混合均匀，均匀喷淋至步骤4)制得的中间壳层表面，干燥，即在中间壳层表面形成外部壳层，得到核壳结构的颗粒，从而得到复合生物制剂。
实施例2
用于城市河道污水处理的复合生物制剂由核壳结构的颗粒组成，核壳结构的颗粒包括由内向外依次设置的复合制剂、中间壳层和外部壳层。复合制剂包括脱氮硫杆菌(Thiobacillus denitrificans)ATCC23642发酵液和固定化脂肪酶。复合生物制剂颗粒中，复合制剂、中间壳层、外部壳层的重量比为1：0.6：0.6。
上述复合生物制剂的制备方法为：
1)将活化的脱氮硫杆菌培养到对数期，然后按培养基体积5％的接种量将培养到对数期的菌种接种到液体培养基中，30℃下，摇床震荡120rpm，培养24～48小时，制得脱氮硫杆菌发酵液；
其中，每升液体培养基中含有：牛肉膏8g、蛋白胨10g、酵母膏3g、氯化钠5g、磷酸二氢钾1g、微量元素0.1g、蔗糖30g、其余为蒸馏水，pH为6.8～7.2；微量元素为Mg2+或者Fe2+，微量元素以相应的硫酸盐形式存在。
2)将乙酰丙酮铝与聚乙二醇混合均匀后，在300℃氩气气氛下反应3小时，冷却至室温后，加入葡萄糖，混合均匀后加入氨水，在密闭反应釜中260℃反应20小时，冷却，过滤，洗涤，干燥。氨水中NH3质量百分含量为20％，乙酰丙酮铝、聚乙二醇、葡萄糖和氨水的质量比为1：5：5：0.5；
将氨基功能化的Al2O3纳米粒子加入到戊二醛溶液中，使氨基功能化的Al2O3纳米粒子与戊二醛的质量比为1：1.5，在30℃反应20小时，将得到的产品过滤，洗涤，干燥后加入到脂肪酶溶液中，50℃反应2小时，将得到的产物进行过滤，洗涤，真空干燥，即得固定化脂肪酶。
3)将步骤1)制得的脱氮硫杆菌发酵液与步骤2)制得的固定化脂肪酶按照重量比为1：0.8的比例混合均匀，制成颗粒状的所述复合制剂；复合制剂中，活菌含量为5×109cfu/g，固定化脂肪酶为的浓度为30U/mg；
4)将淀粉胶均匀喷淋至步骤3)制得的复合制剂表面，干燥，即在复合制剂表面形成中间壳层；
5)将无机凝胶、氯化钙和醋酸钙按照重量比为1：5：1的比例混合均匀，均匀喷淋至步骤4)制得的中间壳层表面，干燥，即在中间壳层表面形成外部壳层，得到核壳结构的颗粒，从而得到复合生物制剂。
对比例1
用于城市河道污水处理的复合生物制剂由核壳结构的颗粒组成，核壳结构的颗粒包括由内向外依次设置的复合制剂和壳层。复合制剂包括脱氮硫杆菌(Thiobacillusdenitrificans)ATCC23642发酵液和固定化脂肪酶。复合生物制剂颗粒中，复合制剂与壳层的重量比为1：0.4。
上述复合生物制剂的制备方法为：
1)将活化的脱氮硫杆菌培养到对数期，然后按培养基体积2％的接种量将培养到对数期的菌种接种到液体培养基中，25℃下，摇床震荡180rpm，培养48小时，制得脱氮硫杆菌发酵液；
其中，每升液体培养基中含有：牛肉膏8g、蛋白胨10g、酵母膏3g、氯化钠5g、磷酸二氢钾1g、微量元素0.1g、蔗糖30g、其余为蒸馏水，pH为6.8～7.2；微量元素为Mg2+或者Fe2+，微量元素以相应的硫酸盐形式存在。
2)将乙酰丙酮铝与聚乙二醇混合均匀后，在250℃氮气气氛下反应5小时，冷却至室温后，加入葡萄糖，混合均匀后加入氨水，在密闭反应釜中200℃反应30小时，冷却，过滤，洗涤，干燥。氨水中NH3质量百分含量为28％，乙酰丙酮铝、聚乙二醇、葡萄糖和氨水的质量比为1：2：2：0.2；
将氨基功能化的Al2O3纳米粒子加入到戊二醛溶液中，使氨基功能化的Al2O3纳米粒子与戊二醛的质量比为1：1，在50℃反应5小时，将得到的产品过滤，洗涤，干燥后加入到脂肪酶溶液中，30℃反应4小时，将得到的产物进行过滤，洗涤，真空干燥，即得固定化脂肪酶。
3)将步骤1)制得的脱氮硫杆菌发酵液与步骤2)制得的固定化脂肪酶按照重量比为1：0.5的比例混合均匀，制成颗粒状的复合制剂；复合制剂中，活菌含量为5×109cfu/g，固定化脂肪酶为的浓度为35U/mg；
4)将羧甲基纤维素溶解在水中，均匀喷淋至步骤3)制得的复合制剂表面，干燥，即在复合制剂表面形成中间壳层，得到复合生物制剂。
对比例2
用于城市河道污水处理的复合生物制剂由核壳结构的颗粒组成，核壳结构的颗粒包括由内向外依次设置的复合制剂、中间壳层和外部壳层。复合制剂包括脱氮硫杆菌(Thiobacillus denitrificans)ATCC23642发酵液。复合生物制剂颗粒中，复合制剂、中间壳层、外部壳层的重量比为1：0.4：0.8。
上述复合生物制剂的制备方法为：
1)将活化的脱氮硫杆菌培养到对数期，然后按培养基体积2％的接种量将培养到对数期的菌种接种到液体培养基中，25℃下，摇床震荡180rpm，培养48小时，制得脱氮硫杆菌发酵液，制成颗粒状的制剂；其中，活菌含量为5×109cfu/g。
每升上述液体培养基中含有：牛肉膏8g、蛋白胨10g、酵母膏3g、氯化钠5g、磷酸二氢钾1g、微量元素0.1g、蔗糖30g、其余为蒸馏水，pH为6.8～7.2；微量元素为Mg2+或者Fe2+，微量元素以相应的硫酸盐形式存在。
2)将羧甲基纤维素溶解在水中，均匀喷淋至步骤1)制得的制剂表面，干燥，即在复合制剂表面形成中间壳层；
3)将无机凝胶、氯化钙和醋酸钙按照重量比为1：2：2的比例混合均匀，均匀喷淋至步骤2)制得的中间壳层表面，干燥，即在中间壳层表面形成外部壳层，得到核壳结构的颗粒，从而得到复合生物制剂。
实施例3
取实施例1～2、对比例1～2制得的复合生物制剂，测试其对水体各项指标的影响。
从某城市河道内取水样，利用河道模型进行水质改良实验。未经处理的水样中，CODcr含量为356mg/L，BOD5含量为210mg/L，氨氮含量为41mg/L，重金属Ni含量为40mg/L，复合生物制剂与水的质量比为1：50000，于向水样中加入实施例1～2、对比例1～2制得的复合生物制剂120h后测定水样中CODcr、BOD5、氨氮含量和Ni含量，计算水样中CODcr、BOD5、氨氮含量和Ni含量。测试结果如表1所示。
由表1可知，本发明的复合制剂中，脱氮硫杆菌发酵液与固定化脂肪酶协同作用，可有效降低城市河道污水中CODcr、BOD5、氨氮含量和Ni含量。
表1

Claims (10)

1.一种用于城市河道污水处理的复合生物制剂，其特征在于，该复合生物制剂由核壳结构的颗粒组成，所述核壳结构的颗粒包括由内向外依次设置的复合制剂、中间壳层和外部壳层；
所述复合制剂包括脱氮硫杆菌发酵液和固定化脂肪酶；所述固定化脂肪酶是由脂肪酶固定在氨基功能化的Al2O3纳米粒子表面得到的；
所述中间壳层为植物胶黏剂构成的壳层；所述外部壳层为由无机凝胶、氯化钙和醋酸钙构成的壳层。
2.根据权利要求1所述的用于城市河道污水处理的复合生物制剂，其特征在于，所述复合制剂中，活菌含量为1×109～1×1010cfu/g，所述固定化脂肪酶为的浓度为30～35U/mg。
3.根据权利要求1所述的用于城市河道污水处理的复合生物制剂，其特征在于，所述复合制剂中，所述脱氮硫杆菌发酵液与固定化脂肪酶的重量比为1：0.5～0.8。
4.根据权利要求1所述的用于城市河道污水处理的复合生物制剂，其特征在于，所述脱氮硫杆菌为脱氮硫杆菌ATCC23642。
5.根据权利要求1所述的用于城市河道污水处理的复合生物制剂，其特征在于，所述复合制剂、中间壳层、外部壳层的重量比为1：0.4～0.6：0.6～0.8。
6.一种制备权利要求1～5中任意一项所述的用于城市河道污水处理的复合生物制剂的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
1)将活化的脱氮硫杆菌培养到对数期，然后按培养基体积2％～5％的接种量将培养到对数期的菌种接种到液体培养基中，20～35℃下，摇床震荡120～180rpm，培养24～48小时，制得脱氮硫杆菌发酵液；
2)将氨基功能化的Al2O3纳米粒子加入到戊二醛溶液中，于30～50℃反应5～20小时，将得到的产品过滤，洗涤，干燥后加入到脂肪酶溶液中，30～50℃反应2～4小时，即得所述固定化脂肪酶；
3)将步骤1)制得的脱氮硫杆菌发酵液与步骤2)制得的固定化脂肪酶按照重量比为1：0.5～0.8的比例混合均匀，制成颗粒状的所述复合制剂；
4)将植物胶黏剂均匀喷淋至步骤3)制得的复合制剂表面，干燥，即在所述复合制剂表面形成中间壳层；
5)将无机凝胶、氯化钙和醋酸钙按照重量比为1：2～5：1～2的比例混合均匀，均匀喷淋至步骤4)制得的中间壳层表面，干燥，即在中间壳层表面形成外部壳层，得到所述核壳结构的颗粒。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤1)中，每升所述液体培养基中含有：牛肉膏8～9g、蛋白胨10～11g、酵母膏3～4g、氯化钠5～6g、磷酸二氢钾1～1.5g、微量元素0.1～0.2g、蔗糖30～35g，pH为6.8～7.2；所述微量元素为Mg2+或者Fe2+，微量元素以相应的硫酸盐形式存在。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤2)中，所述氨基功能化的Al2O3纳米粒子制备方法包括：将乙酰丙酮铝与聚乙二醇混合均匀后，在250～300℃惰性气氛下反应3～5小时，冷却至室温后，加入葡萄糖，混合均匀后加入氨水，在密闭反应釜中200～260℃反应20～30小时，冷却，过滤，洗涤，干燥；所述氨水中NH3质量百分含量为20～30％，所述乙酰丙酮铝、聚乙二醇、葡萄糖和氨水的质量比为1：2～5：2～5：0.2～0.5。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤2)中，所述氨基功能化的Al2O3纳米粒子与戊二醛的质量比为1：1～1.5。
10.权利要求1～5中任意一项所述的复合生物制剂在处理工业污水中的应用。
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