CN108726667B - 一种水凝胶包埋微生物载体的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微生物载体制备技术领域，具体涉及一种水凝胶包埋微生物载体的制备方法。本发明从大豆根部提取出根瘤菌提取物，将其与消化杆菌菌种混合制备混合菌种，将混合菌种接种到活性污泥中，得到活性污泥菌液，向活性污泥菌液加入营养物质培养得到污泥悬浊液，将聚氨酯预聚体与乳液污泥悬浊液混合倒入模具中，添加活性炭粉末、催化剂、引发剂等反应得到聚氨酯包埋硝化菌凝胶块，最后将其切粒与自制活化纳米粉混合得到负载基体，再浸渍挂膜得到水凝胶包埋微生物载体，本发明重硝化菌可使污水中氮源污染物得到有效的降解，以过硫酸钾和四甲基乙二胺制得的水凝胶，使微生物载体的亲水性得到提高，根瘤菌的生物抗性强，应用前景广阔。

Description

一种水凝胶包埋微生物载体的制备方法

技术领域

本发明涉及微生物载体制备技术领域，具体涉及一种水凝胶包埋微生物载体的制备方法。

背景技术

随着我国工农业的快速发展和城市化进程的不断加快，城市生活污水处理成为实现我国经济社会可持续发展、构建生态和谐家园首要解决的问题。以活性污泥为代表的生物处理污水技术已广泛应用于城市和工业污水的处理中。然而，传统的活性污泥技术在降低污水厂出水总氮能力方面还有待进一步提高，同时产生的大量剩余污泥也成为了二次污染源，因此被限制了使用范围。

目前，有机废弃物处理方法主要是生物法，生物法分为活性污泥法和微生物载体法。目前，污水处理厂通常采用活性污泥法对有机废弃物进行处理，但其最大的弊端是：净化污水的同时产生数量惊人的剩余污泥，剩余污泥的处理费用占污水处理厂运行费用的40%至60%，若处理不当便引起严重的二次污染，因此该方法已逐渐被其他更加环保的方法取代。

微生物载体法作为近几年新兴的有机废弃物处理方法，可以使微生物附着在载体上，起到固定微生物、提高微生物浓度的作用，从而可以提高反应器对有机废弃物的处理效率。现在的微生物的载体由有机载体和无机载体组成，常用的生物载体有玻璃材料、沸石、陶粒、活性炭、硅藻土、各类树脂、塑料、纤维等。选择适宜的固定化微生物载体是实现产业化的关键，而载体的好坏又取决于载体的机械强度、寿命和包埋微生物细胞的容量和活性。理想的载体材料具有可生物降解性，廉价、丰富的孔隙为微生物的生长和繁殖提供空间。

目前在污水处理行业中，大部分载体只能在载体的表面形成生物膜，固定的微生物量相对较少，微生物环境相对单一，同时存在亲水性差、生物亲和性差、比表面积和孔隙率低、强度不够、耐磨性差、比表面积小、生物稳定性差、耐水解和微生物降解性差、使用寿命短、使用成本相对较高以及污染物的去除效果不好的缺陷。

为此，急需发明出一种具有比表面积大、孔隙率高、载菌量高、多菌群共生等优点的微生物载体及其制造方法。

发明内容

本发明主要解决的技术问题，针对目前在污水处理行业中，大部分微生物载体只能在表面形成生物膜，固定的微生物量相对较少，微生物载体存在亲水性差、生物亲和性差，微生物生长繁殖速度较慢，微生物的浓度较低等问题，此外，还存在微生物稳定性差，受水流冲击易造成活性损失的缺陷，提供了一种水凝胶包埋微生物载体的制备方法。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种水凝胶包埋微生物载体的制备方法，其特征在于具体制备步骤为：

（1）将大豆的根部切除，收集切除的大豆根，将大豆根切碎后用乙醇溶液浸泡，过滤去除滤液，得到滤渣，再用次氯酸钠溶液和蒸馏水依次清洗2～3次，得到根瘤菌提取物；

（2）将根瘤菌提取物与硝化杆菌菌种混合，得到混合菌种，将混合菌种接种于固体质活性污泥中，得到活性污泥菌液，向活性污泥菌液中加入氯化铵、碳酸氢钠、二水硫酸钙、七水硫酸镁，常温下培养20～25天，得到富集培养菌液，备用；

（3）按重量份数计，向四口烧瓶中加入80～90份甲苯二异氰酸酯，搅拌反应，待四口烧瓶降温，依次向四口烧瓶中加入10～15份甲基丙烯酸羟乙酯、20～30份甘油和20～25份马来酸酐，再将3～5份二月桂酸二丁基锡溶于35～40份丙酮中，得到引发液，用恒压滴液漏斗将引发液滴入四口烧瓶中，边滴加边升温，升温后继续反应，得到聚氨酯预聚乳液；

（4）将富集培养液放入离心浓缩机中，速离心浓缩，得到污泥悬浊液，按重量份数计，将20～25份污泥悬浊液与70～75份聚氨酯预聚乳液混合并掺入3～5份活性炭粉末，倒入模具中，向模具中加入1～2份四甲基乙二胺、6～8份过硫酸钾、10～15份海藻酸钠，常温下反应，得到规整的聚氨酯包埋硝化菌凝胶块；

（5）按重量份数计，将40～50份粉煤灰、10～20份生石灰、5～10份纳米氧化铝、1～15份硅酸钠和4～5份页岩混匀，进行造粒，得到生料球，将生料球置于烘箱中烘干后，加热，煅烧，随后移入电阻炉中焙烧，得到活化纳米粉；

（6）将聚氨酯包埋硝化菌凝胶块用切粒机切成包埋颗粒，将包埋颗粒与活化纳米粉混合得到负载基体，将负载基体置于养殖场废水中浸渍挂膜，得到水凝胶包埋微生物载体。

步骤（1）所述的乙醇溶液质量分数为95%，浸泡时间为3～5min，次氯酸钠溶液的质量分数为5%。

步骤（2）所述的根瘤菌提取物与硝化杆菌菌种混合质量比为3︰1，按质量比为1︰200将混合菌种接种于活性污泥中，活性污泥菌液的固体质量含量为5%，其中氯化铵、碳酸氢钠、二水硫酸钙、七水硫酸镁加入量分别为活性污泥菌液质量的2%、5%、0.5%、0.8%。

步骤（3）所述的搅拌反应时间为2～3h，四口烧瓶降温后温度为50～60℃，恒压滴液漏斗的滴加速率为2～3mL/min，控制升温速率为3～5℃/min，升温为80～82℃，继续反应时间为3～4h。

步骤（4）所述的离心转速为3000～3200r/min，离心浓缩时间为20～25min，所得污泥悬浊液的污泥浓度为4～5g/L，常温下反应时间为30～40min。

步骤（5）所述的烘干温度为70～80℃，加热至煅烧温度为400℃，煅烧时间为30～40min，电阻炉焙烧温度为 1000～1100℃，焙烧时间为2～3h。

步骤（6）所述的切成的包埋颗粒规格为3mm×3mm×3mm，包埋颗粒与活化纳米粉混合质量比为4︰1，养殖场废水的固体含量为4～5%，浸渍挂膜时间为20～25天。

本发明的有益效果是：

（1）本发明将大豆根切碎后用乙醇溶液浸泡，并用次氯酸钠氧化消毒，提取出根瘤菌提取物，将根瘤菌提取物与硝化杆菌菌种混合制备混合菌种，将混合菌种接种到活性污泥中，得到活性污泥菌液，最后向活性污泥菌液加入氯化铵、碳酸氢钠、二水硫酸钙、七水硫酸镁等营养物质，培养得到富集培养菌液，制备聚氨酯预聚体乳液，将富集培养菌液离心浓缩，得到污泥悬浊液，将聚氨酯预聚体与乳液污泥悬浊液混合倒入模具中，添加活性炭粉末、催化剂、引发剂和海藻酸钠，反应得到聚氨酯包埋硝化菌凝胶块，以粉煤灰、生石灰、纳米氧化铝、硅酸钠和页岩等混匀造粒制备生料球，经过煅烧和焙烧得到活化纳米粉，最后将聚氨酯包埋硝化菌凝胶块切粒与活化纳米粉混合得到负载基体，再浸渍挂膜得到水凝胶包埋微生物载体，本发明通过天然根瘤菌与硝化菌的混合菌种作为包埋菌，根瘤菌中的固氮酶能够固定铵盐和硝酸盐，硝化菌能将亚硝酸盐等转化为硝酸盐物质，两种菌群相互配合协同作用可使污水中氮源污染物得到有效的降解；

（2）本发明以过硫酸钾和四甲基乙二胺为氧化还原引发体系，通过自由基聚合法打开聚氨酯丙烯酸酯大分子单体两端的双键，并互相交联，从平面交联到空间交联，进而制得稳定的网状结构的水凝胶，水凝胶体系使微生物载体的亲水性得到提高，与载体复合的活性纳米粉表面有大量Si-O-Si键和Al-O-Al键可以与具有一定极性的有害分子产生偶极、偶极键的吸附，阴离子与粉煤灰中带正电荷的硅酸铝、硅酸钙和硅酸铁等硅酸盐之间形成离子交换或离子吸附，粉煤灰中的一些成分还能与污水中的污染物作用使其絮凝沉淀，与粉煤灰构成吸附和絮凝沉淀的协同作用，此外微生物载体表面的生物质膜破损后微生物载体内部的包埋菌群依然能够发挥作用，根瘤菌的生物抗性强，繁殖速率快，损失的根瘤菌能够重新侵入污水中藻类发挥固氮作用，且聚氨酯水凝胶能够减少水流应力冲击，微生物载体活性损失少，应用前景广阔。

具体实施方式

将大豆的根部切除，收集切除的大豆根，将大豆根切碎后用质量分数为95%的乙醇溶液浸泡3～5min，过滤去除滤液，得到滤渣，再用质量分数为5%的次氯酸钠溶液和蒸馏水依次清洗2～3次，得到根瘤菌提取物；将根瘤菌提取物与硝化杆菌菌种按质量比为3︰1混合，得到混合菌种，按质量比为1︰200，将混合菌种接种于固体质量含量为5%的活性污泥中，得到活性污泥菌液，向活性污泥菌液中加入氯化铵、碳酸氢钠、二水硫酸钙、七水硫酸镁，其中氯化铵、碳酸氢钠、二水硫酸钙、七水硫酸镁加入量分别为活性污泥菌液质量的2%、5%、0.5%、0.8%，常温下培养20～25天，得到富集培养菌液，备用；按重量份数计，向四口烧瓶中加入80～90份甲苯二异氰酸酯，搅拌反应2～3h，待四口烧瓶降温至50～60℃，依次向四口烧瓶中加入10～15份甲基丙烯酸羟乙酯、20～30份甘油和20～25份马来酸酐，再将3～5份二月桂酸二丁基锡溶于35～40份丙酮中，得到引发液，用恒压滴液漏斗以2～3mL/min的滴加速率将引发液滴入四口烧瓶中，边滴加边升温，控制升温速率为3～5℃/min，升温至80～82℃，继续反应3～4h，得到聚氨酯预聚乳液；将富集培养液放入离心浓缩机中，以3000～3200r/min的转速离心浓缩20～25min，得到污泥浓度为4～5g/L的污泥悬浊液，按重量份数计，将20～25份污泥悬浊液与70～75份聚氨酯预聚乳液混合并掺入3～5份活性炭粉末，倒入模具中，向模具中加入1～2份四甲基乙二胺、6～8份过硫酸钾、10～15份海藻酸钠，常温下反应30～40min，得到规整的聚氨酯包埋硝化菌凝胶块；按重量份数计，将40～50份粉煤灰、10～20份生石灰、5～10份纳米氧化铝、1～15份硅酸钠和4～5份页岩混匀，进行造粒，得到生料球，将生料球置于温度为70～80℃的烘箱中烘干后，加热至400℃，煅烧30～40min，随后移入电阻炉中以1000～1100℃的温度焙烧2～3h，得到活化纳米粉；将聚氨酯包埋硝化菌凝胶块用切粒机切成3mm×3mm×3mm的包埋颗粒，将包埋颗粒与活化纳米粉按质量比为4︰1混合得到负载基体，将负载基体置于固体含量为4～5%的养殖场废水中浸渍挂膜20～25天，得到水凝胶包埋微生物载体。

实例1

将大豆的根部切除，收集切除的大豆根，将大豆根切碎后用质量分数为95%的乙醇溶液浸泡3min，过滤去除滤液，得到滤渣，再用质量分数为5%的次氯酸钠溶液和蒸馏水依次清洗2次，得到根瘤菌提取物；将根瘤菌提取物与硝化杆菌菌种按质量比为3︰1混合，得到混合菌种，按质量比为1︰200，将混合菌种接种于固体质量含量为5%的活性污泥中，得到活性污泥菌液，向活性污泥菌液中加入氯化铵、碳酸氢钠、二水硫酸钙、七水硫酸镁，其中氯化铵、碳酸氢钠、二水硫酸钙、七水硫酸镁加入量分别为活性污泥菌液质量的2%、5%、0.5%、0.8%，常温下培养20天，得到富集培养菌液，备用；按重量份数计，向四口烧瓶中加入80份甲苯二异氰酸酯，搅拌反应2h，待四口烧瓶降温至50℃，依次向四口烧瓶中加入10份甲基丙烯酸羟乙酯、20份甘油和20份马来酸酐，再将3份二月桂酸二丁基锡溶于35份丙酮中，得到引发液，用恒压滴液漏斗以2mL/min的滴加速率将引发液滴入四口烧瓶中，边滴加边升温，控制升温速率为3℃/min，升温至80℃，继续反应3h，得到聚氨酯预聚乳液；将富集培养液放入离心浓缩机中，以3000r/min的转速离心浓缩20min，得到污泥浓度为4g/L的污泥悬浊液，按重量份数计，将20份污泥悬浊液与70份聚氨酯预聚乳液混合并掺入3份活性炭粉末，倒入模具中，向模具中加入1份四甲基乙二胺、6份过硫酸钾、10份海藻酸钠，常温下反应30min，得到规整的聚氨酯包埋硝化菌凝胶块；按重量份数计，将40份粉煤灰、10份生石灰、5份纳米氧化铝、1份硅酸钠和4份页岩混匀，进行造粒，得到生料球，将生料球置于温度为70℃的烘箱中烘干后，加热至400℃，煅烧30min，随后移入电阻炉中以1000℃的温度焙烧2h，得到活化纳米粉；将聚氨酯包埋硝化菌凝胶块用切粒机切成3mm×3mm×3mm的包埋颗粒，将包埋颗粒与活化纳米粉按质量比为4︰1混合得到负载基体，将负载基体置于固体含量为4%的养殖场废水中浸渍挂膜20天，得到水凝胶包埋微生物载体。

实例2

将大豆的根部切除，收集切除的大豆根，将大豆根切碎后用质量分数为95%的乙醇溶液浸泡4min，过滤去除滤液，得到滤渣，再用质量分数为5%的次氯酸钠溶液和蒸馏水依次清洗2次，得到根瘤菌提取物；将根瘤菌提取物与硝化杆菌菌种按质量比为3︰1混合，得到混合菌种，按质量比为1︰200，将混合菌种接种于固体质量含量为5%的活性污泥中，得到活性污泥菌液，向活性污泥菌液中加入氯化铵、碳酸氢钠、二水硫酸钙、七水硫酸镁，其中氯化铵、碳酸氢钠、二水硫酸钙、七水硫酸镁加入量分别为活性污泥菌液质量的2%、5%、0.5%、0.8%，常温下培养23天，得到富集培养菌液，备用；按重量份数计，向四口烧瓶中加入85份甲苯二异氰酸酯，搅拌反应2h，待四口烧瓶降温至55℃，依次向四口烧瓶中加入13份甲基丙烯酸羟乙酯、25份甘油和23份马来酸酐，再将4份二月桂酸二丁基锡溶于37份丙酮中，得到引发液，用恒压滴液漏斗以2mL/min的滴加速率将引发液滴入四口烧瓶中，边滴加边升温，控制升温速率为4℃/min，升温至81℃，继续反应3h，得到聚氨酯预聚乳液；将富集培养液放入离心浓缩机中，以3100r/min的转速离心浓缩23min，得到污泥浓度为4g/L的污泥悬浊液，按重量份数计，将23份污泥悬浊液与73份聚氨酯预聚乳液混合并掺入4份活性炭粉末，倒入模具中，向模具中加入1份四甲基乙二胺、7份过硫酸钾、13份海藻酸钠，常温下反应35min，得到规整的聚氨酯包埋硝化菌凝胶块；按重量份数计，将45份粉煤灰、15份生石灰、7份纳米氧化铝、13份硅酸钠和4份页岩混匀，进行造粒，得到生料球，将生料球置于温度为75℃的烘箱中烘干后，加热至400℃，煅烧35min，随后移入电阻炉中以1050℃的温度焙烧2h，得到活化纳米粉；将聚氨酯包埋硝化菌凝胶块用切粒机切成3mm×3mm×3mm的包埋颗粒，将包埋颗粒与活化纳米粉按质量比为4︰1混合得到负载基体，将负载基体置于固体含量为4%的养殖场废水中浸渍挂膜23天，得到水凝胶包埋微生物载体。

实例3

将大豆的根部切除，收集切除的大豆根，将大豆根切碎后用质量分数为95%的乙醇溶液浸泡5min，过滤去除滤液，得到滤渣，再用质量分数为5%的次氯酸钠溶液和蒸馏水依次清洗3次，得到根瘤菌提取物；将根瘤菌提取物与硝化杆菌菌种按质量比为3︰1混合，得到混合菌种，按质量比为1︰200，将混合菌种接种于固体质量含量为5%的活性污泥中，得到活性污泥菌液，向活性污泥菌液中加入氯化铵、碳酸氢钠、二水硫酸钙、七水硫酸镁，其中氯化铵、碳酸氢钠、二水硫酸钙、七水硫酸镁加入量分别为活性污泥菌液质量的2%、5%、0.5%、0.8%，常温下培养25天，得到富集培养菌液，备用；按重量份数计，向四口烧瓶中加入90份甲苯二异氰酸酯，搅拌反应3h，待四口烧瓶降温至60℃，依次向四口烧瓶中加入15份甲基丙烯酸羟乙酯、30份甘油和25份马来酸酐，再将5份二月桂酸二丁基锡溶于40份丙酮中，得到引发液，用恒压滴液漏斗以3mL/min的滴加速率将引发液滴入四口烧瓶中，边滴加边升温，控制升温速率为5℃/min，升温至82℃，继续反应4h，得到聚氨酯预聚乳液；将富集培养液放入离心浓缩机中，以3200r/min的转速离心浓缩25min，得到污泥浓度为5g/L的污泥悬浊液，按重量份数计，将25份污泥悬浊液与75份聚氨酯预聚乳液混合并掺入5份活性炭粉末，倒入模具中，向模具中加入2份四甲基乙二胺、8份过硫酸钾、15份海藻酸钠，常温下反应40min，得到规整的聚氨酯包埋硝化菌凝胶块；按重量份数计，将50份粉煤灰、20份生石灰、10份纳米氧化铝、15份硅酸钠和5份页岩混匀，进行造粒，得到生料球，将生料球置于温度为80℃的烘箱中烘干后，加热至400℃，煅烧40min，随后移入电阻炉中以1100℃的温度焙烧3h，得到活化纳米粉；将聚氨酯包埋硝化菌凝胶块用切粒机切成3mm×3mm×3mm的包埋颗粒，将包埋颗粒与活化纳米粉按质量比为4︰1混合得到负载基体，将负载基体置于固体含量为5%的养殖场废水中浸渍挂膜25天，得到水凝胶包埋微生物载体。

对比例

以深圳市某公司生产的微生物载体作为对比例

对本发明制得的水凝胶包埋微生物载体和对比例中的微生物载体进行检测，检测结果如表1所示：

出水标准参照《农田灌溉水质标准》（GB5084-2005）。

表1性能测定结果

由表1数据可知，本发明制得的水凝胶包埋微生物载体，具有比表面积大，有利于微生物的附着和生长，强度和韧性明显提高，更耐水力冲刷，使用寿命大为延长，且可多次循环使用，具有广阔的使用前景。

Claims (7)

1.一种水凝胶包埋微生物载体的制备方法，其特征在于具体制备步骤为：

（1）将大豆的根部切除，收集切除的大豆根，将大豆根切碎后用乙醇溶液浸泡，过滤去除滤液，得到滤渣，再用次氯酸钠溶液和蒸馏水依次清洗2～3次，得到根瘤菌提取物；

（2）将根瘤菌提取物与硝化杆菌菌种混合，得到混合菌种，将混合菌种接种于固体质活性污泥中，得到活性污泥菌液，向活性污泥菌液中加入氯化铵、碳酸氢钠、二水硫酸钙、七水硫酸镁，常温下培养20～25天，得到富集培养菌液，备用；

（3）按重量份数计，向四口烧瓶中加入80～90份甲苯二异氰酸酯，搅拌反应，待四口烧瓶降温，依次向四口烧瓶中加入10～15份甲基丙烯酸羟乙酯、20～30份甘油和20～25份马来酸酐，再将3～5份二月桂酸二丁基锡溶于35～40份丙酮中，得到引发液，用恒压滴液漏斗将引发液滴入四口烧瓶中，边滴加边升温，升温后继续反应，得到聚氨酯预聚乳液；

（4）将富集培养液放入离心浓缩机中，速离心浓缩，得到污泥悬浊液，按重量份数计，将20～25份污泥悬浊液与70～75份聚氨酯预聚乳液混合并掺入3～5份活性炭粉末，倒入模具中，向模具中加入1～2份四甲基乙二胺、6～8份过硫酸钾、10～15份海藻酸钠，常温下反应，得到规整的聚氨酯包埋硝化菌凝胶块；

（5）按重量份数计，将40～50份粉煤灰、10～20份生石灰、5～10份纳米氧化铝、1～15份硅酸钠和4～5份页岩混匀，进行造粒，得到生料球，将生料球置于烘箱中烘干后，加热，煅烧，随后移入电阻炉中焙烧，得到活化纳米粉；

（6）将聚氨酯包埋硝化菌凝胶块用切粒机切成包埋颗粒，将包埋颗粒与活化纳米粉混合得到负载基体，将负载基体置于养殖场废水中浸渍挂膜，得到水凝胶包埋微生物载体。

2.根据权利要求1所述的一种水凝胶包埋微生物载体的制备方法，其特征在于：步骤（1）所述的乙醇溶液质量分数为95%，浸泡时间为3～5min，次氯酸钠溶液的质量分数为5%。

3.根据权利要求1所述的一种水凝胶包埋微生物载体的制备方法，其特征在于：步骤（2）所述的根瘤菌提取物与硝化杆菌菌种混合质量比为3︰1，按质量比为1︰200将混合菌种接种于活性污泥中，活性污泥菌液的固体质量含量为5%，其中氯化铵、碳酸氢钠、二水硫酸钙、七水硫酸镁加入量分别为活性污泥菌液质量的2%、5%、0.5%、0.8%。

4.根据权利要求1所述的一种水凝胶包埋微生物载体的制备方法，其特征在于：步骤（3）所述的搅拌反应时间为2～3h，四口烧瓶降温后温度为50～60℃，恒压滴液漏斗的滴加速率为2～3mL/min，控制升温速率为3～5℃/min，升温为80～82℃，继续反应时间为3～4h。

5.根据权利要求1所述的一种水凝胶包埋微生物载体的制备方法，其特征在于：步骤（4）所述的离心转速为3000～3200r/min，离心浓缩时间为20～25min，所得污泥悬浊液的污泥浓度为4～5g/L，常温下反应时间为30～40min。

6.根据权利要求1所述的一种水凝胶包埋微生物载体的制备方法，其特征在于：步骤（5）所述的烘干温度为70～80℃，加热至煅烧温度为400℃，煅烧时间为30～40min，电阻炉焙烧温度为 1000～1100℃，焙烧时间为2～3h。

7.根据权利要求1所述的一种水凝胶包埋微生物载体的制备方法，其特征在于：步骤（6）所述的切成的包埋颗粒规格为3mm×3mm×3mm，包埋颗粒与活化纳米粉混合质量比为4︰1，养殖场废水的固体含量为4～5%，浸渍挂膜时间为20～25天。