CN108913623A - 一种硫自养反硝化菌固定化颗粒的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于地下水硝酸盐污染生物处理领域，尤其是一种硫自养反硝化菌固定化颗粒的制备方法，所述硫自养反硝化菌固定化颗粒的制备方法，包括以下步骤：S1、将聚乙烯醇和黄原胶加入到去离子水中，加入挂膜后的农业废弃物与硫化物，形成材料A；S2、将硼酸及氯化钙融于去离子水中，加氢氧化钠溶液调节pH值后取上清液，形成溶液B；S3、取材料A滴入溶液B中形成包埋颗粒，进行交联反应后即得硫自养反硝化菌固定化颗粒。本发明所述制备方法可以提高硫自养反硝化菌固定化颗粒的机械性能和盐稳定性，减少反硝化启动时间，提高反硝化效率，同时为农业废弃物的二次利用提供新思路。

Description

一种硫自养反硝化菌固定化颗粒的制备方法
技术领域
本发明属于地下水硝酸盐污染生物处理领域，尤其涉及一种硫自养反硝化菌固定化颗粒的制备方法。
背景技术
硝酸盐广泛存在于自然界，其本身对人体并不会产生较大危害，但是其在人体内转化成的亚硝酸盐却具有很大毒性，其中高铁血红蛋白症就是长期饮用被亚硝酸盐氮污染的地下水的结果。血液中用来传送氧气的血红蛋白是一种铁基化合物，可以与亚硝酸盐反应形成不能输送氧气的高铁血红蛋白，进而影响氧气的传输能力。并且亚硝酸盐对小于三个月的婴儿影响要大于成年人，使得婴儿体内的高铁血红蛋白含量高于成年人。同时，亚硝酸盐还会与二级胺、酰胺等氮氧化合物反应，形成亚硝基化合物等物质，这些物质具有致突变、致畸变、致癌变的危害，大大增加人体致癌的风险。硝酸盐污染不仅仅对人体产生危害，对农作物的危害同样不可忽视。当农作物吸收了过多硝酸盐时，粮食中的蛋白质质量会下降，农作物体的内酶合成会出现问题，抗病虫害的免疫力会下降。同时，硝酸盐污染还可以通过人类食用农作物造成对人体健康的危害。从长远来看，地下水硝酸盐污染具有极大的危害性，因此地下水硝酸盐治理工作刻不容缓。
目前对受硝酸盐污染低有机碳含量水体的净化技术，主要有物理、化学和生物处理技术三大类。物理方法如蒸馏法、反渗透法和吸附法，只实现了硝酸盐的分离和浓缩，需要二次处理。化学处理法如使用活泼金属、氢气等还原剂脱除饮用水中的硝酸盐氮，由于会产生金属离子等反应产物或残留有毒有害物质从而导致二次污染，后续处理困难。生物修复与其他地下水硝酸盐处理方式相比，具有巨大的优势：生物修复可以现场进行，减少运输费用；生物修复可以消除污染物而不是使污染物发生转移；过程较快，成本低。因此，生物修复方法得到了广泛的使用。
近些年来，硫自养反硝化技术由于其清洁、高效的硝酸盐处理能力，逐渐成为地下水硝酸盐处理的主要方式之一。硫自养反硝化技术根据现有的电子供体的不同可以分为两类：以单质硫为电子供体的，主要是硫磺；以金属硫化物为电子供体的，主要是硫铁矿。以硫磺为电子供体容易导致硫酸盐的积累和出水硬度的增加，同时成本也相对较高。因此，采用硫化物作为硫自养反硝化过程中的电子供体对硝酸盐进行处理应用逐渐广泛，这也为实现尾矿处理提供了新思路。但是硫化物表面光滑，硫自养反硝化菌难以附着，导致硫化物利用率较低，反硝化速率较慢。因此，增大反硝化菌与硫化物的接触能力的固定化颗粒引起了关注。
固定化颗粒是一种高效、稳定的微生物截留手段，其包埋材料可以分为合成高分子材料如聚乙烯醇以及天然高分子材料如卡拉胶等。目前大部分材料具有不同的缺陷，天然高分子材料对生物的毒害较小，但是机械强度和化学性能较差；合成高分子材料具有较好的化学性能，但生物毒性较大。为了克服单一材料包埋产生的生物毒性或包埋颗粒的性能较差等缺点，包埋颗粒多采用两种不同包埋材料混合使用的包埋手段。
目前，一些研究或专利已经实现了使用两种或两种以上混合材料对微生物的固定化。如在中国发明专利公开号CN107630012A中，使用聚乙烯醇和海藻酸钠混合液对反硝化菌液进行包埋，去除污水中的硝酸盐氮；在中国发明专利公开号CN107446911A中使用聚乙烯醇和卡拉胶混合溶液进行包埋对有机物进行降解，并取得了较好的成果。但是两个专利仅实现菌液或活性炭等轻质载体的固定，对于硫铁矿自养反硝化过程中所用到的硫铁矿则容易产生材料分布不均等情况，硫铁矿尤其容易沉积在底部，因此需要增加包埋剂的密度。虽然使用混合材料进行包埋对包埋颗粒有了较大改善，但是直接添加菌液仍然会对微生物的活性产生较大影响，容易产生微生物的流失，降低包埋颗粒的性能，因此需要对微生物额外添加载体。在中国发明专利公开号CN107446911A中使用活性炭作为载体来保存微生物活性，提高了对污染物的处理能力，但是成本相对较高。基于上述陈述，本发明提出了一种硫自养反硝化菌固定化颗粒的制备方法。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中硫化物自养反硝化效率低、游离菌易流失等问题，而提出的一种硫自养反硝化菌固定化颗粒的制备方法，旨在提高硫自养反硝化菌固定化颗粒的机械性能，减少微生物的适应时间，提高微生物的活性。
一种硫自养反硝化菌固定化颗粒的制备方法，包括以下步骤：
S1、将8～12g的聚乙烯醇和0.67g的黄原胶加入到100ml的去离子水中，在40～50℃的温度下加热搅拌，待充分溶解冷却至室温后得混合液，将0.35～0.7g的农业废弃物放置于1～2ml的菌液中，在恒温培养箱中挂膜12～36h后，与5～10g的硫化物共同加入到混合液中，搅拌均匀后形成材料A；
S2、将25～50g的硼酸及5～10g的氯化钙融于500～1000ml的去离子水中，加热充分溶解后，在室温下冷却至硼酸饱和析出，使用0.3～0.5mol/L的氢氧化钠溶液调节pH值至7.2，将上清液取出，形成溶液B；
S3、使用注射器吸取步骤S1中的材料A缓慢滴入步骤S2中的溶液B中形成包埋颗粒，待材料A全部滴加完毕之后，将含有包埋颗粒的溶液B在4℃下进行24h的交联反应，之后将包埋颗粒取出，使用去离子水清洗，即得硫自养反硝化菌固定化颗粒。
优选的，所述步骤S1中聚乙烯醇和黄原胶的质量比为12～18:1，优选的聚乙烯醇和黄原胶的质量比为15:1。
优选的，所述步骤S1中菌液的污泥沉降比为20～30％。
优选的，所述S1中农业废弃物为60～100目的稻壳，硫化物为100～140目的硫铁矿，且稻壳和硫铁矿的质量比为7:100。
优选的，所述硫自养反硝化菌固定化颗粒应用于地下水处理的操作流程包括以下步骤：将10g硫自养反硝化菌固定化颗粒加入到含有50mg/L硝酸盐氮的100ml模拟地下水中，使用氮气吹脱后，在振荡培养箱中厌氧培养。
优选的，所述氮气吹脱的时间为3～5min。
本发明提出的一种硫自养反硝化菌固定化颗粒的制备方法，具有以下有益效果：
1、本发明提出的硫自养反硝化菌固定化颗粒的制备方法，可以提高硫自养反硝化菌固定化颗粒的机械性能和盐稳定性，减少反硝化启动时间，提高反硝化效率；本发明制备过程中所用试剂均为无毒，无害，无二次污染的绿色试剂。
2、本发明采用的包埋材料均具有来源广泛、价格低廉以及无生物毒性的特点；本发明中选用的黄原胶与现有技术中的卡拉胶和海藻酸钠相比，具有更大的增稠性，增加了包埋材料的密度，使密度较大的硫化物能在包埋材料中分布较为均匀分布而不是沉积在底部，少许添加量即可实现包埋剂密度的大幅度增加，可以实现硫铁矿等材料的均匀分布；同时黄原胶具有更大的热、酸碱稳定性和抗酶解能力，对反硝化过程中的温度、pH变化具有较好的适应性，也能更好地抵抗反硝化过程中微生物产生的酶；由于硫自养反硝化过程中的模拟地下水需要添加钾盐和钠盐，卡拉胶在钾离子存在下不稳定，而黄原胶能具有较好的盐稳定性，提高了颗粒的机械性能。
3、本发明增大了硫化物和微生物的接触能力，提高了硫化物的利用率；本发明选用的农业废弃物大多表面粗糙，有利于微生物的附着，且在反应过程中可以释放一定量的有机碳，在包埋过程中可以实现自养反硝化和异养反硝化的协同作用，是一种较好的微生物载体，农业废弃物的加入既能给微生物提供载体又保持了微生物的活性，减少了毒害物质对微生物的伤害，同时提高了微生物对硝酸盐氮的去除率，为农业废弃物的二次利用提供新思路。
4、本发明制备的硫自养反硝化菌固定化颗粒用于地下水处理，具有处理方法操作简单，反硝化启动时间短，反硝化能力强，反硝化效率高，反应过程中没有亚硝酸盐氮和氨氮的积累，使出水氮污染接近于零的优点。
附图说明
图1为包埋前硫铁矿SEM；
图2为包埋前稻壳SEM；
图3为本发明实施例一中硫自养反硝化菌固定化颗粒剖面SEM；
图4为本发明应用实施例中NO3 --N浓度随时间的变化情况；
图5为本发明应用实施例中NO2 --N浓度随时间的变化情况；
图6为本发明应用实施例中NH4 +-N浓度随时间的变化情况。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步解说。
实施例一
本发明提出的一种硫自养反硝化菌固定化颗粒的制备方法，包括以下步骤：
S1、将10g的聚乙烯醇和0.67g的黄原胶加入到100ml的去离子水中，在40℃的温度下加热搅拌，待充分溶解冷却至室温后得混合液，将0.7g的粒径为60目的稻壳放置于2ml的污泥沉降比为20％的菌液中，在恒温培养箱中挂膜24h后，与10g的粒径为100目的硫铁矿共同加入到混合液中，搅拌均匀后形成材料A；
S2、将50g的硼酸及10g的氯化钙融于1000ml的去离子水中，加热充分溶解后，在室温下冷却至硼酸饱和析出，使用0.5mol/L的氢氧化钠溶液调节pH值至7.2，将上清液取出，形成溶液B；
S3、使用注射器吸取步骤S1中的材料A缓慢滴入步骤S2中的溶液B中形成包埋颗粒，待材料A全部滴加完毕之后，将含有包埋颗粒的溶液B在4℃下进行24h的交联反应，之后将包埋颗粒取出，使用去离子水清洗，即得硫自养反硝化菌固定化颗粒。
实施例二
本发明提出的一种硫自养反硝化菌固定化颗粒的制备方法，包括以下步骤：
S1、将10g的聚乙烯醇和0.67g的黄原胶加入到100ml的去离子水中，在50℃的温度下加热搅拌，待充分溶解冷却至室温后得混合液，将0.35g的粒径为100目的稻壳放置于1ml的污泥沉降比为30％的菌液中，在恒温培养箱中挂膜36h后，与5g的粒径为140目的硫铁矿共同加入到混合液中，搅拌均匀后形成材料A；
S2、将25g的硼酸及5g的氯化钙融于500ml的去离子水中，加热充分溶解后，在室温下冷却至硼酸饱和析出，使用0.3mol/L的氢氧化钠溶液调节pH值至7.2，将上清液取出，形成溶液B；
S3、使用注射器吸取步骤S1中的材料A缓慢滴入步骤S2中的溶液B中形成包埋颗粒，待材料A全部滴加完毕之后，将含有包埋颗粒的溶液B在4℃下进行24h的交联反应，之后将包埋颗粒取出，使用去离子水清洗，即得硫自养反硝化菌固定化颗粒。
实施例三
本发明提出的一种硫自养反硝化菌固定化颗粒的制备方法，包括以下步骤：
S1、将8g的聚乙烯醇和0.67g的黄原胶加入到100ml的去离子水中，在40℃的温度下加热搅拌，待充分溶解冷却至室温后得混合液，将0.35g的粒径为60目的稻壳放置于1ml的污泥沉降比为20％的菌液中，在恒温培养箱中挂膜12h后，与5g的粒径为100目的硫铁矿共同加入到混合液中，搅拌均匀后形成材料A；
S2、将25g的硼酸及5g的氯化钙融于500ml的去离子水中，加热充分溶解后，在室温下冷却至硼酸饱和析出，使用0.3mol/L的氢氧化钠溶液调节pH值至7.2，将上清液取出，形成溶液B；
S3、使用注射器吸取步骤S1中的材料A缓慢滴入步骤S2中的溶液B中形成包埋颗粒，待材料A全部滴加完毕之后，将含有包埋颗粒的溶液B在4℃下进行24h的交联反应，之后将包埋颗粒取出，使用去离子水清洗，即得硫自养反硝化菌固定化颗粒。
实施例四
本发明提出的一种硫自养反硝化菌固定化颗粒的制备方法，包括以下步骤：
S1、将12g的聚乙烯醇和0.67g的黄原胶加入到100ml的去离子水中，在50℃的温度下加热搅拌，待充分溶解冷却至室温后得混合液，将0.7g的农业废弃物放置于2ml的污泥沉降比为30％的菌液中，在恒温培养箱中挂膜36h后，与10g的粒径为140目的硫铁矿共同加入到混合液中，搅拌均匀后形成材料A；
S2、将50g的硼酸及10g的氯化钙融于1000ml的去离子水中，加热充分溶解后，在室温下冷却至硼酸饱和析出，使用0.5mol/L的氢氧化钠溶液调节pH值至7.2，将上清液取出，形成溶液B；
S3、使用注射器吸取步骤S1中的材料A缓慢滴入步骤S2中的溶液B中形成包埋颗粒，待材料A全部滴加完毕之后，将含有包埋颗粒的溶液B在4℃下进行24h的交联反应，之后将包埋颗粒取出，使用去离子水清洗，即得硫自养反硝化菌固定化颗粒。
1、机械性能比较
为了防止后期硫自养反硝化菌固定化颗粒破裂导致出水浊度较大，按实施例一所述制备方法，对比不同配方条件下硫自养反硝化菌固定化颗粒的机械性能，各配方如表1。
表1包埋颗粒不同配方
对比表1中制备的硫自养反硝化菌固定化颗粒A-E性能可知，在成球过程中，A-E均能呈现较好的成球性，且颗粒的形状较为规则；在150r/min的转速下运行14d之后，A颗粒全部破裂，反应器中有白色絮状物质，出水浊度变大；B-E则呈现了较好的机械性能。
2、脱氮性能比较
应用实施例
将10g硫自养反硝化菌固定化颗粒加入到含有50mg/L硝酸盐氮的100ml模拟地下水中，使用氮气吹脱3～5min后，在振荡培养箱中厌氧培养。
排除机械性能较差的A颗粒之后，按上述污水处理方法对B-E颗粒的反硝化性能进行了比较，反应器中含氮化合物的浓度如图4至图6。B颗粒对反应器中的硝酸盐基本没有去除能力，因此排除了微生物利用聚乙烯醇和黄原胶进行反硝化的可能性；D和E颗粒的反硝化能力远远大于B颗粒，并且反应过程中没有亚硝酸盐氮和氨氮的积累；微生物挂膜后的E颗粒反硝化能力与未挂膜的D颗粒相差不大，但是其反硝化启动时间早于D颗粒。
综合比较发现，使用聚乙烯醇和黄原胶作为包埋剂形成的硫自养反硝化菌固定化颗粒具有较好的机械性能；对硫铁矿进行包埋可以较好地实现硫自养反硝化；通过添加微生物挂膜后的稻壳，可以提高反硝化效率。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种硫自养反硝化菌固定化颗粒的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将8～12g的聚乙烯醇和0.67g的黄原胶加入到100ml的去离子水中，在40～50℃的温度下加热搅拌，待充分溶解冷却至室温后得混合液，将0.35～0.7g的农业废弃物放置于1～2ml的菌液中，在恒温培养箱中挂膜12～36h后，与5～10g的硫化物共同加入到混合液中，搅拌均匀后形成材料A；
S2、将25～50g的硼酸及5～10g的氯化钙融于500～1000ml的去离子水中，加热充分溶解后，在室温下冷却至硼酸饱和析出，使用0.3～0.5mol/L的氢氧化钠溶液调节pH值至7.2，将上清液取出，形成溶液B；
S3、使用注射器吸取步骤S1中的材料A缓慢滴入步骤S2中的溶液B中形成包埋颗粒，待材料A全部滴加完毕之后，将含有包埋颗粒的溶液B在4℃下进行24h的交联反应，之后将包埋颗粒取出，使用去离子水清洗，即得硫自养反硝化菌固定化颗粒。
2.根据权利要求1所述的一种硫自养反硝化菌固定化颗粒的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中聚乙烯醇和黄原胶的质量比为12～18:1，优选的聚乙烯醇和黄原胶的质量比为15:1。
3.根据权利要求1所述的一种硫自养反硝化菌固定化颗粒的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中菌液的污泥沉降比为20～30％。
4.根据权利要求1所述的一种硫自养反硝化菌固定化颗粒的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中农业废弃物为60～100目的稻壳，硫化物为100～140目的硫铁矿，且稻壳和硫铁矿的质量比为7:100。
5.根据权利要求1所述的一种硫自养反硝化菌固定化颗粒的制备方法，其特征在于，所述硫自养反硝化菌固定化颗粒应用于地下水处理的操作流程包括以下步骤：将10g硫自养反硝化菌固定化颗粒加入到含有50mg/L硝酸盐氮的100ml模拟地下水中，使用氮气吹脱后，在振荡培养箱中厌氧培养。
6.根据权利要求5所述的一种硫自养反硝化菌固定化颗粒的制备方法，其特征在于，所述氮气吹脱的时间为3～5min。
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