CN109207388B - 一种玻璃纤维/高聚物复合固定化微生物填料制备及其应用 - Google Patents

一种玻璃纤维/高聚物复合固定化微生物填料制备及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种玻璃纤维/高聚物复合固定化微生物填料的制备方法，属于水处理领域。本发明的技术方案是提供一种胶囊型的固定化填料，不仅易于微生物的生长，并且兼具固定化填料特点的固定化填料，其具体方法包括：(1)通过富集培养获得高效光合细菌菌株；(2)玻璃纤维球的机械热结扎；(3)光合细菌在玻璃纤维球内吸附生长；(4)高聚物涂覆材料(聚偏氟乙烯、聚砜、聚烯烃类等)的前驱体溶液配制；(5)光合细菌固定化填料的合成。本发明微生物固定化方法所制备的填料具有较强的机械性能，且由于玻璃纤维球的多孔性和透光性，克服了传统包埋填料的传质性能差、光利用率较低的难题。

Description

一种玻璃纤维/高聚物复合固定化微生物填料制备及其应用
技术领域
本发明属于水处理技术领域，具体涉及一种高效的固定光合细菌填料的制备方法。
背景技术
光合细菌(Photosynthetic bacteria，PSB)是一类以光作为能源，能在厌氧光照或好氧黑暗条件下利用自然界中的有机物、硫化物、氨等作为供氢体兼碳源进行光合作用的微生物。由于光合细菌菌体较小，自然沉降困难，在实际应用中存在菌体流失和固液分离两个问题。为了解决这两个问题，就需要不断地培养和添加新鲜菌体，还需要进行固液分离的处理工作，由此造成处理工艺流程复杂，增加处理成本，严重影响了它在生产中的推广应用。而固定化技术可以解决这种问题，传统的固定化方法有包埋法和吸附法应用较多，但以聚乙烯醇、海藻酸钠、琼脂、明胶等为包埋剂制备的填料，机械性能差且包埋材料会影响底物和产物的扩散性，以及这些材料大多机械性能差，极易破碎，进而限制了这种方法的应用，而吸附法大多以多孔材料为载体，使细菌附着在上面，这种固定化方法在水力作用下细菌极其容易从载体上脱落。因此，本发明利用无机载体材料玻璃纤维球为载体，聚偏氟乙烯或者聚砜为多孔外壳，制备的固定化填料不仅具有较好的传质性且机械强度高，不易破碎。
发明内容
本发明的目的是针对目前细菌固定化中存在的主要问题，提供一种固定化微生物技术，通过吸附法将光合细菌吸附在玻璃纤维球内，再通过涂覆法在玻璃纤维球的外表面涂覆一层薄膜，从而制得固定化填料，这种固定化填料不仅克服了传统固定化方法的缺点，并且显著提高了固定化填料对废水的处理效果。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种复合型光合细菌固定化填料，所述复合型光合细菌固定化填料按以下方法制备：
(1)将光合细菌在光合细菌液体培养基中光照厌氧条件下培养至以干菌体质量计浓度为1-2g/L，得到光合细菌富集培养液，加入玻璃纤维球，通过玻璃纤维球的吸附作用使光合细菌吸附在玻璃纤维球的孔道结构中，得到吸附光合细菌的玻璃纤维球；
(2)将高聚物加入到有机溶剂中，在20-40℃的条件下搅拌、溶解，得涂覆试剂；所述高聚物为聚砜或聚烯烃类；所述涂覆试剂中高聚物的质量分数为8％～20％；
(3)将步骤(1)所得吸附光合细菌的玻璃纤维球浸没于步骤(2)制得的涂覆试剂中，搅拌，摇匀，取出放置于去离子水中，静置使玻璃纤维球表面形成一层膜状多孔的包埋层，取出后用蒸馏水清洗即可便得到所述的复合型光合细菌固定化填料。
进一步，本发明所述光合细菌液体培养基终浓度组成如下成：酵母膏0.5g/L、蛋白胨0.5g/L、CH3COONa 3g/L、NH4Cl 0.1g/L、NaCl 0.5g/L、NaHCO3 0.5g/L、K2HPO4 0.2g/L、MgSO4·7H2O 0.1g/L、CaCl2 0.1g/L，溶剂为水，初始pH 7～9。
进一步，本发明所述玻璃纤维球的制备方法为：先将玻璃纤维灭菌，再将玻璃纤维进行机械热结扎，制备成大小均一的球体，清洗烘干，即得所述玻璃纤维球。
进一步，本发明步骤(2)中所述有机溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮。
进一步，本发明步骤(2)中所述高聚物优选为聚醚酰亚胺、聚砜、聚醚砜、聚丙烯腈、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯。
更进一步，本发明步骤(2)中所述高聚物更优选为聚砜或聚偏氟乙烯。
进一步，本发明步骤(1)中所述光合细菌富集培养液体积以加入玻璃纤维球的质量计为100～1000mL/g。
进一步，本发明步骤(1)所述固液分离通过10000～12000rpm的转速下离心实现。
进一步，本发明所述光合细菌为红假单胞菌属(Rhodopseudomonas palustris)光合细菌。
进一步，本发明提供一种所述的复合型光合细菌固定化填料在降解高盐废水COD中的应用。
本发明的有益效果为：本发明微生物固定化方法所制备的填料具有较强的机械性能，且由于玻璃纤维球的多孔性和透光性，克服了传统包埋填料的传质性能差、光利用率较低的难题。
附图说明
图1：实施例1以聚偏氟乙烯(PVDF)和实施例3聚砜(PSF)制备的固定化填料；
图2：固定化填料对COD的降解效果。
图3：实施例3与对比例2对COD的降解效果。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此。
本发明光合细菌优选红假单胞菌属(Rhodopseudomonas palustris)光合细菌，光合细菌种子液购自浙江鼎龙集团。
本发明采用的无菌水为经过高压蒸汽灭菌锅处理的去离子水，处理条件为温度121℃，压力0.105Mpa的条件下维持30分钟。
实施例1：
一、玻璃纤维球的制备
取3g玻璃纤维在高压蒸汽灭菌锅中灭菌，然后将不同填充密度的玻璃纤维球进行机械热结扎，制备成大小均一的玻璃纤维球，在无菌水中清洗，烘干，即得玻璃纤维球。
二、光合细菌的培养
1.配置光合细菌液体培养基
称取酵母膏0.5g、蛋白胨0.5g、CH3COONa 3g、NH4Cl 0.1g、NaCl 0.5g、NaHCO30.5g、K2HPO4 0.2g、MgSO4·7H2O 0.1g、CaCl2 0.1g加入到1000mL蒸馏水中，用质量分数为10％的Na0H和10％的HCI调节pH 7，搅拌均匀，即为光合细菌液体培养基。
2.光合细菌的富集培养
配制200毫升光合细菌液体培养基，倒入250毫升锥形瓶中进行高压蒸汽灭菌，其中，灭菌温度为115℃，灭菌时间为30分钟，取出锥形瓶冷却至室温。用接种环移取7环固体培养基中保存的光合细菌至锥形瓶内，混匀，用纱布将锥形瓶口周围包好，置于培养箱中在光强为2000lux条件下光照厌氧培养48h，培养温度30℃，即得光合细菌富集培养液。
三、光合细菌固定化填料的制备
1.涂覆溶液的制备
将聚偏氟乙烯加入N,N-二甲基甲酰胺溶液中，搅拌，溶解，得聚偏氟乙烯溶液。
2.玻璃纤维球对细菌的吸附
称取0.5g的玻璃纤维球洗干净，烘干，加入至100mL浓度为1g/L的光合细菌进行吸附。
3.固定化填料的制备
将已吸附有0.3g细菌的玻璃纤维球置于配制好的聚偏氟乙烯溶液中，搅拌，摇匀，取出放置于去离子水中，静置4min，取出，用蒸馏水清洗即可。
四、模拟高盐废水指标：盐度5％，COD：2900mg/L。
五、固定化填料的活性检测
取0.5g固定化填料置于200mL的高盐废水中，在温度为30℃，光照强度为2000lux,的条件下处理72h。
设置两组实验，区别在于涂覆溶液中高聚物浓度分别为8％和20％，由图2可知固定化光合细菌对高盐废水COD的降解分别88％和82％。
实施例2：
一、玻璃纤维球的制备
取3g玻璃纤维在高压蒸汽灭菌锅中灭菌，然后将不同填充密度的玻璃纤维球进行机械热结扎，制备成大小均一的玻璃纤维球，在无菌水中清洗，烘干，即得玻璃纤维球。
二、光合细菌的培养
1.配置光合细菌液体培养基
称取酵母膏0.5g、蛋白胨0.5g、CH3COONa 3g、NH4Cl 0.1g、NaCl 0.5g、NaHCO30.5g、K2HPO4 0.2g、MgSO4·7H2O 0.1g、CaCl2 0.1g加入到1000mL蒸馏水中，用质量分数为10％的Na0H和10％的HCI调节pH 7，搅拌均匀，即为光合细菌液体培养基。
2.光合细菌的富集培养
配制200毫升光合细菌液体培养基，倒入250毫升锥形瓶中进行高压蒸汽灭菌，其中，灭菌温度为115℃，灭菌时间为30分钟，取出锥形瓶冷却至室温。用接种环移取7环固体培养基中保存的光合细菌至锥形瓶内，混匀，用纱布将锥形瓶口周围包好，置于培养箱中在光强为2000lux条件下光照厌氧培养48h，培养温度30℃，即得光合细菌富集培养液。
三、光合细菌固定化填料的制备
4.涂覆溶液的制备
将聚偏氟乙烯加入N,N-二甲基甲酰胺溶液中，搅拌，溶解，得聚偏氟乙烯溶液。
5.玻璃纤维球对细菌的吸附
称取0.5g的玻璃纤维球洗干净，烘干，加入至浓度为2g/L的光合细菌进行吸附。
6.固定化填料的制备
将已吸附有细菌的玻璃纤维球通过质量差法计算出吸附细菌的质量为0.3g，将其置于配制好的聚偏氟乙烯溶液中，搅拌，摇匀，取出放置于去离子水中，静置4min，取出，用蒸馏水清洗即可。
四、模拟高盐废水指标：盐度5％，COD：2900mg/L。
五、固定化填料的活性检测
取0.5g固定化填料置于200mL的高盐废水中，在温度为30℃，光照强度为2000lux,的条件下处理72h。
设置两组实验，区别在于涂覆溶液中高聚物浓度分别为8％和20％，由图2可知高聚物浓度为8％的固定化光合细菌对高盐废水COD的降解可达89％；高聚物浓度为20％的固定化光合细菌对高盐废水COD的降解可达78％。
对比例1：
一、光合细菌的培养
1.配置光合细菌液体培养基
称取酵母膏0.5g、蛋白胨0.5g、CH3COONa 3g、NH4Cl 0.1g、NaCl 0.5g、NaHCO30.5g、K2HPO4 0.2g、MgSO4·7H2O 0.1g、CaCl2 0.1g加入到1000mL蒸馏水中，用质量分数为10％的Na0H和10％的HCI调节pH 7，搅拌均匀，即为光合细菌液体培养基。
2.光合细菌的富集培养
配制200毫升光合细菌液体培养基，倒入250毫升锥形瓶中进行高压蒸汽灭菌，其中，灭菌温度为115℃，灭菌时间为30分钟，取出锥形瓶冷却至室温。用接种环移取7环固体培养基中保存的光合细菌至锥形瓶内，混匀，用纱布将锥形瓶口周围包好，置于培养箱中在光强为2000lux的条件下光照厌氧培养48h，培养温度30℃，即得光合细菌富集培养液。
二、模拟高盐废水指标：盐度5％，COD：2900mg/L。
三、光合细菌降解高盐废水
取0.3g光合细菌置于200mL的高盐废水中，在温度为30℃，光照强度为2000lux,的条件下处理72h。
由图2可知悬浮态光合细菌对对高盐废水COD的降解可达63％。，明显低于固定化填料对COD的降解。
实施例3：
一、玻璃纤维球的制备：与实施例1一致
二、光合细菌的培养：与实施例1一致
三、光合细菌固定化填料的制备
1.将聚砜(分子量：65000Da)加入N,N-二甲基甲酰胺溶液中，搅拌，溶解，得聚砜溶液；其中，聚砜的质量分数为10％。
2.玻璃纤维球对细菌的吸附：与实施例1一致
3.固定化填料的制备
将已吸附有细菌的玻璃纤维球通过质量差法计算出吸附细菌的质量为0.3g，将其置于制备好的聚砜溶液中，搅拌，摇匀，取出放置于去离子水中，静置3min，取出，用蒸馏水清洗即可。
四、模拟高盐废水的指标：盐度7％，COD：2900mg/L。
四、固定化填料的活性检测
取0.5g固定化填料置于200mL的高盐废水中，在温度为30℃，光照强度为2000lux,的条件下处理72h。
固定化光合细菌对含盐废水COD的降解可达91％。
对比例2：
一、光合细菌的培养：与实施例3一致
二、模拟高盐废水指标：盐度7％，COD：2900mg/L。
三、光合细菌降解高盐废水
取0.3g的光合细菌置于200mL的高盐废水中，在温度为30℃，光照强度为2000lux,的条件下处理72h。
悬浮态光合细菌对含盐废水COD的降解为75％。

Claims (5)

1.一种复合型光合细菌固定化填料，其特征在于所述复合型光合细菌固定化填料按以下方法制备：
(1)将光合细菌在光合细菌液体培养基中光照厌氧条件下培养至以干菌体质量计浓度为1-2 g/L，得到光合细菌富集培养液，加入玻璃纤维球，通过玻璃纤维球的吸附作用使光合细菌吸附在玻璃纤维球的孔道结构中，得到吸附光合细菌的玻璃纤维球；所述玻璃纤维球的制备方法为：先将玻璃纤维灭菌，再将玻璃纤维进行机械热结扎，制备成大小均一的球体，清洗烘干，即得所述玻璃纤维球；
(2)将高聚物加入到有机溶剂中，在20-40℃的条件下搅拌、溶解，得涂覆试剂；所述涂覆试剂中高聚物的质量分数为8％～20％；步骤(2)中所述有机溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮；所述高聚物为聚砜或聚偏氟乙烯；
(3)将步骤(1)所得吸附光合细菌的玻璃纤维球浸没于步骤(2)制得的涂覆试剂中，搅拌，摇匀，取出放置于去离子水中，静置使玻璃纤维球表面形成一层膜状多孔的包埋层，取出后用蒸馏水清洗即可便得到所述的复合型光合细菌固定化填料。
2.如权利要求1所述的复合型光合细菌固定化填料，其特征在于：所述光合细菌液体培养基终浓度组成如下：酵母膏0.5 g/L、蛋白胨0.5 g/L、CH3COONa 3 g/L、NH4Cl 0.1 g/L、NaCl 0.5 g/L、NaHCO30.5 g/L、K2HPO4 0.2 g/L、MgSO4·7H2O 0.1 g/L、CaCl2 0.1 g/L，溶剂为水，初始pH 7～9。
3.如权利要求1所述的复合型光合细菌固定化填料，其特征在于：步骤(1)中所述光合细菌富集培养液体积以加入玻璃纤维球的质量计为100～1000mL/g。
4.如权利要求1所述的复合型光合细菌固定化填料，其特征在于：所述光合细菌为红假单胞菌属(Rhodopseudomonas palustris)光合细菌。
5.如权利要求1所述的复合型光合细菌固定化填料在降解高盐废水COD中的应用。
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