CN109762803A

CN109762803A - 固定化微生物批量制备的方法

Info

Publication number: CN109762803A
Application number: CN201711106784.6A
Authority: CN
Inventors: 安立超; 陈圳; 戴昕
Original assignee: Nanjing University of Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Science and Technology
Priority date: 2017-11-10
Filing date: 2017-11-10
Publication date: 2019-05-17

Abstract

本发明公开了一种固定化微生物批量制备的方法。所述方法先加热将聚乙烯醇充分溶解在水中，继续加入海藻酸钠和二氧化硅并充分溶解，得到PVA‑SA水凝胶溶液，再将微生物硝化菌剂与PVA‑SA水凝胶溶液充分搅拌混合，最后将混合物滴入到硼酸与硫酸铝配置的交联剂中，得到固定化微生物。本发明使用机械设备对固定化微生物进行批量制备，确定了合适的固定化微生物配方及生产中的控制因素，保证了批量制作中性能和生产的稳定性，推动包埋固定化微生物技术在工业化中的运用和发展。

Description

固定化微生物批量制备的方法

技术领域

本发明属于废水处理领域，涉及一种固定化微生物制备的方法。

背景技术

微生物的固定化技术是环境领域的一项新兴技术，是指通过化学或物理方法将游离的微生物固定在有限空间的手段。固定化微生物技术是将微生物包埋在膜或聚合物的内部，具有比表面积大、容积负荷高、接触充分均匀、抗冲击能力强、压损低、带出系统生物量少等优点，在处理重金属废水、含油废水、氨氮废水、垃圾渗滤液等领域有着广泛的研究。

在目前的研究中，固定化微生物的制备和运用基本处于实验室阶段，很少有较大规模的生产和运用。实验室的少量制备时容易受外界环境影响，制备中由于黏性物质的存在有着较大的系统浓度误差，交联的过程中操作人员的交联手法也是重要影响因素。固定化微生物在实验室制备中，PVA-硫酸盐法为较好的配方，其制备条件为：PVA浓度 12％、硫酸钠浓度为0.5mol/L，包埋对象为活性污泥，在含2％氯化钙的饱和硼酸中交联1h，硫酸钠溶液中交联4h(茆云汉，环境科学学报，聚乙烯醇固定化微生物新方法的研究)。在此方法中，PVA使用量较大不够经济，选用的活性污泥为包埋目标，难以实现批量制备，且使用一个月后出现机械强度和活性的降低的问题，为此需要探究更合适的包埋方法。

目前实验室制备的固定化微生物，使用的材料配方有许多种，但由于规模小和实验室制备操作相对细腻，基本难以满足机械化的批量制备。因此，需要寻找一种新型配料和制备方法来满足包埋固定化微生物的批量制备。

发明内容

为解决实验室固定化微生物制备不稳定，不能批量制备的问题，本发明提供一种固定化微生物批量制备的方法，通过控制聚乙烯醇的浓度、饱和硼酸溶液的浓度等关键因素，首次实现固定化微生物的批量制备。

本发明的技术解决方案为：

固定化微生物批量制备的方法，具体步骤如下：

步骤1，将聚乙烯醇(PVA)在90℃～100℃下溶于水中，依次加入海藻酸钠(SA)和二氧化硅(SiO₂)，搅拌使其充分溶解，得到PVA-SA水凝胶溶液，冷却至室温，其中聚乙烯醇为水质量的5％～6％；

步骤2，将粉末态硝化菌剂与PVA-SA水凝胶溶液混合，40～55r/min搅拌使其混合均匀；

步骤3，将步骤2中的混合物滴入到温度在20℃以上、含0.5％～10％硫酸铝的饱和硼酸溶液中，搅拌使其固化成球，在1～10℃下固化交联；

步骤4，交联结束后，将固定化微生物水洗，烘干，得到包埋固定化微生物。

步骤1中，所述的海藻酸钠为水的质量的0.4％～0.7％，所述的二氧化硅为水的质量的0.4％～0.7％，为保证PVA-SA能溶解充分，PVA在90～100℃的水中溶解1～2h，然后加入SA和SiO₂并继续加热0.5～1h。。

步骤2中，所述的粉末态硝化菌剂与PVA-SA水凝胶的质量比为0.01:1～0.1:1。

步骤2中，所述的搅拌时间为10～20min。

步骤3中，所述的混合物与硫酸铝的饱和硼酸溶液的质量比为1:2～1:10。

步骤3中，所述的固化时间为12～36h。

本发明与现有包埋法制备固定化微生物颗粒的方法相比，其显著优点是：

(1)以粉末态微生物硝化菌剂为包埋的菌种，解决活性污泥粘性对滴定交联的影响，实现固定化微生物的批量制备；

(2)实验室少量制备的方法存在较大的系统误差，本发明确立批量制备的配比范围，避免实验中操作偶然性对性能的影响，保证了固定化微生物性能的稳定性；

(3)与小规模的实验室制备方法相比，本发明通过对时间、温度、速度的控制，固定化微生物的批量制备基本避免外部因素对制备过程的影响，保证批量制备能够稳定进行。

本发明通过确定原料和配比，控制时间、温度、速度等关键制备因素，对配料和各参数进行控制，得到机械性能优异、内部空间结构发达的固定化微生物，实现包埋固定化微生物从实验室走向工程化，推进固定化微生物技术从实验室走向工业化废水处理的进程。

附图说明

图1为固定化微生物的扫描电镜图，其中a图为固定化微生物截面图，b图为固定化微生物内部的结构图。

图2为固定化微生物对不同浓度氨氮废水的处理效率图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步详述。

实施例1

将5kg聚乙烯醇加入100L水中，待加热溶解1-2h后，加入海藻酸钠和二氧化硅各0.5kg，继续加热搅拌0.5-1h。充分溶解混合后，冷却至室温15～30℃。在PVA-SA水凝胶冷却至室温后，加入2kg的粉末状硝化菌剂，并以40-55r/min速度进行搅拌，使硝化菌剂与水凝胶混合均匀。20℃下，在滴定槽中将1.25kg硫酸铝和12.5kg硼酸溶解于250L 水中，制得交联剂。再将硝化菌剂与水凝胶的混合物匀速滴入交联剂中，得到固定化微生物小球，10℃下固定24h，然后将小球清洗后烘干，最终得到固定化微生物小球。

实施例2

将6kg聚乙烯醇加入100L水中，待加热溶解1-2h后，加入海藻酸钠和二氧化硅各0.5kg，继续加热搅拌0.5-1h。充分溶解混合后，冷却至室温15～30℃。在PVA-SA水凝胶冷却至室温后，加入2kg的粉末状硝化菌剂，并以40-55r/min速度进行搅拌，使硝化菌剂与水凝胶混合均匀。20℃下，在滴定槽中将1.25kg硫酸铝和12.5kg硼酸溶解于250L 水中，制得交联剂。再将硝化菌剂与水凝胶的混合物匀速滴入交联剂中，得到固定化微生物小球，10℃下固定24h，然后将小球清洗后烘干，最终得到固定化微生物小球。

对比例1

本对比例与实施例1基本相同，唯一不同的是聚乙烯醇为水质量的4％。聚乙烯醇时组成固定化微生物的重要物质，由于其含量的降低，导致PVA-SA混合物的粘度和物质浓度不够，滴定交联时浮于硼酸溶液表面，不能交联成型。

对比例2

本对比例与实施例1基本相同，唯一不同的是饱和硼酸溶液的温度为12℃。硼酸的溶解度和温度成正比，在较低的温度下，硼酸饱和溶液中硼酸的浓度较低，在PVA-SA 混合液与硼酸交联时，由于硼酸浓度不足，导致制备中固定化微生物不能迅速成型。

实施例3

采用批量制备的固定化微生物处理含模拟氨氮废水。模拟氨氮废水的浓度分别为100mg/L、200mg/L、300mg/L、400mg/L和500mg/L，pH约为7.6。

步骤：将固定化微生物和氨氮废水按1：5的质量比例混合投入不同SBR反应器中，将反应温度控制在30℃，溶解氧控制在4-6mg/L，实验周期调控为24h。通过曝气使得固定化微生物在水中流动，并与污染物质充分接触。如此循环往复，每隔24小时取样，经固定化微生物的处理后，氨氮出水浓度分别达到：8mg/L、20mg/L、40mg/L、75mg/L 和165mg/L。

图2是实施例3中固定化微生物在对不同浓度氨氮随时间的降解效率图，由图2可以看出，氨氮的去除率随着浓度的增加而降低，当氨氮浓度为300mg/L时，剩余氨氮的浓度稳定达到50mg/L之内，去除率达到为90.7％。此外，通过500mg/L氨氮废水的实验，对于高浓度的氨氮废水，固定化微生物具有一定的抗冲击能力。

SEM：

图1中a、b分别为固定化微生物截面和内部的扫描电镜照片。从图1a中可以看出固定化微生物表面结构的较为致密，越往内部，孔隙结构越加发达。在图1b中，可以看出内部的凝胶结构，此外可以发现骨架上附着较多球状物质，为包埋的硝化菌。通过 SEM对固定化微生物的扫描，可以看出固定化微生物结构能为硝化菌提供较好的生长繁殖环境，增强抗水力冲击的能力，避免了硝化菌的流失。

比表面积：

通过亚甲基蓝法对固定化微生物的比表面积进行测定，发现批量制备的固定化微生物比表面积为12.13m²/g，说明其内部孔隙结构较为丰富，能为硝化菌提供良好的繁殖空间。

机械性能提升：

批量制备的固定化微生物在对制备过程中的配比和影响因素进行优化，使得固定化微生物的机械性能有较大的提升。与原实验室制备的对比，批量制备的固定化微生物在挤压后更容易恢复原型并且不会被撕扯断裂。经过3个月的使用后，实验室制备的固定化微生物存在部分膨胀破损，批量制备的固定化微生物仍能保持较好的机械强度。

Claims

1.固定化微生物批量制备的方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤1，将聚乙烯醇在90℃～100℃下溶于水中，依次加入海藻酸钠和二氧化硅，搅拌使其充分溶解，得到PVA-SA水凝胶溶液，冷却至室温，其中聚乙烯醇为水质量的5％～6％；

步骤2，将粉末态硝化菌剂与PVA-SA水凝胶溶液混合，以40～55r/min速度搅拌使其混合均匀；

2.根据权利所述的方法，其特征在于，步骤1中，所述的海藻酸钠为水的质量的0.4％～0.7％，所述的二氧化硅为水的质量的0.4％～0.7％。

3.根据权利所述的方法，其特征在于，步骤1中，PVA在90～100℃的水中溶解1～2h，然后加入SA和SiO₂并继续加热0.5～1h。。

4.根据权利所述的方法，其特征在于，步骤2中，所述的粉末态硝化菌剂与PVA-SA水凝胶的质量比为0.01:1～0.1:1。

5.根据权利所述的方法，其特征在于，步骤2中，所述的搅拌时间为10～20min。

6.根据权利所述的方法，其特征在于，步骤3中，所述的混合物与硫酸铝的饱和硼酸溶液的质量比为1:2～1:10。

7.根据权利所述的方法，其特征在于，步骤3中，所述的固化时间为12～36h。