CN109897848A

CN109897848A - 一种用于低温脱氮处理的微生物固定化载体颗粒及其应用

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Publication number: CN109897848A
Application number: CN201910219667.3A
Authority: CN
Inventors: 唐美珍; 姜洁; 徐晓艳
Original assignee: Qufu Normal University
Current assignee: Qufu Normal University
Priority date: 2019-03-22
Filing date: 2019-03-22
Publication date: 2019-06-18

Abstract

本发明涉及一种用于低温脱氮处理的微生物固定化载体颗粒及其应用。GO、PVA、SA和卡拉胶的含量分别为0.1～0.15 g/L，80～100 g/L，6～10 g/L和2～10 g/L，固定化颗粒中微生物的含量为每克固定化颗粒含0.3～0.5 g菌体，交联剂为3.0~5.0%硼酸饱和CaCl₂溶液，利用上述物质生产出富集固定化低温脱氮微生物的颗粒应用到冬季低温生活污水和河道水体治理中，可以使低温水体（水温6~8℃）中NH₄ ⁺‑N去除率为80.26~96.38%，NO₃ ^‑‑N去除率达到90.88~99.01%，NO₂‑‑N去除率达到99.85~99.93%，TN去除率维持在80.51~92.67%之间。该微生物颗粒改善了现有冬季低温时污水脱氮处理效率低、微生物浓度低、生物载体稳定性差的缺点，相比较采用各种保温措施，可以大大的减少工程投资。

Description

一种用于低温脱氮处理的微生物固定化载体颗粒及其应用

技术领域

本发明属于微生物科学技术和环保工程技术领域。涉及到一种利用GO - PVA -SA - 卡拉胶复合载体固定化低温脱氮微生物的新方法及其应用。本固定化菌剂制备方法简单，进行低温脱氮微生物固定化，可提高低温条件下的污水脱氮效果，广泛适用于冬季污水处理厂和河道水体的低温脱氮处理。

背景技术

近几十年来，随着我国经济发展和城市化速度的加快，氮、磷等营养元素的排放导致水体富营养化程度不断加剧，其中氨氮浓度过高是造成水体富营养化的主要原因之一。废水异养硝化脱氮是对传统硝化理论的丰富与突破，也是目前水处理领域中关注和研究的热点。冬季寒冷的气候条件致使污水处理系统中微生物数量减少，同时导致微生物对营养物质的转运速率减慢，吸收下降，蛋白质合成速率降低，生命代谢活动减缓等，从而使冬季低温条件下生物脱氮效率大大降低，甚至导致含氮污水不达标排放。低温微生物作为极端微生物之一，能够利用其独特的生理功能来适应低温环境，因此对这类微生物的研究既具有重要的理论意义又能够产生明显的经济效益和环境效益。大量研究结果表明，从低温自然环境中分离、筛选出对含氮化合物具有较高代谢活性的耐冷型脱氮菌是提高寒冷地区低温季节氮污染水体原位生物修复效果的根本途径和有效措施。但是，在废水处理过程中，如果直接投放菌体，游离微生物进入实际污染环境中后的生存繁殖和降解能力易受外界因素干扰，降解作用难以充分发挥，还会造成大量菌体流失，难以控制其长期处理效果。因此，将优势微生物固定在独立微环境中，能够有效屏蔽土著菌的竞争及外界不利因素对菌体的侵害，提高细胞生物稳定性，从而提高冬季污水处理能力和持续净化效果。

微生物固定化技术是20世纪60年代后期迅速发展起来的一种新型技术，它是指用物理或化学方法将游离微生物细胞、细胞器、酶或动植物细胞固定在某一特定空间范围内，使其高度聚集，并使其保留固有的活性，能在环境中连续和重复使用的技术。微生物细胞的固定化方法有：吸附法、交联法和包埋法，其中以包埋法最为常用。

本发明以低温异养硝化菌为研究对象，利用为GO - PVA - SA - 卡拉胶为复合载体，研究载体对低温脱氮菌的吸附包埋固定化，探索其强化冬季污水脱氮处理的可行性。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种强化冬季污水脱氮处理的GO - PVA -SA - 卡拉胶复合载体固定低温脱氮微生物颗粒及其应用方法，改善现有冬季低温时污水脱氮处理效率低、微生物浓度低、生物载体稳定性差的缺点。

为实现上述目的，本发明公开了如下的技术内容：

一种用于低温脱氮处理的微生物固定化载体颗粒，其特征在于它是由下述成分组成：

GO-PVA-SA-卡拉胶载体；其中GO-PVA-SA-卡拉胶载体指的是：GO、PVA、SA和卡拉胶的含量分别为0.1～0.15 g/L，80～100 g/L，6～10 g/L 和2 ～ 10 g/L；

低温脱氮微生物；所述的低温脱氮菌指的是：低温异养硝化菌Pseudomonas sp.Z01（GenBank接受号为MH220796）；每克固定化细胞颗粒含有 0.3～0.5 g 固定化微生物菌体；

3.0 ~ 5.0%交联剂溶液；所述的3.0 ~ 5.0%交联剂溶液指的是：CaCl₂溶于去离子水，使硼酸饱和，CaCl₂ 溶液浓度为 30～50 g/L。

1. 本发明进一步公开了用于低温脱氮处理的微生物固定化载体颗粒的制备方法，其特征在于按如下的步骤进行：

（1）称取聚乙烯醇（PVA）、海藻酸钠（SA）和卡拉胶溶于水，水浴加热至完全溶化后静置冷却至 40～50℃，再加入氧化石墨烯（GO），充分混合均匀，得到GO - PVA - SA - 卡拉胶混合溶液，其中GO、PVA、SA和卡拉胶的含量分别为0.1～0.15 g/L，80～100 g/L，6～10 g/L和2 ～ 10 g/L；

（2）将欲固定化的低温脱氮微生物与上述制备的GO - PVA - SA - 卡拉胶混合液混合，调节固定化微生物的量为每克固定化细胞颗粒含有 0.3～0.5 g 固定化微生物菌体；

所述的低温脱氮菌指的是：低温异养硝化菌Pseudomonas sp.Z01（GenBank接受号为MH220796）。将上述低温脱氮菌置于振荡器6℃培养至对数生长期，吸光度为1.2~1.6，细菌个数约5.1854 × 10⁸个•mL^-1后，于离心机1200 r·min^-1下离心10 min，弃去上清液，用生理盐水稀释后再反复离心三次，以去除培养基成分，最后用生理盐水调节菌株的吸光度为1.2，备用；

（3）称取硼酸和CaCl₂溶于去离子水，使硼酸饱和，CaCl₂ 溶液浓度为 30～50 g/L，制备得到3.0 ~ 5.0%交联剂溶液；

（4）用注射器或滴管将步骤(2)制备的混合液滴加到步骤(3)制备的交联剂溶液中，使其形成2~3 mm的球形颗粒，并在交联剂溶液内浸泡交联 12～24 小时；

（5）将步骤(4)中制备得到的固定化微生物颗粒取出，用生理盐水洗涤3~5遍，放入冰箱4℃保藏，完成整个固定化过程。

本发明更进一步公开了于低温脱氮处理的微生物固定化载体颗粒在用于冬季生活污水和河道水体的强化脱氮处理方面的应用。其中所述的冬季生活污水和河道水体的强化处理指的是：低温水体中氨氮去除率、硝酸盐氮去除率、亚硝酸盐氮去除率、总氮去除率。实验结果显示：所述的固定好低温脱氮微生物颗粒（球体）应用到冬季低温生活污水和河道水体治理中，可以使低温水体（水温6 ~ 8℃）中NH₄ ⁺-N去除率为80.26 ~ 96.38%，NO₃ ^--N去除率达到90.88 ~ 99.01%，NO₂ ^--N去除率达到99.85 ~ 99.93%，TN去除率维持在80.51 ~92.67%之间。

本发明GO-PVA-SA-卡拉胶载体固定低温脱氮微生物颗粒更加详细的描述如下：

GO-PVA-SA-卡拉胶载体固定低温脱氮微生物颗粒采用的基本配方如下：

称取聚乙烯醇（PVA）、海藻酸钠（SA）和卡拉胶并与水混合，水浴加热至完全溶化，然后静置冷却至 40～50℃，再加入氧化石墨烯（GO），充分混合均匀，得到GO - PVA - SA - 卡拉胶混合溶液，其中GO、PVA、SA和卡拉胶的含量分别为0.1～0.15 g/L，80～100 g/L，6～10g/L 和2 ～ 10 g/L。

低温脱氮微生物菌悬液为低温异养硝化菌Pseudomonas sp.Z01，其16S rDNA特异序列为1385bp (GenBank接受号为MH220796)。将上述低温脱氮菌在震荡器，温度调至6℃中培养至对数生长期，吸光度为1.2~1.6，细菌个数大为5.1854 × 10⁸个•mL^-1后，于离心机1200 r·min^-1下离心10 min，弃去上清液，用生理盐水稀释后再离心，如此反复三次，以去除培养基成分，最后用生理盐水调节菌株的吸光度为1.2~1.6，备用。

GO-PVA-SA-卡拉胶载体固定低温脱氮微生物颗粒的制备方法如下：

以PVA、SA和卡拉胶浓缩粉共同作用为包埋载体，加去离子水加热全部溶解后，静置冷却至 40～50℃，再加入氧化石墨烯（GO），充分混合均匀，得到GO - PVA - SA - 卡拉胶混合溶液，然后再加入低温脱氮微生物菌悬液，全部混合搅拌至充分均匀。用注射器滴加（控制小球直径约为2~3mm）于3.0~5.0% CaCl₂饱和硼酸溶液中，交联12～24 小时后用生理盐水洗涤3~5遍，备用。制备出的固定化低温脱氮微生物菌剂（见图1）。

本发明的低温污水脱氮处理的GO-PVA-SA-卡拉胶载体固定低温脱氮微生物颗粒的作用原理如下：

微生物固定化技术是将游离的微生物富集固定在特殊的材料内，降低微生物随水流流失的风险，提高系统内微生物浓度和新陈代谢活力。本载体颗粒以PVA、SA和卡拉胶浓缩粉共同作用为包埋载体，由于其疏松多孔的特性，能够有效为微生物提供生存空间。同时利用GO对包埋载体进行改性处理，提高微生物的生物活性，将低温脱氮微生物固定富集于GO-PVA-SA和卡拉胶载体颗粒内，对于提高污水冬季脱氮处理效率具有重要的意义。

本发明主要解决了冬季低温条件下，污水脱氮效果差，甚至是不达标排放的问题，重点考察了GO-PVA-SA-卡拉胶载体固定低温脱氮微生物颗粒的制作方法，主要的难点在于氧化石墨烯、聚乙烯醇、海藻酸钠及卡拉胶进行优化配比，为此先后考察了载体颗粒各组成成分的配比，交联时间等条件，最后确定的方案是将氧化石墨烯、聚乙烯醇、海藻酸钠及卡拉胶的含量、交联时间等因素，设计一个五因素四水平的正交试验来进行优化。实验结果得出，当氧化石墨烯（GO）含量为0.15g/L，聚乙烯醇（PVA）含量为80.0g/L，海藻酸钠（SA）含量为10.0g/L，卡拉胶含量为4.0g/L，交联时间为24 h时去除效率最好，对低温（6 ~ 8℃）含氮模拟废水中的NH₄ ⁺-N、NO₃ ^--N、NO₂ ^--N、TN的去除率分别达到了76.93%、79.28%、79.16%、82.86%。综合固定化小球的成球效果及物理特性，此组合是最优组合。

本发明公开的优化污水处理的GO-PVA-SA-卡拉胶载体固定低温脱氮微生物颗粒及其应用方法与现有技术相比所具有的积极效果在于：

（1）利用GO对包埋载体进行改性处理，提高微生物的生物活性。

（2）将低温脱氮菌固定化成球状颗粒，既克服了单一菌株的生存能力差、净化效果不稳定的缺点，又能提高微生物密度、减少微生物流失量，提高微生物对环境(如pH、温度、有毒物质等)的耐受力，进而提高低温污水脱氮处理过程中的稳定性，从而保证冬季污水的脱氮效果。

（3）GO-PVA-SA-卡拉胶载体固定低温脱氮微生物颗粒主要是利用低温脱氮微生物的特殊性能来提高冬季污水脱氮效果，相比较采用各种保温措施，可以大大的减少工程投资。

附图说明

图1为GO-PVA-SA-卡拉胶载体固定化低温脱氮微生物菌剂。

具体实施方式

下面通过具体的实施方案叙述本发明。除非特别说明，本发明中所用的技术手段均为本领域技术人员所公知的方法。另外，实施方案应理解为说明性的，而非限制本发明的范围，本发明的实质和范围仅由权利要求书所限定。对于本领域技术人员而言，在不背离本发明实质和范围的前提下，对这些实施方案中的物料成分和用量进行的各种改变或改动也属于本发明的保护范围。

本发明所用原料氧化石墨烯，聚乙烯醇，海藻酸、卡拉胶均有市售。

低温异养硝化菌Pseudomonas sp.Z01的生理、生化介绍参见周英萍，唐美珍，曹彦雪，周高洁，陈娟娟，马文秀. 2019. 一株耐冷异养硝化菌的分离鉴定及脱氮特性研究.湖泊科学.31（3） doi 10.18307/2019.030。该低温脱氮菌保存在曲阜师范大学实验室，当公众用于科学研究时，可以免费提供。

实施例1

一种用于污水脱氮处理的GO-PVA-SA-卡拉胶载体固定低温脱氮微生物颗粒，其特征在于该载体颗粒为球体，由下述基本配方组成：

氧化石墨烯（GO）含量为0.15g/L，聚乙烯醇（PVA）含量为80.0g/L，海藻酸钠（SA）含量为10.0g/L，卡拉胶含量为4.0g/L；

所述低温脱氮微生物菌悬液为低温异养硝化菌Pseudomonas sp.Z01，其16S rDNA特异序列为1385bp (GenBank接受号为MH220796)；

具体的制备方法如下：

（1）称取聚乙烯醇（PVA）、海藻酸钠（SA）和卡拉胶并与水混合，水浴加热至完全溶化，然后静置冷却至 40℃，再加入氧化石墨烯（GO），充分混合均匀，得到GO - PVA - SA - 卡拉胶混合溶液；

（2）将欲固定化的低温脱氮微生物与上述制备的GO - PVA - SA - 卡拉胶混合液混合，调节固定化微生物的量为每克固定化细胞颗粒含有 0.5 g 固定化微生物菌体；

所述的低温脱氮菌指的是：低温异养硝化菌Pseudomonas sp.Z01（GenBank接受号为MH220796）。将上述低温脱氮菌置于振荡器6 ℃培养至对数生长期，吸光度为1.2~1.6，细菌个数约5.1854 × 10⁸个•mL^-1后，于离心机1200 r·min^-1下离心10 min，弃去上清液，用生理盐水稀释后再反复离心三次，以去除培养基成分，最后用生理盐水调节菌株的吸光度为1.2，备用；

（3）称取硼酸和CaCl₂溶于去离子水，使硼酸饱和，CaCl₂ 溶液浓度为 50 g/L，制备得到5.0%交联剂溶液；

（4）用注射器或滴管将步骤(2)制备的混合液滴加到步骤(3)制备的交联剂溶液中，使其形成3 mm的球形颗粒，并在交联剂溶液内浸泡交联 24 小时；

（5）将步骤(4)中制备得到的固定化微生物颗粒取出，用生理盐水洗涤3遍，放入冰箱4℃保藏，完成整个固定化过程。

实施例2

2018年11月20日-2019年1月20日，按照接种量g菌剂/V污水设定为3.0 g/L投入GO-PVA-SA-卡拉胶载体固定低温脱氮微生物颗粒于SBR反应器中，控制水温的变化范围为6～8℃。通过连续2个月的监测，采用该技术可以使SBR工艺中氨氮平均去除率达到82.47%，硝酸盐氮平均去除率达到83.21%，亚硝酸盐氮平均去除率达到85.16%，总氮平均去除率维持在86.38%。

实施例3

2018年11月-2019年2月份，利用该发明制造的GO-PVA-SA-卡拉胶载体固定低温脱氮微生物颗粒应用到人工湿地净化河道水体的中试试验，该人工湿地为长方形体，长×宽×高为3×2×1.2 m，池体内下方填充40cm厚的直径为40-50mm砾石，中间填充30cm厚的粗砂，在粗砂层中混合填入10%的GO-PVA-SA-卡拉胶载体固定低温脱氮微生物颗粒，湿地池体上方填充20cm厚的种植土，种植植物为香蒲（Typha orientalis Presl）。试验进水为城市河道污水，试验期间水温的变化范围为5～10℃，通过连续3个月的监测，采用该技术可以使河道水体中氨氮平均去除率达到87.63%，硝酸盐氮平均去除率达到89.82%，亚硝酸盐氮平均去除率达到90.39%，总氮平均去除率维持在90.71%。

本GO-PVA-SA-卡拉胶载体固定低温脱氮微生物颗粒所采用的各组成分均为市场易购材料，制作成本较低，同时采用微生物固定法将低温脱氮微生物更好地应用于污水处理中，提高了冬季污水脱氮效率，必将产生较大的经济效益和较好的社会效益。

Claims

1.一种用于低温脱氮处理的微生物固定化载体颗粒，其特征在于它是由下述成分组成：

GO-PVA-SA-卡拉胶载体；其中GO-PVA-SA-卡拉胶载体指的是：GO、PVA、SA和卡拉胶的含量分别为0.1～0.15 g/L，80～100 g/L，6～10 g/L 和2 ～ 10 g/L；低温脱氮微生物；所述的低温脱氮菌指的是：低温异养硝化菌Pseudomonas sp.Z01（GenBank接受号为MH220796）；每克固定化细胞颗粒含有 0.3～0.5 g 固定化微生物菌体；3.0 ~ 5.0%交联剂溶液；所述的3.0 ~ 5.0%交联剂溶液指的是：CaCl₂溶于去离子水，使硼酸饱和，CaCl₂ 溶液浓度为 30～50 g/L。

2.权利要求1所述用于低温脱氮处理的微生物固定化载体颗粒的制备方法，其特征在于按如下的步骤进行：

（1）称取氧化石墨烯（GO）、聚乙烯醇（PVA）、海藻酸钠（SA）和卡拉胶溶于水，水浴加热至完全溶化后静置冷却至 40～50℃，得到GO - PVA - SA - 卡拉胶混合溶液，其中GO、PVA、SA和卡拉胶的含量分别为0.1～0.15 g/L，80～100 g/L，6～10 g/L 和2 ～ 10 g/L；

（2）将欲固定化的低温脱氮微生物与上述制备的GO - PVA - SA - 卡拉胶混合液混合制成混合液，调节固定化低温脱氮微生物的量为每克固定化细胞颗粒含有 0.3～0.5 g 固定化微生物菌体；所述的低温脱氮微生物指的是：低温异养硝化菌Pseudomonas sp.Z01（GenBank接受号为MH220796）；

将上述低温脱氮菌置于振荡器6℃培养至对数生长期，吸光度为1.2~1.6，细菌个数约5.1854 × 10⁸个•mL^-1后，于离心机1200 r·min^-1下离心10 min，弃去上清液，用生理盐水稀释后再反复离心三次，以去除培养基成分，最后用生理盐水调节菌株的吸光度为1.2，备用；

称取硼酸和CaCl₂溶于去离子水，使硼酸饱和，CaCl₂ 溶液浓度为 30～50 g/L，制备得到3.0 ~ 5.0%交联剂溶液；

3.权利要求1所述的用于低温脱氮处理的微生物固定化载体颗粒在用于冬季生活污水和河道水体的强化脱氮处理方面的应用。

4.权利要求3所述的应用；其中所述的冬季生活污水和河道水体的强化处理指的是：低温水体中氨氮去除率、硝酸盐氮去除率、亚硝酸盐氮去除率、总氮去除率。