CN109928519B - 一种高效水体净化剂的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了提供一种无污染、无需回收，原料丰富，吸附量大，使用效果好的净水剂载体的制备方法，通过还原‑硫化，在载体表面设定培养基硫化细菌吸附位点，使得净水剂中细菌担载量大，存活率高，菌群优势大，净化效率高。

Description

一种高效水体净化剂的制备方法

技术领域

本发明属于水体净化领域，特别涉及一种基于大孔介孔氧化硅载体的的硫氧化细菌生物活性净化剂和制备方法，及其应用。

背景技术

研究表明，在当今水产养殖过程中，由于饵料利用率低，残饵、养殖动物粪便排放过多等问题，造成水体的富营养化和底泥的 C、N、P 富集污染以及底泥氧化还原电位降低。水体富营养化程度增加，会导致氨氮和亚硝酸盐超标，对水产动物产生毒害作用。大量养殖废水的排放给周边环境造成了巨大影响，水域环境恶化，赤潮频发，生态平衡和生物多样性也遭到破坏。养殖水域的水质下降也给我国渔业经济到来了巨大损失，随着水产养殖业的迅猛发展，集约式工业化养殖的规模日益扩大。与此同时，未经处理的养殖废水“工业”生活污水的任意排放使天然水域受到污染，养殖生态环境恶化，导致水产动物的病害问题日趋严重。目前主要使用抗生素等化学药物来控制病害的发生，但抗生素的过度使用不仅使病菌的耐药性增强，而且还干扰了有益微生物菌群的正常生长繁殖，引起微生态的失调。抗生素的长期使用所产生的药残严重影响水质和水产品质，也直接威胁人类的健康和安全。

目前，煤渣颗粒吸附以及三价铁氧化等硫化物的物理化学控制水体质量的方法存在费用高、持久性差、二次污染等缺点。相比之下，硫化物的生物控制具有环保、高效、持久等优点，是一种较有前景的硫化物控制技术。微生物固定化技术是利用物理或化学的方法将游离的微生物细胞固定在载体上，使其保持活性并可反复利用的方法，现已成功应用于水体、大气、土壤污染防治领域，取得了较好的效果。如在细胞固定化技术中，包埋法是使细胞分散到多孔性载体内部，或利用高聚物在形成凝胶时将细胞包埋在内部，从而达到固定细胞的目的，是目前应用最广泛的细胞固定化方法，然而利用硫氧化细菌的生物代谢功能对含硫废水进行处理时，常常由于进水硫化物浓度高而使反应器内的功能微生物的代谢活动受到抑制，致使功能微生物需要很长的适应期，而且由于硫氧化细菌的附着性能不强，极易随出水流失，所以要在反应器中保持较高的硫氧化细菌浓度也十分不易。

如CN103951052 A北京工业大学公开的一种基于聚氨酯载体的硫氧化细菌固定化生物活性填料制备及应用，块状的聚氨 酯泡沫通过挤压吸附包埋液吸附固载有硫氧化细菌的包埋液固化后进行切割得到的颗粒状生物活性填料，但所述聚氨酯材料却存在如下问题：（1）密度单一，只存在漂浮和下沉两种状态，在水体变化动态体系中，并不能长时间有效的悬浮于水体中；（2）聚氨酯高聚物表面无位点，也不适合建立位点，因此并不适合硫氧化细菌的选择吸附；（3）聚氨酯的孔径单一，仅仅具有无规则的大孔，虽然大孔有利于吸附，比表面积极小，固定效果较差，稳定性有点提高；（3）聚氨酯作为有机高聚物，会造成严重污染，如所述专利记载作为生物填料形状可为边长3‐5mm的正方体、长宽高分别为3‐5mm的长方体、 直径3‐5mm，高3‐5mm的圆柱体等，类似于颗粒的载体，在净化完湖泊、海洋等大面积水体后，回收存在极大问题，极易造成污染。

此外，CN109382075 A武汉轻工大学一种复合微生物菌吸附剂及其制备方法以及污水处理方法，所述复合微生物菌吸附剂包括复合载体和复合微生物菌，所述复合载体包括海藻酸钠、糖蜜、硅藻土、微米级活性炭以及贝壳粉。本发明以海藻酸钠、糖蜜、硅藻土、微米级活性炭和贝壳粉作为复合载体，然后将复合微生物菌固化负载于所述复合载体上制成复合微生物菌吸附剂，提高了吸附剂中微生物菌的含量、存活率以及有效存活时间，用于处理污水时，可以有效降解污水中的亚硝酸盐、氨氮以及硫化氢等有害物质，达到净化水质的作用。但所述聚氨酯材料却存在如下问题：（1）载体复杂，混合均匀困难，无法做到均质混合，导致整个吸附剂的吸附效果稳定性较差；（2）无有效吸附空位，仅依靠无序大孔吸附菌群，吸附单一。

发明内容

基于上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种无污染、无需回收，原料丰富，吸附量大，使用效果好的净水剂载体，以及在其载体上担载硫氧化细菌的活性生物净化剂的制备方法。

具体包括如下步骤：

（1）制备载体颗粒：所述载体为大孔介孔氧化硅载体，具有相互连通贯穿的孔结构，孔壁上附着1-10μm的相连孔窗，孔壁由介孔形貌结构构成。

（2）对载体进行还原-硫化：将所述的载体置于真空管式炉内的刚玉盅中，通氩气排空，然后切换气体路为1~5vol.%H₂/Ar混合气，升温至550-600^oC，时间为1-1.5h，自然降温至200-300^oC后，氩气排空后，通入CS₂气体，以10-15^oC/min升至700^oC，恒温1-2h，自然冷却至室温，在氧化硅载体表面形成硫氧键，作为培养基硫化细菌吸附位点。

（3）制备硫氧化细菌培养基；所述硫氧化细菌培养基包括有KH₂P0₄，NaHP0₄，MgSO₄,KCl,和去离子水，以及Cu²⁺，Zn²⁺，Ca²⁺，Fe³⁺,Mn²⁺微量元素，在121 ℃下高压灭菌 20 min，在无菌条件下接种硫氧化细菌，30^oC，150r/min下摇床培养得硫氧化细菌菌液。

（4）取上述取培养的菌液, 加入多孔载体,摇床摇动, 20-32℃静置2-3天，去除多余培养液，去离子水洗涤1-2次、常温风干，获得担载有硫氧化细菌的载体。

进一步的，所述硫氧化细菌为需氧和/或兼性厌氧混合物。

进一步的，所述硫氧化细菌包括无色硫细菌中的硫杆菌或丝状硫细菌，或有色硫细菌中的紫硫菌、绿硫菌、沼泽红杆菌。

进一步的，所述载体的参数特征如下：大孔尺寸为20-30μm，介孔的孔尺寸为3.5-3.8nm，比表面积为90-130m²/g，孔容0.17-0.25cm³/g。

进一步的，所述载体表面担载的有效活菌数≥6×10⁸个/g。

进一步的，所述载体的大孔介孔材料通过模板法制备，通过研磨、网筛获得，颗粒状载体，颗粒的尺寸为0.1-2cm。

进一步的，载体形状为球体、圆柱体、正方体、或多边体中的一种或多种。

进一步的，所述水体净化剂播撒或喷洒在水体表面即可。

进一步的，高效水体净化剂的应用，其特征在于可用于化粪池、生活污水、工业废水、池塘、沼泽、河流、大海、湖泊、水族箱等水体的水质净化或除臭领域。

本发明使用的氧化硅载体为具有含有大孔介孔的惰性载体，所述载体对微生物无毒；传质性能良好；固定化后机械强度高；物理、化学性质稳定，不易被微生物分解；固定化操作容易；使用寿命长；价格低廉，详细说来，所述氧化硅载体在水体净化过程中无需回收，不会对自然环境造成任何影响和负担，其所述载体为非酸非碱中性材料，即载体本身不会改变待净化的水体的pH值，即不会对稳定的水体生物体系的pH平衡产生不良影响，即本发明的载体适合于任何pH值环境的水体净化。

关于本发明大孔介孔的制备方法，包括现有技术中存在的溶胶-凝胶法，模板法，微乳液法，水热法，沉淀法，其中优选模板法，常见的如以整体型聚苯乙烯为大孔结构的硬模板，非离子表面活性剂P123为介孔结构的软模板构件的大孔介孔载体，所述载体能够有效的控制大孔和介孔的结构，且调配方便，稳定性较高。所述载体具有相互连通贯穿的孔结构，孔壁上附着1-10μm的相连孔窗，孔壁由介孔形貌结构构成；大孔尺寸为20-30μm，介孔的孔尺寸为3.5-3.8nm，比表面积为90-130m²/g，孔容0.17-0.25cm³/g，其中大孔尺寸优选23-27μm，主要是由于本发明使用的硫氧化细菌主要为宽度尺寸在0.5-10μm的丝状硫化细菌，所述细菌能够选择性的担载于多孔载体的大孔及空窗内，其次，使用的多孔载体颗粒尺寸为0.1-2cm，是因为所述硫化细菌菌类体积相对较小，因此更适合担载于小粒径尺寸的多孔颗粒表面，这种特定细菌配合特定大孔孔径和颗粒粒径的的组合方式，既不会使其他细菌占据本属于丝状硫化细菌的孔道位置，也不会使已经占据孔道位置的丝状硫化细菌轻易的从孔道中流出，此外，在此颗粒尺寸范围内的多孔颗粒的沉降速度较低，更适于向水体深度方向缓慢分散。

关于介孔的孔尺寸为3.5-3.8nm，介孔的存在能够有效的提高载体的比表面积，进而提高对水体的吸附能力，便于污染水体与载体接触，最终提高污染水体与硫氧化细菌的接触概率，此外，高的比表面积有利于菌群的分散，对于需氧型的菌群意义更为重大，且介孔孔道有利于被氧化物的硫化物从载体中排出，加快净化剂对水体的净化速率和净化效果。

其次，对载体进行还原-硫化，具体处理方式为将所述的载体置于真空管式炉内的刚玉盅中，通氩气排空，然后切换气体路为1~5vol.%H₂/Ar混合气，升温至550-600^oC，时间为1-1.5h，自然降温至200-300^oC后，氩气排空后，通入CS₂气体，以10-15^oC/min升至700^oC，恒温1-2h，自然冷却至室温。氧化硅载体的红外结果测试可以得出在3100-3500处有明显的峰值，可归属其表面富含羟基,所述羟基为无法避免的基团，这就赋予了氧化硅载体一定的亲水性，但所述羟基对于水体净化并无实际的有利价值，且并不利于细菌的吸附，因此通过还原和后续的硫化，将其表面的羟基硫化为硫氧键，所述硫氧键可以作为硫氧化细菌营养来源，有利于有利在培养基中的硫氧化细菌向固体载体表面吸附，进一步的提高载体表面担载硫化细菌的浓度，通过还原硫化处理可以有效的将载体表面的担载的有效活菌数提高至≥6×10⁸个/g。

此外，所述还原处理过程在对表面羟基有还原的同时，还能有效的对载体进行杀菌、灭菌，以减少外来细菌占据孔道，对后续的接种产生不良影响。

关于细菌，本发明选用的细菌为硫氧化细菌，硫氧化细菌是指将低价态的还原性硫化物或单质硫完全氧化为硫酸盐(SO₄ ^2–)或部分氧化为更高价态的硫化物的类群，如其氧化硫化氢的过程为：2H₂S+O₂→2H₂O+S₂+能量；S₂+3O₂+2H₂O→+2H₂SO₄+能量。

关于硫氧化细菌在载体表面的吸附时间，如果吸附时间太短，则菌体不能被充分吸附；若吸附时间过长就会延长实验时间，造成没有必要的浪费，且可能造成菌体老化。无论是哪种情况，都将导致实验不能达到最佳效果。因此，确定最佳的吸附时间是很有必要的，本发明确定的吸附时间为静置2-3天。

本发明使用的硫氧化细菌为需氧和/或兼性厌氧混合物，或无色硫细菌中的硫杆菌或丝状硫细菌，或有色硫细菌中的紫硫菌、绿硫菌、沼泽红杆菌。具体而言，

无色硫细菌，如硫杆菌(需氧)是土壤与水中最重要的化能自养硫化细菌，它们能够氧化硫化氢、黄铁矿、元素硫等形成硫酸，从氧化过程中获取能量：2H₂S＋O₂→2H₂O＋2S+能量;2FeS₂＋7O₂＋2H₂O→2FeSO₄＋2H2SO4+能量 2S＋3O₂＋2H₂O→2H₂SO₄+能量，生长最适温度为28-30℃。有的硫杆菌能忍耐很酸的环境，甚至嗜酸，常见的有氧化硫硫杆菌、氧化铁硫杆菌和排硫杆菌。

丝状硫磺细菌：主要有两个属，即贝氏硫菌属和发硫菌属，前者丝状体游离，后者丝状体通常固着于固体基质上。此外，菌体螺旋状的硫螺菌属、球形细胞带有裂片的硫化叶菌属、细胞圆形到卵圆形的卵硫菌属等胞内都含硫粒，也都能代谢硫磺。

绿硫细菌，光能异养型，该类光合细菌主要以简单的脂肪酸、醇等作为碳源或电子供体，也可以硫化物或硫代硫酸盐作为电子供体，在光照厌氧条件下能够厌氧氧化单质硫和H₂S。

紫硫细菌，耐受硫化物的浓度比绿硫细菌更低。但紫硫细菌能够在好氧和微氧条件下进行硫氧化，更适合作为本发明的硫氧化细菌菌群。

沼泽红杆菌，异养厌氧，但能够耐受高浓度的有机废水，且转化能力强，对酚、氰有一定的分解作用。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

（1）本发明载体表面的细菌担载量大，存活率高，菌群优势大，净化效率高。

（2）本发明载体为惰性载体，来源丰富，适用于各种pH水体的净化。

（3）本发明的水体净化剂耐贮存、常温使用、运输方便。

（4）本发明的水体净化剂稳定性和时效性较高。

具体实施方式

为更好的理解本发明，下面通过几个实施例对本发明进一步说明，实施例只用于解释本发明，不会对发明构成任何的限定。

实施例1

一种高效水体净化剂的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）制备载体颗粒：通过模板法制备大孔介孔氧化硅载体，所述载体的具有相互连通贯穿的孔结构，孔壁上附着1-10μm的相连孔窗，孔壁由介孔形貌结构构成；所述大孔尺寸为20-30μm，介孔的孔尺寸为3.5-3.8nm，比表面积为118m²/g，孔容0.2cm³/g。

（2）对载体进行还原-硫化：将所述的载体置于真空管式炉内的刚玉盅中，通氩气排空，然后切换气体路为3vol.%H₂/Ar混合气，升温至570^oC，时间为1.3h，自然降温至250^oC后，氩气排空后，通入CS₂气体，以13^oC/min升至700^oC，恒温1.5h，自然冷却至室温，在氧化硅载体表面形成硫氧键，作为培养基硫化细菌吸附位点。

（3）制备硫氧化细菌培养基；所述硫氧化细菌培养基包括有KH₂P0₄，NaHP0₄，MgSO₄,KCl,和去离子水，以及Cu²⁺，Zn²⁺，Ca²⁺，Fe³⁺,Mn²⁺微量元素，在121 ℃下高压灭菌 20 min，在无菌条件下接种硫氧化细菌，30^oC，150r/min下摇床培养得硫杆细菌菌液。

（4）取上述取培养的菌液, 加入多孔载体,摇床摇动, 27℃静置2.5天，去除多余培养液，去离子水洗涤2次、常温风干，获得担载有硫氧化细菌的载体；

所述细菌选自自氧需氧的的氧化硫硫杆菌和异养兼氧的紫硫细菌。

进一步的载体通过不锈钢网筛研磨获取，颗粒的尺寸≤0.5cm，命名为S-1

使用地点，无锡梅梁湖，使用月份4月，水质差，透视度低于80，伴有臭味。

对比例1

（1）制备载体颗粒：通过模板法制备大孔介孔氧化硅载体，所述载体的具有相互连通贯穿的孔结构，孔壁上附着1-10μm的相连孔窗，孔壁由介孔形貌结构构成；所述大孔尺寸为20-30μm，介孔的孔尺寸为3.5-3.8nm，比表面积为118m²/g，孔容0.2cm³/g。

（2）对载体进行还原-硫化：将所述的载体置于真空管式炉内的刚玉盅中，通氩气排空，然后切换气体路为3vol.%H₂/Ar混合气，升温至570^oC，时间为1.3h，自然降温至250^oC后，氩气排空后,自然冷却至室温。

（3）制备硫氧化细菌培养基；所述硫氧化细菌培养基包括有KH₂P0₄，NaHP0₄，MgSO₄,KCl,和去离子水，以及Cu²⁺，Zn²⁺，Ca²⁺，Fe³⁺,Mn²⁺微量元素，在121 ℃下高压灭菌 20 min，在无菌条件下接种硫氧化细菌，30^oC，150r/min下摇床培养得硫杆细菌菌液。

（4）取上述取培养的菌液, 加入多孔载体,摇床摇动, 27℃静置2.5天，去除多余培养液，去离子水洗涤2次、常温风干，获得担载有硫氧化细菌的载体；

所述细菌选自自氧需氧的的氧化硫硫杆菌和异养兼氧的紫硫细菌。

进一步的载体通过不锈钢网筛研磨获取，颗粒的尺寸≤0.5cm,命名为D-1

使用地点，无锡梅梁湖，使用月份4月，水质差，透视度低于80，伴有臭味。

对比例2-6

使用的载体分别为碳纳米管、高岭土、沸石、蒙脱土和刚玉。

对所述载体进行简单的清洁预处理，作为载体，直接担载硫化细菌，所述细菌选自自氧需氧的的氧化硫硫杆菌和异养兼氧的紫硫细菌。进一步的载体通过不锈钢网筛研磨获取，颗粒的尺寸≤0.5cm,分别命名于命名为D-2至D-6

使用地点，无锡梅梁湖，使用月份4月，水质差，透视度低于80，伴有臭味。

投放位置为梅梁湖沿岸10*5m范围内，所有净化剂的使用量均为均匀播撒，使用量为2Kg。

由上述结果可得出本发明的经过还原-硫化担载有硫氧化细菌的净水剂S-1的效果最好，主要是由于所述净化剂同时含有3.5-3.8nm介孔和20-30μm大孔，且大孔的孔表面具有1-10μm的相连孔窗，这与0.5-10μm的硫化细菌相适应，所述载体内包含有着大量的硫化细菌，≥9*10⁸，由于所述固体载体的保护，为细菌的繁殖提供非常良好的、相对安定的生存环境，如S-1硫化物（mg/L）初始：0.45；15天后：0.32；60天后：0.02，COD（mg/L）初始：79；15天后：54；60天后：3.7，后45天的净化处理速率明显高于前十五天的处理速率，也验证了本发明载体的优异性，此外，所述本发明的净化剂在稳定的实验室条件下，可连续净化水体1-1.5年，稳定性极高。

相比而言，未经过还原活化的净化剂D-1，其净化效率有所降低，主要是由于没有硫氧键的标定，很大一部分硫化细菌不能有效的附着于载体表面，有效担载量为5*10⁶个/g，影响了载体的净化效果，但是细菌在载体表面的繁殖效果较好，如硫化物（mg/L）60天后：0.03，COD（mg/L）60天后：7.8，与S-1效果类似。

此外，D-2中，虽然比表面积大，孔容大，碳纳米管的效果较差，主要是因为碳纳米管的孔径为纳米级，为介孔，并无有效的大孔，高岭石、沸石、蒙脱土的效果类似，但可以发现，在含有大孔的前提条件下，表明孔容大、比表面积大的载体利硫氧化细菌的吸附。

最后，本发明的净水剂可用于化粪池、生活污水、工业废水、池塘、沼泽、河流、大海、湖泊、水族箱等水体的水质净化或除臭领域，这里不再一一赘述。

以上，虽然通过优选的实施例对本发明进行了例示性的说明，但本发明并不局限于这种特定的实施例，可以在记载于本发明的保护范围的范畴内实施适当的变更。

Claims (6)

1.一种高效水体净化剂的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）制备载体颗粒：所述载体为大孔介孔氧化硅载体，具有相互连通贯穿的孔结构，孔壁上附着1-10μm的相连孔窗，孔壁由介孔形貌结构构成，所述载体的参数特征如下：大孔尺寸为20-30μm，介孔的孔尺寸为3.5-3.8nm，载体比表面积为90-130m²/g，孔容0.17-0.25cm³/g；

（2）对载体进行还原-硫化：将所述载体置于真空管式炉内的刚玉盅中，通氩气排空，然后切换气体路为1~5vol.%H₂/Ar混合气，升温至550-600℃，时间为1-1.5h，自然降温至200-300℃后，氩气排空后，通入CS₂气体，以10-15℃/min升至700℃，恒温1-2h，自然冷却至室温，在氧化硅载体表面形成硫氧键，作为培养基硫氧化细菌吸附位点；

（3）制备硫氧化细菌培养基；所述硫氧化细菌培养基包括有KH₂PO₄，NaHPO₄，MgSO₄，KCl和去离子水，以及Cu²⁺，Zn²⁺，Ca²⁺，Fe³⁺，Mn²⁺微量元素，在121℃下高压灭菌 20 min，在无菌条件下接种硫氧化细菌，30℃，150r/min下摇床培养得硫氧化细菌菌液；

（4）取上述菌液，加入步骤（2）中还原-硫化后的多孔载体，摇床摇动，20-32℃静置2-3天，去除多余培养液，去离子水洗涤1-2次，常温风干，获得高效水体净化剂。

2.如权利要求1所述的高效水体净化剂的制备方法，其特征在于所述硫氧化细菌为需氧和兼性厌氧混合物。

3.如权利要求1所述的高效水体净化剂的制备方法，其特征在于所述硫氧化细菌包括无色硫细菌中的硫杆菌或丝状硫细菌，或有色硫细菌中的紫硫菌、绿硫菌、沼泽红杆菌。

4.如权利要求1所述的高效水体净化剂的制备方法，其特征在于通过还原-硫化处理可将载体表面担载的有效活菌数提高至≥6×10⁸个/g。

5.如权利要求1所述的高效水体净化剂的制备方法，其特征在于所述载体的大孔介孔材料通过模板法制备，通过研磨、网筛获得，所述载体为颗粒状，颗粒的尺寸为0.1-2cm。

6.如权利要求1所述的高效水体净化剂的制备方法，其特征在于所述载体形状为球体、圆柱体或正方体中的一种或多种。