CN110510760B

CN110510760B - 一种双层碳源微球及其制备和应用

Info

Publication number: CN110510760B
Application number: CN201910947680.0A
Authority: CN
Inventors: 谢翼飞; 邢云霄; 兰书焕; 李旭东; 刘咏; 蔡莉
Original assignee: Chengdu Institute of Biology of CAS
Current assignee: Chengdu Institute of Biology of CAS
Priority date: 2019-04-29
Filing date: 2019-10-08
Publication date: 2021-11-19
Anticipated expiration: 2039-10-08
Also published as: CN110510760A

Abstract

本发明属于污水处理领域，具体涉及一种具有深度处理低C/N比生活污水作用的双层碳源微球及其制备方法和应用。具体涉及一种用明胶和海藻酸钠搭建的双层微球，所述微球内层包埋大分子碳源，所述微球外层包埋小分子碳源。在对低C/N生活污水进行深度处理时，直接将一定量的微球投入生活污水中即可。本发明提供的微球制备方法简单，反应条件温和，所用载体材料为可降解材料。微球投入生活污水中，碳源释放，能提供适量碳源满足生物脱氮正常进行，且不会引入污染物，处理完成后载体材料能自然降解，不会对环境造成二次污染。

Description

一种双层碳源微球及其制备和应用

技术领域

本发明属于污水处理领域，具体涉及一种具有深度处理低C/N比生活污水作用的双层碳源微球及其制备方法和应用。

背景技术

近年来，低C/N污水，即氮浓度较高、有机物浓度相对不高的污水的排放越来越受到人们的高度重视。如果此类污水未经适当处理便直接排入水体，将导致水体富营养化程度越来越严重，生态系统退化，生态服务功能下降。

目前，利用生物反硝化脱氮实现的净水技术是处理低C/N污水脱氮的常用方式。传统脱氮理论认为，要实现完全反硝化作用，系统的C/N比值为2.86以上，考虑到微生物的同化作用，实际所需的C/N比值应在4.2以上，才可给反硝化细菌提供适量的碳源，使得生物脱氮正常进行。但我国的污水水质特点为低C/N，COD/TN(C/N浓度比)通常在1.42～3.03。生活污水经过前端处理后，氨氮浓度和总磷浓度能有效降低，但由于污水低C/N比的特点，需要对处理后的生活污水进行深度处理，以去除氮类污染物质，为了促进反硝化作用的正向进行，往往需要向水体中投入一定量的碳源。

在微生物的反硝化过程中，碳源作为氮转化过程中的重要电子供体，对于氮的去除起着至关重要的作用。低C/N比污水中有机物缺乏，微生物之间产生资源竞争，导致了硝化与反硝化反应平衡被打破，抑制了生物脱氮过程的进行，氮类污染物质的去除效果不佳，出水水质难以达标。传统碳源投加方式主要为：直接向水体中投放低分子有机物和糖类物质液体碳源，如甲醇、乙酸、葡萄糖等，其缺点是用量不易控制、出水水质不稳定、易产生二次污染，具有一定的毒性，而且作用时间短，不具有缓释性。因此，溶出性更为稳定，脱氮效果更加优越的固相碳源被广泛认可并应用于污水强化脱氮技术中。固体碳源投加一次即可长期使用，操作运行简单。

但现有的固相碳源一般为在碳源表面包覆一层缓释剂，多数缓释剂为了达到避免被水体溶解、发挥缓释作用，往往难以降解，容易向水体中引入新的污染物，而且这类固相碳源向水体中投入的碳源种类单一，各碳源间无法起到联合作用。

微球(microsphere)是指药物分散或被吸附在高分子、聚合物基质中而形成的微粒分散体系，具有控制内容物释放、提高内容物稳定性、使内容物浓集等特点，现在多用于医药领域。制备微球的载体材料很多,主要分为天然高分子微球(如淀粉微球，白蛋白微球，明胶微球，壳聚糖等)和合成聚合物微球(如聚乳酸微球)。应用可生物降解的材料作为固定化碳源的载体，载体材料能在应用环境中自然降解，不会对环境造成二次污染。

海藻酸钠(Sodium Alginate，SA)又称褐藻酸钠，是一种天然的聚阴离子多糖，由β-D-甘露糖醛酸(M)单元和α-L-古罗糖醛酸(G)单元通过(1，4)糖苷键链接而成的一种无规线型嵌段共聚物，具有良好的可降解性、生物相容性、无毒性、来源广等特点，被广泛应用于缓释剂型的开发中。海藻酸钠可以与二价阳离子Ca²⁺发生螯合作用，形成不溶于水的海藻酸钙凝胶，作为释放或包埋药物、蛋白与细胞的囊壁材料。但其易腐蚀，机械强度低且具有较强的亲水性，所形成的凝胶孔径大，因而对内容物的释放速度较快且易发生突释。所以，需要将SA与很多其他材料进行复合改性。

发明内容

本发明的目的是提供一种双层碳源微球及其制备方法，可向水体中缓释碳源，满足生物脱氮的正常进行，从而对低C/N比生活污水进行深度处理。

为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案是：一种微球，所述微球为用明胶和海藻酸钠搭建的双层微球，所述微球内层包埋大分子碳源，所述微球外层包埋小分子碳源；所述大分子碳源的分子量在5000以上；所述小分子碳源的分子量在500以下。

优选的，所述大分子碳源为淀粉或玉米芯。

优选的，所述小分子碳源为蛋白胨。

相应的，所述微球的制备方法，包括如下步骤：

(1)将明胶加入纯水中，30～50℃水浴加热至溶解，升温至70～90℃，加入海藻酸钠，溶解后，加入内层所需的大分子碳源，充分混匀，获得内层微球的水凝胶；其中，所述水凝胶中，海藻酸钠的质量百分比浓度为2～2.5％，明胶的质量百分比浓度为0.3～0.5％，且按质量比，海藻酸钠：明胶＝4:1～8.3:1；

(2)将氯化钙加入纯水中至质量百分比浓度为2％，本步所用纯水体积与步骤(1)所用纯水体积相同；待氯化钙溶解后再加入浓度为25％戊二醛溶液，所述戊二醛溶液体积为本步中纯水体积的1～2％，混匀后，将所述水凝胶全部滴加至本步获得的溶液中，静置待反应完全后，取出生成的微球，干燥即得内层微球；

(3)将大分子碳源更换为小分子碳源，重复步骤(1)，获得外层微球的水凝胶，将外层微球的水凝胶包覆在内层微球表面，随后重复步骤(2)，即得所需微球。

优选的，步骤(1)中，加入碳源后，再加入质量百分比浓度为0.5％的活性炭，随后将水浴温度调至30～50℃，充分混匀后再进行后续操作。

优选的，步骤(2)、(3)制备的微球先经纯水清洗后再进行干燥，所述干燥的温度为30℃。

相应的，所述微球在净化低C/N比污水上的应用。

优选的，所述1L待处理污水中的微球用量为1g/L～3g/L。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供了一种全新的双层微球，每层微球中包覆的碳源种类不同，从而实现不同碳源的不同释放周期。位于外层的小分子碳源快速释放到水中，实现投入微球后立即生效的功能。位于内层的大分子碳源前期释放缓慢或几乎不会释放，待水体净化进入中期、外层小分子碳源逐渐趋于失效后，再发挥作用。从而实现整个水体净化过程中，持续存在碳源释放，维持微生物脱氮作用正常进行，有效延长了微球的作用时间。

本发明将海藻酸钠和明胶进行共混改性，以氯化钙和戊二醛为交联剂制备微球，增强了海藻酸钙微球的机械强度，使海藻酸钙微球在应用污水中耐腐蚀，不易破碎，延长使用寿命。

2、通过添加碳源，实现对脱氮微生物的富集作用。发明人经过长期筛选，选择淀粉、玉米芯作为内层大分子碳源，选择蛋白胨作为外层小分子碳源。其中，小分子碳源是指分子量小于500的含碳类化合物，一般为简单的单体物质，例如单糖、甲醇、乙酸钠、柠檬酸钠、蛋白胨等；大分子碳源是指分子质量在5000以上，甚至超过百万的含碳物质，包括多糖，聚合物等。

由于大分子碳源的释放速度比小分子碳源更加缓慢，且有些微生物不能直接利用大分子碳源，需要其他微生物将碳源进一步分解为小分子，才可以利用。如果只设置单一的大分子碳源，虽然缓释性能良好，但在投放微球初期，水体中微生物数量较少，而大分子碳源的缓释性及不易被利用的性能，反而会影响微球对反硝化菌的富集速度，进而影响水体前期的净化能力。如果设置双层碳源，则微球外层的小分子碳源可以快速促进能利用该类碳源的微生物生长；当小分子碳源被微球表面微生物利用完后，内层大分子碳源开始释放和分解，此时微球表面微生物已经达到一定浓度，且微生物的种类增加，可以开始联合利用大分子碳源。

3、本发明提供的微球中还增加了活性炭。由于微球形成时，其孔径大于小分子碳源的粒径，导致部分小分子碳源直接从微球中突释。加入活性炭后，可以吸附小分子碳源，使小分子碳源也具有一定的缓释能力。另外，活性炭还可以为微生物在微球表面富集时提供附着点，进一步提高微球对微生物的富集能力。

4、另外，考虑到微球不仅可运用于生活污水深度处理中，还能运用于一些低C/N河道水体处理中。由于河道水体中微球投加后不易回收，若使用不易降解的物质作为微球壳体(碳源载体)，则很可能引起水体的二次污染。故本申请的微球选择可以被微生物自然降解的海藻酸钠作为碳源载体材料，在完成对碳源缓释的作用后，最终也能被自然水体中的微生物逐渐降解，不引起二次污染；同时，在微生物对载体材料的降解过程中，载体材料本身也能作为碳源物质，起到一定的净水作用。

5、本发明提供的微球制备方法简单，反应条件温和，所用载体材料及包埋材料均为可降解材料，投入水体使用后能自然降解，不会对环境造成二次污染；内部包埋的碳源持续释放，还可达到处理氮类污染物的目的；还可以通过调整包埋碳源的种类，处理不同种类的污染水体。

附图说明

图1为本发明制备的各微球在纯水中的TN释放曲线示意图；

图2为本发明制备的各微球在纯水中的COD释放曲线示意图；

图3为本发明制备的各微球深度处理生活污水时的TN曲线变化示意图；

图4为本发明制备的各微球深度处理生活污水时的COD曲线变化示意图；

图5为本发明制备的各微球深度处理生活污水时的DO曲线变化示意图。

具体实施方式

明胶-海藻酸钠微球的制备方法为：将特定比例的海藻酸钠、明胶、活性炭、碳源共混溶解，获得水凝胶，随后用注射器将水凝胶滴入交联剂氯化钙和戊二醛中，形成微球，待微球球形稳定后，用纯水反复冲洗三次，放至4℃冰箱熟化过夜，即可。下面对微球的具体制备方法进行详述：

1、单层空白微球的制备方法：

(1)将0.3～0.5g明胶加入100ml纯水中，在40℃水浴锅中用玻璃棒均匀搅拌充分溶解后，水浴锅升温至80℃，再加入2～2.5g海藻酸钠，继续均匀搅拌至海藻酸钠充分溶解，溶液呈胶状，再加入0.5g 200目活性炭，将水浴锅温度调低至40℃，继续搅拌30min以上，充分均匀，获得水凝胶。

其中，海藻酸钠的质量百分比浓度为2～2.5％、明胶的质量百分比浓度为0.3～0.5％，海藻酸钠与明胶用量质量比为4～8.3:1，活性炭的质量百分比浓度为0.5％。

(2)将2g氯化钙加入100ml纯水中(氯化钙质量百分比浓度为2％)，用玻璃杯搅拌至完全溶解后，滴加1～2mL 25％体积分数的戊二醛溶液，将上述水凝胶用注射器全部滴加入此溶液中，室温静置反应2～3h，获得明胶-海藻酸钠微球。将微球用纯水反复冲洗三次，放入在30℃烘箱中3～5min，至表面水分干燥完全，即可。

2、双层空白微球的制备方法：

按方法1获得单层空白微球后，再按方法1的步骤(1)制备一份水凝胶，将水凝胶裹附在单层空白微球表面。裹附水凝胶的具体方法为：将微球投入到水凝胶中，静置10～15s，取出微球，即可。随后重复方法1的步骤(2)，即得双层空白微球。

3、包埋碳源的单层微球的制备方法：

在方法1的步骤(1)中，海藻酸钠充分溶解后、加入活性炭前，加入1～1.5g碳源，按水凝胶的总量为基准，碳源投加量为10～15g/L。加入碳源并搅拌至分散均匀后，再加入活性炭。其余方法与方法1相同。

4、包埋双层碳源的双层微球的制备方法：

按方法3获得包埋所需碳源的内层微球，随后再按方法3制备一份包含所需碳源的外层微球的水凝胶，将水凝胶附在内层微球表面，随后重复方法1的步骤(2)，即得包埋双层碳源的双层微球。

当然，还可以根据上述方法，获得只包埋内层碳源或只包埋外层碳源的双层微球，在此不再赘述。

下面结合具体的实施例，进一步展示本发明制备微球对低C/N生活污水深度处理能力。

实施例一：各类微球的碳源缓释能力效果展示

在污水达标排放出水中，本试验较为注重四个指标的变化情况，即：TN(总氮浓度)、TP(总磷浓度)、COD(化学需氧量)和NH₃-N(氨氮浓度)；对各类微球的缓释试验一是为了验证微球投加到水体后，不会引起这四项指标的升高，即不引入污染物，或引入的污染物浓度在微球处理范围内，在最终排放时微球能处理掉自身引入的污染物；二是微球作为缓释碳源的载体物质，需测定微球的COD在水中随时间变化的浓度，来证明微球加入水体后能持续释放碳源物质满足微生物生长，测定TN是由于微球中包埋有蛋白胨，加入水体后，蛋白胨的释放会引起水体TN的上升，若TN释放量高于水体本身TN浓度，则微球的加入对水处理无意义。

1、按上述方法，制备5组微球，分别为：未包埋碳源微球(对应图1、2中的空白微球)、包埋玉米芯的单层微球(对应图1、2中的玉米芯(单层))、包埋淀粉的单层微球(对应图1、2中的淀粉(单层))、内层包埋淀粉外层包埋蛋白胨的双层微球(对应图1、2中的淀粉(双层))、内层包埋玉米芯外层包埋蛋白胨的双层微球(对应图1、2中的玉米芯(双层))。其中，所述玉米芯均预先进行粉碎处理至微米级。

2、将所述各组微球加入到纯水中，按质量比，微球：纯水＝1:100。随后每隔12h，对各组纯水进行取样，分别测定COD、TN、TP和NH₃-N。其中，COD用重铬酸钾法测定(GB11914-89)，TN用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定(HJ 636-2012)，NH₃-N用纳氏试剂法测定(HJ 535-2009)，TP用钼酸铵分光光度法测定(GB11893-89)，连续测定48h，得到各组微球在水中的COD、TN、TP和NH₃-N的释放曲线。

3、TN释放曲线结果如图1所示，48h时间内，双层微球对应的TN均有明显的上升，双层玉米芯微球呈持续上升趋势，平均每小时上升0.092mg/L，在微球的实际污水处理试验中，释放的TN能有效去除，不会引起试验污水TN的增加；单层微球无明显上升，与空白微球变化趋势一致。

COD缓释曲线如图2所示，空白组微球基本无COD释放，COD变化曲线呈下降趋势，COD浓度由最初的9.23mg/L下降至最终的2.56mg/L，在48h内下降了6.67mg/L；两组双层微球对应的COD呈上升趋势，双层淀粉微球对应的COD上升最显著，平均每小时上升0.89mg/L；其次是双层玉米芯微球，平均每小时上升0.59mg/L。单层微球对应的虽有增加，但增加量较双层微球小。

另外，氨氮和TP在测定过程中无检出，证明微球结构不会释放氨氮和磷。

实施例二：各类微球处理生活污水的效果展示

1、制备与实施例一相同的各组微球(且下文图中微球简称也与实施例一相同)。取一体化生活污水处理装置中的二沉池出水，出水经过前端处理后，C/N偏低，影响生物脱氮正常进行，需进行深度处理。对出水进行测定，测定得TN初始浓度为42.95mg/L，出水初始COD为31.33mg/L、TP浓度为0.9mg/L、氨氮浓度为14.46mg/L，作为试验污水。称取各组微球6g，投加至3L生活污水中，所有试验组均厌氧培养，同时设置未投入微球的试验污水为对照组。对各组每隔12h测定水质COD、TN、TP、溶解氧(DO)、和NH₃-N，连续测定48h。

2、不同试验条件下，TN变化如图3所示。在48h内，投加双层微球组的TN变化曲线下降趋势最为显著，双层淀粉微球试验组TN浓度在48h下降至14.5mg/L，TN去除率为58.53％，；双层玉米芯微球试验组TN浓度在48h下降至13.92mg/L，TN去除率为65.73％；双层微球组TN处理效果优于《国家城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)的一级排放标准A标(TN浓度小于15mg/L)，试验效果优于单层微球组。

不同试验条件下，COD变化如图4所示，COD总体变化不大，五组试验的COD基本在31.33mg/L左右波动。

不同试验条件下，DO变化如图5所示，当DO浓度低于0.5mg/L时，水体达到厌氧环境，此时更利于对NO₂-N的处理；在24h时，各组的溶氧趋近于0.5mg/L，在48h时间内，双层微球组溶氧降低速度比单层微球组快。不同试验条件下,TP和NH₃-N变化不显著。微球的投入不会引起TP和NH₃-N的增加。

Claims

1.一种微球，其特征在于：所述微球为用明胶和海藻酸钠搭建的双层微球，所述微球内层包埋大分子碳源，所述微球外层包埋小分子碳源；所述大分子碳源的分子量在5000以上；所述小分子碳源为分子量在500以下的蛋白胨；

所述微球的制备方法，包括如下步骤：

（1）将特定比例的海藻酸钠、明胶、活性炭、大分子碳源共混溶解，获得内层微球的水凝胶；

（2）随后用注射器将内层微球的水凝胶滴入交联剂氯化钙和戊二醛中，形成内层微球，待内层微球球形稳定后，用纯水反复冲洗三次，放至4℃冰箱熟化过夜；

（3）将大分子碳源更换为小分子碳源，重复步骤（1），获得外层微球的水凝胶，将外层微球的水凝胶包覆在内层微球表面，随后重复步骤（2），即得所需微球。

2.根据权利要求1所述的微球，其特征在于：所述大分子碳源为淀粉或玉米芯。

3.权利要求1或2所述微球的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：1）将明胶加入纯水中，30～50℃水浴加热至溶解，升温至70～90℃，加入海藻酸钠，溶解后，加入内层所需的大分子碳源，充分混匀，获得内层微球的水凝胶；其中，所述水凝胶中，海藻酸钠的质量百分比浓度为2～2.5％，明胶的质量百分比浓度为0.3～0.5％，且按质量比，海藻酸钠：明胶＝4:1～8.3:1；步骤1）中，加入碳源后，再加入质量百分比浓度为0.5％的活性炭，随后将水浴温度调至30～50℃，充分混匀后再进行后续操作；2）将氯化钙加入纯水中至质量百分比浓度为2％，本步所用纯水体积与步骤1）所用纯水体积相同；待氯化钙溶解后再加入体积分数为25％戊二醛溶液，所述戊二醛溶液体积为本步中纯水体积的1～2％，混匀后，将步骤1）所述水凝胶全部滴加至本步获得的溶液中，静置待反应完全后，取出生成的微球，干燥后，即得内层微球；3）将大分子碳源更换为小分子碳源，重复步骤1），获得外层微球的水凝胶，将外层微球的水凝胶包覆在内层微球表面，随后重复步骤2），即得所需微球。

4.权利要求1或2所述微球在低C/N比污水上的应用。

5.根据权利要求4所述的微球在低C/N比污水上的应用，其特征在于：1L待处理污水中的微球用量为1g/L～3g/L。