CN110697907A - 一种固定化复合菌群材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于水环境修复技术领域，公开了一种固定化复合菌群材料及其制备方法，将经保活干燥和过筛处理后的厌氧氨氧化颗粒污泥作为所述固定化复合菌群材料的内核，以聚乙烯醇、海藻酸钠作为外层包埋剂，外层添加玉米秸秆为反硝化菌提供碳源，将反硝化颗粒污泥和好氧硝化颗粒污泥包埋于外层，制得固定化复合菌群材料。本发明利用固定化微生物技术将厌氧氨氧化颗粒污泥、反硝化颗粒污泥和好氧硝化颗粒污泥在同一载体中固定化培养，富集高活性厌氧氨氧化菌、反硝化细菌和好氧硝化细菌，具备同步去除水环境中有机物、营养盐等的效果，具有低成本、节能、环保等优点。

Description

一种固定化复合菌群材料及其制备方法

技术领域

本发明属于水环境修复领域，具体涉及一种固定化复合菌群材料及其制备方法。

背景技术

随着二十一世纪我国经济发展不断加快，由于产业结构不合理和粗放式的发展模式，我国每天的生活污水与工业废水排放总量约为1.64亿立方米，其中约80％的污水未经任何处理就排出，使得水环境问题日益严重，目前水污染问题已经成为了影响我国增强综合国力的主要因素。受人类生产、生活的影响，氮、磷等营养物质大量进入湖泊、河流等缓流水体中，导致水体出现了不同程度的富营养化问题，造成水生植物和浮游植物过量生长，鱼类大量死亡，甚至危及人体的生命健康，同时蓄积多年的河流、湖泊污染沉积物成为水体富营养化和赤潮形成的重要因素之一，因此对水环境中河流、湖泊的富营养化问题的治理刻不容缓。

现有的富营养化治理方法主要是利用工程措施如挖掘、曝气、稀释等传统方法，或是利用物理、化学方法以及生物修复技术。其中生物修复技术因造价低、能耗低、发展潜力大等优点成为许多河流、湖泊的重要修复措施。生物修复技术主要是以生态修复技术为基础，利用动植物或微生物来对河道中的污染物进行吸收与转化，从而达到净化水体、恢复生态的目的。现有生物修复方法包括人工湿地技术、土地处理技术、微生物固定化技术、水生植物处理等。其中微生物固定化技术作为一种新兴技术，开始逐渐为人所知，并具有巨大的发展潜力。该技术将特殊培育的微生物或者酶布置在水体处理的关键位置，使得这种特殊的微生物或者酶在某一区域内达到很高的浓度，以此来提高治理效率。其优点主要包括：能针对性的对有效菌群进行固定；能够可选择性地提高泥龄；保持有效菌种的活性；降低处理费用等。

本发明针对以上问题发明的包埋固定化技术，利用固定化微生物技术将厌氧氨氧化颗粒污泥、反硝化颗粒污泥和好氧硝化颗粒污泥包裹于固定化复合菌群材料中。将保活干燥和过筛处理后的厌氧氨氧化颗粒污泥作为内核，选取聚乙烯醇、海藻酸钠作为外层的包埋剂，将反硝化颗粒污泥和好氧硝化颗粒污泥包裹于外层，利用玉米秸秆为外层反硝化颗粒污泥提供碳源。制得的固定化复合菌群材料机械强度高、粒径均匀、沉淀性能好、传质性能好，适于抵抗水环境中的不良环境。另外厌氧氨氧化菌、反硝化细菌和好氧硝化细菌在材料中保持较高的细胞浓度，同时材料外层的好氧硝化细菌消耗水中溶解氧为厌氧氨氧化菌和反硝化解除了溶解氧的限制并提供反应基质，具备同步去除水环境中有机物、营养盐等的效果，具有降低经济成本、节能、环保等优点，从而便于固定化微生物技术在水环境中的应用。

发明内容

本发明的目的在于针对现有水环境中存在的问题，提出了一种经济、高效、稳定的解决方法。即利用包埋固定化技术制备含厌氧氨氧化颗粒污泥、反硝化颗粒污泥和好氧硝化颗粒污泥的固定化复合菌群材料，使厌氧氨氧化菌、反硝化细菌和好氧硝化细菌在固定化复合菌群材料中可以保持较高的细胞密度，减轻或消除厌氧氨氧化菌、反硝化细菌和好氧硝化细菌的流失，提高微生物对不良环境因素的抵抗能力，使各菌群生物效能的协调发挥，从而实现强化去除水环境中有机物、营养盐等的目的，为利用固定化微生物在水环境修复的应用提供新的思路。

为达到上述目的，本发明采用以下方案来实现。

其特征在于，一种固定化复合菌群材料主要由厌氧氨氧化颗粒污泥、反硝化颗粒污泥、好氧硝化颗粒污泥和固体碳源组成，所述固定化复合菌群材料由内核和外层包埋物构成，其中内核由厌氧氨氧化颗粒污泥制得、外层包埋物由反硝化颗粒污泥、好氧硝化颗粒污泥和固体碳源制得；所述固定化复合菌群材料的制备方法主要包括以下步骤：

1)将所述厌氧氨氧化颗粒污泥经保活干燥、过筛处理后，制得所述内核，内核外径为3～10毫米；

2)将所述反硝化颗粒污泥和好氧硝化颗粒污泥分别同时经离心和冲洗处理后，加入固体碳源混合，再加入包埋剂搅拌均匀，制得外层包埋液；

3)将所述内核置于球体成型模具中，注入外层包埋液，同时注入交联剂并滚转所述球体成型模具，放置1～2小时后再注入交联剂并滚转所述球体成型模具，然后放置6～12小时取出并经搅拌、筛选和活化步骤即得所述固定化复合菌群材料。

其特征在于，所述厌氧氨氧化颗粒污泥为取自采用厌氧氨氧化絮状污泥接种到升流式厌氧污泥床反应器后，经厌氧条件连续运行培养8～12个月而成；所述反硝化颗粒污泥为取自采用厌氧-缺氧-好氧工艺的市政污水处理厂厌氧池的絮状活性污泥接种到序批式活性污泥反应器后，经厌氧条件培养1～5个月而成；所述好氧硝化颗粒污泥为取自采用厌氧-缺氧-好氧工艺的市政污水处理厂好氧池的絮状活性污泥接种到序批式活性污泥反应器后，经好氧条件培养1～5个月而成。

其特征在于，所述厌氧氨氧化颗粒污泥粒径为3～10毫米，呈鲜红或棕红色，形状为球形，主要由Candidatus Brocacha、Candidatus Jettenia和CandidatusAnammoxoglobus种属组成；所述反硝化颗粒污泥粒径为1～5毫米，污泥容积指数为50～200ml/g；所述好氧硝化颗粒污泥粒径为0.3～0.6毫米，污泥容积指数为20～100ml/g。

其特征在于，所述固体碳源取自农作物废弃物玉米秸秆，经碱浸泡、水洗、烘干、研磨、过筛步骤制得；所述固体碳源外径为过100～300目的标准筛的筛下物。

其特征在于，所述固定化复合菌群材料的外层包埋液中反硝化颗粒污泥：好氧硝化颗粒污泥质量比为1：1；所述固体碳源在固定化复合菌群材料中占比为10～50g/kg；所述包埋剂由聚乙烯醇、海藻酸钠和水按照8～12∶0.25～2∶100的质量比调制而成；所述交联剂为2～6％氯化钙溶液和饱和硼酸溶液的混合液。

其特征在于，所述固定化复合菌群材料直径为8～15毫米，孔隙率为40％～80％，比表面积大于20m²/g。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明以聚乙烯醇和海藻酸钠交联聚合产物为载体，将厌氧氨氧化颗粒污泥作为内核，反硝化颗粒污泥和好氧硝化颗粒污泥包裹于外层，包埋固定化微生物具有细胞浓度高、抗环境毒性强、可反复利用等优点，可以使厌氧氨氧化菌、反硝化细菌和好氧硝化细菌在系统内维持较高的细菌浓度和生物活性，从而提高系统的有机物、营养盐等的去除率。外层包埋液中添加玉米秸秆作为固体碳源，为反硝化细菌提供碳源，同时好氧硝化细菌消耗水中溶解氧，为厌氧氨氧化菌和反硝化细菌解除溶解氧限制和提供反应基质，可同步去除水环境中有机物、营养盐，具有降低经济成本、节能、环保等优点，同时包埋剂集合了聚乙烯醇机械性能强和海藻酸钠传质性能好的优点，使得材料的机械性能与传质性能得到保障；

(2)本发明的固定化复合菌群材料中的固体碳源为玉米秸秆，实现了农作物废弃物的资源化利用；

(3)本发明的固定化复合菌群材料制作过程简单易行，易于控制，得到的固定化复合菌群材料独立分散，不易粘结在一起，机械性能强，生产周期短，使用寿命长。

附图说明

图1是固定化复合菌群材料的结构示意图。

图2是固定化复合菌群材料的制作流程图。

图例说明

(1)、厌氧氨氧化颗粒污泥 (1-1)、保活干燥、过筛

(1-2)、内核 (2)、反硝化颗粒污泥

(2-1)、离心、冲洗 (3)、好氧硝化颗粒污泥

(3-1)、离心、冲洗 (4)、固体碳源

(4-1)、玉米秸秆 (4-2)、碱浸泡、水洗、烘干、研磨、过筛

(5)、包埋剂 (5-1)、聚乙烯醇

(5-2)、海藻酸钠 (5-3)、加热溶解

(6)、外层包埋液 (7)、交联剂

(8)、固定化复合菌群材料 (8-1)、搅拌、筛选、活化

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明做进一步具体的描述，但本发明的实施方式不限于此。

一种固定化复合菌群材料及其制备方法，包括以下步骤。

(1)颗粒污泥的驯化培养及固体碳源的选择

将厌氧氨氧化絮状污泥接种到升流式厌氧污泥床反应器UASB中，在厌氧条件下，控制UASB反应器内温度我32～36℃，调节pH值在7.5～8.5，进水总氮含量为200mg/L连续运行培养12个月，得到的厌氧氨氧化颗粒污泥的粒径为3～10毫米，呈鲜红或棕红色，形状为球形，总氮去除率达85～90％，主要由Candidatus Brocacha、Candidatus Jettenia和Candidatus Anammoxoglobus种属组成；取市政污水处理厂厌氧-缺氧-好氧工艺中厌氧池的絮状活性污泥，接种到序批式活性污泥反应器中，在厌氧条件下，控制进水COD含量为500mg/L培养2个月，得到的反硝化颗粒污泥的粒径为1～5毫米，污泥容积指数为60ml/g，COD去除率为82～86％，主要由Pseudomonas、Rhodobacter和Alcaligenes种属组成；取市政污水处理厂厌氧-缺氧-好氧工艺中好氧池的絮状活性污泥接种到序批式活性污泥反应器中，控制溶解氧为2mg/L，控制进水氨氮含量为100mg/L培养2个月，得到的好氧硝化颗粒污泥的粒径为0.3～0.6毫米，污泥容积指数为35ml/g，硝化效率达85～90％，主要由Nitrosomonas、Nitrosolobus和Nitrosospira种属组成。

固体碳源取自农作物废弃物玉米秸秆，将玉米秸秆进行如下预处理：将新鲜玉米秸秆去除表皮，切成1cm左右后水洗，在105℃的烘箱中烘干备用；将上述烘干秸秆加入碱液中浸泡1h，处理后水洗至pH为7.3～7.8，取出放入烘箱中105℃烘干后研磨，过200目标准筛，取筛下的玉米秸秆粉末以备用。

(2)内核的制备

取上述厌氧氨氧化颗粒污泥用二氧化碳脱氧清洗两次，然后在55℃的条件下培养24h，冷却至室温后用滤纸过滤，在滤饼中加入15％中性烘干灭菌的轻质碳酸钙，搅拌均匀，置于55～58℃鼓风干燥箱中脱水至6％，将脱水后的厌氧氨氧化颗粒污泥过100目筛，在4℃密封保存，得到内核备用。

(3)外层包埋液及交联剂的制备

将上述反硝化颗粒污泥和好氧硝化颗粒污泥分别在5000r/min下离心10min，去除上清液，用去离子水冲洗3遍备用；称取8g聚乙烯醇和1g海藻酸钠置于烧杯，加入100ml蒸馏水，于90℃水浴下完全溶解，自然冷却至室温备；取经离心、冲洗后的反硝化颗粒污泥和好氧硝化颗粒污泥各取1g和1g固体碳源混合后加入包埋剂中搅拌均匀，制得外层包埋液备用；

取4g氯化钙置于烧杯中加入100ml蒸馏水搅拌溶解制得4％氯化钙溶液，在400ml烧杯中加入200ml蒸馏水，加热搅拌溶解硼酸，冷却至室温后有晶体析出，制得硼酸饱和溶液，取100ml 4％氯化钙溶液和100ml饱和硼酸溶液混合制得200ml交联剂备用。

(4)复合菌群的固定化及活化

将内核放入球形成型模具中，并用注射器注入外层包埋液，同时注入交联剂并滚转球体成型模具，交联1小时后再注入交联剂并滚转所述球体成型模具，然后放置于2～8℃冰箱中继续交联6小时取出，并在转速为100rpm的磁力搅拌器上搅拌10分钟后，筛选外观完整的小球进行活化，在场强0.3w/cm²下超声处理5分钟后投入人工模拟废水中培养12天，制得固定化复合菌群材料。

上述人工模拟废水的基质主要为碳酸氢铵、磷酸二氢钾、氯化钙、七水硫酸钠、硝酸钠、七水硫酸镁、乙酸钠。

本实施例制得的固定化复合菌群材料的结构示意图如图1所示，固定化复合菌群材料的制作流程图如图2所示。

Claims (6)

1.一种固定化复合菌群材料及其制备方法，其特征在于，所述固定化复合菌群材料主要由厌氧氨氧化颗粒污泥、反硝化颗粒污泥、好氧硝化颗粒污泥和固体碳源组成；所述固定化复合菌群材料由内核和外层包埋物构成，其中内核由厌氧氨氧化颗粒污泥制得，外层包埋物由反硝化颗粒污泥、好氧硝化颗粒污泥和固体碳源制得；所述固定化复合菌群材料的制备方法主要包括以下步骤：

1)将所述厌氧氨氧化颗粒污泥经保活干燥、过筛处理后，制得所述内核，内核外径为3～10毫米；

2)将所述反硝化颗粒污泥和好氧硝化颗粒污泥分别同时经离心和冲洗处理后，加入固体碳源混合，再加入包埋剂中搅拌均匀，制得外层包埋液；

3)将所述内核置于球体成型模具中，注入外层包埋液，同时注入交联剂并滚转所述球体成型模具，放置1～2小时后再注入交联剂并滚转所述球体成型模具，然后放置6～12小时取出并经搅拌、筛选和活化步骤即得所述固定化复合菌群材料。

2.根据权利要求1所述一种固定化复合菌群材料及其制备方法，其特征在于，所述厌氧氨氧化颗粒污泥为采用厌氧氨氧化絮状污泥接种到升流式厌氧污泥床反应器后，经厌氧条件连续运行培养8～12个月而成；所述反硝化颗粒污泥为取自采用厌氧-缺氧-好氧工艺的市政污水处理厂厌氧池的絮状活性污泥接种到序批式活性污泥反应器后，经厌氧条件培养1～5个月而成；所述好氧硝化颗粒污泥为取自采用厌氧-缺氧-好氧工艺的市政污水处理厂好氧池的絮状活性污泥接种到序批式活性污泥反应器后，经好氧条件培养1～5个月而成。

3.根据权利要求1所述一种固定化复合菌群材料及其制备方法，其特征在于，所述厌氧氨氧化颗粒污泥粒径为3～10毫米，呈鲜红或棕红色，形状为球形，主要由CandidatusBrocacha、Candidatus Jettenia和Candidatus Anammoxoglobus种属组成；所述反硝化颗粒污泥粒径为1～5毫米，污泥容积指数为50～200ml/g；所述好氧硝化颗粒污泥粒径为0.3～0.6毫米，污泥容积指数为20～100ml/g。

4.根据权利要求1所述一种固定化复合菌群材料及其制备方法，其特征在于，所述固体碳源取自农作物废弃物玉米秸秆，经碱浸泡、水洗、烘干、研磨、过筛步骤制得；所述固体碳源外径为过100～300目的标准筛的筛下物。

5.根据权利要求1所述一种固定化复合菌群材料及其制备方法，其特征在于，所述固定化复合菌群材料的外层包埋液中反硝化颗粒污泥：好氧硝化颗粒污泥质量比为1：1；所述固体碳源在固定化复合菌群材料中占比为10～50g/kg；所述包埋剂由聚乙烯醇、海藻酸钠和水按照8～12∶0.25～2∶100的质量比调制而成；所述交联剂为2～6％氯化钙溶液和饱和硼酸溶液的混合液。

6.根据权利要求1所述一种固定化复合菌群材料及其制备方法，其特征在于，所述固定化复合菌群材料直径为8～15毫米，孔隙率为40％～80％，比表面积大于20m²/g。

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