CN111500567A - 同步硝化反硝化的共固定小球的制备方法及共固定小球 - Google Patents

同步硝化反硝化的共固定小球的制备方法及共固定小球 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种同步硝化反硝化的共固定小球的制备方法及共固定小球，包括将反硝化菌菌粉与反硝化包埋载体混合液混合后滴加至交联剂中进行一次包埋、交联固定化，获得反硝化细菌活性颗粒小球；将反硝化细菌活性颗粒小球与硝化细菌菌粉、硝化包埋载体混合液混合后滴加至交联剂中进行二次包埋、交联固定化，获得共固定化小球。将反硝化细菌‑硝化细菌同步固定在同一小球中，解决了传统脱氮技术中硝化‑反硝化过程在时间和/或空间上分离的问题，满足了两种细菌对氧气和有机质的需求，降低了脱氮的难度和成本，并通过在所述硝化包埋载体中加入水泥，解决了聚乙烯醇的溶胀问题，增加了包埋体系的稳定性，提高了共固定小球的耐冲击性及使用寿命。

Description

同步硝化反硝化的共固定小球的制备方法及共固定小球
技术领域
本发明涉及微生物技术领域，尤其涉及一种同步硝化反硝化的共固定小球的制备方法及共固定小球。
背景技术
当前，人类活动产生的含氮化合物已大大超出了大自然的自处理循环能力，废水中过量的硝酸盐、氨氮等极易对生态系统造成影响。为了治理环境，人们进行了大量的除氮研究，相较于物理法、化学法，生物法由于其生态环保性更受追捧。传统的硝化-反硝化生物脱氮是目前控制环境氮污染的主要手段，但由于硝化和反硝化对氧气和有机基质的要求完全不同，这使得传统生物脱氮技术倾向于将硝化和反硝化反应在时间或空间上分离，这无疑使操作复杂化，也增加了投资成本。此外，用传统方法制备的传统固定小球具有使用寿命短、耐冲击力较差、传质性能较差等问题，进一步限制了传统固定小球的实际应用。
发明内容
本发明提供一种同步硝化反硝化的共固定小球的制备方法及共固定小球，旨在解决传统脱氮技术中硝化-反硝化过程在时间和/或空间上分离的问题，满足反硝化细菌与硝化细菌对氧气以及有机质的需求，降低脱氮的操作难度和投资成本，并解决聚乙烯醇的溶胀问题，增加包埋体系的稳定性，提高固定化小球的耐冲击性及使用寿命。
为实现上述目的，本发明提供一种同步硝化反硝化的共固定小球的制备方法，该方法包括：
将反硝化菌菌粉与反硝化包埋载体混合液混合，获得一次混合液，在搅拌条件下，将所述一次混合液滴加至交联剂中进行一次包埋、交联固定化，获得反硝化细菌活性颗粒小球；
将所述反硝化细菌活性颗粒小球与硝化细菌菌粉混合后再与硝化包埋载体混合液混合，获得二次混合液，搅拌条件下，将所述二次混合液滴加至交联剂中进行二次包埋、交联固定化，获得共固定化小球，其中，所述硝化包埋载体的组分为：聚乙烯醇、海藻酸钠、水泥及碳酸钙。
优选地，所述将反硝化菌菌粉与包埋载体混合液混合，获得一次混合液，在搅拌条件下，将所述一次混合液滴加至交联剂中进行一次包埋、交联固定化，获得反硝化细菌活性颗粒小球的步骤之前还包括：
将反硝化细菌进行活化、液体发酵、固体发酵，干燥后获得所述反硝化菌菌粉。
优选地，所述将所述反硝化细菌活性颗粒小球与硝化细菌菌粉混合后再与硝化包埋载体混合液混合，获得二次混合液，搅拌条件下，将所述二次混合液滴加至交联剂中进行二次包埋、交联固定化，获得共固定化小球的步骤之前还包括：
将硝化细菌进行活化、液体发酵、固体发酵，干燥后获得所述硝化菌菌粉。
优选地，所述反硝化细菌包括但不限于巨大芽孢杆菌、脱氮副球菌。
优选地，所述固体发酵的基质是麦麸，菌液与基质的比例是1.2:1(V/W)。
优选地，所述硝化细菌包括但不限于施式假单胞菌、巨大芽孢杆菌。
优选地，所述固体发酵的基质是沸石，菌液与基质的比例是3:10(V/W)。
优选地，所述反硝化包埋载体的组分为：聚乙烯醇、海藻酸钠及水泥，其中，所述聚乙烯醇的质量百分比为5.5-8.0％，所述海藻酸钠的质量百分比为0.5-2.0％，所述水泥的质量百分比为1.0-3.0％，所述聚乙烯醇的聚合度为1799、醇解度＞99％。
优选地，所述聚乙烯醇的质量百分比为5.5-8.0％，所述海藻酸钠的质量百分比为0.5-2.0％，所述水泥的质量百分比为2.0-6.0％，所述碳酸钙的质量百分比为0.2-1.0％，所述聚乙烯醇的聚合度为1799、醇解度＞99％。
此外，为实现上述目的本发明还提供一种共固定小球，所述共固定小球通过上所述的同步硝化反硝化的共固定小球的制备方法制备。
相比现有技术，本发明提供一种同步硝化反硝化的共固定小球的制备方法及共固定小球，该方法包括将反硝化菌菌粉与反硝化包埋载体混合液混合，获得一次混合液，在搅拌条件下，将所述一次混合液滴加至交联剂中进行一次包埋、交联固定化，获得反硝化细菌活性颗粒小球；将所述反硝化细菌活性颗粒小球与硝化细菌菌粉混合后再与硝化包埋载体混合液混合，获得二次混合液，搅拌条件下，将所述二次混合液滴加至交联剂中进行二次包埋、交联固定化，获得共固定化小球，其中，所述硝化包埋载体的组分为：聚乙烯醇、海藻酸钠、水泥及碳酸钙。由此，将反硝化细菌-硝化细菌同步固定在同一小球中，解决了传统脱氮技术中硝化-反硝化过程在时间和/或空间上分离的问题，并且通过不同的包埋载体同时满足了反硝化细菌与硝化细菌对氧气以及有机质的需求，降低了脱氮的操作难度和投资成本，并通过在所述硝化包埋载体中加入水泥，解决了聚乙烯醇的溶胀问题，增加了包埋体系的稳定性，提高了共固定小球的耐冲击性及使用寿命。
附图说明
图1是本发明同步硝化反硝化的共固定小球的制备方法第一实施例的流程示意图；
图2是本发明实施例制备的共固定小球的外观示意图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例提供一种同步硝化反硝化的共固定小球的制备方法，参照图1，图1是本发明同步硝化反硝化的共固定小球的制备方法第一实施例的流程示意图，该方法包括：
步骤S10：将反硝化菌菌粉与反硝化包埋载体混合液混合，获得一次混合液，在搅拌条件下，将所述一次混合液滴加至交联剂中进行一次包埋、交联固定化，获得反硝化细菌活性颗粒小球；
步骤S20：将所述反硝化细菌活性颗粒小球与硝化细菌菌粉混合后再与硝化包埋载体混合液混合，获得二次混合液，搅拌条件下，将所述二次混合液滴加至交联剂中进行二次包埋、交联固定化，获得共固定化小球。
具体地，本实施例中需要预先制备反硝化细菌菌粉和硝化细菌菌粉。
本实施例中将反硝化细菌进行活化、液体发酵、固体发酵，干燥后获得所述反硝化菌菌粉。具体地，所述反硝化菌菌粉的制备包括以下步骤：
步骤S011：制备反硝化细菌培养基；
制备反硝化细菌活化培养基：将酵母提取物5g，胰蛋白胨10g，氯化钠10g，琼脂粉15～20g，水1000ml混合均匀，调节pH为7.2，在121℃高压条件下灭菌20min。
制备反硝化细菌液体培养基：将琥珀酸钠8.5g，硝酸钾0.72g，六水合氯化亚铁0.5g，磷酸二氢钾0.26g，七水合硫酸镁1.0，二水合氯化钙0.2g，水1000ml混合均匀，调节pH为7.5，在121℃高压条件下灭菌20min。
制备反硝化细菌固体基质：将麦麸过筛，获得颗粒大小均匀的麦麸，将过筛后的麦麸粉置于110℃烘箱中烘2h，所述筛子可以是30目，在其它实施例中所述筛子的规格可以是35、40目、50目等。将麦麸作为所述反硝化细菌固体发酵基质与吸附载体，可以解决反硝化过程由于碳源不足引起的反硝化效果不佳的问题。
步骤S012：制备反硝化细菌菌粉。
具体地，将所述反硝化细菌接种于所述反硝化细菌活化培养基上，置于30℃培养箱中活化24h。在活化后的反硝化细菌活化培养基上分别挑取适量反硝化细菌菌体接种于反硝化细菌液体发酵培养基，然后置于恒温摇床中培养，在30℃、搅拌转速180rpm的条件下液体发酵24h，得到反硝化细菌的菌液。将液体发酵后的所述反硝化细菌的菌液与已制备的反硝化细菌固体基质按照1.2:1(V/W，体积/质量)的比例混合均匀后，置于30℃培养箱中培养24h进行固体发酵，经过固体发酵后在45℃条件下干燥4h得到反硝化细菌菌粉(各种反硝化细菌菌粉复配比例为1:1)，菌含量达109cfu/g以上。反硝化细菌包括但不限于巨大芽孢杆菌、脱氮副球菌。
本实施例中，将硝化细菌进行活化、液体发酵、固体发酵，干燥后获得所述硝化菌菌粉。具体地，所述硝化菌菌粉的制备包括以下步骤：
步骤S021：配制硝化细菌培养基；
制备硝化细菌活化培养基：将酵母提取物5g，胰蛋白胨10g，氯化钠10g，琼脂粉15～20g，水1000ml混合均匀，在pH 7.2，121℃高压条件下灭菌20min。
制备硝化细菌液体培养基：将葡萄糖5.0g，硫酸铵0.25g，氯化钠1.0g，七水合硫酸亚铁0.2g，磷酸氢二钾0.5g，七水合硫酸镁0.25g，碳酸钙0.7g，水1000ml混合均匀，在pH7.5，115℃高压条件下灭菌15min。
制备硝化细菌固体基质：将沸石粉过筛，获得颗粒大小均匀的沸石粉，将过筛后的沸石粉置于110℃烘箱中烘2h，所述筛子可以是30目，在其它实施例中所述筛子的规格可以是35、40目、50目等。本实施例中，将沸石作为硝化细菌的固体发酵基质与吸附载体，沸石的加入提高了共固定化小球对废水中氨氮的吸附，有利于硝化细菌对氨氮的利用，能提高共固定化小球的传质性。
步骤S022：制备硝化细菌菌粉。
具体地，将硝化细菌接种于所述硝化细菌活化培养基上，置于30℃培养箱中活化24h。在活化后的硝化细菌活化培养基上分别挑取适量菌体接种于硝化细菌液体培养基，并置于恒温摇床中培养中，在30℃、搅拌转速180rpm的条件下培养24h进行液体发酵，得到硝化细菌的菌液。将所述硝化细菌的菌液与所述硝化细菌固体基质按照按照3:10(V/W)混合均匀后，置于30℃培养箱中培养24h进行固体发酵。固体发酵后在45℃条件下干燥4h得到硝化细菌菌粉(各菌粉复配比例为1:1)，菌含量达109cfu/g。所述硝化细菌包括但不限于施式假单胞菌、巨大芽孢杆菌。
本实施例通过二次包埋技术制备共固定小球。
所述步骤S10为一次包埋：将反硝化菌菌粉与反硝化包埋载体混合液混合，获得一次混合液，在搅拌条件下，将所述一次混合液滴加至交联剂中进行一次包埋、交联固定化，获得反硝化细菌活性颗粒小球。其中，所述反硝化包埋载体的组分为：聚乙烯醇、海藻酸钠及水泥。其中，所述聚乙烯醇的质量百分比为5.5-8.0％，所述海藻酸钠的质量百分比为0.5-2.0％，所述水泥的质量百分比为1.0-3.0％，所述聚乙烯醇的聚合度为1799、醇解度＞99％。
所述步骤S10的具体操作为：
将6.5％的聚乙烯醇(polyvinyl alcohol，PVA)及1.0％海藻酸钠(sodiumalginate，SA)溶于一定量的水中，并在90℃水浴下加热，搅拌均匀至彻底溶解后加入2％硅酸盐水泥，并混合均匀，获得所述反硝化包埋载体。
待所述反硝化包埋载体冷却后，将所述反硝化包埋载体与反硝化菌菌粉混合，其中所述反硝化菌菌粉的含量为10％。混合均匀获得一次混合液。所述一次混合液为反硝化细菌-凝胶。
将所述一次混合液通过蠕动泵的作用，滴加到交联剂中进行一次包埋，得到粒径为2～3mm的反硝化细菌活性颗粒小球。本实施例中，所述交联剂为2％氯化钙饱和硼酸溶液，pH为6.7。
然后将所述反硝化细菌活性颗粒小球在温度为4～8℃下，固定交联20～24h，取出，用生理盐水冲洗干净，35℃下烘4～5h后备用。
所述步骤S20为二次包埋：将所述反硝化细菌活性颗粒小球与硝化细菌菌粉混合后再与硝化包埋载体混合液混合，获得二次混合液，搅拌条件下，将所述二次混合液滴加至交联剂中进行二次包埋、交联固定化，获得共固定化小球。所述硝化包埋载体的组分为：聚乙烯醇、海藻酸钠、水泥及碳酸钙，其中，所述聚乙烯醇的质量百分比为5.5-8.0％，所述海藻酸钠的质量百分比为0.5-2.0％，所述水泥的质量百分比为2.0-6.0％，所述碳酸钙的质量百分比为0.2-1.0％，所述聚乙烯醇的聚合度为1799、醇解度＞99％。
所述步骤S20的具体操作为：
将6.5％的聚乙烯醇(PVA)及1.5％海藻酸钠(SA)溶于一定量的水中，并在90℃水浴加热，搅拌均匀至彻底溶解后加入4％硅酸盐水泥，并混合均匀，待冷却后，加入0.5％碳酸钙获得所述硝化包埋体。本实施例在传统的聚乙烯醇-海藻酸钠凝胶体系中加入了水泥，水泥的加入解决了聚乙烯醇的溶胀问题，且增加了包埋体系的稳定性，能提高共固定化小球的耐冲击性及使用寿命。并且所述硝化包埋体的成分中添加了碳酸钙，可以增加硝化包埋体的溶解氧，有利于硝化作用的进行。
将所述硝化包埋体与硝化菌菌粉混合，其中，所述硝化菌菌粉的含量为10％。混合均匀后与一次包埋获得的所述反硝化细菌活性颗粒小球混合，获得二次混合液。将所述二次混合液通过蠕动泵将滴加至置于交联剂中，获得粒径为4～6mm的共固定化小球。本实施例中，所述交联剂为2％氯化钙饱和硼酸溶液，pH为6.7。
然后在温度为4～8℃下，固定交联20～24h后将所述共固定化小球取出，用生理盐水冲洗干净，35℃下烘4～5h后备用。制成后的所述共固定化小球颗粒均匀，外表光滑。具体地，参加图2，图2是本发明实施例制备的共固定小球的外观示意图。
由此，本实施例采用二次包埋，将硝化细菌-反硝化细菌的共固定于小球中，实现了同步脱氮，解决了传统脱氮能耗过高的问题。
为验证所述共固定化小球的脱氮能力，将所述共固定化小球进行脱氮测试。具体地，取适量垃圾渗滤液并稀释10倍获得待脱氮的废水，补充碳源和氮源使所述废水的碳、氮比为10:1。以硝化细菌-反硝化细菌的浓度为105cfu/L投加所述共固定化小球，于室温下采用曝气方式，每隔1天(24小时)取样测定总氮，结果见表1，表1是共固定化小球对废水中总氮的去除情况。
时间(d) 总氮(mg/L)
0 200.05
1 162.79
2 93.21
3 72.06
4 59.88
5 44.12
表2共固定化小球对废水中总氮的去除情况
测试开始时所述待脱氮水体的总氮为200.05mg/L，1天后总氮降至162.79mg/L，2天后的总氮为93.21mg/L，3天后总氮为72.06mg/L，4天后总氮为59.88mg/L，5天后总氮为44.12mg/L。由此可知，通过所述同步硝化反硝化的共固定小球的制备方法制备的同步硝化的共固定小球对污水中总氮有比较好的去除效果，经过5天的处理，总氮去除率达到77.95％。
此外，本发明还提供一种共固定小球，所述共固定小球通过如上所述的同步硝化反硝化的共固定小球的制备方法制备，此处不再赘述。
相比现有技术，本发明提供一种同步硝化反硝化的共固定小球的制备方法及共固定小球，该方法包括反硝化菌菌粉与反硝化包埋载体混合液混合，获得一次混合液，在搅拌条件下，将所述一次混合液滴加至交联剂中进行一次包埋、交联固定化，获得反硝化细菌活性颗粒小球；将所述反硝化细菌活性颗粒小球与硝化细菌菌粉混合后再与硝化包埋载体混合液混合，获得二次混合液，搅拌条件下，将所述二次混合液滴加至交联剂中进行二次包埋、交联固定化，获得共固定化小球，其中，所述硝化包埋载体的组分为：聚乙烯醇、海藻酸钠、水泥及碳酸钙。由此，将反硝化细菌-硝化细菌同步固定在同一小球中，解决了传统脱氮技术中硝化-反硝化过程在时间和/或空间上分离的问题，并且通过不同的包埋载体同时满足了反硝化细菌与硝化细菌对氧气以及有机质的需求，降低了脱氮的操作难度和投资成本，并通过在所述硝化包埋载体中加入水泥，解决了聚乙烯醇的溶胀问题，增加了包埋体系的稳定性，提高了共固定小球的耐冲击性及使用寿命。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者系统中还存在另外的相同要素。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种同步硝化反硝化的共固定小球的制备方法，其特征在于，该方法包括：
将反硝化菌菌粉与反硝化包埋载体混合液混合，获得一次混合液，在搅拌条件下，将所述一次混合液滴加至交联剂中进行一次包埋、交联固定化，获得反硝化细菌活性颗粒小球；
将所述反硝化细菌活性颗粒小球与硝化细菌菌粉混合后再与硝化包埋载体混合液混合，获得二次混合液，搅拌条件下，将所述二次混合液滴加至交联剂中进行二次包埋、交联固定化，获得共固定化小球，其中，所述硝化包埋载体的组分为：聚乙烯醇、海藻酸钠、水泥及碳酸钙。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将反硝化菌菌粉与包埋载体混合液混合，获得一次混合液，在搅拌条件下，将所述一次混合液滴加至交联剂中进行一次包埋、交联固定化，获得反硝化细菌活性颗粒小球的步骤之前还包括：
将反硝化细菌进行活化、液体发酵、固体发酵，干燥后获得所述反硝化菌菌粉。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将所述反硝化细菌活性颗粒小球与硝化细菌菌粉混合后再与硝化包埋载体混合液混合，获得二次混合液，搅拌条件下，将所述二次混合液滴加至交联剂中进行二次包埋、交联固定化，获得共固定化小球的步骤之前还包括：
将硝化细菌进行活化、液体发酵、固体发酵，干燥后获得所述硝化菌菌粉。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述反硝化细菌包括但不限于巨大芽孢杆菌、脱氮副球菌。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述固体发酵的基质是麦麸，菌液与基质的比例是1.2:1(V/W)。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述硝化细菌包括但不限于施式假单胞菌、巨大芽孢杆菌。
7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述固体发酵的基质是沸石，菌液与基质的比例是3:10(V/W)。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述反硝化包埋载体的组分为：聚乙烯醇、海藻酸钠及水泥，其中，所述聚乙烯醇的质量百分比为5.5-8.0％，所述海藻酸钠的质量百分比为0.5-2.0％，所述水泥的质量百分比为1.0-3.0％，所述聚乙烯醇的聚合度为1799、醇解度＞99％。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述聚乙烯醇的质量百分比为5.5-8.0％，所述海藻酸钠的质量百分比为0.5-2.0％，所述水泥的质量百分比为2.0-6.0％，所述碳酸钙的质量百分比为0.2-1.0％，所述聚乙烯醇的聚合度为1799、醇解度＞99％。
10.一种共固定小球，其特征在于，所述共固定小球通过权利要求1-9中任一项所述的同步硝化反硝化的共固定小球的制备方法制备。
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