CN112551702B - 一种用于水处理的微生物蜡及其制备方法 - Google Patents

一种用于水处理的微生物蜡及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及水处理技术领域，公开了一种用于水处理的微生物蜡及其制备方法。该微生物蜡包括：蜡质载体；分布于蜡质载体内的非水溶性微生物碳源和助剂；分布于蜡质载体内、呈三维网络结构的改性聚乙烯醇纤维网，且所述改性聚乙烯醇纤维网中的改性聚乙烯醇纤维延伸至蜡质载体表面与外界相通；分布于改性聚乙烯醇纤维中的Paenibacillus harenae DFB2‑6。本发明的微生物蜡能缓慢释放碳源，为类芽孢杆菌提供持续、按需、可控的碳源，保持碳氮磷平衡，有利于微生物的生长繁殖；并且，蜡块内部能形成贯通的三维网络孔道，使在孔壁上生长繁殖的类芽孢杆菌能与水体充分接触，从而提高水处理效率。

Description

一种用于水处理的微生物蜡及其制备方法
技术领域
本发明涉及水处理技术领域，尤其涉及一种用于水处理的微生物蜡及其制备方法。
背景技术
氮是生物的重要营养源，水体中氮含量过多易引发水体富营养化。氮污染来源较多，工矿企业废水、畜禽养殖废水和生活废水中均具有较高的氮含量。目前，氮污染已成为水污染防治的重要问题。
氨氧化菌、亚硝化菌、硝化菌、反硝化菌等微生物能将水体中的氨氮、亚硝氮、硝酸盐和有机氮最终转化为氮气从水体中溢出，从而降低水体中的氮含量。相较于物化方法而言，利用微生物进行水体的脱氮具有处理费用低、对环境的二次污染较小的优点，因而受到国内外研究者的青睐，被广泛用于污水处理和污染水体治理中。
在微生物脱氮中，微生物的生长繁殖以及摄氮等过程均需要消耗大量有机碳源，但生活废水和污染水体中普遍存在碳源不足的问题，因而需要额外投加碳源以满足微生物脱氮的碳源需求。公开号为CN106830365A的中国专利文献公开了一种生物清污净化水质方法，包括以下步骤：首先，污泥搅拌分离：采用移动式曝泥设备，使治理河、湖底污泥重新沉淀；然后，建立微生物生存载体系统：在治理河、湖中投放碳源和微生物菌床，为优势菌群提供繁殖、寄生、生长的环境；培养投放优势菌群：提取治理河、湖水体中有净化水质功能的微生物，形成优势菌群投入污染水体工程段中；安装水体曝气设备；最后，提升水体自净功能：优势菌群在曝气作用下快速繁殖，就地硝化降解污泥及水体中的有机物，降解、转化氨、氮和磷污染物质。在该方法中，直接投加碳源会导致短期内水体中的COD升高，造成水体缺氧、水质恶化，并且，只有当碳氮磷比处于合适范围时，才能使有益微生物快速生长繁殖，直接投加碳源会造成水体中的有机碳含量前期过大、后期过小，导致微生物代谢失衡等问题，不利于有益微生物的生长繁殖。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种用于水处理的微生物蜡及其制备方法。本发明的微生物蜡能缓慢释放碳源，不会造成水体COD升高，并能为类芽孢杆菌提供持续、按需、可控的碳源，保持碳氮磷平衡，有利于微生物的生长繁殖；并且，本发明的微生物蜡中能形成贯通的三维网络孔道，使在孔壁上生长繁殖的类芽孢杆菌能与水体充分接触，从而提高水处理效率。
本发明的具体技术方案为：
一种用于水处理的微生物蜡，包括：
蜡质载体；
分布于蜡质载体内的非水溶性微生物碳源和助剂；
分布于蜡质载体内、呈三维网络结构的改性聚乙烯醇纤维网；且所述改性聚乙烯醇纤维网中的改性聚乙烯醇纤维延伸至蜡质载体表面与外界相通；
分布于改性聚乙烯醇纤维中的类芽孢杆菌。
本发明产品投入待处理水体(高氮)中后，改性聚乙烯醇纤维逐渐溶解，释放其中的类芽孢杆菌，蜡质载体能为其提供生长繁殖场所，起到促进和富集类芽孢杆菌的作用；同时，由于所负载的碳源为非水溶性，因此能够在水中长效缓释，这些碳源物质与水体中的氮源等互补后作为类芽孢杆菌的营养源，促进其生长繁殖，最终在蜡质载体与水体的接触面形成一层微生物膜。类芽孢杆菌生长繁殖过程中摄取水体中的氮源作为营养物质，能分解有机氮，并转化无机氮，可有效降低水体中的氨氮、硝酸氮、亚硝酸氮等指标。因此本发明产品可用于水体治理(例如河道、海洋湖泊、工厂废水池、养殖尾水等)，相较于直接投放碳源和微生物的传统水体治理方法而言，本发明不但能为芽孢杆菌提供生长繁殖场所，而且碳源释放缓慢，不会造成水体中的COD升高，并能为芽孢杆菌提供持续、按需、可控的碳源，保持碳氮磷平衡，有利于类芽孢杆菌的生长繁殖。
本发明的蜡质载体中分布有三维网络结构的改性聚乙烯醇纤维网，将蜡质载体浸泡于水中后，改性聚乙烯醇纤维网遇水溶解，蜡质载体内部形成贯通的三维网络孔道，这些孔道与外界连通，水能进入孔道内，使在孔壁上生长繁殖的类芽孢杆菌能与水体充分接触，提高水处理效果；此外，改性聚乙烯醇纤维网为类芽孢杆菌提供了载体，当改性聚乙烯醇纤维溶解时，微生物被释放后附着在孔壁上，相较于将微生物直接加入蜡块中而言，本发明的方法能防止蜡块内部的微生物无法接触水体，故能提高水处理效率。
常规的制孔工艺(如充气搅拌制孔、添加致孔剂等)制得的孔洞，虽然孔隙率可以控制在很高水平，但是孔洞之间相互独立，无法实现贯通，因此不利于水渗透进入蜡质载体内部，在孔壁上生长繁殖的类芽孢杆菌无法与水体充分接触以发挥净水作用。因此，本发明与传统制孔工艺相比能够实现孔洞之间的贯通，增加蜡质载体与水体的接触面积，进而提高水处理效果。此外，相较于传统制孔工艺而言，本发明的孔隙率可控，能防止孔隙率过高导致碳源物质过快释放，投放初期未被利用的碳源会导致水体中的COD升高，并破坏碳氮磷平衡，不利于类芽孢杆菌的生长繁殖，也能防止孔隙率过低导致蜡质载体与水体的接触面积过小，影响水处理效率。
另一方面，在微生物蜡的制备过程中，需要将微生物投放到熔融蜡块中，温度通常达到80℃，而普通类芽孢杆菌在该温度下无法存活。本发明提供了一种类芽孢杆菌Paenibacillus harenae DFB2-6，它能耐受90℃的高温，因而能添加到微生物蜡中。此外，本发明的类芽孢杆菌还能耐受0℃的低温，能适应较低的水体温度，在冬季仍能发挥净水作用。
作为优选，所述类芽孢杆菌命名为DFB2-6，已在2020年8月21日保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，保藏地址为北京市朝阳区北辰西路1号院3号，其保藏编号为CGMCC No.20535，微生物分类命名为Paenibacillus harenae。
普通聚乙烯醇的溶解温度通常在80℃以上，而低聚合度的聚乙烯醇虽然具有较低的溶解温度，但可纺性差，难以制成纤维。本发明对聚乙烯醇纤维进行改性以提高其亲水性，一方面能防止水处理时聚乙烯醇纤维网在常温水体中的溶解过于缓慢，导致微生物释放过慢，以及微生物蜡内部与水体接触面积过小，限制水处理效率，另一方面能降低纺丝液的温度，使类芽孢杆菌能被添加在纺丝液中，从而实现聚乙烯醇纤维网中微生物的负载。
经鉴定(见实施例1)，菌株DFB2-6可能是类芽孢杆菌属内的新种，由于种名未定，故微生物保藏证明和存活证明中的“建议的分类命名”采用了已有种Paenibacillusharenae。
作为优选，所述蜡质载体包括以下重量份的原料：软蜡70～75份，石蜡20份，微晶蜡5～10份，总量为100份；所述非水溶性微生物碳源包括以下重量份的原料：机油5～20份，PHBV 1～2份；所述助剂包括以下重量份的原料：鼠李糖脂1～2份，水1～2份；所述改性聚乙烯醇纤维网占蜡质载体重量的30～40％；所述类芽孢杆菌的含量为每克蜡质载体内含有1×105～5×105cfu类芽孢杆菌。
上述PHBV是指3-羟基丁酸酯和3-羟基戊酸酯的共聚物，为微生物可降解材料。PHBV与机油均可作为微生物碳源，本发明将两者组合，具有以下优点：相较于PHBV而言，机油更易释放，且更容易得到微生物的利用，故两者的组合可以使微生物在碳源利用时具有时间上的选择性，有利于碳源的长效缓释。
除了蜡质载体和碳源这两类基础物质外，鼠李糖脂能作为表面活性剂，使各成分更好地融合；水能提高蜡液的流动性，促进各成分的混合，并能使微生物蜡更好地适应水环境。
作为优选，所述软蜡的熔点为45～50℃，所述石蜡的熔点为55～65℃，所述微晶蜡的熔点为60～80℃。
作为优选，所述改性聚乙烯醇纤维的直径为0.5～1.5mm。
作为优选，所述改性聚乙烯醇纤维的制备方法如下：
(i)制备改性聚乙烯醇：在保护气氛中，将聚乙烯醇和尿素加入二甲基亚砜中，升温至80～90℃搅拌溶解，向其中滴加1,3-二磷酸肌醇的水溶液，所述聚乙烯醇与1,3-二磷酸肌醇的质量比为1:5～7，在250～300W微波下反应10～15min；反应结束后，过滤去除沉淀，向滤液中加入无水乙醇使产物沉淀，将沉淀溶于水后再加入无水乙醇沉淀，过滤，将固体进行干燥，获得改性聚乙烯醇；
(ii)制备改性聚乙烯醇纤维：将改性聚乙烯醇溶于温度为60～70℃的水和二甲基亚砜的混合溶液中，加入类芽孢杆菌，混合均匀后，经喷丝孔喷出，而后在-10～0℃凝固浴中冷却成冻胶状初生纤维；将冻胶状初生纤维初拉伸后，经甲醇萃取、上油、干燥、拉伸热定型后，复捻，获得改性聚乙烯醇纤维。
本发明利用1,3-二磷酸肌醇对聚乙烯醇进行改性，在尿素催化下，通过1,3-二磷酸肌醇中的磷酸基团与聚乙烯醇中的羟基进行酯化反应，使1,3-二磷酸肌醇接枝到聚乙烯醇侧链上，1,3-二磷酸肌醇中大量存在的羟基能提高聚乙烯醇的水溶性，加快其在常温水体中的溶解速度，防止聚乙烯醇纤维网溶解过慢而导致微生物蜡内部与水体接触面积小，限制水处理效率。
作为优选，步骤(i)中，所述聚乙烯醇的聚合度为1000～2000。
作为优选，步骤(i)中，所述聚乙烯醇与尿素的质量比为1:6～6.5。
作为优选，步骤(i)中，所述1,3-二磷酸肌醇的水溶液的质量分数为70～80％。
作为优选，步骤(ii)中：所述改性聚乙烯醇、水、二甲基亚砜的质量比为1:1.5～2.5:2.5～3.5。
作为优选，步骤(ii)中，所述凝固浴为甲醇。
一种制备所述微生物蜡的方法，包括以下步骤：
(1)将聚乙烯醇纤维固定在模具中，形成具有三维网络结构的聚乙烯醇纤维网；
(2)将软蜡、石蜡、微晶蜡加热融化后，加入机油和水，搅拌均匀后，冷却结块，获得蜡块；
(3)将蜡块再次加热融化，在融化过程中充分搅拌，直至完全融化后，加入PHBV和鼠李糖脂，充分混合，获得蜡液；
(4)将蜡液倒入装有聚乙烯醇纤维网的模具中，在0～4℃下结块，获得用于水处理的微生物蜡。
一种利用所述微生物蜡进行水处理的方法，包括以下步骤：直接将所述微生物蜡投放到待处理水体中。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)能缓慢释放碳源，不会造成水体COD升高，并能为类芽孢杆菌提供持续、按需、可控的碳源，保持碳氮磷平衡，有利于类芽孢杆菌的生长繁殖；
(2)通过在蜡质载体中加入改性聚乙烯醇纤维网，能使蜡块内部形成贯通的三维网络孔道，使在孔壁上生长繁殖的类芽孢杆菌能与水体充分接触，从而提高水处理效率；并能利用改性聚乙烯醇纤维网负载类芽孢杆菌，使其被释放后附着在孔壁上，能防止蜡块内部的微生物无法接触水体，从而提高水处理效率；
(3)通过对聚乙烯醇进行改性以提高亲水性，能加快其在常温水体中的溶解速度，一方面能防止水处理时聚乙烯醇纤维网溶解过于缓慢而导致微生物释放过慢以及微生物蜡内部与水体接触面积过小，限制水处理效率，另一方面能降低纺丝液的温度，使类芽孢杆菌能被添加在纺丝液中，从而实现聚乙烯醇纤维网中微生物的负载；
(4)类芽孢杆菌Paenibacillus harenae DFB2-6能耐受0～90℃的温度，在高温蜡液中具有较高的存活率，因而能用于本发明的微生物载体中，并能适应较低的水体温度，在冬季仍能发挥净水作用。
附图说明
图1为菌株Paenibacillus harenae DFB2-6在不同温度下的生长曲线。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的描述。
总实施例
一种用于水处理的微生物蜡，包括：蜡质载体；分布于蜡质载体内的非水溶性微生物碳源和助剂；分布于蜡质载体内、呈三维网络结构的改性聚乙烯醇纤维网，且所述改性聚乙烯醇纤维网中的改性聚乙烯醇纤维延伸至蜡质载体表面与外界相通；分布于改性聚乙烯醇纤维中的类芽孢杆菌，所述类芽孢杆菌命名为DFB2-6，已在2020年8月21日保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，其保藏编号为CGMCC No.20535，微生物分类命名为Paenibacillus harenae。
所述蜡质载体包括以下重量份的原料：熔点为45～50℃的软蜡70～75份，熔点为55～65℃的石蜡20份，熔点为60～80℃的微晶蜡5～10份，总量为100份；
所述非水溶性微生物碳源包括以下重量份的原料：机油5～20份，PHBV 1～2份；
所述助剂包括以下重量份的原料：鼠李糖脂1～2份，水1～2份；
所述改性聚乙烯醇纤维网占蜡质载体重量的30～40％；所述改性聚乙烯醇纤维的直径为0.5～1.5mm；
所述类芽孢杆菌的含量为每克蜡质载体内含有1×105～5×105cfu类芽孢杆菌。
所述改性聚乙烯醇纤维的制备方法如下：
(i)制备改性聚乙烯醇：在保护气氛中，将聚合度为1000～2000的聚乙烯醇和尿素按1:6～6.5的质量比加入二甲基亚砜中，升温至80～90℃搅拌溶解，向其中滴加质量分数为70～80％的1,3-二磷酸肌醇的水溶液，所述聚乙烯醇与1,3-二磷酸肌醇的质量比为1:5～7，在250～300W微波下反应10～15min；反应结束后，过滤去除沉淀，向滤液中加入无水乙醇使产物沉淀，将沉淀溶于水后再加入无水乙醇沉淀，过滤，将固体进行干燥，获得改性聚乙烯醇；
(ii)制备改性聚乙烯醇纤维：将改性聚乙烯醇溶于温度为60～70℃的水和二甲基亚砜的混合溶液中，所述改性聚乙烯醇、水、二甲基亚砜的质量比为1:1.5～2.5:2.5～3.5；加入类芽孢杆菌，混合均匀后，经喷丝孔喷出，而后在-10～0℃甲醇凝固浴中冷却成冻胶状初生纤维；将冻胶状初生纤维初拉伸后，经甲醇萃取、上油、干燥、拉伸热定型后，复捻，获得改性聚乙烯醇纤维。
通过以下步骤制备上述微生物蜡：
(1)将聚乙烯醇纤维固定在模具中，形成具有三维网络结构的聚乙烯醇纤维网；
(2)将软蜡、石蜡、微晶蜡在60～80℃下加热融化后，加入机油和水，搅拌均匀后，冷却结块，获得蜡块；
(3)将蜡块在60～80℃下再次加热融化，在融化过程中充分搅拌，直至完全融化后，加入PHBV和鼠李糖脂，充分混合，获得蜡液；
(4)将蜡液倒入装有纤维网的模具中，在0～4℃下结块，获得用于水处理的微生物蜡。
利用上述微生物蜡进行水处理，具体方法如下：直接将微生物蜡投放到待处理水体中。
实施例1
本发明所提供的菌株经鉴定属于类芽孢杆菌属(Paenibacillus)，命名为DFB2-6，已在2020年8月21日保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，其保藏编号为CGMCC No.20535。
本发明的菌株DFB2-6的生物学性质如下：
(1)基因型：
①16S rDNA序列如SEQ ID NO.1所示，长度共1441bp，在EzBioCloud网站上比对，其最相似菌株为Paenibacillus harenae KCTC 3951T，相似度为94.47％；
②基因组G+C含量为51mol％。
(2)表型：
①形态特征：革兰氏阳性菌，在LB固体培养基上30℃培养3d，菌落成米黄色、边缘不规则、表面凸起、不透明、1.5～2.0mm直径大小。温度生长范围为0～90℃，最适生长温度为40℃；NaCl盐度生长范围为0～6％、最适生长盐度为1％；pH生长范围为5.0～10.0，最适生长pH为7.0；在好氧和厌氧条件下均能正常生长；
②生理生化特征：氧化酶和过氧化氢酶呈阳性；硝酸盐能被还原成亚硝酸盐；能水解酪蛋白、淀粉、Tween 80、纤维素；七叶苷水解酶和脲酶活性呈阳性；不能水解次黄嘌呤。
(3)化学特征：
①主要呼吸醌是MK-7；
②主要脂肪酸是anteiso-C15:0和iso-C16:0；
③主要极性脂是diphosphatidylglycerol(DPG)、phosphatidylglycerol(PG)、phosphatidylethanolamine(PE)。
由以上可得，菌株DFB2-6可能为类芽孢杆菌属内的新种，由于种名未定，故微生物保藏证明和存活证明中的“建议的分类命名”采用了已有种Paenibacillus harenae。
图1为菌株DFB2-6在不同温度(0℃、20℃、40℃、65℃、90℃)下的生长曲线。由图可以看出，该菌株在0～40℃时，菌活性随温度升高而升高，而在40～90℃时，菌活性随温度升高而降低。故DFB2-6最适温度在40℃附近；且0～90℃范围内，菌株活性虽然有所波动，但整体仍然在一个较高的水平。
实施例2
一种用于水处理的微生物蜡，包括：蜡质载体；分布于蜡质载体内的非水溶性微生物碳源和助剂；分布于蜡质载体内、呈三维网络结构的改性聚乙烯醇纤维网，且所述改性聚乙烯醇纤维网中的改性聚乙烯醇纤维延伸至蜡质载体表面与外界相通；分布于改性聚乙烯醇纤维中的类芽孢杆菌Paenibacillus harenae DFB2-6。
所述蜡质载体包括以下重量份的原料：熔点为45℃的软蜡70份，熔点为55℃的石蜡20份，熔点为60℃的微晶蜡10份；
所述非水溶性微生物碳源包括以下重量份的原料：机油5份，PHBV 2份；
所述助剂包括以下重量份的原料：鼠李糖脂1.5份，水2份；
所述改性聚乙烯醇纤维网占蜡质载体重量的30％；所述改性聚乙烯醇纤维的直径约为0.5mm；
所述类芽孢杆菌的含量为每克蜡质载体内含有1×105cfu类芽孢杆菌。
所述改性聚乙烯醇纤维的制备方法如下：
(i)制备改性聚乙烯醇：在保护气氛中，将聚合度为2000的聚乙烯醇和尿素按1:6的质量比加入二甲基亚砜中，升温至80℃搅拌溶解，向其中滴加质量分数为70％的1,3-二磷酸肌醇的水溶液，所述聚乙烯醇与1,3-二磷酸肌醇的质量比为1:5，在250W微波下反应10min；反应结束后，过滤去除沉淀，向滤液中加入无水乙醇使产物沉淀，将沉淀溶于水后再加入无水乙醇沉淀，过滤，将固体进行干燥，获得改性聚乙烯醇；
(ii)制备改性聚乙烯醇纤维：将改性聚乙烯醇溶于温度为70℃的水和二甲基亚砜的混合溶液中，所述改性聚乙烯醇、水、二甲基亚砜的质量比为1:1.5:2.5；加入类芽孢杆菌，混合均匀后，经喷丝孔喷出，而后在-10℃凝固浴中冷却成冻胶状初生纤维；将冻胶状初生纤维在室温下进行初拉伸，拉伸倍数为6倍；而后采用逆流萃取法，用甲醇萃取0.5h，上油后，在55℃下干燥；然后进行拉伸热定型，温度为200℃，热收缩率为15％，拉伸倍数为5倍，复捻，获得改性聚乙烯醇纤维。
通过以下步骤制备上述微生物蜡：
(1)将改性聚乙烯醇纤维固定在模具中，形成改性聚乙烯醇纤维网，该纤维网具有三轴向正交立体网络结构，且三个轴向上改性聚乙烯醇纤维的间距相等；
(2)将软蜡、石蜡、微晶蜡在80℃下加热融化后，加入机油和水，搅拌均匀后，冷却结块，获得蜡块；
(3)将蜡块在80℃下再次加热融化，在融化过程中充分搅拌，直至完全融化后，加入PHBV和鼠李糖脂，充分混合，获得蜡液；
(4)将蜡液倒入装有纤维网的模具中，在0℃下结块，获得用于水处理的微生物蜡。
利用上述微生物蜡进行水处理，具体方法如下：直接将微生物蜡投放到待处理水体中。
实施例3
一种用于水处理的微生物蜡，包括：蜡质载体；分布于蜡质载体内的非水溶性微生物碳源和助剂；分布于蜡质载体内、呈三维网络结构的改性聚乙烯醇纤维网，且所述改性聚乙烯醇纤维网中的改性聚乙烯醇纤维延伸至蜡质载体表面与外界相通；分布于改性聚乙烯醇纤维中的类芽孢杆菌Paenibacillus harenae DFB2-6。
所述蜡质载体包括以下重量份的原料：熔点为48℃的软蜡72份，熔点为60℃的石蜡20份，熔点为70℃的微晶蜡8份；
所述非水溶性微生物碳源包括以下重量份的原料：机油15份，PHBV 1份；
所述助剂包括以下重量份的原料：鼠李糖脂1份，水1份；
所述聚乙烯醇纤维网占蜡质载体重量的35％；所述聚乙烯醇纤维的直径约为1mm；
所述类芽孢杆菌的含量为每克蜡质载体内含有2.5×105cfu类芽孢杆菌。
所述改性聚乙烯醇纤维的制备方法如下：
(i)制备改性聚乙烯醇：在保护气氛中，将聚合度为1500的聚乙烯醇和尿素按1:6的质量比加入二甲基亚砜中，升温至85℃搅拌溶解，向其中滴加质量分数为75％的1,3-二磷酸肌醇的水溶液，所述聚乙烯醇与1,3-二磷酸肌醇的质量比为1:6，在280W微波下反应12min；反应结束后，过滤去除沉淀，向滤液中加入无水乙醇使产物沉淀，将沉淀溶于水后再加入无水乙醇沉淀，过滤，将固体进行干燥，获得改性聚乙烯醇；
(ii)制备改性聚乙烯醇纤维：将改性聚乙烯醇溶于温度为65℃的水和二甲基亚砜的混合溶液中，所述改性聚乙烯醇、水、二甲基亚砜的质量比为1:2:3；加入类芽孢杆菌，混合均匀后，经喷丝孔喷出，而后在-5℃凝固浴中冷却成冻胶状初生纤维；将冻胶状初生纤维初拉伸后，经甲醇萃取、上油、干燥、拉伸热定型后，复捻，获得改性聚乙烯醇纤维。
通过以下步骤制备上述微生物蜡：
(1)将改性聚乙烯醇纤维固定在模具中，形成改性聚乙烯醇纤维网，该纤维网具有三轴向正交立体网络结构，且三个轴向上改性聚乙烯醇纤维的间距相等；
(2)将软蜡、石蜡、微晶蜡在80℃下加热融化后，加入机油和水，搅拌均匀后，冷却结块，获得蜡块；
(3)将蜡块在80℃下再次加热融化，在融化过程中充分搅拌，直至完全融化后，加入PHBV和鼠李糖脂，充分混合，获得蜡液；
(4)将蜡液倒入装有纤维网的模具中，在2℃下结块，获得用于水处理的微生物蜡。
利用上述微生物蜡进行水处理，具体方法如下：直接将微生物蜡投放到待处理水体中。
实施例4
一种用于水处理的微生物蜡，包括：蜡质载体；分布于蜡质载体内的非水溶性微生物碳源和助剂；分布于蜡质载体内、呈三维网络结构的改性聚乙烯醇纤维网，且所述改性聚乙烯醇纤维网中的改性聚乙烯醇纤维延伸至蜡质载体表面与外界相通；分布于改性聚乙烯醇纤维中的类芽孢杆菌Paenibacillus harenae DFB2-6。
所述蜡质载体包括以下重量份的原料：熔点为50℃的软蜡75份，熔点为65℃的石蜡20份，熔点为80℃的微晶蜡5份；
所述非水溶性微生物碳源包括以下重量份的原料：机油20份，PHBV 1.5份；
所述助剂包括以下重量份的原料：鼠李糖脂2份，水1.5份；
所述聚乙烯醇纤维网占蜡质载体重量的40％；所述聚乙烯醇纤维的直径约为1.5mm；
所述类芽孢杆菌的含量为每克蜡质载体内含有5×105cfu类芽孢杆菌。
所述改性聚乙烯醇纤维的制备方法如下：
(i)制备改性聚乙烯醇：在保护气氛中，将聚合度为1000的聚乙烯醇和尿素按1:6.5的质量比加入二甲基亚砜中，升温至90℃搅拌溶解，向其中滴加质量分数为80％的1,3-二磷酸肌醇的水溶液，所述聚乙烯醇与1,3-二磷酸肌醇的质量比为1:7，在300W微波下反应15min；反应结束后，过滤去除沉淀，向滤液中加入无水乙醇使产物沉淀，将沉淀溶于水后再加入无水乙醇沉淀，过滤，将固体进行干燥，获得改性聚乙烯醇；
(ii)制备改性聚乙烯醇纤维：将改性聚乙烯醇溶于温度为60℃的水和二甲基亚砜的混合溶液中，所述改性聚乙烯醇、水、二甲基亚砜的质量比为1:2.5:3.5；加入类芽孢杆菌，混合均匀后，经喷丝孔喷出，而后在0℃凝固浴中冷却成冻胶状初生纤维；将冻胶状初生纤维初拉伸后，经甲醇萃取、上油、干燥、拉伸热定型后，复捻，获得改性聚乙烯醇纤维。
通过以下步骤制备上述微生物蜡：
(1)将改性聚乙烯醇纤维固定在模具中，形成改性聚乙烯醇纤维网，该纤维网具有三轴向正交立体网络结构，且三个轴向上改性聚乙烯醇纤维的间距相等；
(2)将软蜡、石蜡、微晶蜡在80℃下加热融化后，加入机油和水，搅拌均匀后，冷却结块，获得蜡块；
(3)将蜡块在80℃下再次加热融化，在融化过程中充分搅拌，直至完全融化后，加入PHBV和鼠李糖脂，充分混合，获得蜡液；
(4)将蜡液倒入装有纤维网的模具中，在4℃下结块，获得用于水处理的微生物蜡。
利用上述微生物蜡进行水处理，具体方法如下：直接将微生物蜡投放到待处理水体中。
对比例1
一种负载有微生物的微生物蜡，包括：蜡质载体；分布于蜡质载体内的非水溶性微生物碳源和助剂；分布于蜡质载体内的类芽孢杆菌Paenibacillus harenae DFB2-6。
所述蜡质载体包括以下重量份的原料：熔点为45℃的软蜡70份，熔点为55℃的石蜡20份，熔点为60℃的微晶蜡10份；
所述非水溶性微生物碳源包括以下重量份的原料：机油5份，PHBV 2份；
所述助剂包括以下重量份的原料：鼠李糖脂1份，水2份；
所述类芽孢杆菌的含量为每克蜡质载体内含有1×105cfu类芽孢杆菌。
通过以下步骤制备上述微生物蜡：
(1)将软蜡、石蜡、微晶蜡在80℃下加热融化后，加入机油和水，搅拌均匀后，冷却结块，获得蜡块；
(2)将蜡块在80℃下再次加热融化，在融化过程中充分搅拌，直至完全融化后，加入PHBV和鼠李糖脂，充分混合，获得蜡液；
(3)将蜡液倒入模具中，在0℃下结块，获得负载有微生物的微生物蜡。
利用上述微生物蜡进行水处理，具体方法如下：直接将微生物蜡投放到待处理水体中。
对比例2
一种用于水处理的微生物蜡，包括：蜡质载体；分布于蜡质载体内的非水溶性微生物碳源和助剂；分布于蜡质载体内、呈三维网络结构的聚乙烯醇纤维网，且所述聚乙烯醇纤维网中的改性聚乙烯醇纤维延伸至蜡质载体表面与外界相通；分布于蜡质载体中的类芽孢杆菌Paenibacillus harenae DFB2-6。
所述蜡质载体包括以下重量份的原料：熔点为45℃的软蜡70份，熔点为55℃的石蜡20份，熔点为60℃的微晶蜡10份；
所述非水溶性微生物碳源包括以下重量份的原料：机油5份，PHBV 2份；
所述助剂包括以下重量份的原料：鼠李糖脂1.5份，水2份；
所述聚乙烯醇纤维网占蜡质载体重量的30％；所述聚乙烯醇纤维的直径约为0.5mm；
所述类芽孢杆菌的含量为每克蜡质载体内含有1×105cfu类芽孢杆菌。
通过以下步骤制备上述微生物蜡：
(1)将聚乙烯醇纤维固定在模具中，形成聚乙烯醇纤维网，该纤维网具有三轴向正交立体网络结构，且三个轴向上聚乙烯醇纤维的间距相等；
(2)将软蜡、石蜡、微晶蜡在80℃下加热融化后，加入机油和水，搅拌均匀后，冷却结块，获得蜡块；
(3)将蜡块在80℃下再次加热融化，在融化过程中充分搅拌，直至完全融化后，加入PHBV、鼠李糖脂和类芽孢杆菌，充分混合，获得蜡液；
(4)将蜡液倒入装有纤维网的模具中，在0℃下结块，获得用于水处理的微生物蜡。
利用上述微生物蜡进行水处理，具体方法如下：直接将微生物蜡投放到待处理水体中。
对比例3
一种用于水处理的微生物蜡，包括：蜡质载体；分布于蜡质载体内的非水溶性微生物碳源和助剂；分布于蜡质载体内、呈三维网络结构的改性聚乙烯醇纤维网，且所述改性聚乙烯醇纤维网中的改性聚乙烯醇纤维延伸至蜡质载体表面与外界相通；分布于蜡质载体中的类芽孢杆菌Paenibacillus harenae DFB2-6。
所述蜡质载体包括以下重量份的原料：熔点为45℃的软蜡70份，熔点为55℃的石蜡20份，熔点为60℃的微晶蜡10份；
所述非水溶性微生物碳源包括以下重量份的原料：机油5份，PHBV 2份；
所述助剂包括以下重量份的原料：鼠李糖脂1.5份，水2份；
所述改性聚乙烯醇纤维网占蜡质载体重量的30％；所述改性聚乙烯醇纤维的直径约为0.5mm；所述类芽孢杆菌的含量为每克蜡质载体内含有1×105cfu类芽孢杆菌。
所述改性聚乙烯醇纤维的制备方法如下：
(i)制备改性聚乙烯醇：在保护气氛中，将聚合度为2000的聚乙烯醇和尿素按1:6的质量比加入二甲基亚砜中，升温至80℃搅拌溶解，向其中滴加质量分数为70％的1,3-二磷酸肌醇的水溶液，所述聚乙烯醇与1,3-二磷酸肌醇的质量比为1:5，在250W微波下反应10min；反应结束后，过滤去除沉淀，向滤液中加入无水乙醇使产物沉淀，将沉淀溶于水后再加入无水乙醇沉淀，过滤，将固体进行干燥，获得改性聚乙烯醇；
(ii)制备改性聚乙烯醇纤维：将改性聚乙烯醇溶于温度为70℃的水和二甲基亚砜的混合溶液中，所述改性聚乙烯醇、水、二甲基亚砜的质量比为1:1.5:2.5，混合均匀后，经喷丝孔喷出，而后在-10℃凝固浴中冷却成冻胶状初生纤维；将冻胶状初生纤维在室温下进行初拉伸，拉伸倍数为6倍；而后采用逆流萃取法，用甲醇萃取0.5h，上油后，在55℃下干燥；然后进行拉伸热定型，温度为200℃，热收缩率为15％，拉伸倍数为5倍，复捻，获得改性聚乙烯醇纤维。
通过以下步骤制备上述微生物蜡：
(1)将改性聚乙烯醇纤维固定在模具中，形成改性聚乙烯醇纤维网，该纤维网具有三轴向正交立体网络结构，且三个轴向上改性聚乙烯醇纤维的间距相等；
(2)将软蜡、石蜡、微晶蜡在80℃下加热融化后，加入机油和水，搅拌均匀后，冷却结块，获得蜡块；
(3)将蜡块在80℃下再次加热融化，在融化过程中充分搅拌，直至完全融化后，加入PHBV、鼠李糖脂和类芽孢杆菌，充分混合，获得蜡液；
(4)将蜡液倒入装有纤维网的模具中，在0℃下结块，获得用于水处理的微生物蜡。
利用上述微生物蜡进行水处理，具体方法如下：直接将微生物蜡投放到待处理水体中。
实施例2～4和对比例1～3中的微生物蜡尺寸均为35cm×25cm，待处理水源均为养殖南美白对虾的养殖尾水，每3m3的水体，投掷约1kg的蜡块。将微生物蜡投放到待处理水体中24h和48h后，分别测量水体中的氨氮、硝酸氮、亚硝酸氮含量(单位为mg/L)，结果见表1。
表1
Figure GDA0002898080650000121
Figure GDA0002898080650000131
1空白：不投入微生物蜡；
2直接投入碳源和微生物：即不采用蜡质载体；投入碳源的种类和量与对比例1投入的微生物蜡内的碳源相同；投入类芽孢杆菌的量与对比例1投入的微生物蜡内的类芽孢杆菌相同。
从表1来看，相较于直接投入碳源和微生物而言，对比例1将碳源和类芽孢杆菌负载在蜡质载体中，水体中的氨氮、硝酸氮和亚硝酸氮含量下降较快，说明采用蜡质载体负载碳源和微生物可提高水处理效率，原因在于：相较于直接投放碳源的传统水体治理方法而言，蜡质载体能为类芽孢杆菌提供生长繁殖场所，且能使碳源缓慢释放，为类芽孢杆菌提供持续、按需、可控的碳源，保持碳氮磷平衡，有利于微生物的生长繁殖。
在对比例1的基础上，对比例3在微生物蜡中加入了改性聚乙烯醇纤维网。从表1来看，相较于对比例1而言，对比例3水体中的氨氮、硝酸氮和亚硝酸氮含量下降较快，说明本发明中改性聚乙烯醇纤维的添加能有效提高微生物蜡的水处理效率，原因在于：改性聚乙烯纤维网溶解后在微生物蜡内形成相互连通的网状孔隙，这些孔隙与外界连通，水能进入孔隙内，在孔壁上生长繁殖的类芽孢杆菌能与水体充分接触，从而提高水处理效率。
对比例2采用的是聚乙烯醇纤维，对比例3在其基础上，对聚乙烯醇纤维进行了1,3-二磷酸肌醇接枝改性。从表1来看，相较于对比例2而言，对比例3水体中的氨氮、硝酸氮和亚硝酸氮含量下降较快，说明采用改性聚乙烯醇纤维能提高水处理效率，原因在于：聚乙烯醇的溶解温度通常在80℃以上，在常温水体中溶解非常缓慢，导致微生物蜡内部与水体接触面积小，对聚乙烯醇纤维进行1,3-二磷酸肌醇接枝改性后，能提高其亲水性，使其投放到水体中后，能较快溶解形成孔道，增加微生物蜡内部与水体的接触，从而提高水处理效率。
在对比例3的基础上，实施例2将类芽孢杆菌负载在改性聚乙烯醇纤维中。从表1来看，实施例2水体中的氨氮、硝酸氮和亚硝酸氮含量下降较快，说明采用纤维负载微生物能提高水处理效率，原因在于：若将微生物直接负载在蜡质载体中，则蜡块内部的微生物无法接触水体，导致水处理效率低；若将微生物负载在改性聚乙烯醇纤维中，则当纤维溶解时，微生物被释放后能附着到孔壁上，与水体充分，故能提高水处理效率。
本发明中所用原料、设备，若无特别说明，均为本领域的常用原料、设备；本发明中所用方法，若无特别说明，均为本领域的常规方法。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变换，均仍属于本发明技术方案的保护范围。
序列表
<110> 杭州秀川科技有限公司
<120> 一种用于水处理的微生物蜡及其制备方法
<160> 1
<170> SIPOSequenceListing 1.0
<210> 1
<211> 1441
<212> DNA
<213> 类芽孢杆菌DFB2-6(Paenibacillus harenae)
<400> 1
aacaaccttc ggcggctggc tccttgcggt tacctcaccg acttcgggtg ttgtaaactc 60
tcgtggtgtg acgggcggtg tgtacaagac ccgggaacgt attcaccgcg gcatgctgat 120
ccgcgattac tagcaattcc gacttcatgc aggcgagttg cagcctgcaa tccgaactga 180
gatcggcttt gataggattg gctccggatc gctccttcgc ttcccgttgt accgaccatt 240
gtagtacgtg tgtagcccag gtcataaggg gcatgatgat ttgacgtcat ccccaccttc 300
ctccggtttg tcaccggcag tcatcctaga gtgcccacct tgcgtgctgg caactaagat 360
caagggttgc gctcgttgcg ggacttaacc caacatctca cgacacgagc tgacgacaac 420
catgcaccac ctgtctcctc tgtcccgaag gaaaggccta tctctagacc ggtcagaggg 480
atgtcaagac ctggtaaggt tcttcgcgtt gcttcgaatt aaaccacata ctccactgct 540
tgtgcgggtc cccgtcaatt cctttgagtt tcagtcttgc gaccgtactc cccaggcgga 600
atgcttaatg tgttaacttc ggcaccaagg gtatcgaaac ccctaacacc tagcattcat 660
cgtttacggc gtggactacc agggtatcta atcctgtttg ctccccacgc tttcgcgcct 720
cagcgtcagt tacagcccag agagtcgcct tcgccactgg tgttcctcca catctctacg 780
catttcaccg ctacacgtgg aattccactc tcctcttctg cactcaagcc aagcagtttc 840
caatgcgacc caaggttgag ccctgggttt aaacatcaga cttactcagc cgcctgcgcg 900
cgctttacgc ccaataattc cggacaacgc ttgcccccta cgtattaccg cggctgctgg 960
cacgtagtta gccggggctt tcttctcagg taccgtcacc ttgagagcag ttactctccc 1020
aagcgttctt ccctggcaac agagctttac gatccgaaaa ccttcatcac tcacgcggcg 1080
ttgctccgtc agacttgcgt ccattgcgga agattcccta ctgctgcctc ccgtaggagt 1140
ctgggccgtg tctcagtccc agtgtggccg gtcaccctct caggtcggct acgcatcgtc 1200
gccttggtga gccgttaccc caccaactag ctaatgcgcc gcaggtccat ccgtaagtga 1260
cagattgctc cgtctttcca tgaagctcca tgcgaagctc catcctatcc ggtattagct 1320
cacgtttccg caagttatcc cggtcttaca ggcaggttac ctacgtgtta ctcacccgtc 1380
cgccgctaag ttcgcttcgt agcaagctac aaaacgaact ccgctcgact gcattatagc 1440
a 1441

Claims (10)

1.一种用于水处理的微生物蜡，其特征在于，包括：
蜡质载体，所述蜡质载体为软蜡、石蜡和微晶蜡；
分布于蜡质载体内的非水溶性微生物碳源和助剂，所述助剂为鼠李糖脂和水；
分布于蜡质载体内、呈三维网络结构的改性聚乙烯醇纤维网；且所述改性聚乙烯醇纤维网中的改性聚乙烯醇纤维延伸至蜡质载体表面与外界相通；
分布于改性聚乙烯醇纤维中的类芽孢杆菌。
2.如权利要求1所述的微生物蜡，其特征在于，所述类芽孢杆菌命名为DFB2-6，已在2020年8月21日保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，其保藏编号为CGMCC No.20535，微生物分类命名为Paenibacillus harenae。
3.如权利要求1所述的微生物蜡，其特征在于：
所述蜡质载体包括以下重量份的原料：软蜡70~75份，石蜡20份，微晶蜡5~10份，总量为100份；
所述非水溶性微生物碳源包括以下重量份的原料：机油5~20份，PHBV 1~2份；
所述助剂包括以下重量份的原料：鼠李糖脂1~2份，水1~2份；
所述改性聚乙烯醇纤维网占蜡质载体重量的30~40%；
所述类芽孢杆菌的含量为每克蜡质载体内含有1×105~5×105cfu类芽孢杆菌。
4.如权利要求3所述的微生物蜡，其特征在于，所述软蜡的熔点为45~50℃，所述石蜡的熔点为55~65℃，所述微晶蜡的熔点为60~80℃。
5.如权利要求1所述的微生物蜡，其特征在于，所述改性聚乙烯醇纤维的直径为0.5~1.5mm。
6.如权利要求1或3或5所述的微生物蜡，其特征在于，所述改性聚乙烯醇纤维的制备方法如下：
（i）制备改性聚乙烯醇：在保护气氛中，将聚乙烯醇和尿素加入二甲基亚砜中，升温至80~90℃搅拌溶解，向其中滴加1,3-二磷酸肌醇的水溶液，所述聚乙烯醇与1,3-二磷酸肌醇的质量比为1:5~7，在250~300W微波下反应10~15min；反应结束后，过滤去除沉淀，向滤液中加入无水乙醇使产物沉淀，将沉淀溶于水后再加入无水乙醇沉淀，过滤，将固体进行干燥，获得改性聚乙烯醇；
（ii）制备改性聚乙烯醇纤维：将改性聚乙烯醇溶于温度为60~70℃的水和二甲基亚砜的混合溶液中，加入类芽孢杆菌，混合均匀后，经喷丝孔喷出，而后在-10~0℃凝固浴中冷却成冻胶状初生纤维；将冻胶状初生纤维初拉伸后，经甲醇萃取、上油、干燥、拉伸热定型后，复捻，获得改性聚乙烯醇纤维。
7.如权利要求6所述的微生物蜡，其特征在于，步骤（i）中，所述聚乙烯醇的聚合度为1000~2000。
8.如权利要求6所述的微生物蜡，其特征在于，步骤（ii）中：所述改性聚乙烯醇、水、二甲基亚砜的质量比为1:1.5~2.5:2.5~3.5。
9.一种制备如权利要求3~8之一所述微生物蜡的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将聚乙烯醇纤维固定在模具中，形成具有三维网络结构的聚乙烯醇纤维网；
（2）将软蜡、石蜡、微晶蜡加热融化后，加入机油和水，搅拌均匀后，冷却结块，获得蜡块；
（3）将蜡块再次加热融化，在融化过程中充分搅拌，直至完全融化后，加入PHBV和鼠李糖脂，充分混合，获得蜡液；
（4）将蜡液倒入装有聚乙烯醇纤维网的模具中，在0~4℃下结块，获得用于水处理的微生物蜡。
10.一种利用如权利要求1~8之一所述微生物蜡进行水处理的方法，其特征在于，包括以下步骤：直接将所述微生物蜡投放到待处理水体中。
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