CN1928081A - 一种人造生物膜及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种人造生物膜及制备方法。采用国家批准使用的有益微生物菌株发酵后浓缩。以聚乙烯醇、海藻酸钠、羧甲基纤维素钠等成膜原材料溶于水中制成胶液后，再将煤基活性炭粉末、硅藻土粉末、醋酸钠与单株或多株微生物细胞混合后加入胶液中，然后放在喷雾装置中加压喷雾滴入粉末床上固定，形成人造生物膜。人造生物膜可机械化、规模化生产，固定过程简单、效率高、成本低。膜中细胞密度高、传质性好、稳定、有效期长、可重复使用。人造生物膜可应用于工业废水、生活污水、渔业水体、景观水体、流动水体和底泥等不同污染水环境的生态修复和治理。

Description

一种人造生物膜及制备方法
                            技术领域
本发明涉及一种生物膜，更具体涉及模拟天然生物膜的人造生物膜，同时还涉及该人造生物膜的制备方法，该人造生物膜用于污染水环境生态修复和治理。
                            背景技术
水环境中的天然生物膜担负着分解污染物质、净化水体的重要功能。研究表明，生物膜中包含有千万个不同种类的微生物，如细菌、真菌、藻类、原生动物等，它们附着在水环境中各种基质表面，并由它们分泌的粘性物质包埋而形成为有细胞群、基质、空隙和液流通道等组成的结构。
在污水治理领域，有活性污泥法和生物膜法。微生物是它们净化作用的核心部分。生物膜法所用的是在自然条件下微生物附着在某些载体表面形成的天然生物膜，这种方法处理污水有如下优点：
1.不致发生污泥膨胀问题，运转管理方便；
2.较能耐受污水水质和水量的变化；
3.剩余污泥量少，可降低污泥处理费用，出水水质较高。
能否人为模拟天然生物膜并加以应用？这是固定化微生物研究的领域，即通过微生物学与工艺学将悬浮生长的微生物细胞固定在载体上，以提高处理负荷和净化效率的新型强化生物处理技术。
微生物细胞固定化技术有多种，例如吸附固定化、自身固定化、包埋固定化和交联固定化等。其中包埋固定化技术是目前广泛研究的一种微生物固定技术。它是通过成膜多聚物将高效微生物细胞包埋固定，形成类生物膜结构，应用于水环境治理，其优点如下：其中微生物浓度高；有利于优势菌种的固定，提高净化效率；污泥产率低；固液分离好；耐冲击负荷能力强。
但是，在我国污水处理方面，该技术尚处于实验室阶段(引自杨健等著：《有机工业废水处理理论与技术》。2005。化学工业出版社。)存在的问题有：
1.固定化颗粒的制备复杂，机械强度较弱，使用寿命短；
2.扩散阻力较大，传质能力有待改善；
3.固定化颗粒易粘连、上浮等；
4.大规模生产装置及工艺有待开发。
为了使固定化微生物能实用化，对包埋材料和工艺应满足如下要求：
1.固定化过程简单，易于大规模制造；
2.成本低；
3.对微生物细胞无毒害；
4.固定化细胞密度大，多种微生物联合作用；
5.基质通透性好、传质性好；
6.化学稳定性好，物理强度高；
7.抗微生物分解，使用寿命长。
(引自王建龙著《生物固定化技术与水污染控制》。2002。科学出版社)
传统的细胞固定化方法多采用锐孔法，将含有微生物细胞的成膜材料滴入液体固定剂中固定的。例如海藻酸钠在CaCl2溶液中固定；聚乙烯醇在硼酸溶液中固定等。过程复杂，固定、洗涤时间长、制备的效率低，难以大规模生产。
微胶囊技术是一种利用天然的或合成的高分子材料，将固体、液体，甚至气体物质包裹起来，形成有半透性或密封囊膜的微小粒子的技术，该技术解决了许多传统技术手段无法解决的工艺问题。(引自张峻等编著：食品微胶囊、超微粉碎加工技术。2004。化学工业出版社)。此技术经改进后，可应用于人造生物膜的加工生产中。
经检索，迄今，尚未发现一种应用于污染水环境治理的人造生物膜及制备方法被公开。
                            发明内容
本发明的目的是在于提供一种人造生物膜。其优点是可按需要作不同菌株组装，细胞密度高、传质性好，不易被分解破坏，用于污染水体的原位修复，流动水体的净化，养殖水体和水环境底泥治理，在水环境中稳定性好、有效期长。
本发明的另一个目的是提供一种新的、易行的制备人造生物膜的方法。即将含微生物细胞的成膜材料喷雾至粉末(流化)床上进行固定，过程简单、效率高、成本低、可机械化大规模生产。
本发明采用的技术措施：
1.本发明所指的有益微生物是国家批准使用的、列入安全菌种名录的微生物。如沼泽红假单胞菌(Rhodopseudomonas palustris)、枯草芽孢杆菌(Bacillussubtilis)、乳酸杆菌(Lactobacillus lactis)、德氏乳酸杆菌(L.B.delbruekii)、酵母(Yeast)、酿酒酵母(Saccharomyces cererisiae)、黑曲霉(Aspergillus niger)等相关菌株。微生物细胞(细胞/毫升)为1×109-1×1010。
2.人造生物膜成膜材料和含量(W/V)的选择范围如下：
  材料成份   含量
  海藻酸钠   0.1-4克
  聚乙烯醇   0.1-10克
  羧甲基纤维素钠   0.1-2克
  醋酸钠   0.5-2克
  煤基活性炭粉末   0.1-10克
  硅藻土粉末   0.5-10克
  水加至   100毫升
本发明配方可调节人造生物膜的稳定性，增强膜结构的物理强度和传质性能，保持细胞的高活性。固定化过程易操作，容易成形，减少粘连，易沉降。
3.一种人造生物膜的制备步骤如下：
(1)应用微生物菌株由生产厂家规模化生产，发酵液浓缩，使细胞数量达到5×1010个/毫升。可单菌株或2-3种多菌株混合制膜，其最终浓度为1×109-10个/毫升。
(2)将海藻酸钠、聚乙烯醇、羧甲基纤维素钠溶于水中，加热至85-90℃，使其完全溶解成胶液后，冷却至室温(20-25℃)；将煤基活性炭粉末(100-200目)、硅藻土粉末(100-180目)、醋酸钠和浓缩的细菌悬液混合后，一起加入胶液中，最后补充水至所需体积，搅拌均匀。
(3)将在食品工业中已使用的粉末(流化)床生产微胶囊的方法(引自张峻等编著：食品微胶囊、超微粉碎加工技术。2004。化学工业出版社)应用到人造生物膜细胞固定化的过程中，本发明选择二氧化硅粉、硼酸粉和石膏粉，(三者比例按需要调整，其范围为1-6∶0.1-3∶0.1-3)作为固定粉末床，进行粉末(流化)床接触固定，这是细胞固定化方法的创新。此法也适用于制备颗粒状和片状的人造生物膜。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和效果：
1.微生物种类明确、安全无毒、高效高密度，不同菌株可联合发挥作用；
2.人造生物膜类型多样、适应性强、应用范围广。如富营养化景观水体的治理、处理高浓度有机废水、生活污水等，特别是用于污染水体的原位修复、流动水体的净化、养殖水体和水环境底泥治理等；
3.性能稳定、有效期长、可重复使用。在广东清远和北京动物园的污水治理中试已得到证明，治理效果显著，前者已超过一年，后者迄今亦达到5个月。
4.人造生物膜为薄膜状，传质性能好；
5.工艺简便，成本较低；
6.可机械化加工，大规模生产。
                            附图说明
图1为一种人造生物膜处理前后水质比较示意图。
图2为一种人造生物膜7.7-8.8日试验池水中COD变化动态示意图。
图3为试验与对照虾池水中亚硝酸盐的变化示意图。
图4为试验与对照虾池水中氨氮的变化示意图。
                            具体实施方式
实施例1：
A、微生物细胞(个/毫升)：采用枯草芽孢杆菌或沼泽红假单胞菌或乳酸杆菌或德氏乳酸杆菌或酵母或酿酒酵母或黑曲霉，单菌株或2或3菌株混合(上述菌株都从市场上或商业购置)，细胞达到5×1010个/毫升，最终浓度为1×109-10个/毫升以上；
B、各组分的含量是(w/v/)：
a、聚乙烯醇                 10克
b、海藻酸钠                 0.1克
c、羧甲基纤维素钠           0.5克
d、煤基活性炭粉末           0.2克
e、硅藻土粉末                3克
f、醋酸钠                    0.5克
g、细菌细胞                  5×109个/毫升
h、加水至                    100毫升
其制备步骤是：
1、枯草芽孢杆菌、沼泽红假单胞菌等应用菌株由生产厂家规模化生产，发酵完成后浓缩，使细胞达到5×1010个/毫升。可单菌株或2或3多菌株混合制膜，其最终浓度为1×109-10个/毫升以上。
2、将聚乙烯醇、羧甲基纤维素钠、海藻酸钠溶于水中，加热至85-90℃，使其完全溶解成胶液后，冷却至室温(20-25℃)；将煤基活性炭粉末(100-200)、硅藻土粉末(100-180目)、醋酸钠和浓缩的细菌悬液混合后，一起加入胶液中，最后补充水至所需体积，搅拌均匀。
3、将上述胶液放在喷雾装置中，加压喷雾，使雾滴微囊自由降落到粉末(流化)床上。粉末床上放有二氧化硅粉、硼酸粉、石膏粉，其重量比范围为1-6∶0.1-3∶0.1-3为固定粉末床。雾滴微囊在粉末床上固定成微囊膜并回收，通过振动筛，二氧化硅粉、硼酸粉、石膏粉末回流重复使用。
4、步骤3，将上述胶液放在底部装有500个锐孔管的容器中，让胶液通过锐孔管自由或加压滴入粉末床上进行固定。通过振动筛，分离矿物粉末，可得到颗粒膜。
实施例2-5的人造生物膜原料组成(W/V)：
  原料   实施例2   实施例3   实施例4   实施例5
  微生物细胞(个/毫升)   1×109   1×1010   3×109   5×109
  羧甲基纤维素钠(克)   0.8   1   2   0.1
  海藻酸钠(克)   4   0.1   2   1
  聚乙烯醇(克)   0.1   7.5   2.5   5
  醋酸钠(克)   2   1   0.8   0.5
  活性炭粉(克)   10   1   2   0.1
  硅藻土粉末(克)   1   5   7.5   10
  加水至(毫升)   100   100   100   100
其制备步骤与实施例1相同。
应用效果实施例
1.严重污染水体的治理效果：清远市大木州水塘长期承接了某制药厂排放的大量生产废水，沉积物达一米多深，水色变黑、发臭，完全丧失了饮、用和景观功能，严重影响周边人民的生产生活。
中试在某制药厂内环境保护监测站外侧特制的塑料围栏中进行。在试验的第三天围栏中水色、水质有明显改善。水样中COD下降了50％以上；第五天透明度提高至50厘米，整个池中泥、水混合物的COD达78.4％；第八日，围栏中水色由原黑色变清，氨氮下降了40％；试验池中有沙虫、草履虫出现，表明水质有显著改善(图1和图2)。两周后，将试验池中63％人造生物膜片移入对照池中，继续观察试验池、对照池中的COD，检测的数据表明，试验池中COD仍维持在低水平，COD和氨氮总去除率分别达92.9％和83.2％；对照池中的COD也下降至30.0mg/L以下，去除率达98％左右，氨氮也都明显降低，水色变清，底泥已所剩无几。在不加任何其它措施的情况下保持了一年多，证明了人造生物膜超强性能、长效、可减量维持和重复使用，处理效率超过已往的方法。
2.北京动物园富营养化景观水体治理效果：
北京动物园是国内、外享有盛誉的科普园地和旅游景点。园内景观水体面积约6公顷，因其水源来自富营养化的长河，园内动物饲料、排泄物和游人的活动，以致水体呈严重富营养化状态，不仅影响景观，也降低了周围环境质量。虽曾采用过国内外多种技术和产品进行治理，均未能取得预期成效。为此，于2006年4月底开始，采用人造生物膜产品及配套技术，在园内猩猩馆的隔离沟中进行水体治理试验，在较短时间内，试验区水质清澈见底，并保持至今。实现了在试验区内提高透明度、控制藻华和消除臭气的治理目标，证实了产品和技术的应用效果。详见中央电视台《科技之光》栏目《清污高手-人造生物膜》节目(2006年8月29日首播)。
3.养殖水体净化效果：人造生物膜产品已在养殖水体中广泛应用，效果良好。可显著降低鱼虾塘中的氨氮和亚硝态氮，有效降低养殖风险，净化养殖环境。
见表1(虾池中NO2-N浓度变化)及图3和图4。
             表1虾池中NO2-N浓度变化
  日期   对照池   试验池(1)   试验池(2)
  09-11   0.490   0.480   0.560
  09-12   0.550   0.290   0.320
  09-13   0.320   0.270   0.250
  09-14   0.295   0.260   0.195
  09-15   0.260   0.220   0.141
  09-16   0.149   0.107   0.066
  09-17   0.185   0.100   0.056
  09-18   0.175   0.052   0.033

Claims (6)

1、一种人造生物膜，其特征在于它是由下述重量配比的原料制成的生物膜：
微生物细胞                             1×109-1×1010细胞/毫升
羧甲基纤维素钠                         0.1-2克
海藻酸钠                               0.1-4克
聚乙烯醇                               0.1-10克
醋酸钠                                 0.5-2克
煤基活性炭粉末                         0.1-10克
硅藻土粉末                             1-10克
加水至                                 100毫升。
2、根据权利要求1所述的一种人造生物膜，其特征在于：
微生物细胞                             1×109个/毫升
羧甲基纤维素钠                         0.8克
海藻酸钠                               4克
聚乙烯醇                               0.1克
醋酸钠                                 2克
煤基活性炭粉末                         10克
硅藻土粉末                             1克
加水至                                 100毫升。
3、根据权利要求1所述的一种人造生物膜，其特征在于：
微生物细胞                             1×1010个/毫升
羧甲基纤维素钠                         1克
海藻酸钠                               0.1克
聚乙烯醇                               7.5克
醋酸钠                                 1克
煤基活性炭粉末                         1克
硅藻土粉末                             5克
加水至                                 100毫升。
4、根据权利要求1所述的一种人造生物膜，其特征在于：
微生物细胞                      3×109个/毫升
羧甲基纤维素钠                  2克
海藻酸钠                        2克
聚乙烯醇                        2.5克
醋酸钠                          0.8克
煤基活性炭粉末                  2克
硅藻土粉末                      7.5克
加水至                          100毫升。
5、根据权利要求1所述的一种人造生物膜，其特征在于：
微生物细胞                      5×109个/毫升
羧甲基纤维素钠                  0.1克
海藻酸钠                        1克
聚乙烯醇                        5克
醋酸钠                          0.5克
煤基活性炭粉末                  0.1克
硅藻土粉末                      10克
加水至                          100毫升。
6、一种制备权利要求1所述的人造生物膜的方法，它包括下列步骤：
A、微生物由生产厂家规模化生产，发酵液浓缩，使细胞数量达到5×1010个/毫升，单菌株或2或3菌株混合制膜，其最终浓度为1×109-10个/毫升；
B、将海藻酸钠、聚乙烯醇、羧甲基纤维素钠溶于水中，加热至85-90℃，使其溶解成为胶液后，冷却至室温/20-25℃，将煤基活性炭粉末/100-200目、硅藻土粉末/100-180目、醋酸钠和浓缩的细菌悬液混合后，一起加入胶液中，最后补充水至所需体积，搅拌均匀；
C、将在食品工业中已使用的粉末/流化床生产微胶囊的方法应用到人造生物膜细胞固定化的过程中，选择二氧化硅粉、硼酸粉和石膏粉/三者比例范围为1-6∶0.1-3∶0.1-3作为固定粉末床，进行粉末床接触固定。
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