一種基于網(wǎng)狀載體的厭氧氨氧化細(xì)菌固定化直筒狀生物活性填料制備及應(yīng)用的制作方法
【專利摘要】一種基于網(wǎng)狀載體的厭氧氨氧化細(xì)菌固定化直筒狀生物活性填料制備及應(yīng)用，屬于水處理領(lǐng)域。由包埋體和載體兩部分組成，包埋體由包埋液經(jīng)硼酸交聯(lián)固定化形成；載體是以聚乙烯、聚丙烯為主要材料，并添加親水材料（聚乙烯醇）經(jīng)熱熔或板材熱壓而成的網(wǎng)狀直筒狀載體；載體的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，可使包埋體貫穿網(wǎng)孔形成鉚固結(jié)構(gòu)而增加填料整體穩(wěn)定性；包埋液由厭氧氨氧化細(xì)菌菌懸液和聚乙烯醇溶液混合組成；包埋液均勻涂布于網(wǎng)狀載體上，經(jīng)硼酸二次交聯(lián)固定后結(jié)合于網(wǎng)狀載體上得到厭氧氨氧化細(xì)菌生物活性填料。本發(fā)明所制備的生物活性填料，不僅可以有效解決細(xì)菌包埋體容易脫落、易流失等問題，還可以避免產(chǎn)生的氮氣對傳質(zhì)的影響，縮短反應(yīng)器的啟動時間。
【專利說明】一種基于網(wǎng)狀載體的厭氧氨氧化細(xì)菌固定化直筒狀生物活性填料制備及應(yīng)用【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于水處理領(lǐng)域，特別涉及一種基于網(wǎng)狀載體的厭氧氨氧化菌固定化直筒狀生物活性填料制備及應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]厭氧氨氧化技術(shù)(ΑΝΑΜΜ0Χ)是目前己知的最為經(jīng)濟(jì)的生物脫氮途徑，荷蘭Delft大學(xué)Strous等的研究表明，在厭氧氨氧化過程包括細(xì)胞合成在內(nèi)的生物反應(yīng)過程可表示為式(I)
[0003]NH4"+1.32N02" +0.066HC03" +0.13H.—
[0004]1.02N2+0.26N03" +0.066CH200.5N0.5+2.03H20 (I)
[0005]由ANAMMOX的生物反應(yīng)特點可以看出，ANAMMOX與傳統(tǒng)的硝化反硝化技術(shù)相比，具有需氧量低、運行費用低和不需外加碳源等優(yōu)點。
[0006]由于ANAMMOX菌的倍增時間長，細(xì)胞產(chǎn)率較低(公認(rèn)的倍增時間為11 d，而有報道的最快倍增時間也達(dá)到4.8d)，因此為了在反應(yīng)器內(nèi)保持相對穩(wěn)定的厭氧氨氧化細(xì)菌量，厭氧氨氧化反應(yīng)器要求的固體停留時間相對較長。同時，在厭氧氨氧化細(xì)菌的研究中還發(fā)現(xiàn)，只有在細(xì)胞密度高于IOic1-1O11個/mL時，厭氧氨氧化菌才能顯現(xiàn)出ANAMMOX活性。厭氧氨氧化細(xì)菌的這種細(xì)胞密度特性與細(xì)菌中普遍存在的群體感應(yīng)(Quorum sensing)現(xiàn)象相符。群體感應(yīng)是一種普遍存在于微生物細(xì)胞之間的通訊機(jī)制，它具有根據(jù)菌群密度和周圍環(huán)境變化來調(diào)芐基因表達(dá)從而控制細(xì)菌群體行為的功能。因此，如何保持其在反應(yīng)器中較高的細(xì)胞密度并防止珍貴的ANAMMOX細(xì)菌從反應(yīng)器中流失已經(jīng)成為了當(dāng)前研究的重點。
[0007]微生物細(xì)胞固定化技術(shù)可以大幅度提高微生物濃度，使微生物不易流失、縮短反應(yīng)器啟動時間、抗毒性和耐酸堿、耐鹽能力明顯增強(qiáng)，能純化和創(chuàng)造特性細(xì)菌的生態(tài)優(yōu)勢，產(chǎn)生特性高效反應(yīng)，顯示出良好的應(yīng)用前景。微生物細(xì)胞常用的固定化方法有吸附法、交聯(lián)法和包埋法。其中，以包埋法最為常用，已成功用于微生物細(xì)胞包埋的材料有聚乙烯醇、瓊月旨、K -卡拉膠、明膠、海藻酸鈉、聚丙烯酰胺、聚氨酯等。上述包埋材料具有對微生物無毒性、傳質(zhì)性能好、不易被生物分解、性質(zhì)穩(wěn)定、機(jī)械強(qiáng)度高、壽命長、價格低等特點。
[0008]目前，傳統(tǒng)的細(xì)菌包埋方法是將細(xì)菌與包埋材料結(jié)合在一起形成包埋體，例如微球、包埋塊等。此方法操作簡單，但局限性大，無法理想應(yīng)用到工程實際當(dāng)中。實驗研究表明，利用現(xiàn)有的拉西環(huán)、鮑爾環(huán)、階梯環(huán)、懸浮改性填料等傳統(tǒng)載體與包埋體通過粘附方式結(jié)合起來制得的生物活性填料均存在整體穩(wěn)定性差、包埋體容易脫落、細(xì)菌流失等問題。
[0009]針對上述問題，我們開發(fā)出一種整體穩(wěn)定性好的厭氧氨氧化細(xì)菌固定化直筒狀生物活性填料及其制備方法。

【發(fā)明內(nèi)容】
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[0010]本發(fā)明的目的在于開發(fā)一種基于網(wǎng)狀載體的厭氧氨氧化細(xì)菌固定化直筒狀生物活性填料，該生物活性填料載體的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)設(shè)計，使厭氧氨氧化細(xì)菌包埋體通過網(wǎng)孔形成整體的鉚固結(jié)構(gòu)，細(xì)菌包埋體不易脫落，并且包埋體能在網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)載體上形成毫米級的薄膜結(jié)構(gòu)，使厭氧氨氧化細(xì)菌生物活性填料整體穩(wěn)定性好，利于保持較高的細(xì)菌濃度，整體通透性好，傳質(zhì)效果好。生物活性填料由于網(wǎng)狀骨架結(jié)構(gòu)的存在使厭氧氨氧化細(xì)菌包埋體可以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)厚度較小的同時又不失整體結(jié)構(gòu)對水處理運行環(huán)境的適應(yīng)性，較小的厚度能實現(xiàn)較高的傳質(zhì)效率和厭氧氨氧化細(xì)菌包埋體較高的利用率，從而利于生物膜表面基質(zhì)的傳質(zhì)過程和氮氣的散失。此外，單純使用厭氧氨氧化細(xì)菌包埋體自身材料做成如此厚度在水處理工藝處理單元里是無法實現(xiàn)良好填料性能的。將厭氧氨氧化細(xì)菌與網(wǎng)狀載體的有機(jī)包埋結(jié)合不僅繼承了厭氧氨氧化細(xì)菌與載體材料的各自優(yōu)點，與現(xiàn)有的厭氧氨氧化細(xì)菌固定化技術(shù)相比操作更加方便、工藝更加簡單、造價低廉、運行穩(wěn)定。
[0011]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案。
[0012]一種基于網(wǎng)狀載體的厭氧氨氧化細(xì)菌固定化直筒狀生物活性填料，其特征在于:所述的直筒狀生物活性整體是中空直筒狀，筒壁是網(wǎng)狀的，組成網(wǎng)孔的網(wǎng)絲被厭氧氨氧化細(xì)菌包埋體通過網(wǎng)孔包埋形成整體的鉚固結(jié)構(gòu)，細(xì)菌包埋體在網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)上形成毫米級的薄膜結(jié)構(gòu)。[0013]網(wǎng)狀的生物活性填料載體為聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯或ABS樹脂高分子材料為主，添加親水材料為聚乙烯醇(PVA)，通過絲條熱熔成型或板材熱壓成孔等方式，制成具有網(wǎng)狀筒壁的筒狀結(jié)構(gòu)載體，筒狀結(jié)構(gòu)直徑為0.5 - 3.0cm,高度為0.5 - 3.0cm,其筒壁的網(wǎng)孔形狀可為圓形、菱形、正方形、矩形。優(yōu)選構(gòu)成網(wǎng)孔的絲徑為0.5 - 2.0mm。
[0014]上述一種基于網(wǎng)狀載體的厭氧氨氧化細(xì)菌固定化直筒狀生物活性填料的制備方法，包括以下步驟:
[0015](I)以聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、ABS樹脂高分子材料為主，添加親水材料為聚乙烯醇(PVA)，通過絲條熱熔成型或板材熱壓成孔等方式，制成網(wǎng)狀壁面的直筒狀結(jié)構(gòu)載體；
[0016](2)將厭氧氨氧化細(xì)菌的濃縮液和聚乙烯醇包埋體混合后形成的包埋液均勻涂布在直筒狀結(jié)構(gòu)載體的外表面上，根據(jù)聚乙烯醇-硼酸二次交聯(lián)方法，將涂布有包埋液的直筒狀結(jié)構(gòu)載體放入飽和硼酸溶液中浸泡Ih - 3h后，調(diào)節(jié)硼酸溶液pH范圍到8 - 10，交聯(lián)時間為3h _24h，然后將其取出，洗凈表面殘留物質(zhì)，得到生物活性填料。此時得到的厭氧氨氧化細(xì)菌生物活性填料比重在0.90 - 1.10之間。
[0017]聚乙烯醇(PVA)的添加量可以根據(jù)需要適當(dāng)調(diào)整，此為現(xiàn)有技術(shù)，優(yōu)選將厭氧氨氧化菌菌懸液和聚乙烯醇溶液混合制得包埋液，包埋液中聚乙烯醇的質(zhì)量濃度為80-100g/L。
[0018]本發(fā)明基于網(wǎng)狀載體的直筒狀生物活性填料應(yīng)用于水處理。
[0019]本發(fā)明所述的基于網(wǎng)狀載體的厭氧氨氧化細(xì)菌固定化直筒狀生物活性填料的有益效果主要體現(xiàn)在:
[0020]1.網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的設(shè)計，能夠使厭氧氨氧化細(xì)菌包埋材料通過網(wǎng)孔形成整體的鉚固結(jié)構(gòu)，細(xì)菌包埋體不易脫落，固定化后制成的厭氧氨氧化細(xì)菌生物活性填料整體穩(wěn)定性好，有利于保持較高的細(xì)菌濃度。
[0021]2.網(wǎng)狀載體設(shè)計為直筒狀，水流對生物活性填料中的切向摩擦可以避免雜菌的生長，中空結(jié)構(gòu)可使流體穿過，不會造成填料內(nèi)腔堵塞。
[0022]3.實驗研究表明，以傳統(tǒng)填料為載體固定化得到的厭氧氨氧化細(xì)菌生物活性填料，穩(wěn)定性差，2天內(nèi)包埋材料幾乎全部脫落，而以網(wǎng)狀載體固定化得到的該細(xì)菌生物活性填料整體穩(wěn)定性好，填料壽命在2年以上。
[0023]4.由于厭氧氨氧化細(xì)菌包埋體和載體的有機(jī)結(jié)合，使生物活性填料具有更多的性能，其繼承了厭氧氨氧化細(xì)菌與包埋材料的各自優(yōu)點，細(xì)菌的固定化和細(xì)菌密度的增加不僅有效解決了厭氧氨氧化細(xì)菌的流失和富集問題，而且載體材料的應(yīng)用使生物活性填料具有各種載體所具有的特性，例如易流動性、比表面積大、不易堵塞等優(yōu)點。與現(xiàn)有的厭氧氨氧化固定化技術(shù)相比操作更加方便、工藝更加簡單、造價低廉、運行穩(wěn)定。
[0024]5.網(wǎng)狀載體由聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、ABS樹脂為主要材料，添加了聚乙烯醇(PVA)等親水材料，改善了載體的親水性，增加了載體與厭氧氨氧化細(xì)菌包埋體粘結(jié)的強(qiáng)度，提高了生物活性填料整體的穩(wěn)定性。
[0025]6.生物 活性填料由于網(wǎng)狀骨架結(jié)構(gòu)的存在使氧氨氧化細(xì)菌包埋體可以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)厚度較小的同時又不失整體結(jié)構(gòu)對水處理運行環(huán)境的變化性，較小的厚度能實現(xiàn)較高的傳質(zhì)效率和細(xì)菌包埋體較高的利用率，如果用厭氧氨氧化細(xì)菌包埋體自身材料做成如此厚度在水處理工藝處理單元里無法實現(xiàn)良好的填料性能。
[0026]7.固定化生物活性填料包埋菌量大，可形成厭氧氨氧化細(xì)菌菌群優(yōu)勢，提高了局部的細(xì)菌密度，處理效率高。
[0027]8.生物活性填料的表面積全部為有效面積，避免了載體材料的浪費。增加了有效接觸面積，并且產(chǎn)生的氮氣及時散失，增強(qiáng)傳質(zhì)效果，利于反應(yīng)快速、有效地進(jìn)行。
[0028]9.生物活性填料的比重在0.90 -1.10之間，此時的生物活性填料密度在反應(yīng)器中處于流化狀態(tài)，周圍被基質(zhì)所包圍利于傳質(zhì)過程，并且利于產(chǎn)生氮氣的散失。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0029]圖1為直筒狀厭氧氨氧化細(xì)菌生物活性填料示意圖；
[0030]圖2為圖1 I 一 I首I]面不意圖；
[0031]圖3為圖1 II — II劑面不意圖。
[0032]圖中1.網(wǎng)絲,2.包埋體
【具體實施方式】
[0033]下面結(jié)合實施案例對本發(fā)明作進(jìn)一步具體的描述，但本發(fā)明的實施方式不限于此。
[0034]1.網(wǎng)狀載體的制備
[0035]以聚丙烯高分子聚合物為主要材料，添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的親水材料聚乙烯醇(PVA),制成直徑為0.8cm,高為1.0cm,絲徑為1.0mm的直筒狀網(wǎng)狀載體，其網(wǎng)孔形狀為直徑2mm的圓形。
[0036]2.厭氧氨氧化菌濃縮液的制取
[0037]將培養(yǎng)后的厭氧氨氧化細(xì)菌菌懸液進(jìn)行離心濃縮，得到細(xì)菌濃度為2.5XlOiciA/HiL的厭氧氨氧化細(xì)菌濃縮液。
[0038]3.厭氧氨氧化細(xì)菌包埋液的獲取
[0039]稱取聚乙烯醇270.0g加入2100ml水中，用高溫滅菌鍋在100°C溫度下加熱溶解15min，取出攪拌均勻后在100°C溫度下再加熱5min，取出并攪拌均勻冷卻至30°C，將2100ml聚乙烯醇溶液和制備好的900ml厭氧氨氧化細(xì)菌濃縮液混合，并加入30.0g活性炭粉末，攪拌均勻后制成3000ml包埋液。
[0040]4.厭氧氨氧化細(xì)菌包埋液和網(wǎng)狀載體的結(jié)合
[0041]將步驟3中得到的厭氧氨氧化細(xì)菌包埋液均勻涂布在環(huán)狀載體上，確保環(huán)狀載體表面全部被細(xì)菌包埋液均勻覆蓋。
[0042]5.厭氧氨氧化生物活性填料的制備
[0043]將步驟4中涂抹細(xì)菌包埋液的直筒狀載體放入飽和硼酸溶液中，使其處于淹沒狀態(tài)，靜置3h，調(diào)節(jié)溶液pH至9.0，靜置4h完成固定化，清洗填料3次后，得到厭氧氨氧化生物活性填料，此時厭氧氨氧化細(xì)菌生物活性填料比重在0.96 - 1.05之間。
[0044]6.生物活性填料活性的應(yīng)用
[0045]將上述的厭氧氨氧化細(xì)菌生物活性填料按反應(yīng)器體積填充率50%投加到有效容積為2.5L的上向流生物反應(yīng)器中，填料在水流帶動下處于流化狀態(tài)，利于排出產(chǎn)生的氮氣氣泡?？刂七M(jìn)水水溫為(28 ± 2 ) °C，pH為7.5 - 7.8，NH: - N濃度在80mg/L和NO2' N濃度在100mg/L，HRT為2h。出水監(jiān)測結(jié)果表明:反應(yīng)器運行2周恢復(fù)厭氧氨氧化活性，NH4+ - N濃度為1.5mg/L以下，去除率為98.1%以上，NO2— -N濃度為0.86mg/L以下，去除率為99.1%以上。反應(yīng)器連續(xù)運行I年后，厭氧氨氧化細(xì)菌生物活性填料包埋體完好率為92%，避免了細(xì)菌的流失，較傳統(tǒng) 生物濾池排氣、傳質(zhì)效果好，有利于厭氧氨氧化細(xì)菌的生長繁殖。
【權(quán)利要求】
1.一種基于網(wǎng)狀載體的厭氧氨氧化細(xì)菌固定化直筒狀生物活性填料，其特征在于:所述的直筒狀生物活性整體是中空直筒狀，筒壁是網(wǎng)狀的，組成網(wǎng)孔的網(wǎng)絲被厭氧氨氧化細(xì)菌包埋體通過網(wǎng)孔包埋形成整體的鉚固結(jié)構(gòu)，細(xì)菌包埋體在網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)上形成毫米級的薄膜結(jié)構(gòu)。
2.按照權(quán)利要求1的一種基于網(wǎng)狀載體的厭氧氨氧化細(xì)菌固定化直筒狀生物活性填料，其特征在于:筒狀結(jié)構(gòu)直徑為0.5 - 3.0cm,高度為0.5 - 3.0cm0
3.按照權(quán)利要求1的一種基 于網(wǎng)狀載體的厭氧氨氧化細(xì)菌固定化直筒狀生物活性填料，其特征在于:筒壁的網(wǎng)孔形狀為圓形、菱形、正方形或矩形。
4.按照權(quán)利要求1的一種基于網(wǎng)狀載體的厭氧氨氧化細(xì)菌固定化直筒狀生物活性填料，其特征在于:構(gòu)成網(wǎng)孔的絲徑為0.5 - 2.0mm。
5.按照權(quán)利要求1的一種基于網(wǎng)狀載體的厭氧氨氧化細(xì)菌固定化直筒狀生物活性填料，其特征在于:基于網(wǎng)狀載體的厭氧氨氧化細(xì)菌固定化直筒狀生物活性填料比重在0.90 - 1.10 之間。
6.制備權(quán)利要求1的一種基于網(wǎng)狀載體的厭氧氨氧化細(xì)菌固定化直筒狀生物活性填料的制備方法，包括以下步驟: (1)以聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯或ABS樹脂高分子材料為主，添加親水材料聚乙烯醇(PVA)，通過絲條熱熔成型或板材熱壓成孔的方式，制成網(wǎng)狀壁面的直筒狀結(jié)構(gòu)載體； (2)將厭氧氨氧化細(xì)菌濃縮液和聚乙烯醇溶液混合后形成的包埋液均勻涂布在直筒狀結(jié)構(gòu)載體的外表面上，根據(jù)聚乙烯醇-硼酸二次交聯(lián)方法，將涂布有包埋液的直筒狀結(jié)構(gòu)載體放入飽和硼酸溶液中浸泡1- 3h后，調(diào)節(jié)硼酸溶液pH范圍到8 - 10，交聯(lián)時間為3 - 24h，然后將其取出，洗凈表面殘留物質(zhì)，得到厭氧氨氧化細(xì)菌生物活性填料。
7.制備權(quán)利要求6的方法，其特征在于:包埋液中聚乙烯醇的質(zhì)量濃度為80-100g/L，碳酸鈣的質(zhì)量濃度為10-40g/L。
8.權(quán)利要求1-5的一種基于網(wǎng)狀載體的厭氧氨氧化細(xì)菌固定化直筒狀生物活性填料應(yīng)用于水處理。
【文檔編號】C02F3/34GK103951047SQ201410137209
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年4月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月4日
【發(fā)明者】楊宏, 王猛, 管清坤, 陳偉, 鄢琳, 王小樂, 吳城鋒, 孟婷, 陶慕翔, 尚海源, 胡希佳, 趙月蘭, 王玉潔, 姚仁達(dá) 申請人:北京工業(yè)大學(xué)