一種厭氧氨氧化細(xì)菌固定式生物活性填料、制備及應(yīng)用的制作方法
【專利摘要】一種厭氧氨氧化細(xì)菌固定式生物活性填料、制備及應(yīng)用，屬于水處理【技術(shù)領(lǐng)域】。填料由載體和包埋體組成，填料固定于預(yù)制框架上構(gòu)成固定式生物活性填料；載體由多層聚乙烯醇無紡布和一層紡織物縫制而成；包埋體由包埋液經(jīng)硼酸交聯(lián)固定而成；包埋液由厭氧氨氧化細(xì)菌菌懸液和聚乙烯醇溶液混合而成。將載體浸泡于包埋液中，通過硼酸二次交聯(lián)，無紡布與細(xì)菌包埋體能牢固的粘合在一起，包埋體透過紡織物網(wǎng)孔形成鉚固結(jié)構(gòu)且不易脫落，紡織物良好的抗拉性能提高生物活性填料的整體穩(wěn)定性。本發(fā)明所制備的生物活性填料不僅解決了厭氧氨氧化細(xì)菌濃度低、易流失等問題，而且具有強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好、抗水流沖擊能力強(qiáng)、縮短反應(yīng)啟動(dòng)時(shí)間等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景廣闊。
【專利說明】一種厭氧氨氧化細(xì)菌固定式生物活性填料、制備及應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及水處理領(lǐng)域中一種厭氧氨氧化細(xì)菌固定式生物活性填料制備及應(yīng)用，特別涉及一種以紡織物和聚乙烯醇無紡布為載體的固定式生物活性填料。
【背景技術(shù)】
[0002]厭氧氨氧化技術(shù)(ANAMMOX)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(diǎn)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(yùn)行費(fèi)用 低和不需外加碳源等優(yōu)點(diǎn)。
[0006]由于ANAMMOX菌的倍增時(shí)間長，細(xì)胞產(chǎn)率較低(公認(rèn)的倍增時(shí)間為lld，而有報(bào)道的最快倍增時(shí)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(shí)間相對較長。同時(shí)，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(gè)/mL時(shí)，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)胞密度并防止寶貴的ANAMMOX細(xì)菌從反應(yīng)器中流失已經(jīng)成為當(dāng)前研究的重點(diǎn)。
[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(dòng)時(shí)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(jià)格低等特點(diǎn)。
[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(shí)際當(dāng)中。實(shí)驗(yàn)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。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，其結(jié)合了單純微生物細(xì)菌與包埋材料所具有的優(yōu)點(diǎn)。
[0009]通過載體與包埋體的結(jié)合制備出的活性填料具有巨大的應(yīng)用優(yōu)勢和廣闊的應(yīng)用空間。填料結(jié)構(gòu)形式和固定化技術(shù)的選擇應(yīng)用直接決定了活性生物填料的應(yīng)用效果和使用壽命。經(jīng)過試驗(yàn)研究比較，我們發(fā)現(xiàn)基于傳統(tǒng)填料結(jié)構(gòu)形式和包埋方法而制備出的生物活性填料在試驗(yàn)中效果并不理想，存在著生物活性填料整體穩(wěn)定性差，包埋體容易脫落和水溶膨脹等諸多問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]針對上述問題，我們提出了一種整體穩(wěn)定性好的厭氧氨氧化細(xì)菌固定式生物活性填料的制備方法，由此方法制備出的厭氧氨氧化細(xì)菌生物活性填料具有填料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好、厭氧氨氧化細(xì)菌濃度高、抗水流沖擊作用強(qiáng)、反應(yīng)器啟動(dòng)時(shí)間短、厭氧氨氧化細(xì)菌建立優(yōu)勢地位時(shí)間短且不易流失等優(yōu)點(diǎn)。
[0011]多層無紡布和一層紡織物疊加在一起的包埋載體被含有厭氧氨氧化細(xì)菌的包埋體包埋，此包埋載體被固定在預(yù)制框架上。包埋體由細(xì)菌包埋液經(jīng)硼酸交聯(lián)固定而成，而細(xì)菌包埋液由厭氧氨氧化細(xì)菌濃縮液和聚乙烯醇溶液混合而成。
[0012]將多個(gè)包埋后的包埋載體以紡織物為支撐平行地固定在預(yù)制框架上。無紡布與無紡布之間、無紡布與紡織物之間均有包埋體。包埋載體被包埋體包埋后的厚度可為
3.5mm -1lmm
[0013]本發(fā)明所述的厭氧氨氧化細(xì)菌固定式生物活性填料的制備步驟如下:
[0014](I)將厭氧氨氧化細(xì)菌菌懸液離心濃縮濃度至細(xì)菌濃度為IO8 - 101°個(gè)/mL，得到包埋用厭氧氨氧化細(xì)菌濃縮液；
[0015](2)聚乙烯醇加熱溶解于水中，得到聚乙烯醇溶液；
[0016](3)將步驟(2) 中的聚乙烯醇溶液冷卻至30°C左右并與步驟(1)得到厭氧氨氧化細(xì)菌濃縮液進(jìn)行充分混合，得到厭氧氨氧化細(xì)菌包埋液(包埋液中聚乙烯醇的質(zhì)量濃度范圍為 80 - 150g/L)；
[0017](4)將多層聚乙烯醇無紡布與單層紡織物疊在一起，得到包埋載體；
[0018](5)將步驟(4)得到的包埋載體在步驟(3)所得到的厭氧氨氧化細(xì)菌包埋液中浸泡15min，然后將其置于飽和硼酸中交聯(lián)1.5h后取出，然后調(diào)節(jié)硼酸溶液pH值在8 - 10之間進(jìn)行二次交聯(lián)，硼酸二次交聯(lián)時(shí)間為5h，硼酸二次交聯(lián)結(jié)束后用清水沖洗，最后利用紡織物固定在預(yù)制框架(預(yù)制框架為正方體或長方體，框架的外形尺寸可為0.5m~2.0m)上，完成厭氧氨氧化細(xì)菌固定式生物活性填料的制備過程。生物活性填料的厚度可根據(jù)無紡布載體層數(shù)的不同而變化，厚度范圍為3.5mm - 11mm。
[0019]上述厭氧氨氧化細(xì)菌固定式生物活性填料可應(yīng)用于水處理領(lǐng)域。
[0020]本發(fā)明所述的厭氧氨氧化細(xì)菌固定式生物活性填料的有益效果主要體現(xiàn)在:
[0021](I)所采用無紡布的主要成分為聚乙烯醇纖維，經(jīng)過硼酸二次交聯(lián)法交聯(lián)固化填料，無紡布與厭氧氨氧化細(xì)菌包埋體能牢固的粘合在一起，細(xì)菌包埋體層通過紡織物網(wǎng)孔形成鉚固結(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，利于保持較高的細(xì)菌濃度，并且細(xì)菌不易流失，該生物活性填料可穩(wěn)定運(yùn)行3年以上；
[0022](2)所采用紡織物強(qiáng)度高，耐酸堿能力強(qiáng)，制備得到的厭氧氨氧化細(xì)菌生物活性填料抗水流沖擊能力強(qiáng)，細(xì)菌不易流失；
[0023](3)生物填料由于網(wǎng)狀骨架結(jié)構(gòu)的存在使厭氧氨氧化細(xì)菌包埋體實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)厚度較小的同時(shí)增加了整體結(jié)構(gòu)對水處理運(yùn)行環(huán)境變化適應(yīng)性，較小的厚度能實(shí)現(xiàn)較高的傳質(zhì)效率和包埋體較高的利用率，如果單純使用細(xì)菌包埋體自身材料做成如此厚度無法在水處理工藝處理單元里實(shí)現(xiàn)良好的填料性能；
[0024](4)生物活性填料有效比表面積大、底物傳質(zhì)效果好，厭氧氨氧化細(xì)菌能在短時(shí)間內(nèi)形成較高的細(xì)菌濃度。
[0025](5)厭氧氨氧化細(xì)菌固定式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。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]圖1為厭氧氨氧化細(xì)菌固定式生物活性填料整體及局部剖面示意圖。
[0027]圖中1.無紡布，2.包埋體，3.紡織物，4.預(yù)制框架
【具體實(shí)施方式】
[0028]下面結(jié)合實(shí)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(shí)施方式不限于此。
[0029]1.厭氧氨氧化菌液的處理
[0030]將富集培養(yǎng) 后的厭氧氨氧化細(xì)菌菌懸液離心濃縮，得到細(xì)菌濃度為3.0X IO9個(gè)/mL的厭氧氨氧化細(xì)菌濃縮液，取出3L的厭氧氨氧化細(xì)菌濃縮液備用。
[0031]2.厭氧氨氧化菌液的處理
[0032]取1.0kg聚乙烯醇水浴加熱至90°C溶解于7L水中，得到聚乙烯醇溶液，冷卻至30°C并與步驟I得到的厭氧氨氧化細(xì)菌濃縮液充分混合，加水定容到IOL得到包埋液，該包埋液中聚乙烯醇濃度為100g/L。
[0033]3.包埋載體的制備
[0034]將四層聚乙烯醇無紡布與一層紡織物(紡織物兩側(cè)各兩層無紡布)疊在一起，得到包埋載體；
[0035]4.厭氧氨氧化細(xì)菌生物活性填料制備
[0036]將步驟3得到的包埋載體置于步驟2得到的包埋液中浸泡15min，然后將其置于飽和硼酸中交聯(lián)1.5h，取出調(diào)節(jié)硼酸溶液pH值在8 - 10之間進(jìn)行二次交聯(lián)，二次交聯(lián)時(shí)間為5.0h，二次交聯(lián)結(jié)束后用清水沖洗，然后利用紡織物將填料平行傾斜地固定在預(yù)制框架上即完成厭氧氨氧化細(xì)菌固定式生物活性填料的制備過程，填料長0.6m、寬0.4m、平均厚
3.0mm,共4片，預(yù)制框架長為0.5m、寬為0.4m、高為0.6m。
[0037]5.厭氧氨氧化細(xì)菌固定式生物活性填料的應(yīng)用
[0038]在50L的反應(yīng)器中固定步驟4得到的厭氧氨氧化細(xì)菌生物活性填料，控制進(jìn)水水溫為(28±2) V，HRT為2h，pH范圍為7.5~7.8，進(jìn)水濃度(NH4+- N濃度在120mg/L和Ν02_-Ν濃度在160mg/L)。出水監(jiān)測結(jié)果表明:反應(yīng)器運(yùn)行2周恢復(fù)厭氧氨氧化活性，NH4+-N的濃度為3.lmg/L以下，氨氮去除率為97.5%以上，NO2 - N的濃度為1.6mg/L以下，亞氮去除率為99.0%以上。連續(xù)運(yùn)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93%。
[0039]上述實(shí)例表明，所采用無紡布的主要成分為聚乙烯醇纖維，經(jīng)過硼酸二次交聯(lián)法交聯(lián)固化填料，無紡布與厭氧氨氧化細(xì)菌包埋體能牢固的粘合在一起，細(xì)菌包埋體層通過紡織物網(wǎng)孔形成鉚固結(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，利于保持較高的細(xì)菌濃度，易形成優(yōu)勢種群，并且細(xì)菌不易流失，該`生物活性填料可穩(wěn)定運(yùn)行3年以上，處理效果穩(wěn)定，具有較好的應(yīng)用前景。
【權(quán)利要求】
1.一種厭氧氨氧化細(xì)菌固定式生物活性填料，其特征在于:多層無紡布和一層紡織物疊加在一起的包埋載體被含有厭氧氨氧化細(xì)菌的包埋體包埋，此包埋載體被固定在預(yù)制框架上，細(xì)菌包埋體由厭氧氨氧化細(xì)菌包埋液經(jīng)硼酸交聯(lián)固定而成，包埋液由厭氧氨氧化細(xì)菌濃縮液和聚乙烯醇溶液混合而成。
2.按照權(quán)利要求1的一種厭氧氨氧化細(xì)菌固定式生物活性填料，其特征在于:將多個(gè)包埋后的包埋載體以紡織物為支撐平行地固定在預(yù)制框架上。
3.按照權(quán)利要求1的一種厭氧氨氧化細(xì)菌固定式生物活性填料，其特征在于:無紡布與無紡布之間、無紡布與紡織物之間均有包埋體。
4.按照權(quán)利要求1的一種厭氧氨氧化細(xì)菌固定式生物活性填料，其特征在于:包埋載體被包埋液包埋后的厚度為3.
5.制備權(quán)利要求1的一種厭氧氨氧化細(xì)菌固定式生物活性填料的方法，包括以下步驟: (1)將厭氧氨氧化細(xì)菌菌懸液離心濃縮至細(xì)菌濃度為IO8-1Oki個(gè)/mL，得到包埋所用的厭氧氨氧化細(xì)菌濃縮液； (2)聚乙烯醇加熱溶解于水中，得到聚乙烯醇溶液； (3)將步驟 (2)中的聚乙烯醇溶液冷卻至30°C并與步驟(1)得到厭氧氨氧化細(xì)菌濃縮液按進(jìn)行充分混合，得到厭氧氨氧化細(xì)菌包埋液，包埋液中聚乙烯醇的質(zhì)量濃度范圍為80-150g/L ； (4)將多層聚乙烯醇無紡布與單層紡織物疊在一起，得到包埋載體； (5)將步驟(4)得到的包埋載體在步驟(3)所得到的厭氧氨氧化細(xì)菌包埋液中浸泡15min,然后將其置于飽和硼酸中交聯(lián)1.5h后取出，然后調(diào)節(jié)硼酸溶液pH值在8_10之間進(jìn)行二次交聯(lián)，硼酸二次交聯(lián)時(shí)間為5h，硼酸二次交聯(lián)結(jié)束后用清水沖洗，最后利用紡織物固定在預(yù)制框架完成厭氧氨氧化細(xì)菌固定式生物活性填料的制備過程。
6.按照權(quán)利要求5的方法，其特征在于，預(yù)制框架為正方體或長方體，框架的外形尺寸為 0.5m ~2.0m0
7.權(quán)利要求1的一種厭氧氨氧化細(xì)菌固定式生物活性填料應(yīng)用于水處理。
【文檔編號】C02F3/34GK103951049SQ201410137260
【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)