一种氨氧化细菌三明治型多层固定化生物活性填料制备及应用的制作方法
【专利摘要】一种氨氧化细菌三明治型多层固定化生物活性填料制备及应用，属于水处理【技术领域】。氨氧化细菌生物活性填料由负载有氨氧化细菌的包埋体和无纺布载体两部分组成；包埋体和无纺布载体相间排布；无纺布载体的纤维丝与包埋体结合为一个稳定的有机整体，将氨氧化细菌浓缩液和聚乙烯醇溶液混合而成的包埋液均匀涂布于无纺布载体上，多层载体叠加在一起，经硼酸二次交联后包埋液固化形成包埋体，并结合无纺布载体形成类似三明治结构的层状填料，再经切割制成氨氧化细菌颗粒状生物活性填料。本发明不仅解决了氨氧化细菌优势建立困难、易流失等问题，提高了反应器处理能力，而且无纺布和包埋体形成的类似三明治的层状结构提高了生物活性填料的稳定性。
【专利说明】一种氨氧化细菌三明治型多层固定化生物活性填料制备及应用
【技术领域】
[0001]本发明涉及水处理中一种氨氧化细菌三明治型多层固定化生物活性填料制备及应用，属于水处理领域。
【背景技术】
[0002]当今，氨氮污染问题越来越严重，氨氮成为十二五减排新的约束指标，提升氨氮污染防治水平成为改善水环境质量的必要举措。目前，氨氮废水处理方法分为三大类，物化法、生化法和高级氧化法。生化法由于工艺成熟，性能稳定，被公认为是一种经济、有效和最有发展前途的方法。生化法包括活性污泥法和生物膜法。传统活性污泥法中通过污泥回流来保持细菌量，要想获得高效率就必须增大回流量来保持高的细菌浓度，这样就会造成运行成本上升，显然不实际。另外，硝化细菌的世代周期长，增值速率慢，致使反应器中硝化细菌浓度低，处理效率难以提高。受季节影响大。夏季温度升高，生化速率快，而到了冬季，北方大部分污水厂都会面临丝状菌引起的污泥膨胀问题，导致硝化菌流失，进而导致出水氨氮超标。因此，可考虑应用生物膜法来弥补活性污泥法中的缺点，但是生物膜法同样存在问题，对于硝化细菌来说，由于自身成膜能力较差，自然挂膜时间很长，而且，自然挂膜无选择性，难以形成高密度的菌群优势。种种原因表明，传统生化法无法达到高效的硝化效率。
[0003]硝化反应是氨氧化细菌(AOB)和亚硝酸盐氧化细菌(NOB)共同作用完成的，AOB将氨氮氧化成亚氮，NOB将亚氮进一步转化成硝氮。短程硝化又称亚硝化，此工艺可减少25%的硝化需氧量、40%的反硝化碳源、50%的污泥产量及反硝化池容积。
[0004]微生物细胞固定化技术可以大幅度提高微生物浓度、使微生物不易流失、缩短反应器启动时间、纯化和创造特性细菌的生态优势，并且固定化后的生物活性填料抗毒性和耐酸碱、耐盐能力明显增强，具有良好的应用前景。微生物细胞常用的固定化方法有吸附法、交联法和包埋法。其中，以包埋法最为常用，已成功地用于微生物细胞包埋的材料有--聚乙烯醇、琼脂、K -卡拉胶、明胶、海藻酸钠、聚丙烯酰胺、聚氨酯等。上述包埋材料具有对微生物无毒性、传质性能好、不易被生物分解、性质稳定、机械强度高、寿命长、价格低等特点。
[0005]目前，传统的细菌包埋方法是将细菌与包埋材料结合在一起，形成包埋体，例如微球、包埋块等。此方法操作简单，但局限性大，制备的生物填料容易发生水溶膨胀的问题，填料在使用过程中机械强度会因水溶膨胀而大大减弱，甚至会出现破碎的现象，因而缩短了填料的使用寿命，无法理想地应用到工程实际当中。实验研究表明，利用现有的拉西环、鲍尔环、阶梯环、悬浮改性填料等传统载体与包埋体通过粘附方式结合起来制得的生物活性填料均存在整体稳定性差、包埋体容易脱落、细菌易流失等问题。因此提高生物活性填料的整体稳定性才是生物活性填料长期稳定高效运行的关键。
【发明内容】
[0006]针对上述问题，本发明开发出一种氨氧化细菌三明治型多层固定化生物活性填料，其特征在于，该填料是由负载有氨氧化细菌的包埋体和无纺布载体两部分组成，无纺布载体和包埋体相间排布，填料整体固化后切割成氨氧化细菌颗粒状生物活性填料，无纺布载体的纤维丝与包埋体牢固结合构成一个稳定的有机整体，生物活性填料呈三明治层状结构，稳定性好。由于包埋体和无纺布的有机结合，使生物活性填料具有更多的性能，其继承了原有单纯细菌与包埋材料的所有优点；制备的颗粒状氨氧化细菌生物活性填料具有各种载体所具有的特性，例如流动性强、比表面积大、不易堵塞等优点。
[0007]颗粒状生物活性填料为长方体、正方体或圆柱体。优选层面方向为边长3mm -1Omm正方形、长宽为5mm - 20mm长方形或底面直径为5mm -1Omm圆形，厚度即层叠加方向为3mm -1Omm0
[0008]一种氨氧化细菌三明治型多层固定化生物活性填料的制备步骤如下:
[0009](I)以城市污水厂二沉池剩余污泥为菌源，将筛选富集培养后的氨氧化细菌菌悬液离心浓缩，得到IO8 -1O10个/mL的氨氧化细菌浓缩液；
[0010](2)将聚乙烯醇加热至90°C溶解于水，得到聚乙烯醇溶液；
[0011](3)将步骤(2)中的聚乙烯醇溶液冷却至30°C并与步骤(1)得到的氨氧化细菌浓缩液按一定比例充分混合，得到包埋液，包埋液中聚乙烯醇的质量浓度为70 - 140g/L ；
[0012](4)本填料采用聚乙烯醇无纺布(无纺布规格可为40g/m2 _200g/m2)，将步骤(3)得到的包埋液均匀涂抹在无纺布载体上，将涂有包埋液的无纺布多层叠加在一起，经饱和硼酸交联1.5h后取出，调节硼酸溶液pH值至8 -10进行第二次交联，二次交联时间为5h，二次交联结束后用清水冲洗， 随后将其切割成即完成氨氧化细菌固定化生物活性填料的制备过程。填料整体厚度可根据载体层数的不同而变化，制备完成后的填料厚度可为3_ - 10_。
[0013]本发明的氨氧化细菌三明治型多层固定化生物活性填料用于水处理。
[0014]本发明所述的氨氧化细菌三明治结构多层固定化生物活性填料的有益效果体现在:
[0015](I)所采用无纺布的主要成分为聚乙烯醇纤维，通过硼酸二次交联法交联固化填料，无纺布载体的立体不规则纤维丝与包埋体结合为一个稳定的有机整体，多层无纺布的应用起到了在不影响传质的情况下保持填料整体结构稳定的作用，生物活性填料可稳定运行3年以上；
[0016](2)制得的氨氧化细菌生物活性填料为颗粒状，其相对于水的比重为0.90 -1.10，在气提作用下呈悬浮状态，流化状态好，有利于氨氧化细菌生物活性填料的传质，处理效率闻;
[0017](3)在填料交联过程中，包埋体外层会形成一层致密的膜，阻碍底物传递，因此本发明采用先整体固化，填料成型后切割成颗粒状氨氧化细菌生物活性填料，不仅减少了致密膜的形成，而且节省了包埋液；
[0018](4)三明治结构的设计，使包埋体置于无纺布之间，避免了氨氧化细菌生物活性填料使用过程中因包埋体之间的相互摩擦而脱落的现象，有利于保持较高的细菌浓度；
[0019](5)氨氧化细菌生物活性填料有效比表面积大、底物传质效率高，氨氧化细菌能在短时间内形成菌群优势，可实现短程硝化，缩短启动时间；
[0020](6)氨氧化细菌种群优势可将氨氮控制氧化成亚氮，实现短程硝化不仅节约了能源也降低了处理费用。【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1为氨氧化细菌正方体颗粒状三明治结构固定化生物活性填料三维示意图；
[0022]图2为氨氧化细菌长方体颗粒状三明治结构固定化生物活性填料三维示意图；
[0023]图3为氨氧化细菌圆柱体颗粒状三明治结构固定化生物活性填料三维示意图。
[0024]图中:1、无纺布，2、包埋体。
【具体实施方式】
[0025]下面结合实施案例对本发明作进一步具体的描述，但本发明的实施方式不限于此。
[0026]实施例1
[0027]( I)氨氧化细菌浓缩液的制备
[0028]以城市污水厂二沉池剩余污泥为菌源，将筛选富集培养后的氨氧化细菌菌悬液离心浓缩，得到90L4.0X IO9个/mL的氨氧化细菌浓缩液；
[0029](2)聚乙烯醇溶液的制备
[0030]取30.0kg聚乙烯醇水浴加热至90°C溶解于210L水中，得到聚乙烯醇溶液；(3)包埋液的获取
[0031]将步骤(2)中的聚乙烯醇溶液冷却至30°C并与步骤(1)得到的30L氨氧化细菌浓缩液充分混合，得到300L包埋液；
[0032](4)氨氧化细菌生物活性填料的制备
[0033]将步骤(3)得到的包埋液均匀涂抹到聚乙烯醇无纺布载体上，五层载体叠加在一起，经饱和硼酸交联1.5h后取出，调节硼酸溶液pH值至8 - 10进行第二次交联，二次交联时间为5h，二次交联结束后填料厚度为7mm - 8mm，清洗后将其切割成长、宽各为IOmm的立方体颗粒块即完成氨氧化细菌固定化生物活性填料的制备过程；
[0034](5)氨氧化细菌生物活性填料的应用
[0035]向Im3的反应器中投加步骤(5)得到的三明治结构生物活性填料，填充率为40%，水温 25土 1°C，HRT=4h，ρΗ7.5 - 8.5，ΝΗ: - N 浓度为 150mg/L,溶解氧浓度 1.5-2.0mg/L,生物活性填料在气提作用下呈悬浮流化状态，定时测定反应器的出水氨氮浓度。出水检测结果表明:反应器出水在7天后基本稳定，出水NH4+ - N浓度稳定在5mg/L以下，去除率在96.7%以上，亚氮积累率在90%以上。生物活性填料连续运行3年，亚硝化效果稳定，无包埋体脱落现象。
【权利要求】
1.一种氨氧化细菌三明治型多层固定化生物活性填料，其特征在于，该填料是由负载有氨氧化细菌的包埋体和无纺布载体两部分组成，无纺布载体和包埋体相间排布，填料整体固化后切割成氨氧化细菌颗粒状生物活性填料，无纺布载体的纤维丝与包埋体牢固结合构成一个稳定的有机整体，生物活性填料呈三明治层状结构。
2.权利要求1的一种氨氧化细菌三明治型多层固定化生物活性填料，其特征在于，颗粒状生物活性填料为长方体、正方体或圆柱体。
3.权利要求1的一种氨氧化细菌三明治型多层固定化生物活性填料，其特征在于，层面方向为边长3mm-10mm正方形、长宽为5mm-20mm长方形或底面直径为5mm-10mm圆形，厚度即层叠加方向为3mm-10mm。
4.制备权利要求1的一种氨氧化细菌三明治型多层固定化生物活性填料的方法，其特征在于，包括以下步骤: (O以城市污水厂二沉池剩余污泥为菌源，将筛选富集培养后的氨氧化细菌离心浓缩，得到IO8-1Oki个/mL的氨氧化细菌浓缩液； (2)将聚乙烯醇加热至90°C溶解于水，得到聚乙烯醇溶液； (3)将步骤(2)中的聚乙烯醇溶液冷却至30°C并与步骤(1)得到的氨氧化细菌浓缩液按一定比例充分混合，得到包埋液，包埋液中聚乙烯醇的质量浓度为70-140g/L ； (4)本填料采用聚乙烯醇无纺布，将步骤(3)得到的包埋液均匀涂抹在无纺布载体上，将涂有包埋液的无纺布多层叠加在一起，经饱和硼酸交联1.5h后取出，调节硼酸溶液pH值至8-10进行第二次交联，二次交联时间为5h，二次交联结束后用清水冲洗，随后将其切割，即完成氨氧化细菌固定化生物活性填料的制备过程。
5.按照权利要求4的方法,其特征在于,无纺布规格为40g/m2-200g/m2。
6.按照权利要求4的方法,其特征在于,交联后填料厚度为3mm-10mm。
7.权利要求1或2或3的一种氨氧化细菌三明治型多层固定化生物活性填料用于水处理。
【文档编号】C12N11/04GK103951038SQ201410137178
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2014年4月4日 优先权日:2014年4月4日
【发明者】杨宏, 尚海源, 吴城锋, 管清坤, 陈伟, 鄢琳, 王小乐, 王猛, 孟婷, 陶慕翔, 胡希佳, 赵月兰, 王玉洁, 姚仁达 申请人:北京工业大学