一种基于网状载体的厌氧氨氧化细菌固定化固定式生物活性填料制备及应用的制作方法
【专利摘要】一种基于网状载体的厌氧氨氧化细菌固定化固定式生物活性填料制备及应用，属于水处理领域。由包埋体和载体两部分组成，包埋体由包埋液经硼酸交联固定化形成；载体是以聚乙烯、聚丙烯为主要材料，并添加亲水材料（聚乙烯醇）经热熔或板材热压而成的片形网状载体；载体的网状结构，可使包埋体贯穿网孔形成铆固结构而增加填料整体稳定性；包埋液由厌氧氨氧化细菌菌悬液和聚乙烯醇溶液混合而成；包埋液均匀涂布于网状载体上，经硼酸二次交联固定后结合于网状载体得到厌氧氨氧化细菌生物活性填料。本发明所制备的生物活性填料，不仅可以有效解决细菌包埋体容易脱落、易流失等问题，还可以避免产生的氮气对传质的影响，缩短反应器的启动时间。
【专利说明】一种基于网状载体的厌氧氨氧化细菌固定化固定式生物活性填料制备及应用【技术领域】
[0001]本发明属于水处理领域，特别涉及一种基于网状载体的厌氧氨氧化细菌固定化固定式生物活性填料制备及应用。
【背景技术】:
[0002]厌氧氨氧化技术(ΑΝΑΜΜ0Χ)是目前己知的最为经济的生物脱氮途径，荷兰Delft大学Strous等的研究表明，在厌氧氨氧化过程包括细胞合成在内的生物反应过程可表示为式(I)
[0003]NH4"+1.32N02" +0.066HC03" +0.13H.—
[0004]1.02N2+0.26N03" +0.066CH200.5N0.5+2.03H20 (I)
[0005]由ANAMMOX的生物反应特点可以看出，ANAMMOX与传统的硝化反硝化技术相比，具有需氧量低、运行费用低和不需外加碳源等优点。
[0006]由于ANAMMOX菌的倍增时间长，细胞产率较低(公认的倍增时间为lld，而有报道的最快倍增时间也达到4.8d)，因此为了在反应器内保持相对稳定的厌氧氨氧化细菌量，厌氧氨氧化反应器要求的固体停留时间相对较长。同时，在厌氧氨氧化细菌的研究中还发现，只有在细胞密度高 于IOic1-1O11个/mL时，厌氧氨氧化菌才能显现出ANAMMOX活性。厌氧氨氧化细菌的这种细胞密度特性与细菌中普遍存在的群体感应(Quorum sensing)现象相符。群体感应是一种普遍存在于微生物细胞之间的通讯机制，它具有根据菌群密度和周围环境变化来调苄基因表达从而控制细菌群体行为的功能。因此，如何保持其在反应器中较高的细胞密度并防止宝贵的ANAMMOX细菌从反应器中流失已经成为当前研究的重点。
[0007]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、抗毒性和耐酸碱、耐盐能力明显增强，能纯化和创造特性细菌的生态优势，产生特性高效反应，显示出良好的应用前景。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，已成功用于微生物细胞包埋的材料有聚乙烯醇、琼月旨、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。
[0008]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，无法理想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、细菌流失等问题。
[0009]针对上述问题，我们开发出一种整体稳定性好的厌氧氨氧化细菌固定化固定式生物活性填料具有广泛的应用前景。
【发明内容】
[0010]本发明的目的在于开发一种基于网状载体的厌氧氨氧化细菌固定化固定式生物活性填料，该生物活性填料载体的网状结构设计，使厌氧氨氧化细菌包埋体通过网孔形成整体的铆固结构，厌氧氨氧化细菌包埋体不易脱落，并且包埋体能在网状结构载体上形成毫米级的薄膜结构，使厌氧氨氧化细菌生物活性填料整体稳定性好、整体通透性好、传质效果好。生物活性填料由于网状骨架结构的存在使厌氧氨氧化细菌包埋体可以实现结构厚度较小的同时又不失整体结构对水处理运行环境的适应性，较小的厚度能实现较高的传质效率和厌氧氨氧化细菌包埋体较高的利用率，从而利于生物膜表面基质的传质过程和氮气的散失。此外，单纯使用厌氧氨氧化细菌包埋体自身材料做成如此厚度在水处理工艺处理单元里是无法实现良好填料性能的。将厌氧氨氧化细菌与网状载体的有机包埋结合不仅继承了厌氧氨氧化细菌与载体材料的各自优点，与现有的厌氧氨氧化细菌固定化技术相比操作更加方便、工艺更加简单、造价低廉、运行稳定。
[0011]为了达到上述目的，本发明采用了以下技术方案。
[0012]一种基于网状载体的厌氧氨氧化细菌固定化固定式生物活性填料，其特征在于:固定化固定式生物活性填料为网状结构的长方形片载体被含厌氧氨氧化细菌包埋体包埋，构成网状结构的长方形片载体的网丝被厌氧氨氧化细菌包埋体通过网孔包埋形成整体的铆固结构。优选网孔的丝径为0.5-2.0mm。厌氧氨氧化细菌包埋体在网状片形结构上形成毫米级的薄膜结构。[0013]所述网状结构的长方形片载体，长度范围为0.1 -3.0m，宽度范围为0.1 _3.0m，所述网状载体的网孔可为圆形、菱形、正方形、矩形。
[0014]上述一种基于网状载体的厌氧氨氧化细菌固定化固定式生物活性填料的制备方法，其特征在于:
[0015]以聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯或ABS树脂高分子材料为主，添加亲水材料为聚乙烯醇(PVA)，通过热熔制成片形的片形网状载体。所述片形网状载体，长度范围为0.1 -3.0m,宽度范围为0.1 -3.0m，所述网状载体的网孔直径为1.0-3.0mm，丝径为0.5-2.0mm。根据聚乙烯醇-硼酸二次交联方法，将培养、离心浓缩后的厌氧氨氧化细菌浓缩液与聚乙烯醇溶液充分混合，然后均匀涂布在网状载体上，放入饱和硼酸溶液中1-3h后，调节硼酸溶液pH范围为8 - 10，交联时间为3 -24h。将其取出，洗净表面残留物质，得到片形生物活性填料。
[0016]将若干所述基于片形网状载体制成的生物活性填料通过框架结构支撑体实现灵活的应用，在各种脱氮工艺的水处理设施中发挥作用。
[0017]聚乙烯醇(PVA)的添加量可以根据需要适当调整，此为现有技术，优选将厌氧氨氧化菌菌悬液和聚乙烯醇溶液混合制得包埋液，包埋液中聚乙烯醇的质量浓度为80-100g/L，碳酸钙的质量浓度为10-40g/L。
[0018]本发明所述的基于网状载体的厌氧氨氧化细菌固定化固定式生物活性填料的有益效果主要体现在:
[0019]1.网状结构的设计，能够使厌氧氨氧化细菌包埋材料通过网孔形成整体的铆固结构，细菌包埋体不易脱落，固定化后制成的厌氧氨氧化细菌生物活性填料整体稳定性好，利于保持较高的细菌浓度，并且细菌不易流失。
[0020]2.固定化生物活性填料包埋菌量大，可形成厌氧氨氧化细菌菌群优势，提高了局部的细菌密度，处理效率高。
[0021]3.网状载体由聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯或ABS树脂为主要材料，添加了亲水剂为聚乙烯醇(PVA)，改善了载体的亲水性，增加了载体与厌氧氨氧化细菌包埋体粘结的强度，提高了生物活性填料整体的稳定性。
[0022]4.生物活性填料由于网状骨架结构的存在使氧氨氧化细菌包埋体可以实现结构厚度较小的同时又不失整体结构对水处理运行环境的适应性，较小的厚度能实现较高的传质效率和细菌包埋体较高的利用率，如果单纯用厌氧氨氧化细菌包埋体自身材料做成如此厚度在水处理工艺处理单元里无法实现良好的填料性能。
[0023]5.将若干所述基于片形网状载体制成的固定式厌氧氨氧化细菌的生物活性填料通过框架结构支撑体实现灵活的应用，在各种脱氮工艺的水处理设施中发挥作用。
[0024]6.生物活性填料的表面积全部为有效面积，避免了载体材料的浪费，增加了有效接触面积，并且产生的氮气及时散失，增强传质效果，利于反应快速、有效地进行。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]图1为片形厌氧氨氧化细菌生物活性填料示意图；
[0026]图2为I — I首I]面不意图；
[0027]图3为II — II首I]面不意图；
[0028]图4为固定式厌氧氨氧化细菌生物活性填料示意图。
[0029]图中1.网丝，2.包埋体，3.框架结构支撑体
【具体实施方式】
[0030]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。
[0031]1.片形网状载体的制备
[0032]以聚丙烯高分子聚合物为主要材料，添加质量分数为5%的亲水材料为聚乙烯醇(PVA)，制成长度为0.8m，宽度为0.15m，丝径为0.5 -2mm的片形网状载体，其网孔形状为菱形。
[0033]2.厌氧氨氧化细菌浓缩液的获取
[0034]将培养后的厌氧氨氧化细菌菌悬液进行离心浓缩，得到的细菌浓度为3.0XIOki个/mL的厌氧氨氧化细菌浓缩液。
[0035]3.细菌包埋液的获取
[0036] 称取聚乙烯醇100.0g，加入800ml水后，用高温灭菌锅在100°C温度下加热溶解15min，取出搅拌均匀后在100°C温度下再加热5min，取出并搅拌均匀冷却至30°C，将800ml聚乙烯醇溶液和制备好的200ml细菌浓缩液混合，并加入20.0g碳酸钙，搅拌均匀后制成1000ml细菌包埋液。
[0037]4.包埋液和网状载体的结合
[0038]将步骤3中得到的厌氧氨氧化细菌包埋液均匀涂布在片形网状载体表面，确保片形网状载体表面全部被厌氧氨氧化细菌包埋液均匀覆盖。
[0039]5.厌氧氨氧化细菌固定式生物活性填料的制备
[0040]将步骤4中涂抹包埋体的片形网状载体放入饱和硼酸溶液中，使其处于淹没状态，静置3h，调节溶液pH至9.0，静置4h完成固定化，清洗填料3次后，得到厌氧氨氧化细菌生物活性填料。
[0041] 6.厌氧氨氧化细菌固定式生物活性填料的应用
[0042]将上述方法制备的若干厌氧氨氧化细菌生物活性填料通过框架结构支撑体固定到上向流式的生物反应器中，该反应器为矩形设计(长度为40cm，宽度为50cm，高度为30cm),该生物活性填料的间距为5cm，倾斜放置该生物活性填料，在水流的带动下填料表面的氮气随水流排出，减少了填料表面氮气的积累。控制进水水温为(28±2) °C，pH为
7.5 - 7.8，HRT 为 2h，进水浓度(NH4+ - N 浓度在 100mg/L 和 NO2 _ - N 浓度在 130mg/L)。出水监测结果表明:反应器运行2周恢复厌氧氨氧化活性。反应器运行稳定后，NH4+ - N的浓度为2.2mg/L以下，氨氮去除率为97.8%以上，NO2 -N的浓度为1.28mg/L以下，亚氮去除率为99.0%以上。连续运行I年后，厌氧氨氧化细菌生物活性填料包埋体完好率为90%。
[0043]上述实例表明，利用网状载体进行厌氧氨氧化细菌固定化制备固定式生物活性填料操作过程简单，细菌包埋体与载体通过网孔形成的整体铆固结构，使制备得到的厌氧氨氧化细菌生物活性填料整体稳定性好、细菌包埋体不易脱落，厌氧氨氧化细菌浓度较高，易形成优势种群，通过框架结构支撑体等固定方式将其固定于各种脱氮工艺的水处理构筑物中，填料不会随水流流失，处理效果稳定，具有较好的应用前景。
【权利要求】
1.一种基于网状载体的厌氧氨氧化细菌固定化固定式生物活性填料，其特征在于:固定化固定式生物活性填料为网状结构的长方形片载体被含厌氧氨氧化细菌包埋体包埋，构成网状结构的长方形片载体的网丝被厌氧氨氧化细菌包埋体通过网孔包埋形成整体的铆固结构。
2.按照权利要求1的一种基于网状载体的厌氧氨氧化细菌固定化固定式生物活性填料，其特征在于:网孔的丝径为0.5 - 2.0mm。
3.按照权利要求1的一种基于网状载体的厌氧氨氧化细菌固定化固定式生物活性填料，其特征在于:细菌包埋体在网状片形结构上形成毫米级的薄膜结构。
4.按照权利要求1的一种基于网状载体的厌氧氨氧化细菌固定化固定式生物活性填料，其特征在于:网状结构的长方形片载体，长度范围为0.1 -3.0m，宽度范围为0.1 -3.0m。
5.按照权利要求1的一种基于网状载体的厌氧氨氧化细菌固定化固定式生物活性填料，其特征在于:所述网状载体的网孔为圆形、菱形、正方形或矩形。
6.制备权利要求1- 5所述的任种基于网状载体的厌氧氨氧化细菌固定化固定式生物活性填料的方法，其特征在于:以聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯或ABS树脂高分子材料为主,添加亲水材料为聚乙烯醇(PVA)，通过热熔制成片形的片形网状载体，根据聚乙烯醇-硼酸二次交联方法，将培养、离心浓缩后的厌氧氨氧化细菌浓缩液与聚乙烯醇溶液充分混合，然后均匀涂布在网状载体上，放入饱和硼酸溶液中1-3h后，调节硼酸溶液pH到8 -10，交联时间为3 -24h。将其取出，洗净表面残留物质，得到基于网状载体的厌氧氨氧化细菌固定化固定式生物活性填料。
7.按照权利要求6的方法，其特征在于:包埋液中聚乙烯醇的质量浓度为80-100g/L,碳酸钙的质量浓度为10 - 40g/L。
8.权利要求1的一种基于网状载体的厌氧氨氧化细菌固定化固定式生物活性填料的应用，将若干所述厌氧氨氧化细菌固定化固定式生物活性填料通过框架结构支撑体应用于脱氮工艺的水处理中。
【文档编号】C02F3/34GK103951048SQ201410137223
【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, 王猛, 管清坤, 陈伟, 鄢琳, 王小乐, 吴城锋, 孟婷, 陶慕翔, 尚海源, 胡希佳, 赵月兰, 王玉洁, 姚仁达 申请人:北京工业大学