一种基于网状载体的反硝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反硝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【技术领域】。生物活性填料由载体和包埋体两部分组成；载体是以聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯或ABS树脂为主要材料，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；包埋液由聚乙烯醇溶液和反硝化细菌浓缩液混合组成，包埋液均匀涂布于网状载体上，经硼酸二次交联固化形成的包埋体结合于网状载体得到反硝化细菌固定化生物活性填料；将若干生物活性填料通过预制框架固定后，置于水处理反应器中。本发明所制备的反硝化细菌固定化固定式生物活性填料整体稳定性好、工艺性能好，可以在短时间内建立并维持反硝化细菌的菌群优势，维持系统高效的反硝化能力。
【专利说明】一种基于网状载体的反硝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反硝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]随着国内外对水体氮污染问题的日益关注和高度重视，污水处理厂的出水标准越发严格。我国污水处理厂普遍要求严格执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)—级A标准。然而现有工艺的脱氮效果很难达到总氮(TN)提标的要求，必须对现有技术进行升级。
[0003]水体脱氮技术包括物理化学法和生物法。物理化学法虽然简单，但易引起二次污染。目前污水处理厂大多采用生物法。传统生物脱氮是指在好氧条件下通过硝化细菌的作用将氨氮转化为硝态氮，再在缺氧条件下通过反硝化细菌的作用将硝态氮转化为氮气。
[0004]新近研究发现了自养反硝化细菌和好氧反硝化细菌，拓宽了反硝化细菌的适用条件。但目前两者的主要瓶颈在于反硝化细菌生长较慢，反应器启动时间较长且脱氮能力较低。其大规模推广应用尚需进一步研究和实践验证。因此，目前我国各大水厂仍普遍利用异养反硝化细菌在缺氧条件下进行生物脱氮，主要工艺形式为活性污泥法。
[0005]根据国内大多 数污水处理厂的实际运行情况得出活性污泥系统反硝化过程中常存在如下问题:反硝化细菌在目前工艺条件下难以形成较强的菌群优势，反应器启动时间长，脱氮效率低；与生物膜法相比，系统抗冲击负荷能力较差；大量反硝化细菌在高浓度下，沉淀池部位易出现污泥呈大团块上浮，对出水水质产生较大影响等。
[0006]近年来微生物细胞固定化技术用于水处理领域关注度大幅提高。此技术可以在短时间内大幅提高系统内功能微生物的浓度，建立并维持稳定的功能微生物的生态优势，产生预期的物质代谢过程，缩短反应器的启动时间，明显增强对原水酸碱度、毒性、盐度等变化的适应能力，在水处理领域显示出巨大的应用前景。
[0007]常见的微生物细胞固定化方法包括吸附法、交联法和包埋法。吸附法固定的微生物量少，微生物与吸附载体之间的结合力不强；交联法对微生物的活性有影响，并且交联剂比较昂贵。目前以包埋法最为常用。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，包埋体本身缺乏水处理填料所具有的结构优势，实际应用效果不理想。而利用拉西环、鲍尔环、阶梯环等传统填料与包埋体通过粘附方式结合起来制得的生物活性填料存在整体稳定性差、包埋体易脱落、细菌易流失等问题。
[0008]针对上述问题，我们把细菌包埋和载体填料有机结合在一起，开发出一种整体稳定性好、工艺性能好的一种基于网状载体的反硝化细菌固定化固定式生物活性填料，在水处理脱氮领域具有广泛的应用前景。
【发明内容】
[0009]本发明的目的在于开发出一种基于网状载体的反硝化细菌固定化固定式生物活性填料的制备方法，利用该方法制备出一种整体稳定性好、工艺性能好的反硝化细菌固定化固定式生物活性填料，置于水处理反应器中，应用于水处理脱氮领域，在短时间内建立并维持反硝化细菌的菌群优势，维持系统高效的反硝化能力。该生物活性填料载体的网状结构设计，使包埋体通过网孔和载体形成整体的铆固结构，包埋体不易脱落，并且包埋体能够在网状结构载体上形成毫米级的薄膜结构，制得的反硝化细菌固定化生物活性填料整体稳定性好、传质效果好。此外，反硝化细菌固定化生物活性填料通过预制框架固定后，置于水处理反应器中，填料不会随水流流失，反硝化效果稳定。为了实现上述状态，本发明采用了以下技术方案。
[0010]一种基于网状载体的反硝化细菌固定化固定式生物活性填料，其特征在于:该填料由反硝化细菌包埋体和网状载体两部分组成，网状载体丝径为0.5-2mm，长为0.l_3m，宽为0.l-3m,网孔形状可为正方形、矩形、菱形或圆形；含有反硝化细菌的包埋体通过网孔和载体形成整体的铆固结构，且包埋体能够在网状结构载体上形成毫米级的薄膜结构。
[0011]一种基于网状载体的反硝化细菌固定化固定式生物活性填料的具体制备步骤如下:
[0012](1)以聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯或ABS树脂为主要材料，添加质量分数为5%_10%的亲水材料聚乙烯醇(PVA)，经热熔或板材热压制成由丝条相连接的片形网状载体，丝径为
.0.5-2mm,长为0.l_3m,宽为0.l_3m,网孔形状可为正方形、矩形、菱形或圆形；
[0013](2)将富集培养反硝化细菌后得到的反硝化细菌菌悬液离心浓缩，得到细菌数量级为IO8-1O9的反硝化细菌浓缩液；
[0014](3)将聚乙烯醇加入水中，加热至90 °C溶解，取出后搅拌均匀并冷却至31°C ±1°C，得到聚乙烯醇溶液；
[0015](4)将制备的聚乙烯醇溶液与反硝化细菌浓缩液混合均匀，并添加碳酸钙制备成包埋液，包埋液中聚乙烯醇质量浓度为80-100g/L，碳酸钙质量浓度为10-40g/L ；
[0016](5)将包埋液均匀涂布于网状载体上，确保网状载体全部被包埋液覆盖均匀；(6)根据聚乙烯醇-硼酸二次交联方法，将均匀涂布反硝化细菌包埋液的网状载体放入饱和硼酸溶液中l_3h后，调节硼酸溶液pH至8-10，交联3-24h，将其取出，洗净表面残留物质，得到片形反硝化细菌固定化生物活性填料；
[0017](7)将若干片形反硝化细菌固定化生物活性填料通过预制框架固定，即完成反硝化细菌固定化固定式生物活性填料的制备过程。
[0018]将制得的基于网状载体的反硝化细菌固定化固定式生物活性填料置于水处理反应器中，应用于水处理脱氮领域。
[0019]本发明所述的基于网状载体的反硝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:
[0020]1.网状载体由聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯或ABS树脂为主要材料，添加了质量分数为5%-10%的亲水材料聚乙烯醇(PVA)，改善了载体的亲水性，增加了载体与包埋体粘结的强度，提高了生物活性填料整体的稳定性；
[0021]2.载体的网状结构设计，使包埋体通过网孔和载体形成整体的铆固结构，包埋体不易脱落，制得的反硝化细菌固定化生物活性填料整体稳定性好、机械强度高、有利于维持较高的反硝化细菌浓度；
[0022]3.生物活性填料由于网状骨架结构的存在，使包埋体可以实现结构厚度较小，同时不失整体结构对水处理运行环境变化的适应性，较小的厚度能实现较高的传质效率和包埋体较高的利用率，如果用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]4.实验研究表明，传统固定化生物活性填料稳定性差，包埋体易脱落，而以网状载体固定化得到的生物活性填料整体稳定性好，填料寿命在3年以上；
[0024]5.生物活性填料的表面积全部为有效面积，避免了材料的浪费；
[0025]6.固定化生物活性填料包埋菌量大，将反硝化细菌固定化生物活性填料通过预制框架固定后，置于水处理反应器中，可以在短时间内大幅提高系统内反硝化细菌的浓度，建立并维持稳定的反硝化细菌的生态优势，缩短反应器的启动时间，维持高效的反硝化能力；
[0026]7.反硝化细菌固定化生物活性填料通过预制框架固定后，置于水处理反应器中，填料不会随水流流失，反硝化效果稳定，且反硝化细菌固定于生物活性填料上，不会出现活性污泥法中的污泥膨胀及上浮问题。
【专利附图】
【附图说明】:
[0027]图1为片形反硝化细菌固定化生物活性填料示意图；
[0028]图2为1-1首I]面不意图；
[0029]图3为I1-1I剖面示意图；
[0030]图4为基于网状载体的反硝化细菌固定化固定式生物活性填料示意图。
[0031]图中1.网丝，2.包埋体，3.预制框架。
【具体实施方式】:
[0032]下面结合实施案例对本发明作进一步具体描述，但本发明的实施方式不限于此。
[0033]实施例1:
[0034]1.片形网状载体的制备
[0035]以聚丙烯为主要材料，添加质量分数为5%的亲水材料聚乙烯醇(PVA)，经板材热压制成由丝条相连接的片形网状载体，丝径为1mm，网孔形状为边长2mm的正方形，根据需要共制备50片片形网状载体，每片长为lm，宽为0.5m。
[0036]2.反硝化细菌浓缩液的制备
[0037]以某城市污水处理厂二沉池剩余污泥为菌源，富集培养反硝化细菌，将培养后得到的反硝化细菌菌悬液离心浓缩，得到细菌浓度为3.5X IO9个/mL的反硝化细菌浓缩液，取25L备用。
[0038]3.反硝化细菌包埋液的制备
[0039]称取5kg聚乙烯醇加入至25L水中，水浴加热至90°C溶解，取出后搅拌均匀并冷却至30°C，将制备的25L聚乙烯醇溶液和25L反硝化细菌浓缩液混合，并加入Ikg碳酸钙，搅拌均匀后制成50L反硝化细菌包埋液，包埋液中聚乙烯醇质量浓度为100g/L，碳酸钙质量浓度为20g/L。
[0040]4.反硝化细菌包埋液和网状载体的结合
[0041]将反硝化细菌包埋液均匀涂布于网状载体上，确保网状载体全部被包埋液覆盖均匀。
[0042]5.反硝化细菌固定化生物活性填料的制备
[0043]将均匀涂布反硝化细菌包埋液的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，得到反硝化细菌固定化生物活性填料。
[0044]6.反硝化细菌固定化固定式生物活性填料的制备
[0045]将制得的50片反硝化细菌固定化生物活性填料平行排列，间距为2cm ;倾斜放置，宽边置于水平，长边与水平面形成夹角；固定于长为Im,宽为0.2m,高为0.8m的预制框架上。
[0046]7.反硝化细菌固定化固定式生物活性填料的应用
[0047]将所制得的反硝化细菌固定化固定式生物活性填料置于有效容积为720L (长为
1.2m,宽为0.6m,有效水深为Im)的上向流立方体反应器底部中间位置,框架长边与反应器长边平行。进水采用人工配水，以乙酸钠为碳源，N03_-N100±10mg/L，C/N=10 (碳源充足)，pH7.3-7.5, DOO-0.5mg/L，水温25± 1°C，HRT=2h。每天按时取样测定系统的反硝化能力。检测结果表明，反应器运行I周后达到稳定状态，出水Ν03_-Ν、Ν02_-Ν浓度均在2mg/L以下，脱氮率在95.5%以上。反应器连续运行I年，反硝化细菌固定化固定式生物活性填料包埋体完好率为90%。
[0048]上述实例表明，将反硝化细菌固定化固定式生物活性填料置于水处理反应器中，可以在短时间内建立反硝化细菌的菌群优势，缩短反应器的启动时间，提高系统的反硝化能力；系统能够长期保持较高的反硝化细菌浓度，维持高效的反硝化能力；包埋体不易脱落，填料寿命较长；填料不会随水流流失，具有良好的应用前景。
【权利要求】
1.一种基于网状载体的反硝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:该方法具体步骤如下: (1)以聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯或ABS树脂为主要材料，添加质量分数为5%-10%的亲水材料聚乙烯醇(PVA)，经热熔或板材热压制成由丝条相连接的片形网状载体。 (2)将富集培养后的反硝化细菌菌悬液离心浓缩，得到细菌数量级为IO8-1O9的反硝化细菌浓缩液； (3)将聚乙烯醇加入水中，加热至90°C溶解，取出后搅拌均匀并冷却至31°C± I°C，得到聚乙烯醇溶液； (4)将制备的聚乙烯醇溶液与反硝化细菌浓缩液混合均匀，并添加碳酸钙制备成包埋液，包埋液中聚乙烯醇质量浓度为80-100g/L，碳酸钙质量浓度为10-40g/L ； (5)将包埋液均匀涂布于网状载体上，确保网状载体全部被包埋液覆盖均匀； (6)根据聚乙烯醇-硼酸二次交联方法，将均匀涂布反硝化细菌包埋液的网状载体放入饱和硼酸溶液中l_3h后，调节硼酸溶液pH至8-10，交联3-24h ;将其取出，洗净表面残留物质，得到片形反硝化细菌固定化生物活性填料； (7)将若干片形反硝化细菌固定化生物活性填料通过预制框架固定，即完成基于网状载体的反硝化细菌固定化固定式生物活性填料的制备过程。
2.按照权利要求1制备的一种基于网状载体的反硝化细菌固定化固定式生物活性填料，其特征在于:生物活性填料由网状载体和包埋体两部分组成，含有反硝化细菌的包埋体通过网孔和载体形成整体的铆固结构，且包埋体能在网状结构载体上形成毫米级的薄膜结构。
3.按照权利要求1制备的一种基于网状载体的反硝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0.5-2mm。
4.按照权利要求1制备的一种基于网状载体的反硝化细菌固定化固定式生物活性填料，其特征在于:所述片形网状载体，长为0.l-3m，宽为0.l-3m。
5.按照权利要求1制备的一种基于网状载体的反硝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正方形、矩形、菱形或圆形。
6.按照权利要求1制备的一种基于网状载体的反硝化细菌固定化固定式生物活性填料，其特征在于:反硝化细菌固定化生物活性填料通过预制框架固定。
7.按照权利要求2-6所述的一种基于网状载体的反硝化细菌固定化固定式生物活性填料的应用，其特征在于:置于水处理反应器中，应用于水处理脱氮领域。
【文档编号】C02F101/16GK103951031SQ201410137225
【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, 姚仁达, 尚海源, 胡希佳, 陶慕翔, 赵月兰, 王玉洁, 孟婷, 王小乐, 管清坤, 吴城锋, 王猛, 陈伟, 鄢琳 申请人:北京工业大学