1.本发明涉及生物膜制备技术领域，具体涉及一种基于改性纤维素微藻生物膜的制备方法及应用。
背景技术：
2.水体污染、水质下降、水资源短缺已经成为世界各国共同面对的最大危机，如何提高水资源的再利用率，推进水资源的可持续发展成为当务之急。其中，氮、磷污染及其引起的水体富营养化是国内外最主要的环境问题之一，修复污染的水环境成为一项重大的环保工程。
3.传统的生物处理方法如活性污泥法需要输入高能量以供应氧气，并且不能回收废水中存在的营养物质。基于藻类的废水处理方式，与常规技术相比，具有减少二氧化碳排放和回收营养物质的优点。藻类作为一类单细胞生物，能够有效利用水体中的氮、磷等营养物质合成自身有机体，降低水体富营养化程度。此外，藻类富集重金属能力强，利用藻类吸附有毒物质如镉、汞、铅等技术也在不断发展。藻类具有生长繁殖快、光合效率高、适应多种废水、占有土地资源少等特点，不仅能够修复受污染的水环境，还可以将收获的藻细胞用于生产生物柴油、饲料和其他化学物质等。因此，藻类废水处理技术正成为废水治理中的一个重要研究方向。
4.悬浮藻处理废水后随水体流出，生物量密度低、采集收获困难，不适用于废水处理和藻类培养，而藻类固定化技术解决了这一难题，微藻固定化技术包括交联法、包埋法、吸附法几种方式。包埋法是将微藻截留在水不溶性的凝胶聚合物空隙的网络空间中，通过聚合作用或者通过离子网络形成，再或者通过沉淀作用，或者改变溶剂、温度、ph等外界因素，从而实现微藻细胞截留，来实现细胞固定化，其优点是固定化强度高，颗粒强度高，细胞和载体之间没有束缚，缺点是实验操作复杂，并且微藻经过固定化后，其新陈代谢会受到负面影响，导致生长受到抑制，从而影响污水效果。交联法是指通过交联剂表面的活跃基团与微藻细胞表面的活性基团之间的交联作用，来形成网状结构，从而达到固定化效果。其优点是操作方法简单，细胞不易脱落，缺点是剧烈的固定化作用会对固定化的细胞伤害较大，不利于细胞后期生长，因而限制了其在废水微藻处理技术上的应用。吸附法是利用高分子材料或无机材料较大的比表面积将微藻吸附在其表面的技术。微藻能以生物膜的形式在载体表面固当污水流经生物膜表面时，微藻对污水中的氮磷、有机物和重金属进行吸附和降解，吸附法操作方便，成本较低。
5.目前应用最广泛的微藻固定化方法为通过载体和生物细胞之间的吸附、粘结和静电作用，将生物细胞固定在载体表面或内部，但目前的载体材料存在负载藻类生物有限以及容易脱落的技术问题。按照吸附材料分为物理吸附和离子吸附2种。前者利用微藻与材料间的范德华力进行吸附固定，典型的材料有硅胶、聚氯乙烯、活性炭、硅藻土、沸石、多孔玻璃、聚脂纤维素膜、陶粒、麦饭石(硅酸铝盐)等，上述载体成本低廉，应用范围广，光合效率高，但吸附作用较弱，微藻膜易脱落，且材料不易生物降解可能构成二次污染。离子吸附所
用的材料一般是表面带有与菌藻生物膜相异电荷的高分子材料，吸附作用较强，但对微藻的吸附量有限，且材料成本过高，典型的材料有deae-纤维素、deae-sephadex等。而木质纤维素材料产量大、价格低廉、不造成二次污染，且其材料表面粗糙，具有丰富的脊和凹槽微结构，为藻体附着提供了可能，可作为微藻固定化技术的优良载体材料。
技术实现要素：
6.针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于改性纤维素微藻生物膜的制备方法及应用，解决传统的纤维素载体材料生物负载量低以及生物亲和性差的技术问题。
7.为了实现上述目的，本发明采取如下技术方案：
8.一种基于改性纤维素微藻生物膜的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：将改性纤维素加入到废水中，搅拌分散均匀，然后将微藻接种到废水中，进行驯化培养，驯化培养完成后，在废水中形成改性纤维素微藻生物膜；
9.所述改性纤维素的制备方法，包括如下步骤：
10.(1)多孔纤维素的制备：将纤维素材料加入到氢氧化钠水溶液中浸泡4-8h，然后超声处理30-60min，再进行冷冻干燥，即得到多孔纤维素；
11.(2)改性纤维素的制备：将多孔纤维素与n,n'-亚甲基双丙烯酰胺分散于氢氧化钠和尿素的混合水溶液中，在-20-0℃下冷冻20-40min，然后常温搅拌均匀，得到纤维素基溶胶，再经静置、洗涤、干燥，即得到改性纤维素；
12.所述废水的水质为：cod含量为100-1000mg/l，tn含量为5-100mg/l，氨氮含量为5-100mg/l，tp含量为1-20mg/l。
13.优选的，步骤(1)中，所述纤维素材料为蔗渣、谷壳、锯末或玉米芯中的任一种。
14.优选的，步骤(1)中，纤维素材料与氢氧化钠水溶液的质量比为10-20:100，氢氧化钠水溶液的质量分数为20-40％。
15.优选的，步骤(2)中，所述多孔纤维素、n,n'-亚甲基双丙烯酰胺和混合水溶液的质量比为1:0.8-1.2:30-50。
16.优选的，步骤(2)中，混合水溶液中氢氧化钠的含量为5-10wt％，尿素的含量为10-15wt％。
17.优选的，所述微藻为小球藻、水网藻或斜生栅藻中的任一种。
18.优选的，所述改性纤维素和废水的质量比为5-20:100。
19.优选的，微藻的接种密度为1
×
10
5-1
×
107cells/ml。
20.优选的，驯化时废水的日更新率为10-30％，驯化时间为4-10d。
21.本发明还提供由上述制备方法得到的基于改性纤维素微藻生物膜在污水处理中的应用。
22.本发明所使用的藻类均由中国科学院水生生物研究所提供，具体为：小球藻(chlorella vulgaris，编号为fachb-8)、水网藻(hydrodictyon reticulatum，编号为fachb-735)、斜生栅藻(scenedesmus obliquus，编号为fachb-416)。
23.与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
24.本发明先对纤维素材料进行造孔，使纤维素材料的孔隙结构增多，比表面积增大，
则纤维素载体能够负载更多的微藻生物，增加了纤维素载体的生物负载量，进而提高了对废水的处理能力；然后再通过对多孔纤维素进行官能团改性，在纤维素材料的表面引入大量酰胺基团，增加了纤维素材料的生物亲和性，使微藻生物更易附着在纤维素载体的表面，大大降低了微藻生物在纤维素载体表面的附着生长难度，更容易形成生物膜；此外，改性后的纤维素材料含有多种活性官能团，对废水有一定的处理能力，与微藻生物协同作用，共同提高了生物膜对废水的处理效果。
具体实施方式
25.以下通过具体较佳实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明并不仅限于以下的实施例。
26.需要说明的是，无特殊说明外，本发明中涉及到的化学试剂均通过商业渠道购买。
27.实施例1
28.一种基于改性纤维素微藻生物膜的制备方法，包括如下步骤：
29.(1)多孔纤维素的制备：将10g蔗渣加入到100g，25wt％氢氧化钠水溶液中浸泡4h，然后超声处理30min，在-20℃下冷冻干燥2h，即得到多孔纤维素；
30.(2)改性纤维素的制备：称取5g多孔纤维素和4g n,n'-亚甲基双丙烯酰胺，然后分散在200g氢氧化钠和尿素的混合水溶液中(其中氢氧化钠15g，尿素20g)，在-10℃下冰冻30min，然后常温搅拌5min，得到纤维素基溶胶；在常温下静置2h后，用去离子水进行洗涤、干燥，即得到改性纤维素；
31.(3)改性纤维素微藻生物膜的制备：将5g改性纤维素加入到50g废水中(废水中cod含量为500mg/l，tn含量为50mg/l，氨氮含量为30mg/l，tp含量为10mg/l)，搅拌10min，使改性纤维素湿润，然后将小球藻以5
×
105cells/ml的藻密度接种到废水中，对藻类生物膜进行培养，光强为2500lux，静态培养5d，废水的日更新率为20％，待生物膜载体表面布满藻类，挂膜完成，即得到改性纤维素微藻生物膜。
32.制得的藻类生物膜用于废水的处理，废水水质为cod含量为500mg/l，tn含量为50mg/l，氨氮含量为30mg/l，tp含量为10mg/l，污水在藻类生物膜反应器中的水力停留时间为5天，取处理后的水样进行分析，平行样3个，测定水质中的cod、tn和tp的含量，测定前水样经2000r/min离心5min后，用0.45μm滤膜过滤，其中cod的测定采用紫外分光光度法，tn的测定采用碱性过硫酸钾紫外分光光度法，tp的测定采用钼酸铵分光光度法，测得cod的含量为27.23mg/l，tn的含量为6.31mg/l，tp的含量为0.84mg/l。
33.实施例2
34.一种基于改性纤维素微藻生物膜的制备方法，包括如下步骤：
35.(1)多孔纤维素的制备：将10g锯末加入到100g，30wt％氢氧化钠水溶液中浸泡6h，然后超声处理45min，在-20℃下冷冻干燥2h，即得到多孔纤维素；
36.(2)改性纤维素的制备：称取5g多孔纤维素和5g n,n'-亚甲基双丙烯酰胺，然后分散在200g氢氧化钠和尿素的混合水溶液中(其中氢氧化钠16g，尿素25g)，在-10℃下冰冻30min，然后常温搅拌5min，得到纤维素基溶胶；在常温下静置2h后，用去离子水进行洗涤、干燥，即得到改性纤维素；
37.(3)改性纤维素微藻生物膜的制备：将5g改性纤维素加入到50g废水中(废水中cod
含量为500mg/l，tn含量为50mg/l，氨氮含量为30mg/l，tp含量为10mg/l)，搅拌10min，使改性纤维素湿润，然后将水网藻以5
×
105cells/ml的藻密度接种到废水中，对藻类生物膜进行培养，光强为2500lux，静态培养5d，废水的日更新率为20％，待生物膜载体表面布满藻类，挂膜完成，即得到改性纤维素微藻生物膜。
38.制得的藻类生物膜用于废水的处理，废水水质为cod含量为500mg/l，tn含量为50mg/l，氨氮含量为30mg/l，tp含量为10mg/l，污水在藻类生物膜反应器中的水力停留时间为5天，取处理后的水样进行分析，平行样3个，测定水质中的cod、tn和tp的含量，测定前水样经2000r/min离心5min后，用0.45μm滤膜过滤，测试方法参照实施例1，测得cod的含量为20.76mg/l，tn的含量为7.13mg/l，tp的含量为0.69mg/l。
39.实施例3
40.一种基于改性纤维素微藻生物膜的制备方法，包括如下步骤：
41.(1)多孔纤维素的制备：将10g谷壳加入到100g，35wt％氢氧化钠水溶液中浸泡5h，然后超声处理45min，在-20℃下冷冻干燥2h，即得到多孔纤维素；
42.(2)改性纤维素的制备：称取5g多孔纤维素和6g n,n'-亚甲基双丙烯酰胺，然后分散在200g氢氧化钠和尿素的混合水溶液中(其中氢氧化钠20g，尿素25g)，在-10℃下冰冻30min，然后常温搅拌5min，得到纤维素基溶胶；在常温下静置2h后，用去离子水进行洗涤、干燥，即得到改性纤维素；
43.(3)改性纤维素微藻生物膜的制备：将5g改性纤维素加入到50g废水中(废水中cod含量为500mg/l，tn含量为50mg/l，氨氮含量为30mg/l，tp含量为10mg/l)，搅拌10min，使改性纤维素湿润，然后将斜生栅藻以5
×
105cells/ml的藻密度接种到废水中，对藻类生物膜进行培养，光强为2500lux，静态培养5d，废水的日更新率为20％，待生物膜载体表面布满藻类，挂膜完成，即得到改性纤维素微藻生物膜。
44.制得的藻类生物膜用于废水的处理，废水水质为cod含量为500mg/l，tn含量为50mg/l，氨氮含量为30mg/l，tp含量为10mg/l，污水在藻类生物膜反应器中的水力停留时间为5天，取处理后的水样进行分析，平行样3个，测定水质中的cod、tn和tp的含量，测定前水样经2000r/min离心5min后，用0.45μm滤膜过滤，测试方法参照实施例1，测得cod的含量为22.53mg/l，tn的含量为6.68mg/l，tp的含量为0.75mg/l。
45.对比例1
46.一种基于纤维素微藻生物膜的制备方法，包括如下步骤：
47.将5g蔗渣加入到50g废水中(废水中cod含量为500mg/l，tn含量为50mg/l，氨氮含量为30mg/l，tp含量为10mg/l)，搅拌10min，使蔗渣湿润，然后将小球藻以5
×
105cells/ml的藻密度接种到废水中，对藻类生物膜进行培养，光强为2500lux，静态培养5d，废水的日更新率为20％，待生物膜载体表面布满藻类，挂膜完成，即得到改性纤维素微藻生物膜。
48.制得的藻类生物膜用于废水的处理，废水水质为cod含量为500mg/l，tn含量为50mg/l，氨氮含量为30mg/l，tp含量为10mg/l，污水在藻类生物膜反应器中的水力停留时间为5天，取处理后的水样进行分析，平行样3个，测定水质中的cod、tn和tp的含量，测定前水样经2000r/min离心5min后，用0.45μm滤膜过滤，测试方法参照实施例1，测得cod的含量为85.39mg/l，tn的含量为13.71mg/l，tp的含量为2.64mg/l。
49.对比例2
50.一种基于纤维素微藻生物膜的制备方法，包括如下步骤：
51.将5g锯末加入到50g废水中(废水中cod含量为500mg/l，tn含量为50mg/l，氨氮含量为30mg/l，tp含量为10mg/l)，搅拌10min，使锯末湿润，然后将水网藻以5
×
105cells/ml的藻密度接种到废水中，对藻类生物膜进行培养，光强为2500lux，静态培养5d，废水的日更新率为20％，待生物膜载体表面布满藻类，挂膜完成，即得到改性纤维素微藻生物膜。
52.制得的藻类生物膜用于废水的处理，废水水质为cod含量为500mg/l，tn含量为50mg/l，氨氮含量为30mg/l，tp含量为10mg/l，污水在藻类生物膜反应器中的水力停留时间为5天，取处理后的水样进行分析，平行样3个，测定水质中的cod、tn和tp的含量，测定前水样经2000r/min离心5min后，用0.45μm滤膜过滤，测试方法参照实施例1，测得cod的含量为62.48mg/l，tn的含量为10.62mg/l，tp的含量为1.95mg/l。
53.通过对比实施例1-3和对比例1-2驯化7d后水样中cod、tn和tp的含量可知，本发明采用的载体材料经改性后，废水中cod、tn和tp的含量大大降低，微藻生物膜对废水的处理能力明显提高。
54.将实施例1-3和对比例1-2所制备的微藻生物膜进行微藻负载量测试，步骤如下：载体材料的原始质量记为w1，用刮板收集藻类生物膜(藻细胞与载体材料的混合物)于烘干的培养皿(w2)中，使藻类膜混合物在85℃下烘干至恒重w3，藻类生物质干重(dw)以及单位质量载体生物质产量(q1)的计算公式如下：
55.dw＝w
3-w
2-w1[0056][0057]
试验结果如下表所示：
[0058] 实施例1实施例2实施例3对比例1对比例2dw(g)1.131.271.310.440.58q1(g/kg)22625426288116
[0059]
从表中可以看出，本发明中的载体材料经改性后，增加了纤维素材料的生物亲和性，使微藻生物更易附着在纤维素载体的表面，对微藻生物的负载量明显增加。
[0060]
实施例1-3和对比例1-2所制备的微藻生物膜对废水中各污染物的去除率如下表所示：
[0061] 实施例1实施例2实施例3对比例1对比例2cod(％)94.5595.8595.4982.9287.50tn(％)87.3885.7486.6472.5878.76tp(％)91.693.192.573.680.5
[0062]
从表中可以看出，本发明中的载体材料经改性后，基于改性载体材料制备得到的微藻生物膜对废水的处理能力大大提高。
[0063]
最后需要说明的是：以上实施例不以任何形式限制本发明。对本领域技术人员来说，在本发明基础上，可以对其作一些修改和改进。因此，凡在不偏离本发明精神的基础上所做的任何修改或改进，均属于本发明要求保护的范围之内。