硅铝系陶质多孔材料固定化微生物处理生活污水的方法与流程

本发明属于生活污水处理领域，具体涉及一种硅铝系陶质多孔材料固定化微生物处理生活污水的方法。

背景技术：

随着我国工业、农业、城镇化的建设，生活污水排放量日益增多，所引起的环境问题也越来越严重，高效经济的污水处理技术的研发受到广大学者的广泛关注。近年来，为加强环境污染治理，微生物固定化技术得到了广泛的研究，在国内外废水处理领域中，微生物固定化技术已成为一个研究热点。

微生物固定化技术(Microorganisms immobilization technology)是根据固定化酶技术发展演变而来的。菌体在游离体系中沉降较为困难，容易造成菌体流失或者固液难分离等问题，如果使用离心机或化学凝聚剂，则提高了处理成本，增加推广应用难度。在这种状况下，微生物固定化技术得到开发与研究。

微生物固定化技术主要是将游离微生物(主要是细菌和真菌)限定在一定的空间区域内，运用的手段主要是物理或化学的方法,在该区域内，保持微生物的活性，可循环利用。常用的固定化载体材料分为4种：天然载体、人工合成无机载体、人工合成有机高分子聚合物载体及复合固定化载体。其中天然载体包括沙粒、沸石、硅藻土、多孔树脂、海藻酸盐等；人工合成有机高分子聚合物载体包括聚乙烯醇、聚氨酯、聚乙二醇、乙烯、戊二醛、双重氮联苯胺等；人工合成无机载体包括多孔陶瓷、活性炭、微孔玻璃、泡沫金属等；复合载体就是将以上各种载体材料进行混合，制备具有优良特性的复合载材料体，以改进载体的性能，降低成本，提高水质处理效果。各类载体各有优缺点。天然有机高分子载体有较强的传质性，但机械强度较低，寿命较短；人工合成的有机高分子聚合物机械强度通常较强，但传质性能较差，固定化微生物的活性往往受到一定影响。无机载体具有机械强度大、寿命长、耐酸碱等优点，但传质性能不理想。

微生物固定化技术处理污水具有其独特的特点，保持微生物的高浓度以及高活性，提高去除率，强化污水处理。污泥量少，沉降易分离，稳定性强，抗毒能力高。微生物经固定化后脱氮能力较为理想，目前微生物固定化技术广泛应用于含氮生活污水、低碳氮比生活污水、含氮畜禽养殖废水、印染废水等污水的处理，并且取得了不错的效果。但是，目前该技术还有一些亟待解决的问题，如：(1)研究和开发更多的耐用廉价的固定化新型载体，以延长载体使用寿命，提高载体机械性能，降低成本费用；(2)研究和开发更多的低毒或无毒的固定化载体，使之对细胞的毒害最低，以充分发挥细胞降解废物的功能。

技术实现要素：

本发明提供一种硅铝系陶质多孔材料固定化微生物处理生活污水的方法，硅铝系陶质多孔材料可增大微生物的附着面积，经固定化的微生物浓度得到提高，保证了微生物的高浓度与高活性，有利于提高微生物对污染物的去除效率，增强处理效果。

本发明的技术方案如下：

一种硅铝系陶质多孔材料固定化微生物处理生活污水的方法，将硅铝系陶质多孔材料和高效脱氮除磷菌株投加到生活污水中，进行处理；所述硅铝系陶质多孔材料的投加量为1～5g，所述高效脱氮除磷菌株接入量为OD600值为0.1～2的菌悬液一1～10mL；所述菌悬液一为高效脱氮除磷菌株活化24h后，于离心机上离心制得，离心机转速8000～10000r/min，离心时间10～12min；所述高效脱氮除磷菌株活化条件为：温度28～30℃，pH 7～8，摇床转速130～160r/min。

所述的硅铝系陶质多孔材料固定化微生物处理生活污水的方法，其中所述硅铝系陶质多孔材料其矿物相组成包括石英、莫来石和金红石；其化学成分为SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃、K₂O和杂质，SiO₂占56.78wt％，Al₂O₃占37.11wt％，K₂O占2.78wt％，Fe₂O₃占1.58wt％，杂质占1.75wt％；其孔道大小为30～1000μm，孔隙率为30～90％，粒径为5-10mm；所述硅铝系多孔材料由两种天然黏土CN-01与CN-02合成；所述CN-01中石英含量占15.4％，钾长石占1.3％，白云母占28.1％，高岭石占55.2％；所述CN-02中石英含量占10.4％，钾长石占0.6％，白云母占16.9％，高岭石占72.1％；所述CN-01与CN-02颗粒粒径在200目以下；所述CN-01中SiO₂占56.18wt％，Al₂O₃占26.80wt％，灼碱占8.70wt％，K₂O占3.39wt％，Fe₂O₃占2.63wt％，杂质占0.3wt％；所述CN-02中SiO₂占52.42wt％，Al₂O₃占31.98wt％，灼碱占10.90wt％，Fe₂O₃占1.36wt％，K₂O占2.04wt％，杂质占1.3wt％。

所述的硅铝系陶质多孔材料固定化微生物处理生活污水的方法，其优选方案为，所述硅铝系陶质多孔材料粒径为2mm～2.5mm，采用人工敲打的方法制得。

所述的硅铝系陶质多孔材料固定化微生物处理生活污水的方法，其中所述高效脱氮除磷菌株包括三价砷氧化细菌(Acidovorax sp.)、洋葱伯克霍尔德氏菌群(Burkholderiacepacia group)、纺锤形赖氨酸芽孢杆菌(Lysinibacillusfusiformis)、短小芽胞杆菌群(Bacilluspumilus group)和/或假单胞菌属(Pseudomonas sp.)。

所述的硅铝系陶质多孔材料固定化微生物处理生活污水的方法，所述高效脱氮除磷菌株的制备过程如下：

步骤1：取运行良好且稳定的生活污水处理地下渗滤系统的中层土壤，用无菌水稀释，振荡溶解，静置，获得菌悬液二；

步骤2：采用稀释平板涂布法进行菌株分离，将菌悬液二涂布于普通固体培养基上，观察菌株生长情况，对单菌落进行平板划线纯化，以获得多株不同菌株；所述普通固体培养基的化学成分及浓度为：牛肉膏5.0g/L，蛋白胨10.0g/L，氯化钠5.0g/L，琼脂15.0～20.0g/L，蒸馏水1L/L；

步骤3：用步骤2获得的多株不同菌株以1％～10％的接入量投入人工配置的模拟生活污水中，对模拟生活污水进行处理，考察多株不同菌株对污染物COD、NH₄⁺-N和TP的去除效果，经筛选后，采用16S rRNA鉴定系统进行分类，得到所述高效脱氮除磷菌株；所述模拟生活污水的化学成分及浓度为：COD：200～400mg/L，NH₄⁺-N：20～60mg/L，TP：10～30mg/L。

本发明的有益效果为：

1、硅铝系陶质多孔材料可增大微生物的附着面积，经固定化的微生物浓度得到提高，保证了微生物的高浓度与高活性。硅铝系陶质多孔材料的孔径结构有利于提高其传质性能，有利于氧气、营养物质等进入材料内部供微生物分解利用，同时也有利于微生物产生的代谢产物排出材料外部。采用硅铝系陶质多孔材料固定后的菌株处理生活污水，增大了微生物的浓度，有利于提高微生物对污染物的去除效率，增强污水处理效率。

2、本发明方法操作简便，运行成本低，处理效率高，无毒害作用，稳定性好。

3、本发明菌株为来源于运行良好且稳定的生活污水处理地下渗滤系统，具有高效脱氮除磷功能。

附图说明

图1a为硅铝系陶质多孔材料结构扫描电镜图；

图1b为菌株PM3形态扫描电镜图；

图1c为菌株PM3附着硅铝系陶质多孔材料上的生长情况扫描电镜图；

图2为硅铝系陶质多孔材料固定化菌株PM3处理模拟生活污水前后的傅里叶红外光谱图。

具体实施方式

实施例1

步骤1：取运行良好且稳定的生活污水处理地下渗滤系统的中层土壤，用无菌水稀释，振荡溶解，静置，获得菌悬液二；

步骤2：采用稀释平板涂布法进行菌株分离，将菌悬液二涂布于普通固体培养基上，观察菌株生长情况，对单菌落进行平板划线纯化，共获得11株不同菌株；所述普通固体培养基的化学成分为：牛肉膏5.0g，蛋白胨10.0g，氯化钠5.0g，琼脂18g，蒸馏水1L；

步骤3：用步骤2获得的11株不同菌株以5％的接入量投入人工配置的模拟生活污水中，对模拟生活污水进行处理，根据菌液的OD600绘制菌株的生长曲线，菌株PM3在12h时生长速率最快，对污水中COD、NH₄⁺-N和TP的去除率分别为99.8％、63.9％、22.2％，经16S rRNA鉴定PM3为三价砷氧化细菌(即Acidovorax sp.)，筛选PM3为高效脱氮除磷菌株；所述模拟生活污水的化学成分及浓度为：COD：300mg/L，NH₄⁺-N：50mg/L，TP：20mg/L；

步骤4：活化菌株PM3活化24h后至对数期，活化条件为：温度29℃，pH 7～9，摇床转速150r/min；用离心管取10mL活化后OD600值为1的菌株PM3，于离心机上离心，离心机转速9000r/min，离心时间11min，制得菌悬液一10mL；

步骤5：取模拟生活污水200mL，进行高压灭菌，在无菌环境下，将菌悬液一10mL和硅铝系陶质多孔材料2g投加于200mL的模拟生活污水中；硅铝系陶质多孔材料粒径为2mm；

步骤6：对照样为只接种游离菌株PM3，以5％的接入量接种菌株PM3投加于200mL的模拟生活污水中；

步骤7：根据固定化菌株PM3与游离菌株PM3的生长曲线，固定化后菌株PM3的生长速率和生物浓度有明显的提高，固定化菌株PM3对模拟生活污水中COD、NH₄⁺-N和TP的去除率分别为100％、75.9％、29.6％，比游离菌株PM3对模拟生活污水中COD、NH₄⁺-N和TP的去除率分别提高1.16％、18.6％、29.58％。

实施例2

步骤1：取运行良好且稳定的生活污水处理地下渗滤系统的中层土壤，用无菌水稀释，振荡溶解，静置，获得菌悬液二；

步骤2：采用稀释平板涂布法进行菌株分离，将菌悬液二涂布于普通固体培养基上，观察菌株生长情况，对单菌落进行平板划线纯化，共获得11株不同菌株；所述普通固体培养基的化学成分为：牛肉膏5.0g，蛋白胨10.0g，氯化钠5.0g，琼脂18g，蒸馏水1L；

步骤3：用步骤2获得的11株不同菌株以5％的接入量投入人工配置的模拟生活污水中，对模拟生活污水进行处理，根据菌液的OD600绘制菌株的生长曲线，菌株PM7在24h～48h时生长速率最快，对污水中COD、NH₄⁺-N和TP的去除率分别为100％、85.01％、21.04％，经16S rRNA鉴定PM7为纺锤形赖氨酸芽孢杆菌(即Lysinibacillus fusiformis)，筛选PM7为高效脱氮除磷菌株；所述模拟生活污水的化学成分及浓度为：COD：300mg/L，NH₄⁺-N：50mg/L，TP：20mg/L；

步骤4：活化菌株PM7活化24h后至对数期，活化条件为：温度29℃，pH 7～9，摇床转速150r/min；用离心管取10mL活化后OD600值为1的菌株PM7，于离心机上离心，离心机转速9000r/min，离心时间11min，制得菌悬液10mL；

步骤5：取模拟生活污水200mL，进行高压灭菌，在无菌环境下，将步骤4中菌悬液10mL和硅铝系陶质多孔材料2g投加于200mL的模拟生活污水中；硅铝系陶质多孔材料粒径为2mm；

步骤6：对照样为只接种游离菌株PM7，以5％的接入量接种菌株PM7投加于200mL的模拟生活污水中；

步骤7：绘制固定化菌株PM7与游离菌株PM7在模拟污水中的生长曲线，对比菌株PM7固定化前后对模拟生活污水中COD、NH₄⁺-N和TP的去除率以及固定化效果。

实施例3

如图1a～1c所示，以5％的接入量的菌株PM3和2g硅铝系陶质多孔材料投加入普通液体培养基中，菌株PM3附着生长良好；所述普通液体培养基的化学成分及浓度为：牛肉膏5.0g，蛋白胨10.0g，氯化钠5.0g，蒸馏水1L。

设置固定化菌株PM3的培养温度为30℃，在t＝48h时，固定化菌株PM3对模拟生活污水中COD、NH₄⁺-N和TP的去除率分别为99.996％、92.38％、45.28％。

实施例4

以5％的接入量的菌株PM3和2g硅铝系陶质多孔材料投加入普通液体培养基中，菌株PM3附着生长良好；所述普通液体培养基的化学成分及浓度为：牛肉膏5.0g，蛋白胨10.0g，氯化钠5.0g，蒸馏水1L。

设置固定化菌株PM3的培养温度为10℃，在t＝6d时，固定化菌株PM3对模拟生活污水中COD、NH₄⁺-N和TP的去除率分别为99.59％、70.81％、38.96％。

实施例5

以5％的接入量的菌株PM7和4g硅铝系陶质多孔材料投加入普通液体培养基中，菌株PM7附着生长良好；所述普通液体培养基的化学成分及浓度为：牛肉膏5.0g，蛋白胨10.0g，氯化钠5.0g，蒸馏水1L。

设置固定化菌株PM7的培养温度为25℃，在t＝60h时，固定化菌株PM7对模拟生活污水中COD、NH₄⁺-N和TP的去除率。

实施例6

以8％的接入量的菌株PM7和4g硅铝系陶质多孔材料投加入普通液体培养基中，菌株PM7附着生长良好；所述普通液体培养基的化学成分及浓度为：牛肉膏5.0g，蛋白胨10.0g，氯化钠5.0g，蒸馏水1L。

设置固定化菌株PM7的培养温度为25℃，在t＝60h时，固定化菌株PM7对模拟生活污水中COD、NH₄⁺-N和TP的去除率。

由图2可见，硅铝系陶质多孔材料具有一定的孔径结构，和较大比表面积，且材质较轻，为菌株PM3生长提供了较大的附着面积以及活动空间，同时有利于氧气、营养物质等进入硅铝系陶质多孔材料内部供菌株PM3分解利用，同时也有利于菌株PM3产生的代谢产物排出硅铝系陶质多孔材料外部。利用硅铝系陶质多孔材料固定菌株PM3，能保持菌株PM3的高浓度以及高活性，从而强化生活污水处理效率。