微生物复合酶填料及其制备方法和使用方法与流程

本发明涉及一种适于黑臭水体应急处理的微生物复合酶填料及其这种填料的制备方法，还涉及这种填料在水处理特别是黑臭水体应急处理中的使用方法。

背景技术：

随着经济发展和人口的不断增加，工业废水、生活污水的排放量不断增加，大量未经有效处理的污水直接排放入河流，致使不少河流，尤其是中小型河流长期处于黑臭状态。在这严峻的环境形势下，黑臭水体问题亟待解决。2015年国务院颁布的《水污染防治行动计划》提出：地级及以上城市建成区黑臭水体控制在10%以内，到2030年，全国七大重点流域水质优良比例总体达到75%以上，城市建成区黑臭水体总体得到消除。同时计划提出，到2017年底直辖市、省会城市、计划单列市建成区污水基本实现全收集、全处理。这些目标体现了国家治理黑臭水体的决心。然而目前还有大量的黑臭水体为得到有效的处理，这就需要有相关的技术和设备在短时间内消除直辖市、省会城市、计划单列市建成区的黑臭水体。

由于黑臭水体的污染程度高，目前多采用生物接触氧化法，这种方法是让水体浸没填料，并以一定的流速流经填料，通过填料上形成的生物膜的絮凝吸附、氧化作用使水中的可生化利用的污染物基质得到降解去除，当原水中的污染物与生物膜接触时，特别是在生物酶的参与下，通过微生物的新陈代谢活动和生物吸附、絮凝、氧化、硝化、合成和摄食等综合作用，使源水中氨氮、有机物、铁和锰等逐渐被氧化和转化，达到消除的目的。但是，应用生物接触氧化法处理微污染原水，通常需要进行挂膜调试，在挂膜调试期间让微生物附着生物填料上，一般需要经过2-4个月的时间才能成功在生物填料上进行有效挂膜，在处理系统建设后较长一段时间内不能起到有效的净化作用，更不能适应于水体污染的应急处理。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提供了一种适于黑臭水体应急处理的微生物复合酶填料，还提供了这种微生物复合酶填料的制备方法，这种填料投入水处理系统后，很快就能够发挥出有效的净化作用，适用于黑臭水体的应急处理等水处理场合。

本发明的技术方案是：一种适于黑臭水体应急处理的微生物复合酶填料，包括填料本体，所述填料本体的表面设有生物酶层。

一种适于黑臭水体应急处理的微生物复合酶填料，包括填料本体，所述填料本体的表面设有生物酶层，由此，可以通过生物酶的高效生物催化作用实现水中污染物的净化。

所述填料本体上设有生物酶层的表面包括其外表面，或者包括其孔表面，或者包括其外表面和孔表面，可以根据所用填料本体的构造以及使用要求等确定，优选与水体接触的全部表面上都设有生物酶层。

优选地，所述填料本体采用发泡材料制成或者加工为多孔结构，例如，所述多孔材料可以采用开孔泡沫材料或海绵状材料，所述多孔结构可以为立体网状填料或网笼球填料。

所述填料本体可以采用现有技术下用于生物接触氧化的各种填料及其他各种允许水流通过的多孔状材料。

所述生物酶层可以包括多种生物酶制剂和有机粘结剂。

所述生物酶制剂的原料可以为颗粒状或非颗粒状，优选为固体。

所述粘结剂优选呈三维网状结构。

所述粘结剂优选为聚丙烯酰胺或海藻酸钠，以适应粘结要求且避免或基本上避免妨碍酶与污染物/反应物的接触和参与反应。

所述生物酶制剂可以包括氧化还原酶（氧化酶和还原酶的统称）、转移酶、水解酶、裂合酶、异构酶类和合成酶中的任意一类或多类，可以依据现有技术，针对具体水质和净化要求选择其中的任意多种具体的生物酶制剂，以适应于对不同水体和污染状况的净化处理。

所述生物酶层中的生物酶制剂优选采用含有多种生物酶的微生物复合酶制剂并由粘结剂包埋，以方便制备并实现和改善酶的固定化，提高使用寿命。

所述填料本体优选采用聚酯材料，可以直接使用类似于海绵状的多孔聚酯材料切割呈所需的填料形状。

本发明公开的任意一种适于黑臭水体应急处理的微生物复合酶填料的制备方法，其将所述填料本体置于设有进出风口的封闭式反应器中，以气流将经粘结剂包埋的颗粒状或粉状的生物酶制剂送入反应器，使生物酶制剂沉积和/或附着在填料本体的外表面和/或孔表面，然后进行养护，控制养护过程中的空气温度和空气中的含水量/湿度使粘结剂具有粘结效能，且不因应温度过高而导致生物酶失活，依靠所述粘结剂将生物酶制剂以及生物酶制剂与填料本体牢固地粘结在一起，由此在填料本体上形成稳固的生物酶层。

优选从反应器周围的多个方向将生物酶制剂吹向反应器中的填料，由此使生物酶制剂从各角度流向和接触到填料本体的表面，尽可能避免在填料本体的表面上出现死角。

可以控制风速使生物酶制剂能够吸附和/或沉积在所述填料的表面。

所述填料的表面包括填料的外表面和/或填料的孔表面。

所述生物酶层优选含有氧化还原酶、转移酶、水解酶、裂合酶和异构酶。

所述氧化还原酶、转移酶、水解酶、裂合酶和异构酶的质量比优选为2:1:3:1:1左右，由此可以适应于现实中大多数黑臭水体的治理。

可以将上述填料用于水体的净化处理或污染治理，可以用作任一生物接触氧化处理系统的填料。由于这种填料的高效催化能力，使用时也可以将所述填料直接悬挂在待处理的水体中或者将所述填料置于以网为主体的容器（网构成容器壁的全部或部分，其设置位置应有利于水流穿过容器，例如，网兜）中，将所述容器置于在待处理的水体中，以进行水体净化。本发明涉及的各种微生物复合酶填料均可以用于水体净化，特别是黑臭水体的应急处理，

本发明的有益效果是：由于在填料的外表面和/或孔表面设置了生物酶层，可以依据现有技术确定适应于待处理水体污染物和污染状态的微生物复合酶，制备出适应于该水体的填料，将这种填料投入待处理水体后，利用生物酶的高效定向催化作用，大幅度加快净化所需的化学或生物化学反应，快速消除水体中的相关有机污染物和其他污染物，而无需等待数月的微生物挂膜时间；由于微生物复合酶形成的良好生存和代谢环境，能够刺激所需微生物的繁殖和代谢，抑制有害微生物的生长，构建形成良好的酶-微生物共生体系，在水中形成较稳定的群落，从而实现酶在水体修复中的长效作用和影响；由于可以采用氮聚氨酯等多孔填料作为微生物复合酶以及投入使用后的微生物膜载体，微生物复合酶能够稳定地保持在填料的多孔中，特别是受冲刷程度较低的甚至不受水流冲刷作用的区域，能够使填料长期保有微生物复合酶以及使用后的活性微生物膜，长期保持。固定化生物酶酶的多种载体形式：通常采用多孔生物载体。在生物酶的作用下。

在黑臭水体治理中采用本发明的微生物复合酶填料，能够快速地投入现场使用，同时在微生物-生物酶-有机物-水分-温度体系中，有机物能够迅速被降解，能够快速消除黑臭水体，适应于水体污染的应急处理及常规处理等。

附图说明

图1是本发明涉及的填料表面的局部构造示意图；

图2是本发明涉及的填料的一种使用方式示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

参见图1，本发明涉及的填料能够在短时间内投入项目现场，根据项目现场的水质及污染情况，在工厂制备填料本体表面的生物酶层12，将微生物复合酶固定化在多孔发泡聚氨酯等制成的填料本体11上，以实现生物酶在水体修复中的长效作用。

用于固定化生物酶的填料本体可以采用多种形式，例如，通常可以采用多孔生物载体。投入水体中后，生物酶的作用又会刺激某些微生物繁殖和生长，通过酶与微生物的构建形成酶-微生物共生体系，在水中可以形成较稳定的群落，快速消除水体中的有机物与氮。这种带有微生物复合酶的填料能够快速地投入现场使用，同时在微生物-生物酶-有机物-水分-温度体系中，有机物等污染物能够迅速被吸附和降解，进而快速实现黑臭水体的净化。

针对水体中污染物选取特定的生物酶，生物酶具有高催化性能和高选择性，几乎所有的生物细胞活动进程都需要酶的参与，以提高效率。与其他非生物催化剂相似，酶通过降低化学反应的活化能来加快反应速率，大多数的酶可以将其催化的反应之速率提高上百万倍

可以考虑下列各种生物酶：

1）氧化还原酶类（oxidoreductase）：促进底物进行氧化还原反应的酶类，是一类催化氧化还原反应的酶，可分为氧化酶和还原酶两类；

2）转移酶类（transferases）：催化底物之间进行某些基团（如乙酰基、甲基、氨基、磷酸基等）的转移或交换的酶类。例如，甲基转移酶、氨基转移酶、乙酰转移酶、转硫酶、激酶和多聚酶等；

3）水解酶类（hydrolases）：催化底物发生水解反应的酶类。例如，淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、磷酸酶、糖苷酶等；

4）裂合酶类（lyases）：催化从底物（非水解）移去一个基团并留下双键的反应或其逆反应的酶类。例如，脱水酶、脱羧酶、碳酸酐酶、醛缩酶、柠檬酸合酶等。许多裂合酶催化逆反应，使两底物间形成新化学键并消除一个底物的双键；

5）异构酶类（isomerases）：催化各种同分异构体、几何异构体或光学异构体之间相互转化的酶类。例如，异构酶、表构酶、消旋酶等；

6）合成酶类（ligase）：催化两分子底物合成为一分子化合物，同时偶联有atp的磷酸键断裂释能的酶类。例如，谷氨酰胺合成酶、dna连接酶、氨基酸：trna连接酶以及依赖生物素的羧化酶等；

由于一种酶通常只能催化一种或一类化学反应，而生物体内的代谢过程往往是一系列复杂的变化，故需要多种酶催化，微生物复合酶是三种以上的酶组成的酶。根据水质不同可组配不同成分的微生物复合酶，针对水体修复治理的复合酶配方具备以下功效：（1）能刺激加速微生物的反应，提高微生物的活性和繁殖能力；（2）促进污水中的大分子化合物分解成小分子化合物，释放出结合氧，增强水体复氧功能。

填料可以是采用聚氨酯等多孔材料，这类填料具有特殊的多孔结构，而生物酶多为粉状制剂，为了能够使生物酶与填料有效结合，在生物酶中添加适当少量有机粘结剂进行生物酶制剂的包埋。可以采用粉状聚丙烯酰胺或海藻酸钠等粘结剂，这些粘结剂常温时不粘结，高温遇水时则能够与聚氨酯粘结，粘结后不影响酶的发挥。在工厂首先进行预处理，生物酶与粘结剂粉剂可以在适当的风速条件下进入多孔的填料间隙中，此阶段一般需要8小时。再通过适宜的温度和水汽的养护下，生物酶在有机物与水分的情况下能够紧紧的贴紧填料表面，此阶段需要16小时。

在工厂预制好生物酶填料运送至项目现场，可以通过直接悬挂方式或者装入网袋中放入水中，在水中微生物、有机物和水分的作用下，酶迅速发生反应，在微生物-生物酶-有机物-水分-温度体系中，有机物能够迅速被降解。

制备这种填料的具体操作过程如下：

1）设定填料本体形状并加工：根据使用现场的条件，将聚氨酯等制作成长条状或者是方块状的填料本体，一般长条状的长度为1到1.5米，截面一般为15厘米*15厘米的形状，方块状的一般选为正方形，规格为15厘米*15厘米*15厘米的立方体。

2）选定微生物复合酶制剂。通过现场相关数据进行分析，选取合适的生物酶品种，通过适当的配比使生物酶能够形成最佳配比，例如脂肪氧合酶（氧化还原酶）:转氨酶（转移酶）:纤维素酶（水解酶）:脱羧酶（裂合酶）:磷酸葡糖糖异构酶（异构酶）之间的比例为2:1:3:1:1左右，生物酶能够形成最佳搭配能够满足大部分的地区的黑臭水体中污染物的消除。根据实验，当纤维素酶:脂肪酶=1:1时，对初始浓度为100mg/l的有机物溶液的去除率为60%左右。因此，针对不同的黑臭水体，需要调节不同的酶配比，加快难降解大分子的在水解酶的作用下的降解速度。复合酶制剂的组成确定后，可以专门配置，当有市售时，也可以直接购买。

3）在填料本体上形成生物酶层。将填料本体放入密闭式的反应器中，反应器设有进出风口通道，生物酶混合制剂在适当的风力条件下进入反应器中，由于填料本体的多孔结构，使得生物酶制剂能够在风的条件下进入填料本体内的空隙。宜通过密闭反应器不同方向的风向，使填料本体能够充分的接触微生物复合酶制剂，对于多孔发泡聚酯材料制备的填料本体，一般一立方填料添加200-300g生物酶混合制剂。

4）加固生物酶层。将形成生物酶层后的填料本体送入30-40度的养护车间进行养护，此车间根据添加微生物复合酶制剂的不同，设定设定或变化空气中的含水量，通常可以通入水汽形成所需的含水量，为与生物酶混合制剂混合的粘结剂在水分的作用下逐渐发生反应，通过粘结剂的作用，微生物复合酶制剂顺利的牢固粘结在多孔结构的空隙中。

参见图2，这种填料可以用于黑臭水体污染治理。将工厂制备号的填料10运送至项目现场，可以通过填料支架20将填料直接悬挂（例如，对于长条形的填料）在水体30中，也可以将填料置于网袋中（例如对于正方形的填料）放入水中，通过水流的作用，水中的微生物、有机物等物质在聚氨酯等多孔的填料中进行聚集，在微生物-生物酶-有机物-水分-温度体系中有机物等污染物被微生物进行降解，最后达到消除黑臭的目的。

本发明具有下列特点：

1）针对不同的黑臭水体处理对象采用不同的酶组成，形成附着于填料本体的生物酶层，并针对不同的现场情况采取不同的填料的尺寸及投放形式，构建良好高效的“微生物—生物酶—有机物”体系，有机物在酶催化作用下能够迅速被降解，降解过程中释放的氧气能够增加水体中的溶解氧浓度，有利于氨氮的去除，进而达到迅速去除黑臭的目的。

2）填料制备前先分析黑臭水体水质指标，有针对性的进行不同生物酶的配比，使微生物复合酶制剂在具体的水质条件下发挥最大的功效，同时创造性的制作让酶能够牢固粘结在聚氨酯等多孔填料的空隙中，酶制剂不容易流失，最大发挥生物酶制剂的作用。

3）针对水体修复或治理时，具备以下功效：（1）能刺激加速微生物的反应，提高微生物的活性和繁殖能力；（2）促进污水中的大分子化合物分解成小分子化合物，释放出结合氧，增强水体复氧功能。在短时间能能降低水体污染物浓度，快速达到消除黑臭的目的。

4）填料的针对性强，能够最大发挥微生物复合酶的功效。

5）填料的制作时间短，在工厂预加载时间仅需一天的时间就能完成填料的制作，投入水中马上就能够发挥作用。

6）能够充分发挥各种微生物复合酶的复合功效，减少微生物复合酶的用量，成本低。

本发明公开的各优选和可选的技术手段，除特别说明外及一个优选或可选技术手段为另一技术手段的进一步限定外，均可以任意组合，形成若干不同的技术方案。