專利名稱:一種用于廢水脫氮的固定化微生物高分子小球的制備方法
技術領域：
本發明涉及水處理技術與應用，尤其涉及固定化微生物材料處理廢水領域。
技術背景
固定化微生物技術是在固定化酶技術的基礎上發展起來的一項新的生物技術，采用物理或化學方法將微生物限定在一定的空間內，從而保持微生物活性，使其能夠反復、連續使用。通常采用的固定化微生物技術主要有吸附法、載體結合法、交聯法和包埋法等。近年來，隨著廢水處理技術的不斷發展，固定化微生物技術被廣泛應用于各種廢水處理領域。與傳統廢水處理技術相比，固定化微生物技術用于廢水處理具有反應啟動快、處理效率高、操作穩定、產污泥量少、固液分離簡單等優點；此外，微生物細胞被固定在載體上，可以大大提高微生物對有毒物質的承受能力，可用于高濃度污染物廢水的生化處理。
在含氮廢水的生物處理中，氨的氧化是脫氮的重要步驟之一。氨氮通過轉化為硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮，再通過反硝化過程或硝化液回流后被還原為氮氣去除。一定濃度的高效硝化菌是氨氧化的保證，硝化菌分為氨氧化菌和亞硝酸鹽氧化菌。充足的溶解氧、較低的COD濃度和大量的硝化細菌是實現氨氧化的三個有利條件。為了保持較高濃度的高效硝化菌，一個最直接的辦法就是將細菌固定。微生物固定化技術就是采用合適的載體將純種分離或功能確定的微生物固定在一定的空間內，使之不被流水稀釋或沖走，保證生物催化反應能高效持續進行。
包埋法是研究最多和最常用的微生物固定化方法，它是將微生物封閉在天然高分子多糖類或合成高分子凝膠網絡中，其特點是可以將固定化微生物制成各種形狀，對高濃度污水的耐受能力強。包埋的載體材料多種多樣，可以分為天然多糖類大分子，如海藻酸、卡拉膠、殼聚糖，和人工合成高分子，如聚丙烯酰胺、聚乙烯醇(PVA)和光硬化樹脂等。天然多糖類具有固化成型方便、對微生物的毒害小，固定化密度高等優點，但它們耐生物分解性能差，機械強度低。人工高分子材料具有較高的機械強度，抗生物分解，機械強度高，但由于聚合物網絡形成條件劇烈，在共價鍵形成過程中對細菌活性的損傷較大，成型的多樣性和可控性不好。
PVA是一種常見的高分子材料，由于其無生物毒性、機械強度高且價格低廉，是固定化微生物的理想材料。單獨使用PVA作為載體制備顆粒時，由于難以成球，所以通常在PVA水溶液中添加成形劑，如海藻酸鈉，以提高其成球性。用含有一定含量氯化鈣和戊二醛的飽和硼酸溶液作為交聯劑，氯化鈣中的鈣離子與海藻酸鈉作用形成海藻酸鈣，該物質可以改善載體的表面性質，有助于增強PVA載體的機械性能；并有利于PVA分子形成氫鍵并且促進互穿網絡的形成。隨著反應的進行，海藻酸鈣在凝膠網絡中擴散，進一步優化載體結構以利于微生物的生長繁殖，進而增強底物和產物在載體內的傳遞。[0008]目前PVA固定化方法存在的主要問題是PVA的高粘性導致成形能力較差，顆粒易黏附在一起。另一個問題是硼酸上的三個羥基只是部分進行了反應，反應后形成的高分子凝膠上還殘留有親水性羥基，使得固定化顆粒在實際應用中存在水溶膨脹的問題。也就是說，固定化微生物凝膠顆粒在使用過程中，隨著時間的延長，機械強度會因水溶膨脹性而大大減弱，甚至會出現破碎的現象，縮短了使用壽命。為了解決PVA多羥基親水性的問題，之前很多學者作了許多嘗試，通過查閱發現，目前較多采用的手段是多種載體材料的復合，例如公開號為CN 101497880 A的發明，是采用PVA-卡拉膠-海藻酸復合載體，通過調節載體的配比，實現性能的優化。此類發明都需向載體中添加一些功能性材料，這些材料價格較高，而制備成本高將不利于固定化微生物技術的推廣應用。
發明內容
本發明提出了一種用于脫除氨氮的固定化微生物高分子小球的制備方法。該產品包埋的細菌為濃縮硝化菌。固定化載體為PVA和海藻酸鈉的混合物。該方法，通過改變交 聯溶液成分，在飽和溶液中添加了戊二醛溶液。由于戊二醛與PVA形成共價鍵，不僅抑制聚乙烯醇的多羥基親水性，降低了溶脹性，而且可以通過改善表面的孔隙率和網狀結構，為微生物的附著生長和代謝提供了良好的環境。該發明不僅節約了材料，而且賦予固定化微生物顆粒更多的優點。
本發明采用的技術方案是一種用于廢水脫氮的固定化微生物高分子小球的制備方法，按照下述步驟進行
(1)稱取一定質量的PVA、海藻酸鈉于20°C左右的冷水中，慢速攪拌使海藻酸鈉、PVA顆粒充分溶脹，并使PVA中的揮發性物質逸出，而后升溫到95°C左右加速攪拌溶解，其中所述的攪拌速度為70 100轉/分；并保溫2 2. 5小時，直到膠狀混合溶液不再含有微小顆粒；最終PVA、海藻酸鈉的含量分別為80 100g/L和2 20g/L ；
(2)待PVA和海藻酸鈉膠狀混合溶液溫度降低到40°C以下，將欲固定的目標微生物菌群濃縮硝化菌液與上述膠狀溶液混合；
(3)分別稱取硼酸、CaCl2于室溫下溶解，加入25%的戊二醛水溶液，使其最終的濃度分別為硼酸飽和為60 g/L，戊二醛溶液為2. 5% (v/v), CaCl2為20 25g/L ;溶液的pH用Imol/L Na2CO3溶液調節至6. 7，拌均勻后得到交聯劑溶液；
(4)緩慢攪拌(轉速為120 150轉/分)步驟(3)制得的交聯液，將步驟(2)制備得到的混合菌液滴加到步驟(3)交聯液中，滴制完成后，置于4°C冰箱內，小球在交聯液中浸泡18 24h充分交聯固定；
(5)將步驟(4)制得的固定化微生物小球取出，用0.9%的無菌生理鹽水洗滌3遍后，將小球放入盛有適量無菌水的三角瓶中，置于20°C、150rpm的搖床中振蕩48h，充分洗凈小球上殘留的未交聯的戊二醛，取出后用生理鹽水沖洗2遍，放入冰箱于4°C下保存待用；
所述的固定化硝化菌小球的粒徑為2. 5 3. 5mm。
由于聚合度、醇解度、醇解方式不同，PVA產品在溶解時間、溫度上有一定的差異。本實驗采用的PVA的平均聚合度為1750±50。實驗證明，本產品需要在20°C左右的冷水中慢速攪拌，充分潤濕溶脹。然后水浴升溫至95°C，保溫以70 IOOrpm轉速攪拌2 2. 5小時，才能將PVA顆粒完全溶解。加熱只能采用夾套、水浴鍋等間接方式，也可采用水蒸氣直接加熱，但不能用明火直接加熱，以免局部過熱而分解。
本發明的作用原理是PVA和海藻酸鈉具有較好的穩定性和對生物無毒無害等優點，是應用最為廣泛的包埋材料之一，但是由于PVA分子中存在大量的親水性羥基，具有較大的吸水膨脹性，交聯不充分或交聯溶液選擇不當，這些都將影響PVA小球的強度。該發明中，戊二醛交聯PVA載體形成的共價交聯網絡抑制了其多羥基親水性，降低了載體的溶脹性，致使載體的穩定性增強。同時由于交聯程度變大，載體表面性質和內部網格結構得以優化，不僅提高了載體的強度和穩定性，而且增強其傳質性能，提高耐酸性和耐高溫性。該實驗采用4°C作為交聯溫度是因為交聯網絡形成的條件劇烈，且硼酸和戊二醛對微生物都具有毒性，低溫可以使細菌處于休眠狀態，該狀態下細菌酶活性低，活性損失也會減少。微生物生活在網格結構中，不僅減少了流失，而且更容易形成局部的嚴格厭氧環境，可以考慮同時固定好氧和厭氧的細菌，實現同時硝化反硝化，保證穩定高效的污水生物脫氮。
本發明與現有技術相比，具有如下的優點本發明提出的用含有戊二醛的交聯溶 液交聯PVA-海藻酸鈉載體制備固定化小球的方法，制得的小球具有很好的生物活性和水力機械強度。在物理性狀方面，戊二醛的雙交聯功能抑制了 PVA的多羥基親水性，同時可以改善表面的孔狀結構，提高傳質性能，有利于微生物的新陳代謝。污水測試也證明，該方法制得的固定化微生物活性較高，氨氮的脫除率在36h達到了 70%以上。數月的連續處理后，小球沒有明顯的膨脹、發軟、解體現象，具有很好的物理穩定性和水力強度。
具體實施方式
下面結合實例對本發明作進一步具體的描述，但本發明的實施方式不限于此。
本發明中使用的濃縮硝化菌液購于青島奧芬蘭生物技術有限公司。
實施例I :
利用固定化好氧硝化菌小球，在連續曝氣的條件處理含氨氮的廢水。具體過程是在500ml蒸餾水中加入40g PVA和Ig海藻酸鈉，首先在室溫下手動攪拌15分鐘，然后通過水浴鍋加熱至95°C并保持在該溫度下，連續以70 IOOrpm速度攪拌2小時。待混合溶液冷卻至低于40°C，在溶液中加入20ml濃縮硝化菌液(購于青島奧芬蘭生物技術有限公司)，該濃縮菌液的含菌量約2. 5X IO7個/ml。
配制交聯劑溶液在500ml蒸懼水中加入硼酸30g,, CaCl2 IOg,戍二醒溶液為
2.5% (v/v)，攪拌均勻，用I mol/L Na2CO3溶液調節pH至6. 7。將菌液和PVA-海藻酸鈉的混合溶液用帶有9號針頭的注射器滴入交聯劑溶液中，注意針頭與交聯液液面距離至少15cm,以保證液滴在空中收縮成球狀。于4°C下放置24h，取出后先用生理鹽水洗滌3遍，力口入無菌水后，置于搖床中振蕩48h，洗去殘余的戊二醛，之后再用生理鹽水洗滌2遍，保存在4°C冷藏室中備用。充分的交聯時間有助于包埋劑與交聯劑充分交聯，提高小球的穩定性和機械強度。
制備過程幾乎沒有出現粘連，〈1%的小球發生拖尾。制得的小球有非常好的彈性。穩定性測試表明，連續運行數天后沒有出現明顯的膨脹、上浮或破裂。傳質性能優于沒有添加戊二醛的對照組。在相同的條件下進行水力機械強度測試，該發明制得小球的破碎率是對照組的1/5。
取IOOg固定化小球，置于IL人工合成氨氮廢水中，合成廢水的配方為在IL的蒸餾水中加入 NaH2PO4 2H20 65mg, K2HPO4 3H20 196. 5mg, MnSO4 H2O I. 5mg, MgSO4 7H2010. 7mg, (NH4)2SO4 99mg，攪拌溶解，用lmol/L的碳酸鈉溶液調節pH至7. 2，然后于121°C下濕熱滅菌20min,氨氮的初始濃度為21. 01mg/L。30°C下曝氣處理,每隔12小時測一次氨氮值。處理12h、24h和36h后的去除率分別為21. 06%,48. 36%和65. 35%，具有很高的應用價值。
實施例2
利用固定化好氧硝化菌小球，在連·續曝氣的條件處理含氨氮的廢水。具體過程是在500ml蒸餾水中加入50g PVA和IOg海藻酸鈉，首先在室溫下手動攪拌15分鐘，然后通過水浴鍋加熱至95°C并保持在該溫度下，連續以70 IOOrpm速度攪拌2小時。待混合溶液冷卻至低于40°C，在溶液中加入20ml濃縮硝化菌液(購于青島奧芬蘭生物技術有限公司)，該濃縮菌液的含菌量約2. 5X IO7個/ml。
配制交聯劑溶液在500ml蒸餾水中加入硼酸30g，，CaCl2 10g，戊二醛溶液為2. 5% (v/v)，攪拌均勻，用I mol/L Na2CO3溶液調節pH至6. 7。將菌液和PVA-海藻酸鈉的混合溶液用帶有9號針頭的注射器滴入交聯劑溶液中，注意針頭與交聯液液面距離至少15cm,以保證液滴在空中收縮成球狀。于4°C下放置24h，取出后先用生理鹽水洗滌3遍，力口入無菌水后，置于搖床中振蕩48h，洗去殘余的戊二醛，之后再用生理鹽水洗滌2遍，保存在4°C冷藏室中備用。充分的交聯時間有助于包埋劑與交聯劑充分交聯，提高小球的穩定性和機械強度。
制備過程幾乎沒有出現粘連，〈1%的小球發生拖尾。制得的小球有非常好的彈性。穩定性測試表明，連續運行數天后沒有出現明顯的膨脹、上浮或破裂。傳質性能優于沒有添加戊二醛的對照組。在相同的條件下進行水力機械強度測試，該發明制得小球的破碎率是對照組的1/5。
取IOOg固定化小球，置于IL人工合成氨氮廢水中，合成廢水的配方為在IL的蒸餾水中加入 NaH2PO4 2H20 65mg, K2HPO4 3H20 196. 5mg, MnSO4 H2O I. 5mg, MgSO4 7H2010. 7mg, (NH4)2SO4 99mg，攪拌溶解，用lmol/L的碳酸鈉溶液調節pH至7. 2，然后于121°C下濕熱滅菌20min,氨氮的初始濃度為21. 01mg/L。30°C下曝氣處理,每隔12小時測一次氨氮值。處理12h、24h和36h后的去除率分別為26. 03%,41. 86%和74. 77%，具有很高的應用價值。
權利要求
1.一種用于廢水脫氮的固定化微生物高分子小球的制備方法，其特征在于按照下述步驟進行 (1)稱取一定質量的PVA、海藻酸鈉于20°C左右的冷水中，慢速攪拌使海藻酸鈉、PVA顆粒充分溶脹，并使PVA中的揮發性物質逸出，而后升溫到95°C左右加速攪拌溶解，其中所述的攪拌速度為70 100轉/分；并保溫2 2. 5小時，直到膠狀混合溶液不再含有微小顆粒；最終PVA、海藻酸鈉的含量分別為80 100g/L和2 20g/L ； (2)待PVA和海藻酸鈉膠狀混合溶液溫度降低到40°C以下，將欲固定的目標微生物菌群濃縮硝化菌液與上述膠狀溶液混合； (3)分別稱取硼酸、CaCl2于室溫下溶解，加入25%的戊二醛水溶液，使其最終的濃度分別為硼酸飽和為60 g/L，戊二醛溶液體積比為2. 5%, CaCl2為20 25g/L ;溶液的pH用Imol/L Na2CO3溶液調節至6. 7，拌均勻后得到交聯劑溶液； (4)在轉速為120 150轉/分緩慢攪拌步驟(3)制得的交聯液，將步驟(2)制備得到的混合菌液滴加到步驟(3)交聯液中，滴制完成后，置于4°C冰箱內，小球在交聯液中浸泡18 24h充分交聯固定； (5)將步驟(4)制得的固定化微生物小球取出，用0.9%的無菌生理鹽水洗滌3遍后，將小球放入盛有適量無菌水的三角瓶中，置于20°C、150rpm的搖床中振蕩48h，充分洗凈小球上殘留的未交聯的戊二醛，取出后用生理鹽水沖洗2遍，放入冰箱于4°C下保存待用。
2.根據權利要求
I所述的一種用于廢水脫氮的固定化微生物高分子小球的制備方法，其特征在于所述的固定化硝化菌小球的粒徑為2.5 3.5mm。
專利摘要
本發明提出一種用于廢水脫氮的固定化微生物高分子小球的制備方法，涉及固定化微生物材料處理廢水領域。包埋劑為聚乙烯醇(PVA)和海藻酸鈉交聯劑為含有戊二醛和CaCl2的飽和硼酸溶液，其中CaCl2濃度為20~25g/L，戊二醛濃度為2.5%。利用注射器將固定化載體和微生物菌體的混合液滴加到交聯溶劑中，形成直徑約3mm左右的顆粒小球，在4℃下在置于交聯溶液中浸泡18~24h，然后將固定化微生物小球取出，用生理鹽水洗滌3遍，即得到固定化顆粒，固定化顆粒中微生物含量約為9.8×105個/g。該方法制備的固定化小球具有良好的生物活性和化學穩定性，氨氮去除率高。該發明可以用于自然水體及含氮廢水的生物脫氮處理。
文檔編號C12N11/04GKCN102796722SQ201210238198
公開日2012年11月28日 申請日期2012年7月11日
發明者梁玉婷, 樂譜, 宋超鵬, 李定龍 申請人:常州大學導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan