一种冰晶内嵌式微生物包埋凝胶的制备方法及其应用

一、本发明涉及微生物固定化，特别是一种冰晶内嵌式微生物包埋凝胶的制备方法及其应用。

背景技术：

0、二、背景技术

1、微生物固定化技术是将微生物固定在特定的载体内实现高浓度富集的技术。微生物固定载体内可提高抗负荷能力，同时防止微生物的流失。目前，微生物固定化技术包括吸附法、包埋法、交联法、复合固定方法。吸附法与交联法是利用微生物自身的特性，附着在载体表面或者自身聚集在一起，两者均需要一个周期实现微生物的富集。微生物包埋技术是利用高分子有机材料，将高浓度微生物包埋在其内部，实现快速的富集，是目前最常用的微生物固定化技术。

2、微生物包埋技术是利用高分子材料融化为凝胶后，与微生物混合形成含菌凝胶溶液，通过物理交联或化学交联固化为载体。常用的材料有聚乙烯醇、海藻酸钠、聚丙烯酰胺等高分子有机物，玉米芯、棉花、稻壳、腐朽木等天然纤维素。由于有机物与纤维素可作为生物碳源，因此载体材料也可作为有机碳源用于反硝化。单一高分子有机物制作的载体，其结构强、释碳能力稳定，但价格较贵；单一天然纤维素制作的载体，价格便宜、取材方便，但释碳能力不稳定、结构疏松，利用两种材料制作的复合载体以有机物作为骨架，纤维素为碳源材料，可制作强度较高的缓释碳源材料。

3、多数城镇污水处理厂面对着总氮处理不达标的问题，主要是生活污水碳源浓度较低，导致反硝化菌反硝化不完全。污水处理厂需要投加额外的碳源材料，主要以液态低分子的乙酸钠、甲酸等为主，只能一次投加、可持续较差、成本高昂。因此，包埋脱氮微生物的缓释碳源固体载体成为强化城镇污水总氮的有效途径。

4、目前，制作的载体释放碳源缓慢，但随之带来的问题，其降解能力较差。载体内部紧密的结构极大降低物质内外传输的能力，包埋的微生物生长与脱氮能力受阻，载体性能降低。现有的强化载体的传质性能的方法主要有曝气法、发泡剂法、酵母法。其三种方法交联方式均采用物理化学交联法，曝气法：将含菌凝胶溶液通过底部曝气方式，使气泡分布在凝胶溶液中。发泡剂法：将发泡剂与菌凝胶溶液，使产生气泡在凝胶溶液中。酵母法：将酵母菌混入菌凝胶溶液，利用厌氧发酵产生气泡，凝胶内孔隙率。三种方法形式不同，但原理是通过气体增大内部的孔隙率以强化外界物质传输到内部。其中曝气法直接将空气曝气，其适宜于好氧菌的凝胶溶液，对缺氧、厌氧环境的微生物的活性有较大的影响、尤其是厌氧氨氧化菌。发泡剂往往采用表面活性剂，其不易于凝胶溶液混合，多余的发泡剂残留在凝胶内部。酵母发泡法对环境要求较高，且酵母发泡的大小不宜控制。上述三种方法虽然可以增加载体的传质性能，但存在着明显的缺点与局限性，微生物包埋技术制作的载体结构紧密，为了提高其释碳能力，降低其降解能力，进一步恶化传质性能。在保证其释碳能力并采用曝气等强化措施，其强化传质不稳定且对微生物菌群有限制。由于气泡型的缺点是气泡受浮力上浮产生的，凝胶溶液物理交联(零下15摄氏度)从胶体至固体至少需要两个小时，低温下气泡迁移至顶部一般需要10至15分钟。理论上，冷冻时间低于气泡上浮的时间，可以有效将气泡截留在凝胶内部。在超低温下(零下80摄氏度)可实现快速冷冻，但对微生物的活性损害是不可逆转的，目前强化传质的方法是没有较好的优化方式的。而且，气泡在交联的过程中会上浮到载体的最上层，载体底部与内部仍然是紧密的结构。因此，发明一种冰晶内嵌式微生物包埋凝胶的制备方法势在必行。

技术实现思路

0、三、
技术实现要素：

1、针对上述情况，为解决现有技术之缺陷，本发明之目的就是提供一种冰晶内嵌式微生物包埋凝胶的制备方法及其应用，可有效解决气泡型强化传质法对缺氧、厌氧微生物菌群抑制以及气泡分布不均匀的问题。

2、本发明解决的技术方案是，本发明利用物理交联后凝胶溶液会形成半固体形态，从原料不易降解的出发，采用相反的方式加入极易降解或融化且对凝胶与微生物以及交联方式不产生影响的固体物质，固体物质在原本占有的位置将释放，形成内部均匀的载体，具体包括以下步骤：

3、1)将聚乙烯醇(pva)溶液、海藻酸钠(sa)溶液、活性污泥溶液按照比例1-2：1-2：0.5-1混合，再加入1-5wt％的玉米芯颗粒，得凝胶混合液，低温冷藏至1-4℃，备用；

4、2)将步骤1)冷藏后的凝胶混合液平铺在方体模具内，平铺厚度为4-8mm，然后加入冰晶颗粒，冰晶颗粒加入总体积占凝胶混合液体积的10-70％，混匀后立刻进行零下15℃冷冻2h以上，划分为边长为4-10mm的方体颗粒或将冷藏后凝胶混合液与冰晶颗粒混合后，直接滴入颗粒模具内，冷冻至固体后脱模，得含水晶颗粒的凝胶半固体；

5、3)将步骤2)得到的含水晶颗粒的凝胶半固体脱模后，加入交联剂中，含水晶颗粒的凝胶半固体总体积与交联剂体积比为1：4-5，在20-30℃交联10-30min至冰晶完全融化，在4℃冷藏交联10-12h，交联结束后用去离子水清洗固化多孔颗粒2-4次，得冰晶内嵌式微生物包埋凝胶。

6、所述的步骤1)中，pva溶液质量分数为4-16wt％，sa溶液质量分数0.5-4wt％，玉米芯粒径为1-5mm。

7、所述的步骤1)中，活性污泥的mlss为：6-10g/l(好氧区)、9-12g/l(缺氧区)、8-10g/l(厌氧区)的其中一种。

8、所述的步骤1)中，pva溶液为：称取pva粉末溶于水中，水浴85-95℃加热2h以上，至完全溶解，冷却至室温，即得。

9、所述的步骤1)中，sa溶液为：称取sa粉末溶于水中，水浴45-50℃并不断搅拌至完全溶解，冷却至室温，即得。

10、所述的步骤2)中，颗粒模具为单格大小1cm*1cm*1cm。

11、所述的步骤2)中，凝胶混合液与冰晶颗粒混合时环境温度为-5-4℃。

12、所述的步骤2)中，冰晶颗粒是由水直接冷冻而成，直径为0.5-5mm。

13、所述的步骤3)中，交联剂为5％氯化钙饱和硼酸溶液。

14、所述的冰晶内嵌式微生物包埋凝胶在治理污水和工业废水中的应用。

15、本发明载体颗粒采用物理化学交联法强化载体的机械强度，同时充分利用冷冻过程，冰颗粒加入无需再次冷冻，制备方法简单，且制备的冰晶内嵌式微生物包埋凝胶传质性能极佳，是微生物包埋凝胶的制备方法上的创新。

技术特征：

1.一种冰晶内嵌式微生物包埋凝胶的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的冰晶内嵌式微生物包埋凝胶的制备方法，其特征在于，所述的步骤1）中，pva溶液质量分数为4-16wt%，sa溶液质量分数0.5-4 wt%，玉米芯粒径为1-5mm。

3.根据权利要求1所述的冰晶内嵌式微生物包埋凝胶的制备方法，其特征在于，所述的步骤1）中，活性污泥的mlss为：6-12g/l。

4.根据权利要求1所述的冰晶内嵌式微生物包埋凝胶的制备方法，其特征在于，所述的步骤1）中，pva溶液为：称取pva粉末溶于水中，水浴85-95℃加热2h以上，至完全溶解，冷却至室温，即得。

5.根据权利要求1所述的冰晶内嵌式微生物包埋凝胶的制备方法，其特征在于，所述的步骤1）中，sa溶液为：称取sa粉末溶于水中，水浴45-50℃并不断搅拌至完全溶解，冷却至室温，即得。

6.根据权利要求1所述的冰晶内嵌式微生物包埋凝胶的制备方法，其特征在于，所述的步骤2）中，颗粒模具为单格大小1cm*1cm*1cm。

7.根据权利要求1所述的冰晶内嵌式微生物包埋凝胶的制备方法，其特征在于，所述的步骤2）中，凝胶混合液与冰晶颗粒混合时环境温度为-5-4℃。

8.根据权利要求1所述的冰晶内嵌式微生物包埋凝胶的制备方法，其特征在于，所述的步骤2）中，冰晶颗粒是由水直接冷冻而成，直径为0.5-5mm。

9.根据权利要求1所述的冰晶内嵌式微生物包埋凝胶的制备方法，其特征在于，所述的步骤3）中，交联剂为5%氯化钙饱和硼酸溶液。

10.权利要求1制备的冰晶内嵌式微生物包埋凝胶在治理污水和工业废水中的应用。

技术总结
本发明涉及冰晶内嵌式微生物包埋凝胶的制备方法及其应用，可有效解决气泡型强化传质法对缺氧、厌氧微生物菌群抑制以及气泡分布不均匀的问题，其解决的技术方案是，将聚乙烯醇溶液、海藻酸钠溶液、活性污泥溶液按照比例混合，再加入玉米芯颗粒，得凝胶混合液；将冷藏后的凝胶混合液平铺在方体模具内，然后加入冰晶颗粒，混匀后立刻冷冻，得含水晶颗粒的凝胶半固体；将得到的含水晶颗粒的凝胶半固体脱模后，加入交联剂中，交联结束后用去离子水清洗固化多孔颗粒，得冰晶内嵌式微生物包埋凝胶，本发明制备方法简单，且制备的冰晶内嵌式微生物包埋凝胶传质性能极佳，是微生物包埋凝胶的制备方法上的创新。

技术研发人员：刘奥,于鲁冀,刘冰岩,王頔,张慧,郝子垚,彭赵旭
受保护的技术使用者：郑州大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14