专利名称:一种用于废水脱氮的固定化微生物高分子小球的制备方法
技术领域：
本发明涉及水处理技术与应用，尤其涉及固定化微生物材料处理废水领域。
技术背景
固定化微生物技术是在固定化酶技术的基础上发展起来的一项新的生物技术，采用物理或化学方法将微生物限定在一定的空间内，从而保持微生物活性，使其能够反复、连续使用。通常采用的固定化微生物技术主要有吸附法、载体结合法、交联法和包埋法等。近年来，随着废水处理技术的不断发展，固定化微生物技术被广泛应用于各种废水处理领域。与传统废水处理技术相比，固定化微生物技术用于废水处理具有反应启动快、处理效率高、操作稳定、产污泥量少、固液分离简单等优点；此外，微生物细胞被固定在载体上，可以大大提高微生物对有毒物质的承受能力，可用于高浓度污染物废水的生化处理。
在含氮废水的生物处理中，氨的氧化是脱氮的重要步骤之一。氨氮通过转化为硝酸盐氮和亚硝酸盐氮，再通过反硝化过程或硝化液回流后被还原为氮气去除。一定浓度的高效硝化菌是氨氧化的保证，硝化菌分为氨氧化菌和亚硝酸盐氧化菌。充足的溶解氧、较低的COD浓度和大量的硝化细菌是实现氨氧化的三个有利条件。为了保持较高浓度的高效硝化菌，一个最直接的办法就是将细菌固定。微生物固定化技术就是采用合适的载体将纯种分离或功能确定的微生物固定在一定的空间内，使之不被流水稀释或冲走，保证生物催化反应能高效持续进行。
包埋法是研究最多和最常用的微生物固定化方法，它是将微生物封闭在天然高分子多糖类或合成高分子凝胶网络中，其特点是可以将固定化微生物制成各种形状，对高浓度污水的耐受能力强。包埋的载体材料多种多样，可以分为天然多糖类大分子，如海藻酸、卡拉胶、壳聚糖，和人工合成高分子，如聚丙烯酰胺、聚乙烯醇(PVA)和光硬化树脂等。天然多糖类具有固化成型方便、对微生物的毒害小，固定化密度高等优点，但它们耐生物分解性能差，机械强度低。人工高分子材料具有较高的机械强度，抗生物分解，机械强度高，但由于聚合物网络形成条件剧烈，在共价键形成过程中对细菌活性的损伤较大，成型的多样性和可控性不好。
PVA是一种常见的高分子材料，由于其无生物毒性、机械强度高且价格低廉，是固定化微生物的理想材料。单独使用PVA作为载体制备颗粒时，由于难以成球，所以通常在PVA水溶液中添加成形剂，如海藻酸钠，以提高其成球性。用含有一定含量氯化钙和戊二醛的饱和硼酸溶液作为交联剂，氯化钙中的钙离子与海藻酸钠作用形成海藻酸钙，该物质可以改善载体的表面性质，有助于增强PVA载体的机械性能；并有利于PVA分子形成氢键并且促进互穿网络的形成。随着反应的进行，海藻酸钙在凝胶网络中扩散，进一步优化载体结构以利于微生物的生长繁殖，进而增强底物和产物在载体内的传递。[0008]目前PVA固定化方法存在的主要问题是PVA的高粘性导致成形能力较差，颗粒易黏附在一起。另一个问题是硼酸上的三个羟基只是部分进行了反应，反应后形成的高分子凝胶上还残留有亲水性羟基，使得固定化颗粒在实际应用中存在水溶膨胀的问题。也就是说，固定化微生物凝胶颗粒在使用过程中，随着时间的延长，机械强度会因水溶膨胀性而大大减弱，甚至会出现破碎的现象，缩短了使用寿命。为了解决PVA多羟基亲水性的问题，之前很多学者作了许多尝试，通过查阅发现，目前较多采用的手段是多种载体材料的复合，例如公开号为CN 101497880 A的发明，是采用PVA-卡拉胶-海藻酸复合载体，通过调节载体的配比，实现性能的优化。此类发明都需向载体中添加一些功能性材料，这些材料价格较高，而制备成本高将不利于固定化微生物技术的推广应用。
发明内容
本发明提出了一种用于脱除氨氮的固定化微生物高分子小球的制备方法。该产品包埋的细菌为浓缩硝化菌。固定化载体为PVA和海藻酸钠的混合物。该方法，通过改变交 联溶液成分，在饱和溶液中添加了戊二醛溶液。由于戊二醛与PVA形成共价键，不仅抑制聚乙烯醇的多羟基亲水性，降低了溶胀性，而且可以通过改善表面的孔隙率和网状结构，为微生物的附着生长和代谢提供了良好的环境。该发明不仅节约了材料，而且赋予固定化微生物颗粒更多的优点。
本发明采用的技术方案是一种用于废水脱氮的固定化微生物高分子小球的制备方法，按照下述步骤进行
(1)称取一定质量的PVA、海藻酸钠于20°C左右的冷水中，慢速搅拌使海藻酸钠、PVA颗粒充分溶胀，并使PVA中的挥发性物质逸出，而后升温到95°C左右加速搅拌溶解，其中所述的搅拌速度为70 100转/分；并保温2 2. 5小时，直到胶状混合溶液不再含有微小颗粒；最终PVA、海藻酸钠的含量分别为80 100g/L和2 20g/L ；
(2)待PVA和海藻酸钠胶状混合溶液温度降低到40°C以下，将欲固定的目标微生物菌群浓缩硝化菌液与上述胶状溶液混合；
(3)分别称取硼酸、CaCl2于室温下溶解，加入25%的戊二醛水溶液，使其最终的浓度分别为硼酸饱和为60 g/L，戊二醛溶液为2. 5% (v/v), CaCl2为20 25g/L ;溶液的pH用Imol/L Na2CO3溶液调节至6. 7，拌均匀后得到交联剂溶液；
(4)缓慢搅拌(转速为120 150转/分)步骤(3)制得的交联液，将步骤(2)制备得到的混合菌液滴加到步骤(3)交联液中，滴制完成后，置于4°C冰箱内，小球在交联液中浸泡18 24h充分交联固定；
(5)将步骤(4)制得的固定化微生物小球取出，用0.9%的无菌生理盐水洗涤3遍后，将小球放入盛有适量无菌水的三角瓶中，置于20°C、150rpm的摇床中振荡48h，充分洗净小球上残留的未交联的戊二醛，取出后用生理盐水冲洗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径为2. 5 3. 5mm。
由于聚合度、醇解度、醇解方式不同，PVA产品在溶解时间、温度上有一定的差异。本实验采用的PVA的平均聚合度为1750±50。实验证明，本产品需要在20°C左右的冷水中慢速搅拌，充分润湿溶胀。然后水浴升温至95°C，保温以70 IOOrpm转速搅拌2 2. 5小时，才能将PVA颗粒完全溶解。加热只能采用夹套、水浴锅等间接方式，也可采用水蒸气直接加热，但不能用明火直接加热，以免局部过热而分解。
本发明的作用原理是PVA和海藻酸钠具有较好的稳定性和对生物无毒无害等优点，是应用最为广泛的包埋材料之一，但是由于PVA分子中存在大量的亲水性羟基，具有较大的吸水膨胀性，交联不充分或交联溶液选择不当，这些都将影响PVA小球的强度。该发明中，戊二醛交联PVA载体形成的共价交联网络抑制了其多羟基亲水性，降低了载体的溶胀性，致使载体的稳定性增强。同时由于交联程度变大，载体表面性质和内部网格结构得以优化，不仅提高了载体的强度和稳定性，而且增强其传质性能，提高耐酸性和耐高温性。该实验采用4°C作为交联温度是因为交联网络形成的条件剧烈，且硼酸和戊二醛对微生物都具有毒性，低温可以使细菌处于休眠状态，该状态下细菌酶活性低，活性损失也会减少。微生物生活在网格结构中，不仅减少了流失，而且更容易形成局部的严格厌氧环境，可以考虑同时固定好氧和厌氧的细菌，实现同时硝化反硝化，保证稳定高效的污水生物脱氮。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点本发明提出的用含有戊二醛的交联溶 液交联PVA-海藻酸钠载体制备固定化小球的方法，制得的小球具有很好的生物活性和水力机械强度。在物理性状方面，戊二醛的双交联功能抑制了 PVA的多羟基亲水性，同时可以改善表面的孔状结构，提高传质性能，有利于微生物的新陈代谢。污水测试也证明，该方法制得的固定化微生物活性较高，氨氮的脱除率在36h达到了 70%以上。数月的连续处理后，小球没有明显的膨胀、发软、解体现象，具有很好的物理稳定性和水力强度。
具体实施方式
下面结合实例对本发明作进一步具体的描述，但本发明的实施方式不限于此。
本发明中使用的浓缩硝化菌液购于青岛奥芬兰生物技术有限公司。
实施例I :
利用固定化好氧硝化菌小球，在连续曝气的条件处理含氨氮的废水。具体过程是在500ml蒸馏水中加入40g PVA和Ig海藻酸钠，首先在室温下手动搅拌15分钟，然后通过水浴锅加热至95°C并保持在该温度下，连续以70 IOOrpm速度搅拌2小时。待混合溶液冷却至低于40°C，在溶液中加入20ml浓缩硝化菌液(购于青岛奥芬兰生物技术有限公司)，该浓缩菌液的含菌量约2. 5X IO7个/ml。
配制交联剂溶液在500ml蒸懼水中加入硼酸30g,, CaCl2 IOg,戍二醒溶液为
2.5% (v/v)，搅拌均匀，用I mol/L Na2CO3溶液调节pH至6. 7。将菌液和PVA-海藻酸钠的混合溶液用带有9号针头的注射器滴入交联剂溶液中，注意针头与交联液液面距离至少15cm,以保证液滴在空中收缩成球状。于4°C下放置24h，取出后先用生理盐水洗涤3遍，力口入无菌水后，置于摇床中振荡48h，洗去残余的戊二醛，之后再用生理盐水洗涤2遍，保存在4°C冷藏室中备用。充分的交联时间有助于包埋剂与交联剂充分交联，提高小球的稳定性和机械强度。
制备过程几乎没有出现粘连，〈1%的小球发生拖尾。制得的小球有非常好的弹性。稳定性测试表明，连续运行数天后没有出现明显的膨胀、上浮或破裂。传质性能优于没有添加戊二醛的对照组。在相同的条件下进行水力机械强度测试，该发明制得小球的破碎率是对照组的1/5。
取IOOg固定化小球，置于IL人工合成氨氮废水中，合成废水的配方为在IL的蒸馏水中加入 NaH2PO4 2H20 65mg, K2HPO4 3H20 196. 5mg, MnSO4 H2O I. 5mg, MgSO4 7H2010. 7mg, (NH4)2SO4 99mg，搅拌溶解，用lmol/L的碳酸钠溶液调节pH至7. 2，然后于121°C下湿热灭菌20min,氨氮的初始浓度为21. 01mg/L。30°C下曝气处理,每隔12小时测一次氨氮值。处理12h、24h和36h后的去除率分别为21. 06%,48. 36%和65. 35%，具有很高的应用价值。
实施例2
利用固定化好氧硝化菌小球，在连·续曝气的条件处理含氨氮的废水。具体过程是在500ml蒸馏水中加入50g PVA和IOg海藻酸钠，首先在室温下手动搅拌15分钟，然后通过水浴锅加热至95°C并保持在该温度下，连续以70 IOOrpm速度搅拌2小时。待混合溶液冷却至低于40°C，在溶液中加入20ml浓缩硝化菌液(购于青岛奥芬兰生物技术有限公司)，该浓缩菌液的含菌量约2. 5X IO7个/ml。
配制交联剂溶液在500ml蒸馏水中加入硼酸30g，，CaCl2 10g，戊二醛溶液为2. 5% (v/v)，搅拌均匀，用I mol/L Na2CO3溶液调节pH至6. 7。将菌液和PVA-海藻酸钠的混合溶液用带有9号针头的注射器滴入交联剂溶液中，注意针头与交联液液面距离至少15cm,以保证液滴在空中收缩成球状。于4°C下放置24h，取出后先用生理盐水洗涤3遍，力口入无菌水后，置于摇床中振荡48h，洗去残余的戊二醛，之后再用生理盐水洗涤2遍，保存在4°C冷藏室中备用。充分的交联时间有助于包埋剂与交联剂充分交联，提高小球的稳定性和机械强度。
制备过程几乎没有出现粘连，〈1%的小球发生拖尾。制得的小球有非常好的弹性。稳定性测试表明，连续运行数天后没有出现明显的膨胀、上浮或破裂。传质性能优于没有添加戊二醛的对照组。在相同的条件下进行水力机械强度测试，该发明制得小球的破碎率是对照组的1/5。
取IOOg固定化小球，置于IL人工合成氨氮废水中，合成废水的配方为在IL的蒸馏水中加入 NaH2PO4 2H20 65mg, K2HPO4 3H20 196. 5mg, MnSO4 H2O I. 5mg, MgSO4 7H2010. 7mg, (NH4)2SO4 99mg，搅拌溶解，用lmol/L的碳酸钠溶液调节pH至7. 2，然后于121°C下湿热灭菌20min,氨氮的初始浓度为21. 01mg/L。30°C下曝气处理,每隔12小时测一次氨氮值。处理12h、24h和36h后的去除率分别为26. 03%,41. 86%和74. 77%，具有很高的应用价值。
权利要求
1.一种用于废水脱氮的固定化微生物高分子小球的制备方法，其特征在于按照下述步骤进行 (1)称取一定质量的PVA、海藻酸钠于20°C左右的冷水中，慢速搅拌使海藻酸钠、PVA颗粒充分溶胀，并使PVA中的挥发性物质逸出，而后升温到95°C左右加速搅拌溶解，其中所述的搅拌速度为70 100转/分；并保温2 2. 5小时，直到胶状混合溶液不再含有微小颗粒；最终PVA、海藻酸钠的含量分别为80 100g/L和2 20g/L ； (2)待PVA和海藻酸钠胶状混合溶液温度降低到40°C以下，将欲固定的目标微生物菌群浓缩硝化菌液与上述胶状溶液混合； (3)分别称取硼酸、CaCl2于室温下溶解，加入25%的戊二醛水溶液，使其最终的浓度分别为硼酸饱和为60 g/L，戊二醛溶液体积比为2. 5%, CaCl2为20 25g/L ;溶液的pH用Imol/L Na2CO3溶液调节至6. 7，拌均匀后得到交联剂溶液； (4)在转速为120 150转/分缓慢搅拌步骤(3)制得的交联液，将步骤(2)制备得到的混合菌液滴加到步骤(3)交联液中，滴制完成后，置于4°C冰箱内，小球在交联液中浸泡18 24h充分交联固定； (5)将步骤(4)制得的固定化微生物小球取出，用0.9%的无菌生理盐水洗涤3遍后，将小球放入盛有适量无菌水的三角瓶中，置于20°C、150rpm的摇床中振荡48h，充分洗净小球上残留的未交联的戊二醛，取出后用生理盐水冲洗2遍，放入冰箱于4°C下保存待用。
2.根据权利要求
I所述的一种用于废水脱氮的固定化微生物高分子小球的制备方法，其特征在于所述的固定化硝化菌小球的粒径为2.5 3.5mm。
专利摘要
本发明提出一种用于废水脱氮的固定化微生物高分子小球的制备方法，涉及固定化微生物材料处理废水领域。包埋剂为聚乙烯醇(PVA)和海藻酸钠交联剂为含有戊二醛和CaCl2的饱和硼酸溶液，其中CaCl2浓度为20~25g/L，戊二醛浓度为2.5%。利用注射器将固定化载体和微生物菌体的混合液滴加到交联溶剂中，形成直径约3mm左右的颗粒小球，在4℃下在置于交联溶液中浸泡18~24h，然后将固定化微生物小球取出，用生理盐水洗涤3遍，即得到固定化颗粒，固定化颗粒中微生物含量约为9.8×105个/g。该方法制备的固定化小球具有良好的生物活性和化学稳定性，氨氮去除率高。该发明可以用于自然水体及含氮废水的生物脱氮处理。
文档编号C12N11/04GKCN102796722SQ201210238198
公开日2012年11月28日 申请日期2012年7月11日
发明者梁玉婷, 乐谱, 宋超鹏, 李定龙 申请人:常州大学导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan