一种生物微胶囊的制备方法及应用与流程

1.本发明属于水处理技术领域，具体涉及一种生物微胶囊的制备方法及应用。


背景技术：

2.氮(n)是造成水体富营养化的主要因素之一，地表水氮污染仍是全世界关注的焦点。值得注意的是，大多数城市生活污水的碳氮比例非常低，中国大部分地区特别是南方城镇污水的碳氮比往往低于4.0。可生物降解有机碳量较低，不足以维持反硝化脱氮过程，导致总氮去除效率低。往往需要补充碳源来实现反硝化脱氮，由此带来难以控制，出水碳超标风险、增加成本等新问题。此外，脱氮微生物世代期长，对营养不平衡的污水处理系统，往往出现生物处理单元的脱氮功能微生物量不足、活性较低的情况，因此，为提高营养不平衡污水处理的脱氮效率，还需要解决如何提高脱氮微生物生物量及活性的问题。
3.生物脱氮技术一直是处理含氮生活污水的主要方法。近年来，发展了生物强化脱氮技术，通过对碳源/营养物/脱氮微生物的调控，补充碳源、促进脱氮微生物的繁殖以提高脱氮微生物量，提高系统生物脱氮效能。
4.复合菌一般是由两种或两种以上能够产生协同作用的细菌以不同比例进行构建。复合菌与单菌相比在应用上具有明显的优势，不同细菌间的协同作用可以提高对污染物的去除效率或提高生物量，并能够扩大底物的利用范围。此外，复合菌在面对环境因子的波动及土著微生物竞争方面具有较强的抗冲击能力和适应能力。
5.固定化微生物技术即通过物化手段将微生物局限在一定空间内，使其高度富集同时保持较高活性。相比于游离微生物，固定化微生物技术可使反应器维持较高的生物量，提高负荷、缩短水力停留时间(hrt)。此外，可以选择功能菌(如硝化菌、反硝化菌等)固定化，以充分发挥功能微生物对目标污染物的降解效能。
6.微生物促生剂属微生物营养物质范畴，它是集酶、微量元素、小分子有机酸等营养元素于一体的复合制剂。微生物促生剂技术是促进微生物代谢生长、提高微生物活性及降解效率的重要技术手段。研究表明，微生物促生剂可大大增加生物量并提高微生物对水中污染物的降解效率。因而，选择适用于污水生物脱氮的微生物促生剂，亦可有效促进脱氮功能菌生长繁殖并提高降解污染物活性，提高生物脱氮效率。
7.固体碳源分为农业废弃物和人工聚合物，近年来，基于安全性和经济性等方面的考虑，人们更倾向以农业废弃物作为反硝化脱氮外加碳源。但人工聚合物和农业废弃物各有其优势，现有技术中二者结合使用的技术方案少之又少。未能充分利用其优势。
8.因此，如何提供一种生物微胶囊的制备方法及应用是本领域亟待解决的问题。


技术实现要素：

9.本发明公开了一种生物微胶囊的制备方法及应用。
10.本发明的技术策略是将复合脱氮菌、微生物促生剂与固体碳源玉米芯固定于微胶囊中，制备生物微胶囊，投入污水处理系统后，起到“原位功能菌微种子罐”的作用，不断提
供脱氮功能菌，以维持系统脱氮功能菌的相对优势，并保持脱氮功能菌的活性，实现系统快速启动，及高效稳定的高负荷同步硝化反硝化脱氮。本发明不仅可以实现低碳污水的高效稳定脱氮，其利用农业废弃物循环利用也符合人类可持续发展的理念。
11.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
12.一种生物微胶囊的制备方法，包括以下步骤：
13.(1)将聚乙烯醇粉末和海藻酸钠粉末以质量比为1：(1-2)溶解于水中，再加入玉米芯粉末和生物促生剂，灭菌，冷却后，再加入复合脱氮菌菌悬液并充分搅拌使其混合均匀，制得复合混合液i；
14.(2)将步骤(1)中得到的复合混合液i逐滴加入到1-3％氯化钙溶液中发生交联反应，在4℃条件下，交联固定7-10h制得生物微胶囊；
15.优选的，步骤(1)中，所述聚乙烯醇、海藻酸钠、玉米芯、生物促生剂、复合脱氮菌菌悬液和溶剂的质量分数分别为2％，2-4％，10-20％，10-20％， 20-30％，50-60％范围；
16.优选的，所述复合脱氮菌菌悬液od
600
＝1
±
0.05；
17.优选的，步骤(1)中，聚乙烯醇与海藻酸钠在75-95℃条件下溶解，并混合均匀至无气泡产生；
18.优选的，步骤(1)中，所述复合脱氮菌包括：硝化菌和好氧反硝化菌
19.优选的，所述复合脱氮菌菌悬液od
600
＝1
±
0.05，硝化菌和好氧反硝化菌的体积比为1：1.5；
20.优选的，硝化菌为巨大芽孢杆菌bio-59020、巨大芽孢杆菌bio-59027、枯草芽孢杆菌bio-60508、枯草芽孢杆菌bio-53031中的一种或几种；
21.优选的，好氧反硝化菌为：不动杆菌、节杆菌、假单胞菌中的一种或多种；
22.优选的，步骤(1)中，所述微生物促生剂的组分包含氨基酸溶液和维生素溶液；
23.所述氨基酸溶液包括l-精氨酸、l-胱氨酸、l-组氨酸、l-异亮氨酸、l-亮氨酸、l-赖氨酸、l-蛋氨酸、l-苯丙氨酸、l-苏氨酸、l-色氨酸、l-酪氨酸、l
‑ꢀ
缬氨酸中的一种或几种；
24.所述维生素溶液包括维生素b9、维生素b3、维生素b6、维生素b2、维生素b1、维生素c的一种或几种；
25.优选的，步骤(1)中，所述玉米芯粉末粒径在0.075-0.180mm范围内，孔隙率为56.1％-59.8％；
26.优选的，玉米芯粉末为玉米芯烘干研磨后成粉末状；
27.优选的，步骤(2)中，所述氯化钙溶液浓度为1-3％；
28.优选的，步骤(2)中，所述的交联固定时间为7-10h。
29.综上所述，本本发明所述的一种生物微胶囊的制备方法及应用，由聚乙烯醇、海藻酸钠组成微胶囊壁材，内部包埋玉米芯、复合脱氮菌及微生物促生剂。首先在无菌条件下，将复合脱氮菌菌悬液与经过灭菌处理的复合物混合，复合物包括加热溶解的聚乙烯醇及海藻酸钠、玉米芯和微生物促生剂，所得混合液再与1-3％氯化钙溶液发生交联反应，通过固定化微生物技术中的包埋法制得具有缓释碳源及促生剂的高效生物脱氮功能的生物微胶囊；本发明生物微胶囊具有成本低廉、传质性能好、制备工艺简单、生产效率高、生产周期短、产品收益率高、无二次污染等优点；该生物微胶囊利用了农业废弃物(玉米芯)，实现了低碳源污水反应器的快速启动，提高了系统的负荷及稳定性。
附图说明
30.图1为实施例1中制得的生物微胶囊的实物图；
31.图2为实施例1中制得的生物微胶囊的扫描电镜图；
32.图3为聚乙烯醇含量过高(聚乙烯醇含量＞2％)，生物微胶囊的实物图。
具体实施方式
33.下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。以下实施例中，若无特别说明，所得数据均是三次以上重复实验的平均值。
34.主要试剂：
35.聚乙烯醇为1799型，聚合度1700，醇解度99％；玉米芯粒径0.075-0.180mm，孔隙率为56.1％-59.8％；
36.生物促生剂的配制：
37.氨基酸溶液中含有l-精氨酸6320mg/l，l-胱氨酸1200mg/l，l-组氨酸2100 mg/l，l-异亮氨酸2620mg/l，l-亮氨酸2620mg/l，赖氨酸3625mg/l，l-蛋氨酸755mg/l，l-苯丙氨酸1650mg/l，l-苏氨酸2380mg/l，l-色氨酸510mg/l， l-酪氨酸181mg/l，l-缬氨酸2340mg/l。
38.维生素溶液中含有氯化胆碱100mg/l，维生素b5 100mg/l，维生素b9 100 mg/l，维生素b3 100mg/l，维生素b6 100mg/l，维生素b2 10mg/l，维生素b1 100mg/l，肌醇200mg/l。溶剂为氯化钠8500mg/l。
39.将配置好的氨基酸溶液和维生素溶液分别稀释50倍和100倍后，按照氨基酸维生素体积比5:3配置成微生物促生剂。
40.复合脱氮菌菌悬液：
41.取各脱氮菌种子液50μl于lb培养基活化10h后，用pbs洗去培养基后制得od
600
＝1
±
0.05菌悬液，依照配比分别取适当体积混合制成复合菌菌悬液。
42.实施例1
43.(1)将2g聚乙烯醇(聚合度1700，醇解度99％，)和2g海藻酸钠粉末 95℃条件下加热溶解于50ml去离子水中，搅拌均匀至无气泡。将2g玉米芯(粒径0.075-0.180mm)烘干粉碎过筛加入聚乙烯醇-海藻酸钠混合液中，将混合液放入灭菌锅，于125℃灭菌20min，冷却至室温后，加入20ml微生物促生剂(含氨基酸溶液10ml，维生素溶液10ml)，加入30ml复合脱氮菌菌悬液(硝化菌、好氧反硝化菌菌液体积比为1:1.5)并充分搅拌使其混合均匀，制得聚乙烯醇、海藻酸钠、玉米芯、微生物促生剂和复合脱氮菌菌悬液的混合液(玉米芯：微生物促生剂：复合菌菌悬液＝2％:20％:30％)。
44.(2)将上述制得的混合液通过注射器逐滴滴加至2％氯化钙溶液中，于4℃下发生交联反应，反应时间为8h。反应结束后将制得的生物微胶囊用去离子水冲洗过滤3次，即得生物微胶囊。
45.实施例2
46.一种包埋了复合脱氮菌、微生物促生剂及玉米芯的生物微胶囊，与实施例1 中制备的生物微胶囊基本相同，区别仅在于：实施例2的生物微胶囊中玉米芯质量含量为1g。
47.(1)将2g聚乙烯醇1799型和2g海藻酸钠粉末95℃条件下加热溶解于50ml 去离子水中，搅拌均匀。将1g玉米芯(粒径0.075-0.180mm)烘干粉碎过筛加入聚乙烯醇-海藻酸钠混合液中，将混合液放入灭菌锅，于125℃灭菌20min，冷却至室温后，加入20ml微生物促生剂(含氨基酸溶液10ml，维生素溶液10ml)，加入30ml复合脱氮菌菌悬液(硝化菌、好氧反硝化菌菌液体积比为1:1)并充分搅拌使其混合均匀，制得聚乙烯醇、海藻酸钠、玉米芯、微生物促生剂和复合脱氮菌菌悬液的混合液(玉米芯：微生物促生剂：复合菌菌悬液＝2％:20％:30％)。
48.(2)将上述制得的混合液通过注射器逐滴滴加至2％氯化钙溶液中，于4℃下发生交联反应，反应时间为8h。反应结束后将制得的生物微胶囊用去离子水冲洗过滤3次，即得生物微胶囊。
49.实施例3
50.一种包埋了复合脱氮菌、微生物促生剂及玉米芯的生物微胶囊，与实施例1 中制备的生物微胶囊基本相同，区别仅在于：对比实施例1的制备方法中微生物促生剂体积为10ml。
51.(1)将2g聚乙烯醇1799型和2g海藻酸钠粉末95℃条件下加热溶解于50ml 去离子水中，搅拌均匀。将2g玉米芯(粒径0.075-0.180mm)烘干粉碎过筛加入聚乙烯醇-海藻酸钠混合液中，之后加入实施例1中微生物促生剂10ml，将混合液放入灭菌锅，于125℃灭菌20min。冷却至室温后，加入30ml实施例1 中复合脱氮菌菌悬液并充分搅拌使其混合均匀，制得聚乙烯醇、海藻酸钠、玉米芯、微生物促生剂和复合脱氮菌菌悬液的混合液。
52.(2)将上述制得的混合液通过注射器逐滴滴加至2％氯化钙溶液中，于4℃条件下发生交联反应，反应时间为8h。反应结束后将制得的生物微胶囊用去离子水冲洗过滤3次，即得生物微胶囊。
53.实施例4
54.一种包埋了复合脱氮菌、微生物促生剂及玉米芯的生物微胶囊，与实施例1 中制备的生物微胶囊基本相同，区别仅在于：对比实施例1的制备方法中复合脱氮菌菌液体积为10ml。
55.(1)将2g聚乙烯醇1799型和2g海藻酸钠粉末95℃条件下加热溶解于70ml 去离子水中，搅拌均匀。将2g玉米芯(粒径0.075-0.180mm)烘干粉碎过筛加入聚乙烯醇-海藻酸钠混合液中，之后加入实施例1中生物促生剂20ml，将混合液放入灭菌锅，于125℃灭菌20min。冷却至室温后，加入10ml实施例1中复合菌菌悬液并充分搅拌使其混合均匀，制得聚乙烯醇、海藻酸钠、玉米芯、生物促生剂和复合菌菌悬液的混合液。
56.(2)将上述制得的混合液通过注射器逐滴滴加至2％氯化钙溶液中，于4℃条件下发生交联反应，反应时间为8h。反应结束后将制得的生物微胶囊用去离子水冲洗过滤3次，即得生物微胶囊。
57.实施例5
58.一种包埋了复合脱氮菌、微生物促生剂及玉米芯的生物微胶囊，与实施例1 中制备的生物微胶囊基本相同，区别仅在于：对比实施例1的制备方法中聚乙烯醇和海藻酸钠质量比为1：2。
59.(1)将1g聚乙烯醇1799型和2g海藻酸钠粉末95℃条件下加热溶解于60ml 去离子
水中，搅拌均匀。将2g玉米芯(粒径0.075-0.180mm)烘干粉碎过筛加入聚乙烯醇-海藻酸钠混合液中，之后加入实施例1中生物促生剂20ml，将混合液放入灭菌锅，于125℃灭菌20min。冷却至室温后，加入30ml实施例1中复合菌菌悬液并充分搅拌使其混合均匀，制得聚乙烯醇、海藻酸钠、玉米芯、生物促生剂和复合菌菌悬液的混合液。
60.(2)将上述制得的混合液通过注射器逐滴滴加至2％氯化钙溶液中，于4℃条件下发生交联反应，反应时间为8h。反应结束后将制得的生物微胶囊用去离子水冲洗过滤3次，即得生物微胶囊。
61.对比例1
62.一种包埋了复合脱氮菌、微生物促生剂及玉米芯的生物微胶囊，与实施例1 中制备的生物微胶囊基本相同，区别仅在于：对比例1的制备方法中不添加玉米芯。
63.对比例2
64.一种包埋了复合脱氮菌、微生物促生剂及玉米芯的生物微胶囊，与实施例3 中制备的生物微胶囊基本相同，区别仅在于：对比例1的制备方法中不添加微生物促生剂。
65.对比例3
66.一种包埋了复合脱氮菌、微生物促生剂及玉米芯的生物微胶囊，与实施例1 中制备的生物微胶囊基本相同，区别仅在于：对比实施例1的制备方法中不添加复合脱氮菌菌液。
67.对比例4
68.一种包埋了复合脱氮菌、微生物促生剂及玉米芯的生物微胶囊，与实施例1 中制备的生物微胶囊基本相同，区别仅在于：对比实施例1的制备方法中不添加聚乙烯醇。
69.表1
[0070][0071]
结果分析：
[0072]
根据实施例1、实施例2和对比例1结果可知，随着生物微胶囊所包埋的玉米芯含量的升高，生物微胶囊对氨氮转化率及总氮去除率也随之升高，这是由于玉米芯释出的碳可以为复合脱氮菌生长代谢提供碳源，弥补原污水中碳源不足，好氧反硝化菌活性不高的不
足。
[0073]
根据实施例1、实施例3和对比例2可知，随着生物微胶囊所包埋的促生剂含量的升高，氨氮转化率及总氮去除率也随之升高，这是由于微生物促生剂能提高复合脱氮菌活性，促进其生长代谢。
[0074]
根据实施例1、实施例4和对比文件3可知，不含有复合脱氮菌的生物微胶囊脱氮效果相比含有复合脱氮菌的生物微胶囊氨氮转化率和总氮去除率均大幅下降，可见复合脱氮菌是生物微胶囊具有脱氮功能的关键因素。
[0075]
根据实施例1、实施例5和对比文件4可知，聚乙烯醇的含量对生物微胶囊的氨氮转化率及总氮去除率影响较小，但对于生物微胶囊的稳定性影响较大，聚乙烯醇含量越高，生物微胶囊的稳定性越高。但是，如果聚乙烯醇含量过高 (聚乙烯醇含量＞2％)，生物微胶囊会发生粘连甚至不成球的情况，如图3所示。
[0076]
综上所述，由不同玉米芯投加量、微生物促生剂投加量、复合脱氮菌菌液投加量比例制备的生物微胶囊均有较好的脱氮效果，但实施例1制备的生物微胶囊脱氮效果最好，在反应器中维持3个月以上仍有较好的稳定性，表现出了更好的处理效果(如表1所示)。
[0077]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
[0078]
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对上述实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。