本發(fā)明涉及化工廢水處理技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種微生物的層層自組裝固定化方法。
背景技術(shù)：
隨著我國工業(yè)生產(chǎn)的迅猛發(fā)展，化工廢水在我國污水組成中占的比例越來越大，石化、制革、造紙、鋼鐵等行業(yè)會產(chǎn)生大量化工廢水，化工廢水含污染物濃度高，成分復(fù)雜，且大部分含有氮磷等富營養(yǎng)元素，直接排入水體會引起嚴(yán)重的水體污染。通過傳統(tǒng)的活性污泥法，對化工廢水的處理效果欠佳，出水水質(zhì)難以達(dá)標(biāo)。
20世紀(jì)80年代初期，固定化微生物技術(shù)開始應(yīng)用于污水處理過程中，該技術(shù)有利于提高生物反應(yīng)器內(nèi)微生物的濃度，固定化微生物可以抵抗不利環(huán)境的影響，并且有利于反應(yīng)后的固液分離，縮短處理所需的時間。
常見的微生物固定化方法有吸附法、包埋法、交聯(lián)法等。吸附法是依靠微生物與載體之間的范德華力、氫鍵、共價鍵及離子鍵等作用吸附在一起，該方法操作簡單，但是微生物結(jié)合不穩(wěn)定，容易脫落。包埋法是利用聚合作用或者離子網(wǎng)絡(luò)等作用將微生物截留在載體的多孔網(wǎng)絡(luò)中，從而實現(xiàn)微生物的固定，該方法微生物固定化程度高，物化穩(wěn)定，且能抵抗有害物質(zhì)的毒害，缺點是微生物與基質(zhì)間的擴散阻力大，且工藝較復(fù)雜，不適合大分子污染物質(zhì)的分解。交聯(lián)法是利 用醛類、胺類等多功能基團作為交聯(lián)劑與微生物之間形成共價鍵的結(jié)合，通過微生物自身的絮凝成粒，從而實現(xiàn)的一種固定化技術(shù)，其缺點是藥劑選擇較困難，且交聯(lián)劑費用較高。
中國發(fā)明專利申請?zhí)?01410137361.0公開了一種微生物固定化方法，制備陽離子型聚氨酯載體，將孔徑為30-60PPI的聚氨酯載體材料置于3％-10％鹽酸溶液中處理15-24小時；采用吸附法，將接種過的反應(yīng)器于25-35℃保溫6-12小時，乳酸菌大量生長并吸附在聚氨酯表面。其介紹利用聚氨酯作為載體固定微生物的方法，但固定化的微生物容易脫落，且其微生物固定化效率不高。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)之不足，提供一種微生物的層層自組裝固定化方法，其以高反應(yīng)活性的超支化重氮鹽作為交聯(lián)劑，利用超支化重氮鹽的活性官能團使聚氨酯表面帶有重氮鹽的活性官能團，然后微生物通過與聚氨酯表面的重氮鹽活性官能團形成共價鍵，從而將微生物牢固的固定在聚氨酯表面上，重復(fù)以上步驟，實現(xiàn)微生物在聚氨酯載體表面固定化量的可控，從而實現(xiàn)微生物層層自組裝固定化。
本發(fā)明提供的一種微生物的層層自組裝固定化方法采用的主要技術(shù)方案為：包括如下步驟：
(1)超支化重氮鹽溶液的稀釋：量取一定量體積的超支化重氮鹽溶液，用水稀釋至50～100倍；
(2)載體的接枝：在一定溫度下，將載體浸沒于稀釋后的超支 化重氮鹽溶液中一定時間；
(3)微生物的固定化：取出所述載體，利用水清洗干凈，用一定溫度的冷風(fēng)迅速吹干；在一定溫度下，再將所述載體侵沒于活性微生物溶液中一定時間；
(4)微生物的層層自組裝固定化：依次重復(fù)步驟2和步驟3至少一次，完成整個自組裝固定化過程。
本發(fā)明提供的一種微生物的層層自組裝固定化方法采用如下附屬技術(shù)方案：
所述步驟1中超支化重氮鹽的結(jié)構(gòu)式為
其中m為上述分子式中括弧內(nèi)化學(xué)基團的重復(fù)數(shù)量。
所述步驟1中超支化重氮鹽的制備方法包括如下步驟：
(1)將摩爾比為1∶2的N，N-(2-羥乙基)苯胺與氯氧化物反應(yīng)生成N，N-(2-氯乙基)苯胺；
(2)將摩爾比為2∶1的4-氨基苯甲酸與N，N-(2-氯乙基)苯胺發(fā)生反應(yīng)并取代N，N-(2-氯乙基)苯胺其中的氯原子；
(3)接著在亞硝酸鈉、硫酸、醋酸以及二甲基甲酰胺的催化下，上述步驟2的生成產(chǎn)物自身發(fā)生聚合反應(yīng)生成所述的超支化重氮鹽。
所述步驟2中所述載體在超支化重氮鹽溶液中的浸沒時間為0.5-2h。
所述步驟3中所述載體在所述活性微生物溶液中的浸沒時間為4-6h。
所述步驟2中所述載體在所述超支化重氮鹽溶液中的浸沒交聯(lián)的溫度為2-4℃。
所述步驟3中所述載體在所述活性微生物中浸沒吸附的溫度為4-8℃。
所述稀釋后的超支化重氮鹽溶液的保存溫度為2-4℃。
所述載體為聚氨酯。
所述聚氨酯的形狀為長寬高為10-20mm正方體或長方體。
層層自組裝是利用逐層交替沉積的方法，借助各層分子間的弱相互作用(如靜電引力、氫鍵、配位鍵等)，使層與層自發(fā)地締合形成結(jié)構(gòu)完整、性能穩(wěn)定、具有某種特定功能的分子聚集體和超分子結(jié)構(gòu)的過程。其是20世紀(jì)90年代快速發(fā)展起來的一種簡易、多功能的表面修飾方法，其主要利用帶電基板在帶相反電荷中的交替沉積制備聚電解質(zhì)自組裝多層膜。
重氮鹽是含有重氮基的鹽類，易溶于水，發(fā)生電離，水溶液具有很強的導(dǎo)電能力，是材料表面化學(xué)改性的一種重要的引發(fā)劑。超支化重氮鹽由于其超支化的聚合物結(jié)構(gòu)以及多官能團性質(zhì)，使其在微生物固定化領(lǐng)域具有潛在用途。
聚氨酯是一種有機高分子材料，其具有比表面積大，泡沫孔隙多，支撐能力強，性質(zhì)穩(wěn)定等特點，在固定化微生物方面的應(yīng)用受到廣泛關(guān)注。
本發(fā)明的微生物的層層自組裝固定化方法的有益效果在于：
1)本發(fā)明的微生物的層層自組裝固定化方法利用超支化重氮鹽作為交聯(lián)劑將微生物固定于聚氨酯表面上，不需要對載體表面和微生物進(jìn)行預(yù)處理，且對微生物的活性沒有顯著影響，具有方法操作簡單、反應(yīng)迅速、固定化后微生物處理效率高等特點，且可以靈活控制自組裝的程度，有利于實現(xiàn)工業(yè)化。
2)本發(fā)明的微生物的層層自組裝固定化方法中超支化重氮鹽中含有大量雙鍵和苯環(huán)，具有剛性結(jié)構(gòu)，形成一定的空間位阻，作為交聯(lián)劑可以保持一部分活性基團向內(nèi)與載體反應(yīng)，另外一部分活性基團向外與微生物反應(yīng)。
3)本發(fā)明的微生物的層層自組裝固定化方法通過多次層層自組裝，超支化聚合物和其固定的微生物之間可以相互交聯(lián)成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，可進(jìn)一步固定微生物，提高微生物的固定化效率。
4)本發(fā)明的微生物的層層自組裝固定化方法所用的超支化重氮鹽中所含的重氮基團，具有高反應(yīng)活性，吸附效率高且效果穩(wěn)定；且本方法可以應(yīng)用于多種不同材質(zhì)的載體上，普適性好。
附圖說明
圖1為本發(fā)明的微生物的層層自組裝固定化方法的示意圖。
1-聚氨酯， 2-超支化重氮鹽，
3-微生物。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
如圖1所示，本發(fā)明所述的微生物的層層自組裝固定化方法，包 括如下步驟：
(1)超支化重氮鹽溶液的稀釋：量取一定量體積的超支化重氮鹽溶液，用水稀釋至50～100倍，然后保存于2-4℃的溫度下，以保證超支化重氮鹽的穩(wěn)定性；本發(fā)明的超支化重氮鹽中含有大量雙鍵和苯環(huán)，具有剛性結(jié)構(gòu)，形成一定的空間位阻，作為交聯(lián)劑可以保持一部分活性基團向內(nèi)與載體反應(yīng)，另外一部分活性基團向外與微生物反應(yīng)。
(2)載體的接枝：在2-4℃下，將聚氨酯浸沒于稀釋后的超支化重氮鹽溶液中0.5-2h；
(3)微生物的固定化：取出所述聚氨酯，利用水清洗干凈，用一定溫度的冷風(fēng)迅速吹干；在4-8℃的溫度下，再將所述聚氨酯侵泡于活性微生物溶液中4-6h，以達(dá)到飽和吸附。
(4)微生物的層層自組裝固定化：依次重復(fù)步驟2和步驟3至少一次，完成整個自組裝固定化過程；本發(fā)明的微生物的層層自組裝固定化方法通過多次層層自組裝，超支化聚合物和其固定的微生物之間可以相互交聯(lián)成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，可進(jìn)一步固定微生物，提高微生物的固定化效率。
本發(fā)明的微生物的層層自組裝固定化方法利用超支化重氮鹽作為交聯(lián)劑將微生物固定于聚氨酯表面上，不需要對聚氨酯表面和微生物進(jìn)行預(yù)處理，且對微生物的活性沒有顯著影響，具有方法操作簡單、反應(yīng)迅速、固定化后微生物處理效率高等特點，且可以靈活控制自組裝的程度，有利于實現(xiàn)工業(yè)化。
上述聚氨酯的形狀為長寬高為10-20mm正方體或長方體。
實施例1
本發(fā)明的微生物的層層自組裝固定化方法，包括如下步驟：
(1)超支化重氮鹽溶液的稀釋：量取一定量體積的超支化重氮鹽溶液，用水稀釋至50倍，然后保存于2℃的溫度下，以保證超支化重氮鹽的穩(wěn)定性；
(2)載體的接枝：在4℃下，將聚氨酯浸沒于稀釋后的超支化重氮鹽溶液中0.5h；
(3)微生物的固定化：取出所述聚氨酯，利用水清洗干凈，用1℃冷風(fēng)迅速吹干；在4℃的溫度下，再將所述聚氨酯侵泡于活性微生物溶液中6h，以達(dá)到飽和吸附。
(4)微生物的層層自組裝固定化：依次重復(fù)步驟2和步驟3五次，完成整個自組裝固定化過程。
將上述固定化后的聚氨酯放入好氧反應(yīng)池中進(jìn)行生物掛膜實驗，在好氧池污泥濃度是3.5g/L的情況下，只需要2d即可完成聚氨酯表面及內(nèi)部的掛膜，取某化學(xué)需氧量(以下簡稱COD)為850mg/L的化工廢水作為進(jìn)水，對COD的去除率可以達(dá)到93％以上，出水COD低于80mg/L。通過對層層自組裝固定化微生物的聚氨酯和未經(jīng)固定化的聚氨酯進(jìn)行分析對比后發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過超支化重氮鹽交聯(lián)層層自組裝固定后的聚氨酯，其固定生物量可以提高40％。
實施例2
本發(fā)明的微生物的層層自組裝固定化方法，包括如下步驟：
(1)超支化重氮鹽溶液的稀釋：量取一定量體積的超支化重氮鹽溶液，用水稀釋至100倍，然后保存于4℃的溫度下，以保證超支化重氮鹽的穩(wěn)定性；
(2)載體的接枝：在2℃下，將聚氨酯浸沒于稀釋后的超支化重氮鹽溶液中2h；
(3)微生物的固定化：取出所述聚氨酯，利用水清洗干凈，用4℃冷風(fēng)迅速吹干；在8℃的溫度下，再將所述聚氨酯侵泡于活性微生物溶液中4h，以達(dá)到飽和吸附。
(4)微生物的層層自組裝固定化：依次重復(fù)步驟2和步驟3八次，完成整個自組裝固定化過程。
將上述固定化后的聚氨酯放入好氧反應(yīng)池中進(jìn)行生物掛膜實驗，在好氧池污泥濃度是4g/L的情況下，只需要3d即可完成聚氨酯表面及內(nèi)部的掛膜，取某COD為800mg/L的化工廢水作為進(jìn)水，對COD的去除率可以達(dá)到90％以上，出水COD低于80mg/L。通過對層層自組裝固定化微生物的聚氨酯和未經(jīng)固定化的聚氨酯進(jìn)行分析對比后發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過超支化重氮鹽交聯(lián)層層自組裝固定后的聚氨酯，其固定生物量可以提高35％。
實施例3
本發(fā)明的微生物的層層自組裝固定化方法，包括如下步驟：
(1)超支化重氮鹽溶液的稀釋：量取一定量體積的超支化重氮鹽溶液，用水稀釋至80倍，然后保存于3℃的溫度下，以保證超支化重氮鹽的穩(wěn)定性；
(2)載體的接枝：在3℃下，將聚氨酯浸沒于稀釋后的超支化重氮鹽溶液中1h；
(3)微生物的固定化：取出所述聚氨酯，利用水清洗干凈，用3℃冷風(fēng)迅速吹干；在6℃的溫度下，再將所述聚氨酯侵泡于活性微生物溶液中5h，以達(dá)到飽和吸附。
(4)微生物的層層自組裝固定化：依次重復(fù)步驟2和步驟3七次，完成整個自組裝固定化過程。
將上述固定化后的聚氨酯放入好氧反應(yīng)池中進(jìn)行生物掛膜實驗，在好氧池污泥濃度是3.8g/L的情況下，只需要3d即可完成聚氨酯表面及內(nèi)部的掛膜，取某COD為900mg/L的化工廢水作為進(jìn)水，對COD的去除率可以達(dá)到95％以上，出水COD低于80mg/L。通過對層層自組裝固定化微生物的聚氨酯和未經(jīng)固定化的聚氨酯進(jìn)行分析對比后發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過超支化重氮鹽交聯(lián)層層自組裝固定后的聚氨酯，其固定生物量可以提高38％。
實施例4
本發(fā)明的微生物的層層自組裝固定化方法，包括如下步驟：
(1)超支化重氮鹽溶液的稀釋：量取一定量體積的超支化重氮鹽溶液，用水稀釋至70倍，然后保存于3.5℃的溫度下，以保證超支化重氮鹽的穩(wěn)定性；
(2)載體的接枝：在3℃下，將聚氨酯浸沒于稀釋后的超支化重氮鹽溶液中1.5h；
(3)微生物的固定化：取出所述聚氨酯，利用水清洗干凈，用 2℃冷風(fēng)迅速吹干；在7℃的溫度下，再將所述聚氨酯侵泡于活性微生物溶液中4.5h，以達(dá)到飽和吸附。
(4)微生物的層層自組裝固定化：依次重復(fù)步驟2和步驟3十次，完成整個自組裝固定化過程。
將上述固定化后的聚氨酯放入好氧反應(yīng)池中進(jìn)行生物掛膜實驗，在好氧池污泥濃度是3g/L的情況下，只需要2d即可完成聚氨酯表面及內(nèi)部的掛膜，取某COD為750mg/L的化工廢水作為進(jìn)水，對COD的去除率可以達(dá)到95％以上，出水COD低于80mg/L。通過對層層自組裝固定化微生物的聚氨酯和未經(jīng)固定化的聚氨酯進(jìn)行分析對比后發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過超支化重氮鹽交聯(lián)層層自組裝固定后的聚氨酯，其固定生物量可以提高36％。
實施例5
本發(fā)明的微生物的層層自組裝固定化方法，包括如下步驟：
(1)超支化重氮鹽溶液的稀釋：量取一定量體積的超支化重氮鹽溶液，用水稀釋至60倍，然后保存于4℃的溫度下，以保證超支化重氮鹽的穩(wěn)定性；
(2)載體的接枝：在4℃下，將聚氨酯浸沒于稀釋后的超支化重氮鹽溶液中0.5h；
(3)微生物的固定化：取出所述聚氨酯，利用水清洗干凈，用冷風(fēng)迅速吹干；在6℃的溫度下，再將所述聚氨酯侵泡于活性微生物溶液中5.5h，以達(dá)到飽和吸附。
(4)微生物的層層自組裝固定化：依次重復(fù)步驟2和步驟3六 次，完成整個自組裝固定化過程。
將上述固定化后的聚氨酯放入好氧反應(yīng)池中進(jìn)行生物掛膜實驗，在好氧池污泥濃度是4g/L的情況下，只需要3d即可完成聚氨酯表面及內(nèi)部的掛膜，取某COD為950mg/L的化工廢水作為進(jìn)水，對COD的去除率可以達(dá)到95％以上，出水COD低于80mg/L。通過對層層自組裝固定化微生物的聚氨酯和未經(jīng)固定化的聚氨酯進(jìn)行分析對比后發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過超支化重氮鹽交聯(lián)層層自組裝固定后的聚氨酯，其固定生物量可以提高38％。
實施例6
本發(fā)明的微生物的層層自組裝固定化方法，包括如下步驟：
(1)超支化重氮鹽溶液的稀釋：量取一定量體積的超支化重氮鹽溶液，用水稀釋至80倍，然后保存于4℃的溫度下，以保證超支化重氮鹽的穩(wěn)定性；
(2)載體的接枝：在3℃下，將聚氨酯浸沒于稀釋后的超支化重氮鹽溶液中1h；
(3)微生物的固定化：取出所述聚氨酯，利用水清洗干凈，用冷風(fēng)迅速吹干；在6℃的溫度下，再將所述聚氨酯侵泡于活性微生物溶液中5h，以達(dá)到飽和吸附。
(4)微生物的層層自組裝固定化：依次重復(fù)步驟2和步驟3十五次，完成整個自組裝固定化過程。
將上述固定化后的聚氨酯放入好氧反應(yīng)池中進(jìn)行生物掛膜實驗，在好氧池污泥濃度是3.8g/L的情況下，只需要3d即可完成聚氨酯表 面及內(nèi)部的掛膜，取某COD為900mg/L的化工廢水作為進(jìn)水，對COD的去除率可以達(dá)到95％以上，出水COD低于80mg/L。通過對層層自組裝固定化微生物的聚氨酯和未經(jīng)固定化的聚氨酯進(jìn)行分析對比后發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過超支化重氮鹽交聯(lián)層層自組裝固定后的聚氨酯，其固定生物量可以提高37％。
實施例7
本發(fā)明的微生物的層層自組裝固定化方法，包括如下步驟：
(1)超支化重氮鹽溶液的稀釋：量取一定量體積的超支化重氮鹽溶液，用水稀釋至90倍，然后保存于3.5℃的溫度下，以保證超支化重氮鹽的穩(wěn)定性；
(2)載體的接枝：在3℃下，將聚氨酯浸沒于稀釋后的超支化重氮鹽溶液中1h；
(3)微生物的固定化：取出所述聚氨酯，利用水清洗干凈，用冷風(fēng)迅速吹干；在7℃的溫度下，再將所述聚氨酯侵泡于活性微生物溶液中4h，以達(dá)到飽和吸附。
(4)微生物的層層自組裝固定化：依次重復(fù)步驟2和步驟3十次，完成整個自組裝固定化過程。
將上述固定化后的聚氨酯放入好氧反應(yīng)池中進(jìn)行生物掛膜實驗，在好氧池污泥濃度是3.3g/L的情況下，只需要2.5d即可完成聚氨酯表面及內(nèi)部的掛膜，取某COD為800mg/L的化工廢水作為進(jìn)水，對COD的去除率可以達(dá)到90％以上，出水COD低于80mg/L。通過對層層自組裝固定化微生物的聚氨酯和未經(jīng)固定化的聚氨酯進(jìn)行分析對比 后發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過超支化重氮鹽交聯(lián)層層自組裝固定后的聚氨酯，其固定生物量可以提高36％。
上述雖然結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式進(jìn)行了描述，但并非對本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護(hù)范圍以內(nèi)。