一種基于網(wǎng)狀載體的硫氧化細菌固定化星形生物活性填料制備及應用的制作方法
【專利摘要】一種基于網(wǎng)狀載體的硫氧化細菌固定化星形生物活性填料制備及應用，屬于水處理領域。星形生物活性填料由包埋體和載體兩部分組成：載體是以聚乙烯、聚丙烯等為主要材料，并添加聚乙烯醇等親水材料經(jīng)熱熔或板材熱壓而成的網(wǎng)狀星形載體；載體的網(wǎng)狀結構，可使包埋體貫穿網(wǎng)孔與載體形成鉚固結構而增加填料整體穩(wěn)定性；包埋液由硫氧化細菌濃縮液和聚乙烯醇溶液混合組成；包埋液均勻涂布于網(wǎng)狀載體上，經(jīng)硼酸二次交聯(lián)固定后形成包埋體，并結合于網(wǎng)狀載體得到硫氧化細菌生物活性填料。本發(fā)明所制備的生物活性填料，不僅可以有效解決硫氧化細菌附著能力差、易流失等問題，還可以提高反應器處理能力，縮短啟動時間。
【專利說明】一種基于網(wǎng)狀載體的硫氧化細菌固定化星形生物活性填料
制備及應用
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于水處理領域，特別涉及一種基于網(wǎng)狀載體的硫氧化細菌固定化星形生物活性填料制備及應用。
【背景技術】
[0002]隨著我國工業(yè)的快速發(fā)展，在煉油、焦化、制藥及石油化工等行業(yè)中常有含硫化物的廢水大量排出。目前針對水中硫化物的處理大致包含物化法和生物氧化法，而生物氧化法由于具有無需投加化學藥劑、去除效率高、產(chǎn)生生物污泥量少、無二次污染等優(yōu)勢，逐步成為含硫廢水處理的主要方法和研究重點。利用硫氧化細菌的生物代謝功能對含硫廢水進行處理時，常常由于進水硫化物濃度高而使反應器內(nèi)的功能微生物的代謝活動受到抑制，致使功能微生物需要很長的適應期，而且由于硫氧化細菌的附著性能不強，極易隨出水流失，所以要在反應器中保持高濃度硫氧化細菌濃度也十分不易。近年來，許多學者開始采用填料掛膜的形式來試圖保持反應器中硫氧化細菌的生物量，但由于傳統(tǒng)填料的局限性，在實際廢水處理實踐中收效甚微。于是，一些學者開始了硫氧化細菌的固定化技術。
[0003]微生物細胞固定化技術可以在短時間內(nèi)大幅度提高水處理單元中功能微生物的生物量和細胞濃度，使反應器的啟動時間縮短、微生物流失量降低、對原水酸堿度、毒性、鹽度等變化的適應能力明顯增強。利用微生物細胞固定化技術能夠創(chuàng)建穩(wěn)定的特定功能微生物的生態(tài)優(yōu)勢，產(chǎn)生預期的物質代謝過程，在水處理領域顯示出巨大的應用前景。常見的微生物細胞固定化方法有吸附法、交聯(lián)法和包埋法。其中，以包埋法最為常用，已成功地用于微生物細胞包埋的材料有聚乙烯醇、瓊脂、K-卡拉膠、明膠、海藻酸鈉、聚丙烯酰胺、聚氨酯等。上述包埋材料具有傳質性能好、不易被生物分解、性能穩(wěn)定、機械強度高、使用壽命長、價格低、對微生物無毒等優(yōu)點。
[0004]目前，傳統(tǒng)的細菌包埋方法研究集中在如何將細菌與包埋材料穩(wěn)定結合在一起，形成包埋體，例如微球、包埋塊等。操作方法雖然簡單，但局限性較大，無法理想的應用到工程實際當中。我們經(jīng)過多年研究，在傳統(tǒng)的包埋方法上做了改進，將包埋體與載體結合在一起，形成整體的生物活性填料。包埋體和載體的有機結合，使生物活性填料具有更多的性能，其結合了單純微生物細菌與包埋材料所具有的優(yōu)點。
[0005]通過包埋體與載體的結合而制備出的活性填料具有巨大的應用優(yōu)勢和廣闊的應用空間。填料結構形式和固定化技術的選擇應用直接決定了生物活性填料的應用效果和使用壽命。經(jīng)過試驗研究比較，我們發(fā)現(xiàn)基于傳統(tǒng)填料結構形式和包埋方法而制備出的生物活性填料在試驗應用中效果難以達到預期目的，存在著生物活性填料整體穩(wěn)定性差、包埋體容易脫落和水溶等諸多問題。針對上述問題，我們開發(fā)出的一種整體穩(wěn)定性好的基于網(wǎng)狀載體的硫氧化細菌固定化星形生物活性填料具有廣泛的應用前景。

【發(fā)明內(nèi)容】
[0006]本發(fā)明的目的在于開發(fā)出一種基于網(wǎng)狀載體的硫氧化細菌固定化星形生物活性填料，該生物活性填料載體的網(wǎng)狀結構設計，使包埋體通過網(wǎng)孔與載體形成整體的鉚固結構，包埋體不易脫落，并且包埋體能在網(wǎng)狀結構上形成毫米級的薄膜結構，使制得的生物活性填料整體穩(wěn)定性好、整體通透性好、傳質效果較高。網(wǎng)狀載體設計為星形，生物活性填料之間始終處于蓬松狀態(tài)，不會出現(xiàn)填料堵塞、水流短路問題，而且每一翼片上的包埋體不會受到外界的摩擦，保證了硫氧化細菌的生物量，生物活性填料處理效率高、性能穩(wěn)定。
[0007]為了達到上述目的，本發(fā)明采用了以下技術方案。
[0008]一種基于網(wǎng)狀載體的硫氧化細菌固定化星形生物活性填料，其特征在于:固定化星形生物活性填料是由多片網(wǎng)狀片形結構材料的邊固定粘結在一起形成的星形結構，其中組成網(wǎng)狀片形結構材料網(wǎng)孔的網(wǎng)絲被包含菌體的包埋體通過網(wǎng)孔包埋，從而形成整體的鉚固結構，包埋體在網(wǎng)狀片形結構上形成毫米級的薄膜結構。網(wǎng)狀片形結構材料長為
0.5_3cm,寬為 0.5_3cm。
[0009]網(wǎng)狀的生物活性填料載體以聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、ABS樹脂高分子材料為主，添加質量百分數(shù)為6%-9%親水劑聚乙烯醇(PVA)，通過絲條熱熔成型或板材熱壓成孔等方式制成網(wǎng)狀片形結構，其網(wǎng)孔形狀可為圓形、菱形、正方形、矩形。優(yōu)選網(wǎng)孔的絲徑0.5-2mm。
[0010]上述一種基于網(wǎng)狀載體的硫氧化細菌固定化星形生物活性填料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟:
[0011](I)以聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、ABS樹脂材料為主，添加質量百分數(shù)為6%_9%親水劑聚乙烯醇(PVA)，通過絲條熱熔或板材熱壓成孔等方式制成片形的網(wǎng)狀結構載體，長為
0.5-3cm，寬為0.5-3cm。將若干片形的網(wǎng)狀結構載體的邊通過熱熔擠壓、粘接等方式固定粘結在一起，任一兩相鄰片形載體的夾角相同，制成不同形式星形網(wǎng)狀載體，例如:可以使用三片、四片、五片、六片網(wǎng)狀載體，制成夾角分別為120°、90°、72°、60°的不同形式星形網(wǎng)狀載體；
[0012](2)將硫氧化細菌濃縮液和聚乙烯醇溶液混合，并添加碳酸鈣制備成包埋液，聚乙烯醇質量濃度為80-100g/L，碳酸鈣質量濃度為10-40g/L ；
[0013](3)根據(jù)聚乙烯醇-硼酸二次交聯(lián)方法，將步驟(2)中的包埋液均勻涂布在星形結構載體的外表面上，放入飽和硼酸溶液中l(wèi)_3h后，調(diào)節(jié)硼酸溶液pH到8-10，交聯(lián)3-24h，將其取出，洗凈表面殘留物質，得到硫氧化細菌固定化星形生物活性填料。
[0014]載體中聚乙烯醇(PVA)的添加量可以根據(jù)需要適當調(diào)整，此為現(xiàn)有技術，優(yōu)選聚乙烯醇(PVA)的質量百分含量為5-10%。
[0015]上述的一種基于網(wǎng)狀載體的硫氧化細菌固定化星形生物活性填料用于水處理。
[0016]本發(fā)明所述的基于網(wǎng)狀載體的硫氧化細菌固定化星形生物活性填料的有益效果主要體現(xiàn)在:
[0017]1.網(wǎng)狀結構的設計，使包埋體通過網(wǎng)孔與載體形成整體的鉚固結構，包埋體不易脫落，使制得的生物活性填料整體穩(wěn)定性好，有利于保持較高的硫氧化細菌濃度；
[0018]2.網(wǎng)狀載體設計為星形，此結構保證了生物活性填料翼片之間的包埋體不會受到外界的摩擦，有利于保持較高的硫氧化細菌濃度，生物活性填料處理效率高、性能穩(wěn)定；
[0019] 3.實驗研究表明，以傳統(tǒng)填料為載體固定化得到的生物活性填料穩(wěn)定性差，2天內(nèi)包埋材料幾乎全部脫落，而以網(wǎng)狀載體固定化得到的生物活性填料整體穩(wěn)定性好，填料壽命在3年以上；
[0020]4.固定化制得的硫氧化細菌生物活性填料，整體密度可在0.85-1.10之間，可制成懸浮式或漂浮式，可根據(jù)水處理工況條件的需求制成具有某種功能的生物活性填料；
[0021]5.網(wǎng)狀載體由聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、ABS樹脂為主要材料，添加了聚乙烯醇(PVA)等親水材料，改善了載體的親水性，增加了載體與包埋體粘結的強度，提高了整體的穩(wěn)定性；
[0022]6.生物活性填料由于網(wǎng)狀骨架結構的存在使包埋體可以實現(xiàn)結構厚度較小的同時又增強了整體結構對水處理運行環(huán)境變化的適應性，較小的厚度能提高底物的傳質效率和包埋體的利用率，如果用包埋體自身材料做成如此厚度在水處理工藝處理單元里無法實現(xiàn)良好的填料性能；
[0023]7.包埋體交聯(lián)固定采用聚乙烯醇-硼酸二次交聯(lián)法，可以有效的降低細菌的損失，有利于保持細菌活性和活性功能微生物的數(shù)量；
[0024]8.固定化生物活性填料的硫氧化細菌包菌量大，硫氧化細菌可以在短時間內(nèi)建立菌群優(yōu)勢，處理效率高、穩(wěn)定性好； [0025]9.星形生物活性填料的表面全部被包埋體覆蓋，加之包埋體結構較薄，有利于硫氧化細菌接觸底物，同時避免了材料的浪費，有效的提高了載體填料的利用率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]圖1為星形硫氧化細菌生物活性填料翼片示意圖；
[0027]圖2為圖1的1-1剖面示意圖；
[0028]圖3為圖1的I1-1I剖面示意圖；
[0029]圖4、5、6、7為星形硫氧化細菌生物活性填料示意圖。
[0030]圖中1.網(wǎng)絲,2.包埋體
【具體實施方式】
[0031]下面結合實施案例對本發(fā)明作進一步具體的描述，但本發(fā)明的實施方式不限于此。
[0032]實施例1
[0033]1.網(wǎng)狀載體的制備
[0034]以聚丙烯高分子聚合物為主要材料，添加質量分數(shù)為6%的親水材料聚乙烯醇(PVA),制成長為1.0cm,寬為0.7cm的片形網(wǎng)狀載體。網(wǎng)孔形狀為正方形，邊長為2mm,絲徑為1.0_。將六片上述片形載體通過熱熔、粘接形成夾角60度的星形網(wǎng)狀載體。
[0035]2.硫氧化細菌濃縮液的制備
[0036]將擴增培養(yǎng)后的硫氧化細菌菌懸液離心濃縮，得到3.5X IO9個/mL的硫氧化細菌的濃縮液。
[0037]3.包埋液的制備
[0038]稱取聚乙烯醇10kg，加入50L超純水后加熱至85°C，溶解15min。將溶解的聚乙烯醇溶液取出并攪拌均勻后再加熱5min，攪拌均勻后再冷卻至31 ± 1°C。50L聚乙烯醇溶液和制備好的50L硫氧化細菌濃縮液混合，并加入1.8kg碳酸鈣，攪拌均勻后即制成100L包埋液。
[0039]4.包埋液和網(wǎng)狀載體的結合
[0040]將包埋液均勻涂布在網(wǎng)狀載體表面，確保網(wǎng)狀載體表面全部被包埋液均勻覆蓋。
[0041]5.硫氧化細菌生物活性填料的制備
[0042]將步驟(4)中涂抹包埋液的網(wǎng)狀載體放入飽和硼酸溶液中，使其處于淹沒狀態(tài)，靜置3h，調(diào)節(jié)溶液pH至9.0，靜置4h完成固定化，清洗，得到硫氧化細菌生物活性填料，此生物活性填料比重在0.95-1.00之間。
[0043]6.硫氧化細菌生物活性填料活性的應用
[0044]向Im3的反應器中投加包埋好的星形生物活性填料，填充率為60%，水溫為240C -26°C,HRT=0.4h，D0為1.0-4.0mg/L，采用硫酸鹽還原反應器出水作為進水，硫化物濃度為350~390mg/L。生物活性填料在曝氣氣浮作用下成漂浮狀態(tài)，每天測定反應器的脫硫效果。出水檢測結果表明，反應器運行到第八天，脫硫效果穩(wěn)定，出水硫化物的平均濃度為10.4~22.6mg/L,去除率 保持在94%以上，反應器連續(xù)運行I年，反應器生物脫硫效果穩(wěn)定，生物活性填料的完整率達92%。
[0045]實施例2
[0046]1.網(wǎng)狀載體的制備
[0047]以聚丙烯高分子聚合物為主要材料，添加添加質量分數(shù)為6%的親水材料聚乙烯醇(PVA),制成長為1.0cm,寬為0.7cm的片形網(wǎng)狀載體。網(wǎng)孔形狀為正方形，邊長為2mm,絲徑為1.0_。將六片上述片形載體通過熱熔、粘接形成夾角60度的星形網(wǎng)狀載體。
[0048]2.硫氧化細菌濃縮液的制備
[0049]將擴增培養(yǎng)后的硫氧化細菌菌懸液離心濃縮，得到3.5X IO9個/mL的硫氧化細菌的濃縮液。
[0050]3.包埋液的制備
[0051]稱取聚乙烯醇10kg，加入50L超純水后加熱至85°C，溶解15min。將溶解的聚乙烯醇溶液取出并攪拌均勻后再加熱5min，攪拌均勻后再冷卻至31 ± 1°C。50L聚乙烯醇溶液和制備好的50L硫氧化細菌菌懸液混合，并加入2kg碳酸鈣，攪拌均勻后即制成IOOL包埋液。
[0052]4.包埋液和網(wǎng)狀載體的結合
[0053]將包埋液均勻涂布在網(wǎng)狀載體表面，確保網(wǎng)狀載體表面全部被包埋液均勻覆蓋。
[0054]5.硫氧化細菌生物活性填料的制備
[0055]將步驟(4)中涂抹包埋液的網(wǎng)狀載體放入飽和硼酸溶液中，使其處于淹沒狀態(tài)，靜置3h，調(diào)節(jié)溶液pH至9.0，靜置4h完成固定化，清洗，得到硫氧化細菌生物活性填料，此生物活性填料比重在0.95-1.05之間。
[0056]6.硫氧化細菌生物活性填料的應用
[0057]向Im3的反應器中投加包埋好的星形生物活性填料，填充率為60%，水溫為240C -26°C,HRT=0.4h，D0為1.0-4.0mg/L，采用硫酸鹽還原反應器出水作為進水，硫化物濃度為350~390mg/L。反應器通過出水回流方式增加水的上升流速，使生物活性填料在曝氣和水力循環(huán)的雙重作用下成懸浮流化狀態(tài)，每天測定反應器的脫硫效果。出水檢測結果表明，反應器運行到第七天，脫硫效果穩(wěn)定，出水硫化物的平均濃度為9.6~18.5mg/L,去除率保持在95%[0058]以上，反應器連續(xù)運行I年，反應器生物脫硫效果穩(wěn)定，填料的完整率達94%。上述實例表明，基于網(wǎng)狀載體的硫氧化細菌固定化星形生物活性填料操作過程簡單，包埋體與載體通過網(wǎng)孔與載體形成整體鉚固結構，使制得的生物活性填料整體穩(wěn)定性好、包埋體不易脫落、細菌濃度 較高。
【權利要求】
1.一種基于網(wǎng)狀載體的硫氧化細菌固定化星形生物活性填料，其特征在于:固定化星形生物活性填料是由多片網(wǎng)狀片形結構材料的邊固定粘結在一起形成的星形結構，其中組成網(wǎng)狀片形結構材料網(wǎng)孔的網(wǎng)絲被含硫氧化細菌的包埋體通過網(wǎng)孔包埋，從而形成整體的鉚固結構，包埋體在網(wǎng)狀片形結構上形成毫米級的薄膜結構。
2.按照權利要求1一種基于網(wǎng)狀載體的硫氧化細菌固定化星形生物活性填料，其特征在于:網(wǎng)狀片形結構材料長為0.5-3cm，寬為0.5-3cm。
3.按照權利要求1一種基于網(wǎng)狀載體的硫氧化細菌固定化星形生物活性填料，其特征在于:網(wǎng)狀的生物活性填料載體以聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、ABS樹脂材料為主，添加聚乙烯醇(PVA)親水材料，通過絲條熱熔成型或板材熱壓成孔等方式制成網(wǎng)狀片形結構，其網(wǎng)孔形狀為圓形、菱形、正方形、矩形，網(wǎng)孔的絲徑0.5-2mm。
4.制備權利要求1的一種基于網(wǎng)狀載體的硫氧化細菌固定化星形生物活性填料的方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)以聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、ABS樹脂等高分子材料為主，添加聚乙烯醇(PVA)等親水材料，通過絲條熱熔或板材熱壓成孔等方式制成片形的網(wǎng)狀結構載體，長為0.5-3cm,寬為0.5-3cm，將若干片形的網(wǎng)狀結構載體的邊通過熱熔擠壓、粘接等方式固定粘結在一起，任一兩相鄰片形載體的夾角相同，制成不同形式星形網(wǎng)狀載體； (2)將硫氧化細菌濃縮液和聚乙烯醇溶液混合，并添加碳酸鈣制備成包埋液； (3)根據(jù)聚乙烯醇-硼酸二次交聯(lián)方法，將步驟(2)中的包埋液均勻涂布在星形結構載體的外表面上，放入飽和硼酸溶液中l(wèi)_3h后，調(diào)節(jié)硼酸溶液pH到8-10，交聯(lián)3-24h，將其取出，洗凈表面殘留物質，得到硫氧化細菌固定化星形生物活性填料。
5.權利要求1的基于網(wǎng)狀載體的硫氧化細菌固定化星形生物活性填料用于水處理。
【文檔編號】C02F3/34GK103951072SQ201410137065
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年4月4日 優(yōu)先權日:2014年4月4日
【發(fā)明者】楊宏, 陳偉, 胡希佳, 管清坤, 王猛, 鄢琳, 王小樂, 吳城鋒, 孟婷, 陶慕翔, 尚海源, 趙月蘭, 王玉潔, 姚仁達 申請人:北京工業(yè)大學