一種基于網(wǎng)狀載體的硫酸鹽還原菌固定化星形生物活性填料制備及應(yīng)用的制作方法
【專利摘要】一種基于網(wǎng)狀載體的硫酸鹽還原菌固定化星形生物活性填料制備及應(yīng)用，屬于水處理領(lǐng)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(jié)構(gòu)，可使包埋體貫穿網(wǎng)孔與載體形成鉚固結(jié)構(gòu)而增加填料整體穩(wěn)定性；包埋液由硫酸鹽還原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(jié)合于網(wǎng)狀載體得到硫酸鹽還原菌生物活性填料。本發(fā)明所制備的生物活性填料，不僅可以有效解決硫酸鹽還原菌附著能力差、成膜性差等問(wèn)題，還可以提高反應(yīng)器處理能力，縮短啟動(dòng)時(shí)間。
【專利說(shuō)明】—種基于網(wǎng)狀載體的硫酸鹽還原菌固定化星形生物活性填
料制備及應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于水處理領(lǐng)域，特別涉及一種基于網(wǎng)狀載體的硫酸鹽還原菌固定化星形生物活性填料制備及應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]在利用硫酸鹽還原菌(Sulfate-Reducing Bacteria, SRB)進(jìn)行硫酸鹽廢水的處理過(guò)程中，功能微生物(主要是指硫酸鹽還原菌)的數(shù)量、代謝活性和生態(tài)因子直接影響著反應(yīng)器的運(yùn)行處理效能。由于在硫酸鹽廢水的厭氧處理中，存在著豐富的碳源(廢水中原有或者為處理而投加的C0D)和適宜的厭氧條件，許多生境條件相似的微生物得以聚集，所以如何保持SRB的種群優(yōu)勢(shì)地位、適宜的生態(tài)因子和底物競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)是SRB法處理硫酸鹽廢水的研究重點(diǎn)。目前，利用SRB處理硫酸鹽廢水的主要處理工藝有單項(xiàng)厭氧工藝、單項(xiàng)吹脫工藝、兩相厭氧工藝以及生物膜法工藝。傳統(tǒng)的硫酸鹽廢水處理工藝存在著反應(yīng)器啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)、處理能力有限、SRB附著性和成膜性差、難以形成優(yōu)勢(shì)菌群以及與其他厭氧菌存在底物競(jìng)爭(zhēng)等缺陷，使之在實(shí)際應(yīng)用中具有局限性。為了改善SRB的附著能力差、成膜性差等不足以及反應(yīng)器啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)的缺點(diǎn)，許多學(xué)者開(kāi)始了利用微生物固定化技術(shù)固定硫酸鹽還原菌的試驗(yàn)研究并取得了一定的研究成果。
[0003]微生物細(xì)胞固定化技術(shù)可以在短時(shí)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(xì)胞濃度，使反應(yīng)器的啟動(dòng)時(shí)間縮短、微生物流失量降低、對(duì)原水酸堿度、毒性、鹽度等變化的適應(yīng)能力明顯增強(qiáng)。利用微生物細(xì)胞固定化技術(shù)能夠創(chuàng)建穩(wěn)定的特定功能微生物的生態(tài)優(yōu)勢(shì)，產(chǎn)生預(yù)期的物質(zhì)代謝過(guò)程，在水處理領(lǐng)域顯示出巨大的應(yīng)用前景。常見(jiàn)的微生物細(xì)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(xì)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(zhì)性能好、不易被生物分解、性能穩(wěn)定、機(jī)械強(qiáng)度高、使用壽命長(zhǎng)、價(jià)格低、對(duì)微生物無(wú)毒等優(yōu)點(diǎn)。
[0004]目前，傳統(tǒng)的細(xì)菌包埋方法研究集中在如何將細(xì)菌與包埋材料穩(wěn)定結(jié)合在一起，形成包埋體，例如微球、包埋塊等。操作方法雖然簡(jiǎn)單，但局限性較大，無(wú)法理想的應(yīng)用到工程實(shí)際當(dāng)中。我們經(jīng)過(guò)多年研究，在傳統(tǒng)的包埋方法上做了改進(jìn)，將包埋體與載體結(jié)合在一起，形成整體的生物活性填料。包埋體和載體的有機(jī)結(jié)合，使生物活性填料具有更多的性能，其結(jié)合了單純微生物細(xì)菌與包埋材料所具有的優(yōu)點(diǎn)。
[0005]通過(guò)包埋體與載體的結(jié)合而制備出的活性填料具有巨大的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)和廣闊的應(yīng)用空間。填料結(jié)構(gòu)形式和固定化技術(shù)的選擇應(yīng)用直接決定了生物活性填料的應(yīng)用效果和使用壽命。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)研究比較，我們發(fā)現(xiàn)基于傳統(tǒng)填料結(jié)構(gòu)形式和包埋方法而制備出的生物活性填料在試驗(yàn)應(yīng)用中的效果難以達(dá)到預(yù)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(wèn)題。針對(duì)上述問(wèn)題，我們開(kāi)發(fā)出的一種整體穩(wěn)定性好的基于網(wǎng)狀載體的硫酸鹽還原菌固定化星形生物活性填料具有廣泛的應(yīng)用前景。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于開(kāi)發(fā)出一種基于網(wǎng)狀載體的硫酸鹽還原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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使包埋體通過(guò)網(wǎng)孔與載體形成整體的鉚固結(jié)構(gòu)，包埋體不易脫落，并且包埋體能在網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)上形成毫米級(jí)的薄膜結(jié)構(gòu)，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(zhì)效果較高。網(wǎng)狀載體設(shè)計(jì)為星形，生物活性填料之間始終處于蓬松狀態(tài)，不會(huì)出現(xiàn)填料堵塞、水流短路問(wèn)題，而且每一翼片上的包埋體不會(huì)受到外界的摩擦，保證了硫酸鹽還原菌的生物量，生物活性填料處理效率高、性能穩(wěn)定。
[0007]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案。
[0008]一種基于網(wǎng)狀載體的硫酸鹽還原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(jié)構(gòu)材料的邊固定粘結(jié)在一起形成的星形結(jié)構(gòu)，其中組成網(wǎng)狀片形結(jié)構(gòu)材料網(wǎng)孔的網(wǎng)絲被包含菌體的包埋體通過(guò)網(wǎng)孔包埋，從而形成整體的鉚固結(jié)構(gòu)，包埋體在網(wǎng)狀片形結(jié)構(gòu)上形成毫米級(jí)的薄膜結(jié)構(gòu)。網(wǎng)狀片形結(jié)構(gòu)材料長(zhǎng)為
0.5-3cm,寬為0.5-3cm。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(shù)脂材料為主，添加6wt%-9wt%的聚乙烯醇(PVA)等親水材料,通過(guò)絲條熱熔成型或板材熱壓成孔等方式制成網(wǎng)狀片形結(jié)構(gòu)，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。
[0009]上述一種基于網(wǎng)狀載體的硫酸鹽還原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:
[0010](I)以聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、ABS樹(shù)脂材料為主，添加6wt%_9wt%聚乙烯醇(PVA)等親水材料，通過(guò)絲條熱熔或板材熱壓成孔等方式制成片形的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)載體，長(zhǎng)為
0.5-3cm，寬為0.5-3cm，將若干片形的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)載體的邊通過(guò)熱熔擠壓、粘接等方式固定粘結(jié)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；
[0011](2)將硫酸鹽還原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(zhì)量濃度為80-100g/L，碳酸鈣質(zhì)量濃度為10-40g/L ；
[0012](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(jié)構(gòu)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(zhì)，得到硫酸鹽還原菌固定化星形生物活性填料。
[0013]載體中聚乙烯醇(PVA)的添加量可以根據(jù)需要適當(dāng)調(diào)整，此為現(xiàn)有技術(shù)，優(yōu)選聚乙烯醇(PVA)的質(zhì)量百分含量為5%-10%。
[0014]本發(fā)明的一種基于網(wǎng)狀載體的硫酸鹽還原菌固定化星形生物活性填料用于水處理。
[0015]本發(fā)明所述的基于網(wǎng)狀載體的硫酸鹽還原菌固定化星形生物活性填料的有益效果主要體現(xiàn)在:
[0016]1.網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，使包埋體通過(guò)網(wǎng)孔與載體形成整體的鉚固結(jié)構(gòu)，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酸鹽還原菌生物量；
[0017]2.網(wǎng)狀載體設(shè)計(jì)為星形，此結(jié)構(gòu)保證了生物活性填料翼片之間的包埋體不會(huì)受到外界的摩擦，有利于保持較高的硫酸鹽還原菌生物量，生物活性填料處理效率高、性能穩(wěn)定;
[0018]3.實(shí)驗(yàn)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；
[0019]4.固定化制得的硫酸鹽還原菌生物活性填料，整體密度在0.95-1.10之間，可制成懸浮式或沉淀式，并可根據(jù)水處理工況條件的需求制成不同形式；
[0020]5.網(wǎng)狀載體由聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、ABS樹(shù)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(jié)的強(qiáng)度，提高了整體的穩(wěn)定性；
[0021]6.生物活性填料由于網(wǎng)狀骨架結(jié)構(gòu)的存在使包埋體可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)厚度較小的同時(shí)又增強(qiáng)了整體結(jié)構(gòu)對(duì)水處理運(yùn)行環(huán)境變化的適應(yīng)性，較小的厚度能提高底物的傳質(zhì)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(wú)法實(shí)現(xiàn)良好的填料性能；
[0022]7.包埋體交聯(lián)固定采用聚乙烯醇-硼酸二次交聯(lián)法，可以有效的降低生物量損失，有利于保持硫酸鹽還原菌的活性和功能微生物的生物量；
[0023]8.固定化生物活性填料的硫酸鹽還原菌包菌量大，SRB可以在短時(shí)間內(nèi)建立菌群優(yōu)勢(shì)，處理效率高、穩(wěn)定性好；
[0024]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(jié)構(gòu)較薄，有利于硫酸鹽還原菌接觸底物，同時(shí)避免了材料的浪費(fèi)，有效的提高了載體填料的利用率。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0025]圖1為星形硫酸鹽還原菌生物活性填料翼片示意圖；
[0026]圖2為圖1的1-1剖面示意圖；
[0027]圖3為圖1的I1-1I剖面示意圖；
[0028]圖4、5、6、7為星形硫酸鹽還原菌生物活性填料示意圖。
[0029]圖中1.網(wǎng)絲,2.包埋體
【具體實(shí)施方式】
[0030]下面結(jié)合實(shí)施案例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步具體的描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。
[0031]實(shí)施例1
[0032]1.網(wǎng)狀載體的制備
[0033]以聚丙烯等高分子聚合物為主要材料，添加6wt%的聚乙烯醇(PVA)，制成長(zhǎng)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(zhǎng)為2mm,絲徑為1.5mm。將六片上述片形載體通過(guò)熱熔、粘接形成夾角60度的星形網(wǎng)狀載體。
[0034]2.硫酸鹽還原菌濃縮液的制備
[0035] 將擴(kuò)增培養(yǎng)后的硫酸鹽還原菌菌懸液離心濃縮，得到3.5 X IO9個(gè)/mL的硫酸鹽還原菌的濃縮液。[0036]3.包埋液的制備
[0037]稱取聚乙烯醇5kg，加入25L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，攪拌均勻后冷卻至31 土 1°C。25L聚乙烯醇溶液和制備好的25L硫酸鹽還原菌濃縮液混合，并加入1.3kg碳酸鈣，攪拌均勻后即制成50L包埋液。
[0038]4.包埋液和網(wǎng)狀載體的結(jié)合
[0039]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。
[0040]5.硫酸鹽還原菌生物活性填料的制備
[0041]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(méi)狀態(tài)，靜置3h交聯(lián)，調(diào)節(jié)溶液pH至9.0，靜置4h完成固定，清洗，得到硫酸鹽還原菌生物活性填料，此生物活性填料比重在1.05-1.10之間。
[0042]6.硫酸鹽還原菌生物活性填料的應(yīng)用
[0043]向0.5m3的有機(jī)玻璃柱反應(yīng)器中投加包埋好的星形生物活性填料，填充率為60%，水溫為24°C -26°C，HRT=12h，pH為7.5-8.0, ORP ( -31OmV,以乳酸鈉作為有機(jī)碳源，SO廣濃度為1000±10mg/L，保證C0D/S042_≤2，生物活性填料在反應(yīng)器中處于沉淀狀態(tài)，每天測(cè)定反應(yīng)器硫酸鹽還原效果。出水檢測(cè)結(jié)果表明，反應(yīng)器運(yùn)行到第七天，硫酸鹽的還原效果穩(wěn)定。出水中S042_濃度為69-93mg/L，去除率保持在90%以上，反應(yīng)器連續(xù)運(yùn)行I年，硫酸鹽還原效果穩(wěn)定，生物 活性填料的完整率達(dá)92%。
[0044]實(shí)施例2
[0045]1.網(wǎng)狀載體的制備
[0046]以聚乙烯等高分子聚合物為主要材料，添加5wt%的聚乙烯醇(PVA)，制成長(zhǎng)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(zhǎng)為2mm,絲徑為1.5mm。將六片上述片形載體通過(guò)熱熔、粘接形成夾角60度的星形網(wǎng)狀載體。
[0047]2.硫酸鹽還原菌濃縮液的制備
[0048]將擴(kuò)增培養(yǎng)后的硫酸鹽還原菌菌懸液離心濃縮，得到7.5 X IO9個(gè)/mL的硫酸鹽還原菌的濃縮液。
[0049]3.包埋液的制備
[0050]稱取聚乙烯醇5kg，加入25L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，攪拌均勻后冷卻至31 ± I °C。25L聚乙烯醇溶液和制備好的25L硫酸鹽還原菌濃縮液混合，并加入Ikg碳酸鈣，攪拌均勻后即制成50L包埋液。
[0051]4.包埋液和網(wǎng)狀載體的結(jié)合
[0052]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。
[0053]5.硫酸鹽還原菌生物活性填料的制備
[0054]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(méi)狀態(tài)，靜置3h交聯(lián)，調(diào)節(jié)溶液pH至9.0，靜置4h完成固定化，清洗，得到硫酸鹽還原菌生物活性填料,此生物活性填料比重在0.98-1.02之間。
[0055]6.硫酸鹽還原菌生物活性填料的應(yīng)用
[0056]向0.5m3的有機(jī)玻璃柱反應(yīng)器中投加包埋好的星形生物活性填料，填充率為60%，水溫為24°C -26°C，HRT=8h, pH為7.5-8.0, ORP ^ -31OmV,以乳酸鈉作為有機(jī)碳源，S042—濃度為2000±15mg/L左右，保證C0D/S042_≥2。反應(yīng)器通過(guò)出水回流方式增加水的上升流速，使生物活性填料在反應(yīng)器中處于流化狀態(tài)。每天測(cè)定反應(yīng)器的硫酸鹽去除效果。出水檢測(cè)結(jié)果表明，反應(yīng)器運(yùn)行到第八天，硫酸鹽的還原效果穩(wěn)定。出水S042_濃度為148-197mg/L，去除率保持在90%以上。反應(yīng)器連續(xù)運(yùn)行I年，硫酸鹽還原效果穩(wěn)定，填料的完整率達(dá)94%。[0057] 上述實(shí)例 表明，基于網(wǎng)狀載體的硫酸鹽還原菌固定化星形生物活性填料制作過(guò)程簡(jiǎn)單，制得的生物活性填料整體穩(wěn)定性好、包埋體不易脫落、細(xì)菌濃度較高。
【權(quán)利要求】
1.一種基于網(wǎng)狀載體的硫酸鹽還原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(jié)構(gòu)材料的邊固定粘結(jié)在一起形成的星形結(jié)構(gòu)，其中組成網(wǎng)狀片形結(jié)構(gòu)材料網(wǎng)孔的網(wǎng)絲被含硫酸鹽還原菌的包埋體通過(guò)網(wǎng)孔包埋，從而形成整體的鉚固結(jié)構(gòu)，包埋體在網(wǎng)狀片形結(jié)構(gòu)上形成毫米級(jí)的薄膜結(jié)構(gòu)。
2.權(quán)利要求1的一種基于網(wǎng)狀載體的硫酸鹽還原菌固定化星形生物活性填料，其特征在于:網(wǎng)狀片形結(jié)構(gòu)材料長(zhǎng)為0.5-3cm，寬為0.5-3cm。
3.權(quán)利要求1的一種基于網(wǎng)狀載體的硫酸鹽還原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(shù)脂材料為主，添加聚乙烯醇(PVA)親水材料，通過(guò)絲條熱熔成型或板材熱壓成孔等方式制成網(wǎng)狀片形結(jié)構(gòu)，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(quán)利要求1-3所述的任一一種基于網(wǎng)狀載體的硫酸鹽還原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(shù)脂等高分子材料為主，添加聚乙烯醇(PVA)等親水材料，通過(guò)絲條熱熔或板材熱壓成孔等方式制成片形的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)載體，長(zhǎng)為0.5-3cm,寬為0.5-3cm，將若干片形的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)載體的邊通過(guò)熱熔擠壓、粘接等方式固定粘結(jié)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)將硫酸鹽還原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(jié)構(gòu)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(zhì)，得到硫酸鹽還原菌固定化星形生物活性填料。
5.權(quán)利要求1-3所述的任一一種基于網(wǎng)狀載體的硫酸鹽還原菌固定化星形生物活性填料用于水處理。
【文檔編號(hào)】C02F3/34GK103951032SQ201410137278
【公開(kāi)日】2014年7月30日 申請(qǐng)日期:2014年4月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月4日
【發(fā)明者】楊宏, 胡希佳, 陳偉, 管清坤, 王猛, 鄢琳, 王小樂(lè), 吳城鋒, 孟婷, 陶慕翔, 尚海源, 趙月蘭, 王玉潔, 姚仁達(dá) 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)