一種基于網狀載體的硫酸鹽還原菌固定化直筒狀生物活性填料制備及應用的制作方法
【專利摘要】一種基于網狀載體的硫酸鹽還原菌固定化直筒狀生物活性填料制備及應用，屬于水處理領域。直筒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熱熔或板材熱壓而成的網狀直筒載體；載體的網狀結構，可使包埋體貫穿網孔與載體形成鉚固結構而增加填料整體穩定性；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狀載體上，經硼酸二次交聯固定后形成包埋體，并結合于網狀載體得到硫酸鹽還原菌生物活性填料。本發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、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】—種基于網狀載體的硫酸鹽還原菌固定化直筒狀生物活性填料制備及應用
【技術領域】
[0001] 本發明屬于水處理領域，特別涉及一種基于網狀載體的硫酸鹽還原菌固定化直筒狀生物活性填料制備及應用。
【背景技術】
[0002]在利用硫酸鹽還原菌(Sulfate-Reducing Bacteria, SRB)進行硫酸鹽廢水的處理過程中，功能微生物(主要是指硫酸鹽還原菌)的數量、代謝活性和生態因子直接影響著反應器的運行處理效能。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的種群優勢地位、適宜的生態因子和底物競爭優勢是SRB法處理硫酸鹽廢水的研究重點。目前，利用SRB處理硫酸鹽廢水的主要處理工藝有單項厭氧工藝、單項吹脫工藝、兩相厭氧工藝以及生物膜法工藝。傳統的硫酸鹽廢水處理工藝存在著反應器啟動時間長、處理能力有限、SRB附著性和成膜性差、難以形成優勢菌群以及與其他厭氧菌存在底物競爭等缺陷，使之在實際應用中具有局限性。為了改善SRB的附著能力差、成膜性差等不足以及反應器啟動時間長的缺點，許多學者開始了利用微生物固定化技術固定硫酸鹽還原菌的試驗研究并取得了一定的研究成果。
[0003]微生物細胞固定化技術可以在短時間內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建穩定的特定功能微生物的生態優勢，產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、性能穩定、機械強度高、使用壽命長、價格低、對微生物無毒等優點。
[0004]目前，傳統的細菌包埋方法研究集中在如何將細菌與包埋材料穩定結合在一起，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。我們經過多年研究，在傳統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。經過試驗研究比較，我們發現基于傳統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的效果難以達到預期目的，存在著生物活性填料整體穩定性差、包埋體容易脫落和水溶等諸多問題。針對上述問題，我們開發出的一種整體穩定性好的基于網狀載體的硫酸鹽還原菌固定化直筒狀生物活性填料具有廣泛的應用前景。
【發明內容】
[0006]本發明的目的在于開發出一種基于網狀載體的硫酸鹽還原菌固定化直筒狀生物活性填料，該生物活性填料載體的網狀結構設計，可以使含有硫酸鹽還原菌的包埋體通過網孔與載體形成整體的鉚固結構，包埋體不易脫落，并且包埋體能在網狀結構上形成毫米級的薄膜結構，使制得的硫酸鹽還原菌生物活性填料整體穩定性好、整體通透性好、傳質效果較高。網狀載體設計為直筒狀，可以增大水流對生物活性填料的切向摩擦力，避免雜菌生長和生物填料內腔堵塞。
[0007]為了達到上述目的，本發明采用了以下技術方案。
[0008]一種基于網狀載體的硫酸鹽還原菌固定化直筒狀生物活性填料，其特征在于:所述的硫酸鹽還原菌固定化直筒狀生物活性填料整體是中空直筒狀，筒壁是網狀的，組成網孔的網絲被含硫酸鹽還原菌的包埋體通過網孔包埋與載體形成整體的鉚固結構，包埋體在網狀結構上形成毫米級的薄膜結構。
[0009]網狀的生物活性填料載體(組成網孔的網絲)以聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、ABS樹脂為主要材料，添加6wt%-9wt%聚乙烯醇(PVA)等親水材料,通過絲條熱熔成型或板材熱壓成孔等方式，制成具有網狀筒壁的筒狀結構載體，筒狀結構直徑為0.5-3cm,高為0.5-3cm,其筒壁的網孔形狀可為圓形、菱形、正方形、矩形。優選網孔的絲徑0.5-2mm。[0010]上述一種基于網狀載體的硫酸鹽還原菌固定化直筒狀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樹脂為主要材料,添加6wt%_9wt%聚乙烯醇(PVA)等親水材料，通過絲條熱熔成型或板材熱壓成孔等方式，制成網狀壁面的直筒狀結構載體；
[0012](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，聚乙烯醇質量濃度為80-100g/L，碳酸鈣質量濃度為10-40g/L ；
[0013](3)根據聚乙烯醇-硼酸二次交聯方法，將步驟(2)中的包埋液均勻涂布在直筒狀結構載體的外表面上，放入飽和硼酸溶液中l_3h后，調節硼酸溶液pH到8-10，交聯3-24h，將其取出，洗凈表面殘留物質，得到硫酸鹽還原菌生物活性填料。
[0014]載體中聚乙烯醇(PVA)的添加量可以根據需要適當調整，此為現有技術，優選聚乙烯醇(PVA)的質量百分含量為5-10%。
[0015]本發明基于網狀載體的硫酸鹽還原菌固定化直筒狀生物活性填料應用于水處理。
[0016]本發明所述的基于網狀載體的硫酸鹽還原菌固定化直筒狀生物活性填料的有益效果主要體現在:
[0017]1.網狀結構的設計，使包埋體通過網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定性好，有利于保持較高的硫酸鹽還原菌生物量；
[0018]2.生物活性填料載體的形狀設計為直筒，其直徑為0.5-3cm,高為0.5-3cm,優選網孔的絲徑0.5-2_，并可以根據反應器的類型和水流狀態改變載體的高度和直徑；
[0019]3.網狀載體設計為直筒狀，可以增大水流對生物活性填料的切向摩擦力，避免雜菌生長和生物填料內腔堵塞；
[0020]4.實驗研究表明，以傳統填料為載體固定化得到的生物活性填料穩定性差，2天內包埋材料幾乎全部脫落，而以網狀載體固定化得到的生物活性填料整體穩定性好，填料壽命在3年以上；
[0021]5.固定化制得的硫酸鹽還原菌生物活性填料，整體密度在0.90-1.15之間，可制成懸浮式、沉淀式，并可根據水處理工況條件的需求制成不同形式；
[0022]6.網狀載體由聚乙烯、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，提高了整體的穩定性；
[0023]7.生物活性填料由于網狀骨架結構的存在使包埋體可以實現結構厚度較小的同時又增強了整體結構對水處理運行環境變化的適應性，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良好的填料性能；
[0024]8.包埋體交聯固定采用聚乙烯醇-硼酸二次交聯法，可以有效的降低生物量的損失，有利于保持硫酸鹽還原菌的活性和功能微生物的生物量；
[0025]9.固定化生物活性填料的硫酸鹽還原菌包菌量大，硫酸鹽還原菌可以在短時間內建立菌群優勢，處理效率高、穩定性好；
[0026]10.直筒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，有利于硫酸鹽還原菌接觸底物 ，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】
[0027]圖1為直筒狀硫酸鹽還原菌生物活性填料示意圖；
[0028]圖2為圖1的1-1剖面示意圖；
[0029]圖3為圖1的I1-1I剖面示意圖。
[0030]圖中1.網絲,2.包埋體
【具體實施方式】
[0031]下面結合實施案例對本發明作進一步具體的描述，但本發明的實施方式不限于此。
[0032]實施例1
[0033]1.網狀載體的制備
[0034]以聚丙烯為主要材料，添加6wt%的聚乙烯醇(PVA)，制成直徑為0.8-1.2cm,高為
0.8-1.2cm的直筒狀結構網面載體,其網孔形狀為正方形,絲徑為1.0mm。
[0035]2.硫酸鹽還原菌濃縮液的制備
[0036]將擴增培養后的硫酸鹽還原菌菌懸液離心濃縮，得到3.5 X IO9個/mL的硫酸鹽還原菌的濃縮液。
[0037]3.包埋液的制備
[0038]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±1°C。將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。[0039]4.包埋液和網狀載體的結合
[0040]將包埋液均勻涂布在網狀載體外表面，確保網狀載體表面全部被包埋液均勻覆
至JHL ο
[0041]5.硫酸鹽還原菌生物活性填料的制備
[0042]將步驟(4)中涂抹包埋液的網狀載體放入飽和硼酸溶液中，使其處于淹沒狀態，靜置3h交聯，調節溶液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。
[0043]6.硫酸鹽還原菌生物活性填料的應用
[0044]向0.5m3的有機玻璃柱反應器中投加包埋好的直筒生物活性填料，填充率為60%，水溫為24°C -26°C，HRT=12h，pH為7.5-8.0, ORP ( -31OmV0以乳酸鈉作為有機碳源，SO42-濃度為1000±10mg/L，保證C0D/S042_≥2，生物活性填料在反應器中處于沉淀狀態，每天測定反應器硫酸鹽還原效果。出水檢測結果表明，反應器運行到第七天，硫酸鹽的還原效果穩定。出水中S042_濃度為69-93mg/L，去除率保持在90%以上，反應器連續運行I年，硫酸鹽還原效果穩定，生物活性填料的完整率達92%。
[0045]實施例2
[0046]1.網狀載體的制備
[0047]以聚乙烯為主要材料，添加6wt%的聚乙烯醇(PVA)，制成直徑為0.8-1.2cm，高為
0.8-1.2cm的直筒網狀載體,其網孔形狀為正方形,絲徑0.5mm。
[0048]2.硫酸鹽還原菌濃縮液的制備
[0049]將擴增培養后的硫酸鹽還原菌菌懸液離心濃縮，得到3.5 X IO9個/mL的硫酸鹽還原菌的濃縮液。
[0050]3.包埋液的制備
[0051]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±1°C。將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。
[0052]4.包埋液和網狀載體的結合
[0053]將包埋液均勻涂布在網狀載體外表面，確保網狀載體表面全部被包埋液均勻覆
至JHL ο
[0054]5.硫酸鹽還原菌生物活性填料的制備
[0055]將步驟(4)中涂抹包埋液的網狀載體放入飽和硼酸溶液中，使其處于淹沒狀態，靜置3h交聯，調節溶液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。
[0056]6.硫酸鹽還原菌生物活性填料的應用
[0057]向0.5m3的有機玻璃柱反應器中投加包埋好的直筒生物活性填料，填充率為60%，水溫為24°C -26°C，HRT=8h，pH為7.5-8.0, ORP ( _310mV。以乳酸鈉作為有機碳源，SO42-濃度為2000±10mg/L，保證C0D/S042_≥2。反應器通過出水回流方式增加水的上升流速，使生物活性填料在反應器中處于流化狀態。每天測定反應器的硫酸鹽去除效果。出水檢測結果表明，反應器運行到第八天，硫酸鹽的還原效果穩定。出水中S042_濃度為126-193mg/L，去除率保持在90%以上，反應器連續運行I年，硫酸鹽還原效果穩定，生物活性填料的完整率達92%。
[0058]上述實例表明，基于網狀載體的硫酸鹽還原菌固定化直筒狀生物活性填料制作過程簡單，制得的生物活 性填料整體穩定性好、包埋體不易脫落、細菌濃度較高。
【權利要求】
1.一種基于網狀載體的硫酸鹽還原菌固定化直筒狀生物活性填料，其特征在于:所述的硫酸鹽還原菌固定化直筒狀生物活性填料整體是中空直筒狀，筒壁是網狀的，組成網孔的網絲被含硫酸鹽還原菌的包埋體通過網孔與載體形成整體的鉚固結構，包埋體在網狀結構上形成毫米級的薄膜結構。
2.按照權利要求1的一種基于網狀載體的硫酸鹽還原菌固定化直筒狀生物活性填料，其特征在于:組成網孔的網絲以聚乙烯、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)親水材料，通過絲條熱熔成型或板材熱壓成孔方式，制成具有網狀筒壁的筒狀結構載體，筒狀結構直徑為0.5-3cm,高為0.5-3cm,其筒壁的網孔形狀為圓形、菱形、正方形、矩形。
3.按照權利要求2的一種基于網狀載體的硫酸鹽還原菌固定化直筒狀生物活性填料，其特征在于:網孔的絲徑0.5-2mm。
4.制備權利要求1-2所述的任一一種基于網狀載體的硫酸鹽還原菌固定化直筒狀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樹脂高分子材料為主，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方式，制成網狀壁面的直筒狀結構載體； (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)根據聚乙烯醇-硼酸二次交聯方法，將步驟(2)中的包埋液均勻涂布在直筒狀結構載體的外表面上，放入飽和硼酸溶液中l_3h后，調節硼酸溶液pH到8-10，交聯3-24h，將其取出，洗凈表面殘留物質，得到硫酸鹽還原菌生物活性填料。
5.權利要求1的基于網狀載體的硫酸鹽還原菌固定化直筒狀生物活性填料應用于水處理。
【文檔編號】C12N11/08GK103951088SQ201410137379
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年4月4日 優先權日:2014年4月4日
【發明者】楊宏, 胡希佳, 陳偉, 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:北京工業大學