一种三维网状聚乙烯醇纤维厌氧氨氧化细菌颗粒状固定化生物活性填料制备及应用

摘要

一种三维网状聚乙烯醇纤维厌氧氨氧化细菌颗粒状固定化生物活性填料制备及应用，属于水处理技术领域。生物活性填料由包埋体和纤维丝骨架两部分组成；包埋体由包埋液经硼酸二次交联得到；包埋体嵌入到纤维丝之间的孔隙中，骨架中的不规则纤维丝与包埋体结合为一个稳定的有机整体。将由立体不规则聚乙烯醇纤维丝组成的纤维块浸泡于厌氧氨氧化细菌浓缩液和聚乙烯醇溶液混合而成的包埋液中，随后经硼酸二次交联固定后，清洗，再经切割制成颗粒状生物活性填料。本发明解决了传统生化法中厌氧氨氧化细菌浓度低、易流失等问题，而且包埋体和聚乙烯醇纤维牢固结合，制备的厌氧氨氧化细菌生物活性填料稳定性好，具有良好的应用前景。

说明书

技术领域

本发明属于水处理技术领域，涉及一种以立体三维网状聚乙烯醇纤维为骨架材料的厌氧氨氧化细菌颗粒状固定化生物活性填料制备及应用。 

背景技术

厌氧氨氧化技术（ANAMMOX）是目前已知的最为经济的生物脱氮途径，荷兰Delft大学Strous等的研究表明，在厌氧氨氧化过程包括细胞合成在内的生物反应过程可表示为式（1） 

NH₄⁺+1.32NO₂‐+0.066HCO₃^‐+0.13H⁺→ 

1.02N₂+0.26NO₃‐+0.066CH₂O_0.5N_0.5+2.03H₂O    （1） 

由厌氧氨氧化细菌的生物反应特点可以看出，ANAMMOX与传统的硝化反硝化技术相比，具有运行费用低、需氧量低和不需外加碳源等优点。 

由于厌氧氨氧化细菌的倍增时间长，细胞产率较低（公认的倍增时间为11d，而有报道的最快的倍增时间也达到4.8d）因此为了在反应器内保持相对稳定的生物量，厌氧氨氧化反应器要求的固体停留时间相对较长。同时，在厌氧氨氧化细菌的研究中还发现，只有在细胞密度高于10¹⁰‐10¹¹个/mL时，厌氧氨氧化菌才能显现出厌氧氨氧化细菌活性。厌氧氨氧化细菌的这种细胞密度特性与细菌中普遍存在的群体感应（Quorum sensing）现象相符。群体感应是一种普遍存在于微生物细胞之间的通讯机制，它具有根据菌群密度和周围环境变化来调节基因表达从而控制细菌群体行为的功能。因此，如何保持其在反应器中较高的细胞密度并防止宝贵的厌氧氨氧化细菌从反应器中流失已经成为当前研究的重点。 

微生物细胞固定化技术可以大幅度提高微生物浓度，使微生物不易流失、缩短反应器启动时间、抗毒性和耐酸碱、耐盐能力明显增强，能纯化和创造特性细菌的生态优势，产生特性高效反应，显示出良好的应用前景。微生物细胞常用的固定化方法有吸附法、交联法和包埋法。其中,以包埋法最为常用，已成功地用于微生物细胞包埋的材料有:聚乙烯醇、琼脂、K‐卡拉胶、明胶、海藻酸钠、聚丙 烯酰胺、聚氨酯等。上述包埋材料具有对微生物无毒性、传质性能好、不易被生物分解、性质稳定、机械强度高、寿命长、价格低等特点。 

目前，传统的细菌包埋方法是将细菌与包埋材料结合在一起，形成包埋体，例如微球、包埋块等。此方法操作简单，但局限性大，无法理想应用到工程实际当中。实验研究表明，利用现有的拉西环、鲍尔环、阶梯环、悬浮改性填料等传统载体与包埋体通过粘附方式结合起来制得的生物活性填料均存在整体稳定性差，包埋体容易脱落，造成细菌流失等问题。 

针对上述问题，我们开发出的一种以立体三维网状聚乙烯醇纤维为骨架材料的厌氧氨氧化细菌颗粒状固定化生物活性填料将具有广泛的应用前景。 

发明内容

本发明开发出一种以立体三维网状聚乙烯醇纤维为骨架材料的厌氧氨氧化细菌颗粒状固定化生物活性填料，其特征在于，该填料是由包含厌氧氨氧化细菌的包埋体和聚乙烯醇纤维丝骨架两部分组成，包埋体由包埋液经硼酸二次交联得到；包埋体嵌入到骨架中纤维丝之间孔隙中，将聚乙烯醇纤维丝骨架包埋在包埋体中，骨架中不规则纤维丝与包埋体结合为一个稳定的有机整体。将由立体不规则聚乙烯醇纤维丝组成的纤维块浸泡于厌氧氨氧化细菌浓缩液和聚乙烯醇溶液混合而成的包埋液中，经硼酸二次交联固定后，清洗，再经切割制成颗粒状厌氧氨氧化细菌生物活性填料。由于包埋体和聚乙烯醇纤维丝的有机结合，生物活性填料具有更多的性能，其继承了原有单纯厌氧氨氧化细菌与包埋材料的所有优点；制备的颗粒状生物活性填料具有各种载体所具有的特性，例如流动性强、比表面积大、不易堵塞等优点。 

上述以聚乙烯醇纤维丝为骨架材料的厌氧氨氧化细菌生物活性填料为颗粒状，为长方体、正方体或圆柱体。 

优选长、宽、高可为5mm-10mm的长方体或正方体或底面直径、高可为5mm-10mm圆柱体。 

一种以立体三维网状聚乙烯醇纤维为骨架材料的厌氧氨氧化细菌颗粒状固定化生物活性填料的制备： 

（1）将长度在5mm-20mm之间的聚乙烯醇纤维丝无规则、均匀、蓬松地置于槽型模具中，纤维丝之间粘结在一起进行加固（尤其采用化学粘合的方法），得 到立体三维网状聚乙烯醇纤维骨架块，该纤维骨架块的厚度可为5mm-10mm，面密度可为1000g/m²-2000g/m²； 

（2）将厌氧氨氧化细菌菌悬液离心浓缩浓度至10⁸-10¹⁰个/mL，得到厌氧氨氧化细菌浓缩液； 

（3）将聚乙烯醇加热溶解于水，得到聚乙烯醇溶液； 

（4）将步骤（3）中的聚乙烯醇溶液冷却至30℃并与步骤（2）得到的厌氧氨氧化细菌浓缩液充分混合，得到包埋液，包埋液中聚乙烯醇的质量浓度可为80g/L-150g/L； 

（5）将整块步骤（1）得到的聚乙烯醇纤维块浸泡于步骤（4）得到的包埋液中15min，经饱和硼酸交联1.5h后取出，调节硼酸溶液pH值至8-10进行第二次交联，二次交联时间为5h，二次交联结束后用清水冲洗，随后将其切割，即完成固定化生物活性填料的制备过程。 

本发明所述的一种以立体三维网状聚乙烯醇纤维为骨架材料的厌氧氨氧化细菌颗粒状固定化生物活性填料的有益效果体现在： 

（1）所述厌氧氨氧化细菌颗粒状生物活性填料中的聚乙烯醇纤维丝与包埋液经硼酸二次交联后的包埋体材料能牢固的结合为一个稳定的有机整体，生物活性填料可稳定运行3年以上； 

（2）最终制备成的生物活性填料产品为颗粒状，有利于生物活性填料与底物的充分接触； 

（3）在填料交联过程中，包埋体外层会形成一层致密的膜，阻碍底物传递，因此本发明采用先整体固化，填料成型后切割成颗粒状生物活性填料，减少了致密膜的形成； 

（4）生物活性填料有效比表面积大、底物传质效率高，利于营养物质的传递与氮气的释放。厌氧氨氧化细菌能在短时间内形成菌群优势，缩短启动时间。 

附图说明

图1为正方体颗粒状生物活性填料三维示意图，其中，1为聚乙烯醇纤维丝，2为包埋体； 

图2为长方体颗粒状生物活性填料三维示意图，其中，1为聚乙烯醇纤维丝，2 为包埋体； 

图3为圆柱体颗粒状生物活性填料三维示意图，其中，1为聚乙烯醇纤维丝，2为包埋体。 

具体实施方式

现以厌氧氨氧化细菌为例进一步描述本发明，该实施方式旨在进一步举例说明厌氧氨氧化细菌固定化生物活性填料、制备及使用，但是本发明的实施方式不限于此。 

（1）将长度在5mm-20mm之间的聚乙烯醇纤维丝无规则、均匀、蓬松地置于槽型模具中，纤维丝之间采用化学粘合的方法加固，得到聚乙烯醇纤维块，该纤维块的厚度约为10mm，面密度为1016g/m²； 

（2）将培养后的厌氧氨氧化细菌菌悬液离心浓缩，取30mL浓缩后浓度为3×10⁹个/mL的厌氧氨氧化细菌浓缩液备用； 

（3）取20.0g聚乙烯醇加热至90℃溶解于140mL水，得到聚乙烯醇溶液； 

（4）将步骤（3）中的聚乙烯醇溶液冷却至30℃并与步骤（2）得到的的厌氧氨氧化细菌浓缩液按一定比例充分混合，加水定容到200mL得到包埋液，该包埋液中聚乙烯醇质量浓度为100g/L； 

（5）取适量步骤（1）得到的聚乙烯醇纤维块浸泡于步骤（4）得到的包埋液中15min，经饱和硼酸交联1.5h后取出，调节硼酸溶液pH值至8-10进行第二次交联，二次交联时间为5h，二次交联结束后用清水冲洗，随后将其切割成正方体（边长可为5mm-10mm）、长方体（长、宽、高可为5mm-10mm）或圆柱体（底面直径、高可为5mm-10mm）即完成的厌氧氨氧化细菌固定化生物活性填料的制备过程。 

（6）生物活性填料的应用：向1L的反应器中投加步骤（5）得到的填料，填充率为30%，水温30±1℃，pH7.5-7.8，NH₄⁺-N进水浓度为100mg/L，NO₂^--N浓度在130mg/L，HRT为3h。反应器中溶解氧基本保持在0.5mg/L以下。出水监测结果表明：反应器运行两周后恢复厌氧氨氧化活性，运行稳定后，出水NH₄⁺‐N浓度为1.5mg/L以下，去除率为98.5%以上，出水NO₂^‐‐N浓度为0.86mg/L以下，去除率为99.3%以上。反应器连续运行1年，厌氧氨氧化生物活性填料 包埋体完好率为94%，避免了厌氧氨氧化细菌的流失，较传统生物滤池排气、传质好，脱氮效率高，利于推广。