一种富菌多孔反硝化填料及其制备方法与流程

1.本发明涉及污水微生物处理领域，尤其涉及一种菌多孔反硝化填料及其制备方法。


背景技术：

2.近年来，随着我国城镇化的快速发展，水体污染问题日益严重。污水处理厂的出水质量要求也在逐渐提高，很多地区都开始执行出水一级a标准或较一级a更严的地方标准。尤其是总氮，作为城市污水处理的一项重要常规指标，一直以来都是研究的重点。我国现有的城市污水处理厂基本上采用的都是活性污泥法，即硝化和反硝化的处理工艺来去除总氮，其中反硝化过程控制着no
3-‑
n逐渐转变为n2，是将氮从水体中除去的关键一步。此过程是由异养的反硝化细菌在缺氧条件下催化完成的。但在实际运行中，由于进水水质复杂，污染物浓度高、冬季水温低等各种影响，总氮去除效果并不理想，很多污水处理厂都存在总氮不达标的问题。
3.反硝化生物滤池因其投资少、结构简单、生物量大、处理效率高，得到了广泛的认可，逐渐成为一种新型的污水深度脱氮处理技术。该技术的核心是反硝化填料技术，现有的反硝化生物滤池大都采用造价低廉的石英砂作为填料，依靠石英砂为挂膜介质，细菌在石英砂的表面逐渐累积，形成生物膜的同时，固定污水中反硝化细菌，进而发挥反硝化作用降解污水中的总氮。但污水中的反硝化细菌占比相当少，需要慢慢积累到一定的量才能发挥作用，因此挂膜是一个缓慢的过程，通常从设备启动到出水稳定需要2周左右的时间，甚至会因为进水水质的影响导致挂膜不成功。而且在挂膜的同时，其他异养型微生物也会大量繁殖，与反硝化细菌争夺碳源，形成一定的竞争关系，进而影响反硝化效率。
4.固定化微生物技术是指利用物理或化学的手段将微生物固定在某一特定空间内，使微生物高度密集且保持固有的生物活性，在环境适宜的条件下能够快速增殖并发挥作用的一种生物强化技术。利用固定化微生物技术将反硝化细菌制成一定形式的专性菌产品，投加到污水处理厂的反应器中，可以有效地增加反应器内反硝化细菌的数量，提高反硝化效率，进而提升反应器的处理能力。固定化微生物技术主要有四种方法：吸附法、包埋法、交联法和自身固定法。其中吸附法是指利用微生物和吸附载体间的物理作用将微生物固定于载体表面或内部形成生物膜的方法。其因制备简单、成本低且生物活性高而被广泛应用，但这种方法也存在结合力差、稳定性不足等缺点。
5.有鉴于此，特提出本发明。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供了一种富菌多孔反硝化填料及其制备方法，能加强微生物的结合力，提升反硝化填料的稳定性，进而解决现有技术中存在的上述技术问题。
7.本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
8.本发明实施方式提供一种富菌多孔反硝化填料，该反硝化填料是在孔隙率大于
90％的颗粒多孔载体上固定化反硝化细菌形成的吸水率达到30％以上的填料。
9.本发明实施例还提供一种富菌多孔反硝化填料的制备方法，用于制备上述的富菌多孔反硝化填料，包括：
10.步骤1，制备颗粒多孔载体：将电气石粉、高岭土、镁质黏土、硅藻土、玉米秸秆粉末、硅酸钠和碳酸氢钠加水混合均匀后造粒，制成颗粒；对颗粒依次进行预热与煅烧；煅烧后冷却即制得颗粒多孔载体；
11.步骤2，制备反硝化细菌发酵液：将冷冻保存的反硝化细菌菌种接种于固体培养基上进行活化，恒温培养直至长出单菌落；挑取活化好的反硝化细菌单菌落，接种到液体培养基中得到种子液；将所述种子液接种到液体培养基中即得到反硝化细菌发酵液；
12.步骤3，向颗粒多孔载体固定反硝化细菌：将所述步骤1得到的多孔载体投入到所述步骤2中制得的反硝化细菌发酵液中，吸附菌液直至饱和；进行风干处理后，即制得富菌多孔反硝化填料。
13.与现有技术相比，本发明所提供的富菌多孔反硝化填料及其制备方法，其有益效果包括：
14.通过孔隙率大于90％的颗粒多孔载体上固定化反硝化细菌，不仅提升了反硝化细菌与多孔载体结合量，也提升了填料的稳定性，由于填料具有30％以上的吸水率，保证了污水与反硝化细菌接触的充分性，进而提升反硝化的处理效果。
附图说明
15.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
16.图1为本发明实施例提供的富菌多孔反硝化填料的制备方法流程图；
17.图2为本发明实施例提供的富菌多孔反硝化填料与传统填料石英砂的对比效果图。
具体实施方式
18.下面结合本发明的具体内容，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，这并不构成对本发明的限制。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
19.首先对本文中可能使用的术语进行如下说明：
20.术语“和/或”是表示两者任一或两者同时均可实现，例如，x和/或y表示既包括“x”或“y”的情况也包括“x和y”的三种情况。
21.术语“包括”、“包含”、“含有”、“具有”或其它类似语义的描述，应被解释为非排它性的包括。例如：包括某技术特征要素(如原料、组分、成分、载体、剂型、材料、尺寸、零件、部件、机构、装置、步骤、工序、方法、反应条件、加工条件、参数、算法、信号、数据、产品或制品等)，应被解释为不仅包括明确列出的某技术特征要素，还可以包括未明确列出的本领域公
知的其它技术特征要素。
22.术语“由
……
组成”表示排除任何未明确列出的技术特征要素。若将该术语用于权利要求中，则该术语将使权利要求成为封闭式，使其不包含除明确列出的技术特征要素以外的技术特征要素，但与其相关的常规杂质除外。如果该术语只是出现在权利要求的某子句中，那么其仅限定在该子句中明确列出的要素，其他子句中所记载的要素并不被排除在整体权利要求之外。
23.术语“质量份”是表示多个组分之间的质量比例关系，例如：如果描述了x组分为x质量份、y组分为y质量份，那么表示x组分与y组分的质量比为x:y；1质量份可表示任意的质量，例如：1质量份可以表示为1kg也可表示3.1415926kg等。所有组分的质量份之和并不一定是100份，可以大于100份、小于100份或等于100份。除另有说明外，本文中所述的份、比例和百分比均按质量计。
24.除另有明确的规定或限定外，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如：可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本文中的具体含义。
25.当浓度、温度、压力、尺寸或者其它参数以数值范围形式表示时，该数值范围应被理解为具体公开了该数值范围内任何上限值、下限值、优选值的配对所形成的所有范围，而不论该范围是否被明确记载；例如，如果记载了数值范围“2～8”时，那么该数值范围应被解释为包括“2～7”、“2～6”、“5～7”、“3～4和6～7”、“3～5和7”、“2和5～7”等范围。除另有说明外，本文中记载的数值范围既包括其端值也包括在该数值范围内的所有整数和分数。
26.术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化描述，而不是明示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本文的限制。
27.下面对本发明所提供的富菌多孔反硝化填料及其制备方法进行详细描述。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。本发明实施例中未注明具体条件者，按照本领域常规条件或制造商建议的条件进行。本发明实施例中所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
28.如图1所示，本发明实施例提供一种富菌多孔反硝化填料，该反硝化填料是在孔隙率大于90％的颗粒多孔载体上固定化反硝化细菌形成的吸水率达到30％以上的填料。
29.上述反硝化填料中，所述颗粒多孔载体是由电气石粉、高岭土、镁质黏土、硅藻土、玉米秸秆粉末、硅酸钠和碳酸氢钠加水混合均匀后制成直径8～10mm的颗粒，再依次经预热和煅烧后制得的多孔载体。优选的，对颗粒的预热的温度为400～500℃，预热时间为30min；对颗粒的煅烧1000℃～1100℃，煅烧时间为120min。
30.颗粒多孔载体各原料用量按质量百分比为：电气石粉10％、高岭土20％、镁质黏土40％、硅藻土10％、玉米秸秆粉末10％、硅酸钠8％和碳酸氢钠2％。
31.上述方法的玉米秸秆粉末为玉米秸秆粉碎后，过100目筛所得的粉末。这种玉米秸
秆粉末作为生物致孔剂，能提升制得多孔载体的孔隙率，并且其成本低，原料易得。
32.本发明实施例还提供一种富菌多孔反硝化填料的制备方法，用于制备上述的富菌多孔反硝化填料，包括：
33.步骤1，制备颗粒多孔载体：将电气石粉、高岭土、镁质黏土、硅藻土、玉米秸秆粉末、硅酸钠和碳酸氢钠加水混合均匀后造粒，制成颗粒；对颗粒依次进行预热与煅烧；煅烧后冷却即制得颗粒多孔载体；
34.步骤2，制备反硝化细菌发酵液：将冷冻保存的反硝化细菌菌种接种于固体培养基上进行活化，恒温培养直至长出单菌落；挑取活化好的反硝化细菌单菌落，接种到液体培养基中得到种子液；将所述种子液接种到液体培养基中即得到反硝化细菌发酵液；
35.步骤3，向颗粒多孔载体固定反硝化细菌：将所述步骤1得到的多孔载体投入到所述步骤2中制得的反硝化细菌发酵液中，吸附菌液直至饱和；进行风干处理后，即制得富菌多孔反硝化填料。
36.上述方法的步骤1中，制成颗粒的直径为8～10mm，吸水率达到30％以上；
37.颗粒多孔载体各原料用量按质量百分比为：
38.电气石粉10％、高岭土20％、镁质黏土40％、硅藻土10％、玉米秸秆粉末10％、硅酸钠8％和碳酸氢钠2％。
39.上述方法的玉米秸秆粉末为玉米秸秆粉碎后，过100目筛所得的粉末。
40.上述方法的步骤1中，对颗粒的预热的温度为400～500℃，预热时间为30min；
41.对颗粒的煅烧1000℃～1100℃，煅烧时间为120min。
42.上述方法的步骤2中，反硝化细菌菌种冷冻保存于-80℃的冰箱或冰柜中；
43.恒温培养的温度为30℃。
44.上述方法的步骤2中，接种到液体培养基中，在30℃，150r/min条件下培养24h得到种子液；
45.所述种子液按照3％的体积比接种到液体培养基中，在30℃，150r/min条件下培养24h制得反硝化细菌发酵液。
46.上述方法的步骤2中，所述固体培养基含有按质量比1％的胰蛋白胨、0.5％的酵母浸粉、1％的氯化钠和1.8％的琼脂粉；调节ph值6.8～7.2，之后用121℃灭菌20min；
47.所述液体培养基含有按质量比1％的胰蛋白胨1％、0.5％酵母浸粉、1％的氯化钠1％，装液量60％，调节ph值6.8～7.2，之后用121℃灭菌20min。
48.上述方法的步骤3中，所述风干处理为在45～50℃风干2～3h。
49.综上可见，本发明实施例的富菌多孔反硝化填料，将固定化微生物技术与反硝化填料技术相结合，通过高温煅烧的孔隙率大于90％的多孔载体上固定化反硝化细菌，属于吸附法固定化微生物技术，该填料孔隙率高、比表面积大，内部多孔结构中富含大量反硝化细菌，生物活性高，且均匀密集的多孔结构可以给反硝化细菌提供完美的栖息地和附着点，能够有效地固定反硝化细菌，具有良好的结合力和稳定性。该填料应用于反硝化生物滤池，因填料本身固定有大量的反硝化细菌，可以快速发挥作用且稳定性强，既节省了挂膜时间，又能有效地提升反应器内的反硝化速率，增强反应器的处理能力，对改善污水处理厂总氮不达标问题有着重要意义。
50.为了更加清晰地展现出本发明所提供的技术方案及所产生的技术效果，下面以具
体实施例对本发明实施例所提供的富菌多孔反硝化填料及其制备方法进行详细描述。
51.实施例1
52.本发明实施例提供一种富菌多孔反硝化填料，是在颗粒多孔载体上固定化反硝化细菌形成的颗粒状填料，其孔隙率达到90％以上，吸水率达到30％以上。该富菌多孔反硝化填料按以下步骤制备(参见图1)：
53.步骤1，颗粒多孔载体的制备：a1.按照质量比，将10％的电气石粉、20％的高岭土、40％的镁质黏土、10％的硅藻土、10％的玉米秸秆粉末、8％的硅酸钠和2％的碳酸氢钠加水混合均匀后造粒，粒径8～10mm；b1.将颗粒于400～500℃预热30min，然后于1000℃～1100℃煅烧120min；c1.出炉冷却，降至室温，即为颗粒多孔载体；
54.所述玉米秸秆粉末作为生物致孔剂，是将玉米秸秆粉碎后，过100目筛所得的粉末。由于玉米秸秆简单易得，成本低廉，使得这种粉末能有效提高颗粒多孔载体孔隙率的同时，降低其备成本。
55.步骤2，反硝化细菌发酵液的制备：a2.蘸取一环保存于-80度冰箱的反硝化细菌菌种，接种于固体培养基上进行活化，30℃恒温培养直至长出单菌落；b2.挑取活化好的反硝化细菌单菌落，接种到液体培养基中，30℃，150r/min培养24h，此为种子液；c2.将种子液按照体积比3％接种到液体培养基中，30℃，150r/min培养24h，即得反硝化细菌发酵液。
56.上述步骤2中，所述固体培养基含有(按体积比)：胰蛋白胨1％，酵母浸粉0.5％，氯化钠1％，琼脂粉1.8％，调节消前ph值6.8～7.2，121℃灭菌20min。
57.所述液体培养基含有(按体积比)：胰蛋白胨1％，酵母浸粉0.5％，氯化钠1％，装液量60％，调节消前ph值6.8～7.2，121℃灭菌20min。
58.步骤3，向颗粒多孔载体反硝化细菌的固定：a3，将步骤1中多孔载体投入到步骤2中反硝化细菌发酵液里，吸附菌液直至饱和；b3，45-50℃风干处理2-3h，即为富菌多孔反硝化填料。
59.上述制得富菌多孔反硝化填料按以下方式的应用：将该富菌多孔反硝化填料装入升流式反硝化生物滤池中，填充比为50％～60％，水力停留时间1.5～2h。
60.与相比于现有技术，本发明的积极效果在于：
61.(1)本发明的颗粒多孔载体主要由天然矿物材料高温烧结而成，机械强度高，实际应用过程中不易破损。该载体利用100目的玉米秸秆和碳酸氢钠为致孔剂，经煅烧后不仅结构蓬松，且表面及内部为均匀密集的多孔结构，孔隙率高达90％以上，吸水率可达30％以上，可以吸附大量反硝化细菌并防止菌体流失，有效地固定反硝化细菌，因此具有很高的生物活性。且载体孔隙率高、比表面积大，可以增大与污水的接触面积，提高处理能力。
62.(2)多孔载体吸附菌液后进行45-50℃的风干处理，可以增强反硝化细菌与材料的结合力，更有利于反硝化细菌的固定，且45-50℃的低温干燥不会对反硝化细菌造成伤害，保留了填料的高生物活性。
63.(3)与传统填料相比，该富菌多孔反硝化填料应用于反硝化生物滤池，因填料本身固定有大量的反硝化细菌，可以快速发挥作用且稳定性强，既节省了挂膜时间，又能有效地提升反应器内的反硝化速率，增强反应器的处理能力。
64.(4)本发明将固定化微生物技术与反硝化填料技术相结合，应用于升流式反硝化生物滤池，不仅具有一定的技术创新，也对改善污水处理厂总氮不达标问题有着重要意义。
65.实施例2：
66.将本发明制得的富菌多孔反硝化填料装入反硝化生物滤池的模拟反应器中，填充比为50％，反应器采用升流式的进水方式，进水为总氮约为25mg/l、cod约为100mg/l的生活污水，水力停留时间1.5h。每隔24h取样检测总氮去除率，以装入石英砂为填料的反应器作为对照(参见图2)。由实验结果可知，装有富菌多孔反硝化填料的反应器的出水3天既稳定，且一直保持较高总氮去除率，而对照组前期总氮去除率相当低，随着反应器的运行才慢慢升高，运行15天后总氮去除率才趋于稳定。运行到第30天，装有富菌多孔反硝化填料的反应器出水总氮去除率为95.96％，远高于对照组的73.76％。由此可见，富菌多孔反硝化填料可以有效地固定反硝化细菌且保持较高活性，既节省挂膜时间，又能提高反应器的反硝化效率，增强反应器的处理能力。
67.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。本文背景技术部分公开的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。