一种厌氧氨氧菌包埋聚合物生物活性微球及其制备方法与应用

1.本发明涉及一种厌氧氨氧菌包埋聚合物生物活性微球及其制备方法，以及在高盐废水处理中的应用，属于水处理技术领域。


背景技术：

2.厌氧氨氧化(anaerobic ammonium oxidation，anammox)技术由荷兰的mulder等人在试验探究中发现，是一种新型生物脱氮技术。具有全程自养脱氮、高效率脱氮、产泥率低等众多优点。厌氧氨氧化反应是在厌氧或缺氧状态下，nh
4 -n与no
2-‑
n以1：1.32的比例进行反应，生成氮气进而去除氮的过程。对比传统硝化、反硝化工艺，该反应几乎无外加有机碳源，可节省50％的曝气量、60％的能量、30％的反应时间以及90％的运行费用，处理费用仅为0.75欧元/kg n，远低于传统生物脱氮工艺(2-5欧元/kg n)。随着水处理行业的进一步发展，传统水处理技术必将转型，以厌氧氨氧化技术为主要研究对象的可持续水处理技术将成为业界现在以及未来的热点。
3.高盐废水是指总含盐质量分数至少1％的废水，这类废水来源丰富，常含有较多有机物质和营养物质。针对这类废水目前主要采用物化处理法和生化处理法去除。但物化处理法的成本高，且操作过程要求较为严苛。与传统的生物脱氮工艺相比，厌氧氨氧化工艺容积负荷高、运行效率高、污泥产量少，然而，随着研究的深入，厌氧氨氧化工艺也暴露了一些固有的缺陷。例如，在高负荷下，大量颗粒污泥发生上浮(密度降低)，导致污泥严重流失；高负荷需在低进水浓度和高进水流量下实现，加上反应本身产生大量气体，要求颗粒需能抵抗较高的表面流速；处理废水(或反应基质)具有毒性，可能对菌群和反应产生抑制，高盐废水带来的高渗透压环境会使厌氧氨氧菌脱水破裂，失去活性，从而失去处理废水中氮的能力。
4.相比于游离微生物，细菌固定化具有活性高、固液易分离、易回收、能维持较高生物量、可重复利用等优点。且细菌经过固定化后耐冲击性强，在高浓度氨氮/高盐条件下能降低对微生物的抑制作用。通过包埋法对微生物进行固定最为常见，通过选用对微生物无毒性、传质性能好、不易被分解的高分子材料，可以实现细菌的高效固定。包埋后在表面涂覆一层聚合物膜，可进一步增加微球的耐冲击性，从而达到对废水的有效处理。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种厌氧氨氧菌包埋聚合物生物活性微球及其制备方法，通过对厌氧氨氧菌进行定向培养驯化，加入到聚丙烯酸中使其凝固得到成型的生物活性微球，再利用相转化在微球表面形成聚合物膜。该方法所得到的厌氧氨氧菌包埋聚合物生物活性微球经活化后可用于高盐废水处理，对于废水中总氮有良好的去除效果。
6.本发明的技术方案如下：
7.一种厌氧氨氧菌包埋聚合物生物活性微球的制备方法，包括如下步骤：
8.(1)取厌氧氨氧化颗粒污泥，用k2hpo4/kh2po4缓冲液(ph＝7.2)冲洗污泥(以去除污泥中的氨氮、有机物、亚硝酸盐及硝酸盐等)，通过搅拌破碎得到游离状态的厌氧氨氧化菌后将其投入到uasb反应器内，反应器初始进水包含：nh4cl(0.38g/l)，nano2(0.65g/l)，nahco3(0.4g/l)，mgso4·
7h2o(0.3g/l)，cacl2·
2h2o(0.18g/l)，nacl(5g/l)，微量元素溶液i(1ml/l)，微量元素溶液ii(1ml/l)，海藻糖(0.06g/l)，盐酸羟胺(5g/l)，调节ph至7～8(优选7.5)；其中，所述微量元素溶液i的组成：feso4·
7h2o(5g/l)，edta(5g/l)，溶剂为水；所述微量元素溶液ii的组成：edta(5g/l)，h3bo3(0.011g/l)，mncl2·
4h2o(0.99g/l)，cuso4·
5h2o(0.25g/l)，znso4·
7h2o(0.43g/l)，nicl2·
6h2o(0.19g/l)，na2moo4·
2h2o(0.22g/l)，cocl2·
6h2o(0.24g/l)，naseo4·
10h2o(0.21g/l)，溶剂为水；此后进水中nacl的浓度逐步提高至30g/l，此培养过程是一个驯化培养过程，连续运行60天，将厌氧氨氧化菌进行脱水浓缩；
9.(2)配制丙烯酸的水溶液，充入n2以排除氧气，加入亚硫酸氢钠和过硫酸铵，在40～80℃下反应6～12h，之后冷却至室温，向体系中加入硫酸镁超声溶解后，加入步骤(1)驯化得到的厌氧氨氧化菌，搅拌均匀后，倒入球形模具(直径5mm)内，1～6h后将成型的球形生物活性微球取出；
10.所述丙烯酸的水溶液中，丙烯酸的体积占溶剂水体积的5％～15％；
11.所述丙烯酸的水溶液与厌氧氨氧化菌的体积质量比为50～105：1ml/g；
12.所述丙烯酸与亚硫酸氢钠的体积质量比为5～20：1ml/g；
13.所述丙烯酸与过硫酸铵的体积质量比为5～20：1ml/g；
14.所述丙烯酸与硫酸镁的体积质量比为10～100：1ml/g；
15.(3)向dmf(n,n-二甲基甲酰胺)中加入聚砜，搅拌溶解后超声除泡，静置得到聚砜铸膜液；将步骤(2)制备得到的球形生物活性微球先置于聚砜铸膜液中(5～15s)，再取出置于去离子水中(10～30min)，通过相转化在微球表面形成一层聚合物膜，重复此过程1～5次，得到所述的厌氧氨氧菌包埋聚合物生物活性微球；
16.所述dmf与聚砜的体积质量比为4～8：1ml/g。
17.本发明涉及上述制备方法制得的厌氧氨氧菌包埋聚合物生物活性微球。将所得厌氧氨氧菌包埋聚合物生物活性微球置于uasb反应器中活化两周，后续即可用于高盐废水的处理。
18.与现有技术相比，本发明的实质性优点：
19.(1)利用水溶性聚合物聚丙烯酸作为厌氧氨氧菌的包埋材料，制备成具有弹性的生物活性微球，不易在相互碰撞中产生破损，能维持较高生物量，有效延长了微球的使用寿命；
20.(2)微球外表面的聚合物层可以起到一定的避光作用，有利于厌氧氨氧菌的生长；
21.(3)聚合物层可以起到一定的过滤作用，对于内部的厌氧氨氧菌起到保护作用。
22.本发明厌氧氨氧菌包埋聚合物生物活性微球耐冲击性提高，经活化后可用于高盐废水处理，对于废水中总氮有良好的去除效果，脱氮率达到98.75％以上，脱氮效果稳定。
具体实施方式
23.下面通过具体实施例，对本发明加以详细描述，但本发明并不限于下述实施例，在
不脱离本发明内容和范围内，变化实施都应包含在本发明的技术范围内。
24.实施例1：
25.厌氧氨氧菌驯化：取厌氧氨氧化颗粒污泥，用k2hpo4/kh2po4(ph＝7.2)缓冲液冲洗污泥以去除污泥中的氨氮、有机物、亚硝酸盐及硝酸盐等，通过搅拌破碎得到游离状态的厌氧氨氧化菌后将其投入到uasb反应器内，反应器初始进水包含：nh4cl(0.38g/l)，nano2(0.65g/l)，nahco3(0.4g/l)，mgso4·
7h2o(0.3g/l)，cacl2·
2h2o(0.18g/l)，nacl(5g/l)，微量元素溶液i(1ml/l)，微量元素溶液ii(1ml/l)，海藻糖(0.06g/l)，盐酸羟胺(5g/l)，调节ph至7.5左右。其中微量元素溶液i的组成：feso4·
7h2o(5g/l)，edta(5g/l)；微量元素溶液ii的组成：edta(5g/l)，h3bo3(0.011g/l)，mncl2·
4h2o(0.99g/l)，cuso4·
5h2o(0.25g/l)，znso4·
7h2o(0.43g/l)，nicl2·
6h2o(0.19g/l)，na2moo4·
2h2o(0.22g/l)，cocl2·
6h2o(0.24g/l)，naseo4·
10h2o(0.21g/l)。此后进水中nacl的浓度逐步提高至30g/l，连续运行60天，将厌氧氨氧化菌进行脱水浓缩。
26.向100ml去离子水中添加5ml丙烯酸，充入氮气30min以去除其中的氧气，加入1.0g过硫酸铵和1.0g亚硫酸氢钠，60℃反应6h，冷却至室温后，加入0.5g硫酸镁超声溶解，加入1g厌氧氨氧菌，充氮气并搅拌均匀后，倒入球形模具(直径5mm)内，成型后取出。取2.5854g聚砜于20ml dmf中，搅拌溶解后超声除泡，静置后得到聚砜铸膜液，将成型的微球浸渍于铸膜液中5s，再迅速取出置于去离子水中10min，通过相转化在表面形成一层聚合物膜，重复此过程3次，得到所述基于厌氧氨氧菌包埋聚合物生物活性微球，置于反应器中活化两周(活化就是将包埋后的微球在反应器中培养，让菌恢复活性，进水与驯化过程相同，nacl浓度为30g/l)。
27.人工配制亚硝酸盐氮和氨氮比例为1.32：1，总氮含量400mg/l、含盐量30g/l的废水，具体组成为：nh4cl(0.65g/l)，nano2(1.12g/l)，nahco3(0.4g/l)，mgso4·
7h2o(0.3g/l)，cacl2·
2h2o(0.18g/l)，nacl(30g/l)，微量元素溶液i(1ml/l)，微量元素溶液ii(1ml/l)，海藻糖(0.06g/l)，盐酸羟胺(5g/l)，调节ph至7.5左右。其中微量元素溶液i的组成：feso4·
7h2o(5g/l)，edta(5g/l)；微量元素溶液ii的组成：edta(5g/l)，h3bo3(0.011g/l)，mncl2·
4h2o(0.99g/l)，cuso4·
5h2o(0.25g/l)，znso4·
7h2o(0.43g/l)，nicl2·
6h2o(0.19g/l)，na2moo4·
2h2o(0.22g/l)，cocl2·
6h2o(0.24g/l)，naseo4·
10h2o(0.21g/l)。
28.反应器稳定运行后，出水总氮浓度为5mg/l以下，脱氮率达到98.75％以上，脱氮效果稳定。
29.实施例2：
30.厌氧氨氧菌驯化：取厌氧氨氧化颗粒污泥，用k2hpo4/kh2po4(ph＝7.2)缓冲液冲洗污泥以去除污泥中的氨氮、有机物、亚硝酸盐及硝酸盐等，通过搅拌破碎得到游离状态的厌氧氨氧化菌后将其投入到uasb反应器内，反应器初始进水包含：nh4cl(0.38g/l)，nano2(0.65g/l)，nahco3(0.4g/l)，mgso4·
7h2o(0.3g/l)，cacl2·
2h2o(0.18g/l)，nacl(5g/l)，微量元素溶液i(1ml/l)，微量元素溶液ii(1ml/l)，海藻糖(0.06g/l)，盐酸羟胺(5g/l)，调节ph至7.5左右。其中微量元素溶液i的组成：feso4·
7h2o(5g/l)，edta(5g/l)；微量元素溶液ii的组成：edta(5g/l)，h3bo3(0.011g/l)，mncl2·
4h2o(0.99g/l)，cuso4·
5h2o(0.25g/l)，znso4·
7h2o(0.43g/l)，nicl2·
6h2o(0.19g/l)，na2moo4·
2h2o(0.22g/l)，cocl2·
6h2o(0.24g/l)，naseo4·
10h2o(0.21g/l)。此后进水中nacl的浓度逐步提高至30g/l，连续运行
60天，将厌氧氨氧化菌进行脱水浓缩。
31.向100ml去离子水中添加5ml丙烯酸，充入氮气30min以去除其中的氧气，加入1.0g过硫酸铵和1.0g亚硫酸氢钠，60℃反应6h，冷却至室温后，加入0.5g硫酸镁超声溶解，加入1g厌氧氨氧菌，充氮气并搅拌均匀后，倒入球形模具(直径5mm)内，成型后取出。取3.6114g聚砜于20ml dmf中，搅拌溶解后超声除泡，静置后得到聚砜铸膜液，将成型的微球浸渍于铸膜液中5s，再迅速取出置于去离子水中10min，通过相转化在表面形成一层聚合物膜，重复此过程3次，得到所述基于厌氧氨氧菌包埋聚合物生物活性微球，置于反应器中活化两周(进水与驯化过程相同，nacl浓度为30g/l)。
32.人工配制亚硝酸盐氮和氨氮比例为1.32：1，总氮含量400mg/l、含盐量40g/l的废水，具体组成为：nh4cl(0.65g/l)，nano2(1.12g/l)，nahco3(0.4g/l)，mgso4·
7h2o(0.3g/l)，cacl2·
2h2o(0.18g/l)，nacl(40g/l)，微量元素溶液i(1ml/l)，微量元素溶液ii(1ml/l)，海藻糖(0.06g/l)，盐酸羟胺(5g/l)，调节ph至7.5左右。其中微量元素溶液i的组成：feso4·
7h2o(5g/l)，edta(5g/l)；微量元素溶液ii的组成：edta(5g/l)，h3bo3(0.011g/l)，mncl2·
4h2o(0.99g/l)，cuso4·
5h2o(0.25g/l)，znso4·
7h2o(0.43g/l)，nicl2·
6h2o(0.19g/l)，na2moo4·
2h2o(0.22g/l)，cocl2·
6h2o(0.24g/l)，naseo4·
10h2o(0.21g/l)。
33.反应器稳定运行后，出水总氮浓度为10mg/l以下，脱氮率达到97.5％以上，脱氮效果稳定。
34.实施例3：
35.厌氧氨氧菌驯化：取厌氧氨氧化颗粒污泥，用k2hpo4/kh2po4(ph＝7.2)缓冲液冲洗污泥以去除污泥中的氨氮、有机物、亚硝酸盐及硝酸盐等，通过搅拌破碎得到游离状态的厌氧氨氧化菌后将其投入到uasb反应器内，反应器初始进水包含：nh4cl(0.38g/l)，nano2(0.65g/l)，nahco3(0.4g/l)，mgso4·
7h2o(0.3g/l)，cacl2·
2h2o(0.18g/l)，nacl(5g/l)，微量元素溶液i(1ml/l)，微量元素溶液ii(1ml/l)，海藻糖(0.06g/l)，盐酸羟胺(5g/l)，调节ph至7.5左右。其中微量元素溶液i的组成：feso4·
7h2o(5g/l)，edta(5g/l)；微量元素溶液ii的组成：edta(5g/l)，h3bo3(0.011g/l)，mncl2·
4h2o(0.99g/l)，cuso4·
5h2o(0.25g/l)，znso4·
7h2o(0.43g/l)，nicl2·
6h2o(0.19g/l)，na2moo4·
2h2o(0.22g/l)，cocl2·
6h2o(0.24g/l)，naseo4·
10h2o(0.21g/l)。此后进水中nacl的浓度逐步提高至30g/l，连续运行60天，将厌氧氨氧化菌进行脱水浓缩。
36.向100ml去离子水中添加5ml丙烯酸，充入氮气30min以去除其中的氧气，加入1.0g过硫酸铵和1.0g亚硫酸氢钠，60℃反应6h，冷却至室温后，加入0.5g硫酸镁超声溶解，加入1g厌氧氨氧菌，充氮气并搅拌均匀后，倒入球形模具(直径5mm)内，成型后取出，得到厌氧氨氧菌包埋生物活性微球。置于反应器中活化两周(进水与驯化过程相同，nacl浓度为30g/l)。
37.人工配制亚硝酸盐氮和氨氮比例为1.32：1，总氮含量400mg/l、含盐量40g/l的废水，具体组成为：nh4cl(0.65g/l)，nano2(1.12g/l)，nahco3(0.4g/l)，mgso4·
7h2o(0.3g/l)，cacl2·
2h2o(0.18g/l)，nacl(40g/l)，微量元素溶液i(1ml/l)，微量元素溶液ii(1ml/l)，海藻糖(0.06g/l)，盐酸羟胺(5g/l)，调节ph至7.5左右。其中微量元素溶液i的组成：feso4·
7h2o(5g/l)，edta(5g/l)；微量元素溶液ii的组成：edta(5g/l)，h3bo3(0.011g/l)，mncl2·
4h2o(0.99g/l)，cuso4·
5h2o(0.25g/l)，znso4·
7h2o(0.43g/l)，nicl2·
6h2o(0.19g/l)，
na2moo4·
2h2o(0.22g/l)，cocl2·
6h2o(0.24g/l)，naseo4·
10h2o(0.21g/l)。
38.反应器稳定运行后，由于没有聚合物外层，脱氮率仅为84％。