一种用于生活污水去污的固定化微生物颗粒及其制备方法与流程

1.本发明属于废水处理技术领域，具体地，本发明涉及一种用于生活污水去污的固定化微生物颗粒及其制备方法。


背景技术：

2.生活污水是机关、学校、医院、商店、公共场所、工业企业卫生间等居民日常生活场所排出的废水，其具有氮和磷含量高、c/n比低的特点，随着城市化进程的加快，生活污水中的氮和磷污染物的排放量增加，导致c/n比低的问题更加突出，由于碳源是微生物生活所需要的营养物质，也是微生物去污的重要电子供体，低c/n比将会降低微生物活性和污水的脱氮性能，从而影响生活污水受纳水体(湖泊、河流等)的水质，因此如何有效提升生活污水的污染物去除能力具有重要的意义。
3.固定化微生物技术是一种有效的污染物去除途径。固定化微生物技术是将微生物固定在载体上，一方面利用固定化载体自身良好的吸附能力，去除一部分污染物质，另外一方面利用固定化载体为微生物提供的良好微环境，减少微生物的流失，促进微生物的生长繁殖，增强微生物的生物活性，提升污染物的降解效率。固定化载体作为微生物的重要载体和微生物生存微环境的创造者，微生物载体的特性(如孔径大小、孔径数量等)和微生物载体的使用环境将直接影响固定化微生物的数量和污染物的净化效果，因此根据微生物的特性和微生物的使用环境选择或者研发孔径大小和数量适宜、传质能力强、微生物活性强的固定化微生物载体对提升污染物的去除能力非常关键。
4.聚乙烯醇和海藻酸钠是最重要的微生物固定化载体，复杂多孔的网络结构可以避免微生物泄露，保证良好的传质效率。目前固定化微生物在生活污水中处理中的应用已有研究，但是其在生活污水中的应用还存在以下中的一种或多种不足：(1)生活污水的水质水量波动大，对固定化载体的需求量大，整个工艺的处理成本较高；(2)污水中油脂的存在导致菌体更容易从载体上脱落；(3)油脂与微生物接触隔绝了水中的氧气传输，将会抑制微生物的呼吸作用，严重时造成微生物窒息死亡；(4)固定化载体的孔径较小，污染物的传输速度慢，污染物的降解能力降低；(5)固定化载体的材质以聚乙烯醇和海藻酸钠为主，对重金属的吸附能力低，需要添加吸附能力强的物质。


技术实现要素：

5.本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一，为此，本发明的目的在于提供一种用于生活污水去污的固定化微生物颗粒及其制备方法。本发明固定化微生物颗粒的制备方法能够降低制备成本、制备过程简单、微生物固定效果强、溶解氧的传输效率高、污染物去除效率高、应用范围广泛。
6.为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
7.本发明提供了一种固定化微生物颗粒的制备方法，包括如下步骤：
8.(1)丝瓜络预处理
9.将干燥的丝瓜络浸入naoh溶液中，98-100℃搅拌10-20min，过滤分离，洗涤后烘干，然后在h2o2溶液于110-121℃反应1-2h，冲洗后，烘干，粉碎过筛，球磨处理，得丝瓜络粉；
10.(2)丝瓜络改性
11.配制第一混合液，所述第一混合液为包括过硫酸钠，n-羟甲基丙烯酰胺、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、2-乙酰基-3-乙氧基丙烯酸乙酯和水的混合液；配制第二混合液，所述第二混合液为包括柠檬酸、二乙烯三胺、次磷酸钠和水的混合液；
12.将步骤(1)所得丝瓜络粉与第一混合液混合后，在氮气气氛下，70-80℃，搅拌反应 3-5h，冷却至室温后，离心，洗涤，然后再与第二混合液混合，在25-30℃搅拌5-8h，离心后，继续用去离子水清洗，再离心，然后得到的固体产物干燥，即得改性丝瓜络；
13.(3)固定化微生物颗粒的制备
14.将脱氮菌株菌悬液按照1:9的体积比转移到含有0.5％-5％海藻酸钠和1％-10％的聚乙烯醇的混合溶液中，按照质量体积比1％-5％的比例向其中加入改性丝瓜络，混合均匀后，缓慢滴加到2％-4％的cacl2溶液中，8-24h取出，用pipes缓冲溶液冲洗三次，即得到所述固定化微生物颗粒。
15.在一些实施例中，步骤(1)为：丝瓜络清洗后，在80-85℃下烘干4-5h，然后将丝瓜络浸入15％-30％(wt/v)naoh溶液中，在400-600w微波条件下于98-100℃加热搅拌反应10-20min，过滤分离，用0.1-0.5mol/l的盐酸溶液或硫酸溶液洗涤多次至ph为中性，于60-65℃烘干，烘干后的丝瓜络在400-600w微波条件下与2-10％(wt/v)h2o2溶液于110-121℃反应1-2h，冲洗、烘干丝瓜络粉碎过60目筛(以除木质素、半纤维素等非纤维素组分)，然后将粉料与球磨介质置于球磨机中进行处理10-30min，得丝瓜络粉。
16.在一些实施例中，球磨介质可以选择不锈钢球、陶瓷球等。
17.在一些实施例中，所述第一混合液中，各物质的用量比为：过硫酸钠：n-羟甲基丙烯酰胺：2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸：2-乙酰基-3-乙氧基丙烯酸乙酯：水＝(0.1-0.15) g：(1.5-2.5)g:(0.12-0.20)g：(0.08-0.15)g:100ml。
18.在一些实施例中，所述第二混合液中，各物质的用量比为：柠檬酸：二乙烯三胺：次磷酸钠：水＝(5-10)g：(5-10)g：(2.5-5)g：100ml。
19.在一些实施例中，步骤(2)中，丝瓜络粉、第一混合液和第二混合液的比例为： 1g：(6-20)ml：(3-10)ml。
20.在一些实施例中，第一混合液和第二混合液的比例为1:1。
21.在一些实施例中，所述脱氮菌株为假单胞菌、脱氮副球菌、芽孢杆菌、产碱杆菌中的一种或多种。
22.在一些实施例中，所述脱氮菌株菌悬液的浓度为2
×
10
9-6
×
109cfu/ml。
23.在一些实施例中，所述菌悬液的制备方法，包括如下步骤：配置含3.0mg/l牛肉膏、5.0mg/l蛋白胨和5.0mg/l氯化钠的液体培养基，脱氮菌株按质量体积比0.1g:
24.(10-20)ml添加到液体培养基中，于35-37℃、150-180r/min下活化培养24-30h后，活化后的菌株扩大培养8-12h后，室温、5000-8000rpm离心10-30min，用10-30mmoll-1
pipes缓冲液洗涤并离心2-3次，最后将离心后的菌株重悬浮在pipes缓冲液中，得到菌悬液。
25.本发明实施例还提供了一种固定化微生物颗粒，所述固定化微生物颗粒采用上述制备方法制备得到。
26.本发明实施例还提供了上述固定化微生物颗粒在生活污水去污中的应用。
27.与现有技术相比，本发明提供的一种固定化微生物颗粒及其制备方法，具备以下有益效果：
28.(1)本发明固定化微生物颗粒采用丝瓜络原料，先利用naoh和h2o2对丝瓜络进行高温预处理，再辅助机械活化，预处理后，再进行改性，最后添加脱氮菌株作为微生物主体，各步骤协同作用，制备过程简单、微生物固定效果强、溶解氧的传输效率高、污染物去除效率高、应用范围广泛。
29.(2)丝瓜络原料来源广泛、成本低，且含有羟基、羧基等多种官能团，易于化学改性，具有成本低、效率高、可再生、生物相容性好等优点。整个制备工艺成本较低，制备流程简单，制作的材料适用范围广泛、环境友好、易于回收和循环利用等优势，不仅可用于生活污水的处理，还可以用于工业废水的处理以及水体应急处理，实现对复杂废水的高适应性处理。
30.(3)丝瓜络纤维中含有木质素、半纤维素等物质，这些物质含有丰富的氢键和较高的结晶度，不利于与污染物的接触，降低生物降解性，且丝瓜络紧密的结构不利于对其进行改性，基于此，本发明利用naoh和h2o2对丝瓜络进行高温预处理，去除木质素和半纤维素等物质的同时，减小丝瓜络纤维的直径，暴露更多的吸附点位，疏松的结构和较大的比表面积，从而提高丝瓜络与微生物的接触面积，微生物活性高。辅助机械活化，将部分机械能转化为原料的内能，从而使丝瓜络的化学活性增加，且球磨过程破坏纤维素的晶体结构及木质素包裹层结构，进一步提高丝瓜络改性的可行度和反应性能，提高污染物的传输效率、氧气的传质效率和污染物的去除率。
31.(4)由于2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸和2-乙酰基-3-乙氧基丙烯酸乙酯共聚单体容易受到自由基的攻击，在自由基引发剂作用下两者之间发生自由基引发的加成聚合反应，将两种单体接枝到丝瓜络的羟基基团中，从而在丝瓜络纤维中接枝引入了质子化的-so
3-和
ꢀ‑
coo-基团，基团与重金属离子螯合和配位作用得到增强，生长的聚合物链之间在交联剂 n-羟甲基丙烯酰胺的作用下交联，形成半互穿网络结构，改善丝瓜络亲水、传质、热等物理化学特性，提高污染物的接触面积和传输效率，显著提升污染物的净化能力。
32.(5)本发明固定化微生物颗粒材料还从两个方面提高颗粒的油水分离和污染物吸附能力，一方面柠檬酸含有三个羧基，在次磷酸钠催化作用下，柠檬酸中相邻的两个羧基脱水形成高活性的酸酐，酸酐与丝瓜络中的羟基发生酯化反应，释放出羧基，释放的羧基继续与未反应的羧基反应形成酸酐，酸酐继续与丝瓜络中的羟基发生酯化反应，依此类推，从而在丝瓜络中形成交联的三维网络结构的同时，提高丝瓜络中羟基、酯基的官能团数量，增加污染物的吸附位点，提高材料对重金属离子的吸附络合效果。另外一方面采用柠檬酸和二乙烯三胺作为交联剂和功能剂，同时引入了氨基、羧基和酰胺等活性基团，这些活性基团增加了丝瓜络表面的高极性基团，提高丝瓜络材料的亲水性和水下超疏油性，同时该材料在羧基和氨基的协同作用下对ph适应范围更广泛，具备更加稳定的水下超疏油性，提升提高丝瓜络的亲水疏油性能和氧气的扩散速率的同时增强微生物活性，提升材料的生物降解作用。
33.(6)本发明添加脱氮菌株作为微生物主体，对污水中的氮和磷具有较强的吸附能力，脱氮菌株利用丝瓜络作为碳源和电子供体，从而整个载体对环境不会产生不良影响，同
时在微生物载体中添加海藻酸钠，提高污染物载体的抗水流冲击能力，微生物固定的效果更强，整个颗粒载体的使用周期、稳定性能和吸附效率将大大提高。
附图说明
34.图1实际a2/o工艺运行中实施例1制备的固定化微生物颗粒对污水去污能力影响结果图。
具体实施方式
35.下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不限定本发明的保护范围。
36.实施例1
37.一种用于生活污水去污的固定化微生物颗粒的制备方法，包括如下步骤：
38.(1)丝瓜络清洗后，在85℃下烘干5h，然后将丝瓜络浸入30％(wt/v)的naoh溶液中，在400w微波条件下于98℃加热搅拌15min，冷却后过滤分离，用0.1mol/l的盐酸溶液洗涤至ph为中性，于65℃烘干，烘干后的丝瓜络在500w微波条件下与5％(wt/v) 的h2o2溶液于115℃反应1.5h，冲洗后烘干，然后粉碎过60目筛，加入不锈钢球转移到球磨机中球磨20min后取出，得丝瓜络粉，备用。
39.(2)在100ml带塞西林瓶中配置100ml含有0.15g/l过硫酸钠，2g/l的n-羟甲基丙烯酰胺、0.15g/l 2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸和0.10g/l的2-乙酰基-3-乙氧基丙烯酸乙酯的第一混合液，通入氮气0.5h，将步骤(1)得到的丝瓜络粉按1:10(wt/v)溶解于第一混合液中，在70℃下反应4h，冷却至室温后，离心，用蒸馏水洗净后，将丝瓜络粉重悬浮于含柠檬酸、二乙烯三胺、次磷酸钠均为5％(wt/v)的100ml第二混合液中，在25 ℃磁力搅拌器中搅拌6h后，离心，再用去离子水多次清洗并离心，在75℃烘干，得改性丝瓜络。
40.(3)配置牛肉膏(3.0mg/l)、蛋白胨(5.0mg/l)和氯化钠(5.0mg/l)的液体培养基，添加脱氮菌株脱氮副球菌dsm413，脱氮菌株按质量体积比0.1g:15ml添加到液体培养基中，在37℃、160r/min的振荡器中活化培养26h后，按1:50的体积比转移到牛肉膏蛋白胨培养基中10h扩大培养，在室温下6000rpm离心20min，用10-30mmol/l pipes缓冲液洗涤并离心3次，最后将离心后的菌株重悬浮在pipes缓冲溶液中，得到浓度为4
×
109cfu/ml的菌悬液备用。
41.(4)将菌悬液按1:9体积比转移到含有2.5％海藻酸钠和5％的聚乙烯醇的混合溶液中，向其中加入3％(wt/v)改性丝瓜络混合均匀后，缓慢加入到3％的cacl2溶液中，16 h后取出，用pipes缓冲溶液冲洗三次，制得固定化微生物颗粒。
42.对比例1：
43.与实施例1的区别在于固定化微生物载体中未添加丝瓜络。
44.对比例2：
45.与实施例1的区别在于固定化微生物载体中添加的丝瓜络未经过改性。
46.对比例3：
47.与实施例1的区别在于固定化微生物载体中添加的丝瓜络只经过2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸和2-乙酰基-3-乙氧基丙烯酸乙酯改性，未经过柠檬酸和二乙烯三胺改性。
48.对比例4：
49.与实施例1的区别在于对比例4的步骤(1)为：丝瓜络清洗后，在85℃下烘干5h，然后将丝瓜络浸入30％(wt/v)的naoh溶液中，于98℃加热搅拌15min，冷却后过滤分离，用0.1mol/l的盐酸溶液洗涤至ph为中性，于65℃烘干，然后粉碎过60目筛，得丝瓜络粉，备用。
50.需要说明的是：上述对比例的方案并非现有技术，仅是为了与实施例的方案进行对比而设置，不作为对本发明的限制。
51.针对本发明制备的实施例1和对比例1-4的固定化微生物颗粒进行去污试验，试验地点为：岭南股份实验室和岭南股份东莞实验基地。
52.实验例1
53.采集公司岭南股份食堂和宿舍未经任何处理的原污水，两者按照3：1的体积比混合，制成nh
4 -n、no
3-‑
n、tn、tp、pb
2
、cu
2
、cd
2
、cr
3
和油脂浓度分别为13.51mg/l、4.83 mg/l、22.44mg/l、0.07mg/l、0.05mg/l、0.11mg/l、0.04mg/l、0.03mg/l和42.60mg/l 生活污水混合液，3l的生活污水投入到自制的23cm*50*5.5cm的a2/o工艺厌氧池中，持续每10天向a2/o工艺中进水0.5l/d，然后将固定化微生物颗粒按照3kg/m3的量置于a2/o工艺的厌氧段，每10天测定污水中污染物浓度。
54.实验例1中采用的固定化微生物颗粒分别为实施例1、对比例1、对比例2、对比例 3、对比例4的去污实验，结果见表1-表5。
55.实验例2
56.与实验例1的区别在于向a2/o工艺在第0d的时候进水，之后停止进水，固定化微生物颗粒采用实验例1制备的固定化微生物颗粒，结果见表6。
57.实验例3
58.将实施例1固定化微生物颗粒按照3kg/m3的量投入到岭南股份东莞实验基地尺寸为23*50*5.5m的a2/o工艺厌氧池中，该工艺污水包括生活污水与工业废水，污染物浓度为nh
4 -n、no
3-‑
n、tn、tp、pb
2
、cu
2
、cd
2
、cr
3
和油脂浓度分别为21.37mg/l、11.15mg/l、40.90mg/l、2.76mg/l、3.28mg/l、4.89mg/l、2.13mg/l、2.64mg/l、 87.33mg/l，废水达到8t，在每10d进水一次，每次进水5t运行的条件下，每10d观察污染物的去除率，结果见表7。
59.表1实验例1中采用实施例1固定化微生物颗粒的各种污染物去除率
[0060][0061]
表2实验例1中采用对比例1固定化微生物颗粒的各种污染物去除率
[0062][0063]
表3实验例1中采用对比例2固定化微生物颗粒的各种污染物去除率
[0064][0065][0066]
表4实验例1中采用对比例3固定化微生物颗粒的各种污染物去除率
[0067][0068]
表5实验例1中采用对比例4固定化微生物颗粒的各种污染物去除率
[0069][0070]
表6实验例2中采用实施例1固定化微生物颗粒的各种污染物去除率
[0071][0072]
表7实验例3中采用实施例1固定化微生物颗粒的各种污染物去除率
[0073][0074]
对比表3、表4可以看出，添加2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸和2-乙酰基-3-乙氧基丙烯酸乙酯改性后的固定化微生物颗粒后nh
4 -n、no
3-‑
n、tn、tp、pb
2
、cu
2
、cd
2
和 cr
3
的吸附能力得到明显提高。
[0075]
从表4和表1可以看出柠檬酸和二乙烯三胺改性后，生活污水中nh
4 -n、no
3-‑
n、 tn、tp的去除率提高至90％以上，pb
2
、cu
2
、cd
2
的去除率提高到81.4％以上，重金属cr
3
的去除率也达到75％以上，油脂的去除率稳定维持到60％。
[0076]
从表5和表1可以看出经过naoh h2o2预处理，再辅以机械球磨活化比naoh浸渍预处理的处理效果更好，生活污水中nh
4 -n、no
3-‑
n、tn、tp、油脂污染物的净化能力的去除率明显提高，重金属离子pb
2
、cu
2
、cd
2
、cr
3
的去除率最大提升9.8％。
[0077]
从表6和表1可以得出，本发明固定化微生物颗粒在a2/o工艺间歇性进水的情况下依然保持较高的污染物去除率，相较于静止的水体，流动的污水污染物的去除效率更高。
[0078]
从表1和表7可以看出在工程化应用过程中，cu
2
、cd
2
和cr
3
和油脂的去除率与实验室结果差别不大，但nh
4 -n、no
3-‑
n、tn、tp、pb
2
的去除率高于实验室小规模的实验，无论是室外实验还是实验室实验，无论是生活污水还是与工业废水的混合污水本发明固定化微生物颗粒保持较高的活性，对重金属、氮、磷和油脂的去除能力均处于高水平。
[0079]
实验例4
[0080]
岭南股份东莞实验基地尺寸为23*50*5.5m的a2/o工艺每天进水10t，将该a2/o工艺厌氧池平行于水流方向用隔离装置均分成两个池子，在保证两者的进水量和进水水质一样，将本发明实施例固定化微生物颗粒按照3kg/m3投入到一个池中，另外一个池与固定化微生物组一样，区别在于没有添加固定化的微生物(空白)，运行1个月后观察两个池子中的污染物去除率。
[0081]
从图1中可以看出在a2/o工艺运行中，添加固定化微生物后nh
4 -n、no
3-‑
n、 tn、tp的去除率提高了17.5％、13.1％、17.9％和9.2％，pb
2
、cu
2
、cd
2
、cr
3
的去除率提高了29.9％-41.6％，油脂去除率增加明显，增加了61.9％。
[0082]
在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0083]
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。