一种包埋固定化有效微生物凝胶小球的制备方法

摘要

一种包埋固定化有效微生物凝胶小球的制备方法，涉及一种用于污水生物脱氮的微生物细胞固定化方法，尤其是涉及一种采用聚乙烯醇和海藻酸钠为包埋剂，以氯化钙和硼酸为交联剂，以贝壳粉末作为添加剂，包埋有效微生物的方法。提供一种不仅能有效解决凝胶小球制备及使用时的缺点，而且将有效微生物作为包埋菌体，可有效提高生物脱氮效果的包埋固定化有效微生物凝胶小球的制备方法。将包埋剂和添加剂混合均匀，溶于水中，完全溶解并混合均匀后降温至40℃以下，与离心后的有效微生物浓缩菌液混合，搅拌，然后加入交联剂中，形成凝胶小球。

权利要求

1.一种包埋固定化有效微生物凝胶小球的制备方法，其特征在于将包埋剂和添加剂混合均匀，溶于水中，完全溶解并混合均匀后降温至40℃以下，与离心后的有效微生物浓缩菌液混合，搅拌，然后加入交联剂中，形成凝胶小球；

所述包埋剂为聚乙烯醇和海藻酸钠；

所述添加剂为贝壳粉末。

2.如权利要求1所述的一种包埋固定化有效微生物凝胶小球的制备方法，其特征在于所述交联剂为含有氯化钙的饱和硼酸溶液。

3.如权利要求1所述的一种包埋固定化有效微生物凝胶小球的制备方法，其特征在于所述聚乙烯醇的质量分数为10％W/V包埋剂。

4.如权利要求1所述的一种包埋固定化有效微生物凝胶小球的制备方法，其特征在于海藻酸钠的质量分数为1％W/V包埋剂。

5.如权利要求1所述的一种包埋固定化有效微生物凝胶小球的制备方法，其特征在于贝壳粉末的质量分数为0.2％W/V包埋剂。

6.如权利要求2所述的一种包埋固定化有效微生物凝胶小球的制备方法，其特征在于含有氯化钙的饱和硼酸溶液中的氯化钙的质量分数为3％W/V交联剂。

7.如权利要求1所述的一种包埋固定化有效微生物凝胶小球的制备方法，其特征在于溶于水中的水温为80～90℃。

说明书

一种包埋固定化有效微生物凝胶小球的制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种用于污水生物脱氮的微生物细胞固定化方法，尤其是涉及一种采用聚乙烯醇和海藻酸钠为包埋剂，以氯化钙和硼酸为交联剂，以贝壳粉末作为添加剂，包埋有效微生物(Effective Microorganisms，简称EM)的方法。

背景技术

[0002] 微生物包埋固定化技术是废水生物处理处理领域中一个较新的技术，它是将微生物封闭在天然高分子多糖类或合成高分子凝胶中，从而使微生物固定化。相比普通的活性污泥法，包埋固定化技术具有以下优点：防止微生物流失、反应器中可以达到较高的微生物浓度、抗毒物和冲击负荷、沉降性能好、有利于固液分离等。

[0003] 包埋法的技术关键是选择合适的包埋剂，主要有琼脂、聚丙烯酰胺(ACAM)、明胶、海藻酸钠(CA)和几丁质及聚乙烯醇(PVA)等。有研究表明，琼脂强度较差，聚丙烯酰胺凝胶对生物有毒性，明胶内部结构虽密实，但传质性能差([1]段明峰，吴卫霞，肖俊霞，李良红.利用固定化细胞技术处理废水研究进展[J].油气田环境保护，2004，14(3)：17-20；[2]CarberyJB.Model of algalbacterial clay wastewater treatment system[J].Water Science and Technology，1992，26(7-8))；相比之下，海藻酸钙(CA)和聚乙烯醇(PVA)凝胶机械强度和传质性能均较好，对生物无毒，且耐生物分解性良好，是较为合适的固定化细胞载体([3]蒋宇红，黄霞，俞毓馨.几种固定化细胞载体的比较[J].环境科学，2001，
14(2))。

[0004] 海藻酸盐是棕色藻类的胞内产物，它由两种不同类型的单糖组成，即1，4-β-D-甘露糖醛酸(M)和1，4-α-L-古洛糖醛酸(G)。海藻酸盐不能形成热可逆性凝胶，
2+ 2+ +
通常是在其钠盐溶液中加入二价离子，如Ca ，通过Ca 取代Na 来形成凝胶网络。凝胶的性质与引入的二价阳离子及海藻酸钠的类型(主要是两种单糖的组成比例)有关。二价阳离子对凝胶的机械强度有较大的影响，元素周期表的第二主族金属离子于海藻酸钠盐形成的
2+ 2+ 2+ 2+
凝胶，其强度顺序如下：Ba ＞Sr ＞Ca ＞＞Mg 。利用海藻酸钠凝胶固定化微生物法不仅安全、快速、制备简单、反应条件温和、成本低廉，而且适用于大多数微生物的固定化([4]门学虎，李彦锋，周林成.聚乙烯醇载体的制备及应用研究进展[J].甘肃科学学报，2004，
16(3)：30-35)。

[0005] 海藻酸盐法与聚乙烯醇-硼酸法相比，虽物理强度较好，传质性能优，但吸附性能不及聚乙烯醇凝胶球，聚乙烯醇-硼酸法单用聚乙烯醇与硼酸交联成球困难，易成絮状体，且成球后，球体机械强度较差。聚乙烯醇凝胶存活时间虽比海藻酸盐包埋法长，但聚乙烯醇凝胶有时由于交联不彻底，少量有机碳成分溶出，且聚乙烯醇凝胶硬化所需时间较长，固定化要求的条件较为复杂([5]刘蕾.生物固定化技术中的包埋材料[J].净水技术，2005，24(1))。

[0006] 聚乙烯醇-硼酸包埋固定化法相比其它包埋固定化法具有机械强度高、耐曝气强度高、耐生物分解性好、成本低和使用寿命长等优势，但是在其应用中也出现了一些问题。聚乙烯醇是一种高粘性物质，且与硼酸应反较慢，液滴相碰时会粘结在一起，并逐步溶合成团，即聚乙烯醇小球有非常强的附聚倾向，使聚乙烯醇凝胶成球困难。当聚乙烯醇与硼酸进行反应固定时，硼酸上的3个羟基只部分地进行了反应，反应后形成的高聚物凝胶上还残留有亲水性的-OH，使得固定化小球在应用中存在很大的水溶胀性，随着使用时间的增长，强度大大减弱，在实际应用中极为不利。海藻酸盐包埋过程中也存在一些问题，当存在高浓+ 2+
度的K、Mg 、磷酸盐以及其他单价金属离子时，海藻酸钙凝胶的结构会受到破坏。此外，由于海藻酸钙凝胶网络的孔隙尺寸太大，酶可能会从网络中泄露出来，因此不适合酶的固定化。

[0007] 此外，在包埋剂中添加适量的活性炭、CaCO3粉末、Ca(OH)2粉末、铁粉、SiO2粉末作为添加剂，可以改进凝胶小球的性质、提高固定化小球的强度等性能。

[0008] 生化法脱氮包括3个反应过程：氨化反应、硝化反应和反硝化反应。在城市污水二级处理出水中，氮主要以氨态氮的形式存在，而3级处理中则要求包含硝化作用为主的脱氮过程。此外，由于钢铁、炼油、化肥、无机化工、铁合金、玻璃制造、肉类加工和饲料生产等诸多行业的废水中均含有较高浓度的氨氮。因此硝化反应作为生化脱氮过程中的重要步骤，对于有效地去除废水中的氨氮，消减氨氮排放对水体的污染具有重要的意义。

[0009] 硝化反应在两种自养菌的作用下分两个过程完成。首先由亚硝酸化菌将氨氮转化为亚硝酸盐，然后再由硝酸化菌将亚硝酸盐氧化成硝酸盐，其反应方程式如下：

[0010]

[0011]

[0012] 由上述反应化学计量式可知，在氧气充足的条件下，每去除1mol的NH4+-N产生+ +2mol的H，即每去除1g的NH4-N需消耗7.14g的碱度(以CaCO3计)。

[0013] 由于硝化反应需要消耗大量的碱度，当污水中碱度不足，而氨氮负荷比较高时，会使处理装置中的混合液pH值降至6.5以下，使硝化反应速率降低和硝化菌受到抑制，因此工程设计时需进行碱度核算。目前，补充碱度的方式主要是投加NaHCO3或NaOH，这无疑会增加运行成本与管理的难度。

[0014] 贝壳作为一种海产垃圾，我国沿海地区每年的产生量巨大。对于贝壳的处理方法，一般采取露天堆放的形式，对沿海地区环境造成了巨大压力。贝壳虽然种类繁多，形态各异，颜色不同，但是化学组成相似，主要有占全壳95％的碳酸钙和少量的贝壳素。据报道，将山东烟台产贻贝壳晾干粉碎成粉末后，用原子吸收分光光度计测其元素成分，其中常量元素K、Na、Ca、Mg质量分数分别为：0.01％、0.35％、15.1％和0.17％，微量元素质量分数分别为(mg/kg)：Fe 206.0、Zn 453.3、Se 0.85、I 2.3、Cu 10.7。其它贝壳因来源不同，各质量分数略有差别([6]李金志.贝壳的综合利用[J].淮海工学院学报.2001，10(专刊)：22-23)。贝壳粉末在废水中能随pH的降低而逐渐溶解，为生物脱氮过程提供碱度，能有效提高微生物脱氮的效果。

[0015] 废水的生物脱氮在实际操作运行过程中，对工艺条件的要求较高，但是许多污水处理厂对工艺条件的设置不能很好地满足污水生物脱氮的要求，特别是一些小型工业污水处理厂，由于其水质特点和操作条件不合要求，对污染物的降解难以达到排放要求，究其原因主要有，厌氧与好氧段设置不合理，废水处理系统中污泥浓度过低，污泥龄过短以及pH值不符合脱氮要求。

[0016] 有效微生物是由日本琉球大学比嘉照夫教授研制的一种多功能生物制剂。它主要包括了5大类(光合菌群、乳酸菌群、酵母菌群、革兰氏阳性放线菌群及发酵系的丝状菌群)10个属80多种微生物，使它们共生共存，形成一个强大的功能群体，提高物体的生理活动性机能。有研究表明，EM能够有效去除废水中的COD、氮、磷等污染物质，且较传统的活性污泥法更为高效。但由于EM菌液是液体，直接投加处理污水时，EM菌群缺乏载体，容易随出水流失，使得其对污染物质去除率不高。硝化细菌的时代期比较长，这更不利于EM中脱氮菌的富集生长，不利于氮的去除。

发明内容

[0017] 本发明的目的在于为了克服在包埋过程中，凝胶小球成型困难和硬化较慢，以及包埋后凝胶小球强度、使用寿命、易吸水溶胀的缺陷，以及废水生物脱氮效果较差的难题，提供一种不仅能有效解决凝胶小球制备及使用时的缺点，而且将有效微生物(EM)作为包埋菌体，可有效提高生物脱氮效果的包埋固定化有效微生物凝胶小球的制备方法。

[0018] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

[0019] 将包埋剂和添加剂混合均匀，溶于水中，完全溶解并混合均匀后降温至40℃以下，与离心后的有效微生物(EM)浓缩菌液混合，搅拌，然后加入交联剂中，形成凝胶小球。

[0020] 所述包埋剂为聚乙烯醇和海藻酸钠，添加剂为贝壳粉末，交联剂为含有氯化钙的饱和硼酸溶液。

[0021] 所述聚乙烯醇的质量分数最好为10％(W/V包埋剂)，海藻酸钠的质量分数最好为1％(W/V包埋剂)，贝壳粉末的质量分数最好为0.2％(W/V包埋剂)，含有氯化钙的饱和硼酸溶液中的氯化钙的质量分数最好为3％(W/V交联剂)。

[0022] 溶于水中的水温最好为80～90℃。

[0023] 交联剂溶液使用前先降温至4℃，制作小球时，用磁力搅拌器搅拌。将该质量分数的聚乙烯醇和海藻酸钠作为包埋剂、该质量分数氯化钙的饱和硼酸溶液作为交联剂，可较好地解决凝胶小球的附聚问题，增强凝胶的成球能力，并保持良好的传质性能。本着以废治废的原则，将贝壳粉末作为添加剂加入到包埋剂中，可改善凝胶小球的强度、溶胀性、使用寿命等各项性能。这种凝胶小球在废水生物脱氮的过程中，还可由于贝壳粉末的溶解而不断地提供碱度，溶解后产生的空隙也为小球对废水中污染物质的吸附创造了有利条件；同时也为海产贝壳的处理与处置提供了一条出路。为解决生物脱氮效果较差的难题，以EM作为包埋细菌，将微生物细胞固定在凝胶小球内部，防止其流失，并为其中的脱氮细菌提供一个相对稳定的厌氧区，发挥EM的最佳功效。

[0024] 本发明的有益效果是，增强了凝胶小球制备时的成球能力，提高了小球的强度和使用寿命，并可使废水的生物脱氮效果显著提高，同时也为贝壳的处理与处置提供一条新途径。

附图说明

[0025] 图1包埋EM的PVA小球脱氮效果。在图1中，横坐标为运行周期/次，纵坐标为+NH4-N去除率/％。

[0026] 图2出水NH3-N浓度和浊度随时间的变化曲线。在图2中，横坐标为时间/h，左纵-1坐标为出水NH3-N浓度/mg·L ，右纵坐标为出水浊度/NTU；▲为浓度曲线，■为浊度曲线。

[0027] 图3不同配方PVA小球脱氮效果对比。在图3中，横坐标为运行周期/次，纵坐标为NH3-N去除率/％；▲为有贝壳、EM离心液；△为无贝壳、EM离心液；□为无贝壳、EM复壮液。

[0028] 图4不同EM菌液包埋量PVA小球脱氮效果对比。在图4中，横坐标为运行周期/次，纵坐标为NH3-N去除率/％；▲10，◆30，■50，●80。

具体实施方式

[0029] 1.EM菌液的制备

[0030] EM复壮液的制备：按体积比，EM-1∶糖蜜∶水＝3∶3∶94的比例配制EM扩大液。室温下密封储存，待pH值下降到3.5以下并有酸甜气味后，即得到EM复壮液。

[0031] EM离心液的制备：将上一步骤制备的EM复壮液以5000r/min的速度离心20min，弃去上清液，收集离心管底部富集的EM浓缩菌体。每10mL EM复壮液经离心后得到的EM浓缩菌体含有相当于10mL EM复壮液的菌量。

[0032] 2.贝壳粉末的制备

[0033] 用中药粉碎机将牡蛎壳粉碎，过80目筛，即得到贝壳粉末。

[0034] 3.固定化小球的制备

[0035] 包埋剂的配制：将聚乙烯醇、海藻酸钠和贝壳粉末混合均匀后溶解于80～90℃的水中。溶解过程中，盛放的容器表面加盖，并不时搅拌。待其完全溶解后，冷却至40℃以下，与30％(V菌量对应的EM复壮液/V包埋剂)的EM浓缩菌体混合，使PVA、海藻酸钠和贝壳粉末的最终浓度分别为10％(W/V包埋剂)、1％(W/V包埋剂)和0.2％(W/V包埋剂)。

[0036] 交联剂的配制：将浓度为3％(W/V交联剂)的CaCl2溶解于饱和硼酸溶液中，降温至4℃左右。

[0037] 固定化：用注射器将混合均匀的包埋剂从10cm左右的高处滴入交联剂中，交联剂用磁力搅拌器搅拌。包埋剂与交联剂交联形成直径为3mm左右的小球。将固定化小球浸没在交联剂中储存于4℃的冰箱内继续硬化24h左右。使用前用生理盐水清洗3次。

[0038] 图1给出经过8个周期连续运行的SBR处理系统氨氮出水的去除率。

[0039] 经包埋EM的凝胶小球(以下简称A小球)处理后，氨氮去除率总体呈上升趋势，运行8个周期后氨氮的去除率由最初的10.5％上升到86.3％，小球中包埋的微生物经过一段时间的恢复和适应逐渐表现出对氨氮的降解能力。

[0040] 凝胶小球的溶解产生的浊度对氨氮的去除效果会产生影响。未包埋任何微生物的凝胶小球对氨氮的去除效果和出水浊度随时间的变化关系见图2。

[0041] 凝胶小球在模拟氨氮废水中经0.5h的吸附后，水样中氨氮浓度由61.7mg/L降到38.4mg/L，浊度由1.43NTU上升到43.47NTU。在之后的14h内，水样中氨氮浓度始终在40-50mg/L范围内波动；浊度总体呈上升趋势，但上升速度比较缓慢，而氨氮的浓度也维持在一个比较稳定的范围内。在浊度影响出水氨氮浓度之前，凝胶小球对废水中氨氮的吸附能力约为1-2mg(NH3-N)/g(凝胶小球)。在振荡14h之后出水浊度开始明显增大，到24h浊度上升到128，氨氮浓度降到2.77mg/L。由此可见，凝胶小球随着振荡时间的延长而有所溶解，水样的浊度逐渐增大，氨氮浓度则开始明显降低，出水中氨氮的浓度与浊度有着密切的关系。综上所述，凝胶小球对废水中的氨氮有一定的吸附效果，并且其溶解产生的胶体对氨氮也有吸附作用，使得未包埋EM的凝胶小球对氨氮的去除也有显著效果。

[0042] 向包埋剂中添加一定量的贝壳粉末，以增加凝胶小球的强度和提高脱氮效果有无帮助；使用EM离心液和复壮液(用量均相当于10mL EM复壮液)进行对比，以对比糖蜜对凝胶小球的性状及包埋后EM的活性可能产生的影响。由此制备了4种不同的小球，不同凝胶小球的配方见表1。

[0043] 表1

[0044]

[0045] 在小球的制备过程中，A、C、D小球都能够很好地成球形，B小球形状极不规则。硬化24h后，A小球的硬度明显好于C、D小球，表明在制备时贝壳粉末有助于提高凝胶小球的硬度；A、C小球外观呈纯白色，B、D小球外观呈浅褐色，表明包埋EM复壮液的小球中含有糖蜜。B小球经过3个周期的运行后全部破裂，随出水流失。经过6个周期的连续运行，A、C、D 3种不同小球对氨氮的去除效果见图3。

[0046] 在第1个运行周期里，3种凝胶小球对氨氮的去除效果都不是很好，以小球的吸附作用为主，A小球略好于C、D小球，D小球并没有因为含有糖蜜而表现出更好的生物活性，说明小球制备时糖蜜对保护EM中微生物的活性没有明显的帮助，还会向水中引入其它营养物质，并对小球的强度等物理指标造成负面的影响。到第6个周期，效果最好的A小球的氨氮去除率已经到达91.1％，说明在包埋剂中添加贝壳粉末有利于微生物脱氮；C小球的脱氮效果也保持了较好的稳定性，说明包埋EM离心液对提高凝胶小球的强度和脱氮性能都有利。3种小球对氨氮的去除率最终都达到了75％以上。

[0047] 在运行处理期间，A、C、D 3种凝胶小球都一定程度的溶解和膨胀，使出水混浊；反应器水面产生大量的泡沫，小球的体积膨胀为原来的2倍，外观从最初的白色和浅褐色逐步变为灰白色。在运行后期，3种小球均有少量破碎，随出水流失。A小球的韧性好于C、D小球，破碎率较低，说明贝壳粉末能够有效改善凝胶小球的强度和韧性等物理性能。

[0048] 微生物包埋固定化法的一大优点就是可以在反应器中达到较高的微生物浓度。制作4种不同EM菌包埋量的凝胶小球，每100mL包埋剂中加入10mL EM离心液，菌量分别相当于10、30、50、80mL EM复壮液(以下分别简称为A、B、C、D小球)。经过9个周期的连续运行，4种小球的脱氮效果见图4。

[0049] 在最初的3个周期，D小球的脱氮效果最好，B、C小球较为接近，A小球效果较差，在运行开始阶段EM菌液包埋量对脱氮效果影响较大，包菌量越大对氨氮的去除效果越好。随着运行周期的增加，4种小球的脱氮效果逐渐接近，B小球的脱氮效果已与D小球相当。
到运行后期，D小球的脱氮效果逐渐变差，而B小球的效果最好，因为包菌量大的小球在使用一段时间后由于其中微生物活动较为显著，导致凝胶小球破碎率较高，流失后反应器中微生物浓度降低，去除率下降。可见，从经济性和处理效果两方面来看，EM菌液的包埋量并不是越多越好，30mL(EM复壮液菌量)/100mL(包埋剂)为最佳配比。