一種以立體三維網(wǎng)狀聚乙烯醇纖維為骨架材料的顆粒狀固定化生物活性填料制備及應(yīng)用的制作方法
【專利摘要】一種以立體三維網(wǎng)狀聚乙烯醇纖維為骨架材料的顆粒狀固定化生物活性填料制備及應(yīng)用，屬于水處理【技術(shù)領(lǐng)域】。生物活性填料由包埋體和纖維絲骨架兩部分組成；包埋體由包埋液經(jīng)硼酸二次交聯(lián)得到；包埋體嵌入到纖維絲之間的孔隙中，骨架中的不規(guī)則纖維絲與包埋體結(jié)合為一個(gè)穩(wěn)定的有機(jī)整體。將由立體不規(guī)則聚乙烯醇纖維絲組成的纖維塊浸泡于細(xì)菌濃縮液和聚乙烯醇溶液混合而成的包埋液中，隨后經(jīng)硼酸二次交聯(lián)固定后，清洗，再經(jīng)切割制成顆粒狀生物活性填料。本發(fā)明解決了傳統(tǒng)生化法中細(xì)菌濃度低、易流失等問(wèn)題，而且包埋體和聚乙烯醇纖維牢固結(jié)合，制備的生物活性填料穩(wěn)定性好，具有良好的應(yīng)用前景。
【專利說(shuō)明】—種以立體三維網(wǎng)狀聚乙烯醇纖維為骨架材料的顆粒狀固定化生物活性填料制備及應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于水處理【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種以立體三維網(wǎng)狀聚乙烯醇纖維為骨架材料的顆粒狀固定化生物活性填料制備及應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]微生物細(xì)胞固定化技術(shù)可以大幅度提高微生物濃度、使微生物不易流失、縮短反應(yīng)器啟動(dòng)時(shí)間、純化和創(chuàng)造特性細(xì)菌的生態(tài)優(yōu)勢(shì)，并且固定化后的生物活性填料抗毒性和耐酸堿、耐鹽能力明顯增強(qiáng)，具有良好的應(yīng)用前景。微生物細(xì)胞常用的固定化方法有吸附法、交聯(lián)法和包埋法。其中，以包埋法最為常用，已成功地用于微生物細(xì)胞包埋的材料有--聚乙烯醇、瓊脂、K-卡拉膠、明膠、海藻酸鈉、聚丙烯酰胺、聚氨酯等。上述包埋材料具有對(duì)微生物無(wú)毒性、傳質(zhì)性能好、不易被生物分解、性質(zhì)穩(wěn)定、機(jī)械強(qiáng)度高、壽命長(zhǎng)、價(jià)格低等特點(diǎn)。
[0003]目前，傳統(tǒng)的細(xì)菌包埋方法是將細(xì)菌與包埋材料結(jié)合在一起，形成包埋體，例如微球、包埋塊等。此方法操作簡(jiǎn)單，但局限性大，制備的微球、包埋塊容易發(fā)生水溶膨脹的問(wèn)題，微球、包埋塊在使用過(guò)程中機(jī)械強(qiáng)度會(huì)因水溶膨脹而大大減弱，甚至?xí)霈F(xiàn)破碎的現(xiàn)象，因而縮短了填料的使用壽命，無(wú)法理想應(yīng)用到工程實(shí)際當(dāng)中。實(shí)驗(yàn)研究表明，利用現(xiàn)有的拉西環(huán)、鮑爾環(huán)、階梯環(huán)、懸浮改性填料等傳統(tǒng)載體與包埋體通過(guò)粘附方式結(jié)合起來(lái)制得的生物活性填料均存在整體穩(wěn)定性差、包埋體容易脫落、細(xì)菌易流失等問(wèn)題。因此提高生物活性填料的整體穩(wěn)定性才是生物活性填料長(zhǎng)期穩(wěn)定高效運(yùn)行的關(guān)鍵。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明開(kāi)發(fā)出一種以立體三維網(wǎng)狀聚乙烯醇纖維絲為骨架材料的生物活性填料，其特征在于，該填料是由包含菌體的包埋體和聚乙烯醇纖維絲骨架兩部分組成，包埋體由包埋液經(jīng)硼酸二次交聯(lián)得到；包埋體嵌入到骨架中纖維絲之間孔隙中，將聚乙烯醇纖維絲骨架包埋在包埋體中，骨架中不規(guī)則纖維絲與包埋體結(jié)合為一個(gè)穩(wěn)定的有機(jī)整體。將由立體不規(guī)則聚乙烯醇纖維絲組成的纖維塊浸泡于細(xì)菌濃縮液和聚乙烯醇溶液混合而成的包埋液中，經(jīng)硼酸二次交聯(lián)固定后，清洗，再經(jīng)切割制成顆粒狀生物活性填料。由于包埋體和聚乙烯醇纖維絲的有機(jī)結(jié)合，生物活性填料具有更多的性能，其繼承了原有單純細(xì)菌與包埋材料的所有優(yōu)點(diǎn)；制備的顆粒狀生物活性填料具有各種載體所具有的特性，例如流動(dòng)性強(qiáng)、比表面積大、不易堵塞等優(yōu)點(diǎn)。
[0005]上述以聚乙烯醇纖維絲為骨架材料的生物活性填料為顆粒狀，為長(zhǎng)方體、正方體或圓柱體。
[0006]優(yōu)選長(zhǎng)、寬、高可為5mm-10mm的長(zhǎng)方體或正方體或底面直徑、高可為5mm-10mm圓柱體。
[0007]—種以立體三維網(wǎng)狀聚乙烯醇纖維絲為骨架材料的顆粒狀固定化生物活性填料的制備:[0008](1)將長(zhǎng)度在5mm-20mm之間的聚乙烯醇纖維絲無(wú)規(guī)則、均勻、蓬松地置于槽型模具中，纖維絲之間粘結(jié)在一起進(jìn)行加固(尤其采用化學(xué)粘合的方法)，得到立體三維網(wǎng)狀聚乙烯醇纖維骨架塊，該纖維骨架塊的厚度可為面密度可為1000g/m2-2000g/m2 ；
[0009] (2)將細(xì)菌菌懸液離心濃縮濃度至IO8-1O9個(gè)/mL，得到細(xì)菌濃縮液；
[0010](3)將聚乙烯醇加熱至90°C溶解于水，得到聚乙烯醇溶液；
[0011](4)將步驟(3)中的聚乙烯醇溶液冷卻至30°C并與步驟(2)得到的細(xì)菌濃縮液充分混合，得到包埋液，包埋液中聚乙烯醇的質(zhì)量濃度可為80g/L-150g/L ;(5)將整塊步驟
(I)得到的聚乙烯醇纖維塊浸泡于步驟(4)得到的包埋液中15min，經(jīng)飽和硼酸交聯(lián)1.5h后取出，調(diào)節(jié)硼酸溶液PH值至8-10進(jìn)行第二次交聯(lián)，二次交聯(lián)時(shí)間為5h，二次交聯(lián)結(jié)束后用清水沖洗，隨后將其切割，即完成固定化生物活性填料的制備過(guò)程。
[0012]本發(fā)明所述的以聚乙烯醇纖維絲為骨架材料的顆粒狀生物活性填料的有益效果體現(xiàn)在:
[0013](1)所述顆粒狀生物活性填料中的聚乙烯醇纖維絲與包埋液經(jīng)硼酸二次交聯(lián)后的包埋體材料能牢固的結(jié)合為一個(gè)穩(wěn)定的有機(jī)整體，生物活性填料可穩(wěn)定運(yùn)行3年以上；
[0014](2)最終制備成的生物活性填料產(chǎn)品為顆粒狀，有利于生物活性填料與底物的充分接觸；
[0015](3)在填料交聯(lián)過(guò)程中，包埋體外層會(huì)形成一層致密的膜，阻礙底物傳遞，因此本發(fā)明采用先整體固化，填料成型后切割成顆粒狀生物活性填料，減少了致密膜的形成；
[0016](4)生物活性填料有效比表面積大、底物傳質(zhì)效率高，細(xì)菌能在短時(shí)間內(nèi)形成菌群優(yōu)勢(shì)，縮短啟動(dòng)時(shí)間。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1為正方體顆粒狀生物活性填料三維示意圖，其中，I為聚乙烯醇纖維絲，2為包埋體；
[0018]圖2為長(zhǎng)方體顆粒狀生物活性填料三維示意圖，其中，I為聚乙烯醇纖維絲，2為包埋體；
[0019]圖3為圓柱體顆粒狀生物活性填料三維示意圖，其中，I為聚乙烯醇纖維絲，2為包埋體。
【具體實(shí)施方式】
[0020]現(xiàn)以硝化細(xì)菌為例進(jìn)一步描述本發(fā)明，該實(shí)施方式旨在進(jìn)一步舉例說(shuō)明硝化細(xì)菌固定化生物活性填料、制備及使用，但是本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。
[0021](I)將長(zhǎng)度在5mm-20mm之間的聚乙烯醇纖維絲無(wú)規(guī)則、均勻、蓬松地置于槽型模具中，纖維絲之間采用化學(xué)粘合的方法加固，得到聚乙烯醇纖維塊，該纖維塊的厚度約為IOmm,面密度為 1016g/m2 ；
[0022](2)將細(xì)菌菌懸液離心濃縮，取30L濃縮后濃度為7.5xl08個(gè)/mL硝化細(xì)菌濃縮液備用;
[0023](3)取20.0kg聚乙烯醇加熱至90°C溶解于140L水，得到聚乙烯醇溶液；
[0024](4)將步驟(3)中的聚乙烯醇溶液冷卻至30°C并與步驟(2)得到的細(xì)菌濃縮液按一定比例充分混合，加水定容到200L得到包埋液，該包埋液中聚乙烯醇質(zhì)量濃度為100g/L ；
[0025](5)取適量步驟(1)得到的聚乙烯醇纖維塊浸泡于步驟(4)得到的包埋液中15min，經(jīng)飽和硼酸交聯(lián)1.5h后取出，調(diào)節(jié)硼酸溶液pH值至8_10進(jìn)行第二次交聯(lián)，二次交聯(lián)時(shí)間為5h，二次交聯(lián)結(jié)束后用清水沖洗，隨后將其切割成正方體(邊長(zhǎng)可為5mm-10mm)、長(zhǎng)方體(長(zhǎng)、寬、高可為5mm-10mm)或圓柱體(底面直徑、高可為5mm-10mm)即完成固定化生物活性填料的制備過(guò)程。(6)生物活性填料的應(yīng)用:向800L的反應(yīng)器中投加步驟(5)得到的填料，填充率為 42.4%，水溫 25土 1°C，HRT3h，pH7.5-8.5，NH4+_N 進(jìn)水濃度為 120±5mg/L，生物活性填料在曝氣充氧的作用下被攪拌呈懸浮流化狀態(tài)，反應(yīng)器中溶解氧基本維持在3.2±0.5mg/L，定時(shí)測(cè)定反應(yīng)器的出水氨氮濃度。出水檢測(cè)結(jié)果表明:反應(yīng)器在第10天出水達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，出水NH/-N濃度穩(wěn)定在1.0mg/L以下，去除率在99%以上。生物填料連續(xù)運(yùn)行3年，硝化效果穩(wěn)定。
【權(quán)利要求】
1.一種以聚乙烯醇纖維絲為骨架材料的生物活性填料，其特征在于，該填料是由包含菌體的包埋體和聚乙烯醇纖維絲骨架兩部分組成，包埋體由包埋液經(jīng)硼酸二次交聯(lián)得到；包埋體嵌入到骨架中纖維絲之間孔隙中，將聚乙烯醇纖維絲骨架包埋在包埋體中，骨架中不規(guī)則纖維絲與包埋體結(jié)合為一個(gè)穩(wěn)定的有機(jī)整體。
2.權(quán)利要求1的一種以聚乙烯醇纖維絲為骨架材料的生物活性填料，其特征在于，以聚乙烯醇纖維絲為骨架材料的生物活性填料為顆粒狀，為長(zhǎng)方體、正方體或圓柱體。
3.權(quán)利要求2的一種以聚乙烯醇纖維絲為骨架材料的生物活性填料，其特征在于，以聚乙烯醇纖維絲為骨架材料的生物活性填料為長(zhǎng)、寬、高為5mm-10mm的長(zhǎng)方體或正方體或底面直徑、高為5mm-10mm圓柱體。
4.制備權(quán)利要求1的一種以聚乙烯醇纖維絲為骨架材料的生物活性填料的方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)將長(zhǎng)度在5mm-20mm之間的聚乙烯醇纖維絲無(wú)規(guī)則、均勻、蓬松地置于槽型模具中，纖維絲之間粘結(jié)在一起進(jìn)行加固，得到立體三維網(wǎng)狀聚乙烯醇纖維骨架塊，將細(xì)菌菌懸液離心濃縮至細(xì)菌濃度IO8-1O9個(gè)/mL，得到細(xì)菌濃縮液； (2)將聚乙烯醇加熱溶解于水，得到聚乙烯醇溶液； (3)將步驟(3)中的聚乙烯醇溶液冷卻至30°C并與步驟(2)得到的細(xì)菌濃縮液充分混合，得到包埋液，包 埋液中聚乙烯醇的質(zhì)量濃度可為80g/L-150g/L ； (4)將整塊步驟(1)得到的聚乙烯醇纖維塊浸泡于步驟(3)得到的包埋液中15min，經(jīng)飽和硼酸交聯(lián)1.5h后取出，調(diào)節(jié)硼酸溶液pH值至8-10進(jìn)行第二次交聯(lián)，二次交聯(lián)時(shí)間為5h，二次交聯(lián)結(jié)束后用清水沖洗，隨后將其切割，即完成固定化生物活性填料的制備過(guò)程。
5.按照權(quán)利要求4的方法，其特征在于，步驟(1)纖維骨架塊的厚度為5mm-10mm，面密度可為 1000g/m2-2000g/m2。
6.權(quán)利要求1的一種以聚乙烯醇纖維絲為骨架材料的生物活性填料用于水處理。
【文檔編號(hào)】C12N11/04GK103952391SQ201410137293
【公開(kāi)日】2014年7月30日 申請(qǐng)日期:2014年4月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月4日
【發(fā)明者】楊宏, 管清坤, 尚海源, 吳城鋒, 王猛, 陳偉, 鄢琳, 王小樂(lè), 孟婷, 陶慕翔, 胡希佳, 趙月蘭, 王玉潔, 姚仁達(dá) 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)