專利名稱：一種厭氧氨氧化細(xì)菌固定化制備生物活性填料的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及水處理領(lǐng)域，特別涉及一種厭氧氨氧化細(xì)菌固定化制備生物活性填料的方法。
背景技術(shù)：
:厭氧氨氧化技術(shù)(ΑΝΑΜΜ0Χ)是目前己知的最為經(jīng)濟(jì)的生物脫氮途徑，荷蘭Delft大學(xué)Strous等的研究表明，在厭氧氨氧化過(guò)程包括細(xì)胞合成在內(nèi)的生物反應(yīng)過(guò)程可表示為式(I)NH4"+1.32N02-+0.066HC03>0.13H+ —1.02N2+0.26NO3-+0.066CH200.5N0.5+2.03H20 (I)由ANAMMOX的生物反應(yīng)特點(diǎn)可以看出，ANAMMOX與傳統(tǒng)的硝化反硝化技術(shù)相比，具有需氧量低、運(yùn)行費(fèi)用低和不需外加碳源等優(yōu)點(diǎn)。由于ANAMMOX菌的倍增時(shí)間長(zhǎng)，細(xì)胞產(chǎn)率較低(公認(rèn)的倍增時(shí)間為lld，而有報(bào)道的最快的倍增時(shí)間也達(dá)到4.8d)因此為了在反應(yīng)器內(nèi)保持相對(duì)穩(wěn)定的生物量，厭氧氨氧化反應(yīng)器要求的固體停留時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。同時(shí)，在厭氧氨氧化細(xì)菌的研究中還發(fā)現(xiàn)，只有在細(xì)胞密度高于IOic1-1O11個(gè)/mL時(shí)，厭氧氨氧化菌才能顯現(xiàn)出ANAMMOX活性。厭氧氨氧化細(xì)菌的這種細(xì)胞密度特性與細(xì)菌中普遍存在的群體感應(yīng)(Quorum sensing)現(xiàn)象相符。群體感應(yīng)是一種普遍存在于微生物細(xì)胞之間的通訊機(jī)制，它具有根據(jù)菌群密度和周圍環(huán)境變化來(lái)調(diào)節(jié)基因表達(dá)從而控制細(xì)菌群體行為的功能。因此，如何保持其在反應(yīng)器中較高的細(xì)胞密度并防止寶貴的ANAMMOX細(xì)菌從反應(yīng)器中流失已經(jīng)成為當(dāng)前研究的重點(diǎn)
發(fā)明內(nèi)容
:本發(fā)明的目的在于利用細(xì)菌包埋固定化技術(shù)制備生物活性填料，使厭氧氨氧化細(xì)菌在固定區(qū)域可以保持較高的細(xì)胞密度，并減輕或消除厭氧氨氧化菌的流失，從而便于厭氧氨氧化技術(shù)的工業(yè)化推廣。粉碎后的顆粒活性炭，具有孔隙發(fā)達(dá)，中小孔充分暴露等優(yōu)點(diǎn)，將其作為包埋載體利于生物膜再生時(shí)細(xì)菌的附著，活性炭的優(yōu)良吸附性能有利于基質(zhì)的轉(zhuǎn)移和局部濃縮。通過(guò)將顆?；钚蕴拷菰趨捬醢毖趸?xì)菌液體培養(yǎng)基中，可使活性炭吸附適量營(yíng)養(yǎng)鹽，利于生物活性填料在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)活性，由于顆?；钚蕴勘旧沓两敌阅芎?，孔隙發(fā)達(dá)適于細(xì)菌附著，因此使用顆粒活性炭作為包埋載體制成的生物活性填料可有效減少微生物的流失，利于反應(yīng)器的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。利用硼酸進(jìn)行交聯(lián)固定具有穩(wěn)定性好、強(qiáng)度高、耗時(shí)短、對(duì)細(xì)菌細(xì)胞損害作用小等優(yōu)點(diǎn)，在細(xì)菌包埋液中添加碳酸鈣可以進(jìn)一步提高生物活性填料的機(jī)械強(qiáng)度。本發(fā)明的技術(shù)方案，包括以下步驟:(I)活性炭的選取和處理

選取粒徑大于1.0mm的活性炭顆粒進(jìn)行機(jī)械粉碎，篩選后保留粒徑為0.3-0.5mm的顆粒體，用厭氧氨氧化細(xì)菌液體培養(yǎng)基浸泡3天后取出，烘干蒸發(fā)掉顆粒體表面水分備用；(2)厭氧氨氧化菌液的處理將厭氧氨氧化菌懸液濃縮，制成菌懸液；(3)細(xì)菌包埋液的制備稱取一定量的聚乙烯醇，加水加熱溶解，自然冷卻至室溫后將其和制備好的菌懸液混合，最終制成聚乙烯醇質(zhì)量濃度為8-10%、厭氧氨氧化菌質(zhì)量濃度為1-4%的混合液，之后加入混合液質(zhì)量2-4%的碳酸鈣，攪拌均勻制成細(xì)菌包埋液；(4)細(xì)菌包埋液和顆?；钚蕴炕旌蠈⑸鲜黾?xì)菌包埋液倒入已經(jīng)準(zhǔn)備好的顆?；钚蕴恐?，混合均勻，包埋液和活性炭的體積比為(1-1.3):10 ；(5)包埋液的固定化向步驟(4)中的混合物倒入飽和硼酸水溶液中，進(jìn)行硼酸固定化過(guò)程，取出固化后的填料，用不含氯的清水清洗填料即完成生物活性填料的制備?；钚曰謴?fù)培養(yǎng)配置厭氧氨氧化細(xì)菌液體培養(yǎng)基，浸泡制備完成的填料2周，用以恢復(fù)活性填料的生化活性。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn):1、通 過(guò)將粉碎后的顆粒活性炭浸泡在厭氧氨氧化細(xì)菌液體培養(yǎng)基中，可使活性炭吸附適量營(yíng)養(yǎng)鹽，利于生物活性填料在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)活性；2、粉碎后的顆粒活性炭選粒徑范圍在0.3mm-0.5mm之間，具有孔隙發(fā)達(dá)，中小孔充分暴露等優(yōu)點(diǎn)，在本發(fā)明所選用顆?；钚蕴康牧綏l件下，可使生物活性填料在水流的作用下保證較為理想的微膨脹狀態(tài)。將其作為包埋載體利于細(xì)菌的附著和基質(zhì)的轉(zhuǎn)移。隨著聚乙烯醇緩慢的被微生物不斷降解(按以往的實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)需要約I年時(shí)間)，原有包埋體中的細(xì)菌可在活性炭表面通過(guò)再生形成新的不含聚乙烯醇的生物膜，該更替過(guò)程能夠使反應(yīng)器始終保持較好的生物活性；3、制備出的厭氧氨氧化生物活性填料具有沉降性能好，機(jī)械強(qiáng)度高，生物活性恢復(fù)快等優(yōu)點(diǎn)，可有效減少細(xì)菌的流失，利于反應(yīng)器的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行；4、利用聚乙烯醇和硼酸進(jìn)行交聯(lián)固定具有穩(wěn)定性好、強(qiáng)度高、耗時(shí)短、對(duì)細(xì)菌細(xì)胞損害作用小等優(yōu)點(diǎn)，在細(xì)菌包埋液中添加碳酸鈣可以進(jìn)一步提高生物活性填料的機(jī)械強(qiáng)度；5、利用該生物活性填料可以靈活的設(shè)計(jì)厭氧氨氧化反應(yīng)器，減短厭氧氨氧化工藝的啟動(dòng)時(shí)間(傳統(tǒng)方法需要1-3年時(shí)間)，使厭氧氨氧化技術(shù)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工程應(yīng)用成為可能；6、生物活性填料適于工業(yè)化生產(chǎn)，具有較好的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益，利于推廣。所制備所得的生物活性填料沉降性能好，機(jī)械強(qiáng)度高，可在上向流生物濾池中達(dá)到微膨脹的狀態(tài)，與現(xiàn)有的厭氧氨氧化固定化技術(shù)相比操作更加方便，工藝更加簡(jiǎn)單，更加利于解決厭氧氨氧化細(xì)菌流失的問(wèn)題。此外使用生物活性填料利于靈活的設(shè)計(jì)高效厭氧氨氧化反應(yīng)器，造價(jià)低廉，運(yùn)行穩(wěn)定，為厭氧氨氧化技術(shù)的工程應(yīng)用創(chuàng)造良好的技術(shù)基礎(chǔ)。
具體實(shí)施例方式I)活性炭的選取和處理選取粒徑大于1.0mm的顆粒活性炭進(jìn)行機(jī)械粉碎，通過(guò)篩分篩選保留粒徑為0.3-0.5mm的顆粒體，用厭氧氨氧化細(xì)菌液體培養(yǎng)基浸泡3天后取出，放入60°C恒溫烘箱中烘干，保證顆?；钚蕴勘砻娌怀睗?，將烘干的活性炭取出冷卻至常溫備用。(2)厭氧氨氧化菌液的處理將發(fā)酵擴(kuò)增培養(yǎng)后的厭氧氨氧化菌懸液濃縮，制成菌懸液。(3)細(xì)菌包埋液的獲取稱取一定量的聚乙烯醇，加入一定量水后加熱溶解，然后自然冷卻至室溫，將其和制備好的菌懸液混合，最終制成聚乙烯醇質(zhì)量濃度為8-10%、厭氧氨氧化菌質(zhì)量濃度為1-4%的混合液，之后按混合液的質(zhì)量2-4%的濃度，參入碳酸鈣，攪拌均勻制成細(xì)菌包埋液。(4)細(xì)菌包埋液和顆?；钚蕴炕?合將細(xì)菌包埋液分批少量倒入已經(jīng)準(zhǔn)備好的顆粒活性炭中，在倒入每批細(xì)菌包埋液的過(guò)程中應(yīng)進(jìn)行充分的攪拌，混合均勻后再倒入下一批細(xì)菌包埋液直至全部包埋液與顆?；钚蕴炕旌暇鶆?，包埋液和活性炭的體積比為10-13%。。( 5 )厭氧氨氧化生物活性填料的固定化向步驟(4)中的混合物內(nèi)倒入飽和硼酸溶液，至淹沒(méi)混合固體為止，進(jìn)行硼酸固定化。取出固化后的填料，用不含氯的清水清洗填料3次后即完成生物活性填料的制備。將生物活性填料用厭氧氨氧化細(xì)菌液體培養(yǎng)基進(jìn)行培養(yǎng)，保證HRT24h，pH7.5-8.5，溫度25-35°C，NH4+-N和Ν02_-Ν濃度在60mg/L左右，培養(yǎng)2周后即可使制備好的生物活性填料恢
復(fù)厭氧氨氧化活性。下面結(jié)合實(shí)施案例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步具體的描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。實(shí)施例1( I)活性炭的選取和處理選取粒徑大于1.0mm的顆粒活性炭進(jìn)行機(jī)械粉碎，通過(guò)篩分篩選保留粒徑為0.3-0.5mm的顆粒體，用厭氧氨氧化細(xì)菌液體培養(yǎng)基浸泡3天，放入60°C恒溫烘箱中烘干，保證顆?；钚蕴勘砻娌怀睗瘢瑢⒑娓傻幕钚蕴咳〕?40ml冷卻至常溫備用。(2)厭氧氨氧化菌液的處理通過(guò)離心機(jī)(12000r/min，4°C)將現(xiàn)有厭氧氨氧化菌液濃縮并分為兩份20ml的菌
懸液；(3)細(xì)菌包埋液的獲取稱取聚乙烯醇2.7g，加入IOml超純水后加熱溶解15min，取出攪拌均勻后再加熱5min，取出后攪拌均勻并冷卻至室溫，將IOml聚乙烯醇溶液和制備好的20ml菌懸液混合，混合后厭氧氨氧化菌質(zhì)量濃度為2%，并加入1.2g碳酸鈣，攪拌均勻后制成30ml細(xì)菌包埋液。(4)細(xì)菌包埋液和顆粒活性炭混合將細(xì)菌包埋液分批少量倒入已經(jīng)準(zhǔn)備好的顆?；钚蕴恐?，在倒入每批細(xì)菌包埋液的過(guò)程中應(yīng)進(jìn)行充分的攪拌，混合均勻后再倒入下一批細(xì)菌包埋液直至全部包埋液與顆粒活性炭混合均勻，包埋液和活性炭的體積比為12.5:100(5 )厭氧氨氧化生物活性填料的固定化向步驟(4)中的混合物內(nèi)倒入飽和硼酸水溶液，至淹沒(méi)混合固體為止，靜置完成固定化，清洗備用。(6)生物活性填料的活性恢復(fù)將兩個(gè)500ml的帶塞兒錐形瓶滅菌后冷卻至室溫，分別將對(duì)照組和試驗(yàn)組編號(hào)為A和B。向B中投加包埋好的生物活性填料，向A中投加步驟(2)制備好的剩余20ml菌懸液作為對(duì)照培養(yǎng)。向兩個(gè)錐形瓶中投加相同的厭氧氨氧化培養(yǎng)基并放入34°C恒溫?fù)u床中培養(yǎng)，保證pH7.5-8.5，HRT24h，NH4+-N和Ν02__Ν濃度在60mg/L左右，按時(shí)測(cè)定兩個(gè)反應(yīng)器的脫氮效果。出水監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，反應(yīng)器B在培養(yǎng)2周后恢復(fù)厭氧氨氧化活性。上述實(shí)例表明，利用包埋技術(shù)制備厭氧氨氧化生物活性填料制備過(guò)程簡(jiǎn)單，可在培養(yǎng)2周后表現(xiàn)出厭氧氨氧化活性，生物活性恢復(fù)快，具有較好的應(yīng)用前景。實(shí)施例2
( I)活性炭的選取和處理活性炭的選取和處理同實(shí)施例(1)，將烘干的活性炭取出IOOOml冷卻至常溫備用。(2)厭氧氨氧化菌液的處理厭氧氨氧化菌液的處理同實(shí)施例(1)，制成兩份IOOml的菌懸液。(3)細(xì)菌包埋液的獲取稱取聚乙烯醇11.7g，加入25ml超純水后加熱溶解15min，取出攪拌均勻后再加熱5min，取出后攪拌均勻并冷卻至室溫，將25ml聚乙烯醇溶液和制備好的IOOml菌懸液混合，混合后厭氧氨氧化菌質(zhì)量濃度為2%，并加入5.2g碳酸鈣，加入適量超純水，攪拌均勻后制成130ml細(xì)菌包埋液。(4)細(xì)菌包埋液和顆粒活性炭混合細(xì)菌包埋液和顆?；钚蕴炕旌戏椒ㄍ瑢?shí)施例(I)( 5 )厭氧氨氧化生物活性填料的固定化厭氧氨氧化生物活性填料的固定化方法同實(shí)施例(I)(6)生物活性填料的活性恢復(fù)將IOOOml生物活性填料填裝于有效容積為2.5L的上向流生物濾池反應(yīng)器中，利用蠕動(dòng)泵將厭氧氨氧化菌培養(yǎng)基自下方打入進(jìn)水管口，由下而上從頂部出水口流出，保證進(jìn)水水溫(25 ± I) °C，pH7.5-8.5，NH4+-N和Ν02__Ν濃度在60mg/L左右，通過(guò)控制進(jìn)水流量保證生物活性填料處于微膨脹的狀態(tài)，膨脹率在5%左右。出水監(jiān)測(cè)結(jié)果表明:反應(yīng)器運(yùn)行至第2-3周恢復(fù)厭氧氨氧化活性?；钚蕴苛魇Я繕O少，避免了細(xì)菌的流失，利于工業(yè)化推廣。
權(quán)利要求
1.一種厭氧氨氧化細(xì)菌固定化制備生物活性填料的方法，包括以下步驟: (1)活性炭的選取和處理 選取粒徑大于1.0mm的活性炭顆粒進(jìn)行機(jī)械粉碎，篩選后保留粒徑為0.3-0.5mm的顆粒體，用厭氧氨氧化細(xì)菌液體培養(yǎng)基浸泡3天后取出，烘干蒸發(fā)掉顆粒體表面水分備用； (2)厭氧氨氧化菌液的處理 將厭氧氨氧化菌懸液濃縮，制成菌懸液； (3)細(xì)菌包埋液的制備 稱取一定量的聚乙烯醇，加水加熱溶解，自然冷卻至室溫后將其和制備好的菌懸液混合，最終制成聚乙烯醇質(zhì)量濃度為8-10%、厭氧氨氧化菌質(zhì)量濃度為1-4%的混合液，之后加入混合液質(zhì)量2-4%的碳酸鈣，攪拌均勻制成細(xì)菌包埋液； (4)細(xì)菌包埋液和顆?；钚蕴炕旌? 將上述細(xì)菌包埋液倒入已經(jīng)準(zhǔn)備好的顆?；钚蕴恐?，混合均勻，包埋液和活性炭的體積比為(1_1.3): 10 ； (5)包埋液的固定化 向步驟(4)中的混合物倒入飽和硼酸水溶液中，進(jìn)行硼酸固定化過(guò)程，取出固化后的填料，用不含氯的清水清洗填料即完成生物活性填料的制備。
2.按照權(quán)利要求1所述的方法制備的生物活性填料的活性恢復(fù)培養(yǎng)方法，其特征在于，配置厭氧氨氧化細(xì)菌液體培養(yǎng)基， 浸泡制備完成的生物活性填料2周，用以恢復(fù)活性填料的生化活性。
全文摘要
一種厭氧氨氧化細(xì)菌固定化制備生物活性填料的方法，屬于水處理領(lǐng)域。將活性炭破碎，在厭氧氨氧化細(xì)菌液體培養(yǎng)基中浸泡，將聚乙烯醇、碳酸鈣、濃縮后的厭氧氨氧化菌液按照比例制成包埋液；將制成的包埋液按比例與浸泡后的顆?；钚蕴炕旌蠑嚢杈鶆颍M(jìn)行硼酸固化完成交聯(lián)固定，制成活性填料。生物活性填料在培養(yǎng)2周后即可恢復(fù)厭氧氨氧化活性。本發(fā)明所得的生物活性填料沉降性能好，機(jī)械強(qiáng)度高，可在上向流生物濾池中達(dá)到微膨脹的狀態(tài)。
文檔編號(hào)C02F3/28GK103193315SQ20131012841
公開(kāi)日2013年7月10日 申請(qǐng)日期2013年4月12日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月12日
發(fā)明者楊宏, 陶慕翔, 張長(zhǎng)利, 吳宣, 顧運(yùn), 杜強(qiáng)強(qiáng), 胡希佳, 尚海源, 趙月蘭, 王玉潔, 姚仁達(dá) 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)