具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面结合实施例来详细说明本发明。

如背景技术所分析的，现有技术在处理废水过程中所用高效液体菌剂以及通过普通吸附所得的固定化生物催化剂都存在微生物菌剂易于流失导致催化效率低和成本高的问题，为了解决该技术问题，本发明提供了一种固定化生物催化剂及其制备方法。

本申请的一种典型的实施方式中，提供了一种固定化生物催化剂的制备方法，该制备方法包括：步骤S1，将液体培养基和多孔吸附剂混合，形成混合培养体系；步骤S2，将微生物菌剂接种至混合培养体系中进行发酵培养，得到含有固定化生物催化剂的培养后体系。

本申请上述催化剂的制备方法，由于多孔吸附剂的强吸附性，液体培养基营养成分进入多孔吸附剂丰富的孔隙中，然后利用微生物生长发酵对营养物的需求，微生物也会进入多孔吸附剂的孔隙中，进而直接在多孔吸附剂孔隙和表面上大量生长繁殖，这样通过微生物与多孔吸附剂载体共生长结合的更加紧密，更不容易脱落；且由于多孔吸附剂孔径较小，生长繁殖后的微生物尺寸变大并堆积在一起也更不容易从多孔吸附剂孔隙中脱落和流失；由此可见，由于在发酵培养过程中，多孔吸附剂孔隙中有大量营养液，使得孔隙中也得以繁殖大量的微生物数量，进而可以大于目前单纯依靠表面吸附固定的微生物的数量。与现有技术常规的固定化技术相比，本发明的固定化生物催化剂的使用期限可以达到3年及以上，生化催化效率也远远优于普通吸附固定化催化剂的催化效率，而且能长时间保持效果的稳定性，降低进水对生化系统的冲击，同时，可用简单的方法回收再利用，降低了生产成本。

为了使上述多孔吸附剂孔隙中吸附到尽可能多的营养物质，以满足尽可能多的微生物菌剂在孔隙中繁殖所需的营养物质，从而固定尽可能多的微生物，优选上述多孔吸附剂堆体积与液体培养基体积比为5～20：100。

此外，为了尽可能多地固定微生物，优选上述多孔吸附剂有更强的吸附性，从而保证吸附剂孔隙中有足够多的营养物质以供更多的微生物菌剂生长繁殖，进而优选上述多孔性吸附剂的比表面积为10～10⁴m²/g，优选多孔吸附剂的孔容积为10～10⁵m³/g，优选多孔吸附剂的粒径在0.2～0.4cm之间。为了提高固定化生物催化剂在使用过程中在污水或污泥中的分散性，优选多孔吸附剂的粒径在0.2～0.4cm之间。

为了提高微生物的固化量和牢固度，选择吸附性较强的吸附剂，优选该多孔吸附剂选自活性炭、木屑、多孔玻璃、多孔陶瓷、硅铝沸石分子筛、多孔二氧化硅、硅藻土和聚氨醋泡沫体中的任意一种或多种。

上述各多孔吸附剂可以购买得到，或者在购买得到的商品基础上进行改性，以活性炭为例，提供以下改性方法，以进一步丰富其孔结构：

步骤一，采用去离子水清洗活性炭，其中边搅拌边清洗，搅拌转速为60～80r/min，每次清洗30min，清洗完立即排掉清洗液，反复清洗3至5遍，直到上清液澄清透明为止。

步骤二：酸洗，将清洗后的活性炭浸泡于0.01～0.02mol/L的HNO₃溶液中浸泡2h，重复三次。

步骤三：碱洗，酸洗后的活性炭浸泡于pH为12～13的NaOH溶液中浸泡2h，重复三次。

步骤四：二次清洗，采用去离子水清洗碱洗后的活性炭，直到去离子水出水pH<8.5为止。

为确保微生物菌剂能在一个优良的环境生长繁殖使其成为优势菌种，进而提高目的微生物的作用效率，优选步骤S1包括：将液体培养基和多孔吸附剂进行第一次搅拌混合，形成第一混合体系；将第一混合体系进行灭菌，得到混合培养体系。上述液体培养基一般为针对高效菌剂研制的富集培养基，培养基既有利于目标微生物的快速繁殖和培养，又可以抑制杂菌的繁殖，本领域技术人员可以根据所培养的微生物菌剂中具体微生物组成来选择与之相适应的培养基组成，在此不再一一赘述。

为了提高液体培养基和多孔吸附剂的混合均匀性，优选第一次搅拌在20～30℃下进行，优选第一次搅拌的转速为120～150r/min、时间为1～2h。上述对第一次搅拌混合的条件的控制使得液体培养基和多孔吸附剂混合更充分，从而使多孔吸附剂孔隙中吸附到供微生物生长需要的尽可能多的营养物质。

在上述灭菌的过程中，为了尽可能避免培养基的营养成分受到破坏并实现充分灭菌的目的，优选上述灭菌的过程包括：使第一混合体系在110～130℃下保持30～60min后，进行第二次搅拌以将灭菌后的第一混合体系降温至20～30℃并保持第二次搅拌2～4h，进一步优选第二次搅拌的转速为60～80r/min。

上述对混合培养体系的灭菌以及对灭菌条件的控制有利于为微生物菌剂繁殖提供一个安全无污染的环境，保证微生物的高效繁殖以及微生物后期的长期保存。

上述制备方法的步骤S1已经使得多孔吸附剂中吸附了尽可能多的营养物质，将微生物菌剂接种在上述混合培养体系中进行发酵的过程中，优选上述步骤S2的发酵培养在搅拌条件下进行，一方面为了保证吸附了营养物质的多孔吸附剂载体处于悬浮状态，从而使微生物与营养物质更充分的接触；另一方面，有利于在发酵过程中，随着孔隙中营养物质的消耗，新的营养物质可以及时补充至孔隙中，确保更多的微生物固定在多孔吸附剂上，从而制得高微生物固定量的固定化生物催化剂，为了进一步使得上述效果充分发挥，优选步骤S2的搅拌转速为120～150r/min。

本申请的上述制备方法适用于目前所有需要固定化的微生物菌剂，为了制备针对污水处理的高效固定化生物催化剂，确保处理污水的高效性，优选上述微生物菌剂为污水处理用微生物菌剂。

本申请上述制备方法得到的固定化生物催化剂存在于液态的培养后体系中，当用于污水处理时可以直接投放至待处理的污水中。为了进一步储存、运输或出售该固定化生物催化剂，优选上述制备方法还包括：步骤S3，将培养后体系进行固液分离，得到固定化生物催化剂。进行上述固液分离后，可以得到固态的固定化生物催化剂，该催化剂的储存、运输、商品化均较为方便。上述固液分离的方法可以采用现有技术中常用的固液分离方法，比如过滤、抽滤、离心、沉降等，在此不再赘述。

通过上述制备方法得到的固定化生物催化剂可以和常规的生物催化剂一样进行使用，在本申请一种实施例中，为了进一步提高上述催化剂的稳定性，优选上述制备方法还包括：采用包埋固定化载体对上述固定化生物催化剂进行包埋固定化处理的过程。通过包埋固定化处理可以在多孔吸附剂的表面形成水不溶的半透明聚合物网络或薄膜，进而将位于多孔吸附剂表面的微生物截留在包埋在该网络或薄膜内，阻止固定在表面的微生物流失，同时包埋固定化处理所形成的该网络或薄膜能让外界的一些物质渗入以及微生物的一些代谢产物扩散出来，而微生物却不移动，在保证微生物发挥催化作用的同时，又避免了微生物的流失，进一步提高了固定化生物催化剂的稳定性，从而提高了催化剂的重复性和催化效率，降低了生产成本。

上述包埋固定处理的过程可以参考现有技术中常用的包埋固定处理方法，在本申请一种实施例中，优选上述包埋固定化处理的过程包括：配制包埋固定化载体的包埋固定化载体溶液；将包埋固定化载体溶液与固定化生物催化剂混合以对固定化生物催化剂进行固定化处理。

在本发明另一种典型的实施例中，优选配制包埋固定化载体溶液的过程包括：将包埋固定化载体与溶剂混合形成混合包埋固定化载体体系；对包埋固定化载体体系进行灭菌，得到包埋固定化载体溶液，优选包埋固定化载体溶液是质量浓度为1.5～10％的水溶液。将包埋固定化载体配制成溶液的形式，进而对固定化生物催化剂进行包埋，使得固定化生物催化剂的各位置包埋更均匀。

为了提高包埋效率，优选上述利用包埋固定化载体溶液进行固定化处理的过程包括：在30～60℃下将包埋固定化载体溶液与固定化生物催化剂进行第三次搅拌混合，得到第二混合体系，其中，优选包埋固定化载体溶液与固定化生物催化剂的体积比为2～3：1；优选第三次搅拌转速为60～80r/min，时间为5～30min；将第二混合体系降温到20～40℃后停止搅拌并静置1～3h。优选对第二混合体系进行筛分，得到体积超过1立方厘米的固定化生物催化剂颗粒，从而在实际应用中使得该固定化生物催化剂颗粒不易被污水冲走，进而有助于提高其使用寿命。

上述包埋固定化载体可以采用现有技术中常用的载体，优选上述包埋固定化载体优选自琼脂、PVC、硅胶、聚氨酯、醋酸纤维酯、卡拉胶、明胶、海藻酸盐、聚丙烯酞胺和聚乙烯醇中的任意一种或多种。其中进一步优选琼脂、卡拉胶、明胶和海藻酸盐，以进一步有利于包埋的稳定性和微生物催化效果的发挥。

在本申请的另一种典型的实施方式中，提供了一种固定化生物催化剂，其中的微生物菌负载在多孔吸附剂的孔隙内表面和外表面。

由于多孔吸附剂的强吸附性，液体培养基营养成分进入多孔吸附剂丰富的孔隙中，然后利用微生物生长发酵对营养物的需求，微生物也会进入吸附剂的孔隙中，进而直接在吸附剂孔隙和表面上大量生长繁殖，这样通过微生物与吸附剂载体共生长结合的更加紧密，更不容易脱落；且由于吸附剂孔径较小，生长繁殖后的微生物尺寸变大并堆积在一起也更不容易从吸附剂孔隙中脱落和流失；由此可见，由于在发酵培养过程中，吸附剂孔隙中有大量营养液，使得孔隙中也得以繁殖大量的微生物数量，进而可以大于目前单纯依靠表面吸附固定的微生物的数量。与现有技术常规的固定化技术相比，本发明的固定化生物催化剂的使用期限可以达到3年及以上，生化催化效率也远远优于普通吸附固定化催化剂的催化效率，而且能长时间保持效果的稳定性，降低进水对生化系统的冲击，同时，可用简单的方法回收再利用，降低了生产成本。

在本发明的另一种典型的实施方式中，提供了一种微生物催化剂胶团，包括微生物催化剂，该微生物催化剂为上述的固定化生物催化剂。由于该催化剂胶团包含的固定化生物催化剂已经固定了大量的用于处理污水中某些特定的污染物的部分微生物菌，因此能够在短时间内达到对污水的高效处理，并能长期保持高效。

上述微生物催化剂胶团还包括活性污泥，污泥中的微生物菌种类更丰富，因此将两者结合制备的微生物催化剂胶团用于处理污水效果更佳。优选活性污泥与固定化生物催化剂的重量比为1:1～1:3。由于活性污泥包含的微生物菌种类更丰富，合适比重的活性污泥与固定化生物催化剂使得微生物催化剂胶团所含的微生物菌种类和数量更合适，用于污水处理时效率更高。

在本发明的另一种典型的实施方式中，提供了一种污水处理方法，其中包括采用生物催化剂对污水进行处理的过程，生物催化剂为上述的固定化生物催化剂或微生物催化剂胶团。针对污水处理的高效性和经济性，可以单独使用一种固定化生物催化剂或者微生物催化剂胶团，也可以多种固定化生物催化剂或者催化剂胶团一起配合处理污水，达到高效的污水处理效果。

以下将结合实施例和对比例，进一步说明本申请的有益效果。

相应污水处理用微生物菌剂固定化微生物催化剂及微生物催化剂胶团的制备：

以下实施例中所用的活性炭是经过改性后的活性炭，具体改性方法如下：首先按如下参数初步选择活性炭：比表面积为10～1000m²/g，孔容积为100～10000m³/g，粒径为0.2～0.4cm；然后按如下步骤对其进行改性：边搅拌边用去离子水清洗，搅拌转速为80r/min，每次清洗30min，清洗完立即排掉清洗液，反复清洗5次，直到上清液澄清透明为止；将清洗后的活性炭浸泡于0.02mol/L的HNO₃溶液中浸泡2h，反复三次；清洗后的活性炭浸泡于pH值为13的NaOH溶液中浸泡2h，反复三次；将上述碱洗后的活性炭继续用去离子水清洗，直到去离子水出水pH<8.5为止；最终得到改性后的活性炭。

制备实施例1

1)将比表面积为100～1000m²/g，孔容积为100～10000m³/g，粒径在0.2～0.3cm之间的活性炭与LD液体培养基按体积比为5:100在20℃下进行第一次搅拌混合，持续搅拌2h后形成第一混合体系，搅拌速度为130r/min；然后将以上第一混合体系在110℃下进行第二次搅拌灭菌，持续30min后，降温至20℃并继续以第二次搅拌的转速60r/min持续搅拌2h，得到混合培养体系；

2)将污水处理用硝化菌(绵津环保科技(上海)有限公司)接种至上述混合培养体系，以搅拌转速为120r/min搅拌并按硝化菌培养条件进行发酵培养3d，培养完后，即得固定化硝化菌剂培养后体系。

3)将上述固定化硝化菌剂培养后体系通过抽滤排尽液体，以琼脂为包埋固定化载体并按琼脂质量比为2％配制得到琼脂水溶液，在100℃下以搅拌速度为80r/min进行灭菌，持续30min后，继续搅拌液体状琼脂；将以上配制得到的琼脂溶液和固定化硝化菌剂按体积比为2:1进行混合，并进行第三次搅拌，其转速为60r/min，持续搅拌10min后得到第二混合体系，随后降温到25℃，停止搅拌并静置1h，即完成了对固定化硝化菌剂的包埋固定化处理，接着清水洗1～2次，即得最终的固定化包埋硝化菌剂。

制备实施例2

与制备实施例1的区别在于活性炭与LD液体培养基体积比为10:100，最终得到固定化包埋硝化菌剂。

制备实施例3

与制备实施例1的区别在于活性炭与LD液体培养基体积比为20:100，最终得到固定化包埋硝化菌剂。

制备实施例4

与制备实施例1的区别在于活性炭与LD液体培养基体积比为30:100，最终得到固定化包埋硝化菌剂。

制备实施例5

与制备实施例1的区别在于不对固定化硝化菌剂培养后体系进行固液分离，最终得到固定化包埋硝化菌剂。

制备实施例6

与制备实施例1的区别在于以COD去除菌剂(普罗生物技术(上海)有限公司)为固定化菌，最终得到固定化包埋COD去除菌剂。

制备实施例7

与制备实施例1的区别在于多孔吸附剂为硅铝沸石分子筛，其比表面积为10～10³m²/g，孔容积10～10³m³/g，粒径在0.2～0.4cm之间，最终得到固定化包埋硝化菌剂。

制备实施例8

与制备实施例1的区别在于多孔活性炭的比表面积为10～10⁴m²/g，孔容积为10～10⁵m³/g，粒径在0.2～0.4cm之间，最终得到固定化包埋硝化菌剂。

制备实施例9

与制备实施例1的区别在于配制的到的琼脂溶液和固定化硝化菌剂按体积比为3:1进行混合，最终得到固定化包埋硝化菌剂。

制备实施例10

与制备实施例1的区别在于配制的到的琼脂溶液和固定化硝化菌剂按体积比为5:2进行混合，最终得到固定化包埋硝化菌剂。

制备实施例11

与制备实施例1的区别在于配制的到的琼脂溶液和固定化硝化菌剂按体积比为5:1进行混合，最终得到固定化包埋硝化菌剂。

制备实施例12

与制备实施例1的区别在于包埋固定化载体为明胶(E080428，安耐吉化学技术(上海)有限公司)，其具体包埋固定化步骤为：将固定化硝化菌剂培养后体系通过抽滤排尽液体，以明胶为包埋固定化载体并按明胶质量比为0.5％配制得到明胶水溶液，在100℃下以搅拌速度为80r/min进行灭菌，持续30min后，继续搅拌降温至60℃；将以上配制得到的明胶水溶液和固定化硝化菌剂按体积比为2:1进行混合，并进行第三次搅拌，其转速为60r/min，持续搅拌10min后得到第二混合体系，随后降温到20℃，停止搅拌并静置1h，即完成了对固定化硝化菌剂的包埋固定化处理，接着清水洗1～2次，最终得到固定化包埋硝化菌剂。

制备实施例13

与制备实施例1的区别在于包埋固定化载体为海藻酸钠(E080426，安耐吉化学技术(上海)有限公司)，其具体包埋固定化步骤为：将固定化硝化菌剂培养后体系通过抽滤排尽液体，以海藻酸盐为包埋固定化载体并按海藻酸盐质量比为5％配制得到海藻酸盐水溶液，在100℃下以搅拌速度为80r/min进行灭菌，持续30min后，继续搅拌降温至30℃；将以上配制得到的海藻酸盐水溶液和固定化硝化菌剂按体积比为2:1进行混合，并进行第三次搅拌，其转速为80r/min，持续搅拌10min后得到第二混合体系，随后降温到20℃，停止搅拌并静置3h，即完成了对固定化硝化菌剂的包埋固定化处理，接着清水洗1～2次，最终得到固定化包埋硝化菌剂。

制备实施例14

制备实施例14与制备实施例1的区别在于，

不对固定化硝化菌剂进行包埋固定化处理，最终得到硝化菌剂。

制备实施例15

将某医药中间体废水处理活性污泥与制备实施例1得到的固定化包埋硝化菌剂按照重量比为1:1混合，得到微生物催化剂胶团。

上述制备的固定化生物催化剂及微生物催化剂胶团在相应的污水处理中的应用：

应用实施例1至5、应用实施例7至15

这些应用实施例是针对某医药中间体废水处理开展的固定化生物催化剂的应用。

某医药中间体废水经过生化处理后的出水氨氮超标，氨氮约为20mg/L，要求最终出水氨氮<5mg/L。由于现场场地有限，必须提高生化效率，才可以达标。采购液体硝化菌剂(绵津环保科技(上海)有限公司)投加到硝化池中，初始效果显著，出水氨氮能达到3mg/L以下，但2天后，出水氨氮＞5mg/L，而一周后，投加液体菌剂完全失效，出水氨氮又恢复到20mg/L左右。经过分析后发现，硝化菌剂的流失，导致出水氨氮含量持续升高。

分别选择本发明制备实施例1至5和制备实施例7至13制备得到的硝化菌固定化生物催化剂、制备实施例14制备得到硝化菌剂、制备实施例15制备得到的微生物催化剂胶团，并按照硝化菌固定化生物催化剂(或微生物催化剂胶团)体积与硝化池容体积比为1:100分别投加固定化生物催化剂，生化系统运行稳定后，极大地降低了生化出水氨氮量，且系统持续运行时间增长，出水氨氮正常。

将应用实施例1至5、应用实施例7至15用于医药中间体废水处理后各自的生化出水氨氮量、系统持续运行时间列于表1。

表1

应用实施例6

本应用实施例是针对某煤制油废水处理开展的固定化生物催化剂的应用。

煤制油工艺段废水经过生化处理后再进入反渗透系统形成了煤制油RO浓水，煤制油RO浓水含盐量高，COD为70～120mg/L，可生化性差。

自主研发的液体菌剂对煤制油RO浓水处理效果显著，出水COD能达到50mg/L以下，但是由于RO浓水含盐量高不利于菌剂的自我繁殖，导致菌剂流失率大于繁殖率，进而使得生化出水COD越来越高，为了维持出水COD在50mg/L以下，需要连续不断投加液体菌剂，因而增加了系统运行成本。

利用本发明制备实施例6制备得到的固定化包埋COD去除菌剂，按照固定化生物催化剂体积与生化池容体积比为1:100投加固定化生物催化剂，系统持续运行三年，出水COD始终保持在50mg/L以下。

应用实施例16

本实施例是针对某印染废水处理开展的固定化生物催化剂的应用。

印染废水具有有机污染物含量高、色度深、水质变化大、可生化性低等特点，属于难处理的工业废水。印染废水的处理工艺为水解酸化+BAF+混凝沉淀，当处理厂进水COD为500mg/L，要求出水COD达到50mg/L以下。事实上，当印染废水处理系统运行稳定后，发现生化系统出水COD始终维持在150mg/L左右，经过多次调试后，始终无效。后采购高效COD去除菌剂(绵津环保科技(上海)有限公司)投加到接触好氧池中，初始效果显著，接触好氧出水COD能达到80mg/L以下，但3～5天后，效果就开始下降，一个月后，所投加的液体菌剂则完全失效，出水COD又恢复到150mg/L左右。经过分析后发现，高效液体菌剂附着性较差，流失严重，从而导致在实际中使用一个月后菌剂就完全失效。

根据本发明制备实施例1和6制备的以上固定化生物催化剂。按照每种固定化生物催化剂体积与BAF池容体积比为1:50投加固定化生物催化剂到BAF池中以取代原BAF池中的部分填料，运行稳定后，BAF池出水COD达到了60mg/L以下，再经过絮凝沉淀，出水COD达到50mg/L以下。说明与液体菌剂相比，固定化生物催化剂效率更高，效果更好。

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：

本申请上述催化剂的制备方法所用的多孔吸附剂由于其强吸附性，液体培养基营养成分进入多孔吸附剂丰富的孔隙中，然后利用微生物生长发酵对营养物的需求，微生物也会进入多孔吸附剂的孔隙中，进而直接在多孔吸附剂孔隙和表面上大量生长繁殖，这样通过微生物与多孔吸附剂载体共生长结合的更加紧密，更不容易脱落；且由于多孔吸附剂孔径较小，生长繁殖后的微生物尺寸变大并堆积在一起也更不容易从多孔吸附剂孔隙中脱落和流失；由此可见，由于在发酵培养过程中，多孔吸附剂孔隙中有大量营养液，使得孔隙中也得以繁殖大量的微生物数量，进而可以大于目前单纯依靠表面吸附固定的微生物的数量。与现有技术常规的固定化技术相比，本发明的固定化生物催化剂的使用期限可以达到3年及以上，生化催化效率也远远优于普通吸附固定化催化剂的催化效率，而且能长时间保持效果的稳定性，降低进水对生化系统的冲击，同时，可用简单的方法回收再利用，降低了生产成本。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。