一种用于污水处理的活性填料及其制备方法与应用
阅读说明：本技术 一种用于污水处理的活性填料及其制备方法与应用 (Active filler for sewage treatment and preparation method and application thereof ) 是由 郑展望 金鹏 徐涛 赵若瑾 李依依 于 2021-06-21 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种用于污水处理的活性填料及其制备方法与应用,通过使用多种材料及脱氮功能菌对填料表面进行修饰改性,使之能够达到表面粗糙、亲水亲生物及更好地处理效果,本发明使用性能优异的功能菌和海藻酸钠载体来修饰聚氨酯填料,增加聚氨酯填料的微孔结构,增大比表面积,为微生物的培养提供代谢增值的空间,长期维持微生物活性和丰度,修饰后的活性填料具有生物友好性,无环境污染,可增强微生物处理污水的能力,降低污水中的污染物含量,制备方法简单,原料来源广泛,易实现工业化生产,且制备过程不会对环境造成污染。(The invention provides an active filler for sewage treatment and a preparation method and application thereof, wherein the surface of the filler is modified by using various materials and denitrifying functional bacteria, so that the filler can achieve the effects of rough surface, hydrophily and better treatment.)
技术领域
本发明属于生物技术处理污水领域，涉及一种活性填料，尤其涉及一种可维持微生物的高丰度、高活性，使用周期长，并提供微生物生长繁殖所需营养物质，制备流程简易的用于污水处理的活性填料及其制备方法与应用。
背景技术
在人类活动区域，氮素循环受到了严重干扰，导致生物圈中活性氮前所未有的增加，造成了氮素的污染，对人类本身和环境构成威胁。在此之中，含氮废水造成了水质恶化和富营养化的问题，地下水最普遍的含氮污染物为氨氮，硝酸盐等影响水生生物健康，所以在水环境处理中控制和消除含氮污染物是首要考虑对象。在处理水中含氮污染物方面，国内外对于脱氮基本上有物化法和生化法。
物化法包括空气吹托、离子交换法、化学沉淀法、折点氯化法等技术，但是由于投资大，运行成本高，技术工艺复杂等缺点，目前物化法仅常见于高浓度工业废水的处理。
生化法，通过微生物的生理生化作用实现氮素的去除，相对其他方法有很大的优势，被认为是最经济有效的脱氮技术。
微生物固定化技术是指利用化学或物理的方法将游离细胞定位于限定的空间区域内，并保持其固有的活性，可以被重复和连续利用的一种生物技术。近年来，一些研究人员采用微生物固定化技术固定功能细菌制作生物活性填料，用于各类污染水体的处理中。在水处理方面，该技术由于可根据用途需要，固定不同的微生物种类，因此其应用领域广阔，可涉及生物硝化、脱氮、除磷等，并且可根据具体要求，对筛选出具有某些特殊功能的高效菌种进行固定化，微生物细胞不易流失，处理效能显著增强。
在污水处理方面，填料是微生物赖以栖息的场所，影响微生物的生长、繁殖、脱落和形态，对设备处理废水的效能起着关键作用。
当前填料的使用中经常出现比如填料比较难挂膜，挂膜时间长、所挂生物膜较薄、活性低等问题。
发明内容
本发明的一个目的是为了解决现有填料比较难挂膜，挂膜时间长、所挂生物膜较薄、活性低等缺陷而提供一种用于污水处理的活性填料，通过使用多种材料及脱氮功能菌对填料表面进行修饰改性，使之能够达到表面粗糙、亲水亲生物及更好地处理效果。
本发明的另一个目的是提供了用于污水处理的活性填料的制备方法，制备方法简单，原料来源广泛，易实现工业化生产，且制备过程不会对环境造成污染。
本发明另一个目的是提供了活性填料的应用，根据添加的不同功能菌应用于不同类型的污水处理中。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种用于污水处理的活性填料，包括以下重量份的原料：功能菌菌液4-6份、固化剂1-2 份与填料载体4-6份；其中，所述功能菌菌液为脱氮微生物复合而成的菌液。
在本技术方案中，本发明通过使用多种材料及脱氮功能菌对填料表面进行修饰改性，使之能够达到表面粗糙、亲水亲生物及更好地处理效果来解决以上问题，本发明的活性填料可维持微生物的高丰度、高活性，使用周期长，并提供微生物生长繁殖所需营养物质，制备流程简易，效果显著。
作为本发明的一种优选方案，所述功能菌菌液是将具有高效脱氮性能的假单胞菌或枯草芽孢杆菌中的一种或几种，在LB培养液中混合培养至OD600值为2-3范围，得到功能菌菌液。
作为本发明的一种优选方案，功能菌的接种量为1-4％。
作为本发明的一种优选方案，所述固化剂的制备方法为海藻酸钠、聚乙烯醇和水以1:1:30 的比例混合，在80-90℃下加热并搅拌至完全溶解，冷却后备用。
作为本发明的一种优选方案，所述填料载体包括聚氨酯填料或陶粒填料。
本发明还提供了上述的用于污水处理的活性填料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
1)将功能菌菌液与固化剂充分混合，得到混合液；
2)将填料载体浸入步骤1)得到的混合液中；
3)将步骤2)浸泡后的填料载体浸入交联液中进行交联反应，捞出后清洗至滤液呈中性，风干后保存备用。
作为本发明的一种优选方案，步骤1)中功能菌菌液的制备方法包括以下步骤：将具有高效脱氮性能的假单胞菌和枯草芽孢杆菌两种功能菌菌种分别以1-4％的接种量接种于LB培养液中；在28-37℃，180-220r/min条件下培养20-26h；再将培养后的菌液于发酵设备中进一步扩大培养至OD600为2-3。
进一步，所述发酵罐扩大培养时的培养基按下述比例配制：5000L水中，蛋白胨50kg，酵母粉25kg，氯化钠50kg，大豆油20kg，pH 7.2。
作为本发明的一种优选方案，步骤1)中功能菌菌液的制备方法包括以下步骤：将假单胞菌以1-4％的接种量接种于LB培养液中；在28-37℃，180-220r/min条件下培养20-26h；再将培养后的菌液于发酵设备中进一步扩大培养至OD600为2-3。
进一步，所述发酵罐扩大培养时的培养基按下述比例配制：5000L水中，蛋白胨50kg，酵母粉25kg，氯化钠50kg，大豆油20kg，pH 7.2。
作为本发明的一种优选方案，步骤3)中，所述的交联液为质量分数为3-5％的氯化钙交联液，交联反应的时间为6-10h。
本发明还提供了一种用于污水处理的活性填料的应用，上述的活性填料在污水处理中的应用，所述污水处理的活性填料的投加质量为10％-15％。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1)本发明使用性能优异的功能菌和海藻酸钠载体来修饰聚氨酯填料，增加聚氨酯填料的微孔结构，增大比表面积，为微生物的培养提供代谢增值的空间，长期维持微生物活性和丰度；
2)本发明修饰后的活性填料具有生物友好性，无环境污染，可增强微生物处理污水的能力，降低污水中的污染物含量；
3)海藻酸钠可将微生物固定于填料中，减少了微生物在水体中的流失，增加微生物负荷能力，从而加强生物生化特性，提高污水处理效率；
4)本发明的制备方法简单，原料来源广泛，易实现工业化生产，且制备过程不会对环境造成污染；
5)本发明还可以根据添加的不同功能菌应用于不同类型的污水处理中。
附图说明
图1是实施例1制备的活性填料照片。
图2是活性填料中的菌种在人工废水中的生长曲线。
图3是活性填料批次试验的脱氮效果图。
图4是活性填料应用试验的脱氮效果图。
图5是活性填料应用试验的总氮降解效果图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本实施例提供了活性填料的制备：
1)将假单胞菌(菌株型号：LT-6)以1-4％的接种量接种于LB培养液中；在30℃，200r/min 条件下培养24h；再将培养后的菌液于发酵设备中进一步扩大培养至OD600为2-3，其中，发酵设备扩大培养时的培养基按下述比例配制：5000L水中，蛋白胨50kg，酵母粉25kg，氯化钠 50kg，大豆油20kg，pH 7.2；
2)将海藻酸钠、聚乙烯醇和水以1:1:30的比例混合，在80-90℃下加热并搅拌至完全溶解，得到固化剂；按4:1的质量比，将固化剂与步骤1)得到的功能菌菌液充分混合，得到混合液；
3)将聚氨酯填料浸泡于步骤2)的混合液中；浸泡后的填料取出，在质量分数为4％的氯化钙交联液中交联8h后捞出，蒸馏水清洗至滤液呈中性，风干后保存备用。
如图1所示，制备完成的活性填料表面被海藻酸钠所包裹，但其微观结构仍保留孔隙，增大填料比表面积，为微生物提供附着点，并为其生长繁殖提供所需营养物质。
实施例2
本实施例为活性填料中的微生物性能评价
配置人工废水，使其初始总氮浓度为50-60mg/L，将实施例1的活性填料以10％体积比在 200mL人工废水中培养，放置于30℃、200rpm条件下测定其生长曲线。
由72h内低温菌生长曲线可知，OD600值在培养24h后达到最高值0.55，菌株KSND-3的指数生长期为0-24h，在24h-48h生长进入平稳期。
实施例3
本实施例为活性填料机械强度评价
(1)硬度和弹性
利用质构仪对不同浓度(2％、4％)的固定化海藻酸钠假单胞菌填料和空白海藻酸钠填料进行穿刺实验，分别测定其硬度和弹性，选用P/2N探头，测试速度为0.5mm/s，回程速度为 0.5mm/s，测试深度为3mm，取5个平行样品的平均值作为其硬度和弹性。
(2)机械稳定性
为了评估活性填料的机械稳定性，制备以下4种活性填料各50个：①空白海藻酸钠填料 (2％)；②海藻酸钠假单胞菌填料(2％)；③空白海藻酸钠填料(4％)；④海藻酸钠假单胞菌填料(4％)，对其进行抗冲击试验。用大流速水流连续冲击1h，观察其破碎情况来判断小球的相对机械稳定性，每组做3个平行实验。实验结果如表1所示。
为了考察制备活性填料的理化性质，从表观形态、硬度、弹性和机械稳定性等几个方面进行研究，探究其在污水中的抗冲击能力。
表1实验结果
由表1可以看出，以海藻酸钠浓度为4％制备的假单胞菌填料固定效果较好，但硬度状态一般。经过水流冲击一段时间以后，4号填料的破碎个数为7个，对未破损的填料弹性和硬度进行测量，相对于抗冲击试验前，其弹性和硬度虽有下降，但其整体结构依旧完整。这表明4号填料能够较好的适应水流的冲击，具有较强的抗冲击能力和较好的机械稳定性。
实施例4
本实施例为活性填料用于脱氮的不同批次试验
将实施例1制得的活性填料以10％(v/v)的量加入到盛有200mL人工废水的锥形瓶中，在30℃，150r/min条件下振荡培养，每12h取样，离心后测定上清液废水中的氮含量，24h后清洗填料投入新配置人工废水，每批次废水的成分相同，继续在30℃，150r/min条件下振荡培养，之后每批次重复此步骤。此试验用以研究修饰型填料的长期有效性。
如图3所示，试验一共进行八个批次，每批次试验持续48h。试验结果如图所示，在8个批次的实验过程中，每批次的氨氮及总氮降解率均达到80％以上，氨氮最高降解率为86％。八个批次试验结束后的填料的修饰性载体除色泽暗淡以外仍然保持完好，填料表面有较多菌丝，且海藻酸钠对水环境无污染，可继续作为吸附剂及菌种载体继续应用于污水处理中。
实施例5
本实施例为一体化设备应用
将实施例1制备的活性填料投加到5t净化设备中，进行应用评估，投加体积比为10％-15％，每天对净化设备的进出水水质进行检测。如图4所示，活性填料的启动时间约为7-10天，较传统活性污泥法快，且挂膜时间缩短30％-50％，可长期维持设备中菌种丰度，稳定后污水中的总氮最大去除率可达90％以上，在30天的试验之后仍可继续长期使用并稳定运行。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明任何形式上和实质上的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，还将可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。凡熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，当可利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对上述实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变，均仍属于本发明的技术方案的范围内。
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