[发明专利]一种厌氧氨氧化细菌三明治型多层固定化生物活性填料、制备及应用

说明书

技术领域

本发明涉及水处理中种厌氧氨氧化细菌三明治型多层固定化生物活性填料制备及应用，属于水处理领域。

背景技术

厌氧氨氧化技术（ANAMMOX）是目前已知的最为经济的生物脱氮途径，荷兰Delft大学Strous等的研究表明，在厌氧氨氧化过程包括细胞合成在内的生物反应过程可表示为式（1）

NH₄⁺+1.32NO₂^-+0.066HCO₃^-+0.13H⁺→1.02N₂+0.26NO₃^-+0.066CH₂O_0.5N_0.5+2.03H₂O（1）

由厌氧氨氧化细菌的生物反应特点可以看出，ANAMMOX与传统的硝化反硝化技术相比，具有运行费用低、需氧量低和不需外加碳源等优点。

由于厌氧氨氧化细菌的倍增时间长，细胞产率较低（公认的倍增时间为11d，而有报道的最快的倍增时间也达到4.8d）因此为了在反应器内保持相对稳定的生物量，厌氧氨氧化反应器要求的固体停留时间相对较长。同时，在厌氧氨氧化细菌的研究中还发现，只有在细胞密度高于10¹⁰-10¹¹个/mL时，厌氧氨氧化菌才能显现出厌氧氨氧化细菌活性。厌氧氨氧化细菌的这种细胞密度特性与细菌中普遍存在的群体感应（Quorum sensing）现象相符。群体感应是一种普遍存在于微生物细胞之间的通讯机制，它具有根据菌群密度和周围环境变化来调节基因表达从而控制细菌群体行为的功能。因此，如何保持其在反应器中较高的细胞密度并防止宝贵的厌氧氨氧化细菌从反应器中流失已经成为当前研究的重点。

微生物细胞固定化技术可以大幅度提高微生物浓度、使微生物不易流失、缩短反应器启动时间、纯化和创造特性细菌的生态优势，并且固定化后的生物活性填料抗毒性和耐酸碱、耐盐能力明显增强，具有良好的应用前景。微生物细胞常用的固定化方法有吸附法、交联法和包埋法。其中，以包埋法最为常用，已成功地用于微生物细胞包埋的材料有：聚乙烯醇、琼脂、K-卡拉胶、明胶、海藻酸钠、聚丙烯酰胺、聚氨酯等。上述包埋材料具有对微生物无毒性、传质性能好、不易被生物分解、性质稳定、机械强度高、寿命长、价格低等特点。

目前，传统的细菌包埋方法是将细菌与包埋材料结合在一起，形成包埋体，例如微球、包埋块等。此方法操作简单，但局限性大，制备的生物填料容易发生水溶膨胀的问题，填料在使用过程中机械强度会因水溶膨胀而大大减弱，甚至会出现破碎的现象，因而缩短了填料的使用寿命，无法理想地应用到工程实际当中。实验研究表明，利用现有的拉西环、鲍尔环、阶梯环、悬浮改性填料等传统载体与包埋体通过粘附方式结合起来制得的生物活性填料均存在整体稳定性差、包埋体容易脱落、细菌易流失等问题。因此提高生物活性填料的整体稳定性才是生物活性填料长期稳定高效运行的关键。

发明内容

针对上述问题，本发明开发出厌氧氨氧化细菌三明治型多层固定化生物活性填料，其特征在于，该填料是由包埋体和无纺布载体两部分组成，无纺布载体和包埋体相间排布，无纺布载体的纤维丝与包埋体材料牢固结合构成一个稳定的有机整体，将由厌氧氨氧化细菌浓缩液和聚乙烯醇溶液混合而成的包埋液均匀涂布于无纺布载体上，多层载体叠加在一起，经硼酸二次交联固定后包埋液固化形成包埋体，并制成类似三明治结构的层状填料，再经切割制成颗粒状生物活性填料。生物活性填料呈三明治层状结构，稳定性好。由于包埋体和无纺布的有机结合，厌氧氨氧化生物活性填料具有更多的性能，其继承了原有单纯细菌与包埋材料的所有优点；制备的颗粒状生物活性填料具有各种载体所具有的特性，例如流动性强、比表面积大、不易堵塞等优点。

颗粒状生物活性填料为长方体、正方体或圆柱体。优选层面方向为边长3mm-10mm正方形、长宽为5mm-20mm长方形或底面直径为5mm-10mm圆形，厚度即层叠加方向为3mm-10mm。

一种厌氧氨氧化细菌三明治型多层固定化生物活性填料的制备步骤如下：

（1）将厌氧氨氧化细菌菌悬液离心浓缩浓度至10⁸-10¹⁰个/mL，得到厌氧氨氧化细菌浓缩液；

（2）将聚乙烯醇加热溶解于水，得到聚乙烯醇溶液；