CN105884040A

CN105884040A - 一种水体脱氮材料的制备方法

Info

Publication number: CN105884040A
Application number: CN201610309035.2A
Authority: CN
Inventors: 宋勇; 陈圆华; 刘臻; 杨珊
Original assignee: Changsha University
Current assignee: Changsha University
Priority date: 2016-05-11
Filing date: 2016-05-11
Publication date: 2016-08-24

Abstract

本发明公开了一种水体脱氮材料的制备方法，包括以下步骤：(1)用盐酸溶液对沸石进行浸渍、洗涤；(2)将沸石放入溶菌酶水溶液中浸泡、洗涤；(3)将反硝化菌与沸石混合均匀后加入到容器中，然后加入营养液并通入氮气，密封后进行第一次驯化；(4)再将混合物离心，离心沉淀物加入到容器中，加入营养液并通入氮气，密封后进行第二次驯化；(5)将(4)得到的混合物离心，离心沉淀物与海藻酸钠溶液混合均匀后滴加到壳聚糖醋酸溶液和氯化钙溶液的混合溶液中搅拌形成小球，随后对小球洗涤；(6)将小球加入到戊二醛溶液中搅拌、洗涤、固定化，即得到水体脱氮材料。本发明的脱氮材料对水体中氮类物质的去除具有良好的效果。

Description

一种水体脱氮材料的制备方法

技术领域

本发明涉及生物功能材料制备技术领域，具体涉及一种水体脱氮材料的制备方法。

背景技术

随着经济的发展，人们对水产品的需求日益增加，在捕捞量不能满足市场需求的情况下，水产养殖业得到了迅猛的发展，但是当前水产养殖属于资源依赖型、粗放型的发展模式，导致生态失衡、环境恶化、资源萎缩等问题十分突出。水产养殖过程产生的主要废物有残饵、***物、化学物质和治疗性药物的残留物，养殖生物的死体及病原体也是废物的一部分，据统计，在这些污染物来源中过剩饵料占35％，***物占50％，生活垃圾占5％，其他污染物占10％。氮类物质是这些污染物中所含有的主要污染物质，也是最难以去除的物质，大量含氮废水进入水体，水体中植物营养过剩，造成各种藻类的大量繁殖；有些藻类有毒，使水体生物的生活空间越来越小，影响和破坏水体生态平衡，同时非离子态的氮对养殖对象也会产生毒性，影响其生长和发育，给水产养殖带来极为严重的后果。

当前，对水产养殖水体中氮类物质的去除方法主要有以下几种：(1)向水体中直接投加吸附剂，常用的吸附剂有沸石、麦饭石等。沸石是含碱金属和碱土金属的含水铝硅酸盐类，表面疏松多孔，具有很强的吸附性，可以吸附氮类物质、二氧化碳、硫化氢等大量有毒物质，利用这一特性，定期向养殖水体中泼洒沸石粉，既可以去氮增氧，又可以增加水中微量元素的含量，从而达到优化养殖生态环境，促进水生动物生长发育的效果。麦饭石也具有多孔与巨大的表面积，所以具有良好的吸附性和离子交换性，也能够通过吸附作用去除养殖水体中的氮类物质。该方法只是将养殖水体中的氮类物质从水中转移到了吸附剂表面，然后随着吸附剂一起沉淀到了池底，氮并没有真正被降解，随着吸附剂在池底沉降时间的增加，部分氮类物质还会解吸重新回到水体中。(2)向水体中直接投加强氧化剂，常用的强氧化剂有次氯酸钠、臭氧等。次氯酸钠是一种漂白剂，具有强烈的氧化能力，在水产养殖水体中投加次氯酸钠主要是利用它的强氧化能力将对鱼类有毒性的亚硝酸盐转化成无毒的硝酸盐。该方法不能将水体中的氮类物质进行降解，氮类物质只是从一种存在形式转化成了另一种形式，水体中的总氮污染物并没有消失。臭氧也是一种强氧化剂，它能破坏细菌的细胞壁，并迅速扩散到细胞内部，氧化破坏或分解细胞中的酶致死病原菌，同时臭氧在水中分解的中间物质氢氧基具有很强的氧化性，可以分解一般氧化剂难以破坏的有机物，能使水中的有机物絮凝化，提高沉淀过滤效果。另外，由于臭氧具有迅速分解成氧的特性，所以处理后的水含有饱和的溶解氧。因此，用臭氧处理养殖废水，能迅速杀灭细菌、病毒，降低硫化物、氮类物质等有害物质的含量，又能增加水中的溶解氧，并且作用快，无二次污染。但是向水产养殖***中持续不断地投加臭氧，一方面会有大量的臭氧残留在养殖水体中产生毒性，另一方面增加了养殖成本。(3)微生物技术。对水体中氮的生物去除主要是利用反硝化菌的还原作用将硝态氮与亚硝态氮转化成氮气，然后从水体中排出。

当前对水产养殖废水中氮类物质的去除最为常用的微生物技术就是将氮降解菌通过一定方法进行富集，然后将废水与之接触，从而达到废水中氮的生物降解的目的。当前微生物的富集方法主要是利用生物固化技术实现，与传统的微生物方法相比，固化微生物具有以下优点：(1)微生物密集，能有效维持反应器中高浓度的生物量，而且微生物被固定化后，细胞内酶系保存完整，相当于一个多酶生物反应器，从而提高处理效率，减少反应器的体积；(2)固定化载体本身具有渗透性，营养液可以渗透到载体内部，使微生物能在连续反应过程中长期保持旺盛的生长和繁殖能力，而且***还可以通过培养恢复微生物的活力，达到连续应用的目的；(3)微生物大量附着在不溶性载体表面，密度比水大，处于高度密集状态，易于与水分离，利于微生物的截留和重复利用，还能减少污泥的产生量；(4)有利于优势菌群的固定，提高难降解化合物的降解效率；(5)大量微生物紧密附着于载体表面或者被包埋载体的高分子覆盖，从而减少了有毒有害物质对微生物的冲击，提高了微生物对不良环境的耐受性。

实际应用中发现，虽然固化微生物对水体中的硝态氮与亚硝态氮具有一定的降解效果，但是去除效率并不高，这主要是因为虽然固化技术能使水体中的底物及代谢反应产物自由进入多孔的凝胶膜内，但是在养殖水体中，除了硝态氮与亚硝态氮外，其它物质也可以进入包埋体内，对包埋体内的生物作用产生不利影响，从而限制了微生物对水体中氮类物质的降解。因此，如何有效地促使硝态氮与亚硝态氮等氮类物质定向向菌体周围富集，是微生物降解水体中氮类物质的关键。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种水体中特别是水产养殖水体中氮类物质降解材料的制备方法，该方法先将反硝化菌与沸石进行吸附结合，然后利用海藻酸钠与壳聚糖对吸附有反硝化菌的沸石进行包裹固定化得到水体脱氮材料。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种水体脱氮材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将沸石进行研磨粉碎后过筛，然后用盐酸溶液对过筛后的沸石进行浸渍，再洗涤至中性；

(2)将步骤(1)处理后的沸石放入溶菌酶水溶液中浸泡，再用去离子水洗涤；

(3)将反硝化菌与步骤(2)处理后的沸石进行混合均匀后加入到容器中，然后加入营养液并通入氮气，再将容器密封后进行第一次驯化；所述驯化是指在白炽光的照射下进行恒温震荡；

(4)将步骤(3)第一次驯化后得到的混合物离心，然后将离心后得到的沉淀物加入到容器中，随后加入营养液并通入氮气，再将容器密封后进行第二次驯化；

(5)将步骤(4)第二次驯化后得到的混合物离心，然后将离心后得到的沉淀物与海藻酸钠溶液混合均匀形成混合菌液，再将混合菌液滴加到壳聚糖醋酸溶液和氯化钙溶液的混合溶液中，搅拌形成小球，随后对小球进行洗涤；

(6)将步骤(5)洗涤后得到的小球加入到戊二醛溶液中进行搅拌，然后将小球进行洗涤、固定化，得到固定化的小球，即为所述的水体脱氮材料。

上述的制备方法，优选的，所述步骤(1)中，所述沸石为天然沸石，筛的目数为100目，盐酸溶液的浓度为0.1mol/L，浸渍时间为2h。

上述的制备方法，优选的，所述步骤(2)中，溶菌酶水溶液的浓度为1g/L，浸泡时间为12h。

上述的制备方法，优选的，所述步骤(3)中，反硝化菌为干粉状，反硝化菌与沸石的质量比为(1:20)～(1:40)，恒温震荡时的温度为24℃。

上述的制备方法，优选的，所述步骤(4)中，恒温震荡的温度为24℃，恒温震荡的时间为7天。

上述的制备方法，优选的，所述步骤(3)和步骤(4)中，营养液的组成为4g/L KNO₃、4g/LNaNO₃、0.05g/L MgSO₄·7H₂O、1.85g/L K₂HPO₄、8g/L酒石酸钾钠、1g/L KH₂PO₄、1g/L FeCl₂、1.0g/L CaCl₂·2H₂O、0.5g/L半胱氨酸、54.06g/L葡萄糖。

上述的制备方法，优选的，所述步骤(4)中，离心的速度为10000rpm，离心时间为15分钟。

上述的制备方法，优选的，所述步骤(5)中，离心的速度为6000rpm，离心时间为30分钟，海藻酸钠溶液的质量分数为1％-4％，海藻酸钠溶液与离心沉淀物的体积比为5:1。

上述的制备方法，优选的，所述步骤(5)中，壳聚糖醋酸溶液由壳聚糖和1wt％醋酸溶液配制得到，壳聚糖占壳聚糖醋酸溶液的质量分数为1％，氯化钙溶液的质量分数为2％，壳聚糖醋酸溶液与氯化钙溶液的体积比为5:1，小球的粒径为3mm。

上述的制备方法，优选的，所述步骤(6)中，戊二醛溶液的质量分数为1％，搅拌时间为8分钟，固化温度为4℃，固化时间为12h。

本发明的有益效果为：

(1)本发明制备方法中采用的沸石具有独特的内部结构和晶体化学性质，可针对性地吸附水体中的硝态氮与亚硝态氮等氮类物质，制得的脱氮材料能有效增加氮类物质与菌体的接触，提高水体中氮类物质的降解效率。

(2)本发明制备方法中利用溶菌酶水溶液对沸石进行预处理，与未进行预处理相比，更有利于反硝化菌在沸石表面的生长。

(3)本发明制备方法中利用营养液在有光条件下培养反硝化细菌，然后利用固定化技术进行固定化，相对未经培养直接将反硝化菌与沸石固定化，本产品对反硝化菌的利用效率高，所得产品中沸石与反硝化菌结合紧密、反硝化菌活性强。同等条件下，先驯化再固定化的产品比未经驯化直接固定化的产品对水体中氮类物质的降解效率可提高25％-40％。

(4)本发明制备方法利用海藻酸钠、壳聚糖，氯化钙、戊二醛等对反硝化菌进行固定化，确定的固定化原料配比与固定化流程使颗粒成型效果好，氮类物质的穿透效果佳。

(5)本发明制备得到的脱氮材料对水体中氮类物质的去除具有良好的效果，特别是对水产养殖水体中低含量氮类物质的降解更具优势，这是其它氮类降解材料所不具备的。

附图说明

图1为本发明水体脱氮材料的制备工艺流程图。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，本实施例的水体脱氮材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)取天然沸石进行研磨粉碎，然后过100目筛，得到的过筛沸石在0.1mol/L的盐酸溶中浸渍2h，再用去离子水洗涤至中性；

(2)将步骤(1)经盐酸处理后的沸石用1g/L的溶菌酶水溶液浸泡时间为12h，随后用去离子水冲洗3次。

(3)将粉末状反硝化菌与步骤(2)经溶菌酶处理后的沸石按照质量比1:20混合均匀后加入到锥形瓶内；称取4g KNO₃、4g NaNO₃、0.05g MgSO₄·7H₂O、1.85g K₂HPO₄、8g酒石酸钾钠、1g KH₂PO₄、1g FeCl₂、1g CaCl₂·2H₂O、0.5g半胱氨酸和54.06g葡萄糖，加去离子水溶解并定容至1升后得到营养液，将该营养液倒入到装有反硝化菌与沸石的锥形瓶内直至刚好淹没反硝化菌与沸石的混合物，然后通入氮气将空气排走并密封瓶口；对密封后锥形瓶内的反硝化菌进行第一次驯化，驯化条件为：在白炽灯照射下的摇床内进行恒温24℃震荡，震荡时间为12h；

(4)将步骤(3)震荡后得到的混合物在10000rpm的条件下离心15分钟，然后将得到的离心沉淀物加入到锥形瓶内，再加入步骤(3)配制的营养液，通入氮气将空气排走并密封瓶口；对密封后锥形瓶内的反硝化菌进行第二次驯化，驯化条件为：在白炽灯照射下的摇床内进行恒温24℃震荡，震荡时间为7天；

(5)将步骤(4)震荡后得到的混合物在离心速率为6000rpm的条件下离心30分钟，然后将4wt％海藻酸钠溶液与离心沉淀物(驯化产品)按照体积比5:1混合均匀形成混合菌液；将壳聚糖加入到1wt％醋酸溶液中配成壳聚糖质量分数为1％的壳聚糖醋酸溶液，然后将壳聚糖醋酸溶液与2wt％氯化钙溶液按照体积比5:1混合均匀，再向该混合溶液中缓慢滴加混合菌液，搅拌成型为3mm粒径的小球，随后用去离子水对小球进行洗涤；

(6)将步骤(5)洗涤后得到的小球加入到1wt％戊二醛溶液中进行搅拌，搅拌时间为8分钟，然后对小球进行去离子水洗涤后置于4℃下固定化12h，得到固定化的小球，即为本发明的产品：水体脱氮材料。

将本实施例制备得到的脱氮材料填充到直径为100mm的有机玻璃柱内，填充高度为50mm，将南美对虾室内养殖水体中的养殖废水通过水泵注入到填充柱内，水力停留时间为15分钟，1个月的运行效果如表1所示。

表1 原水、出水中氨氮和亚硝酸盐氮含量记录表

经过一个月左右的连续运行，脱氮材料无破碎，而且始终保持较高的氮类降解效率，降解后的出水完全满足对虾养殖水体对氮类物质的含量要求。

实施例2

(3)将粉末状反硝化菌与步骤(2)经溶菌酶处理后的沸石按照质量比1:30混合均匀后加入到锥形瓶内；称取4g KNO₃、4g NaNO₃、0.05g MgSO₄·7H₂O、1.85g K₂HPO₄、8g酒石酸钾钠、1g KH₂PO₄、1g FeCl₂、1g CaCl₂·2H₂O、0.5g半胱氨酸和54.06g葡萄糖，加去离子水溶解并定容至1升后得到营养液，将该营养液倒入到装有反硝化菌与沸石的锥形瓶内直至刚好淹没反硝化菌与沸石的混合物，然后通入氮气将空气排走并密封瓶口；对密封后锥形瓶内的反硝化菌进行第一次驯化，驯化条件为：在白炽灯照射下的摇床内进行恒温24℃震荡，震荡时间为12h；

(5)将步骤(4)震荡后得到的混合物在6000rpm的条件下离心30分钟，然后将2wt％海藻酸钠溶液与得到的离心沉淀物按照体积比5:1混合均匀形成混合菌液；将壳聚糖加入到1wt％醋酸溶液中配成壳聚糖质量分数为1％的壳聚糖醋酸溶液，然后将壳聚糖醋酸溶液与2wt％氯化钙溶液按照体积比5:1混合均匀，再向该混合溶液中缓慢滴加混合菌液，搅拌成型为3mm粒径的小球，随后用去离子水对小球进行洗涤；

将本实施例制备得到的脱氮材料填充到直径为100mm的有机玻璃柱内，填充高度为50mm，将南美对虾室内养殖水体中的养殖废水通过水泵注入到填充柱内，水力停留时间为15分钟，1个月的运行效果如表2所示。

表2 原水、出水中氨氮和亚硝酸盐氮含量记录表

从表2中的数据可以看出，本脱氮材料对对虾养殖水体中氨氮与亚硝酸盐氮都保持了较高的降解效率，完全满足对虾养殖水体对氮类物质的含量要求。经过一个月左右的连续运行，脱氮材料无破碎，而且运行稳定。

实施例3

(3)将粉末状反硝化菌与步骤(2)经溶菌酶处理后的沸石按照质量比1:40混合均匀后加入到锥形瓶内；称取4g KNO₃、4g NaNO₃、0.05g MgSO₄·7H₂O、1.85g K₂HPO₄、8g酒石酸钾钠、1g KH₂PO₄、1g FeCl₂、1g CaCl₂·2H₂O、0.5g半胱氨酸和54.06g葡萄糖，加去离子水溶解并定容至1升后得到营养液，将该营养液倒入到装有反硝化菌与沸石的锥形瓶内直至刚好淹没反硝化菌与沸石的混合物，然后通入氮气将空气排走并密封瓶口；对密封后锥形瓶内的反硝化菌进行第一次驯化，驯化条件为：在白炽灯照射下的摇床内进行恒温24℃震荡，震荡时间为12h；

(5)将步骤(4)震荡后得到的混合物在6000rpm的条件下离心30分钟，然后将4wt％海藻酸钠溶液与得到的离心沉淀物按照体积比5:1混合均匀形成混合菌液；将壳聚糖加入到1wt％醋酸溶液中配成壳聚糖质量分数为1％的壳聚糖醋酸溶液，然后将壳聚糖醋酸溶液与2wt％氯化钙溶液按照体积比5:1混合均匀，再向该混合溶液中缓慢滴加混合菌液，搅拌成型为3mm粒径的小球，随后用去离子水对小球进行洗涤；

将本实施例制备得到的脱氮材料填充到直径为100mm的有机玻璃柱内，填充高度为50mm，将南美对虾室内养殖水体中的养殖废水通过水泵注入到填充柱内，水力停留时间为15分钟，1个月的运行效果如表3所示。

表3 原水、出水中氨氮和亚硝酸盐氮含量记录表

从表3中的数据可以看出，本实施例制备的脱氮材料对对虾养殖水体中氨氮与亚硝酸盐氮也都保持了较高的降解效率，完全满足对虾养殖水体对氮类物质的含量要求。经过一个月左右的连续运行，脱氮材料无破碎，而且运行稳定。

Claims

1.一种水体脱氮材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述沸石为天然沸石，筛的目数为100目，盐酸溶液的浓度为0.1mol/L，浸渍时间为2h。

3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，溶菌酶水溶液的浓度为1g/L，浸泡时间为12h。

4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，反硝化菌为干粉状，反硝化菌与沸石的质量比为(1:20)～(1:40)，恒温震荡的温度为24℃。

5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中，恒温震荡的温度为24℃，恒温震荡的时间为7天。

6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)和步骤(4)中，营养液的组成为4g/L KNO₃、4g/L NaNO₃、0.05g/L MgSO₄·7H₂O、1.85g/L K₂HPO₄、8g/L酒石酸钾钠、1g/LKH₂PO₄、1g/L FeCl₂、1.0g/L CaCl₂·2H₂O、0.5g/L半胱氨酸、54.06g/L葡萄糖。

7.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中，离心的速度为10000rpm，离心时间为15分钟。

8.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(5)中，离心的速度为6000rpm，离心时间为30分钟，海藻酸钠溶液的质量分数为1％-4％，海藻酸钠溶液与离心沉淀物的体积比为5:1。

9.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(5)中，壳聚糖醋酸溶液由壳聚糖和1wt％醋酸溶液配制得到，壳聚糖占壳聚糖醋酸溶液的质量分数为1％，氯化钙溶液的质量分数为2％，壳聚糖醋酸溶液与氯化钙溶液的体积比为5:1，小球的粒径为3mm。

10.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(6)中，戊二醛溶液的质量分数为1％，搅拌时间为8分钟，固化温度为4℃，固化时间为12h。