CN111039415A - 一种可用于水体原位修复的固定化缓释微生物的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于水处理技术领域，尤其涉及一种可用于水体原位修复的固定化缓释微生物的制备方法，先将分子筛颗粒浸泡于脱氮功能菌菌液中，吸附大量脱氮功能菌后制成固定化微生物内核，再将壳聚糖覆膜于内核表面，制作成壳聚糖覆膜的固定化缓释微生物。相比于现有技术，本发明的制备方法制得的固定化缓释微生物颗粒具有较高的稳定性，能够长效稳定地净化水体，提高固定化缓释微生物的使用寿命，避免水体的二次污染。

Description

一种可用于水体原位修复的固定化缓释微生物的制备方法

技术领域

本发明属于水处理技术领域，尤其涉及一种可用于水体原位修复的固定化缓释微生物的制备方法。

背景技术

我国50000多条流域面积大于100km²的河流中，大部分河流受到了不同程度的污染。虽然利用特定功能的微生物可以有效修复水体、提高水质，但是游离状态的生物菌剂存在菌体易流失、投加量大、易受水利条件影响等问题。

固定化缓释微生物技术可以有效解决游离状态生物菌剂存在的问题。包埋法是目前较为多见的微生物固定化方法，可以有效保持微生物活性，常用材料有聚乙烯醇、海藻酸钠、聚乙二醇等，新型包埋法在此基础上加入粉末活性炭、凹凸棒土、碳酸钙等，制作固定化小球。但包埋法由于材料自身的局限性，面对复杂多变的河水时，固定化小球难以保持稳定性，长期浸泡在河水中极易溶胀甚至破碎，甚至给水体带来二次污染。

有鉴于此，确有必要提供一种方法以提高固定化缓释微生物颗粒的稳定性与使用寿命。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有技术的不足，而提供一种可用于水体原位修复的固定化缓释微生物的制备方法，使用于河水净化的固定化缓释微生物颗粒具有较高的稳定性，能够长效稳定地净化水体，提高固定化缓释微生物的使用寿命，避免水体的二次污染。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种可用于水体原位修复的固定化缓释微生物的制备方法，包括以下步骤：

S1，微生物吸附：冲洗分子筛颗粒，洗去表面浮灰，然后将分子筛颗粒浸入配置好的脱氮功能菌菌液中4-7天，维持25℃的温度；

S2，壳聚糖溶液配制：配制体积比为1％的冰乙酸溶液，将脱乙酰度≥90％的壳聚糖加入1％的冰乙酸溶液中，使壳聚糖浓度为1.5％，加热搅拌溶解，制成壳聚糖溶液；

S3，壳聚糖覆膜：从菌液中取出已吸附微生物的分子筛载体，浸入壳聚糖溶液中覆膜，覆膜20min，将分子筛载体取出，加入到0.25mol/LNa₂SO₄溶液中，固定20min，用超纯水清洗，得到固定化缓释微生物。

其一，本发明利用脱氮功能菌有效去除河水中污染物，并且将在电子显微镜下可以观察到特殊多孔构造的分子筛作为吸附内核，有利于吸附微生物。其二，壳聚糖不溶于水，并且无毒无害，本发明采用壳聚糖覆膜可以使吸附在分子筛表面的微生物更为稳固并达到缓释效果。其三，被分子筛吸附的微生物可以利用河水中的营养物质在分子筛表面不断繁殖生长，并释放到水体中，有效降解水体中的氮类污染物和有机污染物。同时，分子筛本身作为一种优良的吸附材料，可吸附水体中的污染物，这些污染物作为微生物的营养物质，保证微生物在分子筛载体表面不断生长繁殖，从而长期有效地净化河水。综上，采用本发明方法制得的固定化缓释微生物具有较高的稳定性，能够长效稳定地净化水体，提高固定化缓释微生物的使用寿命，避免水体的二次污染。

作为本发明所述的可用于水体原位修复的固定化缓释微生物的制备方法的一种改进，还包括步骤S4，壳聚糖覆膜后固定化缓释微生物的活化：在用于水体原位修复之前，将固定化缓释微生物颗粒在25-30℃的温度下用脱氮菌培养基活化培养1天，使固定化颗粒内部的微生物得到充分的恢复和活化。

作为本发明所述的可用于水体原位修复的固定化缓释微生物的制备方法的一种改进，在步骤S1中，所述脱氮功能菌由实际河道底泥中微生物富集筛选而来。

作为本发明所述的可用于水体原位修复的固定化缓释微生物的制备方法的一种改进，在步骤S1中，所述分子筛颗粒为球形颗粒，所述分子筛颗粒的粒径为3-4mm。

作为本发明所述的可用于水体原位修复的固定化缓释微生物的制备方法的一种改进，在步骤S2进行之前，所述步骤S1重复3次。

作为本发明所述的可用于水体原位修复的固定化缓释微生物的制备方法的一种改进，在步骤S2中，在温度为35℃的恒温水浴加热锅中，以500r/min的转速对壳聚糖进行磁力搅拌，直至壳聚糖全部溶解，并冷却至室温。

作为本发明所述的可用于水体原位修复的固定化缓释微生物的制备方法的一种改进，在步骤S3中，所述壳聚糖溶液与所述分子筛载体的体积比大于2:1。

作为本发明所述的可用于水体原位修复的固定化缓释微生物的制备方法的一种改进，在步骤S3中，在覆膜过程中，每间隔5min用玻璃棒搅拌所述分子筛载体。

作为本发明所述的可用于水体原位修复的固定化缓释微生物的制备方法的一种改进，在步骤S4中，所述脱氮菌培养基配方为：6g柠檬酸钠、1g(NH₄)₂SO₄、2gKNO₃、1gK₂HPO₄、0.8gKH₂PO₄、0.2gMgSO₄·7H₂O，补充蒸馏水至1L，pH＝7.0。

相比于现有技术，本发明至少具有以下有益效果：

(1)本发明的制备方法能够较好的保持微生物活性，微生物附着于载体代代繁殖并缓释于水体中净化河水；而且载体本身也具有良好的理化稳定性，耐冲击性强，其吸附性能更是有利于河水脱氮与有机物降解。因此，本发明对于黑臭水体，劣Ⅴ类，Ⅴ类地表水都有良好的净化效果。

(2)本发明以廉价高效的分子筛颗粒作为固定化载体，辅以壳聚糖覆膜，材料成本低廉，容易获取，从而使得固定化缓释微生物的方法具有成本优势。

(3)本发明的制备方法中采用的材料均无毒无害，不会对环境带来负面影响，而且制得的固定化缓释微生物颗粒回收便利，无二次污染问题。

(4)本发明的制备方法简便，步骤少，耗时短，实用性强，具有大规模生产使用的潜在优势。

附图说明

图1是本发明中测试1得到的浓度变化曲线图。

图2是本发明中测试2得到的浓度变化曲线图。

图3是本发明中测试3得到的浓度变化曲线图之一。

图4是本发明中测试3得到的浓度变化曲线图之二。

具体实施方式

下面结合具体实施方式和说明书附图，对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式并不限于此。

实施例1

微生物吸附：用超纯水清洗分子筛颗粒，将分子筛颗粒在配置好的脱氮功能菌菌液中浸泡3个周期，每个周期5天，共15天，维持25℃温度。

壳聚糖溶液配置：配制体积比为1％的冰乙酸溶液，称取一定量壳聚糖(脱乙酰度≥90％)加入1％的冰乙酸溶液中，使壳聚糖质量浓度为1.5％，35℃水浴20min，搅拌溶解，制成壳聚糖溶液。

壳聚糖覆膜：从菌液中取出已吸附微生物的分子筛载体，浸入壳聚糖溶液中覆膜，覆膜20min后，将载体取出，加入0.25mol/L的Na₂SO₄溶液中，固定20min后取出，用超纯水清洗3次冷藏备用。

固定化缓释微生物的活化：将制备好的固定化缓释微生物颗粒在脱氮培养基中活化一天，脱氮培养基的具体配方为：6g柠檬酸钠、1g(NH₄)₂SO₄、2gKNO₃、1gK₂HPO₄、0.8gKH₂PO₄、0.2gMgSO₄·7H₂O，补充蒸馏水至1L，pH＝7.0。

性能测试

测试1：取10g实施例1活化后的固定化缓释微生物加入到2L河水中，河水中加入一定量的硫酸铵、硝酸钾与柠檬酸钠，使河水水质的氮类污染物和COD指标恶化成为劣V类的模拟河水，设置两组平行试验。测试结果如图1所示。

测试2：取5g实施例1活化后的固定化缓释微生物加入到2L实际河水中(河水取自天津市城市二级河道)，设置两组平行试验。测试结果如图2所示。

测试3：将实施例1活化后的固定化缓释微生物投入模拟河道中试装置中，投加量为2g/L，利用该装置考察固定化缓释微生物对河水的净化效果。模拟河道中试装置水槽长1.8m，高1m，宽0.5m，注入河水后河水水位高度0.8m，有效容积0.72m3，河水取自天津市城市二级河道。水槽底部设有10cm高的底泥挡板，在两个挡板中间平铺8cm厚的底泥，底泥取自同一河道。两个模拟河道中保持溶解氧浓度为6-9mg/L，未投加固定化缓释微生物的模拟河道设为对照组。试验时间共计60天，前20天考察固定化缓释微生物在溶解氧充足条件下对河水的净化能力；在第21天投加污染物，考察河水受突发污染影响后固定化缓释微生物的应急净化能力。污染物取自污泥厂消化池进泥，经高压蒸汽灭菌锅灭菌后稀释并搅拌均匀，投加至模拟河道中试装置中。结果如图3～4所示。

测试4：利用流式细胞仪对投加固定化缓释微生物颗粒的河水中微生物繁殖情况进行分析。

测试结果

由图1可以看出，模拟河水中NH₄ ⁺-N、NO₃ ^--N、TN、COD的初始浓度分别为8.12mg/L，12.77mg/L，22.95mg/L，103mg/L，4天后NH₄ ⁺-N、NO₃ ^--N、TN、COD的平均浓度分别降低到1.60mg/L，0.17mg/L，1.94mg/L，21mg/L，去除率分别为80.32％，98.66％，91.54％，79.61％，氮类污染物及COD浓度达到地表水Ⅴ类标准。

由图2可以看出，河水NH₄ ⁺-N、NO₃ ^--N、TN、COD的初始浓度分别为3.52mg/L，0.72mg/L，4.70mg/L，45mg/L，3天后NH₄ ⁺-N、NO₃ ^--N、TN、COD的浓度分别降低到0.68mg/L，0.07mg/L，1.43mg/L，6mg/L，去除率分别为80.68％，90.04％，65.04％，86.67％，氮类污染物及COD指标由地表水劣Ⅴ类提升至地表水Ⅳ类标准。

由图3～4可以看出，试验组中河水的初始NH₄ ⁺-N、NO₃ ^--N、NO₂ ^--N、TN、COD浓度分别为3.00mg/L、0.21mg/L、0.005mg/L、3.15mg/L、46mg/L。试验20天后，NH₄ ⁺-N、NO₃ ^--N、NO₂ ^--N、TN、COD分别降低至0.45mg/L、0.06mg/L、0.001mg/L、0.61mg/L、28mg/L，其中NH₄ ⁺-N、NO₃ ^--N、TN、COD的去除率分别为85.16％、72.30％、82.56％、39.13％，无NO₂ ^--N积累。

另外，由图3～4还可以看出，投加外源污染后，试验组的NH₄ ⁺-N、NO₃ ^--N、TN、COD分别上升至3.72mg/L、1.73mg/L、6.32mg/L、64mg/L，固定化缓释微生物帮助河水脱氮并降解COD，第60天试验结束时，NH₄ ⁺-N、NO₃ ^--N、TN、COD浓度分别为0.50mg/L、0.22mg/L、0.94mg/L、26mg/L，去除率分别为86.56％、87.20％、85.21％和59.38％。NO₂ ^--N始终低于0.10mg/L。对比可以看出，试验组的污染物的去除率和去除速率均高于对照组。也就是说，投加固定化缓释微生物可以加快河水的反硝化进程，对外源污染有较好的抗冲击能力，采用本发明的制备方法制得的固定化缓释微生物具有较好的水质净化和保持作用。综上，在长期净化河水的过程中，特别是在投加外源污染物后，固定化缓释微生物对河水中的氮类与有机物有明显的去除效果，说明脱氮功能菌的活性得到了较好的保持，持续在河水中发挥着脱氮及降解有机物的功效。

最后，测试4的结果显示，河水净化试验进行15天后，河水中活细胞数量仅增加了91.60％，增长量不足一倍。由此说明固定化缓释微生物颗粒在缓慢释放菌体，具有微生物缓释能力。

根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还能够对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上述的具体实施方式，凡是本领域技术人员在本发明的基础上所作出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (9)

1.一种可用于水体原位修复的固定化缓释微生物的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，微生物吸附：冲洗分子筛颗粒，洗去表面浮灰，然后将分子筛颗粒浸入配置好的脱氮功能菌菌液中4-7天，维持25℃的温度；

S2，壳聚糖溶液配制：配制体积比为1％的冰乙酸溶液，将脱乙酰度≥90％的壳聚糖加入1％的冰乙酸溶液中，使壳聚糖浓度为1.5％，加热搅拌溶解，制成壳聚糖溶液；

S3，壳聚糖覆膜：从菌液中取出已吸附微生物的分子筛载体，浸入壳聚糖溶液中覆膜，覆膜20min，将分子筛载体取出，加入到0.25mol/LNa₂SO₄溶液中，固定20min，用超纯水清洗，得到固定化缓释微生物。

2.根据权利要求1所述的可用于水体原位修复的固定化缓释微生物的制备方法，其特征在于，还包括步骤S4，壳聚糖覆膜后固定化缓释微生物的活化：在用于水体原位修复之前，将固定化缓释微生物颗粒在25-30℃的温度下用脱氮菌培养基活化培养1天，使固定化颗粒内部的微生物得到充分的恢复和活化。

3.根据权利要求1所述的可用于水体原位修复的固定化缓释微生物的制备方法，其特征在于，在步骤S1中，所述脱氮功能菌由实际河道底泥中微生物富集筛选而来。

4.根据权利要求1所述的可用于水体原位修复的固定化缓释微生物的制备方法，其特征在于，在步骤S1中，所述分子筛颗粒为球形颗粒，所述分子筛颗粒的粒径为3-4mm。

5.根据权利要求1所述的可用于水体原位修复的固定化缓释微生物的制备方法，其特征在于，在步骤S2进行之前，所述步骤S1重复3次。

6.根据权利要求1所述的可用于水体原位修复的固定化缓释微生物的制备方法，其特征在于，在步骤S2中，在温度为35℃的恒温水浴加热锅中，以500r/min的转速对壳聚糖进行磁力搅拌，直至壳聚糖全部溶解，并冷却至室温。

7.根据权利要求1所述的可用于水体原位修复的固定化缓释微生物的制备方法，其特征在于，在步骤S3中，所述壳聚糖溶液与所述分子筛载体的体积比大于2:1。

8.根据权利要求1所述的可用于水体原位修复的固定化缓释微生物的制备方法，其特征在于，在步骤S3中，在覆膜过程中，每间隔5min用玻璃棒搅拌所述分子筛载体。

9.根据权利要求2所述的可用于水体原位修复的固定化缓释微生物的制备方法，其特征在于，在步骤S4中，所述脱氮菌培养基配方为：6g柠檬酸钠、1g(NH₄)₂SO₄、2gKNO₃、1gK₂HPO₄、0.8gKH₂PO₄、0.2gMgSO₄·7H₂O，补充蒸馏水至1L，pH＝7.0。

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