CN101367580A - 共固定化介体与菌体促进难降解有机物生物转化的方法 - Google Patents
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Abstract
共固定化介体与菌体促进难降解有机物生物转化的方法，属于环境工程水处理技术领域。其特征是采用包埋法、膜反应器法或颗粒污泥法，将菌体与非水溶性介体共固定化在一个生物反应器中，并用于促进水中难降解有机物的生物还原转化，从而使难降解有机废水的整个生物处理效率得以大幅度提高。本发明效果和益处是非水溶性介体与菌体共固定化的制备工艺简单，操作方便，解决了水溶性介体随出水流失而造成二次污染的问题，在偶氮染料、硝基芳烃、多氯有机物等难降解有机废水生物处理中具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于环境工程水处理技术领域，涉及共固定化介体与菌体促进难降解有机物生物转化的方法。
背景技术
随着工农业的发展，产生了大量的有毒难降解有机物，如卤代、含偶氮及硝基芳香化合物等等。这些化合物被广泛应用于人们生产和生活中并经过多种途径进入自然环境，呈现长期残留性和高毒性等特点。其中的某些物质具有致畸或致癌作用，可在食物链中生物聚积，严重威胁到人类的生命安全。
含有毒难降解有机物废水的处理有物理法、化学法、生物法及这些方法的组合。由于生物法具有操作简单、运行成本低，无二次污染的优点，因此是上述废水的首选处理技术。生物处理法可分为好氧法、厌氧法和厌氧-好氧法。其中，厌氧-好氧工艺(A/O)是处理这类废水的最有效方法。由于偶氮键、硝基等具有极强的吸电子效应，使之直接通过氧化途径难以得到降解。而这些难降解有机物经厌氧生物处理，如水解、产甲烷、反硝化、反硫化等，往往可提高其后续好氧生化性。但厌氧微生物代谢速率慢，尤其对一些顽固性有机污染物。因此，厌氧处理通常是上述难降解有机物完全生物降解的瓶颈。
已有研究表明，一些腐殖酸或醌类化合物，如2，6-二磺酸蒽醌(AQDS)，作为氧化还原介体可加速电子在电子供体与受体之间的传递，从而大幅度提高污染物的化学和生物转化效率。其作用原理如下：在适宜电子供体存在下，AQDS可被生物还原为氢醌，后者作为电子供体可无选择性地还原许多化合物，如卤代及含氮芳香化合物等，并完成AQDS的再生。这种生物-化学组合机理在混合难降解有机物处理中具有独特的优势，尤其是该反应可在胞外进行，对于难以进入细胞内的高极性或结构复杂的有机物、有毒难降解有机物等，可大幅度提高其生物降解速率。
虽然AQDS等一些水溶性醌类化合物能够催化强化难降解有机物的厌氧生物转化，但是在水处理体系中其弊端是这些醌类化合物昂贵，并会随出水而流失，造成二次污染。
Van der Zee等发现了活性炭可被生物还原并可作为氧化还原介体，其活性基团被认为是醌/羰基。但活性炭接受电子的能力比小分子化合物AQDS低得多，后者是前者的6.1倍。而且活性炭本身具有的以及氧化改性生成的醌/羰基大多位于孔径小于2nm的微孔处，而微生物通常大于0.2μm，难以接触到微孔，因此，其中的醌/羰基起到的催化作用有限。本实验室曾使用海藻酸钙固定化蒽醌作为介体，发现它可使几种偶氮染料的生物脱色速率提高1.5-2倍。但由于菌体与介体的接触限制，故该固定化蒽醌的催化活性有待于进一步提高。
发明内容
本发明的目的是将菌体与氧化还原介体共固定化在一个反应器中，解决水溶性氧化还原介体随出水流失而造成二次污染的技术问题，强化难降解有机物的生物还原转化。
本发明的技术解决方案是：选择非水溶性蒽醌类化合物作为介体，利用三种固定化技术(包埋法、膜反应器法或颗粒污泥法)，实现非水溶性介体与菌体的共固定化，并在厌氧生物反应器中加速难降解有机物的生物还原转化，从而使难降解有机废水的整个生物处理效率得以大幅度提高。
具体内容如下：
一、包埋法共固定化介体与菌体加速水中难降解有机物的生物转化其步骤如下：
1、菌体的选择和培养
所用菌体为通过富集所获得的醌还原菌群、活性污泥或二者组合。其中，醌还原菌群的富集和培养如下：
富集培养基组成为(g.L-1)：NH4Cl，1.0；KH2PO4，0.5；K2HPO4，0.6；MgCl2·6H2O，0.2；CaCl2·2H2O，0.05；Na2S·9H2O，0.037；pH7.0；AQDS 0.15g.L-1，葡萄糖0.5g.L-1。
在血清瓶内装入上述富集培养基和1～10％(v/v)的活性污泥，用富集培养基填满血清瓶，再用硅胶塞密封，置30℃培养箱静置培养，1～7d为一个富集周期，每个周期结束后，将菌液转接入新鲜富集培养基中。富集结束后，将该菌群转接至富集培养基中进行扩大培养。置于30℃厌氧培养箱中培养，当达到对数生长期时离心，弃去上清液，用0.1M pH7.0的磷酸盐缓冲溶液洗涤三次，最后将离心后的菌体用磷酸盐缓冲溶液配制成浓缩菌液。
2、介体的选择
非水溶性介体为蒽醌、1-硝基蒽醌、1-氨基蒽醌、1，8-二羟基蒽醌、1-氯蒽醌、1，2-二羟基蒽醌、1，4-二羟基蒽醌、1，8-二羟基-4，5-二硝基蒽醌、1，8-二氯蒽醌、1-氨基-2，4-二溴蒽醌中的一种或几种，其结构式如表1所示。
表1 非水溶性介体
3、包埋法共固定化菌球/菌块的制备：
包埋载体为一些天然或合成高分子聚合物，如海藻酸盐、琼脂、卡拉胶、聚乙烯醇等的一种或几种。共固定化菌球或菌块的制备步骤如下：
步骤1.通过加热手段使包埋载体溶于水；
步骤2.包埋载体-水混合物与同体积的上述所用菌体混合，并加入菌体质量0.1-10倍的非水溶性介体，然后搅拌均匀；
步骤3.通过加入添加剂或降低温度使上述混合物凝胶化；
步骤4.将上述凝胶加工成球状或块状。
4、共固定化介体与菌体加速水中难降解有机物的生物转化
将共固定化菌球/菌块加入厌氧生物反应器中，进水组成为难降解有机物、共底物、(NH4)2SO4、Na2HPO4、KH2PO4，微量CaCl2、MgSO4、FeCl3，COD：N：P＝100：5：1。
反应器间歇或连续运行。根据难降解有机物的生物还原转化情况，调整水力负荷、COD负荷和难降解有机物负荷、水力停留时间。反应器整个运行期间，温度保持在10-60℃，溶解氧<0.5mg/L，进水pH值为6-9。
二、膜反应器共固定化介体与菌体加速水中难降解有机物的生物转化其步骤如下：
1、菌体的选择
选择活性污泥作为接种污泥。
2、介体的选择
非水溶性介体为蒽醌、1-硝基蒽醌、1-氨基蒽醌、1，8-二羟基蒽醌、1-氯蒽醌、1，2-二羟基蒽醌、1，4-二羟基蒽醌、1，8-二羟基-4，5-二硝基蒽醌、1，8-二氯蒽醌、1-氨基-2，4-二溴蒽醌中的一种或几种。
3、膜反应器共固定化介体与菌体及其加速水中难降解有机物的生物转化
膜反应器采用一体式或分置式膜反应器，通过膜组件的截留作用将非水溶性介体和污泥共固定在反应器中。膜组件采用孔径为0.1-0.4μm的中空纤维、管式或平板微滤膜。
接种污泥加入膜反应器中，在反应器中其浓度为1-30g/L；非水溶性介体加入污泥中，在反应器中其浓度为1-30g/L。
进水组成：易降解有机物、难降解有机物、(NH4)2SO4、Na2HPO4、KH2PO4、微量CaCl2、MgSO4、FeCl3，COD：N：P＝100：5：1。
反应器启动时，先以间歇方式运行。当目标难降解有机物去除率达80％以上时，反应器开始连续运行。根据难降解有机物、COD去除及产气状况，逐渐地递增COD负荷和难降解有机物负荷、缩短水力停留时间，以加速反应器的启动。
为了使污泥进一步直接接触非水溶性介体，提高介体的生物还原速率，同时也为了进一步提高污泥絮凝性，减轻膜污染，在反应器启动时可以适当地投加一些絮凝剂、二价金属离子等。
当反应器稳定运行后，目标难降解有机物被快速生物还原转化。
反应器整个运行期间，不排泥，温度保持在10-60℃，溶解氧<0.5mg/L，进水pH值为6-9。
三、颗粒污泥法共固定化介体与菌体加速水中难降解有机物的生物转化其步骤如下：
1、菌体的选择
选择絮状活性污泥作为接种污泥。
2、介体的选择
非水溶性介体为蒽醌、1-硝基蒽醌、1-氨基蒽醌、1，8-二羟基蒽醌、1-氯蒽醌、1，2-二羟基蒽醌、1，4-二羟基蒽醌、1，8-二羟基-4，5-二硝基蒽醌、1，8-二氯蒽醌、1-氨基-2，4-二溴蒽醌中的一种或几种。
3、颗粒污泥法共固定化介体与菌体及其加速水中难降解有机物的生物转化
采用的反应器为能够培养厌氧颗粒污泥的生物反应器，如升流式厌氧污泥床(UASB)、厌氧膨胀颗粒污泥床(EGSB)、内循环反应器(IC)、升流式厌氧污泥床过滤器(UBF)或厌氧挡板反应器(ABR)。
接种污泥加入反应器中，在反应器中其浓度5-80g/L；非水溶性介体加入污泥中，在反应器中浓度1-80g/L。
进水组成：易降解有机物、难降解有机物、(NH4)2SO4、Na2HPO4、KH2PO4、微量CaCl2、MgSO4、FeCl3，COD：N：P＝100：5：1。
反应器启动时，首先间歇进水回流循环运行。当难降解有机物去除率达80％以上、污泥沉降性能有所改善时，反应器开始连续运行。根据难降解有机物、COD去除及产气状况，及时地递增水力负荷、COD负荷和难降解有机物负荷、缩短水力停留时间，以加速反应器的启动和促进含非水溶性介体厌氧颗粒污泥的形成。
另外，为了进一步加速厌氧污泥颗粒化进程，在反应器启动时可以适当地投加一些絮凝剂、二价金属离子等。
当反应器稳定运行后，目标难降解有机物被快速生物还原转化。
反应器整个运行期间，温度保持在10-60℃，溶解氧<0.5mg/L，进水pH值为6-9。
本发明的效果和益处是：
(1)介体与菌体共固定化的制备工艺简单，操作方便。
(2)将菌体与非水溶性介体共固定化在一个反应器中，解决了水处理体系中水溶性氧化还原介体随出水流失而造成二次污染的技术瓶径。
(3)共固定化介体与菌体的促进效应具有广谱性，可大幅度提高水中偶氮染料、硝基芳烃或多氯有机物等难降解有机物的厌氧生物转化速率，从而提升难降解有机废水的整个生物处理效率。
附图说明
图1是本发明提供的共固定化介体与菌体对不同偶氮染料的生物脱色图。图中纵坐标表示脱色率，单位为％；横坐标表示不同偶氮染料。1代表酸性红B；2代表酸性品红6B；3代表酸性大红3R；4代表笕菜红；5代表活性红X-3B；6代表活性艳红K-2G；7代表活性艳红KE-7B；8代表活性艳红K-2BP；9代表直接耐晒蓝B2RL；10代表直接耐晒黑GF。—■—代表共固定化菌球；—□—代表固定化菌球，其不含蒽醌，其他同共固定化菌球。图1表明，相对于固定化菌球，共固定化菌球对10种不同结构偶氮染料的生物脱色速率提高2-5倍。
图2是本发明提供的共固定化介体与菌体对硝基芳烃的生物转化曲线图。图中纵坐标表示硝基芳烃浓度，单位为mg/L；横坐标表示时间，单位为小时。—◇—代表固定化菌球+硝基苯；—□—固定化菌球+2，6-二硝基甲苯；—△—固定化菌球+2，4-二硝基甲苯；—◆—代表共固定化菌球+硝基苯；—■—共固定化菌球+2，6-二硝基甲苯；—▲—共固定化菌球+2，4-二硝基甲苯。固定化菌球是指不含蒽醌，其他同共固定化菌球。图2表明，相对于固定化菌球，共固定化菌球对硝基苯、2，4-二硝基甲苯和2，6-二硝基甲苯的生物还原转化均具有明显加速作用。
图3是本发明提供的共固定化介体与菌体对多氯有机物的生物转化图。图中纵坐标表示脱氯率，单位为％；横坐标表示多氯有机物。脱氯率由实验测出的氯离子量与多氯有机物中氯元素理论含量的比值计算得到。1代表三氯乙烯；2代表五氯酚。—■—代表共固定化菌球；—□—代表固定化菌球，其不含蒽醌，其他同共固定化菌球。图3表明，相对于固定化菌球，共固定化菌球对三氯乙烯及五氯酚的厌氧脱氯率提高了2.5-3倍。
图4是本发明提供的膜反应器共固定化介体与菌体加速活性艳红KE-7B生物脱色的曲线图。图中纵坐标表示脱色率，单位为％；横坐标表示时间，单位为天。—■—代表污泥中加入蒽醌；—▲—代表污泥中不加入蒽醌。图4表明，蒽醌的加入不仅大幅度缩短了膜反应器的启动时间，而且提高了活性艳红KE-7B生物脱色速率。
具体实施方式
下面结合技术方案和附图对本发明作进一步说明，但木发明并不限于下述实施例。
实施例1
海藻酸钙共固定化介体与菌体促进偶氮染料的生物脱色
[1]醌还原菌群的富集和培养
富集培养基组成为(g.L-1)：NH4Cl，1.0；KH2PO4，0.5；K2HPO4，0.6；MgCl2·6H2O，0.2；CaCl2·2H2O，0.05；Na2S·9H2O，0.037；pH7.0；AQDS 0.15g.L-1，葡萄糖0.5g.L-1。无机盐培养基为不含葡萄糖和AQDS的富集培养基。
在135mL血清瓶内装入100mL上述富集培养基和10mL活性污泥，富集培养基填满血清瓶，用硅胶塞密封，置30℃培养箱静置培养，2～3d为一个富集周期，每个周期结束后，将菌液转接入新鲜富集培养基中。8个周期后富集结束。将该菌群转接至富集培养基中进行扩大培养。置于30℃厌氧培养箱中培养，当达到对数生长期时在8000r.min-1下离心10min，弃去上清液，用0.1M pH7.0的磷酸盐缓冲溶液洗涤，再次离心，如此反复洗涤三次，最后将离心后的菌体用磷酸盐缓冲溶液配制成浓缩菌液。
[2]介体的选择
选择蒽醌作为非水溶性介体。
[3]共固定化菌球的制备
①将1.1g海藻酸钠加热溶于20mL去离子水中，并冷却至30℃；
②将①中的海藻酸钠-水混合物与同体积的菌悬液混合，并加入1g蒽醌，搅拌均匀；
③用注射器将②中混合物滴入5％CaCl2溶液中，制成小球，用生理盐水冲洗2次，于4℃冰箱中交联4h，备用。
[4]共固定化介体与菌体促进偶氮染料生物脱色
在135mL血清瓶中进行。在厌氧培养箱中，将共固定化菌球或固定化菌球、葡萄糖、表2中所列偶氮染料加入到血清瓶中，以无机盐培养基充满。最终的菌球浓度为120g.L-1，葡萄糖浓度为0.5g.L-1，偶氮染料浓度为180mg.L-1。使用橡胶塞密封瓶口，30℃厌氧培养箱中静置培养12h。
表2 所用偶氮染料
实施例2
海藻酸钙共固定化介体与菌体促进硝基芳烃的生物转化
[1]按实施例1富集和培养醌还原菌群
[2]选择蒽醌作为非水溶性介体
[3]按实施例1制备共固定化介体与菌体
[4]共固定化介体与菌体加速硝基芳烃的生物转化
在135mL血清瓶中进行。在厌氧培养箱中，将共固定化菌球或固定化菌球、葡萄糖、溶于丙酮中的硝基芳烃加入到血清瓶中，以无机盐培养基充满。最终的菌球浓度为120g.L-1，葡萄糖浓度为0.5g.L-1，硝基芳烃浓度为100mg.L-1。使用橡胶塞密封瓶口，30℃厌氧培养箱中静置培养3天。
实施例3
海藻酸钙共固定化介体与菌体促进多氯有机物的生物脱氯
[1]按实施例1富集和培养醌还原菌群
[2]选择蒽醌作为非水溶性介体
[3]按实施例1制备共固定化介体与菌体
[4]共固定化介体与菌体促进多氯有机物的生物脱氯
在135mL血清瓶中进行。在厌氧培养箱中，将共固定化菌球或固定化菌球、葡萄糖、多氯有机物加入到血清瓶中，以无机盐培养基充满。最终的菌球浓度为120g.L-1，葡萄糖浓度为0.5g.L-1，多氯有机物浓度为50mg.L-1。使用橡胶塞密封瓶口，30℃厌氧培养箱中静置培养4天。
实施例4
膜反应器共固定化介体与菌体加速偶氮染料活性艳红KE-7B的生物脱色
[1]选择活性污泥作为接种污泥
[2]选择蒽醌作为非水溶性介体
[3]膜反应器共固定化介体与菌体及其加速活性艳红KE-7B的生物脱色
采用一体式膜反应器。反应器材质为有机玻璃，尺寸为：150mm×250mm×350mm，有效容积为10L；所用膜组件为聚丙烯材质的中空纤维微滤膜，孔径为0.2μm，有效过滤面积为0.2m2。
接种污泥加入膜反应器中，浓度为5g/L；蒽醌加入污泥中，浓度为2g/L。
进水组成为(g.L-1)：NH4Cl，1.0；KH2PO4，0.5；K2HPO4，0.6；MgCl2·6H2O，0.2；CaCl2·2H2O，0.05；Na2S·9H2O，0.037；活性艳红KE-7B，0.2；葡萄糖，0.5g.L-1；pH7.0。
人工配水通过进水泵从底部送入生物反应器；膜出水在蠕动泵的负压抽吸作用下排出，每个抽吸周期为10min，即抽吸8min、停2min。反应器启动时，先以间歇方式运行。当活性艳红KE-7B脱色率达80％时，反应器开始连续运行。反应器运行期间，设有磁力搅拌，不排泥。温控仪保持温度在30±1℃，溶解氧<0.5mg/L，启动完成后水力停留时间为24h。以不加入蒽醌的膜反应器为对照。
实施例5
颗粒污泥法共固定化介体与菌体加速2，4-二硝基甲苯的生物转化
[1]选择絮状活性污泥作为接种污泥
[2]选择蒽醌作为非水溶性介体
[3]颗粒污泥法共固定化介体与菌体及其加速2，4-二硝基甲苯的生物转化
反应器采用升流式厌氧污泥床(UASB)。反应器材质为有机玻璃，内径为50mm；高600mm，有效容积为1L。
接种污泥加入反应器中，浓度为20TSSg/L；蒽醌加入污泥中，浓度为15g/L；同时加入10mg/L的阳离子聚丙烯酰胺。
进水组成为(g.L-1)：NH4Cl，1.0；KH2PO4，0.5；K2HPO4，0.6；MgCl2·6H2O，0.2；CaCl2·2H2O，0.1；Na2S·9H2O，0.037；2，4-二硝基甲苯，0.03-0.15；葡萄糖，1.2g.L-1；pH7.0。
人工配水通过进水泵从底部送入反应器，通过回流泵调节上升流速。反应器启动时，进水中2，4-二硝基甲苯初始浓度为30mg/L，间歇运行。当2，4-二硝基甲苯去除率达80％以上、污泥沉降性能有所改善时，反应器开始连续运行。根据2，4-二硝基甲苯、COD去除及产气状况，及时地缩短水力停留时间和递增进水中2，4-二硝基甲苯浓度，直至150mg/L。反应器运行期间，温控仪保持温度在30±1℃，溶解氧<0.5mg/L，上升流速0.15-0.25m/h，启动完成后水力停留时间为36h。
Claims (3)
1.共固定化介体与菌体促进难降解有机物生物转化的方法，包括以下步骤：
(1)菌体的选择，(2)介体的选择，(3)采用包埋法、膜反应器法或颗粒污泥法将菌体与非水溶性介体共固定化在一个生物反应器中，(4)用于水中难降解有机物的生物还原转化，其特征在于：包埋法共固定化菌球或菌块中非水溶性介体与菌体的质量比为0.1-10；膜反应器中非水溶性介体与接种活性污泥的质量比为0.033-30；颗粒污泥法中非水溶性介体与接种絮状活性污泥的质量比为0.013-16。
2.根据权利要求1所述的共固定化介体与菌体促进难降解有机物生物转化的方法，其特征在于：非水溶性介体为蒽醌、1-硝基蒽醌、1-氨基蒽醌、1，8-二羟基蒽醌、1-氯蒽醌、1，2-二羟基蒽醌、1，4-二羟基蒽醌、1，8-二羟基-4，5-二硝基蒽醌、1，8-二氯蒽醌、1-氨基-2，4-二溴蒽醌中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的共固定化介体与菌体促进难降解有机物生物转化的方法，其特征在于：菌体是通过富集所获得的醌还原菌群、活性污泥或二者组合。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C12 | Rejection of a patent application after its publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Open date: 20090218 |