本發(fā)明屬于固定化生物領(lǐng)域，具體涉及一種利用多糖植物膠制備包埋微生物的方法。

背景技術(shù)：

包埋微生物是將特定微生物固定在多孔凝膠內(nèi)，使之在系統(tǒng)中持久滯留和作用的一種生化形式，產(chǎn)品具有微生物密度高，耐受環(huán)境變化和負(fù)荷沖擊，固液分離容易，剩余污泥少等優(yōu)點(diǎn)。但是在制備過程中如何保證包埋凝膠的強(qiáng)度同時又保持較高的生物活性是包埋微生物制備的核心，這也是包埋微生物工程實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵問題。

目前的包埋化微生物制備方法主要分為兩類：一類方法是利用天然高分子為主要原料制備凝膠體系進(jìn)行包埋，屬于天然高分子凝膠包埋體系；該制備體系的優(yōu)點(diǎn)是反應(yīng)條件溫和，反應(yīng)過程平穩(wěn)，原材料生物相容性好，包埋后微生物活性保持良好，但缺點(diǎn)是強(qiáng)度低，不耐微生物侵蝕，因此使用壽命很短，難以實(shí)用化；如專利CN1800381A公開了一種卡拉膠固定化微生物細(xì)胞球狀顆粒的制備方法及應(yīng)用，其中直接利用卡拉膠在溶液中分散后用KCl進(jìn)行固化就屬于這一類方法，還有許多文獻(xiàn)如CN 105018458A等中通用的海藻酸鈉與CaCl2溶液凝膠固化包埋微生物也屬于天然高分子凝膠包埋體系。另一類方法是利用人工合成化學(xué)原料進(jìn)行聚合凝膠進(jìn)行包埋，屬于人工合成凝膠包埋體系；該體系的優(yōu)點(diǎn)是聚合凝膠體系強(qiáng)度高，使用壽命長，能滿足實(shí)際應(yīng)用需求，但缺點(diǎn)是反應(yīng)條件嚴(yán)苛，反應(yīng)過程迅速并通常伴隨大量反應(yīng)放熱，并且原料體系通常具有一定的生物毒性，因此包埋后的微生物活性損失大，使用效果不佳；如專利CN103060304A公開了一種包埋微生物載體及其光化學(xué)制備方法，其采用紫外光輻射進(jìn)行單體聚合就屬于這一類方法，還有許多文獻(xiàn)如專利CN101812440A等中通用的聚丙烯酰胺直接交聯(lián)聚合凝膠的方法也屬于人工合成凝膠包埋體系。

因此，現(xiàn)有技術(shù)中所采用的包埋化微生物方法普遍存在強(qiáng)度低，不耐微生物侵蝕，以及反應(yīng)條件嚴(yán)苛的缺陷，而如何在保證包埋載體內(nèi)微生物活性的基礎(chǔ)上，提高載體的生物相容性、活性和實(shí)用壽命，并使之在反應(yīng)器中長期穩(wěn)定的運(yùn)行是目前本領(lǐng)域技術(shù)人員亟待解決的技術(shù)難題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為解決現(xiàn)有技術(shù)中的上述問題，提出一種利用多糖植物膠制備包埋微生物的方法，采用本發(fā)明方法制備的包埋微生物凝膠強(qiáng)度高、壽命長，且傳質(zhì)效率高、生物相容性好、活性高。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

本發(fā)明的第一個方面是提供一種利用多糖植物膠制備包埋微生物的方法，包括以下步驟：

步驟一，將多糖植物膠溶解于15-50℃的水中，冷卻后制得濃度為0.5-5％的溶液A；

步驟二，向100-400mL的溶液A中加入36-100g待包埋的微生物，充分混合攪拌得到溶液B；

步驟三，制備濃度為3-12％的硅溶膠溶液，作為溶液C；

步驟四，在200mL的溶液C中加入50-70g丙烯酰胺單體和2-3g交聯(lián)劑，充分溶解后，得溶液D；

步驟五，將溶液B和D充分混合攪拌，并調(diào)節(jié)pH值至中性，然后加入交聯(lián)催化劑和交聯(lián)引發(fā)劑，迅速攪拌1-3分鐘后，倒入成型模具中進(jìn)行固化；

步驟六，將固化后的包埋微生物切割成需要的尺寸大小。

進(jìn)一步地，所述步驟一中多糖植物膠選自黃原膠、果膠、瓜爾膠、阿拉伯樹膠或其改性衍生物中的一種或幾種。

進(jìn)一步地，所述步驟二中的待包埋的微生物為細(xì)菌、藻類或活性污泥。

進(jìn)一步地，所述步驟三中的硅溶膠溶液采用偏硅酸鈉或偏硅酸鉀通過酸中和法制備獲得，或采用有機(jī)硅氧烷在酸性條件下水解獲得。

進(jìn)一步地，所述有機(jī)硅氧烷選自四甲氧基硅烷、硅酸四乙酯、正硅酸丙酯中的一種或幾種。

進(jìn)一步地，所述步驟四中的交聯(lián)劑為含有不飽和雙鍵的化學(xué)交聯(lián)劑。

進(jìn)一步地，所述步驟四中的交聯(lián)劑優(yōu)選為n,n’-亞甲基雙丙烯酰胺。

進(jìn)一步地，所述步驟五中的交聯(lián)催化劑為四甲基乙二胺或乙醇胺；所述交聯(lián)引發(fā)劑為過氧化鉀、過氧化鈉或過氧化銨。

進(jìn)一步地，所述步驟五中交聯(lián)催化劑在包埋體系中的用量百分比為0.7-2％(m/v)；優(yōu)選為1-1.8％(m/v)；更優(yōu)先為1.3-1.5％(m/v)。

進(jìn)一步地，所述步驟五中引發(fā)劑在包埋體系中的百分比為0.1-0.6％(m/v)；優(yōu)選為0.2-0.5％(m/v)；更優(yōu)先為0.3-0.4％(m/v)。

本發(fā)明的第二個方面是提供一種采用上述所述方法制備的包埋微生物凝膠。

本發(fā)明的所述包埋微生物凝膠是利用天然多糖植物膠與人工合成聚合單體及交聯(lián)劑進(jìn)行共聚凝膠，形成高強(qiáng)度的多孔包埋微生物凝膠載體。

本發(fā)明所采用的多糖植物膠分子結(jié)構(gòu)中具有豐富的羥基官能團(tuán)，與聚合單體及交聯(lián)劑作用可以形成牢固的凝膠網(wǎng)絡(luò)，同時多糖植物膠屬于天然高分子糖類，分子鏈長且溶液粘度較大，可以緩沖單體交聯(lián)時的反應(yīng)速度，降低反應(yīng)體系溫度，從而避免反應(yīng)瞬間劇烈放熱升溫對微生物活性的影響；多糖植物膠引入交聯(lián)聚合體系可以提高凝膠整體聚合均勻度，并擴(kuò)大凝膠網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)格尺寸，從而提升凝膠載體的傳質(zhì)能力。多糖植物膠具有良好的生物相容性，對微生物進(jìn)行混合包裹后能有效緩沖人工合成化學(xué)品原料對微生物的毒性，增加微生物活性；聚合后的殘留還能夠被微生物作為營養(yǎng)底物加以利用，因此制得的包埋微生物保存時間較長。

進(jìn)一步地，所述多糖植物膠選自黃原膠、果膠、瓜爾膠、阿拉伯樹膠或其改性衍生物中的中或幾種，且黃原膠、果膠、瓜爾膠和阿拉伯膠是常見的天然多糖植物膠，它們都是具有良好的水溶性和粘性的多糖高分子，羥基官能團(tuán)豐富，其中黃原膠、果膠、瓜爾膠屬于“低濃高粘”的多糖植物膠，阿拉伯膠屬于“高濃低粘”的多糖植物膠，根據(jù)多糖植物膠溶液的粘度和濃度的要求，將這幾種多糖植物膠或其衍生物進(jìn)行適當(dāng)?shù)膹?fù)配溶解使用，得到合適濃度和粘度的多糖植物膠溶液。

進(jìn)一步地，所述硅溶膠溶液采用偏硅酸鈉或偏硅酸鉀通過酸中和法制備獲得，或采用有機(jī)硅氧烷在酸性條件下水解獲得。有機(jī)硅氧烷水解或偏硅酸鹽進(jìn)行酸中和制備形成的二氧化硅溶膠可以作為包埋微生物凝膠的無機(jī)骨架，與有機(jī)凝膠形成互穿網(wǎng)絡(luò)，從而提高包埋微生物凝膠的整體強(qiáng)度和抗生物侵蝕性，提高使用壽命。

本發(fā)明中丙烯酰胺單體和交聯(lián)劑的作用是形成有機(jī)凝膠網(wǎng)絡(luò)，由于其具有一定的生物毒性，需適當(dāng)控制其用量，以保持較高的微生物活性。

本發(fā)明采用上述技術(shù)方案，與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下技術(shù)效果：

采用本發(fā)明方法所制備的包埋微生物凝膠不但強(qiáng)度高、壽命長，可在流化反應(yīng)器中運(yùn)行超過3年以上，且微生物活性在包埋后可保持97％以上；而且傳質(zhì)效率高、生物相容性好、活性高，原料體系對微生物損害低，且能夠被微生物作為營養(yǎng)底物利用，因此保存時間較長；該制備方法所采用的原料來源廣泛，成本低，且制備方法在常溫有氧條件下即可操作，操作簡便；制備的包埋微生物主要應(yīng)用于高濃度高鹽分的有機(jī)廢水，并可大規(guī)模工業(yè)化制備。

具體實(shí)施方式

下面通過具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)和具體的介紹，以使更好的理解本發(fā)明，但是下述實(shí)施例并不限制本發(fā)明范圍。

實(shí)施例1 利用多糖植物膠制備包埋微生物

步驟一，將黃原膠用50℃的去離子水?dāng)嚢枞芙獾玫饺芤篈，溶液A的濃度為2％；

步驟二，向100mL的溶液A中加入36g活性污泥，充分混合攪拌得到溶液B；

步驟三，用0.1ml的鹽酸溶液將180mL去離子水調(diào)節(jié)pH值至5，然后加入20mL的硅酸四乙酯，充分?jǐn)嚢杷?，得到透明的溶液C；

步驟四，在200mL的溶液C中加入50g丙烯酰胺單體和2g N，N’-亞甲基雙丙烯酰胺，充分溶解后，得溶液D；

步驟五，將溶液B和D充分混合攪拌，并采用5％的NaOH溶液調(diào)節(jié)pH值至中性，然后加入四甲基乙二胺10mL和過硫酸鉀飽和溶液30mL，迅速攪拌1.5分鐘后，倒入成型模具中進(jìn)行固化；

步驟六，將固化后的成型凝膠切割成3×3mm的方塊。

將制備得到的包埋化活性污泥用于處理生活污水，經(jīng)過5小時處理，COD從400mg/L降低到20mg/L，使用壽命3年以上。

實(shí)施例2 利用多糖植物膠制備包埋微生物

步驟一，將果膠用40℃的去離子水?dāng)嚢枞芙獾玫饺芤篈，溶液A的濃度為1％；

步驟二，向400mL的溶液A中加入72g硝化菌，充分混合攪拌得到溶液B；

步驟三，用0.1ml的鹽酸溶液將180mL去離子水調(diào)節(jié)pH值至3，然后加入70mL的四甲氧基硅烷，充分?jǐn)嚢杷?，得到透明的溶液C；

步驟四，在200mL的溶液C中加入70g丙烯酰胺單體，4g N，N’-亞甲基雙丙烯酰胺，充分溶解后，得溶液D；

步驟五，將溶液B和D充分混合攪拌，采用0.01mol的PBS溶液調(diào)節(jié)pH值至中性，然后加入乙醇胺18mL和過硫酸鈉飽和溶液40mL，迅速攪拌3分鐘后，倒入成型模具中進(jìn)行固化；

步驟六，將固化后的成型凝膠切割成6×6mm的方塊。

將制備得到的包埋硝化菌處理養(yǎng)豬廢水，經(jīng)過6小時處理，氨氮從80mg/L降低到1mg/L以下，使用壽命3年以上。

實(shí)施例3 利用多糖植物膠制備包埋微生物

步驟一，將瓜爾膠用15℃的去離子水?dāng)嚢枞芙獾玫饺芤篈，溶液A的濃度為0.5％；

步驟二，向300mL的溶液A中加入30g氯化鈉及40g嗜鹽菌，充分混合攪拌得到溶液B；

步驟三，用0.1ml的鹽酸溶液將180mL去離子水調(diào)節(jié)pH值至4，然后加入40mL的正硅酸丙酯，充分?jǐn)嚢杷猓玫酵该鞯娜芤篊；

步驟四，在200mL的溶液C中加入60g丙烯酰胺單體，3g N，N’-亞甲基雙丙烯酰胺，充分溶解后，得溶液D；

步驟五，將溶液B和D充分混合攪拌，采用0.01mol的PBS溶液調(diào)節(jié)pH值至中性，然后加入四甲基乙二胺14mL和過硫酸銨飽和溶液35mL后迅速攪拌，倒入成型模具中進(jìn)行固化；

步驟六，將固化后的成型凝膠切割成4×4mm的方塊。

用制備得到的包埋嗜鹽菌處理腌蘿卜廢水，含氯化鈉14％，COD含量12000mg/L，經(jīng)過72小時處理，COD降到600mg/L，使用壽命3年以上。

實(shí)施例4 利用多糖植物膠制備包埋微生物

步驟一，將阿拉伯樹膠用50℃的去離子水?dāng)嚢枞芙獾玫饺芤篈，溶液A的濃度為5％；

步驟二，向200mL的溶液A中加入50g小球藻，充分混合攪拌得到溶液B；

步驟三，配置3％的偏硅酸鈉溶液，用鹽酸調(diào)節(jié)pH值到低于9，加入少量聚乙二醇200做分散劑，得到溶液C；

步驟四，在200mL的溶液C中加入65g丙烯酰胺單體，2.5g N，N’-亞甲基雙丙烯酰胺，充分溶解后，得溶液D；

步驟五，將溶液B和D充分混合攪拌，采用0.01mol的PBS溶液調(diào)節(jié)pH值至中性，然后加入四甲基乙二胺14mL和過硫酸銨飽和溶液35mL后迅速攪拌，倒入成型模具中進(jìn)行固化；

步驟六，將固化后的成型凝膠切割成3×3mm的方塊。

用制備得到的包埋化小球藻處理魚塘養(yǎng)殖水，經(jīng)過12h處理，總氮從80mg/L降到7mg/L，使用壽命3年以上。

實(shí)施例5 利用多糖植物膠制備包埋微生物

步驟一，將羥丙基瓜爾膠和阿拉伯樹膠用30℃的去離子水?dāng)嚢枞芙獾玫饺芤篈，溶液A中的瓜爾膠濃度為0.5％，阿拉伯樹膠的濃度為3％；

步驟二，向350mL的溶液A中加入30g聚磷菌的混合菌，充分混合攪拌得到溶液B；

步驟三，用0.1ml的鹽酸溶液將180mL去離子水調(diào)節(jié)pH值至4，然后加入40mL的四甲氧基硅烷，充分?jǐn)嚢杷猓玫酵该鞯娜芤篊；

步驟四，在200mL的溶液C中加入60g丙烯酰胺單體，3g N，N’-亞甲基雙丙烯酰胺，充分溶解后，得溶液D；

步驟五，將溶液B和D充分混合攪拌，采用0.01mol的PBS溶液調(diào)節(jié)pH值至中性，然后加入四甲基乙二胺14.5mL和過硫酸鉀飽和溶液35mL后迅速攪拌，倒入成型模具中進(jìn)行固化；

步驟六，將固化后的成型凝膠切割成3×3mm的方塊。

用制備得到的包埋化聚磷菌處理垃圾滲濾液，經(jīng)過12小時處理，總磷從100mg/L降低到8mg/L，使用壽命3年以上。

對比例1 采用專利CN101812440A中實(shí)施例2的技術(shù)方案制備微生物載體，不同的是將包埋硝化細(xì)菌替換為包埋活性污泥(同實(shí)施例1中相同的活性污泥)。

將該包埋有活性污泥的微生物載體用于處理生活污水(同實(shí)施例1中相同的生活污水)，經(jīng)過5小時處理，COD從400mg/L降低到63mg/L，使用壽命1.5年。

對比例2 采用專利CN101812440A中實(shí)施例2的技術(shù)方案制備微生物載體，不同的是將高分子替換為黃原膠，并將包埋硝化細(xì)菌替換為包埋活性污泥(同實(shí)施例1中相同的活性污泥)。

將該包埋有活性污泥的微生物載體用于處理生活污水(同實(shí)施例1中相同的生活污水)，經(jīng)過5小時處理，COD從400mg/L降低到80mg/L，使用壽命1年。

對比例3 采用專利CN101812440A中實(shí)施例2的技術(shù)方案制備包埋有硝化細(xì)菌的微生物載體。

將該包埋有硝化細(xì)菌的微生物載體用于處理養(yǎng)豬廢水(同實(shí)施例2中相同的養(yǎng)豬廢水)，經(jīng)過6小時處理，氨氮從80mg/L降低到6.2mg/L，使用壽命2年。

對比例4 采用專利CN1800381A的技術(shù)方案制備包埋有硝化細(xì)菌的微生物載體，不同的是微生物替換為小球藻。

將該包埋有小球藻的微生物載體用于處理魚塘養(yǎng)殖水，經(jīng)過12h處理，總氮從80mg/L降到15mg/L，使用壽命2年。

對比例5 采用專利CN103060304A的技術(shù)方案制備包埋有活性污泥的微生物載體，不同的是微生物替換為活性污泥(同實(shí)施例1中相同的活性污泥)。

將該包埋有活性污泥的微生物載體用于處理生活污水(同實(shí)施例1中相同的生活污水)，經(jīng)過5小時處理，COD從400mg/L降低到54mg/L，使用壽命1年。同時，將制備得到的包埋活性污泥的微生物載體用于處理養(yǎng)豬廢水，經(jīng)過6小時處理，氨氮從80mg/L降低到4mg/L，使用壽命1.5年。

與對比例1-5制得的包埋微生物相比，本發(fā)明實(shí)施例1-5所制備的包埋微生物具有較高的強(qiáng)度，其在用于污水處理具有更高的COD去除率、更高的氨氮去除率，可有效去除污水中的有機(jī)物、氨氮、總氮、總磷，且可適應(yīng)于高含鹽的污水環(huán)境，且采用本發(fā)明方法制得的包埋微生物中微生物保持的活性高，投加量少。

以上對本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行了詳細(xì)描述，但其只是作為范例，本發(fā)明并不限制于以上描述的具體實(shí)施例。對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，任何對本發(fā)明進(jìn)行的等同修改和替代也都在本發(fā)明的范疇之中。因此，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍下所作的均等變換和修改，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的范圍內(nèi)。