一种包埋有细菌的3D自组装泡沫的制作方法及其应用技术

本发明专利技术属于微生物固定化与难降解废水处理技术领域，具体涉及一种包埋有细菌的3D自组装泡沫的方法及其应用，本发明专利技术所述制备方法流程简单，且制作包埋有细菌的3D自组装泡沫成本较低，具有实用价值；且通过本发明专利技术所示制备方法制备得到的包埋有细菌的3D自组装泡沫孔隙率高、比表面积大、机械强度、化学稳定性好、亲水性强及良好的吸附性能，这大大增加了传质效率，显著增强包埋有细菌的3D自组装泡沫对废水的降解速率和效果，有效的减少废水处理中高效菌种的流失；通过本发明专利技术所示制备方法制备得到的包埋有细菌的3D自组装泡沫承受能力强，且可以重复多次使用，可以有效的降低废水在生物处理后的出水色度，对于大规模应用与废水的生物强化处理有重要意义。

Preparation and application of 3D self-assembled foam embedded with bacteria

The invention belongs to the technical field of microbial immobilization and refractory degradation wastewater treatment, in particular to a method and application of embedding 3D self-assembled foam with bacteria. The preparation process of the invention is simple, and the 3D self assembling foam embedded with bacteria has low cost and practical value, and the 3D self embedding bacteria is prepared through the preparation method of the invention. It has high foam porosity, large specific surface area, mechanical strength, good chemical stability, strong hydrophilicity and good adsorption properties. This greatly increases the mass transfer efficiency, significantly enhances the degradation rate and effect of the 3D self-assembled foam embedded with bacteria, and effectively reduces the loss of efficient bacteria in wastewater treatment. The 3D self-assembly foam has strong endurance and can be repeatedly used. It can effectively reduce the effluent chroma of the wastewater after biological treatment, and is of great significance for large-scale application and bioaugmentation treatment of wastewater.

【技术实现步骤摘要】
一种包埋有细菌的3D自组装泡沫的制作方法及其应用
本专利技术属于微生物固定化与难降解废水处理
，具体涉及一种包埋有细菌的3D自组装泡沫的制作方法及其应用。
技术介绍
工业废水通常具有有机物浓度高、组分复杂、难降解物所占的比重大，氨氮含量高，以及产生色度、挥发性、泡沫等污染性状特征，现有工业废水处理工艺很难满足日益严格的环保标准，因此如何经济高效的深度处理工业废水已成为水处理领域的研究难点。生物法是一种低能耗、低成本、环保的水处理方法，对污染物有较强的适应性，废水中的污染物经过生物代谢后得以分解或转化。微生物固定化技术是强化工业废水处理最为经济有效的方法，不仅可以有效的提升废水处理过程中的生物量、同时配合多种微生物强化处理废水，还可以减少污泥产量，最大程度上降低废水处理成本。目前常用的降解废水的微生物固定化技术是将特定微生物固定在目标载体上，使其在应用中能保持高度密集与高生物活性，同时能够快速、大量增殖的生物技术。常用的固定化方法包括吸附法、共价结合法、交联法和包埋法等，包埋法简单，成本低，反应条件温和，有较高的细胞容量，是一种理想的固定化方法，但该法通常以水凝胶的形式呈现，研究表明微生物大多生长在固定化颗粒的边缘区，而内部则出现微生物生长惰性区，从而固定的微生物传质性能较差，微生物含量和活性受包埋材料的影响很大，同时固定化技术对废水的色度等污染性状的去除极其有限，这些问题使其在实际应用中受到很大限制。
技术实现思路
本专利技术为了解决上述一般的包埋法通常以水凝胶的形式呈现，微生物易生长在固定化颗粒的边缘区导致微生物传质性能较差、微生物含量和活性受包埋材料的影响很大、同时固定化技术对废水的色度等污染性状的去除极其有限的问题提供了一种包埋有细菌的3D自组装泡沫的制作方法及其应用。本专利技术解决其技术问题的技术方案如下：一种包埋有细菌的3D自组装泡沫的制作方法，具体步骤如下：接种细菌至培养液进行培养至OD600=1，接着将活化有细菌的培养液离心，除去上清液，再将细菌菌液重新悬浮于高纯水中；将海藻酸钠加入到悬浮有细菌菌液的高纯水中充分溶解，之后再加入氧化石墨烯溶液；使得高纯水中的海藻酸钠和氧化石墨烯以5-50：0.5-5的浓度比例混合，以mg/ml计算，得到包埋有细菌的3D自组装泡沫的前体；氧化石墨烯由于其优良的导热、导电、力学性质、大的比表面积以及易于与其他物质通过化学键相连的优势，特别是三维石墨烯结构，不但保留了氧化石墨烯优良的物理化学特性，还赋予了氧化石墨烯诸如多孔、大的比表面积、吸附等特性；包埋有细菌的3D自组装泡沫的前体在-4～-196℃冷冻6-18h，自组装形成3D结构；将冷冻后的前体放入冷冻真空干燥机中，在-80℃条件下冷冻干燥48h，得到多孔结构前体；不同的冷冻温度和时间会产生不同的晶体，从而影响材料最终的结构和性能，为了使形成的3D结构和其性能达到最优化，所以本专利技术选择-4～-196℃冷冻6-18h；首先通过冷冻、干燥，得到指定的3D多孔结构，提升其在实际应用中的传质效率；将多孔前体浸入交联剂中交联，得到包埋有细菌的3D自组装泡沫。优选的,所述步骤中在30℃、120rmp（摇床）、pH=7的条件下在模拟废水培养液中培养细菌到OD600=1。其中30℃、120rmp（摇床）、pH=7是绝大多数微生物生长的有利条件，OD600=1是一个合适的菌浓度。优选的，步骤中的所述交联剂是浓度为5-8wt％的CaCl2溶液。Ca2+浓度过低，形成的海藻酸钙-Ca2+-氧化石墨烯网络结构松散，易破损，Ca2+浓度过高，生成的网络结构交联度过高，收缩程度加强，在该浓度下的交联结构更加稳定。优选的，所述模拟废水培养液包括：4.6mg/mlC4H4Na2O4、0.47mg/ml(NH4)2SO4、0.05mg/mlMgSO4·7H2O、0.2mg/mlK2HPO4、0.01mg/mlFeSO4·7H2O和0.01mg/mlMnSO4·H2O。优选的，步骤中先将3D自组装泡沫包埋细菌的前体加入1-50cm3的模具中，在进行冷冻。模具过大或过小对所制作材料的传质能力和溶解氧在其中的扩散有显著影响。通过本专利技术所述的制备方法使海藻酸钠、氧化石墨烯、CaCl2相互成键，形成稳定的多孔材料得到包埋有细菌的3D自组装泡沫，细菌在制作3D自组装泡沫的过程中加入，能均匀分散在最后制成的3D自组装泡沫中，故不会出现细菌易生长在固定化颗粒的边缘区的情况，细菌固定在3D自组装泡沫之后，相当于为细菌提供了一层屏障，与传统的水凝胶包埋材料相比，传质效果大大改善，与聚氨酯类等挂膜材料相比，细菌的相容性也有所提升。氧化石墨烯有很强的吸附能力，使得细菌的环境污染物耐受阈值上升，因此也可以为细菌抵御不良环境提供保障，故使包埋的细菌成为优势菌群。本专利技术得到的包埋有细菌的3D自组装泡沫的孔隙率高，比表面积大，具有良好的机械强度、化学稳定性、亲水性以及吸附性能。本专利技术进一步提供了本专利技术所述一种包埋有细菌的3D自组装泡沫的制作方法制备的包埋有细菌的3D自组装泡沫在降解废水中的应用。通过本专利技术所示制备方法制备得到的包埋有细菌的3D自组装泡沫孔隙率高、比表面积大、机械强度、化学稳定性好、亲水性强及良好的吸附性能，这大大增加了传质效率，显著增强包埋有细菌的3D自组装泡沫对废水的降解速率和效果，有效的减少废水处理中高效菌种的流失，且3D自组装泡沫自身能有效的降低废水在生物处理后的出水色度。优选的，所述细菌为异养硝化好氧反硝化菌。废水中的氨氮是主要污染物，而异养硝化好氧反硝化菌就是专门降解氨氮的细菌。其中，优选的，所述包埋有细菌的3D自组装泡沫在废水中的接入量为30-60cm3/100ml废水，且处理温度为15-40℃，pH5-9。细菌接入量过低会导致细菌对废水处理作用发挥缓慢，过高又会产生更高的成本，为了细菌处理废水的效果好并且成本尽可能低，故优选该接入量；利用该材料包埋细菌后，可以改善细菌的环境温度及pH适应能力，处理温度保持在15-40℃，更能保证细菌的活性。本专利技术的有益效果是：本专利技术所述制备方法流程简单，原理构思巧妙，且制作包埋有细菌的3D自组装泡沫成本较低，具有实用价值；且通过本专利技术所示制备方法制备得到的包埋有细菌的3D自组装泡沫孔隙率高、比表面积大、机械强度、化学稳定性好、亲水性强及良好的吸附性能，这大大增加了传质效率，显著增强包埋有细菌的3D自组装泡沫对废水的降解速率和效果，有效的减少废水处理中高效菌种的流失；通过本专利技术所示制备方法制备得到的包埋有细菌的3D自组装泡沫承受能力强，且可以重复多次使用，有效的降低废水在生物处理后的出水色度，对于大规模应用与废水的生物强化处理有重要意义。附图说明图1为本专利技术所述包埋有细菌的3D自组装泡沫的实物图。图2为实施例1中本专利技术所述包埋有细菌的3D自组装泡沫在不同接种条件下对混合废水的苯酚检测折线图。图3为实施例1中本专利技术所述包埋有细菌的3D自组装泡沫在不同接种条件下对混合废水的氨氮检测折线图。图4为实施例1中本专利技术所述包埋有细菌的3D自组装泡沫在不同接种条件下对混合废水的pH值折线图。图5为实施例2中在15℃下的不同检测指标折线图。图6为实施例2中在20℃下的不同检测指标折线图。图7为实施例2中在30℃下的不同检测本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种包埋有细菌的3D自组装泡沫的制作方法，其特征在于，具体步骤如下：

【技术特征摘要】
1.一种包埋有细菌的3D自组装泡沫的制作方法，其特征在于，具体步骤如下：接种细菌至培养液进行培养至OD600=1，接着将活化有细菌的培养液离心，除去上层清液，再将细菌菌液重新悬浮于高纯水中；将海藻酸钠加入到悬浮有细菌菌液的高纯水中充分溶解，之后再加入氧化石墨烯溶液；使得高纯水中的海藻酸钠和氧化石墨烯以5-50：0.5-5的浓度比例混合，以mg/ml计算，得到包埋有细菌的3D自组装泡沫的前体；包埋有细菌的3D自组装泡沫的前体在-4～-196℃冷冻6-18h，自组装形成3D结构；将冷冻后的前体放入冷冻真空干燥机中，在-80℃条件下冷冻干燥48h，得到多孔前体；将多孔前体浸入交联剂中交联，得到包埋有细菌的3D自组装泡沫。2.根据权利要求1所述的一种包埋有细菌的3D自组装泡沫的制作方法，其特征在于，所述步骤中在30℃、120rmp、pH=7的条件下在培养液中培养细菌到OD600=1。3.根据权利要求2所述的一种包埋有细菌的3D自组装泡沫的制作方法，其特征在于，步骤的所述交...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘玉香，袁鑫，李风雷，曹昉，李亚青，任瑞鹏，吕永康，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：山西,14