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污水处理工艺-将生物酶固定在陶瓷填料中的方法
2018-06-17 阅读：次
技术领域
本发明涉及在污水处理工艺领域中一种生物酶固定化的方法，具体是指一种将生物酶固定在陶瓷填料中的方法。
技术背景
曝气生物滤池工艺是于20世纪80年代末开创的一种新型的污水处理技术，由于具有水力负荷大、水力停留时间短、出水水质好、运行费用少等的特点而受到越来越多的关注。而该工艺的实质是在生物反应池内充填填料，在其填料表面和内部布满生物膜，通过生物膜中微生物氧化分解作用将污水中的污染物，为此填料表面和内部生物膜的形成、脱落和更新的速度和质量，就会直接影响净化效果。与其他微生物处理方法相比，酶技术的应用具有催化效率高、反应条件温和、对设备要求低、反应速度快等点。可以说酶技术应用在废水处理中是一种很有潜力的方法，但是酶在高温、强酸条件下稳定性差，易失活，酶活性易受到废水中污染物的影响，不能重复利用。固定化酶就是人们在寻求克服这些不足的过程中不断改进发展起来的一项技术 。
酶的固定化是用固体材料将酶或限制于一定区域内，仍能进行其特有催化反应、并可回收及重复利用的一类技术，就是通过化学或物理的处理方法，使原来水溶性的酶与固态的水不溶载体相结合或被载体包埋。作为固定化酶的一部分，载体材料的结构和性能对固定化酶的各种性能都有着巨大的影响。固定化酶不在化学、生物学及生物工程、医学及生命科学等学科领域的研究异常活跃，得到迅速发展和广泛的应用，而且因为具有节省资源与能源、减少环境污染而符合可持续发展的战略要求。
陶瓷填料（瓷环）具有异的耐酸耐热性能、能耐除氟氧酸以外的各种酸、碱的腐蚀。陶瓷填料可用于化工、冶金、制酸、煤气、制氧、钢铁、制药、精细化工等行业的洗涤塔、冷却塔、回收塔、脱硫塔、干燥塔、吸收塔及反应器的内衬。它是由许多具有相同几何形状的填料单元体组成。由于陶瓷的结构，具有良好的亲水性能，其表面可形成薄的液膜的湍动及气流的倾斜曲折通道能促进气流但又不阻挡气流使陶瓷填料能与金属填料相匹敌，而其耐腐蚀、耐高温性能金属填料却无法相比。表面结构有良好的湿润性能，能使液体加快流动、使填料滞液量降至低。从而降低了过热、聚合和结焦的机会。
作为具有“活性”的陶瓷填料，必须具备以下几个条件：
1）先要求具有比较大的比表面积，为微生物的生长和繁殖提供必要的场所。
2）要求填料的的结构和空间有利于促进水体运动、污水中物与填料的接触面积，提高传质作用。
3）具有容易附着和固定的载体，在填料的表面和内部持续进行酶促反应，保持微生物的活性。
有关于酶固定化和生物填料的研究，相关的报道有[张巍巍,《硕士学位论文》，生物碳纤维的酶固定化研究，20100604]；CN200510035661.9公开了一种带有污水生物菌群的多孔陶瓷，在多孔陶瓷的孔隙里包含有可对污水进行生物处理且经低温干燥处理、处于休眠状态的菌群，在使用时可使有益微生物以快的速度繁殖，从而加快污水的净化处理速度，提高污水处理效果。但该方法不能利用且容易失效，不适用于工业生产。CN1314600C“改性微生物填料及其制备方法”，该发明高密度聚乙烯，胶粉，轻质碳酸钙，甲壳毒，炭黑混合加入到丙酮混合溶液，让丙酮自然挥发后，投入螺杆挤出机中，熔融挤出成型。由于使用马来酸酐，过氧化二异丙苯以及丙酮的化学药剂性质，降低了材料素质对微生物的亲和性，同时经过熔融挤压后，破坏了材料内部的微孔隙结构。
如何选择一种生产费用低廉，适用范围广，操作简易且可以利用的酶固定化工艺，便成为当前酶固定化研究的一种普遍共识。而如何有效地实现将生物酶固定在陶瓷填料中，也就成为时下的一个研究热点。
发明内容
本发明的目的是为了针对现有陶瓷填料的不足之处，提供一种有效地实现将生物酶固定在陶瓷填料中的方法，并且具有实际可操作性，工业应用价值明显的特点。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
将生物酶固定在陶瓷填料中的方法，其特征在于包括下述步骤：
1） 本发明中生物酶采用如下工艺进行处理：用0.5M NaOH将蒸馏水的pH调到8.0-8.5，并加入30% 过氧化氢，并使NaOH水溶液中含有质量含量为0.06%的过氧化氢，将NaOH水溶液加热至30-35℃；将将选购的生物酶以1∶5的质量比分散于上述NaOH水溶液中，用频率 40-50K赫兹超声波振20分钟，然后用5000r/min进行离心15分钟，取上清液；加入pH为9.0的0.2mol/L的硼酸盐缓冲液溶解沉淀，滤去不溶物后得到碱性蛋白改性酶液，存放在温度4℃的冰箱里备用；
2） 把经过振动过筛除灰除尘的陶瓷填料，以喷雾的方式加入改性剂，陶瓷填料重量与改性剂的重量比例是3：1；加入步骤1）中所制的碱性蛋白改性酶液并充分搅拌后静止，碱性蛋白改性酶液的加入量与陶瓷填料的质量比为1：100-500；使用负压真空泵抽真空后，通风干燥，后制成含水量为8-10％的生物酶陶瓷填料。
3） 步骤2）中所选用的改性剂按重量百分比包含1%－5%的氨基葡萄糖、5%－15%的玉米浆、1%－5%过氧化苯甲酰，1%－2%的硫酸铁、5%－20%的蛋白胨、53%－87%的乙酸乙酯混合，所述改性剂的各组分之和为。
4） 作为选，上述处理工艺中所使用的NaOH、过氧化氢、氨基葡萄糖、玉米浆、蛋白胨、过氧化苯甲酰、硫酸铁、乙酸乙酯均为分析纯试剂。
5） 作为选，上述生物酶处理工艺中硼酸盐缓冲液制备方法为：取硼酸溶解于水中，然后再用40%氢氧化钠溶液调节pH至9.0，并使溶液浓度为0.2mol/L的硼酸盐缓冲液。
6） 作为选，上述陶瓷填料选用的标准为：比表面积大于200m2/g、颗粒直径为10－20mm，空隙率大于95%。
7） 作为选，上述步骤2）中的喷雾时间为15－20分钟，喷雾的过程中翻动填料，静止时间为15－30分钟，真空泵的压力为65－75KPa，抽真空时间为20－40分钟，干燥温度小于45度。
本发明使用的生物酶为干燥的市售生物酶。
本发明中所述改性剂的作用为：对陶瓷填料表面和内部进行改性，陶瓷表面负电荷以及提供微生物系列的营养物质和生物酶的固定载体。为微生物在陶瓷填料上附着繁殖创造了条件，通过改性剂中提供的微生物繁殖需要的微量元素和活性成分，缩短了前期驯化微生物的时间。通过在陶瓷填料上固定化酶技术，可以加大酶促反应的效果，除了能提高对污水各种污染物的之外，还可以有效的分解微生物分泌的代谢产物，消除填料之间和填料内部污泥的累积，同时发挥酶促反应特有的高效性能，让填料具有自我净化自我更新的能力，延长填料使用寿命。
本发明的有益效果在于微生物的活性高，且具有自我更新的能力，可以长期使用。
实施例
碱性蛋白改性酶液制作
取蒸馏水1升，用0.5M NaOH将pH调到8.3，加入2 毫升 30% 过氧化氢，将水加热到35℃。称取200g生物酶分散于上述水溶液中，用频率50K赫兹超声波振20分钟，然后5000r/min离心15分钟，取出上清液600ml，加入pH为9.0的0.2mol/L的硼酸盐缓冲液2ml溶解沉淀，滤去不溶物后得到碱性蛋白改性酶液500ml，
改性剂制备
按重量百分比：5%的氨基葡萄糖、10%的玉米浆、5%过氧化苯甲酰，1%的硫酸铁、20%的蛋白胨、59%的乙酸乙酯混合备用。
陶瓷填料固定生物酶
把经过振动过筛除灰除尘的颗粒直径为10mm,比表面积为300m2/g陶瓷填料900g，以喷雾的方式加入改性剂300g，喷雾过程中翻动填料，翻动时间为15分钟，静止30分钟后加入步骤1）中所制的碱性蛋白改性酶液9g并充分搅拌后静止15分钟；使用负压真空泵（75KPa）30分钟抽真空后，通风干燥，后制成含水量为8％的生物酶陶瓷填料。
实施步骤1
取20L某印染厂的调节池出水（水质CODcr2500mg/L-3800mg/L，pH8.2），投加PAF进行混凝沉淀，结果表明在投加2000ppm浓度的PAF的时候，水质指标佳，继续投加，各项指标下降不明显。上清液CODcr降至1200mg/L-1800mg/L，率约为48%。
实施步骤2
取前面处理过的印染污水上清液1L，加入到超声预溶解池中，同时加入5.0g固定化生物酶填料，间隔10分钟进行一次超声微波溶解，1小时后将混合的全部污水样加入到实验室小型生化处理装置中，同时再加入4L步骤1处理好的污水上清液，开启好氧曝气。作为对比效果，在相同的实验条件下，同时做了加入未经过生物酶固定化的陶瓷填料的好氧曝气和未经固定化的生物酶的好氧曝气。曝气时间为30分钟。检测上清液CODcr指标，结果如表1所示。
CODcr检测方法：重铬酸钾滴定法
可见加入固定化生物酶的陶瓷填料与未经过固定化的生物酶相比，对COD的效率提高了8%。从成本上分析，固定化生物酶的加入使每吨水的处理成本增加了0.1元。生物酶陶瓷填料上的微生物数量达到了2.5×1010/g，该填料使用2个月后对各种污染指标的率仍保持在90%以上。
为了更直接对比固定化生物酶的作用效果，我们将固定化生物酶与未经过固定化的生物酶各自产生微生物的呼吸率情况也做了对比分析：各取等量的固定化生物酶与未经过固定化的生物酶分别置于培养瓶中，同时向里面充入等量的溶解氧，闭封，5天以后，用溶氧仪测量瓶中溶解氧的下降情况。如下表所示：
可见在相同的单位时间里，固定化生物酶产生的微生物消耗的氧量要远远高于未经过固定化的生物酶，这就说明固定化的生物酶，其稳定性和活性，已经远远高于未经过固定化的生物酶了。
在本实施例中，所采用的NaOH、过氧化氢均为分析纯试剂。硼酸盐缓冲液制备方法为：取硼酸溶解于水中，然后再用40%氢氧化钠溶液调节pH至9.0，并使溶液浓度为0.2mol/L的硼酸盐缓冲液。
本发明涉及在污水处理工艺领域中一种生物酶固定化的方法，具体是指一种将生物酶固定在陶瓷填料中的方法。
技术背景
曝气生物滤池工艺是于20世纪80年代末开创的一种新型的污水处理技术，由于具有水力负荷大、水力停留时间短、出水水质好、运行费用少等的特点而受到越来越多的关注。而该工艺的实质是在生物反应池内充填填料，在其填料表面和内部布满生物膜，通过生物膜中微生物氧化分解作用将污水中的污染物，为此填料表面和内部生物膜的形成、脱落和更新的速度和质量，就会直接影响净化效果。与其他微生物处理方法相比，酶技术的应用具有催化效率高、反应条件温和、对设备要求低、反应速度快等点。可以说酶技术应用在废水处理中是一种很有潜力的方法，但是酶在高温、强酸条件下稳定性差，易失活，酶活性易受到废水中污染物的影响，不能重复利用。固定化酶就是人们在寻求克服这些不足的过程中不断改进发展起来的一项技术 。
酶的固定化是用固体材料将酶或限制于一定区域内，仍能进行其特有催化反应、并可回收及重复利用的一类技术，就是通过化学或物理的处理方法，使原来水溶性的酶与固态的水不溶载体相结合或被载体包埋。作为固定化酶的一部分，载体材料的结构和性能对固定化酶的各种性能都有着巨大的影响。固定化酶不在化学、生物学及生物工程、医学及生命科学等学科领域的研究异常活跃，得到迅速发展和广泛的应用，而且因为具有节省资源与能源、减少环境污染而符合可持续发展的战略要求。
陶瓷填料（瓷环）具有异的耐酸耐热性能、能耐除氟氧酸以外的各种酸、碱的腐蚀。陶瓷填料可用于化工、冶金、制酸、煤气、制氧、钢铁、制药、精细化工等行业的洗涤塔、冷却塔、回收塔、脱硫塔、干燥塔、吸收塔及反应器的内衬。它是由许多具有相同几何形状的填料单元体组成。由于陶瓷的结构，具有良好的亲水性能，其表面可形成薄的液膜的湍动及气流的倾斜曲折通道能促进气流但又不阻挡气流使陶瓷填料能与金属填料相匹敌，而其耐腐蚀、耐高温性能金属填料却无法相比。表面结构有良好的湿润性能，能使液体加快流动、使填料滞液量降至低。从而降低了过热、聚合和结焦的机会。
作为具有“活性”的陶瓷填料，必须具备以下几个条件：
1）先要求具有比较大的比表面积，为微生物的生长和繁殖提供必要的场所。
2）要求填料的的结构和空间有利于促进水体运动、污水中物与填料的接触面积，提高传质作用。
3）具有容易附着和固定的载体，在填料的表面和内部持续进行酶促反应，保持微生物的活性。
有关于酶固定化和生物填料的研究，相关的报道有[张巍巍,《硕士学位论文》，生物碳纤维的酶固定化研究，20100604]；CN200510035661.9公开了一种带有污水生物菌群的多孔陶瓷，在多孔陶瓷的孔隙里包含有可对污水进行生物处理且经低温干燥处理、处于休眠状态的菌群，在使用时可使有益微生物以快的速度繁殖，从而加快污水的净化处理速度，提高污水处理效果。但该方法不能利用且容易失效，不适用于工业生产。CN1314600C“改性微生物填料及其制备方法”，该发明高密度聚乙烯，胶粉，轻质碳酸钙，甲壳毒，炭黑混合加入到丙酮混合溶液，让丙酮自然挥发后，投入螺杆挤出机中，熔融挤出成型。由于使用马来酸酐，过氧化二异丙苯以及丙酮的化学药剂性质，降低了材料素质对微生物的亲和性，同时经过熔融挤压后，破坏了材料内部的微孔隙结构。
如何选择一种生产费用低廉，适用范围广，操作简易且可以利用的酶固定化工艺，便成为当前酶固定化研究的一种普遍共识。而如何有效地实现将生物酶固定在陶瓷填料中，也就成为时下的一个研究热点。
发明内容
本发明的目的是为了针对现有陶瓷填料的不足之处，提供一种有效地实现将生物酶固定在陶瓷填料中的方法，并且具有实际可操作性，工业应用价值明显的特点。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
将生物酶固定在陶瓷填料中的方法，其特征在于包括下述步骤：
1） 本发明中生物酶采用如下工艺进行处理：用0.5M NaOH将蒸馏水的pH调到8.0-8.5，并加入30% 过氧化氢，并使NaOH水溶液中含有质量含量为0.06%的过氧化氢，将NaOH水溶液加热至30-35℃；将将选购的生物酶以1∶5的质量比分散于上述NaOH水溶液中，用频率 40-50K赫兹超声波振20分钟，然后用5000r/min进行离心15分钟，取上清液；加入pH为9.0的0.2mol/L的硼酸盐缓冲液溶解沉淀，滤去不溶物后得到碱性蛋白改性酶液，存放在温度4℃的冰箱里备用；
2） 把经过振动过筛除灰除尘的陶瓷填料，以喷雾的方式加入改性剂，陶瓷填料重量与改性剂的重量比例是3：1；加入步骤1）中所制的碱性蛋白改性酶液并充分搅拌后静止，碱性蛋白改性酶液的加入量与陶瓷填料的质量比为1：100-500；使用负压真空泵抽真空后，通风干燥，后制成含水量为8-10％的生物酶陶瓷填料。
3） 步骤2）中所选用的改性剂按重量百分比包含1%－5%的氨基葡萄糖、5%－15%的玉米浆、1%－5%过氧化苯甲酰，1%－2%的硫酸铁、5%－20%的蛋白胨、53%－87%的乙酸乙酯混合，所述改性剂的各组分之和为。
4） 作为选，上述处理工艺中所使用的NaOH、过氧化氢、氨基葡萄糖、玉米浆、蛋白胨、过氧化苯甲酰、硫酸铁、乙酸乙酯均为分析纯试剂。
5） 作为选，上述生物酶处理工艺中硼酸盐缓冲液制备方法为：取硼酸溶解于水中，然后再用40%氢氧化钠溶液调节pH至9.0，并使溶液浓度为0.2mol/L的硼酸盐缓冲液。
6） 作为选，上述陶瓷填料选用的标准为：比表面积大于200m2/g、颗粒直径为10－20mm，空隙率大于95%。
7） 作为选，上述步骤2）中的喷雾时间为15－20分钟，喷雾的过程中翻动填料，静止时间为15－30分钟，真空泵的压力为65－75KPa，抽真空时间为20－40分钟，干燥温度小于45度。
本发明使用的生物酶为干燥的市售生物酶。
本发明中所述改性剂的作用为：对陶瓷填料表面和内部进行改性，陶瓷表面负电荷以及提供微生物系列的营养物质和生物酶的固定载体。为微生物在陶瓷填料上附着繁殖创造了条件，通过改性剂中提供的微生物繁殖需要的微量元素和活性成分，缩短了前期驯化微生物的时间。通过在陶瓷填料上固定化酶技术，可以加大酶促反应的效果，除了能提高对污水各种污染物的之外，还可以有效的分解微生物分泌的代谢产物，消除填料之间和填料内部污泥的累积，同时发挥酶促反应特有的高效性能，让填料具有自我净化自我更新的能力，延长填料使用寿命。
本发明的有益效果在于微生物的活性高，且具有自我更新的能力，可以长期使用。
实施例
碱性蛋白改性酶液制作
取蒸馏水1升，用0.5M NaOH将pH调到8.3，加入2 毫升 30% 过氧化氢，将水加热到35℃。称取200g生物酶分散于上述水溶液中，用频率50K赫兹超声波振20分钟，然后5000r/min离心15分钟，取出上清液600ml，加入pH为9.0的0.2mol/L的硼酸盐缓冲液2ml溶解沉淀，滤去不溶物后得到碱性蛋白改性酶液500ml，
改性剂制备
按重量百分比：5%的氨基葡萄糖、10%的玉米浆、5%过氧化苯甲酰，1%的硫酸铁、20%的蛋白胨、59%的乙酸乙酯混合备用。
陶瓷填料固定生物酶
把经过振动过筛除灰除尘的颗粒直径为10mm,比表面积为300m2/g陶瓷填料900g，以喷雾的方式加入改性剂300g，喷雾过程中翻动填料，翻动时间为15分钟，静止30分钟后加入步骤1）中所制的碱性蛋白改性酶液9g并充分搅拌后静止15分钟；使用负压真空泵（75KPa）30分钟抽真空后，通风干燥，后制成含水量为8％的生物酶陶瓷填料。
实施步骤1
取20L某印染厂的调节池出水（水质CODcr2500mg/L-3800mg/L，pH8.2），投加PAF进行混凝沉淀，结果表明在投加2000ppm浓度的PAF的时候，水质指标佳，继续投加，各项指标下降不明显。上清液CODcr降至1200mg/L-1800mg/L，率约为48%。
实施步骤2
取前面处理过的印染污水上清液1L，加入到超声预溶解池中，同时加入5.0g固定化生物酶填料，间隔10分钟进行一次超声微波溶解，1小时后将混合的全部污水样加入到实验室小型生化处理装置中，同时再加入4L步骤1处理好的污水上清液，开启好氧曝气。作为对比效果，在相同的实验条件下，同时做了加入未经过生物酶固定化的陶瓷填料的好氧曝气和未经固定化的生物酶的好氧曝气。曝气时间为30分钟。检测上清液CODcr指标，结果如表1所示。
CODcr检测方法：重铬酸钾滴定法
| 检测指标 | 原水 | 固定化生物酶的陶瓷填料出水 | 陶瓷填料出水 | 未固定化生物酶出水 |
| CODcr（mg/L） | 1500 | 102 | 420 | 225 |
| 降解率% | 0 | 93.2 | 72.0 | 85.0 |
为了更直接对比固定化生物酶的作用效果，我们将固定化生物酶与未经过固定化的生物酶各自产生微生物的呼吸率情况也做了对比分析：各取等量的固定化生物酶与未经过固定化的生物酶分别置于培养瓶中，同时向里面充入等量的溶解氧，闭封，5天以后，用溶氧仪测量瓶中溶解氧的下降情况。如下表所示：
| 检测指标 | 原始DO | 固定化生物酶 | 未固定化生物酶 |
| 溶解氧DO | 9 | 3.3 | 5.0 |
在本实施例中，所采用的NaOH、过氧化氢均为分析纯试剂。硼酸盐缓冲液制备方法为：取硼酸溶解于水中，然后再用40%氢氧化钠溶液调节pH至9.0，并使溶液浓度为0.2mol/L的硼酸盐缓冲液。
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