公布日：2023.12.08
申请日：2023.08.17
分类号：C12N11/08(2020.01)I;C08G83/00(2006.01)I;C02F3/34(2023.01)I
摘要
本发明涉及具有负荷响应功能的超分子凝胶ANAMMOX增强型包埋微生物制备方法及应用，超分子凝胶支架主体由戊二酸酐桥联脲基苯酚结构单元之间通过六重氢键作用自组装形成，戊二酸酐桥联脲基苯酚结构上分别引入羰基和胺基；连接各个主体的支链结构为甘醇链。本发明的有益效果是：本发明主要针对传统厌氧氨氧化工艺世代周期长、抗冲击负荷能力弱、污泥富集困难的不足，通过引入六重氢键作用形成的超分子凝胶支架对氨氧化菌进行包裹，进而完成有益菌种的筛选和富集，缩短世代周期的同时也大大提升了总氮容积负荷和总氮去除负荷。
权利要求书
1.一种具有负荷响应功能的超分子凝胶ANAMMOX增强型包埋微生物，其特征在于，超分子凝胶支架主体由戊二酸酐桥联脲基苯酚结构单元之间通过六重氢键作用自组装形成，戊二酸酐桥联脲基苯酚结构上分别引入羰基和胺基；连接各个主体的支链结构为甘醇链。
2.根据权利要求1所述的具有负荷响应功能的超分子凝胶ANAMMOX增强型包埋微生物，其特征在于，戊二酸酐桥联脲基苯酚结构单元包括M2和M3，其化学结构式为：
3.根据权利要求2所述的具有负荷响应功能的超分子凝胶ANAMMOX增强型包埋微生物，其特征在于，六重氢键的化学结构式为：
4.根据权利要求3所述的具有负荷响应功能的超分子凝胶ANAMMOX增强型包埋微生物，其特征在于，M2和M3混合形成超分子凝胶支架后，低负荷情况下为中性或弱酸性，席夫碱断裂，支架内片层分离，允许足量氨氮和亚硝酸根自由通过；高负荷情况下环境呈现强碱性，席夫碱闭合，支架内片层收紧，允许氨氮和亚硝酸根的通过量减小以防止好氧氨氧化菌和厌氧氨氧化菌中毒失活。
5.一种如权利要求1所述超分子凝胶ANAMMOX增强型包埋微生物的制备方法，其特征在于，包括：S1、活性污泥预处理：用城市污水处理厂A2/O工艺中的反硝化污泥作为厌氧氨氧化工艺的启动污泥,使用前需先去除污泥中携带的氨氮、有机物、亚硝酸盐及硝酸盐杂质成分；S2、制备超分子凝胶包埋微生物颗粒：将新鲜制备好的M2和M3按一定摩尔比混合均匀，并加入去离子水，水与凝胶混合物的质量比控制在24：1至18：1；体系用保鲜膜密封后置于75℃～90℃的油浴中搅拌加热，待体系由无色变为浅黄色澄清溶液后停止加热，至于恒温培养箱中缓慢降温至45℃～55℃，取出后迅速向体系中加入一定量的经过预处理的脱水活性污泥，凝胶水溶液与含水率50％～60％的活性污泥混合质量比为5：1至15：1；将加入污泥后的体系继续水浴加热至50℃～60℃并恒温搅拌10min～15min，待搅拌均匀后，置于恒温培养箱缓慢冷却，冷却速度为2K/min-4K/min；温度降至室温后，继续放置20min～30min，体系变为深褐色凝胶块，经机械切割成长度为2-5mm的方形超分子凝胶包埋微生物颗粒；取少许颗粒自然风干至恒重，得到干凝胶；S3、将S2制得的超分子凝胶包埋微生物颗粒投加至反应器中，投加为反应容器有效容积的30％-60％，随后倒入除盐水，由底部微孔曝气盘进行曝气同时调节曝气量使系统内溶解氧维持在2-3mg/L以激活菌体；曝气12小时后调小曝气量使溶解氧维持在0.2-0.5mg/L，开始根据微生物颗粒使用量投加营养盐并逐步提升进水氨氮负荷。
6.根据权利要求5所述的超分子凝胶ANAMMOX增强型包埋微生物的制备方法，其特征在于，S1中，杂质去除方法为用pH＝6.5-7.5的K2HPO4/KH2PO4缓冲液清洗启动污泥三次后，静置沉降，倾倒掉上层清液后经板框压滤机将污泥含水率降至50％～60％备用。
7.根据权利要求5所述的超分子凝胶ANAMMOX增强型包埋微生物的制备方法，其特征在于，S2中，M2和M3的摩尔比为1:1.1至1：1.3。
8.根据权利要求5所述的超分子凝胶ANAMMOX增强型包埋微生物的制备方法，其特征在于，S2中，M2和M3的制备方法包括：步骤1、化合物S1的合成：将羟基封端的聚乙二醇置于高真空下加热蒸掉水分；将干燥好的PEG10k溶解于氯仿中，随后缓慢滴加到1，1-羰基二咪唑的氯仿溶液中；体系在氮气保护下室温搅拌，随后将混合物倒入过量的二乙醚中进行沉淀；通过过滤分离得到粗产物，在真空下干燥得到S1；表示为：
步骤2、化合物M2的合成：将制备好的S1和二氨基化合物S2分别溶解于干燥氯仿中，再分别倒至滴液漏斗中，两滴液漏斗安装于三口烧瓶的两侧口，中间口装机械搅拌器，反应开始时调节两滴液漏斗滴加速度，待全部滴加完成后将混合物在氮气保护下继续室温搅拌，得到澄清的粘稠溶液；向溶液中加入乙醚后获得白色沉淀，抽滤得到白色粉末粗产物，收集并在高真空下干燥过夜得化合物M2；表示为：
步骤3、化合物M3的合成：将制备好的S1和二氨基化合物S3分别溶解于干燥氯仿中，再分别倒至滴液漏斗中，两滴液漏斗安装于三口烧瓶的两侧口，中间口装机械搅拌器，反应开始时调节两滴液漏斗滴加速度，待全部滴加完成后将混合物在氮气保护下继续室温搅拌，得到澄清的粘稠溶液；向溶液中加入乙醚后获得白色沉淀，抽滤得到白色粉末粗产物，收集并在高真空下干燥过夜得化合物M3；表示为：
9.一种如权利要求1所述超分子凝胶ANAMMOX增强型包埋微生物在处理氨氮废水的应用。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提出了具有负荷响应功能的超分子凝胶ANAMMOX增强型包埋微生物制备方法及应用。
第一方面，提供了一种具有负荷响应功能的超分子凝胶ANAMMOX增强型包埋微生物，超分子凝胶支架主体由戊二酸酐桥联脲基苯酚结构单元之间通过六重氢键作用自组装形成，戊二酸酐桥联脲基苯酚结构上分别引入羰基和胺基；连接各个主体的支链结构为甘醇链。
作为优选，戊二酸酐桥联脲基苯酚结构单元包括M2和M3，其化学结构式为：
作为优选，六重氢键的化学结构式为：
作为优选，M2和M3混合形成超分子凝胶支架后，低负荷情况下为中性或弱酸性，席夫碱断裂，支架内片层分离，允许足量氨氮和亚硝酸根自由通过；高负荷情况下环境呈现强碱性，席夫碱闭合，支架内片层收紧，允许氨氮和亚硝酸根的通过量减小以防止好氧氨氧化菌和厌氧氨氧化菌中毒失活。
第二方面，提供了一种如第一方面所述超分子凝胶ANAMMOX增强型包埋微生物的制备方法，包括：
S1、活性污泥预处理：用城市污水处理厂A2/O工艺中的反硝化污泥作为厌氧氨氧化工艺的启动污泥,使用前需先去除污泥中携带的氨氮、有机物、亚硝酸盐及硝酸盐杂质成分；
S2、制备超分子凝胶包埋微生物颗粒：将新鲜制备好的M2和M3按一定摩尔比混合均匀，并加入去离子水，水与凝胶混合物的质量比控制在24：1至18：1；体系用保鲜膜密封后置于75℃～90℃的油浴中搅拌加热，待体系由无色变为浅黄色澄清溶液后停止加热，至于恒温培养箱中缓慢降温至45℃～55℃，取出后迅速向体系中加入一定量的经过预处理的脱水活性污泥，凝胶水溶液与含水率50％～60％的活性污泥混合质量比为5：1至15：1；将加入污泥后的体系继续水浴加热至50℃～60℃并恒温搅拌10min～15min，待搅拌均匀后，置于恒温培养箱缓慢冷却，冷却速度为2K/min-4K/min；温度降至室温后，继续放置20min～30min，体系变为深褐色凝胶块，经机械切割成长度为2-5mm的方形超分子凝胶包埋微生物颗粒；取少许颗粒自然风干至恒重，得到干凝胶；
S3、将S2制得的超分子凝胶包埋微生物颗粒投加至反应器中，投加为反应容器有效容积的30％-60％，随后倒入除盐水，由底部微孔曝气盘进行曝气同时调节曝气量使系统内溶解氧维持在2-3mg/L以激活菌体；曝气12小时后调小曝气量使溶解氧维持在0.2-0.5mg/L，开始根据微生物颗粒使用量投加营养盐并逐步提升进水氨氮负荷。
作为优选，S1中，杂质去除方法为用pH＝6.5-7.5的K2HPO4/KH2PO4缓冲液清洗启动污泥三次后，静置沉降，倾倒掉上层清液后经板框压滤机将污泥含水率降至50％～60％备用。
作为优选，S2中，M2和M3的摩尔比为1:1.1至1：1.3。
作为优选，S2中，M2和M3的制备方法包括：
步骤1、化合物S1的合成：将羟基封端的聚乙二醇置于高真空下加热蒸掉水分；将干燥好的PEG10k溶解于氯仿中，随后缓慢滴加到1，1-羰基二咪唑的氯仿溶液中；体系在氮气保护下室温搅拌，随后将混合物倒入过量的二乙醚中进行沉淀；通过过滤分离得到粗产物，在真空下干燥得到S1；表示为：
步骤2、化合物M2的合成：将制备好的S1和二氨基化合物S2分别溶解于干燥氯仿中，再分别倒至滴液漏斗中，两滴液漏斗安装于三口烧瓶的两侧口，中间口装机械搅拌器，反应开始时调节两滴液漏斗滴加速度，待全部滴加完成后将混合物在氮气保护下继续室温搅拌，得到澄清的粘稠溶液；向溶液中加入乙醚后获得白色沉淀，抽滤得到白色粉末粗产物，收集并在高真空下干燥过夜得化合物M2；表示为：
步骤3、化合物M3的合成：
将制备好的S1和二氨基化合物S3分别溶解于干燥氯仿中，再分别倒至滴液漏斗中，两滴液漏斗安装于三口烧瓶的两侧口，中间口装机械搅拌器，反应开始时调节两滴液漏斗滴加速度，待全部滴加完成后将混合物在氮气保护下继续室温搅拌，得到澄清的粘稠溶液；向溶液中加入乙醚后获得白色沉淀，抽滤得到白色粉末粗产物，收集并在高真空下干燥过夜得化合物M3；表示为：
第三方面，提供了一种如第一方面所述超分子凝胶ANAMMOX增强型包埋微生物在处理氨氮废水的应用。
本发明的有益效果是：
1.本发明主要针对传统厌氧氨氧化工艺世代周期长、抗冲击负荷能力弱、污泥富集困难的不足，通过引入六重氢键作用形成的超分子凝胶支架对氨氧化菌进行包裹，进而完成有益菌种的筛选和富集，缩短世代周期的同时也大大提升了总氮容积负荷和总氮去除负荷。
2.本发明通过在戊二酸酐桥联脲基苯酚结构上分别引入羰基和胺基形成对环境因素敏感的动态可逆健使包埋微生物颗粒具有负荷响应功能，凝胶框架片层之间可在高氨氮负荷下自动响应使结构紧缩以免内部包裹的微生物与高浓度氨氮接触中毒失活，是一种新型智能底物材料。
3.本发明提供的超分子凝胶支架原料简便易制，合成反应条件温和产率高，制得的包埋微生物颗粒力学性能优异，能长时间抵御水流剪切力和个体碰撞带来的冲击，且化学性质稳定易保存，便于工业化生产和存储。
（发明人：张驰;朱新平;崔科杰;陈晨;娄宝辉;冯向东;吴贤豪;陈雨帆;张雅琴;黄斐鹏;鲁卫哲;张贺;赵文滔;王骁杰）
