[发明专利]一种基于光固化水凝胶3D打印的微生物结构体及其制备方法和应用

说明书

本发明提供一种基于光固化水凝胶3D打印的微生物结构体，所述结构体上分布有若干三维孔道，所述微生物作为结构体的组成成分分布于结构体的内部或表面；所述结构体为亲水三维网络结构，所述小分子能够在三维网络中穿行并与微生物作用，优选地，所述小分子为水和/或含氮盐，例如为氨氮盐。微生物功能体能够定量地将细菌固定在结构体上，结构体内部具有复杂的三维结构，具有较大的比表面积，能够保持原脱氮微生物的活性及功能性，很好的解决了现有固定化方式的缺陷及脱氮菌剂难回收等问题。

技术领域

本发明属于3D打印领域，具体涉及一种基于光固化水凝胶3D打印的微生物结构体及其制备方法和应用。

背景技术

伴随着经济的快速增长、工业化和城镇化水平的加速发展，我国污水排放量逐年增加；同时，随着污水处理设施的增加和污水处理能力的提升，我国污水处理量也逐年增加，污水日处理量由2011年的1.1亿吨增加至2019年的1.7亿吨。污水处理工艺可有效去除多种污染物，然而氮磷等营养盐仍然会残留在处理后的污水中，随污水厂出水汇入河流、湖泊等地表水或近岸海水，严重影响自然水体水质。因此，实现污水深度治理，提升排放标准，势在必行，如何有效限制出水中的总氮浓度是污水处理厂面临的重要难题。

固定化微生物技术是将游离的微生物或活性污泥固定在限定空间内的技术，使用微生物或活性污泥降低水体中氮含量，固定化微生物技术不仅保持了微生物的活性，而且实现水力停留时间和生物停留时间的分离，保证了无限制时长的生物停留时间，并能够反复、连续使用，在污水处理过程中获得了良好的处理效果。

然而，目前制备出的固定化微生物结构体表面积较小，且细菌负载量较低，同时，微生物在材料内随机分布，均匀性较差，且目前的制备方法通常使用二氯乙烷及甲苯等有毒溶剂，对微生物的活性也造成一定影响。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明：

提供一种基于光固化水凝胶3D打印的微生物结构体，所述结构体上分布有若干三维孔道，所述微生物作为结构体的组成成分分布于结构体的内部或表面。

所述结构体为亲水三维网络结构凝胶，所述小分子能够在三维网络中穿行并与微生物作用，所述小分子为水和/或含氮盐，例如为氨氮盐；

优选地，所述三维孔道为圆柱形、矩形、椭圆形、正六边形、正八边形或不规则形状，例如为圆柱形。

优选地，所述三维孔道贯穿或不贯穿所述结构体。

优选地，所述结构体上均匀分布有若干中空的孔道，优选地，所述孔道的直径为0.7-1mm，例如为0.7mm、0.8mm、0.9mm、1mm。

优选地，所述结构体由若干层堆叠而成；优选地，所述结构体的层数为20-30层，例如为26层；优选地，每层的厚度为0.3-0.5mm，例如为0.4mm。

优选地，所述结构体的尺寸为10mm×10mm×5mm。

优选地，所述结构体具有磁性，能够在外加磁场作用下发生移动。

优选地，所述结构体由凝胶前聚体、微生物菌液混合后经3D打印得到。

根据本发明，所述结构体由凝胶前聚体、光引发剂和微生物菌液混合后经3D打印和光固化得到。

根据本发明，所述结构体由凝胶前聚体、光引发剂、磁性材料和微生物菌液混合后经3D打印和光固化得到。

优选地，所述3D打印和光固化同时进行。

根据本发明，所述凝胶前聚物包括凝胶前聚体A和凝胶前聚体B，所述凝胶前聚体A包括分散在水中的海藻酸钠和聚乙烯醇；所述凝胶前聚体B包括PEGDA(聚乙二醇)和支撑材料。

优选地，所述支撑材料为高岭土和/或二氧化硅。