本發(fā)明屬于生物修復氧化態(tài)污染物技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種利用甲烷(ch4)基質(zhì)膜生物反應(yīng)器(mbfr)還原硒酸鹽(seo4^2-)和硝酸鹽(no3^-)能力的評估方法。

背景技術(shù)：

硒鹽在工業(yè)(如在電子行業(yè)、玻璃制品、染料、冶金添加劑、光電管、農(nóng)藥等領(lǐng)域)廢水、礦石冶煉排水、農(nóng)田灌溉排水等廣泛存在，并具有極強的生理毒性。通過食物鏈在植物、動物和人體中積累，可引起人體的脫發(fā)、指甲斷裂或脫落、皮膚病變、神經(jīng)紊亂等癥狀，甚至具有“三致”效應(yīng)，對環(huán)境和人體造成了嚴峻的危害。

現(xiàn)有技術(shù)中對水體硒酸鹽污染的處理通常采用：物理去除方法包括反滲透、納濾等。該技術(shù)能耗大，運行和維護的價格高昂，同時，形成的濃縮廢水會增加后處理的難度?；瘜W治理方法主要涉及硒的吸附和沉淀等，其處理成本高昂，且易形成難以后續(xù)處理的高濃度的化學污泥。

在厭氧或者好氧條件下，微生物可以以硒鹽作為電子受體進行異化呼吸。與物理化學方法相比，微生物法處理seo4^2-更為環(huán)保、無害，且節(jié)省成本，因此愈來愈受到青睞。

微生物在以硒鹽作為電子受體進行異化呼吸過程中，需要利用電子供體和碳源的攝入，而ch4是一種具強溫室效應(yīng)的氣體，也是一種潛在的電子供體。ch4作為電子供體最先被應(yīng)用于廢水的反硝化生物脫氮。隨后的研究表明ch4可以驅(qū)動多種氧化態(tài)污染物的生物還原?；趕eo4^2-/seo3^2-和seo3^2-/se⁰的高氧化還原電位(分別為+440mv和+210mv)，因此，研究ch4作為電子供體驅(qū)動seo4^2-還原的可行性具有十分重要意義。

no3^-廣泛存在于地表水和地下水，是seo4^2-的伴隨污染物。所以，評估甲烷基質(zhì)mbfr中seo4^2-與no3^-的相互作用十分有必要。

微生物還原seo4^2-的終產(chǎn)物是納米態(tài)的se⁰，具有極好的光電特性和半導體特性，可應(yīng)用于光電元件和半導體材料；納米se⁰還具有抗氧化作用，常作為抗癌藥劑。因而，利用一些表征技術(shù)探明納米se⁰的物理化學特征，充分資源化回收再利用具有深遠影響。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)內(nèi)容是，克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供利用甲烷基質(zhì)mbfr還原硒酸鹽和硝酸鹽能力的評估方法。

為解決技術(shù)問題，本發(fā)明的解決方案是：

提供一種利用ch4基質(zhì)mbfr還原seo4^2-和no3^-的方法，包括下述步驟：

(1)配置模擬廢水

在去離子水中添加溶質(zhì)，使模擬廢水中包括：1mg/l的cacl2、0.4mg/l的naoh、5mg/l的mgso4·7h2o、300mg/l的nahco3、2.085mg/l的feso4·7h2o、200mg/l的nah2po4、400mg/l的na2hpo4·12h2o、0.5mg/l的mncl2·4h2o、1.8mg/l的hcl、0.068mg/l的znso4·7h2o、0.12mg/l的cocl2·6h2o、0.32mg/l的cuso4、0.095mg/l的nicl2·6h2o、0.242mg/l的na2moo4·2h2o、0.067mg/l的seo2、0.05mg/l的na2wo4·2h2o、0.014mg/l的h3bo3；na2seo4和nano3的添加量按后續(xù)試驗指定濃度控制；向配置好的模擬廢水中通入純度99.99％的氬氣(ar)，曝氣20分鐘以去除氧氣。

(2)實驗裝置準備

在甲烷基質(zhì)膜生物反應(yīng)器中接種4ml甲烷厭氧氧化耦合高氯酸鹽還原菌群，以此作為接種源；在甲烷厭氧氧化耦合高氯酸鹽還原菌群中，含有按質(zhì)量占比計算的下述菌種：α-變形菌27.13％、β-變形菌26.84％、γ-變形菌25.87％、酸桿菌4.97％、鞘氨醇桿菌3.88％、綠菌2.20％、異常球菌0.96％，余量是非富集對象的雜菌；

在反應(yīng)器中裝滿含10mgse/lseo4^2-的模擬廢水，自循環(huán)48小時；反應(yīng)器采用中空纖維膜，運行時控制溫度為30±1℃，采用連續(xù)流方式進水，進水速率為0.5ml/min，水力停留時間為130min；膜的兩端供給ch4，分壓為15psi；反應(yīng)器通過蠕動泵進行自循環(huán)，流速為100ml/min；

(3)反應(yīng)階段

采取連續(xù)流方式進水，模擬廢水作為進水，其中seo4^2-濃度保持在1mgse/l；

為評估no3^-對seo4^2-還原的影響，模擬廢水中的no3^-濃度分為三個階段進行控制：

第一個階段時，控制模擬廢水no3^-濃度為0mg/l，反應(yīng)器運行達到穩(wěn)態(tài)后至少繼續(xù)運行兩周；第二個階段時，控制模擬廢水中no3^-濃度為2.2mgn/l，反應(yīng)器運行達到穩(wěn)態(tài)后至少繼續(xù)運行兩周；第三個階段時，控制模擬廢水中no3^-濃度為10mgn/l，反應(yīng)器運行達到穩(wěn)態(tài)后至少繼續(xù)運行兩周。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其有益效果是：

1、本發(fā)明中首次證實了微生物能以ch4作為唯一電子供體驅(qū)動seo4^2-的還原。

2、本發(fā)明還具有十分重要的現(xiàn)實意義：既可以修復受seo4^2-污染的水體，還可以實現(xiàn)納米態(tài)的se⁰資源化回收再利用。(甲烷基質(zhì)生物膜還原的終產(chǎn)物是se⁰，以300到500nm直徑的球狀顆粒積聚在生物膜表面。)

附圖說明

圖1：本發(fā)明中mbfr進水seo4^2-和no3^-，出水seo4^2-，seo3^2-，計算得到的se⁰,及no3^-的濃度；

圖2：本發(fā)明中seo4^2-轉(zhuǎn)化為seo3^2-，seo4^2-轉(zhuǎn)化為se⁰，以及no3^-去除率的百分比

圖3：本發(fā)明中mbfr生物膜的xps分析；

圖4：本發(fā)明中接種源和不同階段的mbfr生物膜中主導菌結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

本發(fā)明中的實驗裝置采用甲烷基質(zhì)膜生物反應(yīng)器(methane-basedmembranebiofilmreactor,mbfr)裝置，該裝置與laietal.bio-reductionofchromateinamethane-basedmembranebiofilmreactor2016中所用裝置一致。裝置內(nèi)采用中空纖維膜(外徑280μm，內(nèi)徑180μm)。運行時，膜的兩端供給ch4，ch4分壓壓力通過減壓閥穩(wěn)定在15psi(2.02atm)。反應(yīng)器有效容積為65ml，采用連續(xù)流方式進水，進水流速為0.50ml/min(水力停留時間為130分鐘)。反應(yīng)器通過蠕動泵進行自循環(huán)，流速為100ml/min。反應(yīng)器于30±1℃恒溫室中運行。

本發(fā)明所用接種源為甲烷厭氧氧化耦合高氯酸鹽還原菌群(luoetal.,2015)，其具體獲取來源：采集污水處理廠的活性污泥(本申請人采集自杭州七格污水處理廠)，以硝酸鹽作為電子受體，以甲烷作為電子供體富集培養(yǎng)約半年，然后接種到甲烷厭氧氧化耦合高氯酸鹽的mbfr反應(yīng)器中直至運行穩(wěn)定，即可獲得菌種含量穩(wěn)定的菌群。

在甲烷厭氧氧化耦合高氯酸鹽還原菌群中，含有按質(zhì)量占比計算的下述菌種：α-變形菌27.13％、β-變形菌26.84％、γ-變形菌25.87％、酸桿菌4.97％、鞘氨醇桿菌3.88％、綠菌2.20％、異常球菌0.96％，余量是非富集對象的雜菌。

申請人承諾：從該專利申請之日起20年內(nèi)向公眾發(fā)放該菌群，以用于實現(xiàn)、利用本發(fā)明所述技術(shù)方案。

實施例：

(1)配制模擬廢水

試驗采用模擬廢水，在去離子水中添加溶質(zhì)，并以阿拉丁優(yōu)級純試劑na2seo4和nano3作為硒酸鹽和硝酸鹽，其濃度按試驗需求配制。

模擬廢水中還包括：1mg/l的cacl2、0.4mg/l的naoh、5mg/l的mgso4·7h2o、300mg/l的nahco3、2.085mg/l的feso4·7h2o、200mg/l的nah2po4、400mg/l的na2hpo4·12h2o、0.5mg/l的mncl2·4h2o、1.8mg/l的hcl、0.068mg/l的znso4·7h2o、0.12mg/l的cocl2·6h2o、0.32mg/l的cuso4、0.095mg/l的nicl2·6h2o、0.242mg/l的na2moo4·2h2o、0.067mg/l的seo2、0.05mg/l的na2wo4·2h2o、0.014mg/l的h3bo3。配置好的模擬廢水中通入高純度的氬氣(ar：99.99％)，曝氣20分鐘以去除氧氣。曝氣處理后的模擬廢水用氣密性厭氧袋盛裝，備用。

(2)實驗裝置準備

在甲烷基質(zhì)膜生物反應(yīng)器中接種4ml甲烷厭氧氧化耦合高氯酸鹽還原菌群，以此作為接種源；在反應(yīng)器中裝滿含10mgse/lseo4^2-的模擬廢水，自循環(huán)48小時；反應(yīng)器采用中空纖維膜，運行時控制溫度為30±1℃，采用連續(xù)流方式進水，進水速率為0.5ml/min，水力停留時間為130min；膜的兩端供給ch4，分壓為15psi；反應(yīng)器通過蠕動泵進行自循環(huán)，流速為100ml/min；

(3)反應(yīng)階段

采取連續(xù)流方式進水，模擬廢水作為進水，其中seo4^2-濃度保持在1mgse/l；

為評估no3^-對seo4^2-還原的影響，模擬廢水中的no3^-濃度分為三個階段進行控制：

第一個階段時，控制模擬廢水no3^-濃度為0mg/l，反應(yīng)器運行達到穩(wěn)態(tài)后至少繼續(xù)運行兩周；第二個階段時，控制模擬廢水中no3^-濃度為2.2mgn/l，反應(yīng)器運行達到穩(wěn)態(tài)后至少繼續(xù)運行兩周；第三個階段時，控制模擬廢水中no3^-濃度為10mgn/l，反應(yīng)器運行達到穩(wěn)態(tài)后至少繼續(xù)運行兩周。

結(jié)果分析如下：

圖1、2和表1可知，在階段1，seo4^2-在第四天開始還原。當進水電子受體只含1mgse/lseo4^2-(表面負荷為1.6mmolse/m²-d)，seo4^2-分步還原為seo3^2-和se⁰。68天以后，seo4^2-的去除率達到了100％，且>94％的seo4^2-徹底還原至se⁰，使seo3^2-的出水濃度低于50ugse/l。結(jié)果表明ch4基質(zhì)mbfr能將seo4^2-徹底還原至se⁰。

表1本發(fā)明中各個階段的平均電子受體和電子供體的通量

在階段2(第84-122天)，當mbfr進水同時含2.2mgn/lno3^-(表面負荷為19.7mmoln/m²-d)，seo4^2-的還原起初有所抑制，但隨后其還原率又恢復到了100％且到達穩(wěn)態(tài)。此時，絕大多數(shù)的seo4^2-被還原到se⁰(>75％)，伴隨著少量seo3^2-的產(chǎn)生(<0.003mmolse/l)。因此，進水中2.2mgn/lno3^-的存在不會影響seo4^2-的去除，但會降低seo3^2-到se⁰的轉(zhuǎn)化率。在該階段，no3^-被完全還原。

在階段3(第124-144天)，當進水no3^-濃度被進一步增加到10mgn/l(表面負荷為87.9mmoln/m²-d)，seo4^2-和no3^-仍同步被還原，但達到穩(wěn)態(tài)時，seo4^2-去除率降到了60％，其中50％的seo4^2-轉(zhuǎn)化為seo3^2-,10％的seo4^2-轉(zhuǎn)化為se⁰。此階段no3^-的去除率為70％。ch4供應(yīng)不足可能是seo4^2-和no3^-還原受限的主要原因，階段3中no3^-和seo4^2-還原所需的ch4通量接近于最大ch4通量。

由圖2可知，xps分析證實納米硒顆粒中主要存在的是零價態(tài)的硒元素。

由圖3可知，膜上主導微生物的群落組成，與接種源相比，階段1中α-變形菌豐度有所下降，但在階段2與3，當進水含no3^-時，α-變形菌豐度有所上升。與之形成鮮明對比，β-變形菌和γ-變形菌在階段1主導，但在階段2與階段3中豐度下降。