一種應(yīng)用生物炭促進(jìn)生物還原硝基苯的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于污染物的生物處理技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種應(yīng)用生物炭促進(jìn)微生物還原硝基苯的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]硝基苯作為一種合成染料、炸藥、橡膠、農(nóng)藥等其他精細(xì)化學(xué)品的重要中間體，廣泛存在于染料、農(nóng)藥、醫(yī)藥、石油化工等工業(yè)廢水中。硝基苯屬于難降解有機(jī)化合物，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，對(duì)生物毒性大，進(jìn)入水體環(huán)境后隨地下水逐漸滲入土壤，將造成水體和土壤持久性的污染，從而引發(fā)一系列的生態(tài)影響和環(huán)境效應(yīng)。
[0003]生物法是處理硝基苯廢水的常用方法。異化金屬還原菌等微生物能夠在厭氧條件下將硝基苯還原生成苯胺，進(jìn)而被其他微生物在好氧條件下降解礦化。異化金屬還原菌廣泛分布于天然環(huán)境中，具有多樣化的產(chǎn)能代謝和電子傳遞途徑，能夠利用外膜上的細(xì)胞色素c、納米導(dǎo)線以及自身分泌或外加的氧化還原介體三種方式，向胞外水溶性與非水溶性污染物傳遞電子，進(jìn)而還原轉(zhuǎn)化多種有機(jī)污染物(Fredrickson等，2008 ；Lovley等，2011)。
[0004]通過氧化還原介體促進(jìn)細(xì)胞胞外電子傳遞的過程稱為介導(dǎo)還原，可顯著提高生物法還原污染物的速率，為污染物的高效生物轉(zhuǎn)化提供了新方法(van der Zee F P等，2009) ο而活性炭及一些具有納米尺度的碳材料(如碳納米管，石墨烯等)可以作為氧化還原介體，在化學(xué)和生物還原污染物的電子傳遞過程中均表現(xiàn)出優(yōu)良的介導(dǎo)還原能力(FuΗ等，2013)。但這些材料制備工藝復(fù)雜，工業(yè)化應(yīng)用成本較高，且對(duì)微生物有一定的毒性作用。
[0005]相比石墨烯碳納米管等材料，生物炭原材料來自天然環(huán)境中的各種生物質(zhì)，對(duì)環(huán)境中微生物毒性較低，制備工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，應(yīng)用成本低。與其他可以作為氧化還原介體的碳材料類似，生物炭具有良好的導(dǎo)電性、較高的比表面積和豐富的表面官能團(tuán)。近年來，有研究發(fā)現(xiàn)生物炭能夠促進(jìn)硫化物還原硝基苯(Wenen G等，2014)，也可以作為氧化還原促進(jìn)Fe(III)礦物被異化金屬還原菌還原轉(zhuǎn)化，生成含F(xiàn)e304和FeC03的鐵氧化物(Kappler A等，2014)。但目前還未見生物炭促進(jìn)微生物還原硝基苯的相關(guān)研究或?qū)＠?br>
【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是提供一種應(yīng)用生物炭快速有效地促進(jìn)生物還原硝基苯的方法，以解決現(xiàn)有生物處理技術(shù)處理效率低，材料成本高的問題。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)方案，包括以下步驟:
[0008](A)微生物的培養(yǎng):采用異化金屬還原菌作為還原硝基苯的代表性微生物。
[0009](B)配制50mL的20mM磷酸鹽緩沖溶液，加入50mM乳酸鈉，并轉(zhuǎn)移至50mL的玻璃厭氧瓶中，并用0.lmol/L的NaOH或HC1調(diào)節(jié)pH至7.0。然后通氮?dú)馄貧鈱捬跗宽斂占八芤褐械难鯕馀疟M，放入高壓蒸汽滅菌鍋滅菌，冷卻后轉(zhuǎn)移至厭氧箱中以確保厭氧狀態(tài)。
[0010](C)在厭氧箱中，用移液槍吸取硝基苯轉(zhuǎn)移至厭氧瓶中，超聲lh使硝基苯在溶液中分散均勻，得到50mL濃度為5-400mg/L的硝基苯溶液。
[0011](D)稱取生物炭，并在厭氧箱中轉(zhuǎn)移到厭氧瓶中，濃度為0.167-0.667g/L，超聲lh使其均勻分散在溶液中。
[0012](E)收集培養(yǎng)至對(duì)數(shù)期末期的微生物細(xì)胞，并轉(zhuǎn)移至厭氧瓶中，使菌濃度為0.5g/Lo然后將厭氧瓶放入150rpm，30°C恒溫?fù)u床中，避光反應(yīng)l_10d。
[0013]本發(fā)明所述的生物炭包括使用自然焚燒法和限氧熱解法兩種方式制備的生物炭。自然焚燒法為，將生物質(zhì)置于室外空氣中充分燃燒，收集燃盡的炭化產(chǎn)物。限氧熱解法為，將生物質(zhì)材料置于管式熱解爐中，以5°C /min的升溫速率加熱至300-800°C，恒定溫度熱解2h，熱解過程中持續(xù)通氮?dú)?，既保證爐內(nèi)厭氧環(huán)境又可將氣態(tài)有機(jī)產(chǎn)物吹掃出熱解爐。自然冷卻后取出炭化產(chǎn)物。分別將自然焚燒和限氧熱解后的炭化產(chǎn)物用去離子水洗3-5次，放入真空干燥箱40°C干燥24h，研磨，過100目篩，即分別得到本發(fā)明所述的自然焚燒和限氧熱解生物炭。
[0014]本發(fā)明的效果和益處是能夠快速有效提高硝基苯在水中的生物還原速率，且生物炭制備工藝簡(jiǎn)單，原材料來源廣泛，成本低，可操作性強(qiáng)，便于在實(shí)際中推廣應(yīng)用。
【具體實(shí)施方式】
[0015]以下結(jié)合技術(shù)方案詳細(xì)敘述本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】。
[0016]實(shí)施例1
[0017]不同生物質(zhì)原材料和制備方法所得生物炭，用于促進(jìn)微生物還原硝基苯:
[0018]⑷生物炭的制備:
[0019]自然焚燒法為，分別將小麥和棉花秸桿置于室外空氣中充分燃燒，收集燃盡的炭化產(chǎn)物。限氧熱解法為，分別將小麥和棉花秸桿材料置于管式熱解爐中，以5°C /min的升溫速率加熱至600°C，恒定溫度熱解2h，熱解過程中持續(xù)通氮?dú)?，既保證爐內(nèi)厭氧環(huán)境又可將氣態(tài)有機(jī)產(chǎn)物吹掃出熱解爐。自然冷卻后取出炭化產(chǎn)物。分別將小麥和棉花秸桿通過自然焚燒和限氧熱解后的炭化產(chǎn)物用去離子水洗3-5次，于真空干燥箱40°C干燥24h，研磨，過100目篩，即分別得到小麥和棉花秸桿為原材料的自然焚燒和限氧熱解生物炭。
[0020](B)微生物的培養(yǎng):米用 Luria-Bertani 培養(yǎng)基培養(yǎng) Shewanella oneidensisMR-1，作為還原硝基苯的菌種。培養(yǎng)基配方為:NaCl 10g/L，蛋白胨10g/L，酵母浸粉5g/L。調(diào)節(jié)培養(yǎng)基pH至7.0，并在121°C，20min的條件下高壓蒸汽滅菌。S.0neidensis MR-1在無菌操作臺(tái)接種至培養(yǎng)基，接種比例為1:100 ;接種后的培養(yǎng)基在30°C，150rpm恒溫?fù)u床中培養(yǎng)12h，得到對(duì)數(shù)生長期末期的S.0neidensis MR-1菌液備用。
[0021 ] (C)配制50mL的20mM磷酸鹽緩沖溶液，加入50mM乳酸鈉，并轉(zhuǎn)移至50mL的玻璃厭氧瓶中，并用0.lmol/L的NaOH或HC1調(diào)節(jié)pH至7.0。然后通氮?dú)馄貧鈱捬跗宽斂占八芤褐械难鯕馀疟M，并放入?yún)捬跸渲幸源_保厭氧狀態(tài)。
[0022](D)在厭氧箱中，用移液槍吸取硝基苯轉(zhuǎn)移至厭氧瓶中，得到50mL含100mg/L硝基苯的反應(yīng)體系。
[0023](E)分別稱取不同種類的生物炭(小麥和棉花秸桿均通過自然焚燒和限氧熱解兩種方式制備)，在厭氧箱中轉(zhuǎn)移到厭氧瓶中，使生物炭濃度均為0.5g/L，超聲lh使其均勻分散在溶液中。
[0024](F)收集培養(yǎng)至對(duì)數(shù)期末期的微生物細(xì)胞，并轉(zhuǎn)移至厭氧瓶中，使菌濃度為0.5g/Lo然后將厭氧瓶放入150rpm，30°C恒溫?fù)u床中，避光反應(yīng)5d，每24h取樣一次，采用高效液相色譜法檢測(cè)硝基苯及其還原產(chǎn)物苯胺。所有實(shí)驗(yàn)均平行3次，同時(shí)設(shè)置不加入生物炭?jī)H有微生物還原硝基苯的對(duì)照實(shí)驗(yàn)。
[0025]經(jīng)以上實(shí)驗(yàn)測(cè)得:未加生物炭的對(duì)照組，反應(yīng)Id后硝基苯濃度減少了 27.2mg/L，反應(yīng)5d后硝基苯濃度基本穩(wěn)定，含量為45.8mg/L，去除率為54.2%。而分別加入通過自然焚燒和限氧熱解法制備的小麥和棉花秸桿四種生物炭的實(shí)驗(yàn)組，反應(yīng)速率和去除率明顯提高。反應(yīng)Id后硝基苯濃度均低于50mg/L，反應(yīng)5d后硝基苯濃度基本穩(wěn)定，小麥焚燒生物炭、棉花焚燒生物炭、小麥熱解生物炭、棉花熱解生物炭四個(gè)實(shí)驗(yàn)組的去除率分別為97.2%，96.9%,89.9%和94.6%。硝基苯的去除包括被吸附和被微生物還原兩部分。硝基苯被微生物還原的程度可以通過檢測(cè)還原產(chǎn)物苯胺來說明。加入小麥焚燒生物炭、棉花焚燒生物炭、小麥熱解生物炭、棉花熱解生物炭后，苯胺在反應(yīng)5d后的生成量由30.2mg/L(無生物炭對(duì)照組)分別提高至58.2,53.8,41.3,46.2mg/L，表明生物炭對(duì)S.0neidensis MR-1還原硝基苯有明顯的促進(jìn)作用，且自然焚燒法制備的生物炭的促進(jìn)效果比限氧熱解法制備的生物炭更明顯。
[0026]實(shí)施例2
[0027]生物炭促進(jìn)微生物還原不同濃度的硝基苯:
[0028](A)選擇小麥秸桿自然焚燒生物炭作為本實(shí)施例中的生物炭材料。
[0029](B)微生物的培養(yǎng):同實(shí)施例1。
[0030](C)配制50mL的20mM磷酸鹽緩沖溶液，加入50mM乳酸鈉，并轉(zhuǎn)移至50mL的玻璃厭氧瓶中，并用0.lmol/L的NaOH或HC1調(diào)節(jié)pH至7.0。然后通氮?dú)馄貧鈱捬跗宽斂占八芤褐械难鯕馀疟M，并放入?yún)捬跸渲幸源_保厭氧狀態(tài)。
[0031](D)在厭氧箱中，用移液槍吸取硝基苯轉(zhuǎn)移至不同的厭氧瓶中，分別得到50mL含5-