生物炭強(qiáng)化模擬廢水中高濃度苯酚微生物降解

　　1 引言(Introduction)

　　生物炭是利用生物質(zhì)殘?bào)w在缺氧環(huán)境中經(jīng)過熱化學(xué)反應(yīng)形成的富碳產(chǎn)物, 近年來因其潛在的固碳能力、土壤改良功能、污染物修復(fù)功能等而受到廣泛關(guān)注(Lehmann et al., 2015).人們通常于350~750 ℃溫度范圍內(nèi)熱解制備生物炭, 并具有如下理化特征：比表面積約為10~600 m2·g-1, 大多為介孔結(jié)構(gòu), 孔內(nèi)粗糙無序(Zhao et al., 2014);表面形成攜帶負(fù)電荷的官能團(tuán), 如羧基、酚/氫醌類物質(zhì)等(Tsechansky et al., 2014);同時(shí)又富含礦物質(zhì), 如K、Ca、Mg、Fe、P等(Zhao et al., 2013b).利用生物炭修復(fù)廢水或土壤中的有機(jī)污染物, 人們的著眼點(diǎn)通常集中在生物炭的吸附效應(yīng), 并在這方面進(jìn)行了大量的機(jī)理探索.已被證明的主要結(jié)合機(jī)制為疏水分配作用、孔隙填充作用及可能的電子作用, 包括p(孤對(duì)電子)/π-π、陽離子-π、電子供受體(EDA)及氫鍵和靜電吸附效應(yīng)(Sun et al., 2012; Xu et al., 2017; Fu et al., 2018; Zhang et al., 2018b), 這些皆歸因于生物炭的芳香化結(jié)構(gòu)、表面官能團(tuán)和負(fù)電荷(Zhao et al., 2013a; Xiao et al., 2017).也有不少研究是將生物炭作為一種載體, 用以固定微生物菌體, 將其用于土壤有機(jī)污染物的修復(fù)過程中, 生物炭固定菌比僅采用游離菌更能耐受高濃度的有機(jī)污染物, 因而持續(xù)去除能力強(qiáng)(李巖, 2014).劉亮(2015)采用這種方法處理PAHs, 由稻殼生物炭(350 ℃)包埋菌獲得了最高31.3%的降解率.Xiong等(2017)和Ni等(2018)研究證明, 生物炭包埋菌在土壤中的確發(fā)揮了吸附和降解的雙重功效, 使得PAHs的降解率從單純使用游離細(xì)菌時(shí)的19.7%~47.3%提高到52.1%~62.6%.如若將生物炭添加到高濃度有機(jī)污染物廢水生物降解系統(tǒng), 是否可以利用生物炭的特殊結(jié)構(gòu)和功能促進(jìn)高濃度污染物的降解, 這個(gè)問題值得探討.

　　苯酚污染廢水是一類常見的工業(yè)廢水, 污染濃度從50~1500 mg·L-1不等.現(xiàn)有的苯酚廢水處理技術(shù)主要有化學(xué)法(如催化降解)、物理法(如活性炭吸附)和生物降解法等(程雯等, 2018).例如, 吉芳英等(2018)采用介孔yolk-shell型Co3O4@mSiO2納米反應(yīng)器處理苯酚廢水, 其處理的濃度在50 mg·L-1左右; 吳彥霞等(2017)采用類Fenton催化劑處理苯酚廢水, 其處理的濃度在100 mg·L-1左右.微生物降解技術(shù)能夠處理濃度較高的苯酚廢水, 但由于微生物對(duì)高毒性物質(zhì)的耐受度有限, 因此, 常規(guī)的降解方法往往導(dǎo)致菌體生長受阻.師永健等(2013)采用移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器可以將苯酚進(jìn)水濃度從200 mg·L-1提高到1400 mg·L-1, 但工藝較為復(fù)雜; 魏霞等(2016)和張海濤等(2016)均采用分離、篩選并鑒定耐鹽高效苯酚降解菌的方式得到了特效菌株, 并分別對(duì)500 mg·L-1和800 mg·L-1的苯酚獲得了90%以上的降解率.但篩選特征菌畢竟需要較高的操作技術(shù)及保存條件, 因此, 亟需開發(fā)工藝簡潔、成本低廉的處理工藝.基于此, 本研究擬將生物炭作為一種添加材料, 加入到苯酚污染模擬廢水降解系統(tǒng)中, 考察生物炭是否對(duì)微生物生長及降解苯酚有促進(jìn)作用, 是否可利于微生物耐受高濃度苯酚污染模擬廢水, 并闡明其機(jī)制.

　　2 材料與方法(Materials and methods)

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

2.1.1 生物炭制備與表征

　　所用生物炭采用花生殼制備, 為避免雜質(zhì)影響, 先用自來水將其表面沖洗干凈, 再于60 ℃烘干.經(jīng)粉碎、過篩(10目)后, 置于管式爐(GSL-1100X-6-S, 合肥科晶材料技術(shù)有限公司)中在氮?dú)夥諊�下熱�?熱解程序?yàn)椋阂? ℃·min-1升溫至100 ℃并保溫1 h, 使物料充分干燥; 再以10 ℃·min-1繼續(xù)升溫至350、550或750 ℃并維持2 h, 使其充分熱解.最后所得生物炭經(jīng)球磨, 過200目標(biāo)準(zhǔn)篩后保存?zhèn)溆?

　　生物炭C、H、O、N含量由元素分析儀(vario EL cube, 德國Elementar Analysensysteme公司)測得.用比表面積分析儀(ASAP 2020 Plus, 美國Micromeritics Instrument公司)進(jìn)行N2吸附(77 K), 在相對(duì)壓力為0.05~0.18之間應(yīng)用Brunauer-Emmett-Teller(BET)方法計(jì)算生物炭比表面積.將生物炭在富氧、900 ℃下煅燒2 h, 測定其灰分含量.對(duì)生物炭消解后使用等離子發(fā)射光譜儀(5110 ICP-OES, 美國Agilent公司)測定礦物質(zhì)含量.

　　2.1.2 苯酚降解菌的準(zhǔn)備

　　所用苯酚降解菌Pseudomonas citronellolis購自中國農(nóng)業(yè)微生物菌種保藏管理中心(編號(hào)ACCC 02839), 該菌為革蘭氏陰性, 好氧生長, 能以苯酚為唯一碳源和能源.

　　LB培養(yǎng)基：胰蛋白胨10 g·L-1, 酵母膏5 g·L-1, NaCl 10 g·L-1, pH調(diào)節(jié)為7.0, 經(jīng)121 ℃高壓蒸汽滅菌20 min.固體培養(yǎng)基另加16 g·L-1瓊脂.

　　無機(jī)鹽培養(yǎng)基：KH2PO4 0.1 g·L-1, Na2HPO4 0.45 g·L-1, NH4Cl 0.3 g·L-1, MgSO4·7H2O 0.04 g·L-1, CaCl2 0.0045 g·L-1, 同樣高壓蒸汽滅菌后使用(Chen et al., 2013).

　　用于后續(xù)實(shí)驗(yàn)接種的菌液采自培養(yǎng)對(duì)數(shù)期末期, 在清洗并重懸后, 其OD600=0.1.

　　2.1.3 生物炭-海藻酸鈣固定化微生物的制備

　　在含有600 mg·L-1苯酚的無機(jī)鹽培養(yǎng)基中添加6 g·L-1熱解(550 ℃)生物炭, 接種苯酚降解菌后培養(yǎng)48 h.之后用5 μm濾膜真空抽濾截留吸附有微生物的生物炭, 生理鹽水沖洗后重懸得到0.1 g·mL-1懸濁液.將此懸濁液以一定比例混合于海藻酸鈉水溶液中, 并在40 ℃恒溫水浴中磁力攪拌均勻, 然后用蠕動(dòng)泵以適當(dāng)流速使其滴入2% CaCl2溶液中.形成的生物炭-海藻酸鈣小球繼續(xù)靜置0.5 h后經(jīng)生理鹽水沖洗, 即可于4 ℃保存?zhèn)溆?所有操作在無菌環(huán)境下進(jìn)行.

　　2.2 實(shí)驗(yàn)方法2.2.1 苯酚降解菌對(duì)不同濃度苯酚的降解

　　使用加有不同濃度苯酚的無機(jī)鹽培養(yǎng)基培養(yǎng)該菌, 以了解其苯酚降解性能.用菌液按4%接種量接種到100 mL含苯酚無機(jī)鹽培養(yǎng)基中, 苯酚濃度分別設(shè)定為110、220、420 mg·L-1.接種后的培養(yǎng)液在30 ℃、160 r·min-1條件下培養(yǎng), 每隔幾小時(shí)取樣1 mL, 分成兩份, 分別測定OD600值和苯酚濃度.

　　OD600值使用酶標(biāo)儀(Multiskan FC, 美國Thermo Fisher公司)于600 nm波長處測定200 μL樣品吸光度, 以無機(jī)鹽培養(yǎng)基為零點(diǎn).

　　苯酚濃度使用高效液相色譜(Breeze HPLC, 美國Waters公司)測定.將所取樣品于12000 r·min-1離心10 min后, 取上清液過0.22 μm濾膜, 然后用乙腈稀釋一定倍數(shù)后待測.色譜條件：色譜柱為C18反相硅膠柱, 進(jìn)樣量20 μL, 流動(dòng)相為乙腈:水=6:4, 流速0.8 mL·min-1, 波長280 nm.

　　2.2.2 生物炭對(duì)微生物降解苯酚的影響

　　在考察不同生物炭添加量對(duì)微生物降解苯酚的影響時(shí), 向含有430 mg·L-1苯酚的無機(jī)鹽培養(yǎng)基中分別添加2、4和6 g·L-1的550 ℃熱解生物炭.由于生物炭略顯堿性, 故使用適量0.2 mol·L-1鹽酸調(diào)節(jié)初始pH到7.0.接種后按照上述培養(yǎng)條件在搖床上培養(yǎng), 隔一定時(shí)間取樣測定液相中苯酚濃度, 并在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后測定體系pH值.另外設(shè)置不接種微生物的對(duì)照組來考察生物炭對(duì)苯酚的吸附作用.

　　進(jìn)行生物炭負(fù)載微生物的形態(tài)觀察所需樣品取自實(shí)驗(yàn)32 h后, 為已確定液相中苯酚被完全去除的樣品.在經(jīng)生理鹽水清洗、2%戊二醛于4 ℃固定2 h、乙醇梯度脫水、CO2臨界點(diǎn)干燥和噴金等處理后, 用掃描電鏡(TESCAN GAIA3, 捷克TESCAN公司)進(jìn)行形態(tài)觀察(Song et al., 2005).

　　將不同熱解溫度(350、550、750 ℃)制備的生物炭按6 g·L-1的比例添加到無機(jī)鹽培養(yǎng)基中, 苯酚濃度提高到800 mg·L-1, 同樣調(diào)節(jié)初始pH值, 接種后在上述同樣條件下培養(yǎng).每隔一段時(shí)間取樣, 測定苯酚濃度的同時(shí), 跟蹤體系pH值的變化.

　　生物炭對(duì)微生物降解苯酚的促進(jìn)作用可能受限于苯酚的初始濃度.將上述制得的吸附有微生物的生物炭按2 g·L-1的比例添加到含有更高苯酚濃度(600~1200 mg·L-1)的無機(jī)鹽培養(yǎng)基中, 并與未添加生物炭的游離微生物組進(jìn)行對(duì)照.同樣搖床培養(yǎng), 一定時(shí)間后取樣, 測水相中苯酚濃度.

　　2.2.3 生物炭-海藻酸鈣固定化對(duì)微生物降解苯酚的影響

　　將生物炭-海藻酸鈣固定化微生物小球按2 g·L-1 (以生物炭量計(jì))的比例添加到含苯酚(600~1200 mg·L-1)的無機(jī)鹽培養(yǎng)基中, 并用僅海藻酸鈣固定(無生物炭)的微生物作為對(duì)照, 其余操作同上.

　　2.3 數(shù)據(jù)分析

　　苯酚去除率按照式(1)計(jì)算, 所有實(shí)驗(yàn)均做3個(gè)平行樣, 采用Excel2016及Originlab9.0進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)偏差分析與作圖, SPSS23.0進(jìn)行單因素ANOVA差異性檢驗(yàn)(p < 0.05).

　　式中, η為苯酚去除率, Ct為t時(shí)刻液相中苯酚濃度(mg·L-1), C0為苯酚添加初始濃度(mg·L-1).

　　3 結(jié)果與討論(Results and discussion)3.1 不同初始濃度苯酚的微生物降解效果

　　在未添加生物炭的情況下, 首先研究了不同初始濃度苯酚對(duì)微生物生長的影響及微生物降解苯酚的效果.由圖 1可知, 在初始苯酚濃度為110~420 mg·L-1的模擬廢水中, 微生物的生長曲線都為典型的“S”形, 即按照時(shí)間呈現(xiàn)出滯后期、對(duì)數(shù)期和穩(wěn)定期的生長趨勢.但隨著苯酚濃度的升高, 微生物在對(duì)數(shù)期的生長速率逐漸降低, 說明相對(duì)較高的苯酚濃度對(duì)微生物生長有明顯的抑制效應(yīng).但苯酚對(duì)微生物既有毒性效應(yīng), 也是“營養(yǎng)食物”, 在苯酚濃度為110 mg·L-1的模擬廢水系統(tǒng)中, 微生物生長速率最快, 但其最終達(dá)到的菌濃度(OD600=0.06)卻明顯低于苯酚濃度為220、420 mg·L-1的系統(tǒng), 說明此苯酚濃度不能滿足微生物生長的營養(yǎng)需要.但苯酚濃度為420 mg·L-1時(shí), 并沒有使菌的最終濃度超過220 mg·L-1系統(tǒng), 說明此時(shí)微生物已經(jīng)達(dá)到了最大生長極限, 苯酚濃度的提高并不能繼續(xù)被微生物所利用.

　　圖 1

　　圖 1微生物在不同濃度苯酚下的生長及對(duì)苯酚的降解(空白對(duì)照僅針對(duì)220 mg·L-1苯酚濃度, 不接種微生物)

　　微生物的生長伴隨著系統(tǒng)中苯酚濃度的降低, 兩者在時(shí)間上有較強(qiáng)的一致性(圖 1).微生物處于對(duì)數(shù)生長期時(shí), 苯酚的降解速度也最快, 在微生物生長達(dá)到穩(wěn)定期后, 苯酚的濃度也不再下降.除了初始濃度為110 mg·L-1的苯酚被完全降解外, 220 mg·L-1和420 mg·L-1的苯酚均未被完全降解, 且苯酚濃度越高, 剩余越多.高濃度的苯酚雖然提供了充足的代謝底物, 但苯酚的毒性也會(huì)隨之增強(qiáng), 最終抑制微生物對(duì)其的進(jìn)一步利用(Nuhoglu et al., 2005).

　　3.2 不同生物炭添加量對(duì)微生物降解苯酚的影響

　　選取初始濃度為430 mg·L-1的苯酚污染模擬廢水, 將550 ℃條件下熱解制備的花生殼生物炭按照2、4和6 g·L-1的比例添加到系統(tǒng)中, 并與微生物共培養(yǎng), 得到苯酚降解曲線(圖 2a)及pH變化曲線(圖 2b).與3.1節(jié)結(jié)果一致, 單獨(dú)微生物菌體仍未能完全降解苯酚, 其降解率為36.3%.而添加了生物炭的系統(tǒng)中, 苯酚的去除率有大幅提高.在0~6 h內(nèi), 生物炭促進(jìn)苯酚濃度快速降低(去除率為12.0%~39.3%), 且這種降低效應(yīng)與生物炭添加量明顯成正比, 說明該時(shí)間段內(nèi)的去除機(jī)制主要為生物炭的吸附作用.在6~16 h內(nèi), 添加生物炭的系統(tǒng)中苯酚濃度快速降低, 表明微生物進(jìn)入對(duì)數(shù)生長期.3種添加比均可使苯酚在16 h之內(nèi)被微生物降解完全, 去除率達(dá)到100%.而單獨(dú)微生物存在的系統(tǒng)中, 微生物生長緩慢, 在第16~25 h的對(duì)數(shù)生長期, 由于苯酚毒性的抑制, 其最高降解率僅為38.2%.生物炭添加量增大意味著其吸附了更多的苯酚, 這使得溶液中的苯酚濃度降低, 從而減少了對(duì)微生物的毒性抑制.另外, 更多的生物炭能夠提供更多的供微生物吸附的表面, 從而使微生物的生物量能夠達(dá)到更大值(Pietikainen et al., 2000).因此, 在本系統(tǒng)中, 生物炭作為微生物的載體作用效果顯著.

　　圖 2

　　圖 2不同生物炭添加量對(duì)微生物降解苯酚(a)及體系pH(b)的影響

　　通過測定實(shí)驗(yàn)開始前和終止后的溶液pH, 發(fā)現(xiàn)添加550 ℃熱解生物炭的系統(tǒng)呈堿性, 其添加量越多, 培養(yǎng)液pH升高越多, 最大能達(dá)到7.58.在實(shí)驗(yàn)開始時(shí), 用適量的鹽酸調(diào)節(jié)pH, 使其在7.0左右, 有利于微生物的生長.實(shí)驗(yàn)結(jié)束后, 游離微生物實(shí)驗(yàn)組pH降低到4.27, 而添加2 g·L-1生物炭的實(shí)驗(yàn)組則降低到3.74.結(jié)合之前的實(shí)驗(yàn)可以推測出, 由于添加2 g·L-1的生物炭, 苯酚被完全降解, 因而產(chǎn)生了比游離微生物組更多的酸性中間產(chǎn)物, 少量的生物炭又不足以中和其酸性, 因此, 其溶液pH最低(Santos et al., 2007).隨著生物炭添加量的增多, 溶液pH又逐漸變大.

　　為了驗(yàn)證生物炭的吸附作用能夠去除的苯酚量, 進(jìn)行了單獨(dú)添加生物炭而不接種微生物的無菌環(huán)境下的苯酚吸附實(shí)驗(yàn)(圖 2a).由圖可知, 2、4和6 g·L-1的生物炭添加量分別獲得了17.2%、34.1%和53.8%的苯酚去除率, 去除率與添加量成正比, 表明單純依靠生物炭的吸附作用去除苯酚, 效果遠(yuǎn)低于吸附作用結(jié)合微生物的降解作用.

　　3.3 不同熱解溫度生物炭對(duì)微生物降解苯酚的影響

　　上述研究表明, 生物炭添加可以顯著促進(jìn)微生物降解苯酚, 其機(jī)制涉及生物炭的吸附和pH緩沖能力等.為了進(jìn)一步深入研究生物炭的多重作用機(jī)制, 本研究選取更高濃度(800 mg·L-1)的苯酚污染模擬廢水, 采用不同溫度下(350、550和750 ℃)制備的生物炭, 按6 g·L-1的比例添加到苯酚降解系統(tǒng)中, 得到圖 3所示的降解曲線.由圖 3可知, 350 ℃熱解溫度制備的生物炭, 其吸附作用低于550 ℃、750 ℃熱解溫度制備的生物炭, 后兩者之間的吸附作用相差不大.由表 1可知, 350 ℃熱解溫度制備的生物炭的比表面積(11 m2·g-1)比另外兩種生物炭(143 m2·g-1和304 m2·g-1)低很多, 但其吸附作用并沒有表現(xiàn)出巨大差異, 這是因?yàn)樯�物炭�?duì)苯酚的吸附作用不僅受比表面積的影響, 還會(huì)受分配作用的影響, 低溫生物炭由于具有更多的表面含氧官能團(tuán)和脂肪碳而表現(xiàn)出更明顯的分配作用(Chen et al., 2008; Zhang et al., 2018a).

　　圖 3

　　圖 3不同熱解溫度生物炭對(duì)苯酚的吸附對(duì)照(a.苯酚濃度, b.pH變化)及不同熱解溫度生物炭對(duì)微生物降解苯酚(c)及pH變化(d)的影響

　　表 1 生物炭的基本性質(zhì)

 　　3種生物炭對(duì)于微生物進(jìn)入對(duì)數(shù)生長期開始降解苯酚的過程表現(xiàn)出顯著的差異.游離微生物仍具有一定的降解能力, 其最終降解率約為25.4%.550 ℃下制備的生物炭表現(xiàn)出最高的強(qiáng)化作用, 使微生物進(jìn)入對(duì)數(shù)生長期的時(shí)間(約在20 h左右)大大提前; 350 ℃下制備的生物炭也表現(xiàn)出較好的促進(jìn)作用, 其微生物進(jìn)入對(duì)數(shù)生長期的時(shí)間約在27 h; 但750 ℃下制備的生物炭對(duì)微生物生長表現(xiàn)出了抑制作用, 除了約25%的吸附去除外, 未能使微生物正常生長.這可能是高溫下制備的生物炭具有較強(qiáng)的堿性(本體pH達(dá)11.24, 在此體系中溶液pH短時(shí)間內(nèi)回升到7.6以上), 以致實(shí)驗(yàn)開始時(shí)接種的少量微生物未能存活, 說明該苯酚降解菌對(duì)堿性pH有較高的敏感性.具體聯(lián)系污水寶或參見http://www.yiban123.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　實(shí)驗(yàn)所用假單胞菌Pseudomonas citronellolis對(duì)苯酚的降解為鄰位開環(huán)路徑, 主要生成一些如順, 順-已二烯二酸、β-酮酯、琥珀酸等小分子有機(jī)酸(Santos et al., 2007;陳軍, 2017).在菌體的對(duì)數(shù)生長期, 酸性中間產(chǎn)物迅速累積, 造成pH快速降低, 最低到4以下, 反過來抑制菌體的生長, 使苯酚降解出現(xiàn)停滯.如果在pH降低到微生物能承受的最低限度之前, 苯酚尚未被完全降解, 那么在pH降低到此最低限度值后, 剩余的苯酚將不再能被微生物降解掉.因此, 具有更好pH緩沖能力的材料能夠解除這種酸性抑制作用.相比于常規(guī)的活性炭等材料, 生物炭通常呈堿性, 其pH隨熱解溫度的升高而升高.這一方面是因?yàn)樯�物質(zhì)原料中的原生生物酸在熱解過程中不斷分解(Jeffrey et al., 2009);另一方面是因?yàn)殡S著熱解溫度的升高, 生物炭產(chǎn)率下降, 而其所含的無機(jī)礦物難以揮發(fā)并逐漸累積(Braadbaart et al., 2008; Gaskin et al., 2008).生物炭堿性來源, 其無機(jī)體系主要是堿性礦物質(zhì)，如CaCO3或Na、K、Mg等堿金屬和堿土金屬鹽類, 這在Zhao等(2013b)及本研究的表 1中均有呈現(xiàn).Yuan等(2011)在其研究中證實(shí), 由某些生物質(zhì)所制的700 ℃生物炭, 其所含碳酸鹽類礦物能夠貢獻(xiàn)高達(dá)55%的堿度.另外, 有機(jī)體系如生物炭表面官能團(tuán)—O-、—COO-等亦有較大貢獻(xiàn).在苯酚降解過程中, H+被生物炭中的堿性組分中和, 在更大酸性中間產(chǎn)物濃度范圍內(nèi)維持了pH的相對(duì)穩(wěn)定, 從而保障了微生物的活性和降解速率.

　　3.4 生物炭對(duì)高濃度苯酚降解的影響

　　為了進(jìn)一步驗(yàn)證本系統(tǒng)中生物炭對(duì)微生物的載體作用和pH緩沖作用, 采用了更高的苯酚初始濃度進(jìn)行對(duì)比.由圖 4可知, 當(dāng)苯酚初始濃度為600和800 mg·L-1時(shí), 未加生物炭的系統(tǒng)中微生物經(jīng)歷了12 h的停滯期后開始降解苯酚, 最終降解率約25%.但當(dāng)初始濃度高達(dá)1000和1200 mg·L-1時(shí), 其毒性效應(yīng)使微生物難以存活, 苯酚未得到任何降解.然而, 添加2 g·L-1的吸附有微生物的生物炭, 可將4種濃度的苯酚去除率明顯提高到46.9%、36.9%、35.1%和33.7%.在苯酚濃度升高的前提下, 其降解率卻保持了相當(dāng)?shù)姆�(wěn)定性, 只是微生物的降解速率有較明顯的減慢.這進(jìn)一步證實(shí)了生物炭對(duì)于苯酚降解菌的保護(hù)作用, 使其對(duì)高濃度的苯酚具有了較強(qiáng)的耐受力(Du et al., 2016).

　　圖 4

　　圖 4生物炭添加對(duì)高濃度苯酚污染模擬廢水中微生物降解效果的影響

　　3.5 生物炭凝膠固定微生物對(duì)高濃度苯酚降解的影響

　　通過簡單的生物炭吸附負(fù)載微生物, 可以在400~800 mg·L-1的濃度范圍內(nèi)大大促進(jìn)模擬廢水中苯酚的降解, 但如果濃度繼續(xù)升高, 盡管有生物炭的輔助作用, 微生物仍難以抵抗高濃度苯酚的毒害作用.因此, 本文擬采用海藻酸鈣凝膠固定化方法將微生物包埋固定于生物炭之上, 驗(yàn)證其對(duì)苯酚降解的作用效果.生物炭-海藻酸鈣凝膠固定微生物小球呈黑色, 柔軟具有彈性; 其平均直徑為3.6 mm, 每個(gè)小球中生物炭含量約為3.2%.由圖 5可知, 生物炭-海藻酸鈣凝膠固定微生物明顯表現(xiàn)出對(duì)高濃度苯酚更強(qiáng)的耐受性.在600 mg·L-1苯酚濃度下, 降解率達(dá)到100%, 遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于未加生物炭, 以及未凝膠固定化的情況.對(duì)比單純采用游離微生物制作的凝膠固定化小球與以生物炭作為載體的凝膠固定化小球的降解效果, 發(fā)現(xiàn)當(dāng)苯酚濃度達(dá)到1200 mg·L-1時(shí), 前者沒有表現(xiàn)出降解作用, 僅有些許降低是因?yàn)槟�膠小球?qū)Ρ椒拥奈�附作�? 而后者則表現(xiàn)出了62.5%的降解率.觀察未加生物炭制備的凝膠固定小球顏色, 發(fā)現(xiàn)其在較低濃度下變成灰白色, 微生物有顯著生長, 但在極端高濃度下, 顏色未變化, 說明菌體未發(fā)生生長.另外, 在較低濃度的苯酚下, 生物炭-海藻酸鈣凝膠固定微生物對(duì)苯酚的降解速率要高于單純海藻酸鈣凝膠固定微生物.固定化過程中, 海藻酸鈉中的古羅糖醛酸陰離子與Ca2+絡(luò)合形成疏水性離子交聯(lián)結(jié)構(gòu), 將微生物限制在一個(gè)個(gè)“網(wǎng)格”之中, 從而起到保護(hù)菌體免受外部環(huán)境沖擊的作用(Cassidy et al., 1996;陳益清, 2018).但這樣一種結(jié)構(gòu)亦是一把“雙刃劍”, 其負(fù)面效應(yīng)即是會(huì)明顯阻礙氧、營養(yǎng)物及有機(jī)污染物向微生物的傳質(zhì), 從而降低其降解速率(Cassidy et al., 1996; Banerjee et al., 2011).隨著表面粗糙多孔的生物炭的加入, 凝膠小球的孔隙勢必會(huì)有明顯增大, 因而傳質(zhì)阻礙得到一定程度的緩解.另一方面, 前文所述生物炭的pH緩沖作用及對(duì)苯酚的吸附固定, 進(jìn)一步減輕了高濃度苯酚對(duì)微生物的毒性脅迫, 體現(xiàn)了其保護(hù)作用.

　　圖 5

　　圖 5不同濃度苯酚下生物炭-海藻酸鈣固定微生物對(duì)苯酚的降解效果

　　3.6 生物炭的性質(zhì)及負(fù)載微生物的微觀形態(tài)

　　為了研究生物炭添加對(duì)于強(qiáng)化模擬廢水中高濃度苯酚的降解效果的機(jī)理, 對(duì)生物炭的基礎(chǔ)性質(zhì)包括元素分析、礦物質(zhì)組分和比表面積進(jìn)行了測試.由表 1可見, 隨著熱解溫度的升高, 得到的生物炭產(chǎn)物含C量增高, 而O、H和N含量降低.生物炭的pH顯著升高, 當(dāng)熱解溫度為750 ℃時(shí), 生物炭pH高達(dá)11.24, 呈強(qiáng)堿性, 因而導(dǎo)致微生物生長受到抑制, 系統(tǒng)失去對(duì)苯酚的降解能力.而熱解溫度為350 ℃時(shí), 其生物炭堿度較低, 難以緩沖高濃度苯酚降解過程中產(chǎn)生的大量酸性中間產(chǎn)物.生物炭比表面積隨著溫度升高而顯著增加, 3種溫度下的生物炭比表面積分別為11、143和304 m2·g-1, 并且主要是孔徑為2~30 nm的介孔, 而微孔不夠發(fā)達(dá)(Zhao et al., 2014), 這樣的物理結(jié)構(gòu)對(duì)有機(jī)污染物具有一定的吸附能力, 能夠使菌體附著其上, 但又不至于像活性炭這樣的高比表面積材料, 對(duì)污染物吸附能力過強(qiáng), 導(dǎo)致其反而降低了污染物生物可利用性(Li et al., 2018; Sigmund et al., 2018).從掃描電鏡圖中也可以很明顯看到微生物菌體不僅可以附著在生物炭的孔徑內(nèi)部, 也在其表面大量附著(圖 6).因此, 生物炭可作為微生物良好的載體, 提高微生物抵御高濃度苯酚的能力.

　　圖 6

　　圖 6菌體附著于生物炭之上的表面形態(tài)掃描電鏡圖(a.放大65000倍; b.放大10000倍)

　　4 結(jié)論(Conclusions)

　　1) 苯酚對(duì)于降解菌既是一種抑制菌體活性的毒性物質(zhì), 又是菌體賴以生存的代謝物.苯酚濃度過低(≤110 mg·L-1)時(shí)不能使菌體達(dá)到最大濃度, 過高(≥420 mg·L-1)則使菌體生長受抑制, 難以達(dá)到高效的降解效果.生物炭的添加具有一定的吸附效應(yīng), 可以將初始苯酚濃度部分降低, 縮短微生物停滯期, 快速進(jìn)入對(duì)數(shù)生長期, 產(chǎn)生高效降解.

　　2) 生物炭的堿度較大, 中溫(500 ℃左右)條件下制備的生物炭具有較高的pH, 能夠?qū)Ρ椒咏到膺^程中產(chǎn)生的酸性中間產(chǎn)物起到中和作用, 給微生物的生長提供較適pH, 大大提高其降解能力.但過高溫度(700 ℃左右)制備的生物炭pH過高(>10.0), 反而不利于微生物的生長.

　　3) 通過海藻酸鈣凝膠將菌體固定在生物炭之上, 制成包埋小球, 可以大大提高菌體耐受高濃度苯酚(1200 mg·L-1)的能力, 降解率也大大提升.這主要是因?yàn)槟�膠小球內(nèi)苯酚的傳質(zhì)減慢, 微生物直接接觸的苯酚濃度降低.生物炭-海藻酸鈣凝膠固定微生物的降解效率要顯著高于單獨(dú)海藻酸鈣固定的微生物.(來源：環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào) 作者：肖冬林)