生物质炭固定化微生物对水中壬基酚的去除效果研究

摘要

以生物质炭为载体的微生物固定化技术，既可以利用生物质炭本身强有力的吸附性能吸附水中的有机污染物，还可以利用固定在其表面的微生物进一步降解，从而将污染物彻底去除，是一种颇具前景的废水处理技术。其中，合适的生物质炭载体的类型、炭固定菌去除污染物的过程中吸附与降解的比重等问题有待于进一步研究。因此，本文以环境类雌激素壬基酚(NP)为目标污染物，通过研究不同来源的生物质炭的理化性质、吸附能力及其固定菌的降解能力，筛选出适合作为微生物固定化的生物质炭载体，并通过正交试验优化生物质炭固定菌的制备条件。在此基础上，对比竹炭固定菌和苹果木炭固定菌的重复利用性，分析生物质炭的吸附作用与固定菌的降解作用的重要性，并通过荧光定量PCR和16S rRNA鉴定探讨生物质炭固定化对微生物群落结构的影响。取得的主要结果如下:
　　(1)收集并制备了七种生物质炭，分别是竹炭(BC)，橡木炭(OC)、松木炭(PC)、秸秆炭(SC)、椰壳炭(CSC)、核桃壳炭(WSC)、苹果木炭(AWC)。一方面，吸附实验研究发现，BC、PC、WSC对NP的吸附能力较强(Kf＞20000(mg/kg)/(mg/L)n)，而AWC和OC对NP的吸附能力较差(Kf在1000(mg/kg)/(mg/L)n左右）。各类炭的吸附性能与其比表面积、Zeta、孔容、微孔体积呈正相关，与O/C、(O+N)/C、酸性官能团呈负相关。另一方面，生物质炭固定茵的降解实验发现，竹炭固定菌、核桃壳炭固定菌以及松木炭固定菌对NP的降解效果显著高于游离菌，这可能与生物质炭的Zeta电位和比表面积相关。结合这两方面的结果，以及炭材料本身的来源难易与机械性能，确定竹炭是较适合的微生物固定化材料。
　　(2)通过正交试验确定竹炭固定化的最佳制备条件为温度30℃，pH=7，炭粒径为35目。pH、温度、盐度和NP初始浓度都会影响固定菌对NP的降解。与游离菌相比，生物质炭固定菌具有更好的耐酸碱性、耐高温性、耐盐性以及底物耐受性。
　　(3)循环利用实验结果说明，经过八轮重复利用后，竹炭固定菌对水中NP的累积去除率和降解率分别为93.95％和41.86％，显著高于苹果木炭固定菌(69.60％和22.78％)与游离茵(64.79％和19.49％)(P＜0.01)。生物质炭固定菌同时结合了炭的吸附作用和菌的降解作用，竹炭固定菌在第一轮中对NP的去除率为100％，降解率为45.00％。在第八轮中对NP去除率为75.01％，降解率为43.39％，降解率/去除率比值的提升说明长期的去除效果更依赖于菌的降解作用。另外，竹炭固定菌中最终残留的NP量仍占50％左右，因此载体的回收处置问题不容忽视。
　　(4)生物质炭固定化作用对于体系中微生物的影响体现在微生物量以及微生物群落结构的变化上。微生物量的变化会根据炭载体不同而发生改变，而微生物群落结构则更多受降解时间的影响，其中Pseudomonas、Achromobacter、Ochrobactrum、Stenotrophomonas是NP降解的优势菌。生物质炭（尤其竹炭）的添加能促进微生物的生长，并减缓降解过程中优势菌群的变化，从而具有比游离菌更好的NP降解作用。
　　因此，竹炭是众多生物质炭中较适合作为微生物固定化载体的炭材料，竹炭固定菌对水中NP具有长期较好的去除率以及降解率。此外，生物质炭固定菌虽然具有炭吸附与菌降解双重功能，其长期效果更多地依赖于菌的降解作用。本论文将为生物质炭固定化微生物的应用提供一定的理论依据与技术支持。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 壬基酚的污染现状与处理技术

1．1．1 壬基酚的来源、危害与分布

1．1．2 壬基酚污染处理技术

1．2 微生物固定化技术

1．2．1 微生物固定化的方法

1．2．2 微生物固定化的载体

1．2．3 微生物吸附固定化的影响因素

1．3 炭材料固定化微生物的研究现状

1．3．1 炭材料与微生物的相互作用机制

1．3．2 炭固定化微生物去除有机污染物的机理

1．3．3 炭固定化微生物去除有机污染物的去除效果

1．4 研究内容与技术路线

1．4．1 研究日的与意义

1．4．2 研究内容

1．4．3 技术路线

第二章 生物质炭作为微生物固定化载体的选择

2．1 引言

2．2 材料与方法

2．2．1 试剂与材料

2．2．2 生物质炭的表征

2．2．3 生物质炭对NP的吸附

2．2．4 生物质炭对NP降解菌的固定

2．2．5 生物质炭固定菌对水中NP的降解

2．2．6 分析测定方法

2．2．7 数据处理

2．3 结果与讨论

2．3．1 生物质炭的表征

2．3．2 生物质炭对NP的吸附行为

2．3．3 生物质炭固定菌对NP的降解

2．3．4 微生物固定化载体的选择

2．4 本章小结

第三章 生物质炭固定菌的制备条件及降解因素研究

3．1 引言

3．2 材料与方法

3．2．1 试剂与培养基

3．2．2 生物质炭固定菌的制各

3．2．4 环境因子对生物质炭固定首降解NP的影响

3．2．5 分析测定方法

3．2．6 数据处理

3．3 结果与讨论

3．3．1 生物质炭固定苗制备的最佳条件

3．3．2 pH对生物质炭固定菌降解NP的影响

3．3．3 温度对生物质炭固定菌降解NP的影响

3．3．4 盐度对生物质炭固定菌降解NP的影响

3．3．5 初始浓度对生物质炭固定菌降解NP的影响

3．4 本章小结

第四章 生物质炭固定菌对水中NP的长期循环去除效果

4．1 引言

4．2 材料与方法

4．2．1 试剂与培养基

4．2．2 生物质炭固定菌对NP去除的长期循环利用实验

4．2．3 微生物相的测定

4．2．4 数据处理

4．3 结果与讨论

4．3．1 生物质炭固定菌对NP去除情况

4．3．2 长期循环利用中NP的总量分配

4．3．3 长期循环利用中微生物的变化

4．3．4 生物质炭固定菌与游离菌的优劣比较

4．4 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 研究结论

5．2 创新点

5．3 研究展望

参考文献

作者简介

攻读硕士学位期间主要的研究成果