微生物载体及其制备方法、水环境中污染物去除方法与流程

本说明书一个或多个实施例涉及环境治理技术领域，具体涉及一种微生物载体及其制备方法、水环境中污染物去除方法。

背景技术：

环境中的污染物包括有机物、营养盐、重金属。对硝基苯酚(pnp)是一种重要的硝基芳香化合物，其应用范围涉及医学，农业，工业产品等许多领域。作为医药和染料工业的重要中间体，pnp具有难降解、毒性大等特点。美国环境保护署(usepa)已经将其列为水体中的优先污染物。农业化肥的过量使用，尤其足氮肥的过量使用和动物排泄物的处置不当，使世界许多地方地表水和地下水中硝酸盐氮的含量在不断升高，已经危及包气带土壤和地下水的质量安全，硝酸盐污染日趋严重钒在地壳中储量丰富，是典型的氧化还原敏感元素，主要存在于钒钛磁铁矿中，广泛应用于钢铁行业、制药工程、陶瓷、航空、核技术等领域。随着工业、采矿业的发展，地下水钒污染的环境问题日益突出。

环境治理可采用如下方法。

物理法：利用物理作用处理、分离和回收废水中的污染物。例如用沉淀法除去水中相对密度大于1的悬浮颗粒的同时回收这些颗粒物；浮选法(或气浮法)可除去乳状油滴或相对密度近于1的悬浮物；过滤法可除去水中的悬浮颗粒；蒸发法用于浓缩废水中不挥发性的可溶性物质等。缺点：设备费和日常运转费较高，比生物处理法消耗较多的原料和物料。

化学法：利用化学反应或物理化学作用回收可溶性废物或胶体物质，例如，中和法用于中和酸性或碱性废水；萃取法利用可溶性废物在两相中溶解度不同的“分配”，回收酚类、重金属等；氧化还原法用来除去废水中还原性或氧化性污染物，杀灭天然水体中的病原菌等。缺点：处理费用较高，操作与管理要求较严格。

生物法：利用微生物的生化作用处理废水中的有机物。例如，生物过滤法和活性污泥法用来处理生活污水或有机生产废水，使有机物转化降解成无机盐而得到净化。此法投资少、效果好、运行费用低，在城市废水和工业废水的处理中得到广泛应用。

其中，生物方法是处理环境中有机物、营养盐和重金属等污染物经济高效、成本低廉，容易操作的方法，逐渐成为研究热点。但微生物代谢较慢，限制了其广泛应用。

技术实现要素：

本说明书实施例描述了一种微生物载体及其制备方法、水环境中污染物去除方法，可以强化微生物附着与电子传递，以促进微生物去除有机物、营养盐、重金属。

第一方面，本说明书实施例提供了一种微生物载体的制备方法，所述方法包括如下步骤：

(1)使用强酸，对碳纤维毡进行酸改性，得到微生物载体的第一前体；

(2)使用含有亲水官能团的有机物，对所述第一前体进行有机物改性，得到所述微生物载体的第二前体；

(3)使用含有(nh4)2s2o4的硫酸，对所述第二前体进行亲水改性，得到所述微生物载体的第三前体；

(4)在400-500℃的环境下，对所述第三前体进行热改性，得到所述微生物载体。

在一些实施例中，在所述步骤(1)之前，将所述碳纤维毡裁剪成尺寸为1cm×1cm×1cm的碳纤维毡块，并将使用丙酮清洗所述碳纤维毡块，然后烘干所述碳纤维毡块。

在一些实施例中，在所述步骤(1)中，将所述碳纤维毡块浸入500mlhno3浓度为5％v/v的酸性溶液中，并在80℃下搅拌3h；之后，排出酸性溶液，并使用蒸馏水和乙醇洗涤所述碳纤维毡块，直到在洗涤所排出的水的ph为中性；再将所述碳纤维毡块在60℃的烤箱中干燥12h，得到所述第一前体。

在一些实施例中，在所述步骤(2)中，将所述第二前体在所述有机物的溶液中浸渍24h，然后干燥，得到所述第二前体。

在一些实施例中，所述有机物的溶液含有8mm的nano2、10mm的磺胺以及0.5mhcl；或者，所述有机物的溶液含有1wt％的壳聚糖、0.2m乙酸；或者，每1l所述有机物的溶液含有15g聚二烯丙基二甲基氯化铵、0.5molnacl；或者，所述有机物的溶液为三聚氰胺的乙醇溶液。

在一些实施例中，在所述步骤(3)中，将0.2mol/l(nh4)2s2o4溶解在2mol/lh2so4中，得到第一溶液；将所述第二前体在所述第一溶液中浸渍24h，之后，清洗至ph中性，并干燥，得到所述第三前体。

在一些实施例中，在所述步骤(4)中，将所述第三前体在450℃下加热30min，得到所述微生物载体。

第二方面，本说明书实施例提供了一种生物反应器，所述生物反应器密闭且不透光，所述生物反应器中含有权利要求1-7任一项所述的微生物载体和厌氧活性污泥。

在一些实施例中，每250ml的所述生物反应器中含有16cm3的所述微生物载体和20ml厌氧活性污泥。

第三方面，本说明书实施例提供了一种水环境中污染物去除方法，将含有污染物的合成地下水置于权利要求8或9所述的生物反应器中，在25±2℃下培养，以去除所述合成地下水中的污染物；其中，所述污染物为以下任一种：

对硝基苯酚pnp、no3—n、五价钒。

本说明书实施例提供的方案不仅有利于微生物的附着，而且具有促进种间电子传递功能，实现高效处理废水中的有机物、营养盐和重金属等污染物。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1示出了不同有机物改性cf，对pnp去除率的影响对比图；

图2示出了不同改性cf的cv曲线；

图3示出了cf改性前后ft-ir图；

图4示出了不同改性cf对pnp去除性能的对比图；

图5示出了不同体系对pnp去除率的对比图；

图6a示出了去除硝酸盐体系中no3--n浓度变化；

图6b示出了去除硝酸盐体系中no2--n浓度变化；

图6c示出了去除硝酸盐体系中nh4+-n浓度变化；

图7示出了不同体系对五价钒的去除率对比图；

图8示出了从左至右，依次含有ck、cf和cf④，并且运行了48小时后的生物反应器；

图9a为反应前聚氨酯材料的sem图；

图9b为反应前cf的sem图；

图9c为反应前cf①的sem图；

图9d为反应前cf②的sem图；

图9e为反应前cf③的sem图；

图9f为反应前cf④的sem图；

图10a为反应后cf的sem图；

图10b为反应后cf④的sem图；

图11示出了微生物载体的能谱分析结果；其中，图11中的(a)为聚氨酯材料的eds图；图11中的(b)为cf的eds图；图11中的(c)为cf①的eds图；图11中的(d)为cf②eds图；图11中的(e)为cf③的eds图；图11中的(f)为cf④的eds图。

具体实施方式

应理解，本发明的保护范围不局限于下述特定的具体实施方案；还应当理解，本发明实施例中使用的术语是为了描述特定的具体实施方案，而不是为了限制本发明的保护范围；在本发明说明书和权利要求书中，除非文中另外明确指出，单数形式“一个”、“一”和“这个”包括复数形式。

当实施例给出数值范围时，应理解，除非本发明另有说明，每个数值范围的两个端点以及两个端点之间任何一个数值均可选用。除非另外定义，本发明中使用的所有技术和科学术语与本技术领域技术人员通常理解的意义相同。除实施例中使用的具体方法、设备、材料外，根据本技术领域的技术人员对现有技术的掌握及本发明的记载，还可以使用与本发明实施例中所述的方法、设备、材料相似或等同的现有技术的任何方法、设备和材料来实现本发明。

添加微生物载体可以增大微生物量，提高效率。生物载体是生物膜水处理技术的核心之一，载体的性能直接影响着废水处理性能的稳定和效率。目前在水处理中，广泛应用的多为无机高分子载体，以多孔材料为主。有机高分子载体开发的重点在于提高载体的比表面积、优化载体结构及改善生物膜更新等方面。微生物去除污染物的过程，本质是电子转移过程。但现有载体，只起富集微生物的作用，而未有电子传递功能。由于碳纤维毡具有较高的比表面积和较高的电导率，所以我们选择对碳纤维毡进行改性，使其不仅有利于微生物的附着，而且具有促进种间电子传递功能，实现高效处理废水中的有机物、营养盐和重金属等污染物。

本说明书实施例开发了一种改性导电载体，强化微生物附着与电子传递，以促进微生物去除有机物、营养盐、重金属。接下来，在具体实施例中，对本说明书提供的载体进行介绍。

实施例1，预处理

预处理：将碳纤维毡剪成尺寸为1×1×1cm的机体，在丙酮(纯度为99.7％w/w)中清洗30min，以除去表面上的有机残留物，然后在60℃烘箱中干燥12h。得到的产物定义为cf。

实施例2，酸改性

为了增加碳纤维毡的比表面积，将实施例1预处理好的碳毡浸入500mlhno3(5％v/v)中，并在80℃下搅拌3h。排出酸性溶液后，将处理过的碳纤维毡用适量蒸馏水和乙醇洗涤，直到在水中检测到中性ph为止。最后将其在60℃的烤箱中干燥12h。得到的产物定义为cf①。

实施例3，有机物改性

带正电荷的阳离子聚电解质以及含氮量较高的有机物可以为细菌的生长提供合适的微环境，并有助于形成具有高电化学活性的生物膜，还可以通过静电力富集微生物。羟基(-oh)、羧基(-cooh)和氨基(nh2)等亲水性官能团不仅可以增加表面亲水性还可以促进电子转移。因此，本实施例选取了以下4种富含亲水性官能团以及含氮量较高的有机物对cf进行改性。得到的产物定义为cf②。

3.1，将经硝酸处理过的碳纤维毡，即cf①，放到1wt％的壳聚糖溶液(0.2m乙酸)中。然后将溶液涡旋15min，并在室温下用微电磁搅拌器永久搅拌下储存。将经硝酸处理的碳纤维毡在壳聚糖溶液中浸渍24h，取出过滤后再用1mol/l的naoh溶液浸渍处理24h，用去离子水反复清洗到中性，于烘箱中干燥8h。得到的产物定义为cf②-1。

3.2，将15g聚二烯丙基二甲基氯化铵(pdda)(35wt％)添加到1l0.5mol/l中nacl溶液中，磁力搅拌30min，得到pdda溶液。然后，将经硝酸处理的碳纤维毡，即cf①，在室温下浸入pdda溶液中。24h后将其在60℃烘箱中干燥8h。得到的产物定义为cf②-2。

3.3，将10g三聚氰胺溶解在400ml无水乙醇，搅拌并超声分散后收集上层悬浮液。将经硝酸处理的碳纤维毡，即cf①，放入三聚氰胺的乙醇悬浮液中，在室温下混合24h，然后在80℃下干燥8h。得到的产物定义为cf②-3。

3.4，在0℃的环境下，将8mm的nano2添加到磺胺的10mm酸性溶液(0.5mhcl)中以生成重氮阳离子，然后将经硝酸处理的碳纤维毡，即cf①，在重氮溶液中浸渍24h，于烘箱中干燥8h。得到的产物定义为cf②。其中，nano2和磺胺的酸性溶液的体积比是1:2。得到的产物定义为cf②-4。

在本实施例中，比较cf②-1、cf②-2、cf②-3、cf②-4的效果。具体实验过程如下。

将250ml的广口瓶设为反应器，在瓶口装有硅胶塞子，瓶身用锡箔纸包住避免光照，并保持厌氧状态。将来自燕京啤酒厂的20ml厌氧污泥加入到每个反应器中，加入体积为16cm3的cf②(16个1cm3的cf)使其与厌氧污泥充分混合并沉入底部，再加入200ml合成地下水。其中，合成地下水的配方为：0.8082g/lnahco3，0.2464g/lcacl，1.0572g/lmgcl2·6h2o，0.4459g/lnacl，0.0283g/lkcl，0.0299g/lkh2po4。以100mg/lcod的葡萄糖为碳源，并添加浓度为10mg/l的pnp。反应器设为5组：厌氧污泥(ck)；cf②-1+厌氧污泥；cf②-2+厌氧污泥；cf②-3+厌氧污泥；cf②-4+厌氧污泥。将所有反应器置于25±2℃下培养。设置72小时为一个反应周期，结束后更换新的合成地下水以及添加浓度为10mg/l的pnp和100mg/lcod的葡萄糖。连续运行反应器30个周期，直至各反应器中pnp去除效果稳定。之后同时运行所有反应器1个周期，每隔12小时从每个反应器中抽取10ml溶液，通过uv/vis的方法检测其中pnp的浓度。

实验结果如图1所示，壳聚糖(chitosan)、三聚氰胺(melamine)、pdda和重氮(diazo)溶液改性cf对pnp的去除率分别为：81.21％、82.96％、84.66％和88.49％，显然重氮溶液改性cf①对pnp的去除率最高，因此，选择重氮溶液用作活化cf①的有机物。即选择cf②-4作为本实施例制备的cf②，用作下一步的处理。

实施例4，亲水改性

为了提高碳纤维毡表面亲水性，将0.2mol/l(nh4)2s2o4溶解在2mol/lh2so4中。将经实施例3中有机物改性的碳纤维毡浸泡在该溶液中24h，用去离子水清洗至中性，于烘箱中干燥8h。其中，(nh4)2s2o4溶解在2mol/lh2so4体积比为1：10。得到的产物定义为cf③。

实施例5，热改性

为了使碳纤维毡表面更有利于微生物附着以及提高电子转移能力，最后使用电阻炉将经亲水改性的碳纤维毡在450℃下加热30min。得到的产物定义为cf④。

实施例6，微生物载体性能检测

分别将实施例1制备的cf、实施例2制备的cf①、实施例3制备的cf②-3、实施例4制备的cf③、实施例5制备的cf④作为工作电极，检测工作电极的氧化还原峰对应的电流密度。结果图2所示，其中，cf④>cf③>cf②>cf①>cf，表明每一步改性都使cf的电化学活性有所提高。

使用傅里叶变换红外光谱仪(ft-ir)对cf和cf④进行分析，结果如图3所示，经过改性修饰，cf④表面上附载有氨基(-nh2)、羟基(-oh)和烷基芳基醚(c-o-c)亲水性官能团，可提供更多的电化学活性位点以改善电子传递。

实施例7，微生物载体的效果验证

将250ml的广口瓶设为反应器，在瓶口装有硅胶塞子，瓶身用锡箔纸包住避免光照，并保持厌氧状态。将来自燕京啤酒厂的20ml厌氧污泥加入到每个反应器中，加入体积为16cm3的cf(16个1cm3的cf)使其与厌氧污泥充分混合并沉入底部，再加入200ml合成地下水。以100mg/lcod的葡萄糖为碳源，并添加浓度为10mg/l的pnp或50mg/l的no3--n或10mg/l的v(v)。反应器设为7组：厌氧污泥(ck)；聚氨酯材料(polyurethane)+厌氧污泥；cf+厌氧污泥(cf)；cf①+厌氧污泥(cf①)；cf②+厌氧污泥(cf②)；cf③+厌氧污泥(cf③)；cf④+厌氧污泥(cf④)。将所有反应器置于25±2℃下培养。pnp和v(v)反应体系中设置72小时为一个反应周期，no3--n反应体系中设置84小时为一个反应周期。每个反应周期结束后更换新的合成地下水，并重新添加10mg/l的pnp或10mg/l的v(v)，以及重新添加100mg/lcod的葡萄糖，然后开始运行下一个反应周期。连续运行反应器30个周期，直至各反应器中pnp、no3--n或v(v)去除效果稳定。之后同时运行所有反应器1个周期，每隔12小时从每个反应器中抽取10ml溶液，通过uv/vis的方法检测其中pnp、no3--n、no2--n、nh4+-n和v(v)的浓度。

如图4和图5所示，在去除pnp的反应体系中，与cf、cf①、cf②、cf③和cf④反应器中对pnp的去除率分别为73.62％、77.34％、88.49％、92.64％、93.86％，去除速率分别为0.0177、0.0203、0.0302、0.0335、0.0374mg/l·h。因此，每一步活化步骤都起到一定作用。ck(不加cf)、灭菌、普通cf、聚氨酯材料和cf④(最优cf)的体系中pnp去除率分别为71.37％，16.30％，73.62％，68.34％和93.86％，显然cf④对pnp的去除性能最好，去除速率也最高，为0.0374mg/l·h。灭菌组pnp的浓度变化不大，证明是cf促进了pnp的生物转化，而不是碳毡的吸附或非生物还原。与普通cf对比，cf①、cf②、cf③和cf④分别将pnp去除率提高了3.75％、14.87％、19.02％和20.24％，因此，每一步改性都起到一定作用，其中重氮溶液改性对pnp去除率的提升作用最明显。

如图6a、图6b、图6c所示，在去除硝酸盐的厌氧体系中，聚氨酯材料、cf和cf④对no3--n的去除率分别为74.96％、85.58％和98.56％，no2--n和nh4+-n的浓度都呈先升高后下降趋势，表明活化cf不仅可提升pnp的去除率，对硝酸盐的去除也有促进作用。

如图7所示，在去除v(v)的厌氧体系中，聚氨酯材料、cf和cf④对v(v)的去除率分别为80.39％、84.07％和99.82％，相比普通cf，cf④明显提高了v(v)的去除率。表明改性cf对v(v)的去除也有促进作用。

实施例8，生物反应器

图8示出了从左至右，依次含有ck、cf和cf④，并且运行了48小时后的生物反应器。用锡箔纸避光以模拟地下水环境，合成废水完全倒满瓶子，用注射器插入瓶塞将多余废水吸出，保证完全厌氧环境，取样过程用注射器打入少量氮气利用气压差取样品检测。图8中可明显看出pnp去除效果，ck反应器呈明显黄色，cf反应器呈淡黄色，cf④反应器已完全无色。

实施例9，微生物载体的扫描电子显微镜(sem)分析结果

图9a为反应前聚氨酯材料的sem图，图9b为反应前cf的sem图，图9c为反应前cf①的sem图，图9d为反应前cf②的sem图，图9e为反应前cf③的sem图，图9f为反应前cf④的sem图。可知，反应前普通cf表面较为光滑，随着改性步骤的进行，cf表面出现越来越多颗粒状物质，表面进一步变粗糙，可能是表面负载相关官能团，这些变化有利于微生物的附着和促进电子传递。

图10a为反应后cf的sem图，图10b为反应后cf④的sem图。通过比较图10a和图10b可知，cf④表面附着微生物显然比cf表面更多，说明改性后的cf更具优势。

实施例10，微生物载体的能谱分析(eds)

图11中的a为聚氨酯材料的eds图；图11中的b为cf的eds图；图11中的c为cf①eds图；图11中的d为cf②eds图；图11中的e为cf③eds图；图11中的f为cf④eds图。从图11中可知，聚氨酯材料、cf、cf①、cf②、cf③和cf④的主要元素都为c和o，随着改性步骤的进行，碳纤维毡表面n元素逐渐增加，可能是因为含氮官能团的附着。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。