CN109355278B - 一种用于降解海水中PAHs的固定化藻菌小球材料的制备方法 - Google Patents
一种用于降解海水中PAHs的固定化藻菌小球材料的制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于污染物处理技术领域。本发明公开了一种用于降解海水中PAHs的固定化藻菌小球材料的制备方法，其包括藻类培养、活性污泥中细菌培养、固定化、多孔材料制备和后处理等步骤，本发明采用包埋固定化技术，将可异养微藻和细菌固定成小球用于降解海水中多环芳烃，利用提高微藻和细菌对PAHs的耐受性，同时藻菌互利共生使得降解PAHs的效率增加，多个小球装入多孔材料中有利于投入海洋中使用，也有利于海洋中PAHs污染问题的解决，其PAHs的降解率可达82‑93%。
Description
技术领域
本发明涉及污染物处理技术领域，尤其是涉及一种用于降解海水中PAHs的固定化藻菌小球材料的制备方法。
背景技术
海洋环境中的多环芳烃是一种持久性有机污染物，对海洋环境和人类健康都有影响。近年已有研究发现海洋中存在大量的微生物能够有效的降解PAHs，通过实验也已分离出多种具有降解PAHs能力的细菌、真菌和藻类。相对于这些细菌真菌，利用海洋中大量存在的可异养微藻降解PAHs的报道却比较少。
微藻是一类光合效率高，分布广泛且对环境适应性强的单细胞生物。有研究表明，海洋中的微藻，如小球藻属(Chlorella)、鱼腥藻属(Anabaena)、隐球藻属(Aphanocapsa)、鞘藻属(Microcoleus)、念珠藻属(Nostoc)、颤藻属(Oscillatofia)、双眉藻属(Amphora)等也能够降解PAHs。但PAHs具有较强的毒性，因此利用包埋固定化技术固定小球藻，从而达到保护微藻的目的，同时也能很好的提高微藻对PAHs的耐受性，使得微藻降解PAHs的效率增加。
20世纪60年代，William Oswald提出藻菌共生系统这一概念后，藻菌共生系统在污水处理中也受到较多的关注。一些研究发现将藻和菌利用固定化技术固定后，可利用藻菌共生系统对污水中的N、P等污染物和有机污染物进行有效的降解。如中国专利公布号为CN102491533A公布了一种两种菌协同降解多环芳烃的方法，该方法是将一种真菌和一种细菌同时投放到含有多环芳烃的废水中，为多环芳烃的降解提供了一种更有效的方法，该方法降解效率高、降解程度大；又如中国专利公布号为CN102533615A公布了一种降解高分子量多环芳烃的海洋菌液及其制备方法，利用细菌间在降解多环芳烃过程中的协同效应，采用2种海洋细菌制备降解HMW-PAHs的复合海洋菌液，以应用于受损海洋环境的生物修复；上述两专利文献中均记载了复合使用多种细菌(或真菌)制得多环芳烃降解液对水体中的多环芳烃进行降解，但是上述两专利文献中均只是利用了培养的菌种而为进一步进行处理，其降解效率仍旧低下，并且无法长效处理，需要进行多次投放，处理效率低下并且繁琐。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种能够提高微藻和细菌对PAHs的耐受性，同时增加PAHs降解效率的用于降解海水中PAHs的固定化藻菌小球材料的制备方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种用于降解海水中PAHs的固定化藻菌小球材料的制备方法，包括以下步骤：
a)藻类培养：用由海水、氯化铵、硝酸钠、磷酸氢二钾和氯化铁配置的海水培养液培养小球藻，制得小球藻藻液；
b)活性污泥中细菌培养：由氯化铵、磷酸二氢钾、氯化钠、氯化铁、硫酸镁、葡萄糖和蒸馏水制得活性污泥培养液，并用活性污泥培养液培养活性污泥，制得培养后活性污泥；
c)固定化：先用海藻酸钠溶液和活性炭制备海藻酸钠-活性炭混合溶液，然后将小球藻藻液和培养后活性污泥分别进行离心并弃上清液制得浓缩藻液和活性污泥浓缩液，将浓缩藻液和活性污泥浓缩液混合后加入到海藻酸钠-活性炭溶液中制得混合液，接着将取混合液在氯化钙溶液中制得藻菌固定化微球，最后将藻菌固定化微球在0～4℃下交联20～28小时；
d)多孔材料制备：配制2wt％的海藻酸钠溶液，经静置脱泡10～14小时，于-10℃预冻10～14小时，进行冷冻干燥处理，然后用5wt％氯化钙溶液交联50～70分钟，水洗后再预冻10～14小时，最后冷冻干燥后制成海藻酸盐多孔材料；
e)后处理：将交联好的藻菌固定化微球放入海藻酸盐多孔材料中制得用于降解海水中PAHs的固定化藻菌小球材料。
利用包埋固定化技术，将可异养微藻和细菌固定成小球用于降解海水中多环芳烃的典型代表奈、蒽、菲。利用此种方法有望提高微藻和细菌对PAHs的耐受性，藻菌互利共生使得降解PAHs的效率增加，多个小球装入多孔的材料中有利于投入海洋中使用，也有利于海洋中PAHs污染的问题的解决。步骤c)固定化中，混合液使用针筒等类似工具注射入氯化钙溶液中制备藻菌固定化微球，因此氯化钙溶液的量为远远过量。
作为优选，步骤a)藻类培养具体为，取海水煮沸30～40分钟后冷却，接着用0.45μm滤膜抽滤后备用，然后向经上述处理后的海水中加入氯化铵、硝酸钠、磷酸氢二钾和氯化铁制得海水培养液，最后小球藻和海水培养液1：10的体积比接种小球藻并放入光照培养箱在20～30℃下培养。
作为优选，海水培养液中，氯化铵的浓度为0.2g/L，硝酸钠的浓度为0.2g/L，磷酸氢二钾的浓度为0.1g/L，氯化铁的浓度为0.01g/L；所述海水培养液的pH值为7.5～8.5，配置完成后在110～130℃下灭菌25～40分钟，冷却后备用。
作为优选，步骤b)活性污泥中细菌培养具体为，用活性污泥培养液曝气培养活性污泥，每曝气处理12小时后静置2小时，连续培养3～4天，最后待活性污泥沉降后倾去上清液并添加相同体积的活性污泥培养液。
作为优选，活性污泥培养液由以下方法制得，取10g葡萄糖与50mL氯化铵溶液、25mL氯化钠溶液、25mL氯化铁溶液、25mL硫酸镁溶液和5mL磷酸二氢钾溶液混合后稀释至20L制得；所述氯化铵溶液的浓度为38.19g/L，氯化钠溶液的浓度为2.75g/L，磷酸二氢钾溶液的浓度为8.78g/L，氯化铁溶液由0.025g FeCl3·6H2O溶于1000mL水中制得，硫酸镁溶液由2.25gMgSO4·7H2O溶于1000mL水中制得。
作为优选，步骤c)固定化中采用的海藻酸钠溶液为浓度为4wt％的海藻酸钠溶液，采用的氯化钙溶液为浓度为3wt％的氯化钙溶液。
作为优选，步骤c)，浓缩藻液和活性污泥浓缩液混合时，浓缩藻液与活性污泥浓缩液的重量比为1：1。
作为优选，步骤c)制得的海藻酸钠-活性炭混合溶液中，海藻酸钠的含量为4wt％，活性炭的含量为1wt％。
作为优选，步骤c)中，混合液中海藻酸钠-活性炭溶液的重量为浓缩藻液和活性污泥浓缩液混合后的10～15倍。
作为优选，步骤d)中，氯化钙溶液的重量为海藻酸钠溶液的1～3倍。
作为优选，步骤e)中，交联好的藻菌固定化微球重量为不超过海藻酸盐多孔材料重量的2倍。
因此，本发明具有以下有益效果：本发明采用包埋固定化技术，将可异养微藻和细菌固定成小球用于降解海水中多环芳烃，利用提高微藻和细菌对PAHs的耐受性，同时藻菌互利共生使得降解PAHs的效率增加，多个小球装入多孔材料中有利于投入海洋中使用，也有利于海洋中PAHs污染问题的解决。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步的说明。
显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明中，若非特指，所有的设备和原料均可从市场上购得或是本行业常用的，下述实施例中的方法，如无特别说明，均为本领域常规方法。
实施例1
一种用于降解海水中PAHs的固定化藻菌小球材料的制备方法，包括以下步骤：
a)藻类培养：取海水煮沸30分钟后冷却，接着用0.45μm滤膜抽滤后备用，然后向经上述处理后的海水中按照氯化铵的浓度为0.2g/L，硝酸钠的浓度为0.2g/L，磷酸氢二钾的浓度为0.1g/L，氯化铁的浓度为0.01g/L配置制得海水培养液，海水培养液的pH值为7.5，配置完成后在110℃下灭菌25分钟，冷却后备用，最后按小球藻和海水培养液1：10的体积比接种小球藻并放入光照培养箱在20℃下培养制得小球藻藻液；
b)活性污泥中细菌培养：按以下方法制取活性污泥培养液，取10g葡萄糖与50mL氯化铵溶液、25mL氯化钠溶液、25mL氯化铁溶液、25mL硫酸镁溶液和5mL磷酸二氢钾溶液混合后稀释至20L制得，用活性污泥培养液曝气培养活性污泥，每曝气处理12小时后静置2小时，连续培养3～4天，最后待活性污泥沉降后倾去上清液并添加相同体积的活性污泥培养液，制得培养后活性污泥；其中，氯化铵溶液的浓度为38.19g/L，氯化钠溶液的浓度为2.75g/L，磷酸二氢钾溶液的浓度为8.78g/L，氯化铁溶液由0.025g FeCl3·6H2O溶于1000mL水中制得，硫酸镁溶液由2.25g MgSO4·7H2O溶于1000mL水中制得；
c)固定化：先用4wt％的海藻酸钠溶液和活性炭制备海藻酸钠-活性炭混合溶液，然后将小球藻藻液和培养后活性污泥分别进行离心并弃上清液制得浓缩藻液和活性污泥浓缩液，将浓缩藻液和活性污泥浓缩液混合后加入到海藻酸钠-活性炭溶液中制得混合液，接着将取混合液在3wt％的氯化钙溶液中制得藻菌固定化微球，最后将藻菌固定化微球在0℃下交联20小时；浓缩藻液和活性污泥浓缩液混合时，浓缩藻液与活性污泥浓缩液的重量比为1：1；海藻酸钠-活性炭混合溶液中，海藻酸钠的含量为4wt％，活性炭的含量为1wt％；混合液中海藻酸钠-活性炭溶液的重量为浓缩藻液和活性污泥浓缩液混合后的10倍；
d)多孔材料制备：配制2wt％的海藻酸钠溶液，经静置脱泡10小时，于-10℃预冻10小时，进行冷冻干燥处理，然后用5wt％氯化钙溶液交联50分钟，水洗后再预冻10小时，最后冷冻干燥后制成海藻酸盐多孔材料；氯化钙溶液的重量为海藻酸钠溶液的1倍；
e)后处理：将交联好的藻菌固定化微球放入海藻酸盐多孔材料中制得用于降解海水中PAHs的固定化藻菌小球材料，交联好的藻菌固定化微球重量为海藻酸盐多孔材料重量的0.5倍。
实施例2
一种用于降解海水中PAHs的固定化藻菌小球材料的制备方法，包括以下步骤：
a)藻类培养：取海水煮沸35分钟后冷却，接着用0.45μm滤膜抽滤后备用，然后向经上述处理后的海水中按照氯化铵的浓度为0.2g/L，硝酸钠的浓度为0.2g/L，磷酸氢二钾的浓度为0.1g/L，氯化铁的浓度为0.01g/L配置制得海水培养液，海水培养液的pH值为8，配置完成后在120℃下灭菌30分钟，冷却后备用，最后按小球藻和海水培养液1：10的体积比接种小球藻并放入光照培养箱在25℃下培养制得小球藻藻液；
b)活性污泥中细菌培养：按以下方法制取活性污泥培养液，取10g葡萄糖与50mL氯化铵溶液、25mL氯化钠溶液、25mL氯化铁溶液、25mL硫酸镁溶液和5mL磷酸二氢钾溶液混合后稀释至20L制得，用活性污泥培养液曝气培养活性污泥，每曝气处理12小时后静置2小时，连续培养3.5天，最后待活性污泥沉降后倾去上清液并添加相同体积的活性污泥培养液，制得培养后活性污泥；其中，氯化铵溶液的浓度为38.19g/L，氯化钠溶液的浓度为2.75g/L，磷酸二氢钾溶液的浓度为8.78g/L，氯化铁溶液由0.025g FeCl3·6H2O溶于1000mL水中制得，硫酸镁溶液由2.25g MgSO4·7H2O溶于1000mL水中制得；
c)固定化：先用4wt％的海藻酸钠溶液和活性炭制备海藻酸钠-活性炭混合溶液，然后将小球藻藻液和培养后活性污泥分别进行离心并弃上清液制得浓缩藻液和活性污泥浓缩液，将浓缩藻液和活性污泥浓缩液混合后加入到海藻酸钠-活性炭溶液中制得混合液，接着将取混合液在3wt％的氯化钙溶液中制得藻菌固定化微球，最后将藻菌固定化微球在2℃下交联24小时；浓缩藻液和活性污泥浓缩液混合时，浓缩藻液与活性污泥浓缩液的重量比为1：1；海藻酸钠-活性炭混合溶液中，海藻酸钠的含量为4wt％，活性炭的含量为1wt％；混合液中海藻酸钠-活性炭溶液的重量为浓缩藻液和活性污泥浓缩液混合后的15倍；
d)多孔材料制备：配制2wt％的海藻酸钠溶液，经静置脱泡12小时，于-10℃预冻12小时，进行冷冻干燥处理，然后用5wt％氯化钙溶液交联60分钟，水洗后再预冻12小时，最后冷冻干燥后制成海藻酸盐多孔材料；氯化钙溶液的重量为海藻酸钠溶液的2倍；
e)后处理：将交联好的藻菌固定化微球放入海藻酸盐多孔材料中制得用于降解海水中PAHs的固定化藻菌小球材料，交联好的藻菌固定化微球重量为海藻酸盐多孔材料重量的1倍。
实施例3
一种用于降解海水中PAHs的固定化藻菌小球材料的制备方法，包括以下步骤：
a)藻类培养：取海水煮沸40分钟后冷却，接着用0.45μm滤膜抽滤后备用，然后向经上述处理后的海水中按照氯化铵的浓度为0.2g/L，硝酸钠的浓度为0.2g/L，磷酸氢二钾的浓度为0.1g/L，氯化铁的浓度为0.01g/L配置制得海水培养液，海水培养液的pH值为8.5，配置完成后在130℃下灭菌40分钟，冷却后备用，最后按小球藻和海水培养液1：10的体积比接种小球藻并放入光照培养箱在30℃下培养制得小球藻藻液；
b)活性污泥中细菌培养：按以下方法制取活性污泥培养液，取10g葡萄糖与50mL氯化铵溶液、25mL氯化钠溶液、25mL氯化铁溶液、25mL硫酸镁溶液和5mL磷酸二氢钾溶液混合后稀释至20L制得，用活性污泥培养液曝气培养活性污泥，每曝气处理12小时后静置2小时，连续培养3～4天，最后待活性污泥沉降后倾去上清液并添加相同体积的活性污泥培养液，制得培养后活性污泥；其中，氯化铵溶液的浓度为38.19g/L，氯化钠溶液的浓度为2.75g/L，磷酸二氢钾溶液的浓度为8.78g/L，氯化铁溶液由0.025g FeCl3·6H2O溶于1000mL水中制得，硫酸镁溶液由2.25g MgSO4·7H2O溶于1000mL水中制得；
c)固定化：先用4wt％的海藻酸钠溶液和活性炭制备海藻酸钠-活性炭混合溶液，然后将小球藻藻液和培养后活性污泥分别进行离心并弃上清液制得浓缩藻液和活性污泥浓缩液，将浓缩藻液和活性污泥浓缩液混合后加入到海藻酸钠-活性炭溶液中制得混合液，接着将取混合液在3wt％的氯化钙溶液中制得藻菌固定化微球，最后将藻菌固定化微球在4℃下交联28小时；浓缩藻液和活性污泥浓缩液混合时，浓缩藻液与活性污泥浓缩液的重量比为1：1；海藻酸钠-活性炭混合溶液中，海藻酸钠的含量为4wt％，活性炭的含量为1wt％；混合液中海藻酸钠-活性炭溶液的重量为浓缩藻液和活性污泥浓缩液混合后的12倍；
d)多孔材料制备：配制2wt％的海藻酸钠溶液，经静置脱泡14小时，于-10℃预冻14小时，进行冷冻干燥处理，然后用5wt％氯化钙溶液交联70分钟，水洗后再预冻14小时，最后冷冻干燥后制成海藻酸盐多孔材料；氯化钙溶液的重量为海藻酸钠溶液的3倍；
e)后处理：将交联好的藻菌固定化微球放入海藻酸盐多孔材料中制得用于降解海水中PAHs的固定化藻菌小球材料，交联好的藻菌固定化微球重量为海藻酸盐多孔材料重量的2倍。
PAHs降解性能测试
将上述实施例1～3中制得的降解海水中PAHs的固定化藻菌小球材料投入到含有50mg/L的萘、恩、菲等的混合PAHs污染海水中，混合培养15d，游离菌藻作为对照组进行培养。
利用正己烷萃取海水内石油油烃，利用旋转蒸发仪进行浓缩。吸取2ml正己烷溶解样品，将其转移到净化柱(1g中性A12O3+1g硅胶+1g无水硫酸钠)中净化，用30mL正己烷、二氯甲烷(体积比为1:1)淋洗，收集滤出液，浓缩至约1mL，用柔和氮气吹干，1mL乙腈定容用液相色谱测定PAHs。
GC/MS分析条件为：色谱柱：DB-5MS(60m×0.25mm×0.25μm)；载气：He；进样量：1μL，不分流；进样口温度：280℃；程序升温：初始温度50℃，以10℃/min升至200℃，保持2min，再以3℃/min升至280℃，保持27min。传输线温度：250℃；EI离子源温度：230℃；电离能量：70eV；四极杆温度：150℃；扫描模式：全扫描和选择离子扫描；扫描范围：30～550amu；溶剂延迟：4min。检测萘、蒽、菲含量。
测定结果如表1所示。
表1.测定结果
由表1可以看出，本发明一种用于降解海水中PAHs的固定化藻菌小球材料的制备方法，可有效的增加菌藻对海洋中多环芳烃的降解率，这表明，在固定化菌藻的过程中，菌藻的机械强度和耐受性得以强化，本发明提出的固定化藻菌小球材料的制备方法高效。
应当理解的是，对于本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (4)
1.一种用于降解海水中PAHs的固定化藻菌小球材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
a）藻类培养：用由海水、氯化铵、硝酸钠、磷酸氢二钾和氯化铁配置的海水培养液培养小球藻，制得小球藻藻液；
b）活性污泥中细菌培养：由氯化铵、磷酸二氢钾、氯化钠、氯化铁、硫酸镁、葡萄糖和蒸馏水制得活性污泥培养液，并用活性污泥培养液培养活性污泥，制得培养后活性污泥；
c）固定化：先用海藻酸钠溶液和活性炭制备海藻酸钠-活性炭混合溶液，然后将小球藻藻液和培养后活性污泥分别进行离心并弃上清液制得浓缩藻液和活性污泥浓缩液，将浓缩藻液和活性污泥浓缩液混合后加入到海藻酸钠-活性炭溶液中制得混合液，接着将取混合液在氯化钙溶液中制得藻菌固定化微球，最后将藻菌固定化微球在0～4℃下交联20～28小时；
d）多孔材料制备：配制2wt%的海藻酸钠溶液，经静置脱泡10～14小时，于-10℃预冻10～14小时，进行冷冻干燥处理，然后用5wt%氯化钙溶液交联50～70分钟，水洗后再预冻10～14小时，最后冷冻干燥后制成海藻酸盐多孔材料；
e）后处理：将交联好的藻菌固定化微球放入海藻酸盐多孔材料中制得用于降解海水中PAHs的固定化藻菌小球材料；
所述步骤b）活性污泥中细菌培养具体为，用活性污泥培养液曝气培养活性污泥，每曝气处理12小时后静置2小时，连续培养3～4天，最后待活性污泥沉降后倾去上清液并添加相同体积的活性污泥培养液；
所述步骤c），浓缩藻液和活性污泥浓缩液混合时，浓缩藻液与活性污泥浓缩液的重量比为1：1；所述海藻酸钠-活性炭混合溶液中，海藻酸钠的含量为4wt%，活性炭的含量为1wt%；所述混合液中海藻酸钠-活性炭溶液的重量为浓缩藻液和活性污泥浓缩液混合后的10～15倍；
所述步骤c）固定化中采用的海藻酸钠溶液为浓度为4wt%的海藻酸钠溶液，采用的氯化钙溶液为浓度为3wt%的氯化钙溶液；
所述步骤d）中，氯化钙溶液的重量为海藻酸钠溶液的1～3倍；
所述步骤e）中，交联好的藻菌固定化微球重量为不超过海藻酸盐多孔材料重量的2倍。
2.根据权利要求1所述的一种用于降解海水中PAHs的固定化藻菌小球材料的制备方法，其特征在于：
所述步骤a）藻类培养具体为，取海水煮沸30～40分钟后冷却，接着用0.45μm滤膜抽滤后备用，然后向经上述处理后的海水中加入氯化铵、硝酸钠、磷酸氢二钾和氯化铁制得海水培养液，最后小球藻和海水培养液1：10的体积比接种小球藻并放入光照培养箱在20～30℃下培养。
3.根据权利要求1或2所述的一种用于降解海水中PAHs的固定化藻菌小球材料的制备方法，其特征在于：
所述海水培养液中，氯化铵的浓度为0.2g/L，硝酸钠的浓度为0.2g/L，磷酸氢二钾的浓度为0.1g/L，氯化铁的浓度为0.01g/L；所述海水培养液的pH值为7.5～8.5，配置完成后在110～130℃下灭菌25～40分钟，冷却后备用。
4.根据权利要求1所述的一种用于降解海水中PAHs的固定化藻菌小球材料的制备方法，其特征在于：
所述活性污泥培养液由以下方法制得，取10g葡萄糖与50mL氯化铵溶液、25mL氯化钠溶液、25mL氯化铁溶液、25mL硫酸镁溶液和5mL磷酸二氢钾溶液混合后稀释至20L制得；所述氯化铵溶液的浓度为38.19g/L，氯化钠溶液的浓度为2.75g/L，磷酸二氢钾溶液的浓度为8.78g/L，氯化铁溶液由0.025g FeCl3•6H2O溶于1000mL水中制得，硫酸镁溶液由2.25gMgSO4•7H2O溶于1000mL水中制得。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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