CN111909925A - 一种多孔生物质炭固定化降解菌株去除土壤2,4,6-三氯苯酚的方法 - Google Patents

一种多孔生物质炭固定化降解菌株去除土壤2,4,6-三氯苯酚的方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于有机污染物的处理技术领域。本发明公开了一种多孔生物质炭固定化降解菌株去除土壤2,4,6‑三氯苯酚的方法，通过将椰壳和竹子粉碎，放入回转式电炉中加热升温通入水蒸气，通过物理活化法制备生物质碳；再将聚乙烯醇、淀粉、水混合均匀，得到浆液；将浆液、菌悬液以及生物质炭混合均匀，再进行造粒处理，即得生物质炭固定化降解菌株颗粒。本发明制备的生物质炭固定化降解菌株颗粒具有机械强度高、使用寿命长、降解效果好等优点。

Description

一种多孔生物质炭固定化降解菌株去除土壤2,4,6-三氯苯酚 的方法
技术领域
本发明涉及有机污染物的处理技术领域，更具体的说是涉及一种多孔生物质炭固定化降解菌株去除土壤2,4,6-三氯苯酚的方法。
背景技术
自20世纪30年代以来，2，4，6-三氯苯酚已被普遍用作除草剂、杀虫剂、木材防腐剂和脱叶剂。2，4，6-TCP是典型持久性有机污染物，其化学性质稳定，在自然条件下很难降解，可强烈地吸附在土壤、胶体、沉积物中，具有生物蓄积作用，在生物体内得富集浓度远超过在水、土壤等环境中的浓度，并通过生物富集进入食物链，对人类神经系统会有不良影响，会引起很多健康问题，如，影响心血管，影响呼吸系统，肠胃道疾病以及癌症等。国内外已经将2，4，6-TCP列入优先控制污染物名单，由于2，4，6-TCP的广泛使用，在土壤、水果、水体中均有检出，潜在的环境风险较大，对2，4，6-TCP污染土壤修复方法的探究显得尤为重要。
而持久性有机物污染土壤的治理是一个难点，一方面是由于持久性有机物本身的复杂性及研究过程中检测分析的复杂和困难等因素，另一方面也是由于土壤生态环境的复杂性，限制了对其研究的进展。目前，持久性有机污染物的修复技术大体可以分为物理化学法、微生物法、植物法。比较常用的物理化学修复方法包括热处理和热解析技术、化学氧化法、萃取分离法、冲洗法等。物理化学法处理效率高，处理周期短，在实际场地修复中应用还比较普遍，但是添加到土壤中化学试剂容易引起土壤的二次污染，破坏土壤的原生态系统，且操作比较复杂，需要较高的成本。所以物理化学法在土壤污染修复中很难推广。由于传统的物理化学法的局限性，新型友好的修复技术越来越受到人们的关注。微生物法是利用功能微生物群，在适宜的环境下，强化微生物代谢功能，从而达到消减持久性有机污染物的生物修复技术，但是这种方法的修复效果往往会受到土著微生物以及土壤环境的影响，适用性较差。植物修复是利用植物及其根际微生物去除、转化和固定土壤中的有毒化合物的一种新兴技术。植物修复具有经济、成本低、二次污染较少、可适用于大范围污染场地等优点，但是对于浅层轻度的污染区域非常有效，同样存在地域性的限制，植物修复技术也不具有普适性。
因此，如何提供一种不受温度、地质条件、土壤类型和气候等因素影响的土壤修复方法，是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种多孔生物质炭固定化降解菌株去除土壤2,4,6-三氯苯酚的方法，本发明采用包埋法，将降解菌株固定于生物质炭，该方法操作简单，成本低廉，同时解决了微生物因生长条件苛刻，容易受干扰的缺陷。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种多孔生物质炭固定化降解菌株去除土壤2,4,6-三氯苯酚的方法，包括以下步骤：
1)生物质炭的制备：
将椰壳和竹子粉碎，然后烘干，然后放入回转式电炉中加热，加热升温至100℃以后通入水蒸气，保持水蒸气流量稳定不变，加热到700-800℃，保温2-3h后停止加热，继续通入水蒸气，直至温度低于100℃，待温度降至常温后，研磨过筛，用无机强酸浸泡5-6h后洗去灰分，用去离子水冲洗至pH值恒定，在100-120℃下烘干，即得生物质碳；
2)浆液的制备：
将聚乙烯醇、淀粉、水在50-80℃下搅拌，混合均匀，得到浆液；
3)生物质炭固定化降解菌株的制备：
将所述步骤2)制备的浆液加入菌悬液中混合均匀，在混合液中加入所述步骤1)制备的生物质炭，继续搅拌，得到含有微生物菌剂的载体基质，将所述含有微生物菌剂的载体基质于造粒机中进行造粒处理，即得生物质炭固定化降解菌株颗粒。
优选的，所述椰壳和竹子粉碎至10-20目。
优选的，所述无机强酸为盐酸、硫酸或硝酸中的一种。
优选的，所述无机强酸的浓度为3-5mol/L。
优选的，所述步骤1)中的加热速度为10-12℃/min，水蒸气流量为3-5kg/h。
优选的，所述步骤1)中研磨过筛，取100-150目筛网之间的截留物。
优选的，所述步骤3)中采用的菌种为紫花苜蓿根瘤菌。
优选的，所述步骤3)中采用的菌悬液中菌液的浓度为100-150mg/L。
优选的，所述步骤2)中聚乙烯醇、淀粉、水的质量比为3-5：2-3：100。
优选的，所述步骤3)中生物质炭与混合液按1：20-40g/ml添加。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明有益效果如下：
1、本发明解决了常规的微生物固定化方法存在的缺陷，如抗微生物分解能力差、机械强度低、使用寿命短等，本发明主要以椰壳和竹子制备的生物质炭为载体，包埋条件温和，对微生物损害小，利于微生物存活，制备的颗粒的机械强度达150-180N/粒，增加了使用寿命。
2、本发明制备的生物质炭固定化菌株颗粒的使用周期长，可以使用12-15个周期，每个周期使用5d。
3、在含2,4,6-三氯苯酚的土壤中，本发明制备的生物质炭固定化菌株颗粒在2d内对初始浓度为200mg/kg的土壤中2,4,6-三氯苯酚的去除率达到70-75％，在4d时去除效率达到最高，高达82-86％；重复使用10个周期后去除率仅下降1-2％。
4、本发明采用物理活化法制备生物质炭，通过控制特定的活化温度、活化时间和水蒸气的流量，对椰壳和竹子进行活化处理，活性炭的产率高达40-45％，比表面积高达750-864m2/g。
5、不同的原料的水分、灰分、挥发分、固定碳、富集菌株的能力以及强度均不同，本发明采用椰壳和竹子两种原料制备生物质炭，进一步使制备的产品在机械强度和2,4,6-三氯苯酚的去除效果方面达到最佳，满足市场需求。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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他实施例，都属于本发明保护的范围。
一、制备生物质炭固定化降解菌株颗粒
实施例1
1)生物质炭的制备：
将椰壳和竹子粉碎至10目，然后烘干，然后放入回转式电炉中加热，加热速度为10℃/min，加热升温至100℃以后通入水蒸气，水蒸气流量为3kg/h，保持水蒸气流量稳定不变，加热到700℃，保温2h后停止加热，继续通入水蒸气，直至温度低于100℃，待温度降至常温后，研磨过筛，取100目筛网之间的截留物，用无机强酸(盐酸、硫酸或硝酸，浓度为3mol/L)浸泡5h后洗去灰分，用去离子水冲洗至pH值恒定，在100℃下烘干，即得生物质碳；
2)浆液的制备：
将聚乙烯醇、淀粉、水按质量比3：2：100混合，在50℃下搅拌均匀，得到浆液；
3)生物质炭固定化降解菌株的制备：
将所述步骤2)制备的浆液加入(紫花苜蓿根瘤菌)菌悬液中混合均匀，菌液的浓度为100mg/L，在混合液中加入所述步骤1)制备的生物质炭，添加比例为1：20g/ml，继续搅拌，得到含有微生物菌剂的载体基质，将所述含有微生物菌剂的载体基质于造粒机中进行造粒处理，即得生物质炭固定化降解菌株颗粒。
实施例2
1)生物质炭的制备：
将椰壳和竹子粉碎至20目，然后烘干，然后放入回转式电炉中加热，加热速度为12℃/min，加热升温至100℃以后通入水蒸气，水蒸气流量为5kg/h，保持水蒸气流量稳定不变，加热到800℃，保温3h后停止加热，继续通入水蒸气，直至温度低于100℃，待温度降至常温后，研磨过筛，取150目筛网之间的截留物，用无机强酸(盐酸、硫酸或硝酸，浓度为5mol/L)浸泡6h后洗去灰分，用去离子水冲洗至pH值恒定，在120℃下烘干，即得生物质碳；
2)浆液的制备：
将聚乙烯醇、淀粉、水按质量比5：3：100混合，在80℃下搅拌均匀，得到浆液；
3)生物质炭固定化降解菌株的制备：
将所述步骤2)制备的浆液加入(紫花苜蓿根瘤菌)菌悬液中混合均匀，菌液的浓度为150mg/L，在混合液中加入所述步骤1)制备的生物质炭，添加比例为1：40g/ml，继续搅拌，得到含有微生物菌剂的载体基质，将所述含有微生物菌剂的载体基质于造粒机中进行造粒处理，即得生物质炭固定化降解菌株颗粒。
实施例3
1)生物质炭的制备：
将椰壳和竹子粉碎至15目，然后烘干，然后放入回转式电炉中加热，加热速度为11℃/min，加热升温至100℃以后通入水蒸气，水蒸气流量为4kg/h，保持水蒸气流量稳定不变，加热到750℃，保温2.5h后停止加热，继续通入水蒸气，直至温度低于100℃，待温度降至常温后，研磨过筛，取125目筛网之间的截留物，用无机强酸(盐酸、硫酸或硝酸，浓度为4mol/L)浸泡5.5h后洗去灰分，用去离子水冲洗至pH值恒定，在110℃下烘干，即得生物质碳；
2)浆液的制备：
将聚乙烯醇、淀粉、水按质量比4：3：100混合，在65℃下搅拌均匀，得到浆液；
3)生物质炭固定化降解菌株的制备：
将所述步骤2)制备的浆液加入(紫花苜蓿根瘤菌)菌悬液中混合均匀，菌液的浓度为125mg/L，在混合液中加入所述步骤1)制备的生物质炭，添加比例为1：30g/ml，继续搅拌，得到含有微生物菌剂的载体基质，将所述含有微生物菌剂的载体基质于造粒机中进行造粒处理，即得生物质炭固定化降解菌株颗粒。
实施例4
1)生物质炭的制备：
将椰壳和竹子粉碎至10目，然后烘干，然后放入回转式电炉中加热，加热速度为11℃/min，加热升温至100℃以后通入水蒸气，水蒸气流量为3kg/h，保持水蒸气流量稳定不变，加热到780℃，保温2h后停止加热，继续通入水蒸气，直至温度低于100℃，待温度降至常温后，研磨过筛，取110目筛网之间的截留物，用无机强酸(盐酸、硫酸或硝酸，浓度为5mol/L)浸泡6h后洗去灰分，用去离子水冲洗至pH值恒定，在115℃下烘干，即得生物质碳；
2)浆液的制备：
将聚乙烯醇、淀粉、水按质量比3：3：100混合，在55℃下搅拌均匀，得到浆液；
3)生物质炭固定化降解菌株的制备：
将所述步骤2)制备的浆液加入(紫花苜蓿根瘤菌)菌悬液中混合均匀，菌液的浓度为145mg/L，在混合液中加入所述步骤1)制备的生物质炭，添加比例为1：35g/ml，继续搅拌，得到含有微生物菌剂的载体基质，将所述含有微生物菌剂的载体基质于造粒机中进行造粒处理，即得生物质炭固定化降解菌株颗粒。
对比例1
制备方法与实施例3相同，但采用的原料只有椰壳。
对比例2
制备方法与实施例1相同，只是固定菌株采用常规吸附方法。
二、试验
将实施例1-4和对比例1-2制备好的颗粒加入初始浓度为200mg/kg的含2,4,6-三氯苯酚的无机盐培养基，30℃，100r/min恒温振荡器上培养4d，4d后实验数据如下。
1、如表1所示，生物质炭颗粒的性能
直径的测定：用游标卡尺测量不同条件下制备的固定化颗粒的直径，每组颗粒测60颗，求平均值。
机械强度的测定：将固定化颗粒浸泡在无机盐培养基中，放于恒温振荡器上振荡，4d后观察颗粒的破碎程度。
膨胀系数：测定固定化颗粒在无机盐培养基中振荡4d后颗粒的直径，测得的平均直径与原颗粒直径之比即为膨胀系数。
传质性能的测定：配制2％的亚甲基蓝乙醇溶液(亚甲基蓝溶液需现配现用)，滴入配好的亚甲基蓝乙醇溶液30滴于500ml蒸馏水中，混合均匀后用于颗粒传质性能的测定。取此溶液分别加入固定化颗粒60颗放于恒温振荡器上振荡，24h后在波长665nm下，分别测定放颗粒的亚甲基蓝溶液的吸光度和原亚甲基蓝溶液的吸光度，比较测得的吸光度值大小，通过吸光度值的变化间接反映固定化颗粒传质性能的好坏。
表1
Figure BDA0002631383080000081
通过表1可以得出，因对比例2使常规吸附法固定化菌株，所以造粒不容易成型，颗粒粒径小，但是机械强度低，而对比例1因为只采用椰壳制备生物质炭，所以机械强度不如实施例1-4的产品，在膨胀系数和传质性能等方面，本发明的制备工艺均比对比例1-2达到的效果好。
2、2,4,6-三氯苯酚去除效果，见表2：
表2：不同时间段的生物质炭颗粒对2,4,6-三氯苯酚的降解效率
Figure BDA0002631383080000082
Figure BDA0002631383080000091
从表2中可以得出，因对比例1的生物质炭原料没有含有竹子，去除效果明显低于实施例1-4的产品，循环使用后，去除效果一定程度下降，不适于实际应用。对比例2没有进行包埋，采用常规吸附法固定菌株，使用周期短。
而本发明实施例1-4制备的含菌株的生物质炭颗粒，在2-4d对于2,4,6-三氯苯酚的降解效果表现良好，循环使用5-10个周期后，效果略有下降，但是并不影响对于2,4,6-三氯苯酚的降解。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种多孔生物质炭固定化降解菌株去除土壤2,4,6-三氯苯酚的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)生物质炭的制备：
将椰壳和竹子粉碎，然后烘干，然后放入回转式电炉中加热，加热升温至100℃以后通入水蒸气，保持水蒸气流量稳定不变，加热到700-800℃，保温2-3h后停止加热，继续通入水蒸气，直至温度低于100℃，待温度降至常温后，研磨过筛，用无机强酸浸泡5-6h后洗去灰分，用去离子水冲洗至pH值恒定，在100-120℃下烘干，即得生物质碳；
2)浆液的制备：
将聚乙烯醇、淀粉、水在50-80℃下搅拌，混合均匀，得到浆液；
3)生物质炭固定化降解菌株的制备：
将所述步骤2)制备的浆液加入菌悬液中混合均匀，在混合液中加入所述步骤1)制备的生物质炭，继续搅拌，得到含有微生物菌剂的载体基质，将所述含有微生物菌剂的载体基质于造粒机中进行造粒处理，即得生物质炭固定化降解菌株颗粒。
2.根据权利要求1所述的一种多孔生物质炭固定化降解菌株去除土壤2,4,6-三氯苯酚的方法，其特征在于，所述椰壳和竹子粉碎至10-20目。
3.根据权利要求1所述的一种多孔生物质炭固定化降解菌株去除土壤2,4,6-三氯苯酚的方法，其特征在于，所述无机强酸为盐酸、硫酸或硝酸中的一种。
4.根据权利要求1所述的一种多孔生物质炭固定化降解菌株去除土壤2,4,6-三氯苯酚的方法，其特征在于，所述无机强酸的浓度为3-5mol/L。
5.根据权利要求1所述的一种多孔生物质炭固定化降解菌株去除土壤2,4,6-三氯苯酚的方法，其特征在于，所述步骤1)中的加热速度为10-12℃/min，水蒸气流量为3-5kg/h。
6.根据权利要求1所述的一种多孔生物质炭固定化降解菌株去除土壤2,4,6-三氯苯酚的方法，其特征在于，所述步骤1)中研磨过筛，取100-150目筛网之间的截留物。
7.根据权利要求1所述的一种多孔生物质炭固定化降解菌株去除土壤2,4,6-三氯苯酚的方法，其特征在于，所述步骤3)中采用的菌种为紫花苜蓿根瘤菌。
8.根据权利要求1所述的一种多孔生物质炭固定化降解菌株去除土壤2,4,6-三氯苯酚的方法，其特征在于，所述步骤3)中采用的菌悬液中菌液的浓度为100-150mg/L。
9.根据权利要求1所述的一种多孔生物质炭固定化降解菌株去除土壤2,4,6-三氯苯酚的方法，其特征在于，所述步骤2)中聚乙烯醇、淀粉、水的质量比为3-5：2-3：100。
10.根据权利要求1所述的一种多孔生物质炭固定化降解菌株去除土壤2,4,6-三氯苯酚的方法，其特征在于，所述步骤3)中生物质炭与混合液按1：20-40g/ml添加。
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