CN112830575A - 一种底泥基生物炭负载纳米零价铁固定反硝化菌活性微球的制备方法、产品及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种底泥基生物炭负载纳米零价铁固定反硝化菌活性微球的制备方法、产品及应用，包括以下步骤：在氮气范围下，将底泥经过热解处理得到生物炭，然后与亚铁盐超声混合，再加入硼氢化钠水溶液，搅拌，冷冻干燥，得到底泥基生物炭负载纳米零价铁材料；在所得底泥基生物炭负载纳米零价铁材料中加入反硝化菌液和海藻酸钠混合物得到混合悬浮液，将混合悬浮液逐滴加入到氯化钙溶液中，即得底泥基生物炭负载纳米零价铁固定反硝化菌活性微球。本发明的活性微球具有较好的脱氮性能，对NO3 ‑‑N有较高的去除率。

Description

一种底泥基生物炭负载纳米零价铁固定反硝化菌活性微球的 制备方法、产品及应用
技术领域
本发明属于水处理技术领域，具体是涉及一种底泥基生物炭负载纳米零价铁固定反硝化菌活性微球的制备方法、产品及应用。
背景技术
在水跃富氧作用的影响下，地表水中的TN中NO3 --N含量较多。我国在《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)中规定NO3 --N的浓度上限为10mg/L。生物降解方法因其经济、环保和高效等优势被广泛应用于治理地表水NO3 --N污染中，其中微生物固定化技术作为一种固定菌体的方法，具有微生物浓度高、细胞损失低、对水质和水量影响耐受性强等优点，在废水处理领域受到广泛应用。
通常情况下，微生物固定化技术采用物理、化学或生物的方法，将游离的微生物固定在特定材料上。载体的性质是微生物固定化技术的关键，有机载体、无机载体和复合载体这三大类材料是目前常用的载体。但有机材料的使用时间较短、且难以长期连续使用、耗能高(例如多孔玻璃、多空陶瓷等)；复合载体制备的过程较复杂，难以实际应用；因此无机材料具有更多的优势，目前生物炭的应用最为广泛，但目前利用生物炭去除水中NO3 --N时去除率较低，难以达到污染物质的有效去除，因此亟需开发一种可以有效去除硝酸盐的物质。
发明内容
本发明的目的是提供一种底泥基生物炭负载纳米零价铁固定反硝化菌活性微球的制备方法、产品及应用，以解决现有技术中去除NO3 --N效率低的问题。
为实现上述技术目的，本发明提供如下技术方案：
一种底泥基生物炭负载纳米零价铁固定反硝化菌活性微球的制备方法，包括以下步骤：
在氮气范围下，将底泥经过热解处理得到生物炭，然后与亚铁盐超声混合，再加入硼氢化钠水溶液，搅拌，冷冻干燥，得到底泥基生物炭负载纳米零价铁材料；
在所得底泥基生物炭负载纳米零价铁材料中加入反硝化菌液和海藻酸钠混合物得到混合悬浮液，将混合悬浮液逐滴加入到氯化钙溶液中，即得底泥基生物炭负载纳米零价铁固定反硝化菌活性微球。
优选的，所述热解处理的条件为：无氧条件，温度350-450℃，时间3-5h。
优选的，所述热解处理的条件为：无氧条件，温度400℃，时间4h。
优选的，所述亚铁盐为5-10g，所述硼氢化钠为2-6g。
优选的，所述亚铁盐为FeSO4·7H2O。
优选的，所述搅拌转速为110-130rpm，搅拌时间为20-40min。
优选的，所述底泥选自通惠河河口。
优选的，所述底泥需要过干燥、粉碎并通过0.15mm筛网。
优选的，所述硼氢化钠水溶液是将过量的硼氢化钠溶解在20mL去离子水中所得。
优选的，所述底泥基生物炭负载纳米零价铁材料与反硝化菌液和海藻酸钠混合物的质量体积比为4-6％。
优选的，所述反硝化菌液和海藻酸钠质量体积比为4-6％。
优选的，所述混合悬浮液与氯化钙溶液的质量体积比为4-6％。
优选的，所述氯化钙溶液提前做灭菌处理。
优选的，所述反硝化菌液为不动杆菌、芽孢杆菌、假单胞菌和红球菌混合菌液。
优选的，所述反硝化菌液OD600为1.0±0.1。
本发明还提供了一种利用上述制备方法制备的底泥基生物炭负载纳米零价铁固定反硝化菌活性微球。
本发明还提供了上述底泥基生物炭负载纳米零价铁固定反硝化菌活性微球在除水中NO3 --N的应用。
优选的，所述去除条件为：温度10-30℃，时间24h。
优选的，所述NO3 --N的初始浓度为20-200mg/L，所述底泥基生物炭负载纳米零价铁固定反硝化菌活性微球投加量为20g/L。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明选用底泥作为生物炭原始材料，底泥经过热解处理得到的生物炭吸附容量大，表面形状不规则，使得细菌面受高剪切力的影响，同时又使细菌形成一层厚度均匀的生物膜，从而产生更有效的反硝化速率；纳米零价铁具有较大的比表面积和较强的反应活性，能够有效地去除环境中的有机污染物，将其负载到底泥基生物炭上后避免了其在处理污染物时表现出易团聚的缺陷；而且纳米零价铁经过腐蚀后产生了H2/[H]和Fe2+可用作反硝化过程的电子供体，从而与反硝化菌协同去除水中的硝酸盐。
(2)本发明先加亚铁盐，再加硼氢化钠是需要生物炭与亚铁盐先充分混合，然后再加入硼氢化钠有利于硼氢化钠与亚铁盐形成的零价铁更加均匀地分布在生物炭上。硼氢化钠还原亚铁盐为零价铁的过程中，零价铁可能又会被氧化，所以本发明添加过量的硼氢化钠一直还原它。
(3)本发明混合悬浮液逐滴加入到氯化钙溶液中，由于海藻酸钠与氯化钙反应，所以每逐滴加入一次形成一个微球。
(4)与单纯的化学沉淀、膜分离、氧化还原、生物降解等方法相比，本发明利用底泥基生物炭负载纳米零价铁固定反硝化菌活性微球去除污泥NO3 --N中的方法，操作简单，成本低廉，无二次污染，具有产业化前景。
(5)本发明制备的底泥基生物炭负载纳米零价铁固定反硝化菌活性微球，实现了河道底泥的无害化处理，减轻了环境负荷，还可以变废为宝，以废治废，有利于底泥的资源化利用和水环境保护。
附图说明
图1为本发明制备底泥基生物炭负载纳米零价铁固定反硝化菌活性微球的流程图；
图2为本发明实施例1制备的底泥基生物炭负载纳米零价铁材料的SEM图；
图3为本发明实施例1制备的底泥基生物炭负载纳米零价铁材料固定反硝化菌活性微球的SEM图；
图4为本发明实施例1制备的底泥基生物炭负载纳米零价铁固定反硝化菌活性微球投加量对NO3 --N去除效果图；
图5为NO3 --N初始浓度对本发明实施例1制备的底泥基生物炭负载纳米零价铁固定反硝化菌活性微球去除NO3 --N效果图；
图6为pH对本发明实施例1制备的底泥基生物炭负载纳米零价铁固定反硝化菌活性微球去除NO3 --N效果图。
具体实施方式
现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见的。本申请说明书和实施例仅是示例性的。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
本发明制备底泥基生物炭负载纳米零价铁固定反硝化菌活性微球的流程图如图1所示。
本发明以下实施例所用反硝化菌液为不动杆菌、芽孢杆菌、假单胞菌和红球菌混合菌液浓度比1:4:2:1。
本发明以下实施例所用海藻酸钠与反硝化菌液质量体积比为5％。
实施例1
(1)预处理：取底泥后干燥、粉碎后过0.15mm筛网；
(2)取20g预处理后的底泥置于马弗炉中，在400℃无氧条件下热解4h得到底泥基生物炭；
(3)取50ml浓度为0.72mol/L的FeSO4·7H2O与底泥基生物炭超声混合1h，使其均匀分散；将3gNaBH4溶解在20ml去离子水中，并逐滴添加到上述溶液中得到混合物，将混合物以120rpm搅拌30min完成反应，全程N2保护，冷冻干燥机干燥后，即得底泥基生物炭负载纳米零价铁材料；
(4)将底泥基生物炭负载纳米零价铁与反硝化菌和海藻酸钠混合物按比例5％(w/v)混合2h得到混合悬浮液，将混合悬浮液滴加到灭菌良好的CaCl2溶液中，混合悬浮液与CaCl2溶液质量体积比为5％，即得底泥基生物炭负载纳米零价铁固定反硝化菌活性微球。
效果验证：
1)对本实施例所得底泥基生物炭负载纳米零价铁材料冷冻干燥后，经磁控溅射镀金处理，以避免在拍摄过程中的荷电现象，使用扫描电子显微镜(SEM)观察其表面的形貌，结果如图2所示。
从图2中可以看出，材料疏松多孔，零价铁较为均匀地分散在生物炭上。
2)本实施例所得底泥基生物炭负载纳米零价铁材料冷冻干燥后，经磁控溅射镀金处理，以避免在拍摄过程中的荷电现象，通过液氮脆断的方式使微球截面暴露出来，将微球固定在导电胶上，使用扫描电子显微镜(SEM)观察其表面及截面的形貌，结果如图3所示。
从图3中可以看出，小球的内部结构较为疏松，呈多孔状，内部附着的反硝化菌较多。
3)分别取0.5、1、1.5、2、2.5、3g本实施例制备的底泥基生物炭负载纳米零价铁固定反硝化菌活性微球加入到装有100ml初始浓度为100mg/LNO3 --N溶液的锥形瓶中，用0.1mol/L的NaOH和0.1mol/L的HCl调节pH＝7，30℃条件下震荡反应24h，取样过膜，测NO3 --N的浓度，结果如图4所示。
从图4中可以看出，底泥基生物炭负载纳米零价铁固定反硝化菌活性微球投加量在0.5-2.0g时去除率上升趋势明显，当投加量达到2.0g以后上升趋势有所下降，去除率最大可以达到98.57％。
4)取2g底泥基生物炭负载纳米零价铁固定反硝化菌活性微球加入到装有100ml初始浓度为20、50、100、150、200mg/L的NO3 --N溶液的锥形瓶中，用0.1mol/L的NaOH和0.1mol/L的HCl调节pH＝7，30℃条件下震荡反应24h，取样过膜测NO3 --N的浓度，结果如图5所示。
从图5中可以看出，本实施例制备的的活性微球具有较好的脱氮性能，对NO3 -有较高的去除率，30℃条件下，当NO3 --N浓度为20mg/L时，对NO3 --N的去除率最大，达到了99.97％；当NO3 --N浓度为200mg/L时，去除率达到88.56％。
5)取2g底泥基生物炭负载纳米零价铁固定反硝化菌活性微球加入到装有100ml初始浓度为100mg/L的NO3 --N溶液的锥形瓶中，用0.1mol/L的NaOH和0.1mol/L的HCl调节pH＝4、5、6、7、8、9、10，30℃条件下震荡反应24h，取样过膜测NO3 --N的浓度，结果如图6所示。
从图6中可以看出，当pH值为5-6时微球去除NO3 --N的效率呈现下降趋势，当pH在6-9时去除率呈上升趋势，并且在pH为9时达到了最大去除率。
实施例2
(1)预处理：取底泥后干燥、粉碎后过0.15mm筛网；
(2)取20g预处理后的底泥置于马弗炉中，在350℃无氧条件下热解3h得到底泥基生物炭；
(3)取50ml浓度为0.62mol/L的FeSO4·7H2O与底泥基生物炭超声混合1h，使其均匀分散；将2gNaBH4溶解在20ml去离子水中，并逐滴添加到上述溶液中得到混合物，将混合物以110rpm搅拌20min完成反应，全程N2保护，冷冻干燥机干燥后，即得底泥基生物炭负载纳米零价铁材料；
(4)将底泥基生物炭负载纳米零价铁与反硝化菌和海藻酸钠混合物按比例4％(w/v)混合2h得到混合悬浮液，将混合悬浮液滴加到灭菌良好的CaCl2溶液中，混合悬浮液与CaCl2溶液质量体积比为4％，即得底泥基生物炭负载纳米零价铁固定反硝化菌活性微球。
取2g本实施例制备的底泥基生物炭负载纳米零价铁固定反硝化菌活性微球加入到装有100ml初始浓度为50mg/L的NO3 --N溶液的锥形瓶中，用0.1mol/L的NaOH和0.1mol/L的HCl调节pH＝7，30℃条件下震荡反应24h，取样过膜测NO3 --N的浓度，结果发现本实施例制备的微球对NO3 --N的去除率可达到91.80％。
实施例3
(1)预处理：取底泥后干燥、粉碎后过0.15mm筛网；
(2)取20g预处理后的底泥置于马弗炉中，在450℃无氧条件下热解5h得到底泥基生物炭；
(3)取50ml浓度为0.82mol/L的FeSO4·7H2O与底泥基生物炭超声混合1h，使其均匀分散；将4gNaBH4溶解在20ml去离子水中，并逐滴添加到上述溶液中得到混合物，将混合物以130rpm搅拌40min完成反应，全程N2保护，冷冻干燥机干燥后，即得底泥基生物炭负载纳米零价铁材料；
(4)将底泥基生物炭负载纳米零价铁与反硝化菌和海藻酸钠混合物按比例6％(w/v)混合2h得到混合悬浮液，将混合悬浮液滴加到灭菌良好的CaCl2溶液中，混合悬浮液与CaCl2溶液质量体积比为6％，即得底泥基生物炭负载纳米零价铁固定反硝化菌活性微球。
取2g本实施例制备的底泥基生物炭负载纳米零价铁固定反硝化菌活性微球加入到装有100ml初始浓度为150mg/L的NO3 --N溶液的锥形瓶中，用0.1mol/L的NaOH和0.1mol/L的HCl调节pH＝7，30℃条件下震荡反应24h，取样过膜测NO3 --N的浓度，结果发现本实施例制备的微球对NO3 --N的去除率可达到97.91％。
对比例1
同实施例1，区别在于，将底泥替换成农作物秸秆。
结果发现：制备的微球对NO3 --N的去除率仅能达到78％左右。
对比例2
同实施例1，区别在于，直接将底泥基生物炭固定反硝化菌活性微球。
结果发现：由于没有纳米零价铁，本对比例所制备的微球对NO3 --N的去除率仅能达到61％左右。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种底泥基生物炭负载纳米零价铁固定反硝化菌活性微球的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
在氮气范围下，将底泥经过热解处理得到生物炭，然后与亚铁盐超声混合，再加入硼氢化钠水溶液，搅拌，冷冻干燥，得到底泥基生物炭负载纳米零价铁材料；
在所得底泥基生物炭负载纳米零价铁材料中加入反硝化菌液和海藻酸钠混合物得到混合悬浮液，将混合悬浮液逐滴加入到氯化钙溶液中，即得底泥基生物炭负载纳米零价铁固定反硝化菌活性微球。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述热解处理的条件为：无氧条件，温度350-450℃，时间3-5h。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述热解处理的条件为：无氧条件，温度400℃，时间4h。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述搅拌转速为110-130rpm，搅拌时间为20-40min。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述亚铁盐为5-10g，所述硼氢化钠为2-6g。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述反硝化菌液OD600为1.0±0.1。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述底泥基生物炭负载纳米零价铁材料与反硝化菌液和海藻酸钠混合物的质量体积比为4-6％。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述混合悬浮液与氯化钙溶液的质量体积比为4-6％。
9.一种根据权利要求1-8任一项所述的制备方法制备的底泥基生物炭负载纳米零价铁固定反硝化菌活性微球。
10.一种根据权利要求9所述的底泥基生物炭负载纳米零价铁固定反硝化菌活性微球在去除水中NO3 --N的应用。
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