CN113149230B - 一种木质生物炭电子传递强化微生物还原六价铬的处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种木质生物炭电子传递强化微生物还原六价铬的处理方法，包括：将含有六价铬的待处理水、具有电子传递能力的木质生物炭、以及具有还原六价铬能力的微生物混和后进行培养处理操作，以强化微生物对六价铬的还原效果；其中，所述具有还原六价铬能力的微生物为Leucobacterchromiireducens LYC‑2，所述微生物的保藏编号为CGMCC No.16823。本发明能能够强化微生物还原六价铬的效率、并且实现废物资源化利用、还可以产业化运行。

Description

一种木质生物炭电子传递强化微生物还原六价铬的处理方法

技术领域

本发明涉及微生物应用和废水处理技术领域，尤其涉及一种木质生物炭电子传递强化微生物还原六价铬的处理方法。

背景技术

铬及其化合物在化工领域的应用非常广泛，例如在金属电镀、皮革制剂、工业颜料等行业使用，然而在废水排放时含铬污染物通常会有残留，将含铬污染物排放到自然环境水体中，产生严重的环境问题。

目前常见的含铬废水治理技术主要有：电解法、化学沉淀法、生物法等。其中，电解法修复操作简便，但具有设备要求高、耗电量高、产生污泥量大等短板；化学沉淀法操作相对便捷、修复周期短，但存在残留物较多、难以处理的问题。

铬在自然环境中主要以三价铬和六价铬的形式存在，相较于六价铬，三价铬毒性较低，且稳定性较高，对人体危害较小。利用生物还原六价铬对环境影响最小，成本低廉，已成为解决含铬废水的关键手段之一。专利号为 201910681909.0的中国专利发明专利公开了《一株白色杆菌及其在还原六价铬中的应用》，提供了一种名为Leucobacterchromiireducens LYC-2的白色杆菌，在48小时内可使水中的100mg/L的六价铬100％还原，效果显著。然而，微生物还原六价铬速度相对较慢，为降低水力停留时间，在实际应用中需要强化还原速率。

鉴于此，有必要提供一种木质生物炭电子传递强化微生物还原六价铬的处理方法，以解决或至少缓解上述微生物在还原六价铬时效率低的技术缺陷。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种木质生物炭电子传递强化微生物还原六价铬的处理方法，旨在解决现有技术中微生物在还原六价铬时效率低的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供一种木质生物炭电子传递强化微生物还原六价铬的处理方法，包括步骤：

混合，将具有电子传递能力的木质生物炭以及具有还原六价铬能力的微生物，与含有六价铬的待处理水进行混和，得到混合处理液；

对所述混合处理液进行培养处理后，得到对六价铬还原后的水体；

其中，所述具有还原六价铬能力的微生物为Leucobacter chromiireducens LYC-2；所述微生物经鉴定为白色杆菌(Leucobacter chromiireducens)LYC-2，所述微生物的拉丁文分类命名为：Leucobacter chromiireducens，所述微生物的菌株已保存于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心(CGMCC)，地址：中国北京市朝阳区北辰西路1号院3号，所述微生物的保藏日期为2018 年11月26日，所述微生物的保藏编号为：CGMCCNO.16823。

进一步地，所述混合步骤包括：将所述含有六价铬的待处理水、所述具有电子传递能力的木质生物炭、以及LB液体培养基进行混合，形成待处理体系，然后在所述待处理体系中加入所述微生物；

其中，所述LB液体培养基中各成分的质量体积比包括：蛋白胨1～5％，酵母浸粉0.1～5％，NaCl 0.1～3％。

进一步地，还包括步骤：在所述微生物在被加入至所述待处理体系之前，将所述微生物接种于另一所述LB液体培养基中，使所述微生物的溶液经活化和扩大培养至600nm处吸光度为0.9～1.1后，将所述微生物溶液按1～10％的体积比加入至所述待处理体系中。

进一步地，所述培养处理的操作包括：在温度为25～35℃、pH为7～11、震荡速率为130～155rpm的条件下培养至少24小时，从而使得在所述培养处理操作后能分离得到经木质生物炭协同处理后的水溶液、所述微生物的菌体、以及六价铬还原产物的混合物。

进一步地，在所述培养处理后，还包括对所述六价铬还原后的水体进行分离，所述分离过程中的转速为12000rpm，所述分离的时间为8～10min。

进一步地，所述木质生物炭在所述待处理体系中的浓度为0.2～10g/L。

进一步地，所述木质生物炭的制备包括步骤：

干燥：将洗净的树干打碎而成生物质材料，并干燥至含水率低于10％；

过滤：将干燥的所述生物质材料粉碎，并通过100目筛得到符合粒径要求的生物质材料颗粒；

炭化：将所述生物质材料颗粒混合均匀后送入马弗炉热解炭化，得到炭化产物；

研磨：对冷却后的所述炭化产物进行研磨，并过200目筛，得到所述木质生物炭。

进一步地，所述树干来源于乔木树干。

进一步地，所述热解过程中的温度为500～700℃，升温速率为6℃/h，并保持所述热解的时间为2h。

进一步地，所述六价铬在所述待处理体系中的初始浓度为100～500 mg/L。

本发明中所用微生物菌株Leucobacter chromiireducens LYC-2，其经鉴定为白色杆菌(Leucobacter chromiireducens)LYC-2，该菌株已保存于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心(CGMCC)，地址：中国北京市朝阳区北辰西路1号院3号，保藏日期为2018年11月26日，保藏编号为：CGMCC NO.16823。

本发明所涉及菌株是从湖南长沙某制革厂的制革废水中分离出的革兰氏阴性细菌，菌落呈圆形、乳黄色、表面光滑，菌落直径为0.5～1.0mm，电子显微镜下(100000×)观察为具有平行边和圆端的短杆菌。并且，本发明中的白色杆菌(Leucobacterchromiireducens)LYC-2在好氧、常压、一定的温度范围 (25-35℃)及较宽的pH范围(pH 7-11)条件下表现超强的六价铬耐受能力，且能有效还原一定浓度的六价铬。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、能够强化微生物还原六价铬的效率，与单独采用微生物Leucobacterchromiireducens LYC-2去除水中六价铬的效率对比可知，木质生物炭的添加有效提升了反应体系的六价铬去除效率；在反应的第3小时，木质生物炭和菌体复合的六价铬去除率相较于所述微生物的单独处理增高了9.86％；在反应的第36小时，木质生物炭复合菌体的六价铬去除率相较于所述微生物的单独处理提高了12.61％；

2、能够实现废物资源化利用，生物炭相较于其他电子传递材料，可利用废弃生物质作为原材料进行规模化生产，成本低廉，环境友好；

3、可以产业化运行，所用的Leucobacter chromiireducens LYC-2微生物可规模化培养，培养周期短，实验操作条件温和，无二次污染；此外，本发明利用生物炭的电子传递能力强化微生物修复的方法拓宽了生物炭在污染修复领域的可能用途，为强化微生物修复提供了新思路。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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示出的结构获得其他的附图。

图1是对比例1中木质生物炭和秸秆生物炭的六价铬去除效果图；

图2是实施例1中LYC-2、秸秆生物炭和LYC-2结合、以及木质生物炭和 LYC-2结合的六价铬去除效果图；

图3为实施例1中木质生物炭电子传递强化微生物六价铬还原后产物的 SEM图谱；

图4为实施例2中LYC-2(4a)、秸秆生物炭和LYC-2结合(4b)、以及木质生物炭和LYC-2结合(4c)还原六价铬的XPS图谱。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施方式，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明的一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，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方式，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施方式中所有方向性指示(诸如上、下……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

并且，本发明各个实施方式之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本领域技术人员应当注意的是，为了便于对本发明的附图进行理解，附图中的LYC-2可以表示为Leucobacter chromiireducens LYC-2菌。

本发明提供了一种木质生物炭电子传递强化微生物还原六价铬的处理方法，包括：混合，将具有电子传递能力的木质生物炭以及具有还原六价铬能力的微生物，与含有六价铬的待处理水进行混和，得到混合处理液；

对所述混合处理液进行培养处理后，得到对六价铬还原后的水体。

其中，所述具有还原六价铬能力的微生物为Leucobacter chromiireducens LYC-2，所述微生物的保藏编号为CGMCC No.16823。

需要说明的是，本发明中所用Leucobacter chromiireducens LYC-2，是白色杆菌，该菌鉴定为Leucobacter chromiireducens菌，命名为Leucobacter chromiireducensLYC-2。该菌已于2018年11月26日保藏在地址位于北京市朝阳区北辰西路1号院3号，中国科学院微生物研究所的中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心(CGMCC)，保藏编号为CGMCC No.16823。

根据专利号为201910681909.0的中国专利发明专利《一株白色杆菌及其在还原六价铬中的应用》可以得知，所述微生物Leucobacter chromiireducens LYC-2具有有效还原一定浓度的六价铬的能力。

此外，所述木质生物炭是一种以生物质为原料，在高温限氧条件下产生的芳香化碳材料，具有成本低廉、环境友好等优势；生物炭具有丰富的氧化还原性官能团和良好的的芳香化结构，具有促进电子传递的能力，生物炭的使用可以促进微生物群落结构的优化以及种间的电子传递；并且，生物炭多孔的结构可以给微生物提供栖息场所，避免微生物在实际应用中的流失。

将所述木质生物炭用于强化微生物还原六价铬，使所述Leucobacterchromiireducens LYC-2与所述木质生物炭进行协同作用，能够显著提升对所述六价铬的还原效果。在含有六价铬的待处理水中，加入具有电子传递能力的木质生物炭和具有还原六价铬能力的微生物，混合后进行培养，能够强化微生物对六价铬的还原效果。

本发明提供的方法通过添加木质生物炭，加快了微生物铬还原体系中的电子传递速率，并利用生物炭的多孔性，降低了微生物在实际应用中流失速度，使得可以强化微生物对水体中六价铬的还原能力，且有利于铬污染微生物治理的工业化应用。

作为上述实施方式的一种优选，在实际的混合过程中，所述混合步骤包括：可以将所述含有六价铬的待处理水、所述具有电子传递能力的木质生物炭、以及LB液体培养基进行混合，形成待处理体系，然后在所述待处理体系中加入所述微生物；从而使得在加入所述微生物之前，所述六价铬与所述木质生物炭已经置于所述LB液体培养基，以提升所述微生物的还原效率。

需注意的是，所述微生物在在还原所述六价铬的待处理水时，可以加入提供养分的培养基，在开始的时候将具有电子传递能力的木质生物炭、具有还原六价铬能力的微生物，以及营养培养基与含有六价铬的待处理水进行混和，从而便于后续的培养处理，所述营养培养基可以是所述LB液体培养基；当然，也可以不加入或不混入所述营养培养基，因为含有所述六价铬的污水或废水中一般还含有微生物代谢所需的养分、以及所述微生物本身所储存的物质能够维持一段时间的代谢；不过，在所述微生物所需的养分不足时，可以补加维持微生物代谢的养分。

具体地，所述LB液体培养基中各成分的质量体积比包括：蛋白胨1～5％，酵母浸粉0.1～5％，NaCl 0.1～3％。在生产应用过程中，可以根据实际需求确定所述LB液体培养基的体积，所述LB液体培养基的配制过程可以为：在容器中分别加入蛋白胨1～5％，酵母浸粉0.1～5％，NaCl 0.1～3％，然后加水定容，如可以定容至1000ml。

为确保所述微生物的浓度，在所述微生物在被加入至所述待处理体系之前，需将所述微生物接种于另一所述LB液体培养基中，即在处理所述六价铬，先通过所述LB液体培养基进行扩培，使所述微生物的溶液经活化和扩大培养至600nm处吸光度(OD₆₀₀)为0.9～1.1。

作为所述微生物的其中一种配比，所述微生物的溶液在600nm处吸光度为0.9～1.1后，将所述微生物溶液按1～10％的体积比加入至所述待处理体系中。

此外，所述培养处理的操作包括：在温度为25～35℃、pH为7～11、转速为130～155rpm震荡的条件下培养至少24小时，以促进所述六价铬的还原，从而使得在所述培养处理操作后能分离得到经木质生物炭协同处理后的水溶液、所述微生物的菌体、以及六价铬还原产物的混合物。即：在所述培养处理后，还包括对所述六价铬还原后的水体进行分离，所述分离过程中的转速为12000rpm，所述分离的时间为8～10min。

作为上述实施方式的另一种优选，为使得所述木质生物炭能够进一步强化微生物还原六价铬，所述木质生物炭在所述待处理体系中的浓度为0.2～10 g/L，最优地为1g/L。

具体地，所述木质生物炭的制备包括步骤：

干燥：将洗净的树干打碎而成生物质材料，并干燥至含水率低于10％,所述干燥可以在烘箱中进行；

过滤：将干燥的所述生物质材料粉碎，并通过100目筛得到符合粒径要求的生物质材料颗粒，主要目的是得到粒径较小的材料颗粒；

炭化：将所述生物质材料颗粒混合均匀后送入马弗炉热解炭化，得到炭化产物；

研磨：对冷却后的所述炭化产物进行研磨，可以用玛瑙研磨，在研磨后过200目筛，得到所述木质生物炭。

应当注意的是，所述树干可以来源于杉树、樟树、松树等乔木的树干。所述热解过程中的温度可以为500～700℃，升温速率可以为6℃/h，并可以保持所述热解的时间为2h。

作为对所述六价铬还原的一种应用形式，所述六价铬在所述待处理体系中的初始浓度为100～500mg/L。

为便于对本发明做进一步的理解，现举例说明。

对比例1

单独采用木质生物炭和秸秆生物炭吸附去除水中六价铬：

分别在100mL LB液体培养基加入木质生物炭和秸秆生物炭，并控制两种 生物炭的浓度为1g/L，

将分别加入木质生物炭和秸秆生物炭的LB液体培养基在121℃灭菌 20min，并在灭菌后加入无菌的重铬酸钾溶液，使六价铬浓度为100mg/L。

将得到的LB液体培养基、生物炭和六价铬的混合溶液在温度30℃、自然pH条件、150rpm转速条件下震荡反应24h。反应结束后将溶液于12,000rpm 下离心10min，得到上清液即为处理后的水溶液。

木质生物炭和秸秆生物炭的六价铬去除率随时间的变化如图1所示，可以看出，随着反应的进行，六价铬的去除率逐渐升高，6小时最大去除率达到了23％～23.5％，残留六价铬浓度为82.1～83.2mg/L，效果不理想。此外，木质生物炭和秸秆生物炭的六价铬去除率在6小时后略微下降，24小时时去除率为16.8％～17.9％，说明生物炭吸附去除水中六价铬的方法存在解吸再释放的风险，仍有待改进。

实施例1

木质生物炭电子传递强化微生物的六价铬还原：

选择木质和秸秆两种常见的生物质作为生物炭制备的原料，且两种生物炭的热解温度均为500℃，分别在100mLLB液体培养基加入上述两种不同的适量生物炭，121℃灭菌20min后，加入无菌的重铬酸钾溶液，从而获得含有 1g/L木质生物炭和250mg/L六价铬的工作培养基(即待处理体系1)、以及 1g/L秸秆生物炭和250mg/L六价铬的工作培养基(即待处理体系2)。

将细菌Leucobacter chromiireducens LYC-2单菌落接于LB液体培养基中经活化和扩大培养至OD₆₀₀为0.9～1.1，得到菌液。

分别取1mL上述菌液接种至待处理体系1、待处理体系2、以及不含生物炭，但含有等浓度六价铬的等体积LB液体培养基溶液中(需注意的是，所述等浓度是指和待处理体系1以及待处理体系2中的六价铬浓度相等，所述等体积是指和待处理体系1以及待处理体系2中的LB液体培养基体积相等)，

在温度30℃、pH为9.0、150rpm震荡条件下培养24h，其中在0，3，6， 12，24，48h分别进行取样，将溶液于12,000rpm下离心10min，得到上清液即为处理后的水溶液。

测量生物炭电子传递强化微生物六价铬还原的效率，其随时间的变化如图2所示。

与对比例1中单独采用木质生物炭吸附去除水中六价铬的效率对比可知，木质生物炭电子传递有效强化Leucobacter chromiireducens LYC-2对六价铬还原效果。相较于木质生物炭的单独处理，木质生物炭和Leucobacter chromiireducens LYC-2的复合处理的六价铬去除率提高了33.46％。与单独采用微生物去除水中六价铬的效率对比可知，木质生物炭的添加有效提升了反应体系的六价铬去除效率。在反应的第3小时，木质生物炭和菌体复合的六价铬去除率相较于单独微生物处理增高了9.86％。在反应的第36小时，木质生物炭复合菌体的六价铬去除率相较于单独微生物处理提高了12.61％。

与秸秆生物炭和Leucobacter chromiireducens LYC-2的复合处理相比，木质生物炭和Leucobacter chromiireducens LYC-2的复合处理对六价铬的还原效果优势明显。在反应的第24和36小时，木质生物炭的复合处理效率相较于秸秆生物炭的复合处理分别增加了9.54％和13.80％。

木质生物炭电子传递强化微生物六价铬还原后产物的SEM图谱如图3所示。从SEM图谱中可以看到，菌体均匀地分散在生物炭的表面和孔径中，生物炭的添加可以有效减少协同体系中菌体的流失。

实施例2

木质生物炭的电子传递性能表征：

如图4所示，微生物在生物炭电子传递强化前后还原六价铬的XPS C 1s 拟合图谱中，结合能在284.69eV、285.96eV、287.8eV的特征峰分别对应脂肪链中的C-H、胺或酰胺中的C-N、羧酸或酰胺中的O-C-O或C＝O。可以看出，相较于单独微生物处理，木质生物炭和Leucobacter chromiireducens LYC-2复合处理的羧基和酰胺基(O-C-O/C＝O)含量从单一微生物处理的11.66％上升至14.74％，说明木质生物炭增加了反应体系的电子供给能力。

木质生物炭和Leucobacter chromiireducens LYC-2复合处理的表面C-H键含量(66.89％)高于秸秆生物炭和Leucobacter chromiireducens LYC-2复合处理(57.86％)，表明木质生物炭复合处理比秸秆生物炭复合处理具有更高的还原活性，使六价铬有效还原为三价铬。

本发明的上述技术方案中，以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的技术构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围。

Claims (10)

1.一种木质生物炭电子传递强化微生物还原六价铬的处理方法，其特征在于，包括步骤：

混合，将具有电子传递能力的木质生物炭以及具有还原六价铬能力的微生物，与含有六价铬的待处理水进行混和，得到混合处理液；

对所述混合处理液进行培养处理后，得到对六价铬还原后的水体；

其中，所述具有还原六价铬能力的微生物为Leucobacter chromiireducens LYC-2；所述微生物经鉴定为白色杆菌(Leucobacter chromiireducens)LYC-2，所述微生物的拉丁文分类命名为：Leucobacter chromiireducens，所述微生物的菌株已保存于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心(CGMCC)，地址：中国北京市朝阳区北辰西路1号院3号，所述微生物的保藏日期为2018年11月26日，所述微生物的保藏编号为：CGMCC NO.16823。

2.根据权利要求1所述的木质生物炭电子传递强化微生物还原六价铬的处理方法，其特征在于，所述混合步骤包括：将所述含有六价铬的待处理水、所述具有电子传递能力的木质生物炭、以及LB液体培养基进行混合，形成待处理体系，然后在所述待处理体系中加入所述微生物；

其中，所述LB液体培养基中各成分的质量体积比包括：蛋白胨1～5％，酵母浸粉0.1～5％，NaCl 0.1～3％。

3.根据权利要求2所述的木质生物炭电子传递强化微生物还原六价铬的处理方法，其特征在于，还包括步骤：在所述微生物在被加入至所述待处理体系之前，将所述微生物接种于另一所述LB液体培养基中，使所述微生物的溶液经活化和扩大培养至600nm处吸光度为0.9～1.1后，将所述微生物溶液按1～10％的体积比加入至所述待处理体系中。

4.根据权利要求1所述的木质生物炭电子传递强化微生物还原六价铬的处理方法，其特征在于，所述培养处理的操作包括：在温度为25～35℃、pH为7～11、震荡速率为130～155rpm的条件下培养至少24小时。

5.根据权利要求1或4所述的木质生物炭电子传递强化微生物还原六价铬的处理方法，其特征在于，在所述培养处理后，还包括对所述六价铬还原后的水体进行分离，所述分离过程中的转速为12000rpm，所述分离的时间为8～10min。

6.根据权利要求2所述的木质生物炭电子传递强化微生物还原六价铬的处理方法，其特征在于，所述木质生物炭在所述待处理体系中的浓度为0.2～10g/L。

7.根据权利要求1所述的木质生物炭电子传递强化微生物还原六价铬的处理方法，其特征在于，所述木质生物炭的制备包括步骤：

干燥：将洗净的树干打碎而成生物质材料，并干燥至含水率低于10％；

过滤：将干燥的所述生物质材料粉碎，并通过100目筛得到符合粒径要求的生物质材料颗粒；

炭化：将所述生物质材料颗粒混合均匀后送入马弗炉热解炭化，得到炭化产物；

研磨：对冷却后的所述炭化产物进行研磨，并过200目筛，得到所述木质生物炭。

8.根据权利要求7所述的木质生物炭电子传递强化微生物还原六价铬的处理方法，其特征在于，所述树干来源于乔木树干。

9.根据权利要求7所述的木质生物炭电子传递强化微生物还原六价铬的处理方法，其特征在于，所述热解过程中的温度为500～700℃，升温速率为6℃/h，并保持所述热解的时间为2h。

10.根据权利要求2所述的木质生物炭电子传递强化微生物还原六价铬的处理方法，其特征在于，所述六价铬在所述待处理体系中的初始浓度为100～500mg/L。

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