[发明专利]一种应用生物炭促进生物还原硝基苯的方法

说明书

技术领域

本发明属于污染物的生物处理技术领域，特别是涉及一种应用生物炭促进微生物还原硝基苯的方法。

背景技术

硝基苯作为一种合成染料、炸药、橡胶、农药等其他精细化学品的重要中间体，广泛存在于染料、农药、医药、石油化工等工业废水中。硝基苯属于难降解有机化合物，化学性质稳定，对生物毒性大，进入水体环境后随地下水逐渐渗入土壤，将造成水体和土壤持久性的污染，从而引发一系列的生态影响和环境效应。

生物法是处理硝基苯废水的常用方法。异化金属还原菌等微生物能够在厌氧条件下将硝基苯还原生成苯胺，进而被其他微生物在好氧条件下降解矿化。异化金属还原菌广泛分布于天然环境中，具有多样化的产能代谢和电子传递途径，能够利用外膜上的细胞色素c、纳米导线以及自身分泌或外加的氧化还原介体三种方式，向胞外水溶性与非水溶性污染物传递电子，进而还原转化多种有机污染物(Fredrickson等，2008；Lovley等，2011)。

通过氧化还原介体促进细胞胞外电子传递的过程称为介导还原，可显著提高生物法还原污染物的速率，为污染物的高效生物转化提供了新方法(vanderZeeFP等，2009)。而活性炭及一些具有纳米尺度的碳材料(如碳纳米管，石墨烯等)可以作为氧化还原介体，在化学和生物还原污染物的电子传递过程中均表现出优良的介导还原能力(FuH等，2013)。但这些材料制备工艺复杂，工业化应用成本较高，且对微生物有一定的毒性作用。

相比石墨烯碳纳米管等材料，生物炭原材料来自天然环境中的各种生物质，对环境中微生物毒性较低，制备工艺相对简单，应用成本低。与其他可以作为氧化还原介体的碳材料类似，生物炭具有良好的导电性、较高的比表面积和丰富的表面官能团。近年来，有研究发现生物炭能够促进硫化物还原硝基苯(WenenG等，2014)，也可以作为氧化还原促进Fe(III)矿物被异化金属还原菌还原转化，生成含Fe₃O₄和FeCO₃的铁氧化物(KapplerA等，2014)。但目前还未见生物炭促进微生物还原硝基苯的相关研究或专利。

发明内容

本发明的目的是提供一种应用生物炭快速有效地促进生物还原硝基苯的方法，以解决现有生物处理技术处理效率低，材料成本高的问题。

本发明的技术方案，包括以下步骤：

(A)微生物的培养：采用异化金属还原菌作为还原硝基苯的代表性微生物。

(B)配制50mL的20mM磷酸盐缓冲溶液，加入50mM乳酸钠，并转移至50mL的玻璃厌氧瓶中，并用0.1mol/L的NaOH或HCl调节pH至7.0。然后通氮气曝气将厌氧瓶顶空及水溶液中的氧气排尽，放入高压蒸汽灭菌锅灭菌，冷却后转移至厌氧箱中以确保厌氧状态。

(C)在厌氧箱中，用移液枪吸取硝基苯转移至厌氧瓶中，超声1h使硝基苯在溶液中分散均匀，得到50mL浓度为5-400mg/L的硝基苯溶液。

(D)称取生物炭，并在厌氧箱中转移到厌氧瓶中，浓度为0.167-0.667g/L，超声1h使其均匀分散在溶液中。

(E)收集培养至对数期末期的微生物细胞，并转移至厌氧瓶中，使菌浓度为0.5g/L。然后将厌氧瓶放入150rpm，30℃恒温摇床中，避光反应1-10d。

本发明所述的生物炭包括使用自然焚烧法和限氧热解法两种方式制备的生物炭。自然焚烧法为，将生物质置于室外空气中充分燃烧，收集燃尽的炭化产物。限氧热解法为，将生物质材料置于管式热解炉中，以5℃/min的升温速率加热至300-800℃，恒定温度热解2h，热解过程中持续通氮气，既保证炉内厌氧环境又可将气态有机产物吹扫出热解炉。自然冷却后取出炭化产物。分别将自然焚烧和限氧热解后的炭化产物用去离子水洗3-5次，放入真空干燥箱40℃干燥24h，研磨，过100目筛，即分别得到本发明所述的自然焚烧和限氧热解生物炭。

本发明的效果和益处是能够快速有效提高硝基苯在水中的生物还原速率，且生物炭制备工艺简单，原材料来源广泛，成本低，可操作性强，便于在实际中推广应用。

具体实施方式

以下结合技术方案详细叙述本发明的具体实施方式。

实施例1

不同生物质原材料和制备方法所得生物炭，用于促进微生物还原硝基苯：

(A)生物炭的制备：