一种微生物固定化剂及其制备方法和应用
【专利摘要】本发明公开了一种微生物固定化剂及其制备方法和应用，该微生物固定化剂，以生物炭为载体，负载Fe2O3和Fe3O4，以质量百分数计，所述Fe2O3的负载量为5～25％，粒径为10～100nm；所述Fe3O4的负载量为5～15％，粒径为10～100nm。本发明微生物固定化剂以生物炭为载体，负载Fe2O3和Fe3O4，用于作为微生物的固定剂，不仅提高了生物炭的比表面和吸附能力，使待固定的微生物可附着面积增加，提高废水中重金属污染物的处理效果，而且以Fe2O3为光催化剂，Fe3O4为光催化促进剂，显著提高废水中有机污染物的处理效果。
【专利说明】
一种微生物固定化剂及其制备方法和应用
技术领域
[0001]本发明涉及环境工程和污染处理工程技术领域，尤其涉及一种微生物固定化剂及其制备方法和应用。
【背景技术】
[0002]随着现代工业的发展，每年都会产生大量的重金属废水，重金属毒性具有持续性，是一类极具潜在危害的污染物，如不治理必将对生态环境及人体健康造成严重的威胁。然而，重金属作为一类重要的宝贵资源，又具有很高的使用价值，因此如何有效治理水体重金属污染，保护人类健康和生态环境，同时回收利用重金属，缓解我国资源和环境的压力，是当前不可忽略的问题。
[0003]重金属硫化物是去除和提取有价重金属的重要手段。近年来，利用硫酸盐还原菌(SRB)处理重金属废水是一种新兴的技术，其原理主要是硫酸盐还原菌异化还原硫酸盐为S2—，废水中的重金属离子和S2—形成金属硫化物沉淀而得以去除。
[0004]利用该技术处理重金属废水，处理费用较低。但是，硫酸盐还原菌的代谢活性受多种因素的限制影响，如温度、废水PH值以及重金属离子种类和浓度等，所以在实际废水处理过程中，可能会由于废水条件或操作条件不适宜细菌的生成而导致其活性降低甚至受到抑制，从而使废水处理效率降低。此外，传统的重金属生物处理方法只是将重金属沉淀处理，并没有对重金属进行原位的资源化利用。
[0005]固定化微生物技术是指通过物理或化学的手段，将游离的微生物固定在限定的空间区域使其保持活性，并可反复利用的一项技术。利用固定化微生物技术，可将选择性地筛选优势菌种加以固定，构成一种高效、快速、能连续处理的废水处理系统，可以有效地减少二次污染。固定化微生物技术具有细胞密度高、反应速度快、稳定性强、耐毒害能力强、产物分离容易等优点。这些突出优点使其在废水处理，特别是在重金属废水处理中受到重视。而固定化微生物技术中很重要的一环是载体的选择。
[0006]申请公布号为CN103951032A公开了一种基于网状载体的硫酸盐还原菌固定化星型生物活性填料制备及应用，该填料由包埋体和载体两部分组成，是由多片网状片形结构材料的边固定粘结在一起形成的星形结构，其中组成网状片形结构材料网孔的网丝被含硫酸盐还原菌的包埋体通过网孔包埋，从而形成整体的铆固结构，包埋体在网状片形结构上形成毫米级的薄膜结构。该生物活性填料有效解决了硫酸盐还原菌附着能力差、成膜性差等问题。
[0007]生物炭作为活性炭的前躯体具有比表面积高、孔隙结构发达及环境稳定性好等特点，相比活性炭，生物炭来源广泛，价格低廉，所以生物炭成为活性炭较好的代替材料。生物炭可作为吸附剂吸附水体中有机和重金属污染物，并在污水生物处理中可作为微生物的载体。但是，普通生物炭的负载能力有限，需要对生物炭进行必要的改性处理。
[0008]光催化是新型的废水处理技术，其原理是光催化剂被一定能量的光激发后产生电子-空穴对，并进一步产生具有强氧化性物种如.0H、.0OH等，与溶液中的污染物发生氧化还原反应，降解污染物。光催化降解污染物，具有反应条件温和，无需添加氧化剂或还原剂，能利用太阳能，成本低等优点，被认为是种绿色的非常有前途的废水处理技术。但是单独光催化剂生成的光生电子和空穴，容易重新复合，对污染物的降解效率较低，所以需要对光催化剂进行改性，或合成功能良好的复合光催化剂来提高污染物的光催化降解效率。此外，现有光催化技术大多研究单一污染物的处理情况，对含多种污染物的实际废水的光催化处理技术研究得相对较少。
[0009]实际的水环境中有机污染物和重金属往往共同存在于同一污染源或同一环境中。例如，医药、农药、染料和石油化工等工业废水中含各种生物难降解有机污染物和重金属，且废水中的有机污染物和重金属的数量与种类与日倶增，由此引起的各种环境问题已成为目前影响人类生存与健康的重大问题。而同时能资源化处理重金属和有机物废水的处理技术报道得也相对较少。
【发明内容】
[0010]本发明提供了一种微生物固定化剂及其制备方法和应用，该微生物固定化剂不仅能够固定硫酸盐还原菌处理含重金属的废水，还能够作为光催化剂处理含有机污染物的废水，处理效率高。
[0011]一种微生物固定化剂，以生物炭为载体，负载Fe2O3和Fe3O4,以质量百分数计，所述Fe2O3的负载量为5?25%，粒径为10?10nm;所述Fe3O4的负载量为5?15%，粒径为10?10nm0
[0012]经Fe2O3和Fe3O4负载改性后的生物炭，一方面，提高了生物炭的比表面和吸附能力，使待固定的微生物的可附着面积增加，提高了微生物的附着量；另一方面，生物炭因负载Fe2O3而形成具有光催化作用的能够用于有机污染物降解的光催化剂，而Fe3O4的负载又进一步促进和提高了 Fe2O3的光催化效果。
[0013]具体地，所述微生物为硫酸盐还原菌。
[OOM]固定化硫酸盐还原菌处理重金属废水的原理在于:硫酸盐还原菌能够将废水中的硫酸盐还原，生成S2—，废水中的重金属与S2—结合并以硫酸盐还原菌或其胞外聚合物为模板，生成重金属硫化物纳米材料，沉降在硫酸盐还原菌或改性生物炭的表面，从而实现重金属的处理。
[0015]经Fe2O3和Fe3O4负载改性后的生物炭比表面积和吸附能力都得到提高，硫酸盐还原菌固定量也有所增加，重金属的处理效果也相应提高。
[0016]Fe203的光催化原理为:在可见光照条件下，Fe203产生光生电子和空穴;其中，光生电子能使重金属Cr(VI)、硝基苯类、偶氮染料类等有机污染物还原降解，空穴能生成强氧化性的.0H等自由基，使卤代有机物、染料类、苯胺类等难降解污染物氧化降解。所以Fe2O3在光照射下既能光催化还原、也能光催化氧化降解污染物，两种反应同时进行，有利于光生载流子的有效利用。从而有效降低废水的毒性，提高难降解废水的可生化性。
[0017]Fe3O4能够促进Fe2O3的光催化效果的原理为:作为半导体材料，Fe3O4能促进Fe2O3在光照下光生电子的传递，实现了 Fe2O3在光照下产生的电子和空穴对的有效分离，显著提高量子效率和光催化性能。
[0018]作为优选，所述载体还负载有重金属硫化物，重金属硫化物的粒径为10?lOOnm，所述重金属硫化物为硫化镉、硫化锌、硫化铜中的至少一种。
[0019]如上文所述，经Fe2O3和Fe3O4负载改性后的生物炭，在处理重金属废水时，会生成重金属硫化物纳米材料，并沉降在硫酸盐还原菌或改性生物炭的表面;而实验发现，重金属硫化物的负载能够进一步提高改性生物炭的光催化效果，进而提高有机污染物的处理效果。其提高改性生物炭光催化效果的机理在于:在处理重金属废水时，生成的重金属硫化物纳米材料大多具有光催化性能，和生物炭上负载的光催化剂纳米Fe2O3具有不同的能带，所以在光照下这些具有不同能带的催化剂之间存在光生载流子的运输与分离，在复合催化剂中分尚的载流子有更长的寿命，从而提尚了催化剂的量子效率，再加上Fe304对光生电子的传递作用，Fe203、Fe304、生成的重金属硫化物更显著地提高了污染物的降解效率。
[0020]作为优选，所述载体负载有氨基。氨基的负载能够进一步提高硫酸盐还原菌吸附量。
[0021 ]上述生物炭由生物质原料炭化而成；其中，炭化温度为300?700 0C，炭化时间为2?4h。所述生物质原料为秸杆、竹子、树木、稻壳中的至少一种。
[0022 ]本发明还提供了一种所述微生物固定化剂的制备方法，包括:
[0023](I)将生物炭加入含Fe3+盐的水溶液中，再加入氢氧化钠溶液进行老化，搅拌后，收集沉淀物；
[0024](2)清洗所述沉淀物，将沉淀物与氢氧化钠溶液混合后，进行水热反应，得到负载有Fe2O3的改性生物炭I;
[0025](3)将所述改性生物炭I与含Fe3+盐和Fe2+盐的水溶液混合，在惰性气体条件下，滴加NH3.H2O,得到负载有Fe2O3和Fe3O4的改性生物炭II。
[0026]作为优选，步骤(I)中，所述Fe3+与氢氧化钠的摩尔比为1:6?8。所述搅拌的时间为
3 ?5h0
[0027]作为优选，步骤(2)中，所述水热反应的温度为160?200°C，时间为15?25h。所述清洗的次数为5?8次。所述沉淀物中负载的Fe3+与氢氧化钠的摩尔比为1:10?11。
[0028]步骤(2)中，水热反应的目的在于:生成具有良好可见光催化性能的纳米级Fe203。
[0029]步骤(3)中，Fe3+与Fe2+的摩尔比为2:1。
[0030]包括步骤(4-a);将步骤(3)中获得的改性生物炭II与乙二胺和氨水混合，进行氨基化反应，反应后分离固相，并进行干燥，得到负载有Fe2O3、Fe304和氨基的改性生物炭III。[0031 ]其中，所述乙二胺和氨水的体积比为4:1?1.5，改性生物炭II与氨水的质量体积比为lg:2?3ml。所述氨基化反应的温度为90?95°C，时间为10?12h。
[0032]包括步骤(4-b);将固定有硫酸盐还原菌的所述改性生物炭II或者固定有硫酸盐还原菌的所述改性生物炭III加入到含有重金属和硫酸盐的废水中，进行反应后，获得负载有？6203、？6304、氨基和重金属硫化物的改性生物炭1￥;所述重金属硫化物为硫化镉、硫化锌、硫化铜中的至少一种。
[0033]本发明还提供了所述微生物固定化剂在处理含硫酸盐的重金属、有机污染物综合废水中的应用。
[0034]具体地，所述应用，包括:将固定有硫酸盐还原菌的微生物固定化剂投加于所述废水中进行废水处理;其中，所述微生物固定化剂的投加量为10?200g/L;所述废水的pH值为4.5?8.5，废水中硫酸盐的初始浓度彡2000mg/L。
[0035]与现有技术相比，本发明具有以下有益效果:
[0036](I)本发明微生物固定化剂以生物炭为载体，负载Fe2O3和Fe304，用于作为微生物的固定剂固定微生物，不仅提高了生物炭的比表面和吸附能力，使待固定的微生物可附着面积增加，提高废水中重金属污染物的处理效果，而且以Fe2O3为光催化剂，Fe3O4为光催化促进剂，显著提高废水中有机污染物的处理效果。
[0037](2)本发明微生物固定化剂在处理废水中重金属污染物的同时，还能够将重金属有效回收利用，将其吸附于微生物固定化剂上，提高其光催化能力，进一步增强微生物固定化剂对废水中有机污染物的处理能力，从而在原位资源化处理重金属的同时，达到以废治废的目的。
[0038](3)本发明采用的材料来源广泛、便宜易得、制备成本低廉、无二次污染，具有显著环境和经济优势。
【附图说明】
[0039]图1为实施例1中负载Fe2O3和Fe3O4的改性生物炭II的扫描电镜图；
[0040]其中，以质量百分数计，Fe2O3的负载量为20%,F3O4的负载量为10%。
[0041]图2为实施例1中采用固定硫酸盐还原菌的改性生物炭III处理含硫酸盐和重金属镉的废水后，产生的CdS的XRD表征图。
[0042]图3实施例3中采用固定硫酸盐还原菌的改性生物炭III处理含硫酸盐和重金属的废水后，产生的CuS的XRD表征图。
[0043]图4为实施例4中采用固定硫酸盐还原菌的改性生物炭III处理含硫酸盐和重金属的废水后，产生的ZnS的XRD表征图。
【具体实施方式】
[0044]实施例1
[0045]—、微生物固定化剂的制备方法
[0046](I)制备生物炭:取秸杆，洗净、风干后破碎，过2mm筛，在600 V的无氧条件下热解2h，进行炭化;待炭化产物自然冷却后，研磨，取200?400目筛筛网之间的截留物，用lmol/L盐酸处理2h去除灰分物质，用蒸馏水洗涤至洗液呈中性后，80°C下烘干，获得生物炭。
[0047]OFe2OhFe3O4 的负载:
[0048]a:取步骤(I)获得的生物炭10g，加入到IL含0.25mol FeCl3的水溶液中，再加入NaOH溶液，搅拌4h后，收集沉淀物;Fe3+与NaOH的摩尔比为1:7;
[0049]b:用去离子水清洗沉淀物6次，将沉淀物与NaOH溶液混合后置于水热釜中，在160°(:条件下水热反应20h，反应完成后，取出固相，自然冷却，并用去离子水冲洗5次，得到负载有Fe2O3的改性生物炭I;沉淀物上负载的Fe3+与NaOH的摩尔比为1:10
[0050]c:将b步骤的改性生物炭I加入到IL含0.086mol FeCl3和0.043mol FeSO4.7H20的水溶液中，Fe3+与Fe2+的摩尔比为2:1，在氮气条件下，边搅拌边逐滴滴加NH3.H2O,Fe3+与NH3.H2O的摩尔比为1:8.5，滴加完成后，再搅拌1min，并用去离子水清洗3次，得到负载有Fe2O3和Fe3O4的改性生物炭II。
[0051 ]以质量百分数计，制得的Fe2O3负载量为20% ,Fe3O4的负载量为10%。
[0052]对改性生物炭II进行扫描电镜观察测定(如图1所示)，Fe2O3的粒径为10?10nm;F e 3 O 4的粒径为1?1 O n m;该生物炭经改性后，比表面积由原先的161.2 5 m V g，提高到325.12m2/go
[0053](3)氨基的负载:在氮气保护下，将c步骤的改性生物炭II与乙二胺和氨水混合，密封，搅拌，在95°C下氨基化反应12h，反应后分离固相，用去离子水清洗三次，干燥，得到负载有Fe203、Fe304和氨基的改性生物炭III;乙二胺和氨水的体积比为4:1，改性生物炭II与氨水的质量体积比为I g: 2.5m I。
[0054]二、微生物的固定化
[0055](I)硫酸盐还原菌的富集培养
[0056]硫酸盐还原菌菌种来自于污水处理厂的剩余污泥，为强化硫酸盐还原菌的优势地位，加入适宜硫酸盐还原菌生长的培养基进行富集培养。
[0057]富集培养基的组成为:磷酸氢二钾:0.5g/L，氯化钙:0.1g/L，氯化铵:lg/L，酵母膏:lg/L，七水硫酸镁:2g/L，乳酸钠4g/L，硫酸钠:0.5g/L，硫酸亚铁铵:1.2g/L，培养基溶液pH为7.4?7.6。
[0058]具体富集过程为:将污泥按4%接种到富集培养基中，在36±2°C下恒温密闭培养，至培养液变黑(以此作为硫酸盐还原菌进入还原氛围的判据，并以变黑时间的长短衡量污泥中硫酸盐还原菌活性的强弱)；按相同比例反复接种培养，取36h内变黑的活性较高的硫酸盐还原菌菌液，将此菌液接入富集培养基中，放入密闭容器内4°C冷藏保存，作为实验用菌种。
[0059]将上述硫酸盐还原菌按接种量8%接种至硫酸盐还原菌固定培养基中，取步骤一中制备的改性生物炭III，(以固定培养基的体积为基准，投加量为30g/L)混合均匀后液体石錯封口，在36±2°C、160?180r/min下，振荡固定培养24h，进行硫酸盐还原菌的固定，固定好后，分离上清液，取下层沉淀，得到固定化硫酸盐还原菌的改性生物炭III。
[0060]固定培养基的组成为:磷酸氢二钾:0.5g/L，氯化钙:0.1g/L，氯化铵:lg/L，酵母膏:lg/L，七水硫酸镁:0.06g/L，乳酸钠5g/L，硫酸钠:4g/L，柠檬酸钠:0.3g/L，七水硫酸亚铁:0.005g/L，培养基溶液pH为7左右。硫酸盐还原菌的吸附固定效率为85.8%。
[0061 ] 三、废水的处理
[0062]某企业A车间主要产生含有染料、硝基苯类、4-氯酚及其他有机污染物废水，B车间主要产生含重金属废水，车间A废水和车间B废水体积比为1:3<^车间废水，含5042—:315811^/L，废水COD: 7435mg/L，色度:890倍，硝基苯类:62.lmg/L，4-氯酚:39.5mg/L，pH: 2.I; B车间废水含Cd2+: 185mg/L，Cr(VI):290mg/L，SO42—:510mg/L,COD: 1120mg/L，pH:6.I。
[0063]具体废水处理方法，如下:
[0064]将上述固定化硫酸盐还原菌的改性生物炭III加入到pH为调为6的A车间废水中，厌氧还原反应6h后，通入B车间废水，固定化硫酸盐还原菌的改性生物炭III的投加量为50g/L。在光照条件下，反应48h，静置2h，获得废水I，废水I进入沉淀池，pH调为9，搅拌反应30min后，静置lh，获得废水II，厌氧反应产生的废气通过碱液吸收。废水II再进行后续生物处理。
[0065]经上述方法处理的混合废水II中，Cr(VI)浓度为0.2mg/L，总镉浓度为0.05mg/L，总铬浓度为1.2mg/L。总镉、Cr(VI)和总铬达到《污水综合排放标准》(GB8978-1996)的排放标准，处理后废水II中色度为:80倍，硝基苯类去除率达98.5%，4_氯酚去除率为99.2%。
[0066]在反应过程中，会生成固定化硫酸盐还原菌的改性生物炭IV，对沉降在改性生物炭IV上的沉淀物进行分离，洗净后表征。
[0067]经扫描电镜结合能谱仪表征表明:合成颗粒的粒径为20?80nm，颗粒物中物质的量之比Cd: S近似I，经XRD表征(如图2所示)合成的CdS为方硫镉矿型。以上结果表明固定化SRB在处理重金属废水的同时，原位资源化合成了纳米CdS光催化材料。
[0068]经过重金属资源化处理后，废水II再进行后续生物处理。
[0069]对比例I
[0070]本对比例中，采用未利用固定化剂进行固定化的SRB菌对废水进行处理，其他操作均与实施例1相同。
[0071 ] 处理结果:混合废水经处理后，Cr (VI)浓度为168.5mg/L，Cd2+浓度为89.5mg/L，处理后废水中色度为:580倍，硝基苯类去除率达37%，4_氯酚去除率为25%。
[0072]对比例2
[0073]本对比例中，以质量百分数计，生物炭负载Fe2O3和氨基，未负载Fe3O^Fe2O3负载量为20%，生物炭经改性后，比表面积由原先的161.25m2/g，提高到281.35m2/g，其余内容与实施例I相同。
[0074]处理结果:Cr (VI)浓度为16mg/L，Cd2+浓度为2mg/L。处理后废水中色度为:110倍，硝基苯类去除率达86%，4_氯酚去除率为87%。硫酸盐还原菌的吸附固定效率为80.2%。
[0075]对比例3
[0076]本对比例中，以质量百分数计，生物炭负载Fe3O4和氨基，未负载Fe2O3,Fe3O4负载量为10 %，生物炭经改性后，比表面积由原先的168.5mg/Lm2/g，提高到221.56m2/g，其余内容与实施例1相同。
[0077]处理结果:Cr(VI)浓度为36.2mg/L，Cd2+浓度为6.5mg/L。处理后废水中色度为:150倍，硝基苯类去除率达78%，4_氯酚去除率为75 %。硫酸盐还原菌的吸附固定效率为76.2%。
[0078]对比例4
[0079]本对比例中，生物炭负载Fe2O3和Fe304，未负载氨基，其余内容与实施例1相同。
[0080]处理结果:Cr (VI)浓度为2.9mg/L，Cd2+浓度为0.8mg/L。处理后废水中色度为:95倍，硝基苯类去除率达90.5%, 4-氯酚去除率为92.3%o硫酸盐还原菌的吸附固定效率为82.3%。
[0081 ] 对比例5
[0082]本对比例中，生物炭未进行改性，仅在生物炭上负载SRB菌对废水进行处理，其余内容与实施例1相同。
[0083]处理结果:Cr (VI)浓度为70.8mg/L，Cd2+浓度为13.9mg/L。处理后废水中色度为:250倍，硝基苯类去除率达62 %，4-氯酚去除率为68.1 %。硫酸盐还原菌的吸附固定效率为62.5%。
[0084]实施例2
[0085]回收实施例1中，经处理重金属及有机物废水后负载有纳米CdS的改性生物炭IV，用去离子水洗5-6次，80 °C下烘干后，用于处理含Cr (VI ):85.2mg/L，4-氯苯胺:27.9mg/L，4-氯苯酚:31.8mg/L，罗丹明B染料:25.3mg/L，pH为6.5的废水。材料投加量为15g/L。
[0086]在搅拌条件下，光照反应Sh后，Cr(VI)、4_氯苯胺、2，4_氯苯酚、罗丹明B染料的去除率分别为:99.1%、99.2%、98.2%、96.8%。
[0087]对比例6
[0088]由实施例1中得到固定化硫酸盐还原菌的改性生物炭III，即没有负载CdS，用去离子水洗5-6次，80 °C下烘干，用于处理含Cr (VI): 85.2mg/L，4-氯苯胺:27.9mg/L，4-氯苯酚:31.8mg/L，罗丹明B染料:25.3mg/L，pH为6.5的废水。材料投加量为15g/L。
[0089]在搅拌条件下，光照反应Sh后，Cr(VI)、4_氯苯胺、2，4_氯苯酚、罗丹明B染料的去除率分别为:75.2%、72.5%、68.9%、65.1%。
[0090]由实施例2及对比例6表明，本专利中合成的改性生物炭III对混合有机污染物废水具有良好的光催化降解性能，而改性生物炭III处理重金属废水后，负载的CdS又大大促进了其光催化性能，从而能达到资源化处理重金属废水的良好效果。
[0091]实施例3
[0092]一、微生物固定化剂的制备方法
[0093](I)制备生物炭:取秸杆，洗净、风干后破碎，过2mm筛，在600 V的无氧条件下热解2h，进行炭化;待炭化产物自然冷却后，研磨，取200?400目筛筛网之间的截留物，用lmol/L盐酸处理2h去除灰分物质，用蒸馏水洗涤至洗液呈中性后，80°C下烘干，获得生物炭。
[0094](2)Fe203、Fe304 的负载:
[0095]a:取步骤(I)获得的生物炭10g，加入到IL含0.3125mol FeCl3的水溶液中，再加入NaOH溶液，搅拌4h后，收集沉淀物;Fe3+与NaOH的摩尔比为1:7;
[0096]b:用去离子水清洗沉淀物6次，将沉淀物与NaOH溶液混合后置于水热釜中，在160°(:条件下水热反应20h，反应完成后，取出固相，自然冷却，并用去离子水冲洗5次，得到负载有Fe2O3的改性生物炭I;沉淀物上负载的Fe3+与NaOH的摩尔比为1:10。
[0097]c:将b步骤的改性生物炭I加入到IL含0.1293mol FeCl3和0.06465mol FeSO4.7H20的水溶液中，Fe3+与Fe2+的摩尔比为2:1，在氮气条件下，边搅拌边逐滴滴加NH3.H20，Fe3+与NH3.H2O的摩尔比为1:8.5,滴加完成后，再搅拌1min，并用去离子水清洗3次，得到负载有Fe2O3和Fe3O4的改性生物炭II。
[0098]以质量百分数计，制得的Fe2O3负载量为25%,Fe3O4的负载量为15%。
[0099]对改性生物炭II进行扫描电镜观察测定，Fe2O3的粒径为10?100nm;Fe304的粒径为10?10nm;该生物炭经改性后，比表面积由原先的165.28m2/g，提高到358.26m2/g。
[0100](3)氨基的负载:在氮气保护下，将c步骤的改性生物炭II与乙二胺和氨水混合，密封，搅拌，在95°C下氨基化反应12h，反应后分离固相，用去离子水清洗三次，干燥，得到负载有Fe203、Fe304和氨基的改性生物炭III;乙二胺和氨水的体积比为4:1，改性生物炭II与氨水的质量体积比为I g: 2.5m I。
[0101]二、微生物的固定化
[0102](I)硫酸盐还原菌的富集培养
[0103]硫酸盐还原菌菌种来自于污水处理厂的剩余污泥，为强化硫酸盐还原菌的优势地位，加入适宜硫酸盐还原菌生长的培养基进行富集培养。
[0104]富集培养基的组成为:磷酸氢二钾:0.5g/L，氯化钙:0.18/1，氯化铵:18/1，酵母膏:lg/L，七水硫酸镁:2g/L，乳酸钠4g/L，硫酸钠:0.5g/L，硫酸亚铁铵:1.2g/L，培养基溶液pH为7.4?7.6。
[0105]具体富集过程为:将污泥按4%接种到富集培养基中，在36±2°C下恒温密闭培养，至培养液变黑(以此作为硫酸盐还原菌进入还原氛围的判据，并以变黑时间的长短衡量污泥中硫酸盐还原菌活性的强弱)；按相同比例反复接种培养，取36h内变黑的活性较高的硫酸盐还原菌菌液，将此菌液接入富集培养基中，放入密闭容器内4°C冷藏保存，作为实验用菌种。
[0106]将上述硫酸盐还原菌按接种量8%接种至硫酸盐还原菌固定培养基中，取步骤一中制备的改性生物炭III，(以固定培养基的体积为基准，投加量为30g/L)混合均匀后液体石錯封口，在36±2°C、160?180r/min下，振荡固定培养24h，进行硫酸盐还原菌的固定，固定好后，分离上清液，取下层沉淀，得到固定化硫酸盐还原菌的改性生物炭III。
[0107]固定培养基的组成为:磷酸氢二钾:0.5g/L，氯化钙:0.18/1，氯化铵:18/1，酵母膏:lg/L，七水硫酸镁:0.06g/L，乳酸钠5g/L，硫酸钠:4g/L，柠檬酸钠:0.3g/L，七水硫酸亚铁:0.005g/L，培养基溶液pH为7左右。硫酸盐还原菌的吸附固定效率为87.2%。
[0108]三、废水的处理
[0109]某企业A车间主要产生含有染料、硝基苯类、2-氯酚及其他有机污染物的废水，B车间主要产生含重金属废水，A车间废水，含SO42—: 3829mg/L，废水COD: 6985mg/L，色度:920倍，含2-氯酚:21.5mg/L，pH:1.9;B车间废水含Cu2+:485mg/L，Cr(VI): 190mg/L，SO42—: 1620mg/L，COD: 2550mg/L，pH: 4.8。废水A和废水B的体积比为1:4。
[0110]具体废水处理方法，如下:
[0111]将上述固定化硫酸盐还原菌的改性生物炭III加入到pH调为6的A车间废水中，厌氧还原反应Sh后，通入B车间废水，固定化硫酸盐还原菌的改性生物炭III的投加量为10g/L。在光照条件下，反应36h，静置2h，获得废水I，废水I进入沉淀池，pH调为9，搅拌反应30min后，静置lh，获得废水II，厌氧反应产生的废气通过碱液吸收。
[0112]经上述方法处理的混合废水II中，总铜:0.5mg/L，Cr(VI ):0.2mg/L，总铬:I.lmg/L，以上重金属达到《污水综合排放标准》(GB8978-1996)的排放标准。经处理后废水中色度为85倍，2-氯酚去除率为98%，硝基苯类去除率达96%。
[0113]在反应过程中，会生成固定化硫酸盐还原菌的改性生物炭IV，对沉降在改性生物炭IV上的沉淀物进行分离，洗净后表征。
[0114]经XRD表征(图3)，有CuS，表明在处理重金属废水的同时，原位资源化合成了硫化物材料。
[0115]经过重金属资源化处理后，废水II再进行后续生物处理。
[0116]实施例4
[0117]—、微生物固定化剂的制备方法
[0118]二、微生物的固定化
[0119]同实施例3。
[0120]三、废水的处理
[0121 ]某企业A车间主要产生含有染料、硝基苯类及其他有机污染物的废水，B车间主要产生含重金属废水，A车间废水，含S042—: 3612mg/L，废水COD: 5985mg/L，色度:720倍，含硝基苯类:35.2mg/L，pH: 2.8; B车间废水含Zn2+: 285mg/L，Cr (VI): 185mg/L，SO42—: 1422mg/L，COD:2250mg/L，pH: 4.6。废水A和废水B的体积比为1:4。
[0122]具体废水处理方法，如下:
[0123]将上述固定化硫酸盐还原菌的改性生物炭III加入到pH调为6.5的A车间废水中，厌氧还原反应Sh后，通入B车间废水，固定化硫酸盐还原菌的改性生物炭III的投加量为50g/L。在光照条件下，反应36h，静置2h，获得废水I，废水I进入沉淀池，pH调为9，搅拌反应30min后，静置lh，获得废水II，厌氧反应产生的废气通过碱液吸收。
[0124]经上述方法处理的混合废水II中，总锌:I.8mg/L，Cr(VI ):0.2mg/L，总铬:0.9mg/L，以上重金属达到《污水综合排放标准》(GB8978-1996)的排放标准。经处理后废水中色度为90倍，硝基苯类去除率达92%。
[0125]在反应过程中，会生成固定化硫酸盐还原菌的改性生物炭IV，对沉降在改性生物炭IV上的沉淀物进行分离，洗净后表征。
[0126]经XRD表征(图4)，有ZnS，表明在处理重金属废水的同时，原位资源化合成了硫化物材料。
[0127]经过重金属资源化处理后，废水II再进行后续生物处理。
[0128]实施例5
[0129]—、微生物固定化剂的制备方法
[0130]二、微生物的固定化
[0131]同实施例3。
[0132]三.固定化微生物资源化处理重金属
[0133]某企业A车间主要产生含有染料、硝基苯类、AOX及其他有机污染物的废水，B车间主要产生含重金属废水，A车间废水，含SO42—: 3829mg/L，废水COD: 6985mg/L，色度:920倍，含AOX: 21.5mg/L，硝基苯类:32.8mg/L，pH:1.9;B车间废水含Cd2+:69mg/L,Ni2+:75mg/L，Pb2+:139mg/L，Cu2+: 128mg/L，Zn2+: 89mg/L，Cr (VI): 190mg/L，SO42—: 1620mg/L，COD: 2550mg/L，pH:4.8。废水A和废水B的体积比为1:4。
[0134]具体废水处理方法，如下:
[0135]将上述固定化硫酸盐还原菌的改性生物炭III加入到pH调为6的A车间废水中，厌氧还原反应Sh后，通入B车间废水，固定化硫酸盐还原菌的改性生物炭III的投加量为SOg/L。在光照条件下，反应36h，静置2h，获得处理后废水I，废水I进入沉淀池pH调为9左右，搅拌30min后，静置lh，获得废水II。厌氧反应产生的废气通过碱液吸收。
[0136]经上述方法处理的混合废水II中，总镉浓度为0.03mg/L，总镍:0.5mg/L，总铅:
0.3mg/L，总铜:0.5mg/L，Cr(VI ):0.2mg/L，总络:1.lmg/L，总锌:1.8mg/L，以上重金属达到《污水综合排放标准》(GB8978-1996)的排放标准。经处理后废水中色度为70倍，AOX为
5.8mg/L，硝基苯类去除率达99.1 %。
[0137]在反应过程中对沉降在负载体上的沉淀物进行分离，洗净后表征。经XRD表征，有CdS、CuS、PdS、Ni S、ZnS，表明在处理重金属废水的同时，原位资源化合成了硫化物材料。
[0138]经过重金属资源化处理后，废水II再进行后续生物处理。
【主权项】
1.一种微生物固定化剂，其特征在于，以生物炭为载体，负载Fe2O3和Fe304，以质量百分数计，所述Fe2O3的负载量为5?25%，粒径为10?10nm；所述Fe3O4的负载量为5?15%，粒径为10?lOOnm。2.如权利要求1所述的微生物固定化剂，其特征在于，所述微生物为硫酸盐还原菌。3.如权利要求2所述的微生物固定化剂，其特征在于，所述载体还负载有重金属硫化物，重金属硫化物的粒径为10?10nm，所述重金属硫化物为硫化镉、硫化锌、硫化铜中的至少一种。4.如权利要求1所述的微生物固定化剂，其特征在于，所述载体还负载有氨基。5.—种如权利要求1?4任一所述微生物固定化剂的制备方法，其特征在于，包括: (1)将生物炭加入含Fe3+盐的水溶液中，再加入氢氧化钠溶液进行老化，搅拌后，收集沉淀物； (2)清洗所述沉淀物，将沉淀物与氢氧化钠溶液混合后，进行水热反应，得到负载有Fe2O3的改性生物炭I; (3)将所述改性生物炭I与含Fe3+盐和Fe2+盐的水溶液混合，在惰性气体条件下，滴加NH3.H2O,得到负载有Fe2O3和Fe3O4的改性生物炭II。6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述水热反应的温度为160?200°C，时间为15?25h。7.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，包括步骤(4-a);将步骤(3)中获得的改性生物炭II与乙二胺和氨水混合，进行氨基化反应，反应后分离固相，并进行干燥，得到负载有Fe2O3、Fe304和氨基的改性生物炭III。8.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，包括步骤(4-b);将固定有硫酸盐还原菌的所述改性生物炭II或者固定有硫酸盐还原菌的所述改性生物炭III加入到含有重金属和硫酸盐的废水中，进行反应后，获得负载有Fe203、Fe304、氨基和重金属硫化物的改性生物炭IV ；所述重金属硫化物为硫化镉、硫化锌、硫化铜中的至少一种。9.如权利要求1?4任一所述微生物固定化剂在处理含硫酸盐的重金属、有机污染物综合废水中的应用。10.如权利要求9所述的应用，其特征在于，将固定有硫酸盐还原菌的微生物固定化剂投加于所述废水中进行废水处理;其中，所述微生物固定化剂的投加量为10?200g/L;所述废水的pH值为4.5?8.5，废水中硫酸盐的初始浓度多2000mg/L。
【文档编号】C01G49/08GK106047850SQ201610356612
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年5月24日
【发明人】徐灿灿, 刘锐, 陈吕军
【申请人】浙江清华长三角研究院