生物炭基微生物固定化体的制备及其对水中无机氮的去除

发布时间：2020-10-18 04:07

　　 为探明以生物炭为固定化载体负载异养硝化细菌或好氧反硝化细菌对水中无机氮(NH_4~+-N或NO_3~--N)的去除效果,分别筛选鉴定了一株异养硝化细菌Pseudomonas sp.Strain-??和一株好氧反硝化细菌Pseudomonas aeruginosa Strain-I。在此基础上,以未改性、HNO_3、Mg~(2+)、NaOH及NaOH+Mg~(2+)联合改性的稻壳生物炭为载体,分别采用吸附法和包埋法制备微生物固定化体,进行微生物固定化体对NH_4~+-N及NO_3~--N的去除动力学,以及Pseudomonas sp.Strain-??和Pseudomonas aeruginosa Strain-I的生长动力学研究。生物炭基微生物固定化体对水中的无机氮(NH_4~+-N/NO_3~--N)的去除效果较好,在100 mg?L~(-1) NH_4~+-N溶液中,生物炭基微生物固定化体去除率最大可达到90.93%;在100 mg?L~(-1) NO_3~--N溶液中,生物炭基微生物固定化体去除率最大可达到91.49%。采用HNO_3、Mg~(2+)、NaOH及NaOH+Mg~(2+)改性方法,对稻壳生物炭进行改性以提升其对无机氮(NH_4~+-N/NO_3~--N)的吸附效果及对微生物的固定效果。其中,NaOH+Mg~(2+)联合改性生物炭(NMBC)的性能改善最为显著。与未改性的稻壳生物炭相比,NaOH+Mg~(2+)联合改性稻壳生物炭的pH值和pH_(pzc)分别增大1.42和2.36,比表面积和总孔容分别增大至改性前的3.56倍和3.20倍,总酸性含氧官能团量减少了0.207 mmol?g~(-1),总碱性含氧官能团量增加了0.530 mmol?g~(-1),Pseudomonas sp.Strain-??在生物炭表面吸附固定的微生物量增加了333.05 nmol P?g~(-1)。生物炭基异养硝化细菌的固定及其对水中NH_4~+-N去除的研究表明,Pseudomonas sp.Strain-??具有较强的异养硝化能力,初始NH_4~+-N浓度为116.18 mg?L~(-1)时,NH_4~+-N和TN的72 h去除率分别达到80.24%与21.35%。NaOH+Mg~(2+)联合改性提高了稻壳生物炭或以稻壳生物炭为载体采用吸附法制得微生物固定化体对NH_4~+-N的去除能力。NH_4~+-N初始浓度为100mg?L~(-1)时,培养体系反应5 h后,NaOH+Mg~(2+)联合改性生物炭对NH_4~+-N的去除率为20.43%,主要为生物炭吸附作用;而NaOH+Mg~(2+)联合改性生物炭基微生物固定化体对NH_4~+-N的去除率为58.35%,是生物炭吸附与微生物降解的联合作用。可见,负载细菌在固定化体去除NH_4~+-N过程中发挥着重要作用。在初始NH_4~+-N浓度为100 mg?L~(-1)、200 mg?L~(-1)和300 mg?L~(-1)的条件下,在48小时内探索了未改性和改性生物炭基微生物固定化体NH_4~+-N的去除动力学。结果表明,NaOH+Mg~(2+)改性生物炭基微生物固定化体对水中NH_4~+-N的去除能力最强,而未改性生物炭基微生物固定化体对水中NH_4~+-N的去除能力最弱。以NaOH+Mg~(2+)联合改性稻壳生物炭为载体,采用包埋法制得微生物固定化体,比较其与吸附法制得固定化体对NH_4~+-N的去除效果。发现吸附法制得微生物固定化体对NH_4~+-N的去除优于包埋法。NH_4~+-N初始浓度为100mg?L~(-1)时,硝化细菌Pseudomonas sp.Strain-??吸附固定于NaOH+Mg~(2+)联合改性稻壳生物炭上(NMBC-吸附)48 h去除率为90.93%,最大去除速率为15.20 mg?(L?h)~(-1);包埋固定(NMBC-包埋)时去除率为79.32%,最大去除速率为11.37 mg?(L?h)~(-1)。另外,以NaOH+Mg~(2+)联合改性稻壳生物炭为载体制得微生物固定化体,降解NH_4~+-N的生长动力学模拟(Monod和Andrews模型)结果表明,与包埋法相比,吸附法制得固定化体更有利于细菌利用底物NH_4~+-N生长。Andrews模型中Pseudomonas sp.Strain-??利用NH_4~+-N为底物生长时,吸附法与包埋法各参数值分别为:μ_(max)(最大比生长速率)0.287 h~(-1)及0.258 h~(-1),K_s(半饱和速率常数)103.26 mg?L~(-1)及117.96 mg?L~(-1),K_(s1)(抑制常数)342.88 mg?L~(-1)及285.19 mg?L~(-1)。生物炭基好氧反硝化细菌的固定及其对水中NO_3~--N去除的研究表明,所筛选的菌株Pseudomonas aeruginosa Strain-I具有较强的好氧反硝化能力,NO_3~--N初始浓度为69.25 mg?L~(-1)时,NO_3~--N和TN的72 h去除率分别达到100%与53.92%。与未改性的稻壳生物炭相比,NaOH+Mg~(2+)联合改性后的生物炭,Pseudomonas aeruginosa Strain-I在其表面吸附固定的微生物量增加了309.14 nmol P?g~(-1)。NaOH+Mg~(2+)联合改性提高了稻壳生物炭或以稻壳生物炭为载体采用吸附法制得微生物固定化体对NO_3~--N的去除能力。NO_3~--N初始浓度为100mg?L~(-1)时,培养体系反应5 h后,NaOH+Mg~(2+)联合改性生物炭对NO_3~--N的去除率为12.63%,主要为生物炭吸附作用;而NaOH+Mg~(2+)联合改性生物炭基微生物固定化体对NO_3~--N的去除率为44.44%,是生物炭吸附与微生物降解的联合作用。在初始NO_3~--N浓度为100 mg?L~(-1)、200 mg?L~(-1)和300 mg?L~(-1)的条件下,在48小时内探索了未改性和改性生物炭基微生物固定化体NO_3~--N的去除动力学。结果表明,NaOH+Mg~(2+)改性生物炭基微生物固定化体对水中NO_3~--N的去除能力最强,而未改性生物炭基微生物固定化体对水中NO_3~--N的去除能力最弱。以NaOH+Mg~(2+)联合改性稻壳生物炭为载体,采用包埋法制得微生物固定化体,比较其与吸附法制得固定化体对NO_3~--N的去除效果。发现吸附法制得微生物固定化体对NO_3~--N的去除优于包埋法。NO_3~--N初始浓度为100mg?L~(-1)时,反硝化细菌Pseudomonas aeruginosa Strain-I吸附固定于NaOH+Mg~(2+)联合改性稻壳生物炭上(NMBC-吸附)48 h去除率为91.49%,最大去除速率为12.78 mg?(L?h)~(-1);包埋固定(NMBC-包埋)时去除率为90.63%,最大去除速率为9.08 mg?(L?h)~(-1)。以NaOH+Mg~(2+)联合改性稻壳生物炭为载体制得微生物固定化体,降解NO_3~--N的生长动力学模拟结果表明,与包埋法相比,吸附法制得固定化体更有利于细菌利用底物NO_3~--N生长。Andrews模型中Pseudomonas aeruginosa Strain-I利用NH_4~+-N为底物生长时,利用NO_3~--N为底物生长时,吸附法与包埋法各参数值分别为:μ_(max) 0.204 h~(-1)及0.199 h~(-1),K_s 71.78 mg?L~(-1)及82.53 mg?L~(-1),K_(s1) 413.12 mg?L~(-1)及398.01 mg?L~(-1)。本研究有助于深入理解改性对提高生物炭基微生物固定化体性能的作用,以及固定化方法对细菌生长的影响,以期为生物炭基微生物固定化体的水处理工程应用提供理论依据。
【学位单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：O647.33;X703
【文章目录】：
摘要
abstract
第一章 绪论
    1.1 异养硝化作用
    1.2 好氧反硝化作用
    1.3 生物炭
        1.3.1 生物炭的概念及性质
        1.3.2 生物炭的吸附机制
    1.4 固定化体
        1.4.1 微生物固定化体的发展
        1.4.2 吸附法制备固定化体
        1.4.3 包埋法制备固定化体
    1.5 研究意义、目的、内容
        1.5.1 研究意义
        1.5.2 研究目标
        1.5.3 研究内容
        1.5.4 拟解决的关键科学问题
        1.5.5 技术路线
第二章 材料和方法
    2.1 细菌的分离与鉴定
        2.1.1 培养基
        2.1.2 细菌的富集、分离与纯化
        2.1.3 细菌的硝化/反硝化能力测定及分子鉴定
    2.2 生物炭基微生物固定化体的制备
        2.2.1 生物炭及其对无机氮的吸附实验
        2.2.2 吸附法制备生物炭基微生物固定化体
        2.2.3 包埋法制备生物炭基微生物固定化体
    2.3 生物炭基微生物固定化体对无机氮的去除
    2.4 固定化体微生物降解无机氮的生长动力学
    2.5 数据分析
第三章 生物炭基异养硝化细菌的固定及其对水中铵态氮的去除
4
+-N的降解动力学及其分子生物学鉴定'>    3.1 所筛选菌株对NH4
+-N的降解动力学及其分子生物学鉴定
    3.2 生物炭的基本性质
4
+-N的去除'>    3.3 吸附法制得生物炭基微生物固定化体对NH4
+-N的去除
4
+-N的去除动力学'>        3.3.1 生物炭基微生物固定化体对NH4
+-N的去除动力学
        3.3.2 原因解析
4
+-N的影响'>    3.4 固定方法对微生物固定化体去除NH4
+-N的影响
4
+-N的去除动力学'>        3.4.1 吸附法和包埋法制得固定化体对NH4
+-N的去除动力学
4
+-N的去除过程中NO2
--N与 NO3
--N的变化'>        3.4.2 固定化体对NH4
+-N的去除过程中NO2
--N与 NO3
--N的变化
4
+-N的生长动力学'>    3.5 固定化体微生物降解NH4
+-N的生长动力学
    3.6 本章小结
第四章 生物炭基好氧反硝化细菌的固定及其对水中硝态氮的去除
3
--N的降解动力学及其分子生物学鉴定'>    4.1 所筛选菌株对NO3
--N的降解动力学及其分子生物学鉴定
3
--N的去除'>    4.2 吸附法制得生物炭基微生物固定化体对NO3
--N的去除
3
--N的去除动力学'>        4.2.1 生物炭基微生物固定化体对NO3
--N的去除动力学
        4.2.2 原因解析
3
--N的影响'>    4.3 固定方法对固定化体去除NO3
--N的影响
3
--N的去除动力学'>        4.3.1 吸附法和包埋法制得固定化体对NO3
--N的去除动力学
3
--N的去除过程中NH4
+-N与 NO2
--N的变化'>        4.3.2 固定化体对NO3
--N的去除过程中NH4
+-N与 NO2
--N的变化
3
--N的生长动力学'>    4.4 固定化体微生物降解NO3
--N的生长动力学
    4.5 本章小结
第五章 结论与建议
    5.1 结论
    5.2 创新点
    5.3 展望
参考文献
致谢
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本文编号：2845776

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