微生物-生物炭复合材料对水中草甘膦的去除研究

来源 :苏州科技大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:JoshuaSiu
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草甘膦在全球的广泛使用导致其在地表水及土壤中常被检出,对环境及人类可造成一定伤害,需要对环境中草甘膦进行修复治理。生物降解法是去除草甘膦的主要方法,但实验室筛选出的功能微生物容易受环境的干扰,而固定化技术可以保护微生物,提高其环境适应能力。因此本文从长期受草甘膦污染的土壤中筛选出一株草甘膦降解菌,以水稻秸秆生物炭为载体,采用固定化微生物技术制备微生物-生物炭复合材料。通过去除动力学、热力学实验研究生物炭、游离微生物和生物炭-微生物复合材料对草甘膦的去除效果和去除机理。构建简易草甘膦废水处理装置,研究复合材料对草甘膦废水的去除效果及基本处理参数。主要研究成果如下:(1)进行草甘膦降解菌的筛选、鉴定及对草甘膦的去除效果和去除机理研究。从江苏省苏州市某农药厂的草甘膦废水处理区域土壤中以草甘膦为唯一碳源驯化、分离得到一株高效降解草甘膦的菌株Z-1,通过分子生物学鉴定为污水菌属(Aquamicrobium sp.)。通过不同温度、不同p H、不同接菌量对草甘膦去除效果的实验表明,菌株Z-1对草甘膦的降解效果最佳条件为培养温度30℃、接菌量为2%、p H=7.0。草甘膦初始浓度对Z-1去除草甘膦及其生长的影响较大。当草甘膦浓度为200mg/L和400 mg/L时,Z-1生长较好并可将草甘膦完全降解;当浓度提高至600mg/L时,Z-1的去除效果下降为63%。通过Z-1对草甘膦的降解产物分析降解途径为:草甘膦分子的C-N键首先在氧化还原酶作用下断裂,将草甘膦降解为氨甲基膦酸(AMPA)和乙醛酸,被Z-1进一步代谢为甲胺和磷酸,再参与微生物体内循环代谢,最终降解为水和CO2。(2)生物炭、游离微生物和生物炭-微生物复合材料对草甘膦的去除效果和去除机理表明:水稻秸秆生物炭对草甘膦的吸附较为符合准二级动力学方程,是物理-化学的复合吸附过程。本研究采用浸泡吸附法制备得到微生物-生物炭复合材料,利用Langmuir和Freundlich方程建立吸附等温模型,生物炭吸附草甘膦的过程更符合Langmuir模型,为单层吸附;复合材料的吸附过程则符合Freundlich模型,为多层吸附。生物炭的最大吸附量为8.77mg/g,复合材料为633.42 mg/g,较生物炭提高了近70倍。复合材料可以强化Z-1去除草甘膦的效果,在96h内对600 mg/L草甘膦可实现完全去除,而Z-1在此时的降解效率为55%。复合材料对1200mg/L的草甘膦降解效率为100%,因此能运用到高浓度草甘膦污染环境当中。复合材料可适应酸性条件,说明生物炭可以保护微生物免受环境的迫害,从而提高去除效率。通过对生物炭及复合材料的表征,分析复合材料对草甘膦的去除机理包括生物炭官能团、持久性自由基、静电吸附作用以及微生物的降解和吸附作用。通过计算微生物-生物炭复合材料去除草甘膦过程中吸附和降解的贡献机制发现降解作用占主导,并且降解作用主要是靠微生物来实现的。分别用生物炭、游离微生物和复合材料修复草甘膦污染土壤,7天后测定其效果,发现复合材料>微生物>生物炭,且随着材料投加量的增加,修复效果变强。(3)构建一套简易草甘膦废水处理装置,首先以生物炭为填料,通过改变生物炭添加量和进水流速进行试验,穿透曲线的结果表明,随着投加量从2g增加到4g,草甘膦的检出时间缩短了2倍;流速对去除效果的影响较大,进水流速的增加使草甘膦检出时间缩短了10倍。因此当生物炭添加量为4g、流速为0.18m L/min时效果最好。采用此最佳参数进行复合材料填充去除草甘膦废水实验发现,复合材料在水处理装置中具有高度降解活性,去除效果远大于生物炭,并且草甘膦浓度提高到100mg/L时,500min内在出水中仍未检出草甘膦。
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