加拿大一枝黄花茎秆生物炭固定化菌剂处理吡啶废水的效能与机制研究

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杂环类农药废水组成成分复杂、有机物浓度高、可生化性差及生物毒性强,已成为农药废水中极难处理的分支。其中杂环类农药废水中的吡啶作为一种重要的芳香族含氮杂环化合物,具有潜在的致癌性、高水溶性与易迁移性,危害性更强,因此,必须对吡啶废水进行有效治理。目前,生物法是去除难降解有机物最经济、最有效的通用方法,基于此,本研究从海利(常德)农药化工有限公司污水处理厂的好氧曝气池、污水厂出水口、活性污泥中分别采集样品,以吡啶为唯一碳源与氮源的无机盐培养基中培养,仅从好氧曝气池水样中筛选分离到20株吡啶降解菌,经梯度驯化获得吡啶高效降解菌BD19与BD17。以降解菌BD19与BD17为材料,探究了加拿大一枝黄花茎秆生物炭固定化菌剂对吡啶的降解效能及作用机制,获得如下结果:1.经梯度驯化后获得了2株对吡啶耐受性强且降解性能高的降解菌,分别命名为BD17与BD19。通过形态学特征鉴定、生理生化反应,结合16S rRNA序列分析,菌株BD17与BD19分别鉴定为肠杆菌属(Enterobacter)与阴沟肠杆菌(Enterobacter cloacae)。当吡啶初始浓度为200 mg·L-1时,28℃下180 r·min-1振荡培养72 h,BD17与BD19对吡啶的降解率分别达到71.1%与76.2%。菌株BD19与BD17遗传15代后对吡啶的降解率基本保持不变,表明菌株BD19与BD17对吡啶降解均具有遗传稳定性。代谢途径的研究结果显示,菌株BD17降解吡啶的过程中在C2-C3之间开环,而BD19降解吡啶的过程中在N-C2之间开环。2.通过单因素实验考察了底物吡啶浓度、NaCl浓度、pH和温度对菌株BD19、BD17与混合菌H4(BD19与BD17的菌悬液1:1配比)降解吡啶的影响。结果显示,混合菌H4对吡啶的降解率比BD19、BD17分别提高了8.2%、13.3%。运用正交实验法优化混合菌H4对吡啶的降解,结果表明,混合菌H4降解吡啶的最佳环境条件组合为A2B1C2D2,即吡啶浓度200 mg·L-1、盐度2%、pH 7、温度30℃,4种环境因素对混合菌H4降解吡啶影响的大小依次为:吡啶初始浓度>pH>盐度>温度。3.加拿大一枝黄花茎秆生物炭在400~600℃之间,随着炭化温度升高,加拿大一枝黄花茎秆生物炭表面的微孔形变程度加剧,芳构化程度增加,稳定性增强;当炭化温度升至650℃时,制备的生物炭表面官能团中羟基减少,虽芳构化程度更高,但表面结构被破坏,晶体结构稳定性降低。对吡啶预处理结果显示,当吡啶初始浓度均为100 mg·L-1,加拿大一枝黄花茎秆生物炭对吡啶的吸附率随炭化温度(400~600℃)、生物炭投加量、吸附时间的增加而递增。动力学模拟实验结果显示,炭化温度为600℃制备的加拿大一枝黄花茎秆生物炭对吡啶的吸附符合二级动力学模型。响应面优化结果发现,当加拿大一枝黄花茎秆炭化温度为600℃、生物炭投加量为4 g·L-1、吡啶初始浓度为101.84 mg·L-1、吸附时间为2.85 h的最优条件下,对吡啶的去除率达到97.92%。4.在吡啶初始浓度为200 mg·L-1、pH 7、盐度3%、28℃下180 r·min-1振荡培养36 h,游离菌BD19、游离菌BD17、游离混合菌H4、固定化单菌BD19、固定化单菌BD17、固定化混合菌H4及生物炭对吡啶的去除率大小顺序表现为:固定化混合菌H4>游离混合菌H4>固定化BD19>固定化BD17>游离菌BD19>游离菌BD17>生物炭,去除率分别为91.7%±6.6%、83.1%±8.5%、81.5%±8.6%、77.8%±3.2%、76.9%±8.6%、71.1%±2.7%、53.7%±6.1%,固定化混合菌H4对吡啶去除率比生物炭高38.0%。响应面优化结果发现,固定化混合菌H4在初始浓度100 mg·L-1、pH 6.5、温度28℃、盐度2.2%,36 h时,对吡啶的去除率达到最大值94.36%。
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