纳米铁改性生物炭载体强化厌氧氨氧化菌富集与脱氮效果研究

为实现厌氧氨氧化菌(AnAOB)在载体生物膜中快速富集,本文采用液相还原方法制备了纳米铁改性生物炭(nZVI@BC)载体,并设置两组相同的厌氧氨氧化(ANAMMOX)富集装置(R_(1)、R_(2)),通过对R_(1)、R_(2)装置添加不同载体(分别为BC和nZVI@BC),考察在富集过程中ANAMMOX装置的脱氮性能、载体表面特征和微生物群落结构差异.结果表明:①BC表面成功负载nZVI,nZVI@BC载体比BC载体具有更高的比表面积,改性后载体的比表面积从47.17 m^(2)/g增至210.82 m^(2)/g,可为微生物提供更多的附着位点.②R_(2)装置NH_(4)^(+)-N和NO_(2)^(−)-N去除率稳定达到90%所需时间均比R_(1)装置短,且稳定运行后,R_(1)、R_(2)装置的TN去除率最高分别为86.99%、89.65%.③nZVI@BC载体表面颜色由黑色变为红褐色,表明红色的ANAMMOX生物膜初步形成,且其表面生物量比BC载体表面生物量高23倍.④第20天,R_(1)、R_(2)装置中AnAOB的相对丰度分别为10.47%和29.15%;R_(1)、R_(2)装置载体表面主要的AnAOB属均为Candidatus Kuenenia,其相对丰度分别为7.49%和23.76%.研究显示,改性的nZVI@BC载体显著促进了ANAMMOX生物膜的快速形成和AnAOB的高效富集,提升了ANAMMOX过程的脱氮性能.

生物炭复合载体对稻秸-猪粪混合厌氧发酵产甲烷的影响

文章利用生物炭负载不同浓度的碳酸氢钠、腐植酸、吐温20等催化调节剂构建了生物炭复合载体,并将各复合载体加入到稻秸-猪粪混合厌氧发酵系统中进行厌氧发酵。通过测定各处理的产气量、产甲烷量和秸秆木质纤维素的降解率,揭示了生物炭复合载体对混合厌氧发酵产甲烷和秸秆降解的作用。研究结果表明:生物炭复合载体能提高甲烷产气峰值并缩短甲烷产气峰值出现的时间;生物炭复合载体可以显著提高厌氧发酵系统的累积产气量和累积甲烷产量,其中以生物炭负载吐温20的效果最好,其次为生物炭负载腐植酸和生物炭负载碳酸氢钠;与对照组相比,生物炭负载吐温20处理的产气量和甲烷产量分别提高了23.18%和62.20%;在各处理中,秸秆的降解程度以生物炭负载吐温20处理最高,其次为生物炭负载腐植酸、生物炭负载碳酸氢钠和对照组;吐温20、腐植酸和碳酸氢钠的最适负载浓度分别为2.25,0.75,2.10 g/L。

载体材料对厌氧氨氧化工艺运行的影响研究进展

厌氧氨氧化工艺(Anammox)适用于处理具有温度较高、碳氮比低和氨氮(NH_(4)^(+)-N)浓度高等特点的污水,但是环境变化敏感、耐水利条件变化能力差和毒性物质抗性低等问题限制了Anammox工艺的推广和应用。为了解载体材料对Anammox工艺运行的影响并探究其强化Anammox工艺脱氮效能的机理,综述了主流载体材料强化Anammox工艺脱氮效能的效果和机制,讨论了当前载体材料强化Anammox工艺脱氮效能研究的局限性。结果表明,塑料、无纺布、生物炭和包埋材料等载体通过给Anammox微生物提供良好生境、降低Anammox反应器污泥流失总量、调控环境中亚硝态氮(NO_(2)^(-)-N)和NH_(4)^(+)-N的比例、促进Anammox微生物富集、刺激胞外分泌物产生、提升胞外电子传递效率和提高Anammox微生物抗逆性等途径强化Anammox工艺的脱氮效率。当前,大部分有关载体材料的研究仍局限在实验室阶段,尚未在真实工况下开展实验。今后应在真实工况条件下开展关于使用时间对载体材料稳定性的影响、不同载体材料对Anammox微生物生理活动、群落结构和代谢途径的影响、载体材料成分对出水指标和后续工艺的影响等研究。

生物炭提升土壤中解磷菌定殖及其解磷能力

磷肥施入土壤后其可溶性磷易与金属离子结合,转化为植物难以利用的沉积态磷酸盐。为满足植物的磷需求,磷肥的过量施用导致水体富营养化等一系列环境问题。如何利用绿色高效的方法减少磷肥的施用量,是值得关注的热点问题。解磷菌是一类能够将沉积态磷酸盐活化为可溶态磷酸盐的微生物菌群,能有效促进多种植物的生长和产量。由于不同环境因素的限制,植物根际的解磷菌数量有限。通过外源添加生物炭可增加解磷菌的定殖和解磷能力,有利于提升植物对磷肥的利用率从而减少其施用量。生物炭作为一种有机富碳材料,将其施入土壤后可以释放有效磷,而且其较大的比表面积、孔隙及所含有的营养物质与活性官能团有利于解磷菌的定殖。此外,生物炭的高pH值和丰富的营养物质可促进解磷菌释放NH_(4)^(+)的H^(+)质子以及分泌有机酸、碱性磷酸酶、铁载体等,能有效提高解磷菌的解磷能力。本文从生物炭可提高解磷菌的定殖及解磷能力、生物炭内源污染物对解磷菌的毒性机制以及通过生物炭改性手段提升解磷菌定殖与解磷能力等方面阐述了生物炭对解磷菌的影响,阐明了生物炭作为解磷菌载体的应用潜力,旨在揭示生物炭与解磷菌的协同作用能提升土壤有效磷含量的作用机制。

碳质材料载体对微生物的固定化作用及其在环境污染控制中的应用

微生物的生物吸附和生物降解作用因具有高效低毒、特异性强、环境友好、价格低廉、易于工业化生产等特点而成为治理环境污染物的重要发展方向。然而,在实际生产中直接应用游离微生物常常受限于环境因素导致的微生物活性下降以及由此造成的生物修复效率降低的难题。微生物固定化技术通过吸附、包埋和交联等方式将微生物限定在适宜的载体空间内,可以有效提高微生物的环境抵抗力和代谢活性。载体作为影响固定化微生物活性和生物量,进而制约微生物固定化技术成功实施的关键因素,加强碳质材料包括生物炭、活性炭、碳纳米管和石墨烯及其衍生物等的微生物固定化载体的开发成为具有广阔前景的研究方向。相比于其他载体材料,碳质材料载体具有高稳定性、不溶性、高机械强度、良好的孔隙度、较大的比表面积和可以修饰调节的表面功能,有利于微生物在材料表面附着和生长以及在其内部繁殖和发育,为承载微生物奠定了良好的基础,已被广泛应用于环境保护、生物制药、农业生产、食品工程等领域的环境污染物去除和以促进生产为目的的实践应用中。综述了生物炭、活性炭、碳纳米管和石墨烯及其衍生物作为固定化微生物载体的实践中的应用效果,分析了碳质材料在固定化微生物中的优点与不足,指出了碳质材料作为固定化微生物载体应用的未来潜在的研究方向,以期为在微生物固定化技术中全面了解和使用碳质材料提供参考。

生物炭基硫酸盐还原菌(SRB)对Cr(Ⅵ)的吸附效应及作用机制

分别在300、500℃和700℃下制备水稻、小麦和玉米秸秆生物炭,对比以不同类型生物炭为载体制备的炭基硫酸盐还原菌(SRB)对Cr(Ⅵ)的吸附效应,筛选出吸附效果最佳的炭基菌剂。采用扫描电镜、傅里叶红外光谱和比表面积测试仪对生物炭进行表征分析,研究了溶液pH、吸附时间、生物炭添加量和Cr(Ⅵ)初始浓度对炭基SRB吸附Cr(Ⅵ)的影响,并结合吸附动力学和等温吸附模型探讨其对Cr(Ⅵ)的吸附过程及作用机制。结果表明:以700℃限氧热解小麦秸秆(XM700)为载体制备的炭基SRB(IBXM700)对Cr(Ⅵ)的吸附效果最佳,其最佳吸附条件为pH=5、生物炭添加量0.6 g·100 mL^(-1)、吸附时间24 h、Cr(Ⅵ)的初始浓度100 mg·L^(-1);IBXM700对Cr(Ⅵ)的吸附更符合拟一级动力学,以离子交换和表面物理吸附为主,以化学吸附作用为辅,其等温吸附符合Langmuir模型,属于单分子层吸附;SRB能还原SO^(2)_(4)-为S^(2-),或分泌还原酶将Cr(Ⅵ)还原为Cr(Ⅲ),从而达到去除目的。研究表明,IBXM700去除Cr(Ⅵ)的主要机制为吸附作用与还原作用。

生物质炭载体联合有益菌防控番茄土传青枯病的效果研究

土传青枯病是由青枯菌(Ralstonia solanacearum)引起的一种细菌性病害。根际有益细菌在青枯病的防控中发挥着重要作用,其在根际有效定殖是发挥生防作用的前提。以玉米秸秆、木块(松木)和稻壳为原料制成的3种生物质炭为有益菌Bacillus amyloliquefaciens T-5的载体,探究生物质炭对有益菌防控番茄土传青枯病效果的影响,并利用室内模拟试验探究生物质炭对青枯菌的吸附、固持以及对根系分泌物的吸附作用,旨在阐述施用生物质炭提升有益菌T-5抑制病原青枯菌能力的可能机制。温室试验结果表明:单独施用3种生物质炭均显著降低青枯病的发病率和根际青枯菌的数量,其中具有高比表面积的木块生物质炭的防控效率达到60.56%。3种生物质炭作为有益菌T-5的载体均能够显著提升有益菌T-5的根际定殖数量及其防病效率,其中木块生物质炭的提升效果最好。与仅接种青枯菌的对照相比,木块生物质炭与有益菌T-5组合处理的根际青枯菌数量降幅达97.42%;与单独有益菌T-5处理相比,有益菌T-5以木块生物质炭为载体使其根际定殖数量提高了5.71倍。进一步研究发现,木块生物质炭能够有效吸附青枯菌,吸附量接近90.00%,且能够有效固持吸附的青枯菌,青枯菌的逃离降低了96.66%。此外,生物质炭不仅可以有效吸附根系分泌物,且有益菌T-5能够有效利用这些根系分泌物并抑制青枯菌的生长。生物质炭作为生防有益菌的载体,促进根际有益菌的定殖能力,并吸附、固持病原菌,有效抑制土传青枯病的发生。

生物炭固定微生物对草甘膦的去除效果研究

以芦苇生物炭为载体固定草甘膦降解微生物制备复合材料。将材料加入到草甘膦培养液中,探究单一生物炭、游离微生物和复合材料去除草甘膦的效果和机理。结果表明:草甘膦会抑制微生物生长,72 h去除量为19.52~26.71 mg;生物炭对草甘膦的去除量随草甘膦初始浓度提高而增大,72 h去除量为23.56~32.78 mg;复合材料较单一生物炭或单一微生物可去除更多草甘膦,72 h时200、400、800 mg/L草甘膦的去除量分别为40.69、52.12、64.14 mg,比微生物组提高52.34%、128.20%、228.59%,比生物炭组提高72.71%、72.58%、95.67%。微生物会改变生物炭表面形态、改善物理化学性质,提高生物炭对草甘膦的静电和化学吸附能力;生物炭可为微生物提供养分和附着空间,提高微生物抵御高浓度草甘膦的能力,有利于微生物通过乙醛酸和氨甲基膦酸途径降解草甘膦。

生物炭作为EM菌载体影响因素及其条件优化

目的：研究生物炭（Biochar）作为EM（Effective Microorganisms）菌载体。方法：通过平板计数法,研究了生物炭投加量、菌液浓度、振荡时间、吸附温度对生物炭载体吸附EM菌效果的影响,并进行了条件优化研究。结果：生物炭投加量为0.4g时,其最大吸附量为3.8×10~7CFU/g;菌液浓度稀释2倍,吸附量达到2.3×10~7CFU/g;振荡150min,生物炭吸附量为2.9×10~7CFU/g;吸附温度35℃,吸附量为2.6×107CFU/g;生物炭最佳吸附条件为：生物炭投加量2.4g,菌液稀释倍数2倍,振荡150min,吸附温度40℃,其对EM菌的吸附效果可达到3.8×10~7CFU/g。结论：生物炭可以作为EM菌剂优良载体,具有潜在应用价值。

生物炭载体对厌氧反应器启动的影响研究

以自制生物炭YDcarrier-1为载体,研究了其对厌氧反应器启动及颗粒污泥形成的影响,并分析了YDcarrier-1的不同碳组成及作用。结果表明,YDcarrier-1可缩短厌氧反应器的启动时间,在厌氧序批式反应器(ASBR)中投加种子污泥干重20%的YDcarrier-1,COD去除率达到80%以上的启动时间比对照组(未投加YDcarrier-1)和投加10%YDcarrier-1的反应器分别缩短9 d和3 d。在上流式厌氧污泥床反应器(UASB)中,用相当于污泥干重20%的YDcarrier-1替代50%的种子污泥,不仅反应器的启动未受影响,还培养出沉降性和稳定性良好的颗粒污泥。反应器启动完成时,粒径>0.9 mm的颗粒污泥占比为29.4%,平均沉降速度为128 m/h,均高于对照组。YDcarrier-1中的可溶性速效碳提高了厌氧反应器的初始COD,加快了种子污泥的活化改性,可促进厌氧反应器启动;固态缓释碳不仅提高了YDcarrier-1对微生物的亲和性,还为颗粒污泥的形成提供了长效稳定的碳源;难降解的木质纤维素成为颗粒污泥的骨架,提高了颗粒污泥的稳定性。

生物炭固定化微生物技术在去除水中污染物的应用研究进展

许多研究致力于固定化微生物技术在去除水环境中污染物方面的应用。生物炭具有高的比表面积、大的孔隙率、低成本和来源广等优势,生物炭与固定化微生物技术结合在处理水中污染物方面具有很大的应用潜力。因此,了解生物炭固定化微生物对水中污染物去除的作用机制对于其在环境修复和废水利用中的应用至关重要。文章综述了微生物固定化方法、载体的选择、生物炭作为载体材料在固定化微生物技术中的优势及应用以及生物炭固定化微生物在去除水中不同种污染物的应用及其作用机制。同时,还探讨了初始污染物浓度、pH、温度、接触时间和颗粒投加量等对生物炭固定化微生物对去除水中污染物的影响,并分析这些环境因素对微生物生长、生物炭特性以及污染物去除效果的影响。当前研究表明:生物炭相比于其他固定化载体而言更加适宜微生物的生长,生物炭固定化微生物去除污染物的主要作用机制是吸附和生物降解的协同作用,以及生物炭对微生物具有保护及快速定殖作用。另外,过高的初始浓度、过高或过低的pH和温度都会影响微生物的活性而不利于污染物的去除。生物炭固定化微生物颗粒对污染物的去除能力随着时间和颗粒投加量的增加而提高。此外,文章分析了生物炭固定化微生物技术在水环境应用中存在的问题,可为未来相关领域的研究提供参考。

生物炭性质对微生物附着性能的影响探究

生物炭可为微生物附着生长提供晶核,促进好氧颗粒污泥形成,但生物炭性质对微生物附着性能的影响机制尚不明确。本研究在不同条件下制备了30种生物炭,优选出10种挂膜量差异较大的生物炭,通过对生物炭表面结构、官能团组成和元素组成进行分析探究生物炭性质对微生物附着性能的影响因素。结果表明,生物炭平均孔径、可溶性有机碳含量、羰基、O/C、(O+N)/C与微生物附着性能呈显著正相关,羧基、内酯基和H/C为强显著正相关关系,可为颗粒污泥载体制备及选择提供理论依据。

生物质炭在农业生产中应用的研究进展

综述了近年来生物质炭在农业生产中应用的研究进展,包括土壤修复、减排固碳、作为缓释肥料载体、吸附污染物、改善土壤微生物生态环境,以期为生物质炭在农业生产中的应用提供参考。

乙二醇热还原法制备生物炭负载纳米钯催化剂及其催化脱氢性能

以生物炭(BC)为载体,环境友好的乙二醇(EG)为还原剂,一锅法制备出生物炭负载纳米钯催化剂(Pd/BC),并应用其催化十二氢-N-乙基咔唑(12H-NEC)脱氢反应。采用XRD、XPS、TEM以及N_(2)物理吸附等分析仪器对所制备的BC的结构、组成和形貌进行了表征。结果表明,控制还原温度可以有效地将Pd^(2+)还原为Pd^(0),生成的Pd纳米颗粒(Pd NPs)均匀分布在BC表面,粒径在3.25~9.67nm之间,平均粒径为6.03nm,无明显团聚。在160℃下EG热还原6h所制备的催化剂(Pd/BC-160/6)催化12H-NEC脱氢反应效果最佳,当脱氢温度为180℃时,6h时释氢率达到93.7%,催化剂重复4次后释氢率仍可保持在90.3%。

生物炭强化模拟废水中高浓度苯酚的微生物降解

采用花生壳生物质废物分别在350、550和750℃条件下限氧热解制备生物炭,之后加入到苯酚污染模拟废水中,验证其强化苯酚微生物降解的效果.结果表明,未加生物炭的系统中,苯酚浓度过低(≤ 110 mg·L^-1)不能使菌体达到最大浓度,苯酚浓度过高(≥ 420 mg·L^-1)则会抑制菌体生长,降解率仅为43.2%,且停滞期长.添加生物炭后,苯酚去除率大幅度提高,在6~16 h时微生物进入对数生长期,苯酚浓度快速降低.2、4和6 g·L^-1的生物炭添加量均可使苯酚在16 h内被完全去除,高添加量的生物炭能吸附39.3%的苯酚,降低其对微生物的毒性抑制.550℃热解温度制备的生物炭取得了最好的强化效果,其pH缓冲作用可中和苯酚降解产生的酸性物质,而750℃热解温度制备的生物炭由于pH过高而使菌体难以存活.生物炭在相对低苯酚浓度下(600、800 mg·L^-1)可显著提高其去除率,分别从29.6%、24.5%升至46.9%、36.9%.而对于初始苯酚浓度高达1000 mg·L^-1以上的系统,则需要海藻酸钙凝胶固定菌体到生物炭才能获得较高的降解率.

芦苇生物炭复合载体固定化微生物去除水中氨氮

为了去除水体中的氮素并实现水生植物的有效利用,以芦苇生物炭为无机载体,结合海藻酸钠(SA)、聚乙烯醇(PVA)作为复合载体,固定驯化后的硝化污泥制成固定化颗粒,去除水中氨氮。通过考察固定化颗粒机械强度、酸碱稳定性及传质性能,探究了生物炭添加量及生物炭粒径对固定化颗粒降解氨氮性能的影响。结果表明,芦苇生物炭有丰富的孔结构,表面含有较多的含氧官能团和胺基、磺酸基、羧基和酰胺基等基团,从而具有良好的吸附性能以及较强的酸碱缓冲能力,有利于微生物的黏附和增殖。以添加芦苇生物炭作为复合载体,固定化颗粒的破损率降低了2.4%,酸碱稳定性和传质性分别提升12.5%和55.8%;在72 h内,可以使氨氮降解率达到96.3%。此外,不同粒径生物炭的固定化颗粒对氨氮的吸附量有显著影响,随着生物炭粒径从0.60 mm减小至0.15 mm,氨氮的最大吸附量可以从0.30 mg·g^(-1)增加到0.46 mg·g^(-1)。因此,在固定化微生物的载体中添加生物炭,可以提升固定化颗粒性能,打通微孔孔道从而有利于基质的运输和扩散;同时减小生物炭粒径,为微生物提供更多的吸附位点,从而显著提高固定化微生物对氨氮的降解能力。

不同原料生物炭的理化特性及其作炭基肥缓释载体的潜力评价

生物炭作炭基肥缓释载体的能力与其理化性质密切相关,因此在制备炭基肥前有必要对不同原料和热解温度制备的生物炭的理化性质进行评价.以苹果枝条、棉秆和杜仲枝条为原料,通过生物质干馏设备在400、500、600和700℃热解温度下制备生物炭,并对生物炭的pH、比表面积及孔隙结构、表面官能团和矿物组成等理化性质进行表征和灰色关联度分析,结合生产成本评价生物炭用于炭基肥缓释载体的潜力.结果表明,3种原料制备的生物炭的产率均随热解温度的升高而降低,其中400℃制备的苹果枝条生物炭的产率最高(37.4%).所有生物炭的pH值均>10,表现出强碱性.在400~500℃热解温度范围内,苹果枝条、棉秆和杜仲枝条生物炭的比表面积和总孔容随温度的升高增大,最大比表面积分别为265.2627、107.4491和316.1854 m^(2)·g^(-1);当热解温度>500℃时,比表面积和总孔容减小.FTIR和XRD图谱分析表明,所有生物炭具有丰富的芳香结构,其中苹果枝条和棉秆生物炭含有较多的矿物组分,杜仲枝条生物炭为非晶生物炭.灰色关联分析表明当热解温度为500℃时,杜仲枝条生物炭的理化性质最优,苹果枝条生物炭次之,棉秆生物炭最差.然而,杜仲枝条生物炭的生产成本最高,苹果枝条生物炭次之,棉秆生物炭最低.综合考虑,苹果枝条生物炭作炭基肥缓释载体的潜力更大.