固定化纳米铁_微生物小球去除高氯酸盐性能

第 26 卷第 4 期源自夏宏彩等：固定化纳米铁/微生物小球去除高氯酸盐性能
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2.2.3
纳米铁/微生物小球的制备 将一定量的纳米铁、菌悬液与海藻酸钠混合液装入带有搅拌器的 1000 mL 三口瓶中充分搅拌混匀
30 min。然后在氩气保护下，通过双针头导管逐滴滴入氯化钙溶液中，进行交联固化 1 h，可通过控制气 流来控制小球粒径，反应结束后，对产物进行分离，用水洗涤数次，得到纳米铁/微生物小球，保存，备 用。 2.2.4 纳米铁/微生物小球去除高氯酸盐的研究 本实验采用摇瓶试验， 反应在 175 mL 血浆瓶中进行。 向血浆瓶中加入培养液 20 mL (培养液成分 L1： NaHCO3(20 mg)， Na2HPO4·12H2O(1500 mg)， NaNO3(70 mg)， NaClO4·H2O(350 mg)， MgSO4 ·7H2O(200 mg)， Na2EDTA(6 mg) 和 KH2PO4(950 mg)，以及微量元素溶液(10 mL)，微量元素组份为[18] (L1)： ZnCl2(52 mg) ， CoCl2·6H2O(190 mg) ， MnSO4·7H2O(100 mg) ， NiCl2·6H2O(24 mg) ， CuCl2·2H2O(29 mg) ， Na2MoO4·2H2O(36 mg)和 H3BO3(30 mg))，用去离子水稀释至 100 mL，此时 ClO4初始浓度为 50 mgL1。 在氩气保护下，将其导入到盛有纳米铁/微生物小球(NMBs)的血浆瓶中，用聚四氟乙烯胶塞密封。置于恒 温震荡器中， 调节温度 30℃， 转速 150 rmin1， 进行反应。 定期取样， 样品通过 0.22 μm 滤膜， 测定 ClO4、 Cl的含量。 2.2.5 分析方法 ClO4 和 Cl：离子色谱法，色谱条件为：Dionex IonPac AS20 Analytical Column(4 mm×250 mm)， IonPac AG20 A Guard Colmun(4 mm×50 mm)， Injection Volume 25 μL， Eluent 35 mmolL1 KOH， Flow Rate 1.0 mLmin1，Applied Current 87 mA。采用 ss-550(Shimadzu)扫描电镜观察小球微观结构，小球经冷冻干 燥和镀金处理后置于扫描电镜下进行观察。
1
前
言
高氯酸盐对水体污染已成为当前严重的环境问题之一。研究表明，水体中高氯酸盐主要来源于人类
收稿日期：2011-05-16；修订日期：2011-11-02。 基金项目：国家自然科学基金(40971254)；青年科学基金(20907023)。 作者简介：夏宏彩(1985-), 女，河北省邢台市人，南开大学硕士生。通讯联系人：金朝晖，E-mail：jinzh@
夏宏彩 1, 天津 300071;
摘
李铁龙 1,2,3,
李
宁 1,
张
娜 1,
金朝晖 1,2
(1. 南开大学 环境科学与工程学院, 天津 300071; 2. 南开大学 环境污染过程与基准教育部重点实验室, 3. 天津市城市生态环境修复与污染防治重点实验室, 天津 300071)
要：从活性污泥中筛选出一株高效高氯酸盐降解菌，对其进行常规的生理生化实验，并结合 16S rDNA 序列分析，
比对结果表明，该菌株与 变形菌纲(Thauera Phenylacetica)的相似性达 99%。此菌株和纳米铁以海藻酸钙为载体，制 备了纳米铁/微生物小球(NMBs)，并研究其微观结构和去除高氯酸盐的性能。同时也考察了不同温度和 pH 等环境条件 下，该体系及其游离体系去除高氯酸盐效果的对比。结果表明，所制备的小球直径为 3~5 mm，表面布满孔道，利于 物质的进入。小球去除高氯酸盐的过程主要是吸附、化学还原和生物降解三阶段共同作用的结果，其中后两阶段，均 符合一级动力学规律。同时还发现，温度适中(30℃左右)，中性 pH(约 7.8)环境下小球体系去除高氯酸盐效果最佳，且 该体系对温度和 pH 适应能力较强，有利于实际污染的原位修复。 关键词：纳米铁；微生物；小球；高氯酸盐 中图分类号：X522；Q936 文献标识码：A
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高
校
化
学
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学
报
2012 年 8 月
的大量活动，例如火箭助推剂、军火生产、焰火制造、瓷器加工、汽车气袋、农业化肥等释放到周围环 境中[1~6]。然而，高氯酸盐对人体具有毒害作用，如，破坏人类血红细胞、损害人类肝脏[7]、引发甲状腺 癌[8,9]等。因此开展对水体中高氯酸盐修复的研究具有十分重要的现实意义。 目前，国内外用于高氯酸盐修复的技术主要有物理化学法[10]，化学还原法[11]和生物法[6]。其中，生 物法被认为是一种颇具前景的污染修复技术。生物法分为异养型和自养型两种，其中，异养法易造成有 机质残留，引起地下水中堵塞；而自养法通常采用 H2 作电子供体，H2 易燃易爆的特性增加了操作过程 中的难度，因此可通过外加强化措施促进生物对污染物的降解。报道显示[12,13]，可利用零价铁腐蚀产氢 为微生物降解污染物提供电子供体，但实验结果显示微生物浓度和铁供氢能力是制约反应速率的关键因 素[14]，且此方法只有通过流化反应器才能实现铁和微生物的高效协同作用，为此此种方式微生物群落稳 定性差、生物量少、易失活、对环境变化及有毒物质敏感；而且高氯酸盐降解菌不能与铁粉有效接触， 普通铁粉活性较低，产生氢量有限(1.93 mol H225 g1h1 )，使得反应效率较低。 针对以上问题，本文用纳米铁代替普通铁粉(纳米铁产氢量 775 mol H225 g1h1)，将纳米铁和微生 物进行包埋囊化强化处理，使纳米铁与微生物被包埋在同一微环境中，这样一来，纳米铁腐蚀产生的氢 气能够更多的被微生物所利用，而微生物利用活性氢越充分，污染物去除速率越快。另外，微球体系在 载体的包覆下既保证了微生物存在的高密度性和活性[15]；又减少了纳米铁与空气的直接接触机会，从而 减慢了纳米铁的氧化速度，保证了其活性；同时也提高了两者的接触率，载体外壳加强了它们抵抗外界 不良环境的能力[16]。作者选取城市污水处理厂的活性污泥，对其进行有目的筛选分离，得到能够降解高 氯酸盐的纯种菌；以海藻酸钙为包埋载体，实现纯种菌和纳米铁的包埋固化。对固化小球的微观结构进 行观察，并对此小球去除水体中高氯酸盐进行研究。
Perchlorate Removal by the Beads with Immobilized Nanoscale Fe0 and Microbes
XIA Hong-cai1, LI Tie-long1,2,3, LI Ning1, ZHANG Na1, JIN Zhao-hui1,2 (1. College of Environmental Science and Engineering, Nankai University, Tianjin 300071, China; 2. Key Laboratory of Pollution Processes and Environmental Criteria(Nankai University)Ministry of Education, Tianjin 300071, China; 3. Tianjin Key Laboratory of Environmental Remediation and Pollution Control, Tianjin 300071, China) Abstract: A strain with capability of reducing perchlorate was isolated from activated sludge. In addition to general morphological and biochemical characteristics, the strain was identified by 16S rDNA sequence and systematic analysis. The results show that its 16S rDNA sequence of strain has similarity of 99% with the Thauera Phenylacetica strain. The beads of immobilized NZVI combined with microbes were prepared with calcium alginate as encapsulated carrier. Scanning electron microscopy was used to study the bead microstructure, and its perchlorate degradation performance was further studied. The batch experiments were carried out to examine the perchlorate removal rate under different temperatures and pHs. Results show that the beads with diameter of 3~5 mm have many holes which allow the materials to enter availably, and the perchlorate reduction process is based on the adsorption and chemical reduction combined with biodegradation. And, the latter two processes are in accord with the process of one-order kinetics. In addition, it shows that the better removal efficiency could occur under moderate temperature and neutral pH value. Based on its good adaption of the temperature and pH, the beads with immobilized nanoscale Fe0 and microbes are favorable for in-situ remediation. Key words: nano-scale Fe0; microbe; bead; perchlorate