生物炭性質(zhì)對微生物附著性能的影響探究

＊李名峰 邵晨 李晉

（1.中化能源股份有限公司 北京 100031 2.南通星辰合成材料有限公司 江蘇 226000 3.中國石油大學（北京）理學院 北京 102249）

好氧顆粒污泥（Aerobic Granular Sludge，AGS）是通過微生物自聚集作用或人為強化使微生物形成生物聚集顆粒，受限于氧氣傳質(zhì)，AGS自外到內(nèi)氧含量逐漸降低，在顆粒外部形成好氧層，內(nèi)部為厭氧層，中間層為兼性厭氧區(qū)，可在同一顆粒上進行微生物好氧和厭氧降解污染物，并實現(xiàn)同步硝化反硝化功能。與普通活性污泥相比，AGS具有生物量高，抗沖擊能力強，沉降性好，無需二沉池等優(yōu)點，已在市政污水、養(yǎng)豬廢水、啤酒廠廢水、紡織廢水等多個領域有所應用[1]。

由于微生物自凝聚形成AGS的過程較長，通常需要人為提供晶核，促使微生物在晶核表面附著、聚集、生長，最終成為成熟的AGS。而生物炭具有較大的比表面積、豐富的表面基團，可為微生物提供附著和生長場所。因此，常投加生物炭載體加速AGS形成，同時提高顆粒的穩(wěn)定性[2,3]。微生物在生物炭表面的附著性能是促進AGS形成的關鍵，但生物炭的制備材料和熱解條件等因素會改變其表面結(jié)構、基團含量及其它性質(zhì)，進而影響微生物在其表面的附著性能。目前生物炭性質(zhì)對微生物附著性能的影響及作用機制尚不明晰。

本研究通過制備不同性質(zhì)的生物炭，比較其表面結(jié)構、官能團、元素組成等性質(zhì)，探究生物炭性質(zhì)對微生物掛膜量的影響作用，為今后AGS技術載體制備及選擇提供理論依據(jù)。

1.材料與方法

（1）實驗材料。實驗制備生物炭所用材料為水稻秸稈，購于江蘇省沭陽市。接種污泥取自中國石油大學（北京）污水處理站曝氣池。

（2）生物炭制備及表征。①生物炭制備。水稻秸稈清水洗凈，置于60℃烘箱干燥24h。干燥秸稈粉碎至粒徑小于60目，放在瓷坩堝內(nèi)置于管式爐中（STGK-100-12，河南三特爐業(yè)有限公司，中國），提供氮氣氛圍，在熱解溫度（300℃、400℃、500℃、600℃和700℃）、升溫速率（10℃/min、20℃/min、30℃/min）和熱解時間（1h、2h）的組合熱解條件下，共制備30種不同性質(zhì)的生物炭。

②生物炭表征。生物炭可溶性碳含量測定：將0.2g載體置于100mL錐形瓶中，加入60mL純水，在27℃、100r/min條件下?lián)u床培養(yǎng)3d，取上清液過0.45μm濾膜，利用總有機碳分析儀（SSM-5000A，島津）測定總碳（TC）、有機碳（TOC）和無機碳（IC）濃度，并依據(jù)公式（1）換算為可溶性碳（DC）、可溶性有機碳（DOC）和可溶性無機碳（DIC）含量。

生物炭表面形貌通過掃描電子顯微鏡（SEM）進行分析；N2吸附脫附儀測定比表面積和孔結(jié)構；能量色散X射線探測儀（EDX）測定各元素含量；Zeta電位儀測定生物炭Zeta電位；傅里葉紅外光譜儀和Boehm法[4]對生物炭表面官能團進行定性和定量分析。

（3）掛膜量測定[5]。將100mL錐形瓶和濾紙烘干至恒重，在錐形瓶中加入0.2g生物炭載體，錐形瓶和生物炭載體的重量記為W1，濾紙重量記為A1。錐形瓶中加入等體積微生物菌液和營養(yǎng)物質(zhì)，在27℃、100r/min的搖床中進行24h的掛膜實驗。取出用濾紙過濾，過濾掉水溶性物質(zhì)，截留部分為載體及其附著微生物，將濾紙放入錐形瓶中一起烘干至恒重，記為W2。則單位質(zhì)量的載體掛膜量見公式（2）：

式中：B—單位質(zhì)量載體的掛膜量，單位為g/g。

（4）相關性分析。采用SPSS軟件22.0對生物炭掛膜量和生物炭的比表面積、孔徑、孔體積、官能團數(shù)量、元素組成、Zeta電位和DOC含量進行Pearson相關分析。

2.結(jié)果討論

（1）不同熱解條件對生物炭掛膜量的影響。生物膜是細菌粘附于載體表面，分泌多糖、蛋白質(zhì)等物質(zhì)將自身包裹其中而形成的復雜生物結(jié)構，生物掛膜量與載體性質(zhì)有關[6]。表1是30組生物炭的掛膜量，可以發(fā)現(xiàn)升溫速率和停留時間不變條件下，隨著溫度升高載體的生物掛膜量整體呈現(xiàn)下降趨勢。300℃熱解條件制備的生物炭掛膜量普遍較高，BC6的掛膜量最高，達到0.9193g/g，而700℃熱解條件制備的生物炭的掛膜量普遍較低，BC20的掛膜量最低，為0.7172g/g。不同熱解條件制備的生物炭掛膜量差異較大，可能受生物炭性質(zhì)影響較大。為此，選擇各組條件中掛膜量差異較大的生物炭進行性質(zhì)表征，以探究生物炭性質(zhì)對微生物掛膜量的影響。

表1 不同熱解條件制備的生物炭Tab.1 Biochars prepared by different pyrolysis conditions

（2）生物炭表征。掛膜量是微生物在生物炭中附著性能的表征，不同條件制備的生物炭性質(zhì)不同，掛膜量差異較大，因此選取各組制備條件下掛膜量最大及最小的生物炭進行表征（BC3、BC4、BC6、BC10、BC14、BC20、BC22、BC25、BC28和BC30），以研究生物炭性質(zhì)對微生物附著的影響。

①生物炭穩(wěn)定性。熱解條件對生物炭穩(wěn)定性影響較大，圖1比較了10組生物炭中可溶性碳（DC）含量。300℃制備的生物炭穩(wěn)定性較差，DC含量約21.41mg/g，且溶解性有機碳（DOC）含量占比98.6%。這可能是因為低溫熱解條件下，大量有機組分未能完全分解，炭化程度低，易溶出。隨熱解溫度升高，生物炭中DC含量呈下降趨勢，500℃～700℃制備的生物炭，DC含量約3.76～12.26mg/g，且溶解性無機碳（DIC）占比較高。性質(zhì)最為穩(wěn)定的生物炭是700℃下制備的BC30，DOC和DIC含量分別為1.17mg/g和2.59mg/g。尹云鋒等[7]研究同樣發(fā)現(xiàn)隨溫度升高，生物炭的碳化程度高，性質(zhì)穩(wěn)定，DOC含量下降。

圖1 生物炭的可溶性碳含量Fig.1 The contents of dissolved carbon in different biochars

②生物炭比表面積。BET結(jié)果表明（表2），實驗制備的10組生物炭平均孔徑范圍為2.63～15.88nm，屬于介孔結(jié)構。30℃～600℃制備的生物炭比表面積較小，在2.18～3.84m2/g范圍，700℃制備的生物炭比表面積顯著增加，其中BC20的比表面積最大，為178.01m2/g。熱解溫度升高可提高生物炭比表面積，延長熱解時間有助于揮發(fā)分析出，可提高生物炭比表面積，但升溫速率變快易導致孔道堵塞，使比表面積下降[8,9]。

表2 生物炭的比表面積和孔結(jié)構Tab.2 The surface areas and pore structures of biochars

續(xù)表

③生物炭元素分析。由表3可知，各生物炭中所含元素含量排序依次是C、O、H、N元素。H/C可以反映生物炭的芳香性，H/C越小，生物炭的芳香性越強，即越穩(wěn)定，BC6的H/C最高，為0.11，隨著熱解溫度升高，生物炭的H/C降低，穩(wěn)定性增加，700℃的生物炭H/C在0.02～0.03，表明其性質(zhì)最穩(wěn)定。O/C反映生物炭的疏水性，比值越小越親水，BC6的疏水性最弱，熱解溫度升高后，生物炭疏水性增加，BC20的疏水性最佳。(O+N)/C與生物炭的極性相關，比值越大則極性越強，BC6的極性最強，BC20的極性最弱。其它研究表明水稻秸稈制備的生物炭隨熱解溫度升高，其芳香性、疏水性增強，極性降低[10]。

表3 生物炭的元素組成Tab.3 Elemental composition of biochars

④生物炭表面官能團。生物炭表面官能團的種類和數(shù)量對生物炭性質(zhì)有很大影響，常見的酸性官能團包括羧基、酚羥基、內(nèi)酯基和羰基等[11]。傅里葉紅外譜圖（圖2）表明不同溫度制備的生物炭在官能團種類上沒有明顯區(qū)分，峰的位置基本相同。3691～3296cm-1處是水分子中O-H的伸縮振動峰，2921cm-1和2852cm-1處是脂肪族-CHn伸縮振動造成的，1730～1530cm-1處是芳環(huán)C=O、C=C彎曲振動形成的峰，在720～630cm-1處有多個芳環(huán)的C-H彎曲振動峰，1384cm-1處是脂肪族-CH2和-CH3的變形振動，1163cm-1和1100cm-1處為纖維素和半纖維素的C-O-C振動吸收峰，在785cm-1處是Si-O-Si鍵的對稱伸縮振動吸收峰，在469cm-1處是Si-O鍵的彎曲振動所致[8,12]。由此可見，不同條件制備的生物炭含有相似的表面官能團。

圖2 生物炭的FTIR譜圖Fig.2 FTIR spectra of biochars

Boehm滴定法可以對表面含氧官能團進行半定量分析，得到的半定量數(shù)值可以說明不同制備條件生物炭官能團數(shù)量的變化趨勢[13]。表4是生物炭的Boehm滴定結(jié)果，數(shù)據(jù)顯示BC6的羧基、內(nèi)酯基和羰基含量均為最高，溫度升高后羧基和內(nèi)酯基數(shù)量大幅下降，酚羥基和羰基含量也有所降低。生物炭表面官能團的數(shù)量和制備條件有關，隨著熱解溫度升高，生物炭中的木質(zhì)素、纖維素和半纖維素裂解趨于完全，生物炭中的O和C分別以H2O和CO2形式釋放，O和C含量減少，酸性官能團數(shù)量下降，700℃制備的BC20的酸性官能團數(shù)量達到了最低[14]。

表4 生物炭的官能團含量Tab.4 The contents of functional group in biochars

⑤生物炭Zeta電位。圖3a是在pH=7條件下測得的生物炭的Zeta電位，圖3b是不同溫度下制備生物炭Zeta電位值的平均值。生物炭在pH=7的條件下表面電位為負，并且隨著熱解溫度上升負電荷數(shù)量逐漸減少。這是因為隨著熱解溫度升高，生物炭表面含氧官能團（-OH和-COOH）數(shù)量減少，從而降低了含氧官能團的去質(zhì)子化程度，導致表面負電荷數(shù)量減少[15]。此外，高溫熱解的生物炭的芳香性增加形成π鍵可以與水形成氫鍵，進一步中和表面負電荷。

圖3 生物炭的Zeta電位Fig.3 Zeta potential of biochars

（3）生物炭性質(zhì)與掛膜量的相關性分析。利用Spss 22.0對掛膜量與生物炭特性進行Person相關分析，結(jié)果見表5。生物炭掛膜量與平均孔徑、羧基、內(nèi)酯基、羰基、官能團總量、H/C、O/C、(O+N)/C、Zeta電位和DOC均有顯著相關性。其中，生物炭掛膜量與平均孔徑、羧基、內(nèi)酯基、羰基、官能團總量、H/C、O/C、(O+N)/C和DOC為正相關，與Zeta電位為負相關，羧基、內(nèi)酯基和H/C與生物炭掛膜量為強相關關系。

表5 生物炭性質(zhì)與掛膜量的Person相關性Tab.5 Person correlation between biochars characterizations and microbial attachment

孔徑與生物炭掛膜量為正相關，理論上孔徑大小為微生物尺寸的2～5倍時有利于微生物富集，較大的孔徑可以接納更多尺寸的微生物進入孔中[16]。生物炭的孔徑大小不同會導致孔隙內(nèi)微生物受到的水力剪切力不同，進而影響微生物在載體表面的富集以及生物膜的脫落和更新[17]。羧基、內(nèi)酯基和羰基官能團為親水性、極性官能團，與O/C和(O+N)/C保持一致的相關性，均與掛膜量為正相關關系。豐富的基團有利于微生物的富集，這是因為微生物表面同樣富含多種活性基團，如羥基、羧基、酮基、醛基、肽鍵等，微生物分泌胞外聚合物與載體形成復合體，胞外酶通過氫鍵、靜電力、相互疏水作用等吸附在載體表面[18]。H/C和DOC共同反映生物炭的穩(wěn)定性，生物炭中DOC含有大量官能團如羧基、羥基、羰基、類黃腐酸和類腐殖質(zhì)等[19]，可作為氧化還原過程中細菌的電子供體和受體，為微生物提供生物可利用的碳源，可能會影響生物炭的微生物附著性能，從而影響AGS形成[20]。Zeta電位與生物炭掛膜量為負相關，即Zeta越小，負電值越大，生物炭顆粒之間的斥力越大，在水中的分散體系越穩(wěn)定，為微生物提供相對更大的接觸面積，因此有更高的掛膜量。

3.結(jié)論與建議

本研究發(fā)現(xiàn)生物炭性質(zhì)對微生物附著性能影響較大，生物炭平均孔徑、DOC含量、羰基、O/C、(O+N)/C與微生物附著性能呈顯著正相關，羧基、內(nèi)酯基和H/C為強顯著正相關關系。因此，在促AGS形成過程，應盡量選擇富含羧基、內(nèi)酯基官能團，且H/C較高的活性炭。