使用加入了掺杂氮的TiO2纳米粒子的固定化的黄孢原毛平革菌对垃圾填埋场渗滤液的处理外文翻译资料

 2022-10-08 11:47:16

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使用加入了掺杂氮的TiO2纳米粒子的固定化的黄孢原毛平革菌对垃圾填埋场渗滤液的处理

摘要

这篇报告用一个非常低的为0.09的生物降解率（五日生物耗氧量/化学需氧量，BOD5/COD）研究了使用加入了掺杂氮的TiO2纳米粒子的固定化的黄孢原毛平革菌对垃圾填埋场渗滤液的处理的能力。其中有各种各样的操作参数得到的结果影响，比如：初始的化学需氧量（COD）的浓度，pH，温度和生物吸附剂的剂量。使用了总有机含碳量（TOC）和氨氮（NH3-N）的相对去除效率进行了评估。对于固定化的生物吸附剂，总有机含碳量的最适合pH为6.0，氨氮的最适合pH为7.0被发现，对总有机含碳量和氨氮的消除最合适的温度是37℃。在原料废液中的总有机含碳量和氨氮的消除效率最高分别超过了75%和74%在一个初始化学需氧量浓度为200mg/L。此外，在垃圾填埋场渗滤液的处理过程中重金属有一部分被固定化的生物吸附剂消除了。根据气相色谱法和质谱分析法的偶联系统得出了原料废液中的有机化合物的种类和质量比例在经过处理之后发现有很大的降低。这个结果表明了加入了掺杂了氮的TiO2纳米粒子的黄孢原毛平革菌是一种能够方便并且很有效的处理垃圾填埋场渗滤液的方法。

1.前言

随着最近的经济的迅速发展，城市固体废弃物的数量也成线性增长，同时的就其本身而言，这是一个需要人们迫切关注的一个严重的环境问题。垃圾填埋场渗滤液是由垃圾的生物降解的化合物产生的，其产生包括了雨水通过了垃圾渗滤和垃圾本身含有的水分。由于固体垃圾混合物在垃圾填埋场沉积，渗滤液包含了各种各样的有害的污染物。这些污染物可以被分类为溶解的有机物，无机的常量成分，重金属（如Cr2 ,Cd2 ,Cu2 ,Zn2 ,Pb2 ），异型生物质有机化合物和微生物。

一般而言，成熟的垃圾填埋场渗滤液（gt;10年）显示出一个低的五日生物耗氧量/化学需氧量比率（BOD5/COD）（lt;0.1），从而表明了一个低的生物降解能力作为一个高浓度的氨氮和大分子顽固的有机分子的释放的结构。这样使得传统的生物过程应用困难。此外，传统的生物处理方法得到的化学需氧量比例（BOD5/COD）很低，由此表明我们需要用化学方法和物理方法进行更进一步的处理，比如膜过滤，吸附，高级氧化技术（AOPs），电子束（EB）处理法，超音波（US），光催化剂（如TiO2）和触媒催化剂（如Fe2 ）。这些方法都被认为是最有潜质用来进行垃圾填埋场渗滤液处理的方法。

高级氧化法（AOPs）一直被认为是能有效增强成熟的垃圾填埋场渗滤液的生物降解能力的技术手段，因为他能产生一种能降低最顽固的有机化合物并可以生物降解的媒介，一种强的氢氧自由基（OH*），它甚至可以在无机离子，H2O，CO2中启动完整的矿化作用。Cho等人报道了一种可以有效的消除渗滤液中难降解有机物和含氮化合物的基于氧化钛的多相光催化法。此外，真菌处理方法一直在深入研究中，其中白腐真菌被发现表现出可观的潜质用于消除降解有危害和有毒的污染物。白腐真菌可以产生多种胞外酶参与到自然木质纤维素基质的生物降解过程中，其中包括锰过氧化物酶（MnP），木质素过氧化物酶（LiP）和漆酶（Lac）。木质素分解酶能有效的降解污染物，比如染料，农药，酚类，氯化物杀虫剂，多氯联苯和一些其他的化合物。Ellouze等人报道了使用白腐真菌成功处理了初期的垃圾场废液。其被认为处理过程中涉及了白腐真菌和它们的胞外酶，可能有利于整个垃圾场废液的处理，因为它们高效的降解了大分子的有机污染物。然而，联合使用白腐真菌和掺杂氮的氧化钛纳米粒子用于处理成熟的渗滤液还没有被研究过。

这个实验研究了联合黄孢原毛平革菌和含氮氧化钛纳米粒子用以消除垃圾渗滤液中总有机含碳量（TOC）和氨氮（NH3-N）的技术实用性。用于改善它们的催化能力和消除降解能力，黄孢原毛平革菌和含氮氧化钛纳米粒子使用海藻酸钙来固定化以增强它们的机械强度和对有毒污染物的抵抗力。此外，总有机含碳量（TOC），氨氮（NH3-N）和重金属的消除降解在这个试验中用初始化学需氧量浓度，pH，温度和生物吸附剂剂量来评估。而且，各种各样的有机化合物在处理过的垃圾渗滤液中被详细分析。

2 材料和方法

2.1 垃圾填埋场渗滤液样品

垃圾场渗滤液的样品用聚乙烯瓶子从中国长沙的黑麋峰的垃圾填埋场区域采取。渗滤液样品保藏到4℃下在分析测验之前。总有机碳含量用TOC ANALYZER(TOC-VCPH,shimadzu)测量。COD，BOD5，NH3-N和总悬浮体通过常规传统方法测量。垃圾渗滤液中的重金属浓度用原子吸收分光光度计(AAS,Agilent3510,USA)测量。

渗滤液样品需在超速冷冻离心机中10000rpm离心20分钟，然后滤液用0.45mu;m的微孔滤膜过滤掉其中的微粒。

2.2 真菌材料

用于这个研究的菌种白腐真菌担子菌类黄孢原毛平革菌（P.chrysosporium BKMF-1767）从中国模式培养采集中心购买（中国武汉）。这种真菌孢子在无菌操作台中用接种环接种到马铃薯葡萄糖琼脂斜面上，然后将斜面放置于恒定温度和湿度的培养箱中37℃培养5天。用棉签使孢子在无菌蒸馏水中溶解得到菌丝，然后孢子浓度使用浊度计（WGZ200，中国上海）调整到1.0times;106CFUmL-1。获得种菌，取3mL上述孢子悬浮于介入到250mL的锥形瓶中100mL的液体培养基中，然后放到定轨摇床中120rpm在37℃下培养5天。其中实验需要的所有化学试剂均为分析纯度级。

2.3 固定化生物吸附剂的准备

2.3.1 含氮TiO2纳米粒子的合成

含氮TiO2纳米粒子通过溶胶凝胶法合成，使用酞酸正丁酯（TT）、尿素、冰醋酸（GAA）、无水乙醇（AEA）、超纯水（UW）。UW,GAA和AEA按照固定比例（VUW/VGAA/VAEA=2:3:10）混合成溶液A，然后将0.282g尿素加入到溶液A中。AEA和TT按照VAEA/VTT=4：1的比例混合成溶液B。溶液A用磁力搅拌器交替融入到溶液B中。这个加入过程结束后，这个混合溶液在空气中放置过夜。凝胶在电真空干燥器中80℃干燥4h直到出现黄色块状晶体。这些黄色块状晶体用研钵和研杵磨成细粉，然后在马弗炉中500℃煅烧之后备用。

2.3.2 固定化黄孢原毛平革菌为了生物吸附剂的准备

黄孢原毛平革菌的固定化用海藻酸钙和含氮TiO2纳米粒子来实现。第一步，将海藻酸钠溶液（4.0%，100mL）和含氮TiO2纳米粒子（1.0g）混合，然后在121℃下灭菌30分钟。第二步，将菌种的孢子悬浮液（1.0times;106CFUmL-1，100mL）接种到上述混合液中，然后将接种过的混合液用注射器逐滴加入灭菌过的CaCl2溶液（2%，300mL）中以形成珠状。这些水珠将会在CaCl2溶液中3小时后被硬化。以上所有操作均在无菌操作台中完成。

2.4 用生物吸附剂处理垃圾渗滤液

2.4.1 初始COD浓度的影响

一系列COD初始浓度为100，200,300,400和600mg/L的垃圾渗滤液分别加入到含100mL水溶液的250mL锥形瓶中。pH值用0.1mol/L的NaOH或者0.1mol/L 的HCl调节到6.0。所有的锥形瓶在121℃下灭菌30分钟，灭菌之后，每个锥形瓶中加入剂量为20g/L的固定化生物吸附剂然后在摇床中150rpm，37℃并且在白炽灯光照下培养。然后，用移液器取出5mL样品设置时间间隔分析残留的TOC和NH3-N浓度。

2.4.2 pH的影响

将一批初始COD浓度为200mg/L的垃圾渗滤液的pH值调整到3.0至8.0的范围。灭菌后，加入剂量20g/L的固定生物吸附剂然后在有光照的摇床中150rpm，37℃培养。这批实验采用空白对照，固定化海藻酸钙和光催化纳米粒子海藻酸钙固定化的黄孢原毛平革菌分别进行研究。

2.4.3 温度的影响

将100mL稀释的初始COD浓度为200mg/L的渗滤液加入250mL锥形瓶中，pH调至6.0。灭菌后，加入剂量20g/L的固定化生物吸附剂，然后在有光照的摇床中150rpm，温度范围为20℃至45℃中培养

2.4.4 生物吸附剂剂量的影响

将生物吸附剂剂量调至到10,15,20,25,30,35和40g/L。将COD初始浓度为200mg/L，pH调至6.0 的渗滤液进行灭菌，然后加入上述生物吸附剂，在150rpm，37℃光照下摇床培养。

2.4.5 固定化生物吸附剂的特征

显微照片被环境扫描显微镜（ESEM,FEI QUANTA200）用来实验前后来确定固定化生物吸附剂中菌丝的形态变化。其成分组成由20kV的加速电压镀金后通过能源分散光谱（ESEM,FEI QUANTA200）得到。样品的准备如下：固定化生物吸附剂制成后用定性滤纸过滤，然后保藏到-20℃冷藏室中。然后在真空冷冻干燥箱中-50℃干燥，用X射线衍射(XRD,D8-Advance,Bruker CompanyGermany)来分析固定化生物吸附剂中晶体组成结构。然后用FT-IR分光光度计对固定化生物吸附剂在4000至400cm-1的光谱范围下进行了傅里叶交换红外光谱法分析。

2.4.6 垃圾渗滤液的GC-MS分析

GC-MS通过用二氯甲烷的液液萃取的高效液相色谱来进行有机化合物的分析。20mL的样品和10mL的二氯甲烷混合在一起，然后摇荡10分钟以用来在中性，碱性，酸性的条件下用分液漏斗完全萃取。每步萃取操作都用10mL的二氯甲烷进行两次，然后混合所有萃取液约60mL，然后用无水Na2SO45脱水，然后在45℃下旋转蒸发浓缩。

1微升预处理的样品用Rtx-50毛细管色谱柱（30Mx0.25mm，0.25mu;m的膜厚度）通过GC-MS光度计进行分析。高纯度的氦气作为运载气体，流速为50cm/s。MS的电子碰撞用作为离子化技术在70eV下，扫描域为35-350m/z，注射口和离子源的温度分别是170℃和200℃。在65℃的固定条件下开始2分钟后，温度以9℃/min的速度上升至220℃然后保持20分钟。传输线路和注射口的温度达到300℃，分流比为1:10。

3 结果与讨论

3.1 渗滤液的特征

表1表明了未成熟的垃圾渗滤液浓度的一般特征。它具有很深的深棕色的颜色，由此伴随的一个高有机污染物费用（COD=6140mg/L，BOD5=558mg/L，TOC=1890mg/L），高含量的氨氮（NH3-N=1856mg/L），高挥发的悬浮固体和高悬浮固体总量（VSS=208mg/L，TSS=294mg/L），以及一个低的BOD5/COD比例（0.09）。这表明了在垃圾渗滤液中的很低的生物降解能力，因此需要分类为成熟的垃圾渗滤液。它有高浓度的钾和钠从而导致了高达25.6Ms/cm的导电率。此外，还含有相对低浓度的重金属，Vilar等人的研究报道中也得出了同样的结果。

3.2 固定化生物吸附剂的特征

3.2.1 用电子扫描显微镜（SEM）进行形态学分析

图1A展示了黄孢原毛平革菌粘附在固定化生物吸附剂上，真菌不仅生长在表面而且还深入了间隙中，因此表明了固定化生物吸附剂包含了很多的微小的间隙可提供很大数量的污染物吸附位点。图1B展示了菌种的菌丝宽松分散的，它们在反应之后变得更加细长。这样的变化能够扩大固定化生物吸附剂的间隙，从而能够更好的吸附污染物。在图1C中，可以看出Cl和Ca在固定化生物吸附剂中的比例分别为0.25%和2.82%。在图1D中，能够看到固定化生物吸附剂中，在反应之后，Cl，Ca，Mg和Fe元素的比例分别为2.15%,4.46%,0.27%和0.27%。通过这些结果，我们可以认为应用固定化黄孢原毛平革菌作为生物吸附剂用来去除垃圾渗滤液中的TOC和NH3-N成为了一种可能性。

Fig.1.PNCPs的海藻酸钙固定化的黄孢原毛平革菌的ESEM图像和EDAX光谱.(A)原生状态在times;5000的 ESEM图像，(B)反应后times;5000ESEM图像，（C)原生状态下的EDAX光谱，(D)反应后的EDAX光谱

3.2.2 固定化生物吸附剂的X射线衍射分析

如图2A中显示，含氮TiO2纳米粒子用Cu Kalpha;射线（lambda;=1.5406）在2theta;为5-80°的范围内的XRD分析。确定了特征峰的2theta;值和[hkl]面为25.281◦[101]，36.946°[103],37.800°[004],38.575°[112]，48.049°[200]，53.890°[105]，55.060°[211]，62.688°[204]，68.760°[116]，70.309°[220]和75.029°[215]，这些结果可归于锐钛矿TiO2的反射。所有的锐钛矿TiO<sub

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