赤泥多孔材料负载微生物去除苯酚

王小雨，王晓龙，吴丽梅，吕国诚，何文会

（1中国地质大学（北京）材料科学与工程学院，北京 100083；2中国地质大学（北京）工程技术学院，北京 100083）

赤泥多孔材料负载微生物去除苯酚

王小雨1，王晓龙2，吴丽梅1，吕国诚1，何文会1

（1中国地质大学（北京）材料科学与工程学院，北京 100083；2中国地质大学（北京）工程技术学院，北京 100083）

以赤泥等工业废弃物为原料制备了一种多孔材料，采用酸改性、碱改性、氧氯化锆改性3种方法进行表面改性，在表面负载假单胞菌，用于去除污水中的苯酚。结果表明：在1200 ℃下烧结多孔材料，孔隙率可以达到80%，孔隙大小控制在50～100 μm；氧氯化锆改性后的多孔材料负载假单胞菌的能力强；去除苯酚的主要影响因素为苯酚初始浓度和pH值，在pH值为5～6、苯酚初始浓度为40mg/L的条件下去除能力最强，可以达到80%。

赤泥；多孔材料；微生物；苯酚

苯酚是造纸、炼焦、炼油、塑料、农药、医药合成等行业生产的原料或中间体。工农业的发展带来苯酚的大量生产和消费[1]。浓酚液能使蛋白质凝固，稀酚液使其变性。而且酚还能继续向深部渗透，引起深部组织损伤、坏死，直至全身中毒[2]。酚和其它有害物质相互作用产生协同效应，变得更加有害，促进致癌化[3]。处理含酚废水的方法包括微生物降解、萃取、活性炭吸附及化学氧化法等，其中，生物降解法是一种经济有效且无二次污染的方法。

赤泥是铝土矿经强碱浸出氧化铝后产生的残渣，而对赤泥的处理主要采取的是海底或陆地堆放处置的方法。随着铝工业的发展，生产氧化铝排出的赤泥量也日益增加，堆存处置所带来的一系列问题随之而出，造成了严重的环境问题[4]。所以，赤泥废渣的处理和综合利用已成为一个世界性的大难题。国内外学者已尝试将其用作重金属离子的低成本吸附剂，例如，用赤泥材料来吸附废水中的氟离子等阴离子[5]，其中，用赤泥制备多孔材料去除污水中的重金属离子[6-7]等方面取得了很好的成效。

固定化微生物技术由于可固定经筛选出的能降解特定物质的优势菌属，因此该技术的应用能使污水处理系统专一性、耐受性增强，处理效果稳定，运行管理简单，降解效率明显优于传统方法[8]。近20年来，固定化微生物技术发展迅速，已取得阶段性成果，尤其是在美国和日本，已有不少具有一定规模成功应用的工业实例，此项技术在处理生活污水和纺织、屠宰、造纸等废水及核污染中正得到广泛地应用[9-13]。

赤泥中含有较多的全铁和TiO2，这些金属离子的存在使其表面带正电荷，而细菌细胞壁的磷壁酸含有大量酸性较强的磷酸基，加强了细菌表面的负电性，因此赤泥会对细菌有强的吸附能力；另外，赤泥本身粒度小，会有较多的吸附位来负载微生物[14]。本文中以赤泥等工业废渣为原料，用聚氨酯软质泡沫挂浆烧结法制备了多孔材料，具有较高的气孔率。制得的多孔材料经过改性，负载假单胞菌，讨论去除污水中苯酚等有机物的能力。

1 实验

1.1 实验材料及仪器

1.1.1 实验材料

赤泥（山东铝业股份有限公司氧化铝厂）、粉煤灰（北京市石景山区高井热电厂）、膨润土、聚氨酯泡沫、营养肉汁琼脂、蛋白胨、牛肉膏、琼脂、NaCl、NaOH、假单胞菌[引自中国工业微生物菌种保藏中心（CICC）]。

1.1.2 实验仪器

电子天平（YP1002N，上海精密科学仪器有限公司）、物理天平（J0104，江苏常熟衡器厂）、电热恒温鼓风干燥箱（DAG-9140A，上海一恒科技有限公司）、行星式研磨机（YMJ-1，淄博雷德精细陶瓷有限公司）、马弗炉（SRJX-4-13 P1043，杭州卓驰仪器有限公司）、高压蒸汽灭菌锅（3170 ELV，陕西太康生物仪器有限公司）、升温电炉（KSW-4-16，天津市中环实验电炉有限公司）、镍铬合金接种环（北京泰怡达生物科技有限公司）、微生物培养皿、移液管、密封锥形瓶等。

1.2 多孔材料的制备

将原料按照赤泥∶粉煤灰∶膨润土为 6∶3∶1的比例均匀混合，制成浆料；选用软质聚氨酯泡沫材料挂浆，在干燥箱内80～100 ℃快速干燥；1200℃下烧结，保温2 h。具体实验步骤如图1所示。

图1 多孔材料制备过程

1.3 培养微生物

本实验引入的微生物是恶臭假单胞菌，引自中国工业微生物菌种保藏中心（CICC）。首先配制培养基，并将假单胞菌在严格无菌的环境下接种至配制好的培养基中[15]，水浴振荡培养48 h，见图2。

图2 培养微生物过程

1.4 微生物的固定化及驯化

多孔陶瓷作为一种利用表面性能的新型材料，因其具有大的比表面积而对微生物具有较强的吸附固定性能。对比改性前后的多孔材料对微生物的负载量，选出适合微生物生存、利于负载的多孔材料。培养微生物，待微生物大量繁殖后，称量适量微生物加入至已清洗灭菌的多孔材料培养液中，制备多孔材料负载微生物。

1.5 降解苯酚

利用培养好的微生物测定其苯酚降解率，分别研究微生物、多孔材料负载微生物、多孔材料对苯酚的降解率。尝试用赤泥多孔材料负载微生物，降解苯酚。使用4-氨基安替比林分光光度法在510 nm波长条件下利用分光光度计标定苯酚的浓度以及降解率。

1.6 表征方法

采用X射线衍射（XRD）了解烧结样品的物相组成（结晶的种类和形态），以探索其强度的来源。日本理学Dmax 12 kW型衍射仪，管电压为40 kV，管电流为 100 mA，Cu靶（λCuKα=1.5418 Å），采用连续扫描模式。

采用日本岛津公司SSX-550型号的扫描电子显微镜对材料的微观形貌进行观察。SEM表征是为了观察多孔材料的微观形貌，察看其孔道结构是否联通、分布是否均匀、气孔大小尺寸等。

2 结果与讨论

2.1 多孔材料的制备

2.1.1 不同密度的聚氨酯泡沫对多孔材料性能的影响

赤泥多孔材料样品的显气孔率测试结果如表 1所示。

表1 不同密度显气孔率的测定结果

表 1中，1～4号为高密度聚氨酯泡沫，5～8号为中密度聚氨酯泡沫，其显气孔率的测试数据表明，不同密度的聚氨酯泡沫的气孔率不同，本实验选择中密度的聚氨酯泡沫作为模板。

2.1.2 多孔材料的宏观和显微图像

有机泡沫浸渍法由于以海绵作为模板，烧结时海绵燃烧而形成类似海绵的多孔结构，因而气孔的尺寸大小和分布情况与海绵的空隙参数密切相关。制得样品的孔径大小是可以根据海绵改变的。虽然制品的气孔率比较高（显气孔率最大值为78 %），但由于海绵的孔径都比较大，所以成品的半径也比较大，主要为10～500 μm的气孔。在这些大孔内部，还有很多直径为 1～5 μm 的小孔，如图 3所示。

2.1.3 多孔材料表征

制备多孔材料过程中，烧结温度是影响其强度的重要因素之一。分别在1150 ℃、1200 ℃和1250 ℃条件下烧结，测试多孔材料的强度后发现，烧结温度在1200 ℃下的强度最大，XRD表征如图4所示。

图4说明，在温度低于1200 ℃时材料内部未发生高温相变形成莫来石晶相的骨架结构，而在温度达到 1250 ℃时材料内部形成的莫来石晶相消失，出现明显的过烧现象，液相增多超过了其极限，使得材料内部的三维骨架结构坍塌强度急剧变小。故选择1200 ℃为烧结温度。

图3 显微结构

图4 多孔材料不同温度下烧结XRD图

2.2 降解苯酚

2.2.1 改性多孔材料

为了增加多孔材料负载微生物的负载量，实验中选择对其用酸（1∶9，100 mL）、碱（20 g/L，100 mL）、氧氯化锆（100 mg/L，100 mL）改性。在接种操作后，菌液被分成4组：第一组用普通赤泥多孔材料负载；第二组用酸改性后的赤泥多孔材料负载；第三组用碱改性后的赤泥多孔材料负载；第四组用氧氯化锆改性后的多孔材料负载。为了得到哪种改性效果较好，实验装置及原理是这样的：分别将负载有微生物的4组多孔材料放入到苯酚溶液中，收集各组产生的二氧化碳，通过其另一端装置的增重情况来判断多孔材料负载微生物的情况。具体实验装置图如图5所示。实验结果如表2所示。

图5 实验装置图

表2 多孔材料改性前后负载微生物数量对比

通过此实验的设计，一是可以通过增加的质量判定哪种改性效果可以增大对微生物的负载量；二是可以通过排出二氧化碳证明微生物负载后是有生命的，可以适应这个环境。经测定发现，氧氯化锆改性后的多孔材料负载的微生物要多于其它改性方法。这是由于氧氯化锆可以使多孔材料表面带更多的正电荷，更加有利于对表面负电性的微生物的吸附，使负载能力更强。所以，在接下来的实验中均用了这种改性方法。

2.2.2 影响因素分析

配置8组浓度为0.2 mg/L、0.4 mg/L、0.8 mg/L、1.2 mg/L、1.6 mg/L、2 mg/L、2.4 mg/L、2.8 mg/L的扑尔敏溶液，用波长为510 nm的紫外可见分光光度计测定其吸光度。得到标准曲线及回归方程如图6所示。

图6 标准曲线

为了检验多孔材料负载微生物后对苯酚的降解能力，通过分光光度计法测定了不同的初始 pH值和苯酚初始浓度下的降解能力。

在相同条件下，负载微生物的多孔材料放入到初始浓度均为10 mg/L的7组苯酚溶液中，初始pH值分别为 2～3、3～4、4～5、5～6、7、8～9、9～10，待吸附一定时间后，称取10 mL，测定其浓度，实验结果如图7所示。

在相同条件下，负载微生物的多孔材料放入到浓度分别为5 mg/L、10 mg/L、20 mg/L、40 mg/L、60 mg/L、80 mg/L、100 mg/L的7组苯酚溶液中。设定pH值为5～6，待吸附一定时间后，称取10 mL，测定吸光度，并计算成浓度。实验结果如图7、图8所示。

本实验中的微生物是假单胞菌，经过实验研究发现，微生物在强酸和强碱性条件下对苯酚的去除能力很弱，因为微生物在强酸和强碱性条件下是不能存活的，苯酚浓度微量的减小可能是因为多孔材料对其的吸附。初始pH值为4～8是假单胞菌能够存活的pH值范围。假单胞菌在pH值为5～6时对苯酚的去除效果最好。

图7 溶液pH值对苯酚降解效果的影响

图8 苯酚初始浓度对其降解效果的影响

通过多孔材料负载微生物对不同浓度苯酚的吸附量的实验发现，假单胞菌有个最适应的苯酚浓度范围，在苯酚浓度为20～60 mg/L时去除效果较好，其中苯酚浓度为40 mg/L左右时去除率最高。但在苯酚浓度较低时去除率较低，因为苯酚浓度较低的时候假单胞菌的生长速率较低，繁殖的数量较少。那么在苯酚浓度较高的时候，微生物会因失水而失去生命，但是苯酚浓度依然降低了，这是因为多孔材料也会对苯酚有一定的吸附作用。

3 结 论

以赤泥等工业废渣为原料，采用聚氨酯软质泡沫挂浆烧结的方法制备了多孔材料；利用氧氯化锆改性的多孔材料较适合假单胞菌生存，负载量和繁殖能力均很强；多孔材料负载假单胞菌对污水中的苯酚有较强的去除能力，经过单因素实验发现，当溶液初始pH值在5～6、苯酚初始浓度为40mg/L左右时去除率最高，可以达到80%。

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Removing organic pollutant with microbial red mud porous material

WANG Xiaoyu1，WANG Xiaolong2，WU Limei1，LÜ Guocheng1，HE Wenhui1
（1School of Materials Science and Technology，China University of Geosciences，Beijing 100083，China；2School of Engineering and Technology，China University of Geosciences，Beijing 100083，China）

In this study，a porous material was prepared from red mud (bauxite residue) and other industrial waste. The porous material was modified by acid，alkali or zirconium oxychloride and was loaded with pseudomonas putida to remove phenol in sewage. The strength of porous material nodulized at 1200 ℃ could mee t the test requirements. Its porosity reached 80%，and pore size was controlled between 50 and 100 nm. Porous material modified by zirconium oxychloride had higher loading capacity for pseudomonas putida，than the porous material modified by acid or alkali and unmodified original red mud. The main factors that affected phenol removal were solution pH and initial phenol concentration.The optimum condition was solution pH at 5～6 and initial concentration of phenol at 40 mg/L. Removal rate could reach 80% under the optimum condition.

red mud；porous material；microbial；phenol

X 521

：A

：1000-6613（2012）09-2031-05

2012-05-08；修改稿日期：2012-06-12。

中央高校基本科研业务费（2010ZY42）及中国地质大学（北京）实验室开放基金项目。

王小雨（1990—），研究方向为环境材料。联系人：吕国诚。E-mail guochenglv@cugb.edu.cn。