生物炭性质对微生物附着性能的影响探究
＊李名峰 邵晨 李晋
（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 江苏 226000 3.中国石油大学（北京）理学院 北京 102249）
好氧颗粒污泥（Aerobic Granular Sludge，AGS）是通过微生物自聚集作用或人为强化使微生物形成生物聚集颗粒，受限于氧气传质，AGS自外到内氧含量逐渐降低，在颗粒外部形成好氧层，内部为厌氧层，中间层为兼性厌氧区，可在同一颗粒上进行微生物好氧和厌氧降解污染物，并实现同步硝化反硝化功能。与普通活性污泥相比，AGS具有生物量高，抗冲击能力强，沉降性好，无需二沉池等优点，已在市政污水、养猪废水、啤酒厂废水、纺织废水等多个领域有所应用[1]。
由于微生物自凝聚形成AGS的过程较长，通常需要人为提供晶核，促使微生物在晶核表面附着、聚集、生长，最终成为成熟的AGS。而生物炭具有较大的比表面积、丰富的表面基团，可为微生物提供附着和生长场所。因此，常投加生物炭载体加速AGS形成，同时提高颗粒的稳定性[2,3]。微生物在生物炭表面的附着性能是促进AGS形成的关键，但生物炭的制备材料和热解条件等因素会改变其表面结构、基团含量及其它性质，进而影响微生物在其表面的附着性能。目前生物炭性质对微生物附着性能的影响及作用机制尚不明晰。
本研究通过制备不同性质的生物炭，比较其表面结构、官能团、元素组成等性质，探究生物炭性质对微生物挂膜量的影响作用，为今后AGS技术载体制备及选择提供理论依据。
（1）实验材料。实验制备生物炭所用材料为水稻秸秆，购于江苏省沭阳市。接种污泥取自中国石油大学（北京）污水处理站曝气池。
（2）生物炭制备及表征。①生物炭制备。水稻秸秆清水洗净，置于60℃烘箱干燥24h。干燥秸秆粉碎至粒径小于60目，放在瓷坩埚内置于管式炉中（STGK-100-12，河南三特炉业有限公司，中国），提供氮气氛围，在热解温度（300℃、400℃、500℃、600℃和700℃）、升温速率（10℃/min、20℃/min、30℃/min）和热解时间（1h、2h）的组合热解条件下，共制备30种不同性质的生物炭。
②生物炭表征。生物炭可溶性碳含量测定：将0.2g载体置于100mL锥形瓶中，加入60mL纯水，在27℃、100r/min条件下摇床培养3d，取上清液过0.45μm滤膜，利用总有机碳分析仪（SSM-5000A，岛津）测定总碳（TC）、有机碳（TOC）和无机碳（IC）浓度，并依据公式（1）换算为可溶性碳（DC）、可溶性有机碳（DOC）和可溶性无机碳（DIC）含量。
生物炭表面形貌通过扫描电子显微镜（SEM）进行分析；
N2吸附脱附仪测定比表面积和孔结构；
能量色散X射线探测仪（EDX）测定各元素含量；
Zeta电位仪测定生物炭Zeta电位；
傅里叶红外光谱仪和Boehm法[4]对生物炭表面官能团进行定性和定量分析。
（3）挂膜量测定[5]。将100mL锥形瓶和滤纸烘干至恒重，在锥形瓶中加入0.2g生物炭载体，锥形瓶和生物炭载体的重量记为W1，滤纸重量记为A1。锥形瓶中加入等体积微生物菌液和营养物质，在27℃、100r/min的摇床中进行24h的挂膜实验。取出用滤纸过滤，过滤掉水溶性物质，截留部分为载体及其附着微生物，将滤纸放入锥形瓶中一起烘干至恒重，记为W2。则单位质量的载体挂膜量见公式（2）：
式中：B—单位质量载体的挂膜量，单位为g/g。
（4）相关性分析。采用SPSS软件22.0对生物炭挂膜量和生物炭的比表面积、孔径、孔体积、官能团数量、元素组成、Zeta电位和DOC含量进行Pearson相关分析。
（1）不同热解条件对生物炭挂膜量的影响。生物膜是细菌粘附于载体表面，分泌多糖、蛋白质等物质将自身包裹其中而形成的复杂生物结构，生物挂膜量与载体性质有关[6]。表1是30组生物炭的挂膜量，可以发现升温速率和停留时间不变条件下，随着温度升高载体的生物挂膜量整体呈现下降趋势。300℃热解条件制备的生物炭挂膜量普遍较高，BC6的挂膜量最高，达到0.9193g/g，而700℃热解条件制备的生物炭的挂膜量普遍较低，BC20的挂膜量最低，为0.7172g/g。不同热解条件制备的生物炭挂膜量差异较大，可能受生物炭性质影响较大。为此，选择各组条件中挂膜量差异较大的生物炭进行性质表征，以探究生物炭性质对微生物挂膜量的影响。
表1 不同热解条件制备的生物炭Tab.1 Biochars prepared by different pyrolysis conditions
（2）生物炭表征。挂膜量是微生物在生物炭中附着性能的表征，不同条件制备的生物炭性质不同，挂膜量差异较大，因此选取各组制备条件下挂膜量最大及最小的生物炭进行表征（BC3、BC4、BC6、BC10、BC14、BC20、BC22、BC25、BC28和BC30），以研究生物炭性质对微生物附着的影响。
①生物炭稳定性。热解条件对生物炭稳定性影响较大，图1比较了10组生物炭中可溶性碳（DC）含量。300℃制备的生物炭稳定性较差，DC含量约21.41mg/g，且溶解性有机碳（DOC）含量占比98.6%。这可能是因为低温热解条件下，大量有机组分未能完全分解，炭化程度低，易溶出。随热解温度升高，生物炭中DC含量呈下降趋势，500℃～700℃制备的生物炭，DC含量约3.76～12.26mg/g，且溶解性无机碳（DIC）占比较高。性质最为稳定的生物炭是700℃下制备的BC30，DOC和DIC含量分别为1.17mg/g和2.59mg/g。尹云锋等[7]研究同样发现随温度升高，生物炭的碳化程度高，性质稳定，DOC含量下降。
图1 生物炭的可溶性碳含量Fig.1 The contents of dissolved carbon in different biochars
②生物炭比表面积。BET结果表明（表2），实验制备的10组生物炭平均孔径范围为2.63～15.88nm，属于介孔结构。30℃～600℃制备的生物炭比表面积较小，在2.18～3.84m2/g范围，700℃制备的生物炭比表面积显著增加，其中BC20的比表面积最大，为178.01m2/g。热解温度升高可提高生物炭比表面积，延长热解时间有助于挥发分析出，可提高生物炭比表面积，但升温速率变快易导致孔道堵塞，使比表面积下降[8,9]。
表2 生物炭的比表面积和孔结构Tab.2 The surface areas and pore structures of biochars
续表
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，生物炭的芳香性越强，即越稳定，BC6的H/C最高，为0.11，随着热解温度升高，生物炭的H/C降低，稳定性增加，700℃的生物炭H/C在0.02～0.03，表明其性质最稳定。O/C反映生物炭的疏水性，比值越小越亲水，BC6的疏水性最弱，热解温度升高后，生物炭疏水性增加，BC20的疏水性最佳。(O+N)/C与生物炭的极性相关，比值越大则极性越强，BC6的极性最强，BC20的极性最弱。其它研究表明水稻秸秆制备的生物炭随热解温度升高，其芳香性、疏水性增强，极性降低[10]。
表3 生物炭的元素组成Tab.3 Elemental composition of biochars
④生物炭表面官能团。生物炭表面官能团的种类和数量对生物炭性质有很大影响，常见的酸性官能团包括羧基、酚羟基、内酯基和羰基等[11]。傅里叶红外谱图（图2）表明不同温度制备的生物炭在官能团种类上没有明显区分，峰的位置基本相同。3691～3296cm-1处是水分子中O-H的伸缩振动峰，2921cm-1和2852cm-1处是脂肪族-CHn伸缩振动造成的，1730～1530cm-1处是芳环C=O、C=C弯曲振动形成的峰，在720～630cm-1处有多个芳环的C-H弯曲振动峰，1384cm-1处是脂肪族-CH2和-CH3的变形振动，1163cm-1和1100cm-1处为纤维素和半纤维素的C-O-C振动吸收峰，在785cm-1处是Si-O-Si键的对称伸缩振动吸收峰，在469cm-1处是Si-O键的弯曲振动所致[8,12]。由此可见，不同条件制备的生物炭含有相似的表面官能团。
图2 生物炭的FTIR谱图Fig.2 FTIR spectra of biochars
Boehm滴定法可以对表面含氧官能团进行半定量分析，得到的半定量数值可以说明不同制备条件生物炭官能团数量的变化趋势[13]。表4是生物炭的Boehm滴定结果，数据显示BC6的羧基、内酯基和羰基含量均为最高，温度升高后羧基和内酯基数量大幅下降，酚羟基和羰基含量也有所降低。生物炭表面官能团的数量和制备条件有关，随着热解温度升高，生物炭中的木质素、纤维素和半纤维素裂解趋于完全，生物炭中的O和C分别以H2O和CO2形式释放，O和C含量减少，酸性官能团数量下降，700℃制备的BC20的酸性官能团数量达到了最低[14]。
表4 生物炭的官能团含量Tab.4 The contents of functional group in biochars
⑤生物炭Zeta电位。图3a是在pH=7条件下测得的生物炭的Zeta电位，图3b是不同温度下制备生物炭Zeta电位值的平均值。生物炭在pH=7的条件下表面电位为负，并且随着热解温度上升负电荷数量逐渐减少。这是因为随着热解温度升高，生物炭表面含氧官能团（-OH和-COOH）数量减少，从而降低了含氧官能团的去质子化程度，导致表面负电荷数量减少[15]。此外，高温热解的生物炭的芳香性增加形成π键可以与水形成氢键，进一步中和表面负电荷。
图3 生物炭的Zeta电位Fig.3 Zeta potential of biochars
（3）生物炭性质与挂膜量的相关性分析。利用Spss 22.0对挂膜量与生物炭特性进行Person相关分析，结果见表5。生物炭挂膜量与平均孔径、羧基、内酯基、羰基、官能团总量、H/C、O/C、(O+N)/C、Zeta电位和DOC均有显著相关性。其中，生物炭挂膜量与平均孔径、羧基、内酯基、羰基、官能团总量、H/C、O/C、(O+N)/C和DOC为正相关，与Zeta电位为负相关，羧基、内酯基和H/C与生物炭挂膜量为强相关关系。
表5 生物炭性质与挂膜量的Person相关性Tab.5 Person correlation between biochars characterizations and microbial attachment
孔径与生物炭挂膜量为正相关，理论上孔径大小为微生物尺寸的2～5倍时有利于微生物富集，较大的孔径可以接纳更多尺寸的微生物进入孔中[16]。生物炭的孔径大小不同会导致孔隙内微生物受到的水力剪切力不同，进而影响微生物在载体表面的富集以及生物膜的脱落和更新[17]。羧基、内酯基和羰基官能团为亲水性、极性官能团，与O/C和(O+N)/C保持一致的相关性，均与挂膜量为正相关关系。丰富的基团有利于微生物的富集，这是因为微生物表面同样富含多种活性基团，如羟基、羧基、酮基、醛基、肽键等，微生物分泌胞外聚合物与载体形成复合体，胞外酶通过氢键、静电力、相互疏水作用等吸附在载体表面[18]。H/C和DOC共同反映生物炭的稳定性，生物炭中DOC含有大量官能团如羧基、羟基、羰基、类黄腐酸和类腐殖质等[19]，可作为氧化还原过程中细菌的电子供体和受体，为微生物提供生物可利用的碳源，可能会影响生物炭的微生物附着性能，从而影响AGS形成[20]。Zeta电位与生物炭挂膜量为负相关，即Zeta越小，负电值越大，生物炭颗粒之间的斥力越大，在水中的分散体系越稳定，为微生物提供相对更大的接触面积，因此有更高的挂膜量。
本研究发现生物炭性质对微生物附着性能影响较大，生物炭平均孔径、DOC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。因此，在促AGS形成过程，应尽量选择富含羧基、内酯基官能团，且H/C较高的活性炭。
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