本发明属于污染水体治理与修复材料，具体涉及一种生物炭-人工水草-微生物三元固定化体及其制备和应用。
背景技术：
1、河流作为自然界重要的水资源，受到环境保护的关注。氨氮、总氮和总磷是河流水体中的常见污染物，其来源主要包括农业、生产和生活排放等。各地的污染程度有所不同，但都存在污染问题。另外，随着检测技术的不断进步，一类新污染物在环境水体中被检出。新污染物是指在环境和自然生态系统中可检测出来的且对人体和生态系统带来较大健康风险和环境风险，但尚无法律法规和标准予以监管或规定的物质。新污染物和常规污染物的来源一样，源于工业生产、日常生活以及农业活动。国际上尚未就新型污染物的分类达成共识，但通常可以分为内分泌干扰物(edcs)、药品与个人护理用品(ppcps)、全氟化合物(pfcs)、溴代阻燃剂(bfrs)、饮用水消毒副产物(dbps)、纳米材料、微塑料等。五氯苯酚(pentachlorophenol，pcp)，分子式c6hcl5o，极易溶于乙醚、乙醇和甲醇，微溶于水，可溶于丙酮和苯，具有良好的抑菌特性，常被用作杀菌剂、杀螺剂、杀藻剂、杀虫剂、除草剂以及木材防腐剂在全球范围内广泛使用。pcp作为一种新污染物，在各种环境介质中已被高频检出，通过对中国七大流域水体中pcp进行全面调查，在600多个采样点中，地表水中pcp检出率达85.4％，浓度中位数为50ng/l，其中洞庭湖水体中pcp浓度103.7μg/l为最高，在水体沉积物中检测出pcp浓度范围为0.01～178.19ng/g(以干质量计)。因此，对于污染水体中pcp等新污染物的治理也不容忽视。
2、污染水体的治理技术主要涵盖了物理处理手段、化学处理技术和生物生态修复技术三大领域。
3、物理处理技术(如活性炭吸附)吸附效果好，起效快，对河流生态系统基本没有影响，但是只能起到富集污染物的作用，无法对其进行降解，随着环境的变化还可能重新脱附到环境中。并且河流一般具有一定的流速，活性炭等吸附剂体积小、重量轻，投入到河流中，极易随河水被带走至下游水体，难以回收。
4、化学处理技术是借助特定化学药剂(如除磷剂)与污染水体中存在的氮磷污染物发生化学反应，以实现对水质的快速改善和污染物的有效去除。用于去除pcp的化学氧化法包括光催化氧化法、fenton氧化法、电化学氧化法等。化学处理技术虽然见效快，但是作用时间短，投加的药剂还有可能对河道的微生物系统产生不良影响，且其高昂的运行成本限制了其在污染水中的大规模应用。
5、生物生态修复技术是改善水质和生物多样性的一种常用且有效措施，具有恢复生态系统和生物多样性、促进健康河流形成的优势。目前用于污染河流治理与修复的生态修复技术主要有人工湿地和生态浮岛等。人工湿地污染物去除效果好，但是其存在一定的问题，第一，人工湿地采用植物修复，冬季时，北方河流水温低，人工湿地的植物需要割掉，次年补种，对管理和维护提出较高的要求；第二，人工湿地建在河道中会影响行洪，同时洪水也易冲溃湿地，因此，一般湿地建在河道旁的浅滩中，但是这种滩地在河流中并不常见，对于一些农村城市的小型黑臭水体，更难以通过浅滩建设人工湿地。生态浮岛技术是以可漂浮材料为基质或载体，将高等水生植物或陆生植物栽植到富营养化水域中，通过植物的根系吸收或吸附作用，削减水体中的氨、磷及有机污染物质，从而净化水质的生物防治法，同时通过收获植物的方法将水体中的富营养物质搬离水体，改善水质，创造良好的水环境。但是，不同的湖泊河流，其富营养化水平不同，水流、温度、风速、水体波动等都各不相同，需要相应的浮岛设计组合和浮岛植物种类搭配，很难制定一个统一的标准予以推广应用。另外，现有生态浮岛难以推行机械化操作；生态浮岛漂浮在水面上，难以抵抗极端的大风、大雨及大浪，且阳光直射会导致塑料材质的基质或载体破裂。并且，与人工湿地技术相同，植物处理技术的植物大多数不能过冬，尤其在冬季天气较冷的北方地区植物需要在第二年春天重新种植。第三，用于pcp的生物降解方法并不多，主要是因为pcp具有生物毒性，对微生物产生抑制，水体中的微生物系统薄弱，易受影响，导致处理效率极低。
6、人工水草是一种碳纤维材料，因其具备比表面积大、孔隙率高、微生物易附着等特点，成为具有良好发展前景的新型载体。其可以直接布置在河流中，不影响行洪，方便回收。但在实际应用中，存在如下的问题。第一，河流具有一定的流速，对人工水草的表面具有冲刷作用，导致人工水草的挂膜时间较长，且当水体的流速较大时，人工水草的生物膜可能被冲刷脱落；第二，随着运行时间的增加，人工水草会存在由于生物膜增厚导致传质不佳，甚至脱落造成去除率下降的情况；第三，由于紫外线照射等原因存在人工水草吸附性能下降的情况。
7、微生物固定化技术，即将微生物与载体有效结合起来的重要手段之一。经长期发展，目前微生物固定化方法主要包括吸附法、包埋法、共价结合法等。尽管目前固定化微生物技术已在多领域展现出良好的应用前景，但也存在固定化载体安全性未知、机械强度低、寿命短、回收困难等问题。
8、生物炭因其丰富的孔隙结构、较大的比表面积等优点，成为处理氮磷污染物良好的吸附剂。但在实际应用过程中，由于其粒径较小，在水中易于分散且伴随水流迁移，造成后续分离困难，不利于回收再利用。
技术实现思路
1、针对现有技术中生物炭单独作为固定化载体存在的易随水流迁移、回收困难、造成污染等弊端以及人工水草吸附固定微生物耗时长等技术问题，本发明提出一种基于人工水草包埋生物炭和微生物的三元固定化体及其制备方法和应用。采用包埋法实现了三元固定化体的制备，其制备工艺简单、方便，是环境友好的绿色工艺，且所用原料低廉，更易实现工业化生产，同时制备的三元固定化体兼具生物炭对氮磷及pcp等污染物的高吸附性能和人工水草易于分离回收的优点。
2、为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：
3、一种生物炭-人工水草-微生物三元固定化体，所述三元固定化体包括载体材料和微生物；所述微生物为功能菌种，包括氨氧化产碱杆菌和粪产碱菌；所述载体材料包括人工水草和生物炭，其中生物炭为微生物的包埋载体，人工水草为生物炭和微生物共同的包埋载体。
4、所述生物炭优选为核桃壳生物炭，比表面积为4.80-6.30m2/g，孔容为0.0153-0.0173cm3/g，平均孔径为12.30-17.00nm。
5、所述核桃壳生物炭优选比表面积为5.70m2/g，孔容为0.0167cm3/g，平均孔径为15.20nm。
6、所述人工水草包括碳纤维材料制备的人工水草。
7、本发明基于人工水草包埋生物炭和微生物的三元固定化体所使用的微生物是优选并定向培养的，同时具有去除氮磷和pcp污染物能力的优选菌种(nh4+-n降解率≥60％，且tn(总氮)降解率≥40％，且tp(总磷)降解率≥30％，且pcp降解率≥30％)。
8、上述生物炭-人工水草-微生物三元固定化体的制备方法包括以下步骤：
9、s1：生物炭包埋微生物
10、将海藻酸钠加入到去离子水中，通过加热搅拌加速其完全溶解，得到澄清透明的胶体溶液；所述胶体溶液冷却后，在室温条件下加入生物炭和微生物菌悬液，充分搅拌混合均匀，实现生物炭包埋微生物，得到用于制备三元固定化体的生物炭包埋体系；
11、s2：人工水草包埋生物炭和微生物
12、将人工水草浸入生物炭包埋体系后随即取出，再浸泡在氯化钙溶液中，待海藻酸钠和氯化钙交联后，实现人工水草包埋生物炭和微生物，即制得本发明所述生物炭-人工水草-微生物三元固定化体。
13、将上述制备的三元固定化体用去离子水洗涤2～3次后，备用。
14、优选地，步骤s1中所述海藻酸钠体积浓度为0.5-2.5％；所述微生物菌悬液od600＝1，包括氨氧化产碱杆菌和粪产碱菌，所述微生物菌悬液用量为生物炭包埋体系总体积的20-30％；生物炭质量浓度为1-1.5％。
15、优选地，步骤s2中所述氯化钙溶液的质量浓度为2％，交联时间18-26h，优选24h。
16、进一步地，上述海藻酸钠、微生物菌悬液和生物炭的用量、氯化钙溶液的浓度、交联时间、菌悬液配比是基于污染物去除效果和固定化体机械性能最优的组合结果。
17、上述步骤s1中所述生物炭制备方法如下：
18、将核桃壳粉碎后，在600-800℃进行热解反应，经研磨、通过60目筛后，得到用于制备三元固定化体的生物炭。
19、上述步骤s1中所述微生物菌悬液制备方法如下：
20、s1-1筛选目标菌株：
21、从实际污染水体底泥中分离纯化、定向培养，并筛选得到目标菌株：取10ml河底污泥的泥水混合物至容积为250ml的锥形瓶中，加入灭菌后的培养液和0.5-5mg/l的pcp，用耐高温组培封口膜封口，于37℃、150r/min在振荡培养箱中定向培养；48h后取1ml上清液，接种到新的pcp和培养液中按照上述方法继续定向培养，按此方法连续接种2～3次，实现定向培养。定向培养结束后采用稀释涂布法进行反复平板划线涂布分离纯化，直至分离出单菌株，再将分离纯化后的各单菌株分别接种至培养液中，向含有单菌株的培养液中加入格里斯试剂进行测试，出现粉红色的培养液中的菌株即为目标菌株。
22、s1-2制备微生物菌悬液：
23、将步骤s1-1中得到的目标菌株分别接种到培养液中于37℃、150r/min培养至对数增长期后，进行离心处理，得到目标菌体，将目标菌体分别接种至无菌水中，得到目标菌体的菌悬液，且各目标菌体菌悬液的od600值均为1；将上述各目标菌体的菌悬液混合，得到用于制备三元固定化体的微生物菌悬液。
24、将步骤s1-1得到的目标菌株分别接种至含有氮、磷、pcp的模拟污水中，经24h、36h、48h、72h、96h后分别测量各污染物浓度，由于菌株的筛选过程是通过添加pcp定向培养的，因此目标菌株对pcp均具有降解能力；选取2株对nh4+-n和tp降解率较高的菌株，通过pcr扩增后dna测序结果得知，所述2株对污染物降解率较高的菌株分别为氨氧化产碱杆菌和粪产碱菌。
25、步骤s1-1和s1-2所述培养液如下：蛋白胨8.0-10.0g，酵母浸粉4.0-5.0g，nacl10.0-12.0g，蒸馏水1000ml，用naoh调节ph为7.2～7.4，121℃灭菌20-30min，自然冷却后使用。
26、进一步地，上述方法制备的生物炭-人工水草-微生物三元固定化体在污染水体中得以应用。具体应用包括以下步骤：将本发明制备的生物炭-人工水草-微生物三元固定化体投加到实际水体中，在河道中均匀布置三元固定化体，沿河宽方向平均布置间距为0.2-0.3m，沿河长方向平均布置间距为0.4-0.6m，在布置点上游及下游处固定的地点、固定的时间，每天一次采集水样，测量水体中各污染物的浓度及降解率，且反应运行30天后三元固定化体表面没有破损脱落现象。
27、本发明的有益效果主要包括以下几个方面：
28、1.本发明所述生物炭-人工水草-微生物三元固定化体的制备过程简单易操作，使用的载体材料具有较高的生物相容性，对微生物无毒害作用，可以保持较高的微生物活性，即具有稳定的污染物去除效果；而相比吸附法，采用包埋法可以大大缩短固定化体的制备时间。
29、2.本发明所制备的三元固定化体采用人工水草为主载体，放置在水体中随水流漂动，可以布置在各种宽度各种深度的河流湖泊中，直接在河流中原位去除氮磷和pcp等污染物的同时又不会影响河道行洪。
30、3.本发明所制备的三元固定化体采用包埋法将生物炭固定在人工水草上，利用生物炭的吸附能力提高固定化体中包埋的微生物量和污染物去除能力，同时解决了生物炭投加到水体中易随水流飘走难以回收的问题。
31、4.本发明所制备的三元固定化体采用目标水体中筛选的土著菌种，通过投加pcp定向培养和筛选出具有特定污染物去除能力的菌种，并通过将筛选出的菌种固定在生物炭及人工水草上实现强化生物降解作用，对目标水体的微生物无毒害作用且影响最小。
32、5.本发明所制备的三元固定化体具有较好的机械性能，在较大流速的水体中也不会轻易破碎和流失。
33、6.本发明所制备的三元固定化体，生物炭采用废旧核桃壳自制，菌种在目标水体底泥中筛选所得，成本低廉，生产过程绿色环保，在实际应用中具有广阔的应用前景。
1.一种生物炭-人工水草-微生物三元固定化体，其特征在于，所述三元固定化体包括载体材料和微生物；所述载体材料包括人工水草和生物炭，其中生物炭为微生物的包埋载体，人工水草为生物炭和微生物共同的包埋载体；
2.根据权利要求1所述的一种生物炭-人工水草-微生物三元固定化体，其特征在于，所述生物炭包括核桃壳生物炭；所述核桃壳生物炭比表面积为4.80-6.30m2/g，孔容为0.0153-0.0173cm3/g，平均孔径为12.30-17.00nm；所述人工水草包括碳纤维材料制备的人工水草。
3.权利要求1或2所述的生物炭-人工水草-微生物三元固定化体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
4.根据权利要求3所述的生物炭-人工水草-微生物三元固定化体的制备方法，其特征在于，步骤s1中所述海藻酸钠体积浓度为0.5-2.5％；所述微生物菌悬液od600＝1，包括氨氧化产碱杆菌和粪产碱菌，所述微生物菌悬液用量为生物炭包埋体系总体积的20-30％；生物炭质量浓度为1-1.5％；步骤s2中所述氯化钙溶液的质量浓度为2％。
5.根据权利要求3所述的生物炭-人工水草-微生物三元固定化体的制备方法，其特征在于，步骤s1中所述微生物菌悬液制备方法如下：
6.根据权利要求5所述的生物炭-人工水草-微生物三元固定化体的制备方法，其特征在于，步骤s1-1所述定向培养包括如下步骤：
7.根据权利要求3所述的生物炭-人工水草-微生物三元固定化体的制备方法，其特征在于，步骤s1中所述生物炭制备方法如下：
8.权利要求1或2所述的生物炭-人工水草-微生物三元固定化体的应用，其特征在于，所述三元固定化体应用于污染水体，所述污染水体包括氮污染水体、磷污染水体，以及五氯苯酚污染水体。
9.根据权利要求8所述的生物炭-人工水草-微生物三元固定化体的应用，其特征在于，所述应用包括以下具体方法：将所述生物炭-人工水草-微生物三元固定化体投加到实际水体中，并在河道中均匀布置三元固定化体，沿河宽方向平均布置间距为0.2-0.3m，沿河长方向平均布置间距为0.4-0.6m，在布置点上游及下游处固定的地点、固定的时间，每天采集水样，测量水体中各污染物的浓度及降解率。
10.根据权利要求9所述的生物炭-人工水草-微生物三元固定化体的应用，其特征在于，所述三元固定化体对实际水体中的污染物氮、磷、五氯苯酚的有效降解达到30天。
