一种碳基吸附/微生物好氧降解风险管控复合材料及应用

本发明涉及地下水修复领域，涉及一种好氧降解菌外壳和功能材料内核的碳基吸附/微生物好氧降解风险管控复合材料及其在石油烃污染水体修复中的应用。

背景技术：

1、在城市化和工业化过程中，地下水污染问题普遍存在，且污染日益加重。有机污染是地下水污染治理的难点问题，严重影响地下水水质。化工园区由于大规模化聚集且部分企业历史悠久，园区周边存在严重的地下水有机污染问题。石油烃是化工原料制造企业地下水中很常见的有机污染物。地下水污染由于其隐蔽性、复杂性、难以控制和治理的特性，因此地下水一旦遭受污染，其治理和恢复是非常困难的，且修复费用巨大。

2、生物反应墙(biobarrier)是指在可渗透反应墙中填入生物材料，使污染物发生降解或转化解毒的一种地下水污染处理和场地污染管控的方式。目前对于生物反应墙的研究及实际应用案例主要集中在地下水硝酸盐及高价态有毒重金属还原修复中，国外应用较多，应用效果良好，国内有极少量的示范应用研究。总体而言，对于有机污染物修复与场地风险管控的生物反应墙无论是研究及应用均相对较少。对于石油烃类等有机污染物，适合采用氧化型生物反应墙。

3、生物反应墙首要材料是吸附材料，由于微生物反应的时间较化学反应更长，因此需要采用吸附材料将污染物吸附在微生物共存基质上形成微生物反应器进行降解或转化。对于氧化降解型生物反应墙，微生物通过好氧降解、共代谢将有机污染物矿化，所需的材料除了氧化降解菌，还包括释氧剂或其他非氧气型的电子受体基质，必要的碳源、氮源、磷源及其他营养基质等。目前应用于实际地下水的氧化降解型生物反应墙材料不足，在长期运行过程中，氧化降解型生物反应墙材料则主要存在释氧等电子受体基质失活、骨架材料不稳定、降解菌易休眠等短效性问题，因此采取微生物结合吸附材料的策略能够有效地解决这一瓶颈。

技术实现思路

1、鉴于应用于修复地下水石油烃的好氧生物反应墙材料易存在氧气不足、降解菌易休眠等短效性问题，本发明提供了一种好氧降解菌外壳和功能材料内核的核-壳结构材料，该材料对地下水中的石油烃具有显著的去除和阻控效果。

2、本发明具体采用的技术方案如下：

3、第一方面，本发明提供了一种碳基吸附/微生物好氧降解风险管控复合材料，所述复合材料由好氧降解菌外壳和功能材料内核组成核-壳结构；

4、所述内核由吸附型生物炭、氧气缓释剂过氧化钙和复苏促进因子(resuscitation-promoting factor,rpf)组成功能材料，通过海藻酸钠和氯化钙固定形成微球内核；所述好氧外壳为附着于微球表面的石油烃好氧降解菌食吡啶红球菌(rhodococcus pyridinivorans)的生物膜。

5、作为上述第一方面的优选，所述吸附型生物炭为木屑原料在650～750℃下限氧热解5～7h后得到的生物炭。

6、作为上述第一方面的优选，所述石油烃好氧降解菌食吡啶红球菌，于2023年12月11日保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，保藏地址为北京市朝阳区北辰西路1号院3号中国科学院微生物研究所，保藏编号为cgmcc no.29278。

7、作为上述第一方面的优选，所述核-壳结构的粒径为0.1～0.2cm。

8、第二方面，本发明提供了一种如上述第一方面任一方案所述碳基吸附/微生物好氧降解风险管控复合材料的制备方法，其特征在于，包括：

9、s1、以40～50℃的1wt.％海藻酸钠溶液为母液，加入终浓度50g/l的吸附型生物炭、终浓度20mg/l的rpf和终浓度2wt.％的过氧化钙cao2混匀，将混合溶液通过液滴形成装置滴加到1wt.％的cacl2溶液中形成微球；

10、s2、以将微球加入到接种食吡啶红球菌的lb培养基中过夜培养，在微球表面生长食吡啶红球菌生物膜，从而得到以微球作为功能材料内核，以食吡啶红球菌生物膜作为好氧降解菌外壳的核-壳结构复合材料。

11、作为上述第二方面的优选，所述接种食吡啶红球菌的lb培养基需预先复苏培养至od600达到1.7～1.8。

12、第三方面，本发明提供了一种如上述第二方面所述制备方法制备得到的碳基吸附/微生物好氧降解风险管控复合材料。

13、第四方面，本发明提供了一种生物反应墙，其以如上述第一方面或第三方面任一方案所述的碳基吸附/微生物好氧降解风险管控复合材料作为填料。

14、第五方面，本发明提供了一种如第一方面或第三方面任一方案所述的碳基吸附/微生物好氧降解风险管控复合材料在石油烃污染水体修复中的应用。

15、作为上述第五方面的优选，所述水体为地下水。

16、本发明提供了一种功能材料内层-好氧菌外层的氧化降解型生物反应墙复合材料，该复合材料为好氧菌在地下水环境中构建局部好氧生境，利用rpf提高好氧菌降解活性，利用氧气缓释剂克服了地下水氧气缺乏对好氧菌活性的抑制作用。本发明的复合材料对地下水中石油烃具有显著去除效果，碳基吸附/微生物好氧降解风险管控复合材料和单一碳基材料对场地典型烃类有机污染物净化能力分别为15.7mg/g和9.8mg/g。本发明的碳基吸附/微生物好氧降解风险管控复合材料对场地典型烃类有机污染物净化能力比单一碳基材料提高60.2％，可用于地下水原位微生物修复。

技术特征：

1.一种碳基吸附/微生物好氧降解风险管控复合材料，其特征在于，所述复合材料由好氧降解菌外壳和功能材料内核组成核-壳结构；

2.根据权利要求1所述的碳基吸附/微生物好氧降解风险管控复合材料，其特征在于，所述吸附型生物炭为木屑原料在650～750℃下限氧热解5～7h后得到的生物炭。

3.根据权利要求1所述的碳基吸附/微生物好氧降解风险管控复合材料，其特征在于，所述石油烃好氧降解菌食吡啶红球菌，于2023年12月11日保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，保藏地址为北京市朝阳区北辰西路1号院3号中国科学院微生物研究所，保藏编号为cgmcc no.29278。

4.根据权利要求1所述的碳基吸附/微生物好氧降解风险管控复合材料，其特征在于：所述核-壳结构的粒径为0.1～0.2cm。

5.一种如权利要求1～4任一所述碳基吸附/微生物好氧降解风险管控复合材料的制备方法，其特征在于，包括：

6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述接种食吡啶红球菌的lb培养基需预先复苏培养至od600达到1.7～1.8。

7.一种如权利要求5所述制备方法制备得到的碳基吸附/微生物好氧降解风险管控复合材料。

8.一种生物反应墙，其特征在于，以如权利要求1～4或权利要求7任一所述的碳基吸附/微生物好氧降解风险管控复合材料作为填料。

9.一种如权利要求1～4或权利要求7任一所述的碳基吸附/微生物好氧降解风险管控复合材料在石油烃污染水体修复中的应用。

10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，所述水体为地下水。

技术总结本发明公开了一种碳基吸附/微生物好氧降解风险管控复合材料及应用，属于地下水修复技术领域。该复合材料具有核‑壳结构，包括好氧降解菌外壳和功能材料内核。内核的功能材料由吸附型生物炭、氧气缓释剂过氧化钙和复苏促进因子组成，通过海藻酸钠和氯化钙固定。好氧外壳由石油烃好氧降解菌食吡啶红球菌组成，通过生物膜自然形成在微球表面。该材料为好氧菌在地下水环境中构建局部好氧生境，利用Rpf提高好氧菌降解活性，利用氧气缓释剂克服了地下水氧气缺乏对好氧菌活性的抑制作用。本发明制备的复合材料可应用于修复石油烃污染地下水，且此材料具有高效、长效、成本低、无二次污染、制备方法简单的优点，具有大规模推广应用的潜力。技术研发人员：羊嘉文,沈超峰,符玉龙,王飞宇,鲍耀军,杨宇彬,牟恺受保护的技术使用者：浙江大学技术研发日：技术公布日：2024/7/15