一株锰氧化细菌<bold>AL-6</bold>与柚子皮生物炭耦合修复电解锰渣场污染地下水特性研究

安强，焦乙枭，张晨怡，邓舒曼，金柠婕，杨茂林; AN Qiang; JIAO Yixiao; ZHANG Chenyi; DENG Shuman; JIN Ningjie; YANG Maolin

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安强
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焦乙枭
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张晨怡
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邓舒曼
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金柠婕
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杨茂林

重庆大学环境与生态学院，重庆 400044

中图分类号： X523

最近更新：2023-05-30

DOI：10.11835/j.issn.1000-582X.2022.253

摘要

为了研究电解锰渣场污染地下水中复杂废水的修复问题，以农业废弃物柚子皮为原材料制成生物炭作为菌株Acinetobacter baumannii AL-6固定化载体(MBC)，得到菌株生物炭耦合体系（MBC）。探究了该耦合体系对含锰、氨氮以及高钙镁离子复合废水的综合处理能力，同时构建序批式间歇反应器（SBR）以探究其在废水处理中的应用潜力。实验结果表明，MBC在48 h内去除了98.46%的锰。与2个独立的实验组（生物炭组，菌株AL-6组）相比，MBC对锰的去除具有良好的协同作用。MBC对锰的平均去除率为15.87 mg/(L∙h)，是菌株AL-6组的1.09倍，生物炭组的14.33倍。此外，MBC对氨氮的最大去除率为71.92%，对钙镁离子也有一定的去除效果，分别为41.46%和26.95%。在SBR中，MBC能去除90.1%的锰和85.44%的氨氮。结果表明，微生物固定化具有巨大的应用潜力，可用于处理电解锰渣复合污染废水。

关键词

锰去除; 复合污染; 生物炭; 电解锰渣; 生物固定化

金属锰是工业发展的关键原材料和重要的战略资源。在过去的几十年中，中国的金属锰产量位居第一，占世界总产能的97.0%以上^[

1]。巨大的锰产量在带来了经济效益的同时，也因电解锰渣露天堆放，防渗工作不完备等原因造成了环境污染问题。电解锰渣渗滤液的成分复杂，含有的主要离子有Mn²⁺、NH

_{4}^{+}

—N、Mg²⁺、Ca²⁺、K⁺、Na⁺、SO

_{4}^{2 -}

、NO

_{3}^{-}

等^{[参考文献 2

百度学术}2]，其中锰和氨氮含量高，其次是钙镁离子。被锰和氨氮污染的饮用水摄入人体后会对人类健康造成有害影响。高浓度的锰摄入会导致不可逆的神经系统疾病^{[参考文献 3

百度学术}3]。并且，体内过量的氨氮则会导致蓝色婴儿综合征、肝损伤和胃癌^{[参考文献 4

百度学术}4]。与此同时，水体钙镁离子浓度过高会造成水体硬度增大水质变差，长期引用含钙镁离子过高的水会使患肾结石的风险增大。传统的水处理方法，如化学沉淀法、离子交换法、膜分离法等往往处理过程复杂，处理成本较高^{[参考文献 5

百度学术}5]。相比之下，生物法因其成本低廉、技术成熟、工艺简单等特性在废水处理中被广泛应用。特别地，筛选高效处理特定水体污染的菌株，已成为近年来的研究热点。然而，菌株在不利环境或实际应用过程中往往会出现对污染物的去除性能下降以及功能菌流失等问题，使得单一菌株在实际应用中受到限制。

微生物固定化法因其在不利环境下能有效维持微生物的生物量而受到广泛关注^[

6]。微生物固定化技术通常利用物理、化学或生物技术将游离微生物聚集成颗粒或吸附固定在特定材料上^{[参考文献 7

百度学术}7]。生物炭因其具有制备工艺简单、机械强度大、原料易得等优点是良好的固定化载体。农业废弃物一直被认为是一种社会生态负担。许多农业废弃物每年都被焚烧和填埋，造成大量污染和浪费^{[参考文献 8

百度学术}8]。将农业废弃物制成生物炭用于废水处理，实现资源再利用，可有效缓解环境压力。同时，有研究表明，生物炭有利于微生物的生长，如提高代谢活性、促进吸附和生长、抵御恶劣环境等^{[参考文献 9

百度学术}9]。因此，生物炭固定化微生物成为一种十分有价值的废水处理方法。然而，目前使用这一方法来处理含锰复合废水的报道较少，且关于生物炭固定化微生物去除复合金属的有效性还待探究。

此前，已经分离出一株异养硝化好氧反硝化菌株Acinetobacter baumannii AL-6。本研究使用柚子皮生物炭作为菌株AL-6的固定化载体，构建菌株和生物炭的耦合体系。探究了炭菌耦合体系对含锰、氨氮以及钙镁离子的复合废水的处理能力。同时，讨论了耦合体系在处理复杂废水时可能的机理。此外，还建立了一个序批式生物反应器（SBR），以评估该耦合体系在含锰复合废水处理中的应用潜力。本研究为微生物和生物炭在含锰复合废水处理中的应用提供了新的探索。

1 材料与方法

1.1 材料准备

柚子皮：购自中国江西，在自然条件下风干，放于恒温烘箱中（60℃）烘干至恒重，剪碎成1~2 cm小块备用。菌株：从鸡冠石污水处理厂(中国重庆)的活性污泥中分离出的具有异养硝化–好氧反硝化功能的鲍曼不动杆菌Acinetobacter baumannii AL-6。

主要化学试剂：氯化锰(MnCl₂·4H₂O)，用于配制含锰废水；氯化铵(NH₄Cl)，用于配置氨氮废水；氯化钙(CaCl₂)、氯化镁(MgCl₂)，用于配置含钙镁离子废水；硝酸(HNO₃)、盐酸(HCl)、氨基磺酸(NH₂SO₃H)、酒石酸钾钠(KNaC₄H₄O₆·4H₂O)、过硫酸钾(K₂S₂O₈)等用于检测各类指标含量。所有试剂均为分析纯。

仪器：恒温培养振荡器(SHZ-82)、电子分析天平(AL104)、电热鼓风干燥箱(DHG-9070A)、台式高速离心机(TG16-WS)、紫外分光光度计(UV-1200)、无菌操作台(SW-CJ-IFD)、真空氮气箱式炉(GB11Q-B)、灭菌锅(LHS-24C)等。

1.2 生物炭的制备

将准备好的柚子皮盛于坩埚中并放置到真空氮气箱式炉中，通过高温热解的方式制备柚子皮生物炭。首先将热解炉中空气排出，之后充入氮气，用五步升温法将温度升高至500 ℃热解2 h，待温度降至室温后取出柚子皮生物炭。用研钵将热解后的柚子皮进行研磨并过40目筛，控制粒径在0.25~0.38 mm之间。将研磨后的生物炭使用前用去离子水进行清洗，当洗涤滤液pH为中性后，将得到的生物炭放于恒温烘箱中保存，以备实验之用。

1.3 实验废水设定

电解锰渣废弃物浸出的渗滤液成分十分复杂，其中锰、氨氮、钙和镁的浸出含量占比很高^[

10]。含量呈现出Mn²⁺＞Mg²⁺＞NH⁴⁺＞Ca²⁺的特征，随着堆存时间的增长对周围环境造成了严重的威胁^{[参考文献 11

百度学术}11]。在袁玉南^{[参考文献 12

百度学术}12]的研究中电解锰渣渗滤液锰含量达1 631 mg/L、氨氮含量654 mg/L、镁离子含量933.4 mg/L、钙离子含量294.8 mg/L。此外，根据重庆市秀山电解锰渣场地下水水质的特点，锰含量最高时可达到700 mg/L ^{[参考文献 13

百度学术}13]。按照电解锰渣各个污染物浸出的比例，以及在实际地下水中检测到的污染物质量浓度，进行了实验室废水的配置，设定了锰质量浓度为800 mg/L、氨氮质量浓度为320 mg/L、镁离子质量浓度为450 mg/L以及钙离子质量浓度为150 mg/L的复合污染废水。

1.4 耦合体系对锰、氨氮、钙镁复合废水去除实验

为了探究菌株AL-6、柚子皮生物炭以及炭菌耦合体系（MBC）对复合废水的去除特性，设置了3组实验，分别为菌株AL-6组（纯菌）、BC组（纯生物炭）和MBC组（炭菌耦合体系）。将菌株AL-6活化后按照1%（v/v）的接种量接种至含250 mL硝化培养基的锥形瓶中，其中菌株AL-6组含有1%（v/v）的活化菌株，BC组含有1 g生物炭，MBC组则含有1%（v/v）的菌株AL-6和1 g生物炭。随后在转速为120 r/min，温度30 °C的恒温摇床中连续培养144 h。每24 h取样，离心（7 000 r/min，10 min）并过滤（0.22 μm滤膜）测定各项水质指标。通过紫外分光光度法测定锰、总氮、硝态氮、亚硝态氮的含量，使用钠氏试剂法快速测定氨氮含量，以及使用火焰原子吸收法测定钙镁离子含量。实验一式三份。

1.5 耦合体系在SBR中的潜在应用

为探究MBC在未来水处理中的应用潜力，设计了一个SBR反应器，反应装置图见图1。容积为500 mL的瓶子作为SBR反应装置的反应池，有效容积为400 mL。SBR装置中各个部件通过无菌橡胶软管连接。空气进入反应器之前通过无菌滤膜（0.22 μm）过滤。空气流速为90～100 mL/min。每次的进出水控制在各100 mL使得反应器的总体体积不变，液面维持稳定。SBR中的性能参数设定及运行过程：在无菌条件下将3 mL AL-6菌悬液和2 g BC加入装有400 mL硝化培养基的反应器中。每12 h进行采样并测定锰、氨氮、钙和镁的质量浓度。运行参数如下：进水阶段10 min，曝气搅拌阶段666 min，沉淀阶段40 min，出水阶段4 min。

图1 SBR反应器装置图

Fig.1 The SBR reactor installation diagram

2 结果与讨论

2.1 材料特性

2.1.1 生物炭的表征

在前期的研究中探究了柚子皮生物炭的特性^[

14]。柚子皮生物炭的比表面积为0.259 m²/g，总孔容为9×10^-5，平均孔径为1.467 nm，具有良好的孔隙结构，这些特征有利于污染物的去除。图2是柚子皮生物炭的傅里叶红外光谱图。从图2中可以看出其傅里叶红外变换的峰值主要有：特征区的1 558，1 395，1 254 cm^-1以及指纹区的1 009，870，698 cm^-1。1 558 cm^-1和1 395 cm^-1代表的是

、—CH/—CH₃的弯曲震动^{[参考文献 15

百度学术}15]，1 254 cm^-1代表C—O—C的震动吸收^{[参考文献 16

百度学术}16]。1 009 cm^-1代表C—O键的伸缩震动^{[参考文献 17

百度学术}17]，870～698 cm^-1属于芳香烃C—H键震动^{[参考文献 18

百度学术}18]。由此可知在柚子皮生物炭上的表面官能团主要有：

、—CH/—CH₃、C—O—C、C—O、C—H。在之前的研究中发现生物炭表面官能团对锰和氨氮的去除起着重要的作用。An等^{[参考文献 14

百度学术}14]使用NaOH碱改柚子皮生物炭对锰进行吸附发现—COOH、

C O_{3}^{2 +}

以及各类丰富的含氧官能团极大的促进了锰的吸附。此外，陈梅等^{[参考文献 19

百度学术}19]研究了生物炭对氨氮的吸附机制，结果表明玉米秸秆炭对氨氮的吸附能力与其表面官能团（—OH、C—H、—CH₂、

）之间具有显著相关性；而稻壳生物炭对氨氮的吸附能力相关性最显著的则为生物炭的比表面积，其次是表面官能团（—OH、C—H、

），最后是灰分含量。

图2 柚子皮炭红外光谱^[

14]

Fig. 2 The FTIR of pomelo peel^[

14]

2.1.2 菌株锰氧化性能

前期的研究中发现菌株AL-6有着良好的锰处理效果，当锰质量浓度为300 mg/L时，菌株对锰的最大去除率可达到98.69%（144 h）^[

20]。在一定锰质量浓度范围内，锰对菌株AL-6的生长有着促进作用，当锰质量浓度超过500 mg/L时，菌株AL-6受到锰毒害作用的影响，生长受到抑制^{[参考文献 20

百度学术}20]。图3为菌株AL-6在含锰培养基中培养后的X射线衍射图（XRD）、红外光谱以及扫描电镜图。通过扫描电镜发现在含锰培养基上培养的菌株AL-6表面附着有大量的片状物质，根据XRD 发现在2θ处为21.81°，35.12°，38.37°和55.30°的特征峰与MnO₂的晶型一致，另外在23.13°，32.95°和55.12°处的峰则与Mn₂O₃晶型相符合，推测在反应过程中锰主要以MnO₂、Mn₂O₃等氧化形式被去除^{[参考文献 20

百度学术}20]。Bai等^{[参考文献 21

百度学术}21]的研究中也发现，微生物锰氧化物成分被鉴定为MnO₂、Mn₂O₃。傅里叶红外光谱对比了菌株AL-6处理锰前后的官能团变化，发现—OH的不对称拉伸振动峰从3 300 cm^-1移动到3 304 cm^{-1[参考文献 22

百度学术}22]。烷烃—CH₂的不对称拉伸峰从2 924 cm^-1移至2 927 cm^{-1[参考文献 22

百度学术}22]。1 637 cm^-1处的峰值移动到1 640 cm^-1处，这归因于N—H对称拉伸振动^{[参考文献 23

百度学术}23]。红外光谱结果表明，锰离子主要与细菌表面的羟基，氨基和烷烃结合。此外，红外光谱显示在580 cm^-1处出现了一个新的特征峰，主要是Mn—O键在八面体环境中的振动^{[参考文献 24

百度学术}24]。在前期的研究中发现生物锰氧化物具有普遍的八面体结构。并且这种Mn—O键主要来源于MnO₂或Mn₂O₃等物质^{[参考文献 25

百度学术}25]，这与XRD结果相对应。

图3 菌株AL-6的X射线衍射图、红外光谱图以及扫描电镜^[

20]

Fig. 3 The XRD, FTIR and SEM of strain AL-6^[

20]

2.1.3 炭菌耦合体系特性

为了探究MBC中菌株AL-6的固定情况，在前期的研究中通过磷脂法、好氧速率法（OUR）分析了菌株的生物量和生物活性，并使用扫描电镜观察菌株在生物炭上的分布状况^[

26]。研究发现，即使在120 h衰亡期时活菌生物量（以磷为单位）也很高，可达到17.2 nmol/g，此时的单位生物量活菌耗氧速率为0.027 mg/(h∙nmp)，表明菌株的生物代谢活性高^{[参考文献 26

百度学术}26]。这证明柚子皮生物炭可以作为保持菌株高生物量与生物活性的优良载体。此外，通过扫描电镜（图4）观察到大量的菌株附着在生物炭上。柚子皮生物炭表面上的褶皱和沟壑为菌株提供了良好的附着位点，有利于菌株AL-6的定植。进一步的，生物炭为菌株的生长提供良好的环境，可以抵御一定程度上环境变化带来的影响，有效减少了菌株的流失。

图4 炭菌耦合体系扫描电镜图^[

26]

Fig.4 The SEM of co-system^[

26]

2.2 复合废水去除特性

2.2.1 菌株AL-6对复合废水去除特性

菌株AL-6对含锰复合废水的去除情况由图5所示。在48 h内菌株AL-6对锰的去除呈现快速下降的趋势，废水中的锰质量浓度由800 mg/L下降至104 mg/L。在72 h时，菌株AL-6对锰的去除效果达到最大，最大去除率为96.8%（图5（a））。对氨氮的去除也是在反应的前48 h内达到最大，由初始的320 mg/L下降至108 mg/L，最大去除率为66.24%（图5（b））。在硝化反应过程中硝酸盐和亚硝酸盐几乎没有积累，对环境友好。此外，虽然钙镁离子常常作为菌株生长的微量元素，但微生物对钙镁的吸收吸附有限。菌株AL-6对钙镁离子的去除如图5（c）所示，镁离子只在初始的24 h有所下降（24 h去除率为20.87%），在后期的处理过程中去除效果达到稳定，而钙离子则在96 h达到最大去除率35.9%。在3种金属离子都存在的情况下，当生物量保持不变时，受结合位点可用的表面空间有限可能会导致金属离子相互竞争在生物吸附剂上的官能团^[

27]。据研究表明重金属相比于轻金属更容易被生物吸附^{[参考文献 28

百度学术}28]。锰离子与钙镁离子在竞争吸附位点时更具优势。此外，钙离子、锰离子可以与菌株表面的负电荷集团结合，使得菌株成为钙离子理想的成核位点，这一过程也使得菌株在富锰环境中得到保护从而更高效的进行水处理^{[参考文献 29

百度学术}29]。

图5 菌株AL-6 MBC对复合污染物去除特性

Fig. 5 Removal characteristics of strain AL-6 for complex pollutants

2.2.2 柚子皮生物炭对复合废水去除特性

与菌株AL-6相比，柚子皮生物炭对各污染物的吸附作用要小的多。由图6（a）可知，BC在15 h对锰离子达到最大吸附量为91 mg/g，并且在随后的过程中出现了锰脱附现象，溶液锰质量浓度又升高到769.77 mg/L，说明其锰吸附性能并不稳定。此外，柚子皮生物炭对氨氮几乎没有去除，仅在9 h时有微小的吸附，吸附量为8.54 mg/g，依靠单纯的吸附作用无法将氨氮去除到满意水平。图6（c）显示了BC对钙镁离子的吸附作用，前9 h快速吸附，随后达到吸附饱和趋于稳定，对钙镁离子的最大去除量分别为19.23 mg/g和56 mg/g。柚子皮生物炭对Mn²⁺、NH $_{4}^{+}$ 、Mg²⁺、Ca²⁺的最大吸附容量分别为26.57，2.98，7.69，14.76 mg/g（图6（d））。在本文的前期研究中^[

26]，柚子皮生物炭在单一锰污染水体中的最大锰吸附容量为37.93 mg/g要远高于在复合废水中的锰吸附量26.57 mg/g，这与复合废水成分复杂各离子之间竞争吸附位点有关^{[参考文献 30

百度学术}30]。Lee等^{[参考文献 31

百度学术}31]研究了不同改性生物炭对镉、铅和锌的去除特性，研究发现，生物炭对单一重金属的去除能力要远优于在混合废水中对该金属的去除，去除效率Pb>Cd>Zn，表明在生物炭表面上重金属离子之间竞争性吸附的发生。

图6 BC对复合污染物去除特性

Fig. 6 Removal characteristics of BC for complex pollutants

2.2.3 炭菌耦合体系对复合废水去除特性

图7显示了MBC体系对Mn²⁺、NH $_{4}^{+}$ —N、Ca²⁺、Mg²⁺复合污染的去除特性。初始Mn²⁺质量浓度为800 mg/L，NH $_{4}^{+}$ —N质量浓度为320 mg/L、Ca²⁺质量浓度为150 mg/L、Mg²⁺质量浓度为450 mg/L。由图7（a）中可以看出MBC在24 h对Mn²⁺的去除量就可达到278.18 mg/L，在48 h之后最大锰去除率为98.46%。由图7（b）中可以看出初始氨氮质量浓度为320 mg/L时，MBC对NH $_{4}^{+}$ —N的最大去除率为71.92%，在48 h NH $_{4}^{+}$ —N的含量略有上升并在随后保持稳定。在早期的研究中发现即使是使用氢氧化钠改性的柚子皮生物炭对NH $_{4}^{+}$ —N的吸附去除效果并不好，最大去除率仅有21%^[

14]。此外，在反应过程中硝酸盐和亚硝酸盐仅有少量的积累，表明炭菌耦合体系在处理NH

_{4}^{+}

—N污染时表现出环境友好的特性。从图7（c）中可以看出，MBC对钙镁有一定的去除效果最大去除率可分别达到41.46%和26.95%。复合废水因成分复杂，在污染物去除过程中相互干扰或相互促进，有研究表明锰离子和氨氮之间存在着竞争吸附，为了竞争电子受体相互抑制，随着氨氮质量浓度上升锰的去除效率下降^{[参考文献 20

百度学术}20]。镁离子则可以提高菌株AMO酶的活性，有助于氨氮的去除^{[参考文献 32

百度学术}32]。图7（d）反映了菌株组、生物炭组以及耦合体系组对各污染物的去除速率。生物炭对锰、氨氮、钙镁的平均去除速率分别为1.10，0.56，0.41，1.20 mg/(L∙h)。菌株AL-6对锰、氨氮、钙镁的平均去除速率分别为14.53，4.42，0.64，2.08 mg/(L∙h)。MBC对锰、氨氮、钙镁的平均去除速率分别为15.87，4.98，0.96，2.08 mg/(L∙h)。结果表明，耦合体系对于复合废水的处理能力要优于生物炭以及菌株AL-6，对锰的去除速率是菌株AL-6组的1.09倍，生物炭组的14.33倍。此外，由图7（d）可知在MBC去除锰、氨氮以及钙镁过程中菌株AL-6对污染物的去除作用占据主导地位，生物炭对菌株的固定化与保护作用，进一步提高了菌株对复合废水的处理能力。

图7 MBC对复合污染物去除特性

Fig. 7 Removal characteristics of the coupling system for complex pollutants

2.3 SBR应用特性

图8中反应了MBC体系在SBR反应器中对含Mn²⁺、NH $_{4}^{+}$ —N、Ca²⁺、Mg²⁺复合废水的处理特性。图8（a）显示出水锰质量浓度在反应初12 h内大幅度的下降，Mn²⁺质量浓度下降至524.55 mg/L，在48 h之后SBR反应器锰出水达到稳定，最大锰去除率为90.1%。MBC体系对Mg²⁺、Ca²⁺的去除在反应的48 h后达到最大并逐渐稳定，最大去除量分别为65.79 mg/L和45.50 mg/L。相比之下，炭菌耦合体系对钙镁的去除效果并不理想，虽然钙镁是菌株生长的必要微量元素，但是菌株对钙镁的吸收和利用还是十分有限。图8（b）可以看出MBC体系在SBR中对氨氮有良好的去除效果。在反应器运行的初期氨氮的去除效果显著，在第36 h时氨氮去除量达到245.31 mg/L，最大去除率为85.44%。此外，在整个硝化反应过程中， $N O_{3}^{-}$ —N和 $N O_{2}^{-}$ —N仅有少量的积累，最大积累量分别为22.25 mg/L和3.91 mg/L，显示MBC体系在处理氨氮废水表现出了环境友好的特性。综上，炭菌耦合体系对复合污染废水的处理，除了钙镁离子的处理效果不佳，对锰和氨氮的处理具有很大的应用潜力。

图8 炭菌耦合体系在SBR实验中的复合废水处理性能

Fig. 8 Composite wastewater treatment performance in SBR experiment by the coupling system

3 结论

考察了菌株AL-6、柚子皮生物炭以及炭菌耦合体系对锰、氨氮、钙镁离子复合污染水体的修复能力，并设计了SBR反应器来探究炭菌耦合体系的潜在应用价值，得到以下结论：

1）柚子皮生物炭有着良好的孔隙结构和丰富的含氧官能团，是微生物固定化的良好载体。

2）MBC对锰、氨氮的去除主要机理是由于微生物的作用，通过生物氧化的方式将Mn²⁺氧化成Mn₂O₃等锰氧化物吸附在菌体表面。在复杂废水中，各离子之间相互竞争，重金属锰的生物吸附效果要强于轻金属钙、镁。

3）在SBR反应器中的应用，炭菌耦合体系表现出了良好的锰和氨氮的去除能力，48 h内Mn²⁺的最大去除率为90.1%，氨氮的最大去除率为85.44%，并且可以保证稳定的出水质量，为后期的实践应用提供了理论依据。

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