本发明属于生物炭制备和环保技术领域，涉及一种适用于负载光合菌系红假单胞菌的生物炭及其制备方法和在黑臭水体净化中的应用。
背景技术：
固定化微生物修复是微生物修复的一种，是利用物理或化学方法使游离微生物固定在一个区域并保持高度富集与活性，来满足应用的生物技术。载体材料的选择在此关键技术中非常重要，海藻酸盐、琼脂、卡拉胶、明胶、海绵等天然高分子载体材料虽无生物毒性、传质性能好，但物理强度较低。合成高分子载体材料通常具有较大的物理强度，但其传质性能差。开发新型载体材料刻不容缓。生物炭的研发和利用可以实现废弃物的重新配置利用，更多利益流向人类。实现生物炭的定性、定向制备是发展微生物固定化技术的前驱条件。
中国专利cn109734199a公开了一种固定化微生物结构体及其制备方法，该方法包括下列步骤：s1，以城市生物质废弃物为原料，对原料进行化学活化处理；s2，对化学活化处理后的产物进行低温炭化，获得生物质基生物炭；s3，将包埋剂与生物质基生物炭混合，其中，所述包埋剂包括能够生物降解的材料；s4，向步骤s3中获得的混合物添加过增氧剂、对黑臭河道具有降解效果的微生物和生长因子；s5，对步骤s4中的产物进行包埋化固定。
中国专利cn106520752a公开了一种生物炭固定化微生物的方法，所述制备方法为：将聚乙烯醇溶液和海藻酸钠溶液混合均匀，形成混合凝胶液，将经生物质炭吸附后的微生物菌悬液和混合凝胶液混合，得到混合菌液；先滴入饱和硼酸的氯化钙(cacl2)溶液交联，制得固定化小珠，再用生理盐水冲洗三次备用。本发明制得的固定化小珠比表面积大，开孔率高、含水率大，微生物活性高。
现有生物炭载体是将吸附有微生物的生物炭制成菌球，操作繁琐，成本较高；在实际应用过程中，菌剂外部的包裹材料容易阻碍菌株与污染物的接触，降低菌剂的降解能力。
技术实现要素：
为了解决现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是在于提供一种制备高孔隙结构和富含羟基、羧基、醌基等带电官能团并被植入多电子含氮官能团的适用于负载光合菌系红假单胞菌的生物炭的方法。
为了实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：
一种适用于负载光合菌系红假单胞菌的生物炭的制备方法，将生物质原料、碳酸氢铵、钙镁磷肥和磷酸混合后，先在40-70℃下进行溶胀渗透，然后在150-350℃下进行碳化即得。
本发明在生物质原料中创新地添加了氮肥(碳酸氢铵)、磷肥(钙镁磷肥)和磷酸，通过两段式加热和碳化法，靶向制备得到高孔隙结构、较好机械性能和富含羟基、羧基、醌基等带电官能团并被植入多电子含氮官能团的适合负载光合菌系红假单胞菌的生物炭，其宏观表现为一体的蜂巢式结构。氮肥在40-70℃下分解成nh3和co2以及水分的蒸腾作用，两者共同提供动力使材料多孔，提高了生物炭的孔隙率；磷酸具有粘性使生物质粒子相互粘结并可以加快生物质的炭化，并具有固化塑形的效果，提高了生物炭的机械强度；磷肥为钙镁磷肥，和磷酸相互作用，溶胀至生物质内部，经炭化后形成磷酸盐和碳酸钙，经hcl溶液洗涤后溶于水中，使材料微小孔洞暴露出来，增大材料的孔隙率和比表面积，同时残留的营养物质可提供微生物生命活动所需，有利于微生物的负载。其次较多的孔隙有利于氧气的鼓入，以及与nh3和co2气氛作用，形成更多带电的含氧官能团并植入含氮官能团，给微生物提供电子，促进种间电子传递，提升微生物活性，加快有机物的降解。
作为优选，所述的生物质原料为富含纤维素类的农林生物质；进一步优选，为农作物秸秆和果树修剪枝干，例如玉米杆、棉花杆、葡萄藤、苎麻杆中的至少一种。
作为优选，所述的生物质原料经干燥、粉碎、过筛使得其颗粒度不小于80目；进一步优选为80-200目；更进一步优选为80-150目。颗粒度大小影响生物炭的孔隙率、紧实程度和空气灌通效果。颗粒度太小，结构密实；颗粒度太大，结构松散。
作为优选，碳酸氢铵(氮肥)、钙镁磷肥(磷肥)和85wt％磷酸以3g:1g:15-40ml的比例和水配置成总的质量分数为50-60wt％的混合溶液；然后生物质原料和混合溶液按照1g:5-45ml的比例搅拌混合均匀。本发明优选的比例下有助于获得三维紧实结构、机械强度好、孔隙丰富、宏观上一体的蜂巢式结构的生物炭。浓度太低，结构松散；然而，浓度过多，水蒸发带动力度不足，不利于蒸腾作用，结构过于紧实。
作为优选，溶胀渗透的时间为30-60min。该时间范围有利于水分的均匀蒸腾和氮肥的分解。
作为优选，碳化温度为200-300℃。温度太低，生物炭压实；温度太高，生物炭易裂开。
作为优选，碳化时间为4-6h。炭化时间影响含氧官能团的转化，该时间范围内形成最多的羟基、羧基、醌基等带电官能团。
作为优选，碳化后依次采用6-20wt％hcl、6-20wt％naoh和蒸馏水洗涤至ph为7-8。
本发明还提供了上述制备方法制得的生物炭，具有丰富的孔隙和较好的机械强度，富含羟基、羧基、醌基等带电官能团，表面存在营养物质，特别适合红假单胞菌的负载。
本发明还提供了上述生物炭的应用，将其负载红假单胞菌，用于黑臭水体净化。
作为优选，将生物炭和体积分数为1-3％的红假单胞菌液按质量体积比为2g:100ml混合后于室温震荡2天负载红假单胞菌，得到负载红假单胞杆菌的的蜂巢式生物炭，用于黑臭水体净化。
本发明先通过在40-70℃下水分的蒸腾作用 氮肥分解成氨气和二氧化碳气流的缓冲击作用，使材料成“糕”式鼓起与多孔，并且在此反应过程中磷酸和钙镁磷肥充分溶胀至生物质结构内部，经过后期的高温碳化反应使材料具有丰富的比表面积。所述的制备方法制得的生物炭富含羟基、羧基、醌基等带电官能团、富含n、o、p元素、富含丰富的空隙结构和较好的机械强度，其宏观表现为一体的蜂巢式结构，可以为宽0.5-0.9μm、长1.2-2.0μm的杆状红假单胞菌提供适宜的居住环境，用于黑臭水体的修复，去除水体中的有机污染物、脱氮除磷，使水体恢复自净能力。
本发明的有益效果：
采用本发明方法所制备得到生物炭宏观表现为一体的蜂巢式结构，具有均匀发达的网质结构、机械性能好、表面存在营养物质和含有丰富的带电官能团，非常适合红假单胞杆菌的负载。负载红假单胞菌的生物炭可应用于黑臭水体的修复，去除水体中的有机污染物、脱氮除磷，使水体恢复自净能力。此外本发明方法生物质来源于果树修剪枝干和农业废弃物，来源广，实现了废弃物的再生利用，由于其操作温度低，工艺简单，制备成本低，有利于工业化生产。
附图说明
图1为实施例1制得的生物炭的红外光谱图；
图2为实施例1制得的生物炭的x射线光电子能谱图；
图3为实施例1制得的生物炭的比表面积吸脱附曲线；
图4为实施例1制得的生物炭的图片(a)和负载红假单胞菌的生物炭在不同放大倍率下的扫描电镜图片(b和c)；
图5为对比例1制得的生物炭的比表面积吸脱附曲线；
图6为对比例2制得的生物炭的图片；
图7为对比例3制得的生物炭在烧杯里超声后的图片；
图8为对比例5制得的生物炭的图片。
具体实施方式
下面将通过实施例对本发明作进一步的描述，这些描述并不是要对本发明的内容作进一步的限定。本领域的技术人员应理解，对本发明内容的技术特征所做的等同替换，或相应的改进，仍属于本发明的保护范围之内。
以下实施例以及对比例，除特别声明外，所述的农作物秸秆和果树修剪枝干均指苎麻杆。
实施例1
在80℃将苎麻杆烘干，破碎成粉末，筛选出100目的颗粒待用，将碳酸氢铵、钙镁磷肥和85wt％磷酸以3g:1g:25ml的比例和水配置成总的质量分数为50wt％的混合溶液，取苎麻杆粉和混合溶液按照1g:20ml于坩埚中，搅拌均匀后放入烘箱中50℃反应40分钟后，升高温度至200℃烧5小时靶向得到富含带电官能团和丰富空隙结构的前体。将前体取出，先用15wt％的hcl溶液超声5min左右洗去碳酸盐沉淀，暴露空隙；再用15wt％naoh浸泡3h，超声20min左右，充分洗去立体生物炭内部酸性和杂质，再用蒸馏水超声洗涤至ph为7.5即得到成品“蜂巢式结构生物炭”。将2g生物炭放入100ml体积分数为2％的红假单胞菌液中室温震荡2天负载红假单胞菌得到负载样品。
如图1所示，通过红外光谱图可以证实实施例1制备得到的生物炭富含含氧官能团并被植入多电子含氮官能团。
如图2所示，通过x射线光电子能谱图进一步证实实施例1中采用此方法制备的生物炭成功掺入n、o、p元素，富含含氧官能团和含氮官能团，可以给微生物提供电子，促进种间电子传递，提升微生物活性，加快有机物的降解。
如图3所示，通过氮气吸脱附曲线可以证实实施例1制备得到的生物炭含有大的比表面积(比表面积：461.34m2/g，平均孔径直径:2.5912nm)，可以为微生物提供较多的活性位点和较大的寄居环境。
如图4所示，实施例1制备得到的生物炭其宏观表现为一体的蜂巢式结构，具有好的机械性能，且生物炭成功负载有大量的红假单胞菌。
实施例2
在80℃将苎麻杆烘干，破碎成粉末，筛选出100目的颗粒待用，将碳酸氢铵、钙镁磷肥和85wt％磷酸以3g:1g:40ml的比例和水配置成总的质量分数为60wt％的混合溶液，取苎麻杆粉和混合溶液按照1g:30ml于坩埚中，搅拌均匀后放入烘箱中60℃反应40分钟后，升高温度至300℃烧5小时靶向得到富含带电官能团和丰富空隙结构前体。将前体取出，先用15wt％的hcl溶液超声5min左右洗去碳酸盐沉淀，暴露空隙；再用15wt％naoh浸泡3h，超声20min左右，充分洗去立体生物炭内部酸性和杂质，再用蒸馏水超声洗涤至ph为7.5即得到成品“蜂巢式结构生物炭”。将2g生物炭放入100ml体积分数为2％的红假单胞菌液中室温震荡2天负载红假单胞菌得到负载样品。
对比例1
在80℃将苎麻杆烘干，破碎成粉末，筛选出100目的颗粒待用，将碳酸氢铵、钙镁磷肥和85wt％磷酸以3g:1g:25ml的比例和水配置成总的质量分数为50wt％的混合溶液，取苎麻杆粉和混合溶液按照1g:20ml于坩埚中，搅拌均匀后于烘箱中升高温度至200℃烧5小时靶向得到富含带电官能团和丰富空隙结构的前体。将前体取出，先用15wt％的hcl溶液超声5min左右洗去碳酸盐沉淀，暴露空隙；再用15wt％naoh浸泡3h，超声20min左右，充分洗去立体生物炭内部酸性和杂质，再用蒸馏水超声洗涤至ph为7.5即得到生物炭。将2g生物炭放入100ml体积分数为2％的红假单胞菌液中室温震荡2天负载红假单胞菌得到负载样品。
如图5所示，不经过低温渗透，混合溶液来不及溶胀至生物质内部，只和材料外表面接触，在高温下发生化学反应，降解与转化，制备得到的对比例1生物炭样品比表面积较小(比表面积：200.23m2/g，平均孔径直径:2.6774nm)。而本发明通过在40-70℃下水分的蒸腾作用 氮肥分解成氨气和二氧化碳气流的缓冲击作用，使材料成“糕”式鼓起与多孔，并且在此反应过程中磷酸和钙镁磷肥充分溶胀至生物质结构内部，经过后期的高温碳化过程使材料具有丰富的比表面积。
对比例2
在80℃将苎麻杆烘干，破碎成粉末，筛选出100目的颗粒待用，将碳酸氢铵、钙镁磷肥和85wt％磷酸以3g:1g:25ml的比例和水配置成总的质量分数为50wt％的混合溶液，取苎麻杆粉和混合溶液按照1g:20ml于坩埚中，搅拌均匀后放入烘箱中100℃反应40分钟后，升高温度至200℃烧5小时靶向得到富含带电官能团和丰富空隙结构的前体。将前体取出，先用15wt％的hcl溶液超声5min左右洗去碳酸盐沉淀，暴露空隙；再用15wt％naoh浸泡3h，超声20min左右，充分洗去立体生物炭内部酸性和杂质，再用蒸馏水超声洗涤至ph为7.5即得到生物炭。将2g生物炭放入100ml体积分数为2％的红假单胞菌液中室温震荡2天负载红假单胞菌得到负载样品。
如图6所示，100℃下渗透，氮肥和水蒸气急剧挥发，冲击力较强。磷酸和生物质粉发生初步化学反应，并在后期高温碳化下，制备得到的对比例2生物炭易碎，不具有整体式结构。
对比例3
在80℃将苎麻杆烘干，破碎成粉末，筛选出100目的颗粒待用，将氯化铵、钙镁磷肥和85wt％磷酸以3g:1g:25ml的比例和水配置成总的质量分数为50wt％的混合溶液，取苎麻杆粉和混合溶液按照1g:20ml于坩埚中，搅拌均匀后放入烘箱中50℃反应40分钟后，升高温度至200℃烧5小时靶向得到富含带电官能团和丰富空隙结构的前体。将前体取出，先用15wt％的hcl溶液超声5min左右洗去碳酸盐沉淀，暴露空隙；再用15wt％naoh浸泡3h，超声20min左右，充分洗去立体生物炭内部酸性和杂质，再用蒸馏水超声洗涤至ph为7.5即得到生物炭。将2g生物炭放入100ml体积分数为2％的红假单胞菌液中室温震荡2天负载红假单胞菌得到负载样品。
如图7所示，氯化铵替换碳酸氢铵，低温渗透反应条件下产生的气流小，冲击动力小，对比例3制备得到的生物炭样品结构过于紧实，比表面积相对较少，生物炭吸附有机物的能力变小，负载在生物炭表面的红假单胞菌吸附和吸收有机物的效率较低，污染物去除效率低。
对比例4
在80℃将苎麻杆烘干，破碎成粉末，筛选出100目的颗粒待用，将碳酸氢铵、k2hpo4和85wt％磷酸以3g:1g:25ml的比例和水配置成总的质量分数为50wt％的混合溶液，取苎麻杆粉和混合溶液按照1g:20ml于坩埚中，搅拌均匀后放入烘箱中50℃反应40分钟后，升高温度至200℃烧5小时靶向得到富含带电官能团和丰富空隙结构的前体。将前体取出，先用15wt％的hcl溶液超声5min左右洗去碳酸盐沉淀，暴露空隙；再用15wt％naoh浸泡3h，超声20min左右，充分洗去立体生物炭内部酸性和杂质，再用蒸馏水超声洗涤至ph为7.5即得到生物炭。将2g生物炭放入100ml体积分数为2％的红假单胞菌液中室温震荡2天负载红假单胞菌得到负载样品。
本发明中钙镁磷肥和磷酸相互作用，溶胀至生物质内部，经炭化后形成磷酸盐和碳酸钙，经hcl溶液洗涤后溶于水中，使材料微小孔洞暴露出来，可增大材料的孔隙率和比表面积，提升负载样品的去污能力，而采用k2hpo4制得的负载样品则污染物去除效率低。
对比例5
在80℃将苎麻杆烘干，破碎成粉末，筛选出100目的颗粒待用，将碳酸氢铵、钙镁磷肥和85wt％koh以3g:1g:25ml的比例和水配置成总的质量分数为50wt％的混合溶液，取苎麻杆粉和混合溶液按照1g:20ml于坩埚中，搅拌均匀后放入烘箱中50℃反应40分钟后，升高温度至200℃烧5小时靶向得到富含带电官能团和丰富空隙结构的前体。将前体取出，先用15wt％的hcl溶液超声5min左右洗去碳酸盐沉淀，暴露空隙；再用15wt％naoh浸泡3h，超声20min左右，充分洗去立体生物炭内部酸性和杂质，再用蒸馏水超声洗涤至ph为7.5即得到生物炭。将2g生物炭放入100ml体积分数为2％的红假单胞菌液中室温震荡2天负载红假单胞菌得到负载样品。
如图8所示，对比例5采用85wt％koh制得的生物炭为粉体。而磷酸除了可以加快生物质分解碳化外，还具有固持作用，使生物质原有的糕形固化塑形并稳定，其宏观表现为一体的蜂巢式结构。
对比例6
在80℃将苎麻杆烘干，破碎成粉末，筛选出100目的颗粒待用，将碳酸氢铵、钙镁磷肥和85wt％磷酸以3g:1g:25ml的比例和水配置成总的质量分数为80wt％的混合溶液，取苎麻杆粉和混合溶液按照1g:20ml于坩埚中，搅拌均匀后放入烘箱中50℃反应40分钟后，升高温度至200℃烧5小时靶向得到富含带电官能团和丰富空隙结构的前体。将前体取出，先用15wt％的hcl溶液超声5min左右洗去碳酸盐沉淀，暴露空隙；再用15wt％naoh浸泡3h，超声20min左右，充分洗去立体生物炭内部酸性和杂质，再用蒸馏水超声洗涤至ph为7.5即得到生物炭。将2g生物炭放入100ml体积分数为2％的红假单胞菌液中室温震荡2天负载红假单胞菌得到负载样品。本对比例中，混合液浓度过高，水蒸发带动力度不足，制备得到的生物炭过于紧实，负载样品的去污效果差。而合适的混合液浓度有助于获得三维紧实结构、机械强度好、孔隙丰富、其宏观表现为一体的蜂巢式结构的生物炭，从而使得负载样品的对污染物去除效率高。
实施例1-2以及对比例1-6制得的负载样品1g投加到100ml某黑臭水体水样中(该水样的原始cod为632mg/l，总氮为54mg/l，总磷为29mg/l)，放于摇床中，25℃以140r/min的转速震荡72h，检测水体cod、总氮和总磷数据，结果如表1所示：
表1黑臭水体水样处理前后对比
注：“空白”为仅直接往黑臭水体水样中加入相同量(和生物炭负载红假单胞菌液中添加的量相同)的红假单胞菌液。
1.一种适用于负载光合菌系红假单胞菌的生物炭的制备方法，其特征在于：将生物质原料、碳酸氢铵、钙镁磷肥和磷酸混合后，先在40-70℃下进行溶胀渗透，然后在150-350℃下进行碳化即得。
2.根据权利要求1所述的一种适用于负载光合菌系红假单胞菌的生物炭的制备方法，其特征在于：所述的生物质原料为富含纤维素类的农林生物质，经干燥、粉碎、过筛使得其颗粒度不小于80目。
3.根据权利要求1所述的一种适用于负载光合菌系红假单胞菌的生物炭的制备方法，其特征在于：碳酸氢铵、钙镁磷肥和85wt％磷酸以3g:1g:15-40ml的比例和水配置成总的质量分数为50-60wt％的混合溶液；然后生物质原料和混合溶液按照1g:5-45ml的比例搅拌混合均匀。
4.根据权利要求1所述的一种适用于负载光合菌系红假单胞菌的生物炭的制备方法，其特征在于：溶胀渗透的时间为30-60min。
5.根据权利要求1所述的一种适用于负载光合菌系红假单胞菌的生物炭的制备方法，其特征在于：碳化的温度为200-300℃。
6.根据权利要求1所述的一种适用于负载光合菌系红假单胞菌的生物炭的制备方法，其特征在于：碳化时间为4-6h。
7.根据权利要求1-6任一项所述的一种适用于负载光合菌系红假单胞菌的生物炭的制备方法，其特征在于：碳化后依次采用6-20wt％hcl、6-20wt％naoh和蒸馏水洗涤至ph为7-8。
8.权利要求1-7任一项所述的制备方法制得的生物炭。
9.权利要求8所述的生物炭的应用，其特征在于：将其负载红假单胞菌，用于黑臭水体净化。
10.根据权利要求9所述的生物炭的应用，其特征在于：将生物炭和体积分数为1-3％的红假单胞菌液按质量体积比为2g:100ml混合后于室温震荡2天负载红假单胞菌，得到负载红假单胞杆菌的的蜂巢式生物炭，用于黑臭水体净化。
技术总结