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CN115557601B - 生物质微球及其制备方法与应用、生物反应器、地下井 - Google Patents

生物质微球及其制备方法与应用、生物反应器、地下井 Download PDF

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CN115557601B CN202211390541.0A CN202211390541A CN115557601B CN 115557601 B CN115557601 B CN 115557601B CN 202211390541 A CN202211390541 A CN 202211390541A CN 115557601 B CN115557601 B CN 115557601B
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Abstract

本发明公开了一种生物质微球及其制备方法与应用、生物反应器、地下井，属于地下水处理技术领域。该生物质微球由功能菌负载于载体上，且负载有功能菌的载体被包埋剂形成的交联结构包埋而得；功能菌包括对氯苯胺降解菌；载体包括多孔生物碳；包埋剂包括海藻酸钠以及可与海藻酸钠交联的物质。该生物质微球能够提高功能菌的抗干扰能力，降低微生物流失，有效去除对氯苯胺。填充有上述生物质微球的生物反应器及其应用的地下井，不但具有较高的对氯苯胺去除效果，而且还能防止系统堵塞及井外生物淤积，降低二次污染风险，减少维护成本，并有利于后续材料回收。

Description

生物质微球及其制备方法与应用、生物反应器、地下井
技术领域
本发明涉及地下水处理技术领域，具体而言，涉及一种生物质微球及其制备方法与应用、生物反应器、地下井。
背景技术
以对氯苯胺(p-Chloroaniline)为代表的持久性有机污染物存在于自然环境中而无法被有效降解，由于其高毒性、低降解性及高扩散性，长期积累会对生态环境造成潜在威胁。这些持久性有机污染物被广泛应用于农药、染料、塑料、防腐剂及药物等工业生产领域，因此工业废水是其主要污染源之一。有机污染物伴随废水排放进入自然环境，并在水体中广泛存在。
针对地下水中存在的有机污染物，常采用地下循环井修复技术进行地下水原位修复。其主要原理是依靠泵的作用使井内外形成水位差，从而维持循环井周围的三维循环流，在此基础上结合生物修复、井中气提、化学氧化等技术，极大地拓宽了循环井技术的适用范围。生物修复法因其具有环保、经济、实用等特点而被广泛运用于有机污染修复中。
现有研究往往采用生物膜反应器作为井内反应器，利用微生物定殖在载体表面形成膜状生物污泥以去除污染物。然而生物膜反应器存在一定弊端，如载体材料及环境条件会影响生物膜的形成，不适宜的载体材料可能导致挂膜难、易脱落等问题，而苛刻的环境条件会抑制膜的形成；在反应器运行过程中，水流冲击及载体材料间相互碰撞也会导致膜的脱落，进而影响出水水质，造成二次污染；同时泥水混合物可能堵塞泵回路，增加系统维护成本。
鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种生物质微球，其能够提高功能菌的抗干扰能力，降低微生物流失，有效去除对氯苯胺。
本发明的目的之二在于提供一种上述生物质微球的制备方法。
本发明的目的之三在于提供一种上述填充有上述生物质微球的生物反应器，有利于解决上述技术问题。
本发明的目的之四在于提供一种上述生物质微球或生物反应器的应用。
本发明的目的之五在于提供一种设有上述生物反应器的地下井。
本申请可这样实现：
第一方面，本申请提供了一种生物质微球，其由功能菌负载于载体上，且负载有功能菌的载体被包埋剂形成的交联结构包埋而得；
功能菌包括对氯苯胺降解菌；载体包括多孔生物碳；包埋剂包括海藻酸钠以及可与海藻酸钠交联的物质。
在可选的实施方式中，可与海藻酸钠交联的物质为含Ca2+的物质。
在可选的实施方式中，可与海藻酸钠交联的物质为CaCl2。
在可选的实施方式中，生物质微球的粒径为2-4mm。
第二方面，本申请提供如前述实施方式的生物质微球的制备方法，包括以下步骤：将包埋剂对负载有功能菌的载体进行包埋。
在可选的实施方式中，包埋包括：将负载有功能菌的载体与包埋剂混合，并使交联剂发生交联反应。
在可选的实施方式中，将功能菌的菌液加入培养基中与载体共培养，得到第一混合液；将第一混合液与海藻酸钠溶液混合，得到第二混合液；将第二混合液与CaCl2溶液混合，交联。
在可选的实施方式中，共培养所用的培养基为LB液体培养基。
在可选的实施方式中，每10-40mL LB液体培养基中接种1-5mL的菌液，所述菌液的吸光度为OD600＝1-1.5。
在可选的实施方式中，LB液体培养基与载体的比例为10-40mL:0.1-2g。
在可选的实施方式中，第一混合液与海藻酸钠溶液的比例为1:2-4，海藻酸钠溶液中海藻酸钠的质量浓度为1-3％。
在可选的实施方式中，第二混合液与CaCl2溶液的比例为1-3:10，CaCl2溶液中CaCl2的质量浓度为2-5％。
在可选的实施方式中，共培养是于30-37℃、130-170r/min的条件下进行24-48h。
在可选的实施方式中，还包括：将包埋后的材料进行清洗和干燥。
第三方面，本申请提供一种生物反应器，其内部填充有前述实施方式的生物质微球。
在可选的实施方式中，生物反应器包括反应器壳体，反应器壳体的内部形成反应腔室；反应器壳体的相对的两端分别为进水端和出水端，出水端设有顶盖；
沿水流方向，反应腔室内设置有多块可拆卸式滤水件，最靠近进水端的滤水件至顶盖之间的反应腔室内填充有生物质微球。
在可选的实施方式中，滤水件的厚度方向设有多个滤水孔，滤水孔的直径小于生物质微球的粒径。
在可选的实施方式中，生物反应器还包括显示器以及传感器；
传感器的传感部位于反应腔室内并与显示器电信号连接；
传感器包括pH传感器、溶解氧传感器以及温度传感器中的至少一种。
在可选的实施方式中，生物反应器还包括提升泵、取样管以及阀门；
反应器壳体上开设有至少一个取样口，每个取样口均连接有一根取样管，取样管上设有提升泵和阀门。
在可选的实施方式中，反应器壳体的上部、中部和下部均设有取样口。
在可选的实施方式中，进水端和出水端分别连接有进水管和出水管，进水管和出水管均设有过滤件。
第四方面，本申请提供如前述实施方式的生物质微球或前述实施方式任一项的生物反应器在去除对氯苯胺污染物中的应用。
在可选的实施方式中，生物质微球或生物反应器用于除去水体污染物中的对氯苯胺。
第五方面，本申请提供一种地下井，其内部设有前述实施方式任一项的生物反应器。
在可选的实施方式中，地下井呈立式，按由下至上的方向，地下井具有进水区、处理区以及出水区；
生物反应器设置于处理区内，进水区与处理区之间由第一封隔件隔开，处理区与出水区之间由第二封隔件隔开；第一封隔件设有第一通孔，第二封隔件设有第二通孔；
生物反应器的进水管穿过第二通孔并伸入进水区内，生物反应器的出水管穿过第二通孔并伸入出水区内；
在可选的实施方式中，进水区和出水区分别设有第一滤水管和第二滤水管。
在可选的实施方式中，伸入出水区的出水管的端部设有布水器。
在可选的实施方式中，进水管的位于处理区内的部分还连接有抽水泵和流量计。
在可选的实施方式中，进水区连接有供氧器。
本申请的有益效果包括：
本申请以多孔生物炭为载体材料，海藻酸钠及可与海藻酸钠交联的物质为包埋剂，以驯化所得降解菌为工程菌，通过包埋法制得生物质微球材料。上述多孔生物炭的孔隙结构丰富、比表面积大、官能团数量多，可为微生物提供大量的附着位点。海藻酸钠为天然多糖，不会对生态环境及微生物造成毒害作用，此外其成球条件温和、传质性佳，可作为一种良好的包埋原料。该具有包埋结构的生物质微球能够提高功能菌的抗干扰能力，降低微生物流失，有效去除对氯苯胺。
本申请提供的生物反应器结构简单，不但具有较高的对氯苯胺去除效果，而且还能防止系统堵塞，降低二次污染风险，减少维护成本，并有利于后续材料回收。
本申请通过将生物修复技术与地下水循环井修复技术相耦合，一方面通过循环井将地下水中污染物汇集至井内，提高微生物对污染物的捕获程度，一方面利用生物质微球吸附并去除对水体中的污染物。两者相互结合，有效修复地下水污染，改善地下水水质，同时防止二次污染、减少维护成本并且利于后续材料回收。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本申请提供的生物反应器的结构示意图；
图2为图1生物反应器中滤水件的俯视图；
图3为本申请中地下井的结构示意图；
图4为本申请中生物质微球的作用机理图；
图5为本申请试验例中不同材料对污染物的降解效率结果图；
图6为本申请试验例中不同污染程度下生物质微球的修复结果图。
图标：1-顶盖；2-滤网；3-pH传感器；4-溶解氧传感器；5-温度传感器；6-显示器；7-提升泵；8-阀门；9-第一取样口；10-第二取样口；11-第三取样口；12-滤水件；13-生物质微球；14-滤水孔；15-卡口；16-第一滤水管；17-第二滤水管；18-第一封隔件；19-第二封隔件；20-抽水泵；21-流量计；22-生物反应器；23-布水器；24-鼓风机。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
请一并参照图1至图4，下面对本申请提供的生物质微球及其制备方法与应用、生物反应器、地下井进行具体说明。
本申请提出一种生物质微球13，其制备原料包括功能菌、载体以及包埋剂。
该生物质微球13由功能菌负载于载体上，且负载有功能菌的载体被包埋剂形成的交联结构包埋而得。
本申请中，功能菌包括对氯苯胺降解菌(好氧菌)。
该对氯苯胺降解菌是以活性污泥为菌种来源，使用富集培养基对其进行多轮耐受性驯化，得到能够在一定浓度对氯苯胺下存活的菌种，再使用添加少量额外碳源的无机盐培养基对菌种进行多轮降解性驯化，逐步提高对氯苯胺浓度，最终得到具备一定污染物降解能力的菌群作为生物质微球13中的功能菌。
具体的，上述活性污泥来自成都市第四污水处理厂。
富集培养基的成分如下：(NH4)2SO4 2g/L、MgSO4·7H2O 0.2g/L、CaCl2·2H2O0.01g/L、FeSO4·7H2O 0.001g/L、NaHPO4·12H2O 1.5g/L、KH2PO41.5g/L、胰蛋白胨0.5g/L、葡萄糖0.5g/L。
多轮耐受性驯化的过程和条件如下：分5次进行，对氯苯胺浓度按0.05mmol/L、0.2mmol/L、0.8mmol/L、2.0mmol/L和4.0mmol/L依次增加。具体过程如下：将1-3mL活性污泥加入至50mL对氯苯胺浓度为0.05mmol/L的富集培养基中，置于摇床30-37℃、130-170r/min条件下培养3-5天，待培养基浑浊；将1-3mL浑浊培养液接种至50mL新鲜的含0.2mmol/L对氯苯胺的富集培养基中，相同条件下培养3-5天，待培养基浑浊后继续接种至新鲜培养基中，如此重复，直至对氯苯胺浓度增加至4.0mmol/L，完成耐受性驯化，并将在4.0mmol/L对氯苯胺浓度下变浑浊的培养液作为降解性驯化的接种液。
无机盐培养基(添加少量额外碳源)的成分如下：(NH4)2SO4 2g/L、MgSO4·7H2O0.2g/L、CaCl2·2H2O 0.01g/L、FeSO4·7H2O 0.001g/L、NaHPO4·12H2O 1.5g/L、KH2PO41.5g/L以及葡萄糖0.5g/L。
多轮降解性驯化的过程和条件如下：分3次进行，对氯苯胺浓度按0.8mmol/L、1.0mmol/L和1.2mmol/L依次增加。具体过程如下：将1-3mL接种液加入至50mL对氯苯胺浓度为0.8mmol/L的无机盐培养基中，至于摇床30-37℃、130-170rpm条件下培养5-7天，待培养基浑浊；将1-3mL浑浊培养液接种至50mL新鲜的含1.0mmol/L对氯苯胺的无机盐培养基中，相同条件下培养5-7天，待培养基浑浊后继续接种至含1.2mmol/L对氯苯胺的无机盐培养基中，将此浓度下的浑浊培养液作为驯化所得菌群，保藏备用。
所得的菌群能够耐浓度为0.25-2mmol/L的对氯苯胺。
经过16S扩增子高通量测序，所得菌群主要由Methylophilus sp.TWE2(约占60％)、Escherichia coli(约占4.6％)及Acinetobacter baumannii(约占3.3％)组成。
本申请所用的载体包括多孔生物碳，如可以通过秸秆等材料焚烧后所得。
在具体使用时，该载体可呈粉末状，其粒径≤0.5mm，比表面积为6-13m2·g-1，总孔容为0.010-0.026cm3·g-1。
本申请所用的包埋剂可包括海藻酸钠以及可与海藻酸钠交联的物质。
其中，可与海藻酸钠交联的物质为含有多价阳离子(如Ca2+或Sr2+等)的物质，优选为含Ca2+的物质，如CaCl2等。
本申请所用的海藻酸钠为一种线性高分子，有三个链段通过糖苷键连接而成，分子每个结构单元中有两个仲羟基，这些仲羟基都具有醇羟基的反应性能。当有Ca2+或Sr2+等阳离子存在时，其结构单元上的Na+即可二价阳离子发生离子交换反应，使结构单元堆积形成交联网络结构。
作为参考地，本申请提供的生物质微球13的粒径可以为2-4mm，如2mm、2.5mm、3mm、3.5mm或4mm等，也可以为2-4mm范围内的其它任意值。
承上，本申请以多孔生物炭为载体材料，海藻酸钠及可与海藻酸钠交联的物质为包埋剂，以驯化所得降解菌为工程菌，通过包埋法制得生物质微球13材料。上述多孔生物炭的孔隙结构丰富、比表面积大、官能团数量多，可为微生物提供大量的附着位点。海藻酸钠为天然多糖，不会对生态环境及微生物造成毒害作用，此外其成球条件温和、传质性佳，可作为一种良好的包埋原料。该具有包埋结构的生物质微球13能够提高功能菌的抗干扰能力，降低微生物流失，有效去除对氯苯胺。
上述生物质微球13对对氯苯胺的降解机理如图4所示。该机理包括：首先，水体中对氯苯胺以分子形式被吸附至生物质微球表面，接着在传质作用下经海藻酸盐传递至微球内部，其内部含有负载功能菌的多孔生物炭，一部分对氯苯胺被吸附在多孔生物炭表面及孔隙，另一部分被微生物吸收，在酶的催化作用下发生一系列生化反应，从而矿化为二氧化碳、水等无机物并释放至外界环境，最终完成污染水体的修复过程。
相应地，本申请还提供了上述生物质微球13的制备方法，包括以下步骤：将包埋剂对负载有功能菌的载体进行包埋。
在操作时，将负载有功能菌的载体与包埋剂混合，并使交联剂发生交联反应。
具体的，可参照如下方式：
将功能菌的菌液加入培养基中与载体共培养，得到第一混合液；将第一混合液与海藻酸钠溶液混合，得到第二混合液；将第二混合液与CaCl2溶液混合，交联。
其中，共培养所用的培养基为LB液体培养基，示例性地，每10-40mL(如10mL、15mL、20mL、25mL、30mL、35mL或40mL等)LB液体培养基中可接种1-5mL(如1mL、2mL、3mL、4mL或5mL等)的菌液，菌液中功能菌的吸光度为OD600＝1-1.5。
上述LB培养基与载体的比例可以为10-40mL：0.1-2g，如10mL:0.1g、10mL:0.5g、10mL:1g、10mL:1.5g、10mL:2g、15mL:1g、15mL:1.5g、15mL:2g、20mL:1g、20mL:1.5g、20mL:2g、25mL:1g、25mL:1.5g、25mL:2g、30mL:1g、30mL:1.5g、30mL:2g、35mL:1g、35mL:1.5g、35mL:2g、40mL:1g、40mL:1.5g或40mL:2g等。
共培养可以于30-37℃(如30℃、32℃、35℃或37℃)、130-170r/min(如130r/min、150r/min或170r/min等)的条件下进行24-48h(如24h、30h、36h、42h或48h等)。
第一混合液与海藻酸钠溶液的比例可以为1:2-4(如1:2、1:2.5、1:3、1:3.5或1:4等)，海藻酸钠溶液中海藻酸钠的质量浓度可以为1-3％，如1％、1.5％、2％、2.5％或3％等，也可以为1-3％范围内的其它任意值。该海藻酸钠溶液可由海藻酸钠于超纯水中加热溶解而得。
第二混合液与CaCl2溶液的比例可以为1-3:10(如1:10、1.5:10、2:10、2.5:10或3:10等)，CaCl2溶液中CaCl2的质量浓度可以为2-5％，如2％、2.5％、3％、3.5％、4％、4.5％或5％等，也可以为2-5％范围内的其它任意值。该CaCl2溶液可以由CaCl2溶解于超纯水中而得。
上述交联过程在室温下进行即可，交联时间可设置为12h。
交联结束后，将包埋后的材料用超纯水进行清洗(清洗次数可以为2-3遍)，随后干燥即可。
此外，请继续参照图1，本申请还提供了一种生物反应器22，其内部填充有上述生物质微球13。
该生物反应器22为固定化生物质填料的填充式反应器，相较于采用游离菌的传统污水治理方法，固定化微生物技术不仅增大了局部细胞密度，提高微生物代谢活性，并且有助于形成稳定的微环境，在一定程度上提升微生物的抗干扰能力，显著改善修复效果。此外，与生物膜反应器相比，采用固定化生物质填料不仅有效减少微生物流失，防止系统堵塞及井外生物淤积，还方便后续材料回收。并且，填充式反应器可以避免填料间相互碰撞，降低填料损耗，延长使用寿命。
需说明的是，上述“固定化”是指先将功能菌制备形成生物质微球13的形式，在该形式下，功能菌呈固定状态而不是游离状态。
作为参考地，本申请提供的生物反应器22包括反应器壳体，反应器壳体的内部形成反应腔室；反应器壳体的相对的两端分别为进水端和出水端，出水端设有顶盖1。
沿水流方向，反应腔室内设置有多块可拆卸式滤水件12，最靠近进水端的滤水件12至顶盖1之间的反应腔室内填充有生物质微球13(以作为反应介质)。
在一些实施方式中，上述生物反应器22为填充式生物反应器22，可采用有机玻璃制成。
该生物反应器22的上部和中部整体呈柱状，下部可设置成漏斗状，以利于将进水水流均匀地向上输送。
该述生物反应器22在使用过程中呈立式形式，其直径可以为120-160mm，高可以为160-200mm。
在该条件下，其内部所设置的可拆卸滤水件12的数量可以为3-7块，相应的，反应腔室被分为4-8层。需说明的是，在其它实施方式中，可拆卸滤水件12的数量也可根据需要设置为其它数量。
较佳地，每层反应腔室内，至少90％的空间均填充有上述生物质微球13。
示例性地，上述可拆卸滤水件12可以为滤水板，其材质可以为塑料材质。
如图2所示，上述滤水件12(滤水板)的厚度方向设有多个滤水孔14，每个滤水孔14的直径均小于生物质微球13的粒径。
作为参考地，上述滤水件12可通过伸缩式卡口15(参见图2)固定在反应器内部。使用完成后，可将其拆卸取出，进而方便填料(生物质微球13)回收。
进一步地，本申请提供的生物反应器22还包括显示器6以及传感器。
传感器的传感部位于反应腔室内并与显示器6电信号连接；传感器包括pH传感器3、溶解氧传感器4以及温度传感器5中的至少一种(优选同时设有pH传感器3、溶解氧传感器4以及温度传感器5)。
通过设置上述传感器，可实时监测反应器内部的水质情况。
需说明的是，上述各传感器的作用原理等可参照现有技术，在此不做过多赘述。
进一步地，本申请提供的生物反应器22还包括提升泵7、取样管以及阀门8。
反应器壳体上开设有至少一个取样口，每个取样口均连接有一根取样管，取样管上设有提升泵7和阀门8。
在一些优选的实施方式中，反应器壳体的上部、中部和下部均设有取样口(分别定义为第一取样口9、第二取样口10和第三取样口11)，以便于实时检测反应器内的工作状况。
进一步地，进水端和出水端分别可连接有进水管和出水管，进水管和出水管均设有过滤件。
示例性地，上述过滤件可以为滤网2(细筛)，其具体可通过橡皮管进行固定。
承上，上述生物反应器22结构简单，不但具有较高的对氯苯胺去除效果，而且还能防止系统堵塞，降低二次污染风险，减少维护成本，并有利于后续材料回收。
相应地，本申请提供了上述生物质微球13或生物反应器22在去除对氯苯胺污染物中的应用。
在一些优选的实施方式中，本申请提供的生物质微球13和生物反应器22可用于除去水体污染物中的对氯苯胺。
此外，请结合图3，本申请还提供了一种地下井，其内部设有上述生物反应器22。
该地下井呈立式，按由下至上的方向，地下井具有进水区、处理区以及出水区。
在一些实施方式中，地下井的材质可以为不锈钢。地下井的直径可以20-30cm，井长可以为40-50cm，进水区、处理区与出水区的长度比可以为2:6:1。
生物反应器22设置于处理区内，进水区与处理区之间由第一封隔件18隔开，处理区与出水区之间由第二封隔件19隔开；第一封隔件18设有第一通孔，第二封隔件19设有第二通孔。
生物反应器22的进水管穿过第二通孔并伸入进水区内，生物反应器22的出水管穿过第二通孔并伸入出水区内。
进一步地，进水区和出水区分别设有第一滤水管16和第二滤水管17，以控制进入地下井和流出地下井的水体的量。
伸入出水区的出水管的端部设有布水器23，以使其能够均匀地向出水区的各个方向布水。
进水管的位于处理区内的部分还连接有抽水泵20和流量计21，以控制进入生物反应器22的污水量，从而确保生物反应器22中的生物质微球13能够对污水进行充分降解。
进水区还连接有供氧器，例如可以为鼓风机24，以向进水区通入氧气，该部分氧气随污水进入生物反应器22内，从而为功能菌提供所需的氧气。
承上，上述地下井联合井内的生物反应器22，通过抽水泵20抽取经第一滤水管16流入井底(进水区)的含污地下水，将其输送至处理区的生物反应器22内，经过填充的含有功能菌的生物质微球13降解后，再从出水区的第二滤水管17流出，有效降低了目标污染物含量。
本申请通过以生物质微球13为填料，设计填充式生物反应器22，联合地下水循环井技术强化微生物修复，将生物修复技术与地下水循环井修复技术相耦合，一方面通过循环井将地下水中污染物汇集至井内，提高微生物对污染物的捕获程度，一方面利用生物质微球13吸附并去除对水体中的污染物。两者相互结合，有效修复地下水污染，改善地下水水质，同时防止二次污染、减少维护成本并且利于后续材料回收。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
本实施例提供一种生物质微球13，其经以下方法制备而得：
(1)功能菌的筛选
以活性污泥为菌种来源，使用富集培养基对其进行多轮耐受性驯化，得到能够在一定浓度对氯苯胺下存活的菌种，再使用添加少量额外碳源的无机盐培养基对菌种进行多轮降解性驯化，逐步提高对氯苯胺浓度，最终得到具备一定污染物降解能力的菌群。
其中，上述活性污泥来自成都市第四污水处理厂。
富集培养基的成分如下：(NH4)2SO4 2g/L、MgSO4·7H2O 0.2g/L、CaCl2·2H2O0.01g/L、FeSO4·7H2O 0.001g/L、NaHPO4·12H2O 1.5g/L、KH2PO4 1.5g/L、胰蛋白胨0.5g/L、葡萄糖0.5g/L。
多轮耐受性驯化的过程和条件如下：分5次进行，对氯苯胺浓度按0.05mmol/L、0.2mmol/L、0.8mmol/L、2.0mmol/L和4.0mmol/L依次增加。具体过程如下：将1-3mL活性污泥加入至50mL对氯苯胺浓度为0.05mmol/L的富集培养基中，置于摇床30-37℃、130-170r/min条件下培养3-5天，待培养基浑浊；将1-3mL浑浊培养液接种至50mL新鲜的含0.2mmol/L对氯苯胺的富集培养基中，相同条件下培养3-5天，待培养基浑浊后继续接种至新鲜培养基中，如此重复，直至对氯苯胺浓度增加至4.0mmol/L，完成耐受性驯化，并将在4.0mmol/L对氯苯胺浓度下变浑浊的培养液作为降解性驯化的接种液。
无机盐培养基(添加少量额外碳源)的成分如下：(NH4)2SO4 2g/L、MgSO4·7H2O0.2g/L、CaCl2·2H2O 0.01g/L、FeSO4·7H2O 0.001g/L、NaHPO4·12H2O 1.5g/L、KH2PO41.5g/L以及葡萄糖0.5g/L。
多轮降解性驯化的过程和条件如下：分3次进行，对氯苯胺浓度按0.8mmol/L、1.0mmol/L和1.2mmol/L依次增加。具体过程如下：将1-3mL接种液加入至50mL对氯苯胺浓度为0.8mmol/L的无机盐培养基中，至于摇床30-37℃、130-170rpm条件下培养5-7天，待培养基浑浊；将1-3mL浑浊培养液接种至50mL新鲜的含1.0mmol/L对氯苯胺的无机盐培养基中，相同条件下培养5-7天，待培养基浑浊后继续接种至含1.2mmol/L对氯苯胺的无机盐培养基中，将此浓度下的浑浊培养液作为驯化所得菌群，保藏备用。
所得的菌群能够耐浓度为0.2-4mmol/L的对氯苯胺。
上述功能菌的形态特征、理化特性、DNA序列如下：
经过16S扩增子高通量测序，所得菌群主要由Methylophilus sp.TWE2(约占60％)、Escherichia coli(约占4.6％)及Acinetobacter baumannii(约占3.3％)组成。
(2)菌液的制备
将保藏菌种于室温下解冻，以1.5mL接种量接种至50mL LB液体培养基中，37℃，150r/min条件下培养24h，得到活化菌液。上述菌液OD600为1.2。
(3)合成生物质微球13
往LB液体培养基中按比例加入菌液及多孔生物炭粉末(由秸秆焚烧而得，粒径≤0.5mm，比表面积为6-13m2·g-1，总孔容为0.010-0.026cm3·g-1)，于37℃、150r/min下共培养24h，得到第一混合液。其中，每25mL LB液体培养基中接种1mL的菌液以及0.3g的多孔生物炭粉末。
将海藻酸钠加入超纯水中加热溶解，得到质量分数为2％的海藻酸钠溶液。将无水氯化钙溶解于超纯水中，得到质量分数为3％的CaCl2溶液。将第一混合液与上述海藻酸钠溶液按体积比1:2充分混合均匀，得到第二混合液。然后使用1mL规格注射器将第二混合液滴入上述CaCl2溶液中(第二混合液与CaCl2溶液的体积比为1:10)，室温下交联12h。
交联完成后，取出并用超纯水清洗3遍，晾干。
所得的生物质微球13的粒径为2-4mm。所得的生物质微球13中，功能菌负载于载体上，且负载有功能菌的载体被包埋剂形成的交联结构包埋。
实施例2
本实施例提供一种生物反应器22。
该生物反应器22为填充式生物反应器22(立式)，其包括有机玻璃制成的反应器壳体，反应器壳体的内部形成反应腔室。反应器壳体的相对的两端分别为进水端和出水端，出水端设有顶盖1。生物反应器22的上部和中部整体呈柱状(直径为140mm，高为180mm)，下部设置成漏斗状。
沿水流方向，反应腔室内设置有6块可拆卸式的塑料滤水板，滤水板的厚度方向设有多个滤水孔14，每个滤水孔14的直径均小于生物质微球13的粒径。滤水板通过伸缩式卡口15固定在反应器内部。
最靠近进水端的滤水板至顶盖1之间的反应腔室内填满实施例1制得的生物质微球13。
该生物反应器22还包括显示器6、传感器、提升泵7、取样管以及阀门8。
传感器的传感部位于反应腔室内并与位于地面的显示器6电信号连接；传感器包括pH传感器3、溶解氧传感器4以及温度传感器5。
反应器壳体的上部、中部和下部均设有取样口，每个取样口均连接有一根取样管，取样管上设有提升泵7和阀门8，取样管的出口位于地面。
反应器的进水端和出水端分别连接有进水管和出水管，进水管和出水管均设有滤网2，滤网2通过橡皮管进行固定。
实施例3
本实施例提供一种地下井(循环井)。
该地下井呈立式，按由下至上的方向，地下井具有进水区、处理区以及出水区。该地下井的直径为25cm，井长为45cm，进水区长5cm，处理区长30cm，出水区长10cm。
处理区内设有实施例2提供的生物反应器22，进水区与处理区之间由第一封隔件18隔开，处理区与出水区之间由第二封隔件19隔开；第一封隔件18设有第一通孔，第二封隔件19设有第二通孔。
生物反应器22的进水管穿过第二通孔并伸入进水区内，生物反应器22的出水管穿过第二通孔并伸入出水区内。
地下井的进水区和出水区分别设有第一滤水管16和第二滤水管17，伸入出水区的出水管的端部设有布水器23。进水管的位于处理区内的部分还连接有抽水泵20和流量计21。进水区还连接有位于地面的鼓风机24。
试验例
在实验室条件下将表1所列各类修复材料加入含对氯苯胺的培养基中，经过7天培养后，通过测定对氯苯胺剩余浓度确定各材料的修复效果。
上述培养基组成：(NH4)2SO4 2g/L、MgSO4·7H2O 0.2g/L、CaCl2·2H2O 0.01g/L、FeSO4·7H2O 0.001g/L、NaHPO4·12H2O 1.5g/L、KH2PO4 1.5g/L以及葡萄糖0.5g/L。
试验过程中设置试验组和对照组1-6，其中，试验组在地下井模型中放置的生物反应器22由实施例2提供。对照组1-6与试验组的区别仅在于：将生物反应器22中的生物质微球13(填充介质)依次由表1中处理编号为B、SA、BC-B、SA-B、SA-BC的物料代替。各组别均处理等量的相同污染水体(含0.5mmol/L的对氯苯胺)，对各材料的降解效果进行评估，其结果如图5所示。
表1各修复材料修复效果实验采用的组别编号
由图5可以看出：以生物质微球13作为修复材料的效果最佳，能够较其它组别显著提高污染物去除率。
具体的，相较于直接向污染水体中投加降解菌，使用生物质微球13可显著提高污染物去除率，150h内游离菌可去除23％的污染物，而生物质微球13在相同时间内可去除高达78％的污染物，污染物去除效率提升55％。生物质微球13的污染物去除效果好，同时具备易回收的特点，具有较大的应用潜力。
进一步地，探讨生物质微球13在不同污染程度水体(污染物为对氯苯胺)中的使用效果，确定适用范围，处理编号如表2所示，其结果如图6所示。
表2效果评估实验采用的组别编号
处理编号 实验处理
C1 初始污染物浓度0.25mmol/L
C2 初始污染物浓度0.5mmol/L
C3 初始污染物浓度1.0mmol/L
C4 初始污染物浓度1.5mmol/L
C5 初始污染物浓度2.0mmol/L
由图6可以看出：在不同初始浓度条件下，生物质微球13的修复效果均随时间增加而提高。
初始污染物浓度为0.25mmol/L时，污染物去除率相对较高，5d内降解率达到49.7％；其余浓度条件间，材料的修复效果差异随时间增加而减小，4d后降解率趋于相近，5d时降解率大致为38.8-42.2％。
需说明的是，传统修复技术中使用的游离降解菌对外界环境敏感，污染物浓度的变化会大幅度影响修复效果，因此适用范围较窄，而本申请上述实验结果表明，本申请提供的生物质微球13的使用可以有效减弱污染物浓度变化对修复效果产生的影响，因此拓宽了修复范围，保证了修复效果的稳定。
综上所述，本申请通过以生物质微球13为填料，设计填充式生物反应器22，联合地下水循环井技术强化微生物修复，将生物修复技术与地下水循环井修复技术相耦合，一方面通过循环井将地下水中污染物汇集至井内，提高微生物对污染物的捕获程度，一方面利用生物质微球13吸附并去除对水体中的污染物。两者相互结合，有效修复地下水污染，改善地下水水质，同时防止二次污染、减少维护成本并且利于后续材料回收。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种地下井，其特征在于，所述地下井内设有生物反应器；
所述生物反应器为固定化生物质填料的填充式反应器，所述生物反应器内填充有生物质微球；
所述生物质微球由功能菌负载于载体上，且负载有所述功能菌的载体被包埋剂形成的交联结构包埋而得；
所述功能菌包括对氯苯胺降解菌；所述载体包括多孔生物碳；所述包埋剂包括海藻酸钠以及CaCl2；所述对氯苯胺降解菌的菌群主要由60wt%的Methylophilussp. TWE2、4.6wt%的Escherichia coli及3.3wt%的Acinetobacter baumannii组成；
所述生物反应器用于去除对氯苯胺污染物；
所述生物质微球的制备包括以下步骤：将所述包埋剂对负载有所述功能菌的载体进行包埋；
包埋包括：将所述功能菌的菌液加入培养基中与所述载体共培养，得到第一混合液；将所述第一混合液与海藻酸钠溶液混合，得到第二混合液；将所述第二混合液与CaCl2溶液混合，交联；
共培养所用的培养基为LB液体培养基；每10-40mL所述LB液体培养基中接种1-5mL的所述菌液，所述菌液的吸光度为OD600=1-1.5；
所述LB液体培养基与所述载体的比例为10-40mL:0.1-2g；
所述第一混合液与所述海藻酸钠溶液的比例为1:2-4，所述海藻酸钠溶液中海藻酸钠的质量浓度为1-3%；
所述第二混合液与所述CaCl2溶液的比例为1-3:10，所述CaCl2溶液中CaCl2的质量浓度为2-5%；
所述地下井用于去除对氯苯胺污染物。
2.根据权利要求1所述的地下井，其特征在于，所述生物质微球的粒径为2-4mm。
3.根据权利要求1所述的地下井，其特征在于，还包括：将包埋后的材料进行清洗和干燥。
4.根据权利要求1所述的地下井，其特征在于，所述生物反应器包括反应器壳体，所述反应器壳体的内部形成反应腔室；所述反应器壳体的相对的两端分别为进水端和出水端，所述出水端设有顶盖；
沿水流方向，所述反应腔室内设置有多块可拆卸式滤水件，最靠近所述进水端的滤水件至所述顶盖之间的反应腔室内填充有所述生物质微球；
所述滤水件的厚度方向设有多个滤水孔，所述滤水孔的直径小于所述生物质微球的粒径。
5.根据权利要求4所述的地下井，其特征在于，所述生物反应器还包括显示器以及传感器；
所述传感器的传感部位于所述反应腔室内并与所述显示器电信号连接；
所述传感器包括pH传感器、溶解氧传感器以及温度传感器中的至少一种。
6.根据权利要求4所述的地下井，其特征在于，所述生物反应器还包括提升泵、取样管以及阀门；
所述反应器壳体上开设有至少一个取样口，每个取样口均连接有一根取样管，所述取样管上设有提升泵和阀门；
所述反应器壳体的上部、中部和下部均设有所述取样口。
7.根据权利要求4所述的地下井，其特征在于，所述进水端和所述出水端分别连接有进水管和出水管，所述进水管和所述出水管均设有过滤件。
8.根据权利要求7所述的地下井，其特征在于，所述地下井呈立式，按由下至上的方向，所述地下井具有进水区、处理区以及出水区；
所述生物反应器设置于所述处理区内，所述进水区与所述处理区之间由第一封隔件隔开，所述处理区与所述出水区之间由第二封隔件隔开；所述第一封隔件设有第一通孔，所述第二封隔件设有第二通孔；
所述生物反应器的进水管穿过所述第二通孔并伸入所述进水区内，所述生物反应器的出水管穿过所述第二通孔并伸入所述出水区内；
所述进水区和所述出水区分别设有第一滤水管和第二滤水管；
伸入所述出水区的所述出水管的端部设有布水器；
所述进水管的位于所述处理区内的部分还连接有抽水泵和流量计；
所述进水区连接有供氧器。
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