微生物親和型炭纖維生物膜載體的制備及其對(duì)水中微生物固著機(jī)理的研究.pdf

1、微生物在材料表面的粘附與固著是自然界的普遍現(xiàn)象，在醫(yī)學(xué)、環(huán)境等多領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。通過(guò)研究微生物的固著機(jī)理，選擇科學(xué)的方法抑制或促進(jìn)載體表面微生物的固著性能，從而實(shí)現(xiàn)載體對(duì)微生物固著的功能化可控，對(duì)相關(guān)領(lǐng)域中功能材料的研制意義重大。
　　在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域，生物膜污水處理技術(shù)是一種高效的污水處理方法，其中，選擇合適的生物膜載體材料是該處理技術(shù)的關(guān)鍵。而生物膜法污水處理技術(shù)的應(yīng)用在我國(guó)起步時(shí)間較晚，對(duì)水中微生物在載體表面的固著機(jī)理研究相對(duì)

2、較少，限制了載體材料在生物膜法中的應(yīng)用發(fā)展。相關(guān)研究證明，炭材料普遍具有良好的生物相容性，極有可能成為微生物親和性好、微生物固著能力強(qiáng)的新型生物膜載體材料。其中，炭纖維的表面物化性能穩(wěn)定，耐微生物分解與腐蝕能力強(qiáng)，是極具潛力的生物膜載體材料備選。本論文通過(guò)選擇多種表面處理方法，對(duì)聚丙烯腈基炭纖維進(jìn)行單重及復(fù)合的多方位功能化表面改性，制備具有高微生物親和性的炭纖維生物膜載體，并通過(guò)炭纖維表面化學(xué)成分、官能團(tuán)種類、親水性、粗糙度、電負(fù)性等表

3、面特性的變化，以及微生物在不同炭纖維表面的宏觀固著與微觀粘附情況，綜合分析炭纖維載體表面不同表面特性對(duì)水中微生物粘附固著的影響，研究水中微生物在載體表面的固著機(jī)理，得到如下主要結(jié)論:
　　1、采用硝酸液相氧化法對(duì)聚丙烯腈基炭纖維進(jìn)行梯度氧化表面改性，結(jié)果表明該方法是可用于制備微生物親和型炭纖維生物膜載體的有效表面改性方法，其中硝酸氧化時(shí)間為2h的改性效果最佳，可在微生物固著2h內(nèi)形成完整的生物膜，并在24 h達(dá)到227.0％的掛膜

4、率;適量增加炭纖維表面極性含氧官能團(tuán)可提高其表面親水性，從而大大提高炭纖維載體的微生物親和性，并大幅度增強(qiáng)炭纖維表面的微生物固著能力，其中炭纖維表面羧基是影響微生物粘附與固著的關(guān)鍵因素;炭纖維表面的微生物固著是表面親水性和電負(fù)性兩者共同作用的結(jié)果，微生物更傾向于粘附在表面含氧量和親水性適中的炭纖維載體上，平衡含水率為6.13％時(shí)微生物固著效果最佳。
　　2、采用硫酸陽(yáng)極氧化與馬來(lái)酸酐電聚合的處理手段對(duì)聚丙烯腈基炭纖維進(jìn)行電化學(xué)表面

5、改性，結(jié)果表明硫酸陽(yáng)極氧化與馬來(lái)酸酐電聚合是兩種可用于制備微生物親和型炭纖維生物膜載體的有效改性方法，通過(guò)氧化以及電聚合的形式增加炭纖維表面含氧量，均可提高炭纖維載體的微生物親和性，其中硫酸陽(yáng)極氧化的效果更佳;微生物在炭纖維表面固著過(guò)程中，初期表現(xiàn)出粘附的微生物不斷增多，當(dāng)生物膜的生長(zhǎng)與消亡達(dá)到平衡時(shí)掛膜率趨于穩(wěn)定;在炭纖維改性前的表面上漿劑清洗過(guò)程中，與無(wú)水乙醇相比，丙酮的清洗效果更好。
　　3、采用次氯酸氧化與尿素接枝手段對(duì)聚

6、丙烯腈基炭纖維進(jìn)行復(fù)合表面改性，結(jié)果表明該復(fù)合表面改性法是可用于制備微生物親和型炭纖維生物膜載體的有效表面改性方法，可在微生物固著2h內(nèi)形成完整生物膜，尤其適用于微生物在炭纖維表面短期快速固著;炭纖維經(jīng)改性后表面含氧及含氮官能團(tuán)的增加，均有助于表面親水性的提高;親水性較差時(shí)，提高炭纖維表面親水性有助于增強(qiáng)炭纖維對(duì)微生物的固著能力;炭纖維表面粗糙度的變化對(duì)微生物的固著有一定影響，炭纖維表面光滑度的提高在一定程度上限制了炭纖維表面微生物親和

7、性的發(fā)揮;SEM的分辨率雖遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于LCM，但由于LCM選用共軛焦點(diǎn)技術(shù)逐層掃描成像，縱深分辨率高，所得炭纖維形貌的立體感更強(qiáng)，故對(duì)于微米級(jí)炭纖維樣品而言，更適用于LCM觀察表面形貌。
　　4、采用混酸（硝酸與硫酸）液相氧化、馬來(lái)酸酐接枝與鈣離子吸附的手段對(duì)聚丙烯腈基炭纖維進(jìn)行多重表面改性，結(jié)果表明該多重表面改性法是可用于制備微生物親和型炭纖維生物膜載體的有效表面改性方法，可在1h內(nèi)使微生物快速覆蓋其表面，適用于微生物在炭纖維表面短

8、期快速固著;表面具有極性含氧基團(tuán)的炭纖維經(jīng)鈣離子吸附改性后，已吸附的金屬陽(yáng)離子可在同呈負(fù)電性的炭纖維表面與胞外多聚物之前起到靜電橋接作用，從而提高微生物的固著強(qiáng)度;炭纖維表面吸附的金屬陽(yáng)離子還可通過(guò)表面絡(luò)合作用與離子粘結(jié)作用增強(qiáng)炭纖維載體對(duì)微生物的粘附與固著能力;通過(guò)傅立葉變換紅外光譜表征表面化學(xué)特性時(shí)，反射FTIR法與溴化鉀壓片法均可表征炭纖維表面有機(jī)官能團(tuán)，但在檢測(cè)官能團(tuán)含量較低的樣品時(shí)，溴化鉀壓片的FTIR測(cè)試所得的振動(dòng)吸收峰強(qiáng)度

9、更高，檢測(cè)到的有機(jī)官能團(tuán)種類更全。
　　5、采用經(jīng)過(guò)表面改性的微生物親和型炭纖維與未經(jīng)表面改性的普通炭纖維作為載體材料用于生物膜法污水處理，選用化學(xué)需氧量(COD)去除率評(píng)價(jià)污水處理效果，并與傳統(tǒng)活性污泥污水處理法進(jìn)行對(duì)比，從而研究載體的微生物親和性對(duì)生物膜法污水處理效果的影響。結(jié)果表明，傳統(tǒng)活性污泥法與生物膜法均可大量減少污水中的有機(jī)污染物含量，其中以各種炭纖維為載體的生物膜法的COD去除率要普遍高于活性污泥法;在生物膜法污水處

10、理過(guò)程中，生物膜載體表面的掛膜率與污水處理能力呈正相關(guān)，生物膜載體的微生物親和性越好，表面固著的微生物量越大，則污水處理后的COD去除率越高。
　　6、選用經(jīng)過(guò)表面改性的微生物親和型炭纖維與未經(jīng)表面改性的普通炭纖維作為載體材料進(jìn)行微生物固著后，利用超聲振蕩器對(duì)載體表面微生物施加作用力并進(jìn)行剝落;采用超聲振蕩后炭纖維載體殘余掛膜率表征微生物的固著強(qiáng)度，并對(duì)載體的微生物親和性進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果表明:超聲振蕩受力過(guò)程中，微生物親和性較好的炭

11、纖維，載體與微生物之間的粘附強(qiáng)度相對(duì)較高，則更易于發(fā)生外層微生物的剝離，內(nèi)層微生物依舊固著在炭纖維表面;微生物親和性較差的炭纖維，載體與微生物之間的粘附強(qiáng)度相對(duì)較低，則更易于發(fā)生生物膜整片脫落;炭纖維載體表面對(duì)微生物的固著強(qiáng)度，與炭纖維的微生物親和性高低呈正相關(guān)。
　　本論文的主要成果有:采用多重復(fù)合表面處理手段，多方位改變炭纖維載體表面的元素含量、官能團(tuán)種類以及電負(fù)性等表面性能，研究了影響微生物粘附的關(guān)鍵因素以及水中微生物在載體