(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910230934.7
(22)申请日 2019.03.26
(71)申请人 中国科学院生态环境研究中心
地址 100085 北京市海淀区双清路18号
申请人 中国科学院大学
(72)发明人 王东升 邹瑜斌 肖峰 门彬
任睿君 林芳向
(74)专利代理机构 北京纪凯知识产权代理有限
公司 11245
代理人 吴爱琴
(51)Int.Cl.
B01J 23/745(2006.01)
C02F 1/72(2006.01)
C02F 101/36(2006.01)
C02F 101/38(2006.01)
(54)发明名称
一种磁性微藻基生物炭的制备方法及其应
用
(57)摘要
本发明公开了一种磁性微藻基生物炭的制
备方法及其应用，其是在含有铁盐的溶液中，加
入微藻，经碱热处理后，高温热解炭化即可。本发
明的方法在微藻基生物炭中引入四氧化三铁，不
仅能够增加活性位点，提高催化能力，而且能够
增强催化材料的磁性，更易于分离。在过硫酸盐
存在的条件下，优化了磁性微藻基生物炭的热解
温度以及适用条件，使得其活化过硫酸盐的过程
能够有效产生活性物种，促进污染物和催化剂之
间的电子转移，提高了催化降解污染物的效果。
该操作方法简单易行，原料易得，成本低廉，在实
际应用中推广实施的前景良好。权利要求书1页 说明书5页 附图3页CN 109876810 A 2019.06.14
C N 109876810
A
权 利 要 求 书1/1页CN 109876810 A
1.一种制备磁性微藻基生物炭的方法，包括如下步骤：
1)将微藻分散到含有铁盐的溶液中，搅拌；
2)从步骤1)得到的体系中离心分离出藻细胞；
3)将分离出的藻细胞进行碱溶液加热处理，从碱溶液加热处理后的体系中分离出藻细胞；
4)将所得藻细胞高温热解炭化，得到磁性微藻基生物炭。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤1)中，所述铁盐为九水合硝酸铁；
所述微藻为螺旋藻；
所述微藻与所述含有铁盐的溶液中的铁元素的质量比为2％-6％；
所述搅拌的温度为室温，时间为8-12h。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：步骤3)中，所述碱溶液加热处理的操作为：将分离出的藻细胞分散到碱性溶液中，加热回流反应；
其中，所述碱性溶液为质量分数为6％的氢氧化钠溶液；
所述藻细胞与碱性溶液的配比为30g：450-550ml；
所述碱溶液加热处理的温度为95-110摄氏度，时间为1-3h。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于：步骤4)中，所述高温热解炭化的温度为300～600摄氏度；
升温速率控制在2.5摄氏度/分钟；
所述高温热解炭化的时间为1-3小时；
所述高温热解炭化在惰性气体保护下进行。
5.由权利要求1-4中任一项所述方法制备得到的磁性微藻基生物炭。
6.权利要求5所述的磁性微藻基生物炭在水处理中的应用。
7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于：所述应用为权利要求5所述的磁性微藻基生物炭作为催化材料催化降解水体中污染物的应用。
8.利用权利要求5所述的磁性微藻基生物炭催化降解水体中污染物的方法，包括如下步骤：
向待处理水体中加入过硫酸盐及权利要求5所述的磁性微藻基生物炭，反应，即可。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：反应体系中，所述过硫酸盐的浓度为0.5-4mM；
反应体系的初始pH为3-11；
所述反应的温度为20-60摄氏度。
2
污泥基生物炭的吸附性能 诺氟沙星属喹诺酮类抗生素，其可以有效抑制革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌的DNA促旋酶，被广泛应用于治疗人类泌尿和呼吸系统感染[1]以及动物疾病. 大多NOR不能被人体或动物完全吸收，有60%-70%[2]的NOR最终会通过粪便和尿液排放入水环境中. 传统水处理方法很难完全去除这类化合物，残留在水环境中的NOR可能促进细菌的耐药性，并且通过污染饮用水威胁人类身体健康[3]. 因此，从水环境中去除NOR是一项重要且有意义的研究. 目前，对于此类抗生素的有效去除方法包括吸附[4]、光解[5]、化学氧化[6]等. 生物炭是指在限氧或无氧条件下，利用生物质热裂解产生的富含碳的物质[7]. 不同生物质原材料制备的生物炭在元素含量、产率、酸碱性、表面形貌等材料的结构和性质上存在差异[8]; 生物炭制备温度也是影响生物炭表面结构和性质的重要因素，温度不同，生物炭表面孔道结构和微孔的形态数量也不同[9]. 目前对生物炭的应用主要包括以下3个方面：①土壤改良. 生物炭可以对土壤改性，提高土壤对营养的截留能力[10]，促使有益微生物的生长[11]，进而促使农作物生长; ②固碳作用. 生物炭是稳定的碳固定载体，可以有效抑制温室气体的释放，从而减缓全球气候变化[12]; ③吸附材料. 生物炭特性包括较大的比表面积，多孔结构，表面富含功能团和矿物质，这使得其具有良好的吸附特性，可以用于去除水体中的污染物[13]. 目前国内外已有学者采用林业废弃物、农业废弃物和工业有机废弃物等原料制作生物炭对抗生素进行吸附研究，均取得了较好的成效[14, 15, 16]. 芦苇作为一种多年水生或湿生禾草，在我国分布广泛，且产量丰富. 芦苇凋落物每年仅有15% 被降解，是一种稳定难降解的秸秆[17]. 凋落物如果得不到及时处理，腐烂的芦苇秸秆会对环境造成二次污染，同时还会影响新生芦苇的生长. 据预测分析，截止2015年年末，我国污泥的产量将达到2 600万t[18]. 由于市政污泥含有大量有机质、重金属，病原微生物，处理不当，还会引起二次污染. 上述两种生物质产量大，再次利用率低，且容易对环境造成影响. 目前，国内外对于芦苇基和污泥基生物炭作为吸附剂吸附水体中抗生素的研究鲜有报道. 本研究采用芦苇秸秆和市政污泥制备生物炭，利用BET法计算比表面积，材料表面SEM扫描、 EDS元素分析和FTIR图谱讨论了生物炭的结构与性质; 通过控制NOR溶液pH、吸附时间、吸附温度和NOR初始浓度研究了吸附性能; 采用动力学方程拟合、吸附等温线拟合以及热力学参数的计算初步讨论了吸附机制. 1 材料与方法 1.1 主要试剂与溶液 诺氟沙星标准品购自百灵威科技有限公司(纯度99.5%)，NOR性质见表 1. NaOH、 HCl、CaCl2、 NaN3均为分析纯. 称取0.01 g NOR标准品溶解于含有0.01mol ·L-1 CaCl2(控制吸附平衡过程)和200.0 mg ·L-1 NaN3(抑制微生物活性)、 pH=7的1 000 mL的背景溶液中，得到10.0 mg ·L-1 的NOR储备液.
活性污泥中主要微生物类群的特征及作用 活性污泥中的微生物，主要有细菌、原生动物和藻类三种，此外还有真菌、病菌等。微生物中细菌是分解有机物的主角，其次原生动物也有一定的作用。活性污泥中主要以菌胶团和丝状菌存在，游离的细菌较少。活性污泥中原生动物较多，经常出现的原生动物主要有钟虫类、盾纤虫、漫游虫、吸管虫、变形虫等。此外还有一些后生动物，如轮虫和线虫。因此，活性污泥是一个复杂的微生物世界。对工艺管理者来说，应会识别微生物，并了解它对污水处理过程的指示作用。 下面是几钟生物相对活性污泥的指示情况： 1、活性污泥良好时出现的微生物主要有：钟虫类、盾纤虫、盖纤虫、累枝虫、聚缩虫、内管虫、独缩虫等吸附性原生动物。如果此类微生物占总数的80%以上，个体在1000个/mL 以上的话，应该判断为具有高净化效率的活性污泥。 2、活性污泥处于恶劣状况时出现的微生物主要：波豆虫、豆型虫、草履虫、弹跳虫、屋滴虫（大多数为游泳型），可以判断为絮凝体细碎。严重恶化时原生动物和后生动物消失。 3、在活性污泥分散解体时出现微生物：辐射变形虫、多核变形虫、扇形变形虫等肉足类。可判断为絮体变小出水混浊，SS升高，而这类微生物急增时必须调整工艺状态，减少回流污泥量和通气量，则可以印制污泥解体。 4、在活性污泥出现恢复时出现的微生物主要有：漫游虫、徐叶虫、徐管虫、尖毛等（全毛类） 5、在活性污泥膨胀时出现的微生物主要有：浮游球衣藻和霉菌。丝壮菌是造成污泥膨胀的诱导生物，丝壮菌大量增殖是，则吸附型的原生动物急剧减少，污泥性能恶化，形成所谓的漂泥现象。一旦出现丝壮菌增殖的趋势，4-7天后SVI急剧上升甚至会超过200。 6、进水负荷低时出现的微生物主要有：游仆虫、狭甲虫等生物。判断为有机物较少，应增大曝气量。溶解氧不足时出现的微生物主要有；扭头虫、丝壮菌等，此时污泥发黑并放出腐臭味，应增大曝气量。曝气过量时出现的微生物主要有：肉足类及轮虫类，包括阿米巴虫，高负荷和毒物流入时出现的微生物主要有；盾纤虫和钟虫的锐减是负荷过高和毒物流入的征兆，大多数微生物灭绝时活性污泥已被破坏，必须进行恢复。
第47卷第7期2019年4月广 州 化 工 Guangzhou Chemical Industry Vol.47No.7Apr.2019 生物炭制备方法及其应用的研究进展 * 李佳燕,陈 兰,喻 婕,戴智强,张 震,王 娜 (天津中医药大学中药制药工程学院,天津 301617) 摘 要:生物炭作为一种绿色环保,廉价易得的新型功能材料,具有比表面积大,孔隙结构致密,来源广泛,环境友好等 优点三通过对生物炭制备方法的分类与总结,对比不同制备方法的优缺点,为生物炭制备过程的改进提供技术支持三通过对生物炭的应用进行总结与分析,为其在农业生产二环境保护二能源化工等领域的广泛应用提供理论与实践依据三 关键词:生物炭;制备方法;改性;土壤修复;污水处理;大气污染 中图分类号:X705 文献标志码:A 文章编号:1001-9677(2019)07-0022-04 * 基金项目:天津中医药大学校大学生科技创新基金资助项目(CXJJ2018YC19)三第一作者:李佳燕(1998-),女,本科生三 通讯作者:王娜(1983-),女,讲师,研究方向为中药废弃物的再利用三 Research Progress on Preparation Methods and Applications of Biochar * LI Jia -yan ,CHEN Lan ,YU Jie ,DAI Zhi -qiang ,ZHANG Zhen ,WANG Na (College of Pharmaceutical Engineering of Traditional Chinese Medicine,Tianjin University of Traditional Chinese Medicine,Tianjin 301617,China) Abstract :Biochar,as a new kind of green and environmentally friendly functional material,has the advantages of low cost,wide sources,large specific surface area and dense pore structure.Through the classification and summary of biochar preparation methods,the advantages and disadvantages of different preparation methods were compared,which provided technical support for the improvement of biochar preparation process.The application of biochar was summarized and analyzed,which provided theoretical and practical basis for its wide application in agricultural production,environmental protection,energy and chemical industry. Key words :biochar;preparation method;modification;soil remediation;sewage disposal;air pollution 生物炭是生物质在低氧或缺氧条件下,通过高温裂解碳化,形成的高度芳香化二富含碳的多孔颗粒固体[1]三生物炭的多孔结构,可以稳定地将碳元素固定长达数百年,矿化后碳元素在环境中很难再分解三制备生物炭的原料主要是制药二造纸二农产品加工等行业产生的废弃物三将这些废弃物加工制备成生物炭,并应用到农业二环保二化工二制药等领域,可以实现废弃物的高值利用,从而有效减少资源浪费,具有重要的实际意义和研究价值三 1 生物炭的制备 生物质主要由纤维素二半纤维素和木质素组成三生物炭的制备是生物质发生热裂解,由大分子转变为小分子的过程三其中伴随有脂肪烃脱水缩聚形成芳香环,羟基二羧基等极性官能团脱除的过程三根据制备过程中生物质的热解温度二升温速率以及加热介质的不同,生物炭的制备方法可分为:慢速热解二快速热解二气化热解二水热炭化以及微波热裂解法[1-2]三1.1 慢速热解 慢速热解法也称为传统炭化法,是指生物质以一个相对较低的速率加热,经过较长的热解时间制备生物炭的过程三慢速 热解法对设备条件要求不高,反应条件较为温和,在固定床或移动床上就可以进行反应,通过普通的马弗炉控制温度就可以实现生产三Xiao 等[3]以氮气为保护气,以稻秆为原料,在马弗炉内制备生物炭三在升温速率为5℃/min 的条件下,他们考察了反应温度对产物的影响三结果表明,当反应温度为150℃时,生物炭的产率最高为93.9%三随着炭化温度的升高,生物炭的产率逐渐下降,其灰分含量逐渐升高,pH 值增大,芳香化程度明显增高,微孔结构更加完善三李敏等[4]分别在窑式二固定床和移动床三种设备中进行了生物炭的制备过程,考察不同反应温度及风量条件对热解过程的影响三结果表明,产物的分布和特性与反应器的种类有关,而热解炭化制备生物炭的关键因素是温度与风量三 1.2 快速热解 快速热解法是生物质在无氧或限氧条件下快速(103~104℃/s,)加热到较高反应温度(常压下500℃左右),从而使生物质大分子发生热解转化,生成气体小分子二挥发分以及焦油等产物的过程三该过程通常在流化床中进行三与慢速热解法相比,快速热解的升温速率快二加热时间短,生物油产率相对较高,而生物炭产率相对较低,且得到的生物炭密度高二偏酸
秸秆生物炭基肥项目 可行性分析报告 规划设计 / 投资分析
秸秆生物炭基肥项目可行性分析报告说明 该秸秆生物炭基肥项目计划总投资18317.52万元，其中：固定资产投资14930.39万元，占项目总投资的81.51%；流动资金3387.13万元，占项目总投资的18.49%。 达产年营业收入30884.00万元，总成本费用23589.36万元，税金及附加330.92万元，利润总额7294.64万元，利税总额8631.72万元，税后净利润5470.98万元，达产年纳税总额3160.74万元；达产年投资利润率39.82%，投资利税率47.12%，投资回报率29.87%，全部投资回收期4.85年，提供就业职位519个。 充分依托项目承办单位现有的资源或社会公共设施，以降低投资，加快项目建设进度，采取切实可行的措施节约用水。贯彻主体工程与环境保护、劳动安全和工业卫生、消防工程“同时设计、同时建设、同时投产”的总体规划与建设要求。 ...... 主要内容：总论、投资背景及必要性分析、市场调研预测、产品规划分析、项目选址研究、工程设计可行性分析、工艺技术、环境影响分析、企业安全保护、项目风险评估、项目节能可行性分析、实施进度、项目投资情况、项目经济收益分析、综合评价说明等。
第一章总论 一、项目概况 （一）项目名称 秸秆生物炭基肥项目 （二）项目选址 某经济示范中心 （三）项目用地规模 项目总用地面积52546.26平方米（折合约78.78亩）。 （四）项目用地控制指标 该工程规划建筑系数54.93%，建筑容积率1.18，建设区域绿化覆盖率5.83%，固定资产投资强度189.52万元/亩。 （五）土建工程指标 项目净用地面积52546.26平方米，建筑物基底占地面积28863.66平方米，总建筑面积62004.59平方米，其中：规划建设主体工程46152.24平方米，项目规划绿化面积3614.46平方米。 （六）设备选型方案 项目计划购置设备共计105台（套），设备购置费6489.20万元。 （七）节能分析 1、项目年用电量1033429.57千瓦时，折合127.01吨标准煤。
污泥基生物炭在水处理中的应用 摘要：随着污水处理厂的规模逐渐扩大，出水要求更加严格，导致剩余污泥的 排放量越来越大。污泥中包含着很多有毒物质，如重金属、盐类、有机污染物、 病原菌等，长期暴露于环境中将会严重影响人类的健康，破坏生态环境，造成二 次污染。因此对市政污泥进行减量化、稳定化、无害化、资源化利用是如今环境 发展过程中亟待解决的问题之一。在污水处理中，吸附法成本低廉、操作简便、 去除污染物能力较强，污泥基生物炭作为常见的优良吸附剂被广泛用于水污染处 理当中。 关键词：污泥；生物炭；水处理；应用 1生物炭简介 生物炭(biochar)指在低氧或缺氧条件下将木材、农作物秸秆、污泥或动物粪便等生物质 经过高温裂解形成的稳定且富含碳元素的物质。生物炭的基本组成元素是碳、氢、氧等,但其 主要成分是碳(约70%-80%)。自然界中的生物质多种多样,所以不同生物质制成的生物炭在结构、孔隙结构、比表面积等方面上具有很大差异。但它作为一种功能多样的生物炭材料,在环 境学、材料学及农业等方面都展现出了极大的应用潜力,目前已经引起了各行各业的广泛关注。 2污泥基生物炭的制备方法 生物炭的制备原料非常多，如花生壳、玉米芯、玉米秸秆、甜菜根、稻谷壳和果皮等， 都可被用于制备生物炭。生物炭制备通常使用的方法为高温裂解法和水热碳化法。其中，高 温裂解法即将生物质原料置于缺氧或氧含量极低的环境下，对其有控制地进行高温分解制备 得到生物炭的方法，其又可分为慢速热解、中速热解和快速热解;水热碳化法是一种将生物质 置于一定温度的水中，并在一定压力的条件下得到生物炭的一种制备方法。此外，由于因为 材料、热解方式、温度等的不同，不同方法得到的生物炭性质存在差异。污泥基生物炭的制备，实现消耗处理市政污泥减少环境污染，将污泥进行废物利用。 3污泥基生物炭在水污染中的应用 3.1吸附去除重金属离子 重金属污染是指由重金属或其化合物的造成的环境污染，主要来源于工业污染、生活垃 圾等方面，长时间存在于生态环境中，并随生物链不断累计最终将会严重危害人体健康。用KOH活化制备污泥基生物炭，经过研究发现，活化剂的浓度选取15%时吸附效果最佳，当污 泥质量与KOH溶液比为1:1时，吸附率达到99.87%。当活化剂的浓度选择合理时，由于脱水作用使得污泥基生物炭产生较多的孔隙，增加其吸附金属的能力，而当活化剂过少或过多时，会因为空隙不够和产生更大的孔隙导致吸附效果下降。KOH浸渍时间为4h、炭化温度为750℃、炭化时间为40min为最佳制备条件。利用含铁污泥和棉花秸秆制备涂覆的棉秆生物 质炭，用于去除Cr(VI)。经过分析表明该吸附剂的表面积达到129.2m2/g，孔隙体积为 0.1711cm3/g，对Cr(VI)有着较强的吸附能力。并且利用磁铁可以很容易从溶液中分离出铁碳 化合物从而达到回收再利用的效果，水处理厂产生的铁渣可以直接回收制得吸附剂，为铁资 源利用提供一个较好的研究方向。 3.2吸附去除染料
活性污泥中的微生物，主要有细菌、原生动物和藻类三种，此外还有真菌、病菌等。微生物中细菌是分解有机物的主角，其次原生动物也有一定的作用。活性污泥中主要以菌胶团和丝状菌存在，游离的细菌较少。活性污泥中原生动物较多，经常出现的原生动物主要有钟虫类、盾纤虫、漫游虫、吸管虫、变形虫等。此外还有一些后生动物，如轮虫和线虫。可以所，活性污泥是一个广阔的微生物世界。对工艺管理者来说，应会识别微生物，并了解它对污水处理过程的指示作用。 下面是几钟生物相对活性污泥的指示情况： 1、活性污泥良好时出现的微生物主要有：钟虫类、盾纤虫、盖纤虫、累枝虫、聚缩虫、内管虫、独缩虫等吸附性原生动物。如果此类微生物占总数的80%以上，个体在1000个/mL以上的话，应该判断为具有高净化效率的活性污泥。 2、活性污泥处于恶劣状况时出现的微生物主要：波豆虫、豆型虫、草履虫、弹跳虫、屋滴虫（大多数为游泳型），可以判断为絮凝体细碎。严重恶化时原生动物和后生动物消失。 3、在活性污泥分散解体时出现微生物：辐射变形虫、多核变形虫、扇形变形虫等肉足类。可判断为絮体变小出水混浊，SS升高，而这类微生物急增时必须调整工艺状态，减少回流污泥量和通气量，则可以印制污泥解体。 4、在活性污泥出现恢复时出现的微生物主要有：漫游虫、徐叶虫、徐管虫、尖毛等（全毛类） 5、在活性污泥膨胀时出现的微生物主要有：浮游球衣藻和霉菌。丝壮菌是造成污泥膨胀的诱导生物，丝壮菌大量增殖是，则吸附型的原生动物急剧减少，污泥性能恶化，形成所谓的漂泥现象。一旦出现丝壮菌增殖的趋势，4-7天后SVI急剧上升甚至会超过200。 6、进水负荷低时出现的微生物主要有：游仆虫、狭甲虫等生物。判断为有机物较少，应增大曝气量。溶解氧不足时出现的微生物主要有；扭头虫、丝壮菌等，此时污泥发黑并放出腐臭味，应增大曝气量。曝气过量时出现的微生物主要有：肉足类及轮虫类，包括阿米巴虫，高负荷和毒物流入时出现的微生物主要有；盾纤虫和钟虫的锐减是负荷过高和毒物流入的征兆，大多数微生物灭绝时活性污泥已被破坏，必须进行恢复。 7、钟虫不活跃或呆滞，往往是曝气池供气不足。当发现没有钟虫，却有大量的游动纤毛虫如个种数量较多的草履、漫游虫、豆型虫、波豆虫等，而细菌则以游离细菌为主，此时表明水中的有机物还很多，处理效果很差。如果原水水质良好，突然出现固定纤毛虫减少，游泳纤毛虫增加的现象，预示水质要变差，逐渐出现游动纤毛虫，水质将向好的方向发展，直致变为固定纤毛虫为主，则水质变得良好。 8、镜检中发现积硫较多的丝硫细菌，游动细菌时，往往是曝气时间不足，空气量不够，流量过大，或水温较低，处理效果较差。 9、在大量钟虫存在的情况下盾纤虫数量多而且越来越活跃，这读曝气池工作不利。要注意，可能悟泥会变得松散，如果钟虫量递减，盾纤虫量递增，则替伏着污泥膨胀的可能。当发现等枝虫成堆出现，并不活跃，肉眼能见污泥中有小白点，同时发现贝氏硫菌和丝硫菌积硫点十分明显，则表明曝气池溶
生物炭及其复合材料的制备与应用研究进展 摘要：随着现代工农业生产的迅速发展，每年都有大量的重金属通过金属矿山 开采及冶炼、化工废水、化肥农药和生活垃圾等方式进入水体，导致水体重金属 污染日益严重。此类污染物在水体中具有很强的毒性和不可降解性，还会通过生 物链的累积放大其危害性，不仅破坏了生态系统，而且严重威胁到人体健康。因此，如何采取科学有效的方法处理重金属污染废水已经迫在眉睫，同时重金属水 体污染防治已成为当今环境领域的研究热点之一。 关键词：生物炭；复合材料；污染物 生物炭--般是指生物质原材料在厌氧或缺氧的条件下，经一定的温度(<700 oC)热解产生的含碳量高、具有较大比表面积的固体生物燃料，也称为生物质炭。常 见的生物炭包括木炭、稻壳炭、秸秆炭和竹炭等。它们主要由芳香烃和单质碳或 具有石墨结构的碳组成，除了C元素，还包括H、0、N、S以及少量的微量元素。虽然生物炭的性质受制备条件的影响较大，但总体来说，生物炭比表面积大、容 重小、稳定性高、吸附能力强被广泛应用于生态修复、农业和环保领域。 一、生物炭 在传统农业阶段，农作物的废弃物一般是以焚烧还田的方式进行处理，人们 通常采用将土覆盖在点燃的生物质上的方法实现在缺氧条件下的无烟燃烧，燃烧 后的生物炭留在土壤中，可改良土壤并提高土壤肥力。随着技术的发展，目前生 物炭的制备多在窑炉中进行，提高了效率，但基本原理与传统农业手段是相同的。目前制备生物炭常用的方法是热裂解法，即限氧升温炭化法。根据不同的反应条 件可以将热裂解法分为两种：一是快速裂解法，反应温度一般在700℃以上，生 物燃料的制备通常采用这种方法；另一种是常规裂解法，温度一般在700℃以下，生物炭主要用这种方法制备而成。研究表明，生物质原材料的种类会对生物炭的 性质(空间结构和性状)产生影响。在相同裂解条件下，不同生物质材料来源的生 物炭不仅稳定性不同，对污染物的吸附能力、对土壤理化性质的影响亦不同。生 物质来源对生物炭性能的影响，原材料中木质素含量越高，制备的生物炭材料中 芳香含量和C：N比例越高，与此同时生物炭的矿化度越低。除了生物质原材料 种类，裂解温度也是生物炭制备过程中一个非常关键的因素，它不仅能够影响生 物炭的产率，还可以控制生物炭的表面结构和吸附性质。生物炭在环保领域的应 用已经引起了国内外学者的普遍关注，然而因其具有高温裂解过程中损失部分离 子官能团、吸附后固液分离难的不足，已经有学者开始研究将生物炭与其他材料 复合，改善生物炭的物理和化学性质，加强其吸附能力。生物炭复合材料的制备 通常是在生物质原材料中添加其他材料，再通过高温裂解制备成复合材料。 二、物炭复合材料制备 生物炭复合材料是以生物炭为主，通过物理、化学等方法对生物炭进行修饰 改性或者负载一些无机或有机物，从而提高其吸附性能的复合材料。一般而言， 生物炭复合材料的吸附能力比生物炭强，主要是由于生物炭被改性修饰或者负载后，生物炭复合材料的比表面积、微孔结构以及吸附位点发生了变化，除此之外，改性剂和负载物本身也会影响生物炭复合材料的吸附性能。 由于生物炭颗粒较小，很难从溶液中分离出来，容易造成二次污染，而且也 不利于生物炭的再生和重复利用，所以部分研究者通过磁性剂磁化生物炭。目前，主要运用的赋磁剂有金属单质(Fe、Co、Ni)、金属氧化物(Fe。04、7-Fe203、 C0304)和铁氧体(CoFe204、MgFe204)等。Wang等[363利用共沉淀法制备出生物
(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910216077.5 (22)申请日 2019.03.21 (71)申请人 上海交通大学 地址 201100 上海市闵行区东川路800号交 通大学材料楼F楼521室 (72)发明人 赵玲 肖冬林 曹心德 刘阳 续晓云 仇浩 (74)专利代理机构 北京高沃律师事务所 11569 代理人 瞿晓晶 (51)Int.Cl. C12N 11/14(2006.01) C12N 11/10(2006.01) C12N 11/04(2006.01) C02F 3/34(2006.01) C12R 1/38(2006.01) C02F 101/34(2006.01) (54)发明名称一种生物炭基材料的制备方法、生物炭基材料及其应用(57)摘要本发明提供了一种生物炭基材料的制备方法、生物炭基材料及其应用，属于有机物降解技术领域。所述制备方法包括：将无机盐液体培养基与生物炭混合，得到混合物，将苯酚降解菌接种于混合物中培养45～50h，对得到的培养物进行真空抽滤，得到吸附有苯酚降解菌的生物炭；将所述吸附有苯酚降解菌的生物炭经生理盐水重悬后，得到悬浊液，将所述悬浊液与海藻酸钠溶液混合后滴加到氯化钙溶液中，得到生物炭炭基材料。采用本发明提供的制备方法制备得到的生物炭基材料，大大提高了苯酚的降解率，对于浓度高达600～1200mg ·L -1范围内的苯酚污染废水，生物炭能够显著提高苯酚降解菌对苯酚毒性的耐受力， 使其最终降解率最高接近100％。权利要求书1页 说明书9页 附图4页CN 109825494 A 2019.05.31 C N 109825494 A
任务1-3 生物炭生产与农用的意义及国内外动态近年来，biochar一词不断地出现在科学期刊及媒体中，Biochar 是bio-charcoal的缩写，是指生物有机材料（生物质）在缺氧及低氧环境中经热裂解后的固体产物，大多为粉状颗粒，2007年在澳大利亚第一届国际生物炭会议上取得的统一命名，主要施用于农林业土壤。国内将biochar译为生物炭、生物质炭、生物质焦，为简便起见，本文-称之为“生物炭”。生物炭是粉状颗粒化的木炭，是活性炭的生产原料之一，在性质和特征上三者具有相似性，均属于黑炭（black carbon），黑炭涵盖了生物质略微炭化到燃烧后黑烟颗粒的炭化物质，包括自然野火或人为烧荒燃烧植物、化石燃料不完全燃烧形成的碳物质，黑炭对全球碳循环起着较大的作用。 实践任务 任务要求 1.了解生物炭与碳减排过程 2.理解生物炭的一举多赢战略 3.掌握生物炭生产与原料 4.了解生物炭国内外研究动态与方向 任务实施 目前全球对生物炭的科学研究重视源于对亚马逊盆地中部黑土（Terra Preta de Indio）的认识，在哥伦布进入南美大陆之前，南美洲土著人就用木炭作为改良当地高风化淋溶土壤的主要材料，这种黑土至今是全球最肥沃的土壤之一。然而，在20世纪80年代以前，
全球关于生物炭的科学研究论文仅有寥寥数篇，也尚未充分认识到生物炭的重要性。20世纪80年代，虽然日本人用生物炭作为盆景植物土壤的改良剂及作为生物菌肥的载体，并有研究论文发表。但是全球真正科学认识生物炭开始于20世纪90年代中期。为了应对气候变暖，在寻求更有效降低大气二氧化碳浓度及化石燃料碳排放的技术过程中，科学家从Terra Preta研究中认识到了生物炭作为二氧化碳俘获和碳封存剂的重要性，从此有关生物炭改良土壤及改善肥料性能及效益的研究日益增多，全球关于生物炭的期刊科研论文数从2000年的2篇左右上升到2009年约80篇以上，且仍呈增长趋势。在google 搜索引擎上以biochar关键词搜索（截止2010年10月31日）可搜到约15.1万条结果。“生物炭”搜索到211万条结果，这充分说明生物炭成为全球科学研究和媒体关注的焦点。 一、生物炭与碳减排 众所周知，现有的化石能源利用过程是一个碳排放过程，全球每年因化石能源利用而排放的二氧化碳相当于60多亿t碳，二氧化碳
. 活性污泥微生物学 卓祥和编写
二〇〇八年九月
活性污泥微生物学 工业废水或城市污水排入水体后，使水体受到有机污染。有机污染是当前水体污染的普遍倾向，因此有机污染的治理是保护水资源的重要措施。如果被有机污染的水体是河流，在流径一段距离后，水中有机物在微生物的作用下，逐渐被氧化、分解，最后恢复到原来的清洁程度，这一过程称为水体的自挣。微生物在氧化、分解有机物的过程中，不断消耗河流中的溶解氧，而溶解氧则可在流动的河流表面从大气中得到补充。我国古代，就有“流水不腐，户枢不蠹”的谚语。这种利用溶解氧氧化、分解有机物的微生物称作好氧微生物。 排入水体的污水，一部分以悬浮状态的有机物沉淀至水底，无法不断获得溶解氧。此时，另一种称为厌氧微生物发生作用。厌氧微生物是自养性的，以发酵方式分解有机物和合成微生物机体。厌氧分解能产生有机酸、醇、硫化氢、二氧化碳、沼气和热能。所以受有机污染的水体常发生底泥冒气泡现象。民间的沼气池和堆肥是厌氧微生物作用的例子。 我国现行国家标准规定，污水处理工程中，水中溶解氧≥2mg/L为好氧区（Oxic Zone），主要功能是降解有机物和进行硝化反应（又称碳化和硝化）；0.2～0.5mg/L为缺氧区（Anoxic Zone），在兼氧微生物作用下能起到脱氮的反硝化反应；＜0.2mg/L的称为厌氧区（Anaerobic Zone），微生物能吸附有机物并释放磷，以便在好氧区吸收磷从剩余污泥排出而起到除磷功能。水中溶解氧在0.5～2mg/L属于有氧区范围，有相应的微生物菌种存在，起到相应的有机物氧化、氨氮硝化和硝酸盐反硝化的作用。 利用好氧微生物、兼氧微生物和厌氧微生物清除水中有机物的技术，被称作生物处理技术。 污水生物处理技术，按处理设施的载体不同，分为生物膜法和活性污泥法两种。如以填料和膜片作为载体的各种生物滤池和生物转盘等处理设备属于生物膜法；以水为载体的各类曝气池、氧化沟等属于活性污泥法。也有两者结合，在水中设置填料载体的接触氧化法等。 活性污泥法以好氧微生物处理为主。在活性污泥法生物处理设施中需不断充入空气，即曝气。从而加速微生物分解污水中有机物的速度，随之有大量絮状的泥粒产生，这就是活性污泥。它是由大量的细菌、原生动物等微生物，以及一些无机物所组成。活性污泥按照污水水质的不同而有不同的颜色，一般为黄褐色。
1.生物炭的应用领域 (1)生物炭的环境效应 随着低碳经济和可持续发展理念的提出和实施，气候变化问题不容小觑，而COZ等气体的排放所造成的温室效应也成为全世界的环境难题。制备生物炭的生物质来源广泛，易集中处理，低污染，可再生，应用潜力巨大。Lehmann曾指出，植物光合作用吸收的CO2会转变为碳水化合物来储存，经过热解处理后得到的生物炭再重新施与土壤中会起到固碳的作用，这种循环可以称为一个净的“负碳”过程，可以有效缓解全球气候变暖问题[34] 除此以外，生物炭因其自身的特殊性能还常常被用于水质净化，污水处理，废气处理等环境领域。如生物炭常被用于脱硝脱硫工艺中，通过吸附作用有效去除二氧化硫及氮氧化物等污染物。 (2>生物炭的农业效应 己有研究发现，农林业废弃物通过热解炭化制备成生物炭并以土壤改良剂的形式重新施与土壤，可以起到改善土壤环境，增加土壤肥效，提高农作物产量，并修复土壤的效果，若能运用于实际中，能极大的促进土壤的可持续利用和农业的绿色发展。 生物炭含有丰富的矿质元素，施加到土壤中可提高土壤中P, K, N, Mg, Ca, N等元素的含量，尤其是畜禽粪便生物炭对贫瘩土壤的养分补充效果非常明显。生物炭的石灰当量值较大，因此施与土壤中能与石灰有同样的作用，通过提高土壤碱基饱和来降低可交换铝水平，而酸性土壤的pH值也可以通过生物炭对土壤质子的消耗作用来完成[35-37]，进而改良酸性土壤养分的有效性。生物炭自身的高碳含量，不但可以增加土壤中的有机碳，还可以一定程度的提高土壤中有机质的含量，外加它本身就具有一定的吸水能力，因此，能大幅度的提升和改善土壤整体的养分吸持容量和持水能力。在土壤保肥方面，生物炭因其自身的特殊性质具有较高的吸附能力，阳离子交换量(CEC)和化学反应性，因此，常起到肥料缓释载体的作用，通过延迟和缓冲土壤中肥料的释放来提高其利用率[[38,39]。同时，生物炭的水肥吸附作用及孔隙结构能有效的改善土壤微生物环境， 为有益微生物的生存提供良好的栖息环境，促进其种群的繁硝和活性的保持[40-42] (3)生物炭的能源效应 化石能源作为人类文明进步和社会发展所依赖的主要能源结构，因为不可持续性和人类的巨大消耗使其逐渐走向枯竭。能源危机也因此成为全球高速发展的限制性因素，如何探索和发现新型替代能源己是燃眉之急[43]。生物炭作为一种可再生碳源，燃烧性能好，热值高，清洁，无污染，因而具有极大的开发潜力。我国每年秸秆产量有七亿吨，制成生物炭具有的热值高达2.25亿吨，价值折合Ig00亿元人民币，可填补我国燃煤缺口的一半以上，可应用于农村分散供热，供暖以及城市集中供暖，发电等，有效调整我国能源结构，为绿色可持续发展提供新型起步点和着眼点。除此以外，生物炭制备过程中获得的混合气和生物油以蒸汽催化的方式进行重新整合收集后可得氢气副产品，作为一种新原料和能源被用于合成氨等其它方面与领域[44]。而生物油也可升级加工为工业化学品，和化学还可进一步精炼得到生物柴油燃料。因此，生物炭制备过程中所产生的生物能源品可在一定程度上缓解化石能源的压力，并 从总量上减小了化石原料的碳排放量。L (1)在污水处理中的应用 生物炭的多孔结构及高比表面积使其与活性炭类似，可以用于环境中的污染物的吸附剂(Beesley L, et al., 2010; Beesley L, et al., 2011; Chen X, et al.,2011; Ippolito J A, et al. , 2012a)。目前，己有很多研究使用废弃物制成的生物炭来去除水中的污染物，并且对多种污染物都有显着的吸附效果(Cao X D, et al.,2009; Chen X, et al.，2011;Dong X, et al.，2011;Ippolito J A, et al.，2012a;Qiu Y, et al. , 2008 ; Uchimiya M, et al. , 2010)。生物炭在污水处理方面的应用主要包含两个方面，即有机污染治理和无机污染治理。有机污染物主要包括染料、酚醛树脂、农药、芳烃以及抗生素等，无机污染物主要包括阳离子和阴离子。Chen等(Chen X, et al. , 2011)报道了由硬木和玉米秸秆制备的生物炭对Cu和Zn有很强的吸附性，分别高达12.5和11.0 mg/g o Klasson等使用杏仁壳生物炭吸附水中的二嗅氯，其比表面积可达到344 m2/g，最大吸附量为102 mg/g(Klasson K T,et al. , 2013) o Cao等(Cao X D, et al., 2009)研究表明在
关于活性污泥中各种生物内部及之间的相互关系和对水处理效果的影响的论文.
活性污泥中各种生物内部及之间的相互关系和对水处理效果的影响. 活性污泥中的生物群。包括细菌、原生动物、鳃引等环节动物、轮虫类、线形动物和椎实螺属（Lymnaea）软体动物和昆虫〔花虻（Eristalis te－nax）〕。但从活性污泥的机能方面来看，还是以动胶菌属细菌为主体，在有钟虫属（Vorticella）、等枝虫属（Epistilis）等有柄的原生动物存在的污泥，活性更高。 微生物在自然界中的分布 一、土壤中的微生物： （一）土壤是微生物天然培养基 1、营养：有机质丰富，可提供C、N及矿质元素和水分等。 2、PH值：土壤PH值多在5.5—8.5之间，适合微生物生长。 3、渗透压：土壤渗透压在3—6（大气压）适合微生物生长。 4、空气、水分：土壤空隙中充满着空气和水分，为好氧、厌氧微生物生长提供条件。 5、温度：土壤保温性能好，温度较稳定，变动幅度较空气小。即昼夜、季节温度比空气小得多，不同温度湿度不同。 所以土壤中存在着大量的微生物，是微生物的大本营，“菌种资源库”。 （二）土壤中的微生物分布 1、数量：丰富：几百万—几十亿/g，贫瘠：几百万—几千万/g。 2、种类：细菌最多，放线菌，真菌次之，藻类，原生动物少，病毒。 3、营养类型：多为异养型，少为自养型。 4、数量：①细菌：占土壤中微生物总量的70%—90%，由于数量多，生物量也高。生物量：单位体积中，活细胞的重量。 多为自养菌，少为异氧菌，多为中温型好气菌，或兼性厌气菌
②放线菌：数量仅次于细菌，孢子：几千万—几亿/g占微生物总数5—30%分布于碱性，有机质丰富的温暖地带。酸性，贫瘠土地中放线菌少。由于放线菌菌体大，有分支，虽数量少，但生物量与细菌相近。 种类：链霉菌，诺卡氏菌，小单胞菌。 ③真菌；几万—几十万/g，好气性，分布于土壤表层。 存在：在土壤中的菌丝及孢子状态存在。由于真菌菌丝粗，且长，故生物量不小于细菌，真菌分布于酸性土壤，分解纤维素，果胶质，木质素等。 酵母菌在土壤中较少，几个—几千个/g，果园中可达几十万/g。 ④藻类：很普遍，多为单细胞藻类，丝状绿藻和裸藻。 分布：分布于土壤表层，数量少，生物量大。 藻类可进行光合作用，有色素，可为土壤积累有机质/ ⑤原生动物：单细胞，能运动。如：纤毛虫，鞭毛虫，变形虫等，多为异养，以有机物为食，或吞噬细菌，单细胞藻类，真菌孢子等。 5 微生物在土壤中分布： 土壤垂直温度的增加，养料，水分，空气相对减少，微生物分布逐渐减少，土表由于阳光照射和水分散失易造成微生物的死亡，在5—20 cm土壤层中微生物数量最多，植物根系附近微生物数量更多,自20 cm以下，微生物数量随土层深度增加而减少，100cm以下养料，氧气减少，微生物数量开始减少，减少约20倍，至2m深处，因缺乏营养和氧气每克土中仅有几个。土壤中的微生物种类和数量是土壤环境条件的综合反应。不同土壤，不同气候，都影响微生物己系的组成和强度。 二、水体中的微生物 ①、来源：来自空气、土壤、动植物排泄物等，工业废水，生活 废水。 ②、类群：水中微生物的种类及分布，与水的类型，有机质含量， 微生物拮抗等多种因素有关。 （一）淡水微生物 主要存在于陆地的江河湖海，池塘，水库等。 ①地下水、自流水中、泉水中，含菌数少。
活性污泥生物 活性污泥中的生物群。包括细菌、原生动物、鳃引等环节动物、轮虫类、线形动物和椎实螺属（Lymnaea）软体动物和昆虫〔花虻（Eristalis te－nax）〕。但从活性污泥的机能方面来看，还是以动胶菌属细菌为主体，在 有钟虫属（Vorticella）、等枝虫属（Epistilis）等有柄的原生动物存在 的污泥，活性更高。 活性污泥生物相观察对污水处理系统运行管理的指导作用 1、引言 活性污泥法污水处理系利用活性污泥中的微生物在人工供氧的条件下, 将污水中的有机物降解氧化为Ｈ20,ＣＯ2、ＰＯ3-4、ＮＨ3,—Ｎ、Ｈ2Ｓ等无机物,同时微生物利用分解代谢过程中释放的能量将分解代谢过程中的中 间代谢产物合成为新的细胞质组成部分,使微生物自身生长繁殖。由此可见,在污水生化处理中都是通过处理系统内的活性污泥微生物的代谢活动,将污 水中的有机物氧化分解为无机物,从而得以净化的。在污水处理过程中,微生物和它所处的处理系统环境条件(如温度、酸碱度、营养物质、毒物浓度和 溶解氧等)是相适应的,在处理系统环境条件发生变化时,微生物的种类、数 量及其活性也会随之发生相应的变化。在一定程度上生物相能反映污水处理系统的处理质量及运行状况。因此,在污水处理系统运行过程时可通过对活 性污泥中生物相观察来了解处理系统的运行状况,并根据观察的情况及时调 整处理系统的控制因素,促使有利于氧化分解污水中有机物质的微生物生 存。目前在污水处理系统运行管理中对生物相观察,已越来越受到运行管理 人员的重视。 2、活性污泥的生物相观察方法 活性污泥生物相系指活性污泥中微生的种类、数量、优势度及其代谢活力等状况的概貌。污泥中的微生物和它所处的处理系统环境条件是相适应的,在处理系统的环境条件发生变化时,微生物的种类和数量及其活性也会产生 相应的变化,通过对活性污泥的生物相观察来了解污泥中的微生物生长、繁 殖和代谢活动以及它们之间的演替情况,可直接反映污水处理设施的运行状 况及处理的效果。 活性污泥的沉降性能观察,先取曝气池中的新鲜活性污泥,盛放到100毫升量筒中。静置5—15分钟后观察在静置条件下污泥的沉降速率,沉降后泥 水界面是否分明,上清液是否清澈透明。 活性污泥的生物相观察一般通过光学显微镜来完成。先用低倍数光学显微镜观察污泥絮体的大小、形状、结构紧密程度,再转用高倍数显微镜观察 污泥絮粒中的菌胶团细菌与丝状细菌的比例、絮粒游离细菌的多寡以及微型
活性污泥生物相对污水处理指导作用 1 摘要：在污水处理系统运行过程时可通过对活性污泥中生物相观察来了解处理系统的运行状况,并根据观察的情况及时调整处理系统的控制因素,促使有利于氧化分解污水中有机物质的微生物生存。目前在污水处理系统运行管理中对生物相观察,已越来越受到运行管理人员的重视。 关键词：活性污泥生物相观察污水处理运行管理 1、引言 活性污泥法污水处理系利用活性污泥中的微生物在人工供氧的条件下,将污水中的有机物降解氧化为Ｈ20,ＣＯ2、ＰＯ3-4、ＮＨ3,—Ｎ、Ｈ2Ｓ等无机物,同时微生物利用分解代谢过程中释放的能量将分解代谢过程中的中间代谢产物合成为新的细胞质组成部分,使微生物自身生长繁殖。由此可见,在污水生化处理中都是通过处理系统内的活性污泥微生物的代谢活动,将污水中的有机物氧化分解为无机物,从而得以净化的。在污水处理过程中,微生物和它所处的处理系统环境条件(如温度、酸碱度、营养物质、毒物浓度和溶解氧等)是相适应的,在处理系统环境条件发生变化时,微生物的种类、数量及其活性也会随之发生相应的变化。在一定程度上生物相能反映污水处理系统的处理质量及运行状况。因此,在污水处理系统运行过程时可通过对活性污泥中生物相观察来了解处理系统的运行状况,并根据观察的情况及时调整处理系统的控制因素,促使有利于氧化分解污水中有机物质的微生物生存。目前在污水处理系统运行管理中对生物相观察,已越来越受到运行管理人员的重视。 2、活性污泥的生物相观察方法 活性污泥生物相系指活性污泥中微生物的种类、数量、优势度及其代谢活力等状况的概貌。污泥中的微生物和它所处的处理系统环境条件是相适应的,在处理系统的环境条件发生变化时,微尘物的种类和数量及其活性也会产生相应的变化,通过对活性污泥的生物相观察来了解污泥中的微生物生长、繁殖和代谢活动以及它们之间的演替情况,可直接反映污水处理设施的运行状况及处理的效果。 活性污泥的沉降性能观察,先取曝气池中的新鲜活性污泥,盛放到100毫升量筒中。静置5—15分钟后观察在静置条件下污泥的沉降速率,沉降后泥水界面是否分明,上清液是否清澈透明。 活性污泥的生物相观察一般通过光学显微镜来完成。先用低倍数光学显微镜观察污泥絮体的大小、形状、结构紧密程度,再转用高倍数显微镜观察污泥絮粒中的菌胶团细菌与丝状细菌的比例、絮粒游离细菌的多寡以及微型动物的状态,最后用油镜观察染色的涂片,分辨细菌的种类和观察细菌的情况。 3、运行状态下的活性污泥的生物相观察与控制 在污水处理系统运行过程中,我们除了利用物理、化学手段来测定活性污泥性质外,还可以通过观察污泥的生物相来监视污水处理的运行状态,以便及早发现异常情况,及时采取适当的对策,保证运行稳定,提高处理效果。 对污水处理系统的活性污泥生物相观察着重从如下几个方面观察。 3.1活性污泥的结构 活性污泥絮粒的大小、形状、紧密程度、构成絮粒的菌胶团细菌与丝状菌的比例及其生长情况能很好地反映污水处理状况。 活性污泥的污泥絮粒大、边缘清淅、结构紧密,呈封闭状、具有良好的吸附和沉降性能。絮粒以菌胶团细菌为骨架,穿插生长一些丝状菌,但丝状菌数量远少于菌胶团细菌,未见游离细菌、微型动物以固着类纤毛虫为主,如钟虫、盖纤虫、累枝虫等;还可见到木盾纤虫在絮粒上爬动,偶尔还可看到少量的游动纤毛虫等,轮虫生长活跃。这是运行正常的污水处理设施的活性污泥生物相,表明污泥沉降及凝聚性能较好,它在二沉池能很快和彻底地进行泥水分离,处理出水效果好。在形成