磁性秸秆吸附剂耦合微生物还原高氯酸盐的行为与机制研究

Magnetic stalk adsorbents will be prepared by chemical co-precipitation and surface modification methods by using biomass stalks (e.g. wheat stalk, reed) as starting materials. Their preparation process and parameters will be optimized. Physicochemical properties of magnetic stalk adsorbents will be measured to evaluate their preparation mechanisms. The perchlorate in aqueous will be concentrated on surface of magnetic stalk adsorbents. The performance and mechanism on perchlorate adsorption by magnetic stalk adsorbents will be analyzed by determining their adsorption capacity, thermo-dymanics and kinetics parameters. To reduce the laden perchlorate on surface of magnetic stalk adsorbents, perchlorate reducing bacteria will be cultivated and the form of bacteria microbial membrane on surface of magnetic stalk adsorbents will be discussed. Effect of reduction conditions (e.g. dissolved oxygen, pH, electron donors) on physicochemical properties of magnetic stalk adsorbents as well as reduction capacity of laden perchlorate will also be investigated.　In addition, biological-reduction kinetics of laden perchlorate on surface of magnetic stalk adsorbents will be investigated in different redox potential conditions; this will help to improve the reduction rate of laden-perchlorate on surface of adsorbents. Mechanism of this improvement by regulating the redox potential in reduction conditions will be determined. This project is of important theoretical significance and has great practical value to the innocuous treatment of perchlorate from water body.

以麦草、芦竹等生物质秸秆为原料，通过化学共沉淀和表面修饰，制备高效、稳定的磁性生物质秸秆吸附剂；优化合成路线和参数；分析表征磁性生物质秸秆吸附剂的物化特性，明确改性机理；研究磁性生物质秸秆吸附剂对高氯酸盐的吸附行为、吸附容量、热力学和动力学参数，明确其富集高氯酸盐的行为及机制；驯化并培养高氯酸盐还原菌，明确微生物还原体系中，磁性生物质秸秆吸附剂表面菌群微生物膜的形成及影响机制；基于菌群微生物膜的研究结果，探讨溶解氧、pH值、外加电子供体对磁性吸附剂物化特性的影响情况，明确磁性吸附剂的特性变化对微生物原位直接还原磁性吸附剂表面富集高氯酸盐的影响；分析不同氧化还原电位条件下，高氯酸盐还原菌对磁性吸附剂表面富集高氯酸盐的还原反应与还原动力学，明确通过调控氧化还原电位，加快富集高氯酸盐原位还原反应的行为与机制。该研究可为高氯酸盐这一持久性无机污染物的无害化处理提供新的理论与技术支持。

高氯酸盐是具有高稳定性、高扩散性和持久性的新型无机污染物。作为一种强氧化剂，高氯酸盐一直被广泛应用于军工、烟火等领域。高氯酸盐主要影响人体的甲状腺功能，抑制人体正常的新陈代谢和生长发育，尤其是婴儿的大脑组织发育。研究发现，国内饮用水、地下水、地表水和瓶装水中均有高氯酸盐检出，其平均质量浓度分别达到2.46、3.04、2.82、0.22μg/L，这说明高氯酸盐污染已经严重威胁到我国的饮用水源安全。本研究使用生物质吸附剂耦合微生物还原法对水体中低浓度的高氯酸盐进行富集并微生物处理，将富集于吸附剂表面的ClO4-还原为无害的Cl-，实现高氯酸盐无害化及生物质吸附剂的同步微生物再生。本研究的主要的内容以及结果总结如下：.1、通过拉曼光谱（Raman）、红外光谱（FTIR）、X射线光电子能谱（XPS）测定不同生物质秸秆吸附剂的特征吸收峰，分析特征峰的位置及偏移情况，确定三种生物质吸附剂对高氯酸根的吸附机理均基于静电吸引及离子交换，微生物再生后其表面高氯酸根被完全还原为氯离子；通过扫描电镜（SEM）、能谱分析（EDS）、透射电镜（TEM）等确定生物质吸附剂微生物再生后有少量多糖类物质附着在吸附剂表面导致其再生后吸附量有一定损失；.2、考察了在不同浓度的多种共存离子（硝酸根、磷酸根、硫酸根等）情况下，三种生物质吸附剂对高氯酸盐的吸附效果，所选共存阴离子对不同生物质吸附剂吸附高氯酸根效果的影响结果相似，对高氯酸盐吸附的影响程度为：SO42- >NO3- >H2PO4−，这一结果与量子计算结果吻合；.3、利用混合菌PRB及纯菌Azospira sp. KJ对达到饱和吸附的生物质吸附剂进行还原，明确了微生物还原的最适pH、氧化还原电位及硝酸根离子的影响。其中，纯化培养的Azospira sp. KJ还原高氯酸根的最佳pH为8.0，混合菌PRB还原的最佳pH为7.0，较低的氧化还原电位利于PRB还原高氯酸根；硝酸根与高氯酸根共存时，混合菌PRB会优先还原硝酸根，而纯菌Azospira sp. KJ则会优先还原高氯酸根；电子供体的实验表明，在微生物还原高氯酸根过程中，醋酸盐，乳酸盐和琥珀酸盐更适合作为电子供体。