生物负载-纳米氧化铁/石墨烯基复合材料协同吸附去除再生水中重金属研究

Heavy metal pollutants in reclaimed water have a serious negative impact on reclaimed water security and human health. This project will focus on a key scientific problem that how to specifically remove heavy metal pollutants with low concentration but high toxicity in reclaimed water. We will first select, isolate, identify heavy metal-resistant microbes from heavy metal polluted soil for strong and specific adsorption of heavy metal; Then bio-loaded nano iron oxide/graphene composite will be constructed based on the preparation of nano iron oxide/graphene and bioadsorbent; Composite material and the adsorption column using composite material as core unit will be used to specifically remove heavy metal pollutants in reclaimed water; Heavy metal synergistic adsorption and removal mechanism will be elucidated. Our research will provide powerful support to obtain safe reclaimed water and reduce the potential ecological risk and health danger of reclaimed water.

再生水中重金属污染物严重影响再生水使用安全，危害人体健康。围绕再生水中低浓度、高毒性关键重金属污染物针对性去除的科学问题，本项目从重金属污染土壤中分离、筛选、鉴定出对重金属具有较强抗性、较强吸附能力和吸附选择性的微生物；在纳米氧化铁/石墨烯基设计和制备的基础上，完成基底微生物负载，构建生物负载-纳米氧化铁/石墨烯基复合材料和以复合材料为核心的吸附填充柱，开展再生水中关键重金属污染物针对性吸附去除研究；在揭示复合材料协同吸附去除再生水中重金属污染物机理、规律的基础上，为保障再生水使用安全，降低再生水使用的潜在生态风险和健康危害提供研究支撑。

再生水被广泛应用于地表和地下水水源补充、工业用水、农业用水、城镇杂用水、城镇景观环境用水等，带来显著的经济和社会效益。然而再生水中各种重金属、病原微生物等有毒有害污染物，严重威胁再生水使用安全。本项目围绕针对性去除再生水中低浓度、高毒性关键重金属污染物的科学问题，通过制备生物吸附材料、纳米&微生物复合材料、炭基复合材料，开展再生水中重金属污染物吸附去除研究。通过对再生水厂出水进行分析，本项目确定再生水中关键重金属污染物包括Cd、Cr、Pb，并选取Cd作为主要研究对象。本项目从重金属污染土壤中筛选获得微生物三十余种，并对其进行重金属锰、镉抗性检测以及镉吸附能力评估，从中选取两种微生物进行菌种鉴定，鉴定结果为腊样芽孢杆菌ZNT-03和拟盾壳霉属ZNT-10。本项目使用腊样芽孢杆菌ZNT-03制备重金属生物吸附剂；使用拟盾壳霉属ZNT-10制备炭基生物复合材料；以酵母菌作为生物基底吸附Ag+，光照条件下，使用富里酸还原Ag+成银纳米颗粒，银纳米颗粒附着在酵母菌表面，形成纳米&微生物复合材料；以莲蓬、商陆、龙葵、辣蓼为原料，在隔氧条件下制备炭基吸附材料。制备的重金属吸附材料能够有效去除再生水中重金属。借助XPS、XRD、BET、TEM、SEM等研究手段证实腊样芽孢杆菌ZNT-03和银纳米颗粒&酵母复合材料镉吸附行为遵循准二级动力学、Langmuir吸附等温线，此外，银纳米颗粒&酵母复合材料能够有效杀灭再生水中大肠杆菌；拟盾壳霉属ZNT-10炭基复合材料表面MnO颗粒对重金属吸附起了重要作用；莲蓬炭基吸附材料吸附镉受材料炭化率、比表面积、孔体积分布、表面形貌、表面官能团等因素影响，受表面络合作用、离子交换、表面沉淀、Cd-π相互作用等机制调控；以重金属超累积植物（商陆、龙葵、辣蓼）为原料制备的炭基吸附材料同样具备良好的镉去除能力。本项目相关研究成果有利于实现再生水中重金属污染物高效、安全、低成本去除，为保障再生水使用安全，降低再生水使用的潜在生态风险和健康危害提供研究支撑。