可生物再生硝酸盐吸附剂的制备及应用技术原理

Faced with the serious problem of water pollution by nitrate-N, this research project aims at the removal of nitrate. Though systematically research on the effects of chemical ingredients and process conditions on adsorbents structure, we plan to prepare series adsorbents for nitrate-N removal and discuss the effects of the matrix structure, shape feature, surface property, functional group, particle size and pore distribution though its adsorption and bio-regeneration behaviors. Combined with the analysis of microbial community, diversity and its metabolic products, this project intends to reveal the bio-regeneration mechanism. The adsorbent fouling behavior and fouling mechanism by biomass or its metabolic products are also researched, and the inoculant, nutrient and the operating conditions are investigated and optimized by considering bio-regeneration and anti-fouling performance. On this basis, this project will establish an efficient bio-regeneration reactor and its process for nitrate removal, and the results will provides both the theoretical and technological supports.

本课题围绕水体中硝态氮污染的突出问题，以硝态氮重要存在形态—硝酸盐氮的去除为目标，系统研究配方成份和工艺条件对吸附剂结构的影响，制备系列硝酸盐吸附剂, 并考察其吸附-生物再生行为，探讨吸附剂基质结构、形态特征、表面性质、功能基团、粒径大小和孔道分布等对硝酸盐吸附和生物降解的影响。同时，结合微生物代谢产物以及生物群落、多样性分析，揭示吸附剂的生物再生机制。在此基础上，对生物质及微生物代谢产物对吸附剂的污染行为与机制开展研究，并综合吸附剂的生物再生性能和抗污染性能，对接种源、营养源、操作条件进行系统考察和优化，构建高效生物再生反应器，形成基于生物再生的硝酸盐处理工艺，为我国水/废水中硝酸盐的去除提供理论依据和技术支撑。

项目以水中硝酸盐氮的去除为目标，针对离子交换树脂使用盐再生产生高盐脱附液的难题，通过传统阴离子交换树脂“生物再生”性能的考察，发现树脂“生物再生“过程由硝酸盐的“静电脱附”和“反硝化降解”两个同时进行的过程组成，受反硝化过程控制。在此基础上，通过接种量、碳源、树脂与再生液固液比等条件的优化，实现树脂完全再生，再生后树脂恢复原有吸附性能，且生物再生菌液可重复套用，基本避免了树脂去除硝酸盐氮过程中使用15%NaCl溶液再生产生的高盐脱附液。在机制研究上，实验发现纳米Fe3O4可促进铜绿假单胞菌（P.aeruginosa）生长，其反硝化还原酶相关功能基因在Fe3O4存在下得到明显的增量表达：在Fe3O4共存的反硝化体系中，微生物基因napA、narJ、nirB、norR、nosZ分别是纯菌对照体系的1.56、1.25、1.24、1.37、2.20倍，且差异蛋白显著富集到氮代谢通路中。基于以上发现，实验通过原位生成，制备了含有Fe3O4纳米粒子的磁性阴离子交换树脂，并考察其生物再生性能。结果表明，相较于传统树脂，含15%Fe3O4的磁性树脂生物再生速率可提高1倍以上，在5小时内可实现树脂的生物再生。在复杂接种体系下，Fe3O4可以促进反硝化菌形成生物膜，促进细菌对铁的获取与利用，增加胞内代谢辅酶的合成，提高代谢速率，促进细菌反硝化。菌群中反硝化菌假单胞菌属、鞘氨醇杆菌属及苍白杆菌菌属成为新的优势菌，促进菌群的反硝化，使树脂得以再生。项目已发表SCI论文9篇；获授权中国专利6项，美国专利1项；培养博士和硕士研究生8名；研发的树脂已实现工程应用（湖北潜江，处理规模2万吨/天）；技术作为创新内容之一支撑获得了2018年度环境保护科学技术奖（一等奖）。