污水中碳基载体强化微生物异化还原合成蓝铁石的磷回收机制研究

How to achieve an efficient resource recovery with simultaneous wastewater treatment is one of key issues for the construction of "wastewater treatment concept plant". Vivianite is a common precipitate of phosphate and iron in wastewater treatment plant, with the potential ability of phosphorus storage and transfer, which is very promising for water eutrophication control and phosphorus recovery. The current research on vivianite based phosphorus recovery is mainly focused on technological optimization, and the mechanism of vivianite formation needs further investigation. This project proposes a new phosphorus recovery method based on microbial disassimilatory reduction to form vivianite on carbon matrix. The mass balance, microbial reduction mechanism and carbon enhancement mechanism will be investigated. The biofilm formation and microbial disassimilatory reduction processes on the surface of both Fe-P minerals and phosphate adsorbed ferriferous oxides will be also studied to reveal the microbial assisted vivianite formation mechanism. The microbial disassimilatory reduction system was fed with sewage of anaerobic stage as typical phosphorus rich wastewater. Porous carbon matrix will be designed to construct a new Fe-C compound system, which may enhance microbial disassimilatory reduction and vivianite formation. Our goal is to produce high quality and bioavailable vivianite during wastewater treatment.

为构建具有前瞻性的“污水处理概念厂”，如何在水质达标排放基础上实现有效的资源回收成为亟待解决的关键问题。蓝铁石是污水处理厂常见的铁磷沉淀物，同时具备磷储存固定能力和磷转化释放能力，在水体富营养化控制与磷回收方面具有巨大的应用潜力。目前国内外关于蓝铁石合成实现磷回收的研究主要集中在工艺过程与条件的探索，对其合成转化机制的研究很少。本研究基于污水处理厂大量铁磷共存的现状，提出碳基载体协同微生物异化还原合成蓝铁石的磷回收新方法，阐明蓝铁石生成过程的物质流平衡、微生物作用机制与碳基载体强化生物还原机制。考察铁磷矿物和铁磷吸附络合体系中金属异化还原菌的富集成膜过程和异化还原反应进程，解析微生物驱动的蓝铁石合成机制。以厌氧段污水为典型含磷废水，通过多孔碳基载体的设计与铁碳复合体系的构建强化金属异化还原过程，获得产量高、纯度高、生物可利用性好的蓝铁石产品，最终实现污水中蓝铁石的高效转化与磷的资源化回收。

为构建具有前瞻性的“污水处理概念厂”，如何在水质达标排放基础上实现有效的资源回收成为亟待解决的关键问题。蓝铁石是污水处理厂常见的铁磷沉淀物，同时具备磷储存固定能力和磷转化释放能力，在水体富营养化控制与磷回收方面具有巨大的应用潜力。目前国内外关于蓝铁石合成实现磷回收的研究主要集中在工艺过程与条件的探索，对其合成转化机制的研究很少。本研究基于污水处理厂中铁、磷元素大量共存的现状，解析了不同磷酸盐营养条件下，由微生物介导的蓝铁石合成过程中铁、磷元素的分配利用情况，揭示了纯培养体系中蓝铁石生成过程的微生物作用机制。得出最适合进行蓝铁石回收以及生物生长的最佳营养条件为Fe/P=1:1。磷调控强化微生物合成电子 穿梭体可使最大铁还原速率提高35%，蓝铁石回收效率提高15%。考察了石墨、活性炭、生物炭、炭黑、碳纳米管等多种碳材料对微生物异化铁还原合成蓝铁石过程的影响，发现了石墨可以通过强化直接电子传递强化蓝铁石的合成，而生物炭兼具直接电子传递和间接电子传递强化能力。活性炭除强化微生物的胞外电子传递外，本身可作为铁还原的电子供体。虽然炭黑和碳纳米管均对异化铁还原微生物有微弱生物毒性，但长期培养条件激发生物的自我保护机能，并可强化生物与矿物间的电子连接，提高蓝铁石的产率。上述工作解决了蓝铁石难以与污泥分离、直接回收困难的工程难题，证实了添加导电材料可促进直接电子传递，提高异化铁还原速率以及蓝铁石矿化效率，为废水处理蓝铁石的回收提供新方法。.基于上述工作，在 Environ. Sci. & Technol. ， Water Res., 环境科学学报 等国内外环境领域顶级期刊上发表相关论20篇。申请专利9项，授权专利6项，出版中英文专著各一部，受邀在 5 次国际国内会议上做特邀学术报告。项目组成员获得 “中国给水排水”杂志社举办的“九通杯”技术创新奖、“子牙杯”大学生生态环保创新大赛等行业奖项。