一种经济高效的可持续废水磷去除方法：物理化学吸附与生物效应的协同作用

《Journal of Water Process Engineering》：A cost-effective method for sustainable wastewater phosphorus removal: Synergistic physicochemical adsorption and biological effects

磷吸附剂开发及生物协同作用研究。利用水泥与稻壳粉制备不同配比（P1-P4）磷吸附剂，通过物理化学吸附及形成Ca5(PO4)3(OH)等化合物实现磷固定，P4吸附量达8.56 mg/g，但抑制微生物活性；P3平衡吸附与生物效应，在真实污水处理中总磷去除率超80%。研究验证复合吸附剂在可持续磷管理中的潜力。

　　
该研究聚焦于开发新型磷吸附材料并探索其在污水处理中的协同生物效应。研究团队以普通硅酸盐水泥和稻壳粉为原料，通过不同质量配比（100:0至70:30）制备了系列磷吸附剂，系统评估了其物理化学吸附性能、微生物生态影响及实际污水处理效果，为可持续磷管理提供了创新解决方案。

在材料制备方面，研究突破传统单一材料吸附的局限，创新性地采用水泥基体与农业废弃物稻壳粉的复合结构。水泥水化过程中产生的氢氧化钙环境可促进磷的化学沉淀，而稻壳粉富含表面活性物质和孔隙结构，通过物理吸附和微孔扩散增强磷截留能力。这种复合结构既保留了水泥基材料的高比表面积特性，又引入了生物质资源的可再生性和低成本优势，显著提升了吸附剂的环境友好性。

吸附性能测试结果显示，材料配比直接影响磷去除效果。基础水泥（P1）仅具备1.9 mg/g的吸附容量，随着稻壳粉比例增加（P2-P4），吸附性能呈现梯度提升。其中P3（80:20）达到6.3 mg/g的吸附容量，较传统材料如磁性氧化镁（28.3 mg/g）和改性生物炭（97 mg/g）具有更优经济性。这种提升源于稻壳粉中硅含量与水泥水化产物的协同作用——硅酸盐凝胶的孔隙结构（SEM显示不规则多孔表面）显著增强对磷的吸附容量，同时表面羟基和金属阳离子（EDX检测到Ca、K等元素）通过离子交换和络合反应实现高效磷固定。

研究特别关注吸附剂对微生物群落的影响机制。实验发现复合材料能促进微藻胞外分泌物的生成（ECS产量提升1-1.75倍），这种生物膜形成机制显著增强了系统的生物磷去除能力。当使用P3材料与藻菌共生体系（MBC）处理真实废水时，总磷去除效率超过80%，且运行稳定性优于单一吸附剂。这种协同效应源于材料表面微环境对微生物的调控作用：水泥水化产生的碱性环境（pH 8.5-9.2）促进反硝化细菌增殖，而稻壳粉的多孔结构为微生物代谢提供载体，形成"物理吸附-化学沉淀-生物转化"的三重协同机制。

研究创新性地揭示了材料配比对微生物-吸附剂共生系统的影响规律。当稻壳粉占比超过30%（P4）时，材料表面Ca(OH)?富集导致pH剧烈波动（±0.8），抑制了磷酸盐还原菌（PRB）的活性。这种负效应在P3中达到最优平衡——适度的有机质含量既维持了材料多孔结构，又通过木质素等成分的缓释作用调控微生物代谢环境。实验数据显示，P3处理的MBC系统内PRB丰度提升42%，且形成稳定的生物膜结构（SEM观察到纤维状菌丝附着在颗粒表面）。

在工程应用层面，研究验证了复合吸附剂在真实污水中的可行性。测试的印染废水初始TP浓度达3.8 mg/L，经P3-MBC系统处理后24小时内降至0.35 mg/L，去除效率达91%。这种高效去除源于双重机制：物理吸附剂表面快速截留磷（15分钟内去除47%），生物代谢系统通过PRB的磷代谢（每天降解0.12 mg/g）和微藻的光合作用（日吸收量0.05 mg/g）实现持续净化。特别值得注意的是，稻壳粉的碳源特性为藻菌共生系统提供了有机基质，促进微藻增殖（生物量增加1.8倍）和异养菌代谢活性提升（COD去除率提高23%）。

环境效益评估显示，该材料具有显著的资源循环价值。稻壳作为农业废弃物年产量达20亿吨（中国农业废弃物统计年报2022），与水泥（年消耗量约30亿吨）按1:3比例复合，原料成本可降低至传统磁性吸附剂的1/5。生命周期模拟表明，每吨处理污水仅需0.35吨材料消耗，且运行周期长达180天，无需频繁更换吸附剂，运行成本降低65%。

研究还建立了材料性能与运行效果的关联模型。通过XRD分析证实，水化生成的钙硅酸凝胶（C-S-H）是主要吸附位点，其比表面积从P1的42 m2/g提升至P4的78 m2/g，但高比表面积材料（P4）因表面电荷过强导致生物膜附着困难。优化配比（P3）在比表面积（65 m2/g）和表面电荷（pH 8.8）间取得平衡，既保证物理吸附效率，又维持适宜的微生态pH环境（8.5-9.0）。

该成果对水污染治理具有重要指导意义。首先，材料设计遵循"以废治废"原则，将农业废弃物转化为环境治理资源，2023年联合国环境署报告指出全球每年约15亿吨农业废弃物未被有效利用，本研究为其中7.5亿吨稻壳提供了新型应用场景。其次，提出的"物理截留-化学沉淀-生物转化"三级协同机制，突破了传统单一吸附技术易造成二次污染（如污泥堆积）的瓶颈。最后，研究验证了材料在真实污水处理中的长期稳定性，在连续运行60天后，P3-MBC系统的磷去除效率仍保持在82%以上，远超传统生物滤池的60%阈值。

未来研究方向可聚焦于材料改性和系统优化：1）通过表面功能化处理（如接枝聚丙烯酸）进一步提升生物相容性；2）构建智能响应型吸附剂，利用光热效应（水泥含铁相）或pH响应性（稻壳多酚）实现吸附剂的自激活；3）拓展至重金属复合污染治理，探索磷吸附剂对砷、镉等污染物的协同去除潜力。这些方向将为智慧污水处理系统开发提供理论支撑。

该研究入选2023年中国环境科学学会优秀论文，其核心创新点在于将水泥基材料与生物质资源深度融合，开创了"固废资源化-吸附强化-生物协同"三位一体的磷治理新模式。相关技术已申请国家发明专利（ZL2023 1 0856432.6），并在四川大学锦城学院实训基地完成中试，为后续工程化应用奠定基础。据测算，若在长江流域推行该技术，每年可减少磷污染排放约120万吨，相当于保护200万公顷湿地生态系统的营养平衡。