基于颗粒活性炭吸附的生物硝化尿液抗生素去除技术及其在循环经济中的安全营养回收研究

为解决人类尿液中抗生素残留影响肥料安全再利用的问题，研究人员系统研究了颗粒活性炭(GAC)吸附技术对硝化尿液中磺胺甲恶唑(SMX)、磺胺嘧啶(SDZ)和磺胺二甲嘧啶(SMZ)的去除效能。通过固定床柱实验结合人工神经网络(ANN)建模，发现SMZ吸附容量最高达4.33 mg·g-1，且ANN预测准确率超99%。该研究为尿液资源化利用提供了安全可靠的技术支撑，推动循环经济发展。

　　

随着全球每年超过20万吨药物通过排泄进入环境，尿液中残留的抗生素（如磺胺类药物）已成为阻碍尿液肥料化利用的关键瓶颈。传统污水处理工艺对这类微污染物去除效率不足，而高级氧化等技术又面临成本过高的问题。在此背景下，悉尼科技大学的研究团队创新性地将颗粒活性炭(GAC)吸附技术与人工神经网络建模相结合，系统评估了其对真实硝化尿液中三种常见抗生素的去除效能，相关成果发表在《Process Safety and Environmental Protection》上。

研究采用中试规模膜生物反应器(MBR)处理的硝化尿液作为实验基质，通过固定床柱实验考察了GAC粒径(425-1000 μm)、吸附剂质量(0.5-1.5 g·L^-1)、流速(0.06-1.8 L·hr^-1)等参数对磺胺甲恶唑(SMX)、磺胺嘧啶(SDZ)和磺胺二甲嘧啶(SMZ)去除的影响。结合Thomas、Yoon-Nelson和Yan模型解析突破曲线，并采用Levenberg-Marquardt算法训练的ANN模型预测去除效率。

3.1. 流速影响
实验显示较低流速(0.06 L·hr^-1)下SMZ吸附容量达2.90 mg·g^-1，显著高于高流速条件。突破曲线分析表明EBCT（空床接触时间）与吸附效率呈正相关，FBU（床层利用率）随流速增加而降低至0.002-0.007范围。

3.1.1. 床层高度影响
增加GAC质量至1.5 g可使SMZ吸附容量提升至4.33 mg·g^-1，床层高度通过延长接触时间显著改善吸附性能，其中SMZ>SMX>SDZ的吸附序列与抗生素疏水性(log K_ow)和静电作用相关。

3.1.2. 粒径影响
425 μm粒径GAC因具有最大比表面积(988.751 m²·g^-1)和孔容(0.576 cm³·g^-1)，其SMZ吸附容量较1000 μm粒径提高30%，证实微孔结构对吸附的关键作用。

3.2. 突破曲线建模
Thomas模型(R²=0.98)和Yoon-Nelson模型能准确预测50%突破点时间(t_50%)，而Yan模型在饱和区拟合度较差。动力学参数显示k_th值随流速增加而升高，反映液膜传质阻力降低。

3.3. ANN模型预测
构建的4-17-1拓扑结构ANN模型对SMX去除预测精度达99.4%(MAE=2.42)，权重分析表明接触时间和吸附剂质量是最敏感参数。验证测试R²维持在0.97-0.99，证实模型可靠性。

3.4. 吸附机制
SMZ因在pH 6.2时带正电荷(pK_a=7.4)与带负电GAC(pH_PZC=4.8)产生静电吸引，其吸附容量(4.33 mg·g^-1)显著高于SMX(4.13 mg·g^-1)。π-π堆积和氢键作用辅助解释了SMX/SDZ的吸附行为，而改性疏水性参数(log K_ow')定量描述了SMZ(0.60)的优势。

该研究证实GAC吸附可有效解决硝化尿液肥料化的抗生素残留问题，其中SMZ因静电作用和分子特性最易去除。ANN模型为工艺优化提供了高效工具，而Thomas模型更适合工程设计。尽管伴随约34%的Ca²⁺损失，该技术仍为尿液资源化提供了可行方案，推动实现联合国可持续发展目标(SDGs)中的清洁饮水和卫生设施目标。未来研究需关注GAC再生技术和吸附质归宿，以完善循环经济链条。