通过固定床吸附系统实现地下水中硝酸盐的可持续净化：一种经济且可扩展的可行方法

《Groundwater for Sustainable Development》：Sustainable Nitrate Mitigation from Groundwater through Fixed Bed Adsorption System: An Affordable and Scalable Prospective Approach

　　

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  在相同实际条件下对低成本吸附剂的首次对比分析
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  评估了GAC在17次重力驱动吸附循环中的多次重复使用潜力
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  揭示了酸再生对提升GAC硝酸盐去除效率的积极影响
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  通过SEM-EDX分析证明了再生后GAC的结构完整性
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  证明了该技术可作为能源匮乏地区可持续的被动硝酸盐处理方法

引言

硝酸盐主要源自人类活动，如农业径流、污水/工业废水以及不当的废物处理方式（Islam等人，2025年），据报道它是全球地表水和地下水系统中最普遍存在的污染物之一（Verma等人，2023年）。全球地下水中硝酸盐含量每年大约增加1-3毫克/升（Mahendran等人，2024年），这一增长主要是由于食品生产中氮肥和有机肥的使用增加以及废水管理不善所致。这导致许多地区的饮用水中硝酸盐含量超过安全标准，例如南非内陆和地下水的硝酸盐含量分别高达760毫克/升和200毫克/升（Moloantoa等人，2022年）；加利福尼亚州圣华金谷以及韩国金浦农业带约有275,000人受到硝酸盐超标的影响（Singh等人，2022年；Cheong等人，2012年）；美国Seymour含水层的中位硝酸盐浓度为59.9毫克/升（Hudak，2000年）；印度泰米尔纳德邦的阿尔朱南阿迪河流域也有约54%的水样硝酸盐含量超过了世界卫生组织的饮用水标准（Karunanidhi等人，2024年）。新西兰的一项最新研究显示，近600人暴露在不安全的硝酸盐水平之下（Rogers等人，2025年）。2017年至2023年间，印度的硝酸盐污染范围大幅扩大，受影响的地区从359个增至440个（CGWB，2024年），其中大部分受影响地区位于印度的拉贾斯坦邦（49%）、卡纳塔克邦（48%）和泰米尔纳德邦（37%）。

饮用水中过高的硝酸盐浓度会对人类健康和水生生态系统造成严重危害（Azhdarpoor等人，2019年）。摄入硝酸盐含量超过45毫克/升的水会导致婴儿出现高铁血红蛋白血症（蓝婴综合征）（Fan和Steinberg，1996年），而长期接触硝酸盐则可能与胃癌（Palli等人，2001年）、霍奇金淋巴瘤、结直肠癌（Gulis等人，2002年；Parvizishad等人，2017年）、甲状腺功能异常、不良妊娠结局以及先天性疾病有关（Schullehner等人，2018年；Sewak等人，2023年）。在印度北部的恒河平原地区，有27%的区域儿童以及16%至19%的区域成年人面临地下水污染带来的健康风险（Verma等人，2023年）。另一方面，环境中过高的硝酸盐浓度会加速水体富营养化，进而引发藻类大量繁殖、氧气耗尽、生态系统失衡以及鱼类死亡（Akinnawo，2023年）。尽管硝酸盐问题十分严重，但由于其高溶解性、化学稳定性，且在水中没有颜色、气味或味道，因此检测硝酸盐仍然相当困难（Soliman等人，2022年）。鉴于水资源日益短缺且淡水质量不断下降，有效的硝酸盐去除方法对于实现可持续且安全的水资源管理至关重要（Vera等人，2017年）。

鉴于上述问题，人们开发出了多种硝酸盐去除技术，包括离子交换、电渗析、生物反硝化以及吸附法（Sewak等人，2023年）。虽然离子交换和电渗析效果较好，但它们能耗较高（Abyar等人，2024年），且处理后的废水中会产生盐水废弃物（Arana Juve等人，2022年）。生物反硝化方法虽然也较为高效，但其反应速度较慢，操作复杂，还可能产生温室气体（Rezvani等人，2019年）。因此，吸附法因其操作简单、能耗低、产生的残留废物少，且吸附剂具有再生潜力，而成为一种更为可持续的替代方案（Sahu等人，2024年；Tyagi和Anand，2024年）。然而，大多数吸附研究都是在带有能量辅助的实验室条件下进行的，比如机械搅拌（Li等人，2023年）、持续摇动（Cao等人，2024年）、加热（Wang等人，2024年）或泵送流动系统（Jiang等人，2020年），这些方法能够增强物质传递效率（Mahendran等人，2024年；Zhang等人，2025年），以及吸附质在吸附剂内的内外扩散，这使得依靠能量驱动的处理系统的性能相比被动处理系统更高。根据一项最新研究，发展中国家尤其是农村地区约有7.5亿人无法获得电力供应（Wang等人，2022年）。因此在没有外部电源、只能依靠重力驱动流动和自然水力梯度的条件下，现有被动处理系统表现出的有限效率成为一个亟待解决的问题（Patel，2022年），这就更加凸显了为缺乏能源的农村地区开发低能耗或零能耗的可行水处理系统的必要性。

过去，已有几种低成本颗粒状吸附剂显示出良好的硝酸盐去除效果，其中包括颗粒活性炭（GAC）（Ao等人，2019年）、活性氧化铝球（AAB）（Szaty?owicz和Skoczko，2017年）、Purozite（沸石基材料）（He等人，2018年；Teimouri等人，2016年）、蒸压加气混凝土（AAC）（Bao等人，2020年）以及石灰石（Zhou等人，2011年）。不过，在统一的零能耗条件下对这些吸附剂进行对比研究仍然较少（Blackburn等人，2021年），因为早期的大多数研究都是在不同的pH值和带有能量辅助的条件下对这些吸附剂进行测试的（如混合流动或泵送流动；Ao等人，2019年；Bao等人，2020年），这样一来就难以准确判断吸附剂自身材料特性的作用（Borah等人，2025年），从而导致其性能被高估，高于实际被动处理系统的性能（Etafo等人，2025年；Satyam和Patra，2024年）。因此，相关文献综述指出，有必要在真实的被动水力条件下，系统地重新评估这些具有潜力的低成本吸附剂，尤其是研究它们的吸附动力学特性（Sangoremi，2025年）以及再生潜力，从而为开发可持续的离网硝酸盐处理系统提供依据。

基于以上情况，本研究的主要目的是在相同的pH值和被动水力条件下，评估五种具有潜力的低成本颗粒状吸附剂——即颗粒活性炭、活性氧化铝球、Purozite、蒸压加气混凝土以及石灰石——的硝酸盐去除效率，旨在为离网环境设计一种高效的零能耗、重力驱动的固定床吸附系统。为实现这一目标，本研究主要开展了以下工作：（a）研究进水溶液的pH值、浓度以及接触时间对被动水力条件下这些吸附剂硝酸盐去除效率的影响；（b）利用非线性动力学模型（如PFO、PSO和IPD模型）分析背后的吸附机制；（c）通过非线性吸附等温线模型（如Langmuir模型、Freundlich模型以及Dubinin–Radushkevich模型）分析吸附过程的性质、吸附容量及其优势；（d）通过对最具应用前景的吸附剂进行全面的物理化学表征，以及通过BET分析、FTIR分析、pH_PZC测定和SEM-EDS分析来评估其吸附-解吸行为，再通过17次连续吸附循环的硝酸盐去除效率测试，以及利用酸性、中性及碱性解吸剂对其再生潜力进行评估，从而判断该吸附剂的长期性能稳定性及其重复使用可能性。

章节摘要

材料与方法

为达成上述研究目标，本研究采用了如图1所示的结构化方法框架。如图1及后续内容所示，研究人员选取了五种粒径分布均匀的低成本颗粒状吸附剂，对其进行处理后装填到各自的固定床吸附柱中。随后，向这些固定床吸附柱中注入浓度为10至50毫克/升的合成硝酸盐溶液，进而评估其达到平衡状态时的硝酸盐去除效果

进水溶液pH值的影响

图3(a)展示了浓度为10毫克/升的硝酸钠溶液的pH值变化对所研究的吸附剂硝酸盐去除效率(RE_e)的影响。在吸附过程中，研究人员持续监测溶液的pH值，发现其逐渐向中性方向变化。酸性溶液的pH值略有上升，而碱性和中性溶液的pH值则下降，趋向于中性，其中pH值为7.0的中性条件下的pH变化最为微小

总结与结论

研究表明，通过重力驱动的固定床吸附柱去除硝酸盐的效果取决于吸附剂特性、吸附质浓度、进水溶液的pH值以及是否存在其他相互作用离子。在重力驱动且pH值为中性的条件下，对五种低成本吸附剂——即颗粒活性炭、活性氧化铝球、Purozite、蒸压加气混凝土以及石灰石——进行的测试表明，它们的硝酸盐去除效果相对更为优异

作者贡献说明

Roohmoney Roohmoney：负责撰写原始草稿、方法部分、实验研究内容、正式数据分析以及数据整理工作。Sumedha Chakma：负责文章的审阅与编辑工作，同时承担研究监督、资源协调以及资金申请工作。Ravinder Kaur：负责文章的审阅与编辑工作，还参与数据可视化处理、研究监督、正式数据分析以及研究概念的构建

未引用参考文献

Renu，2024年。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。

数据可用性

数据将应要求予以提供。

资金来源

本研究未获得公共部门、商业机构或非营利组织提供的任何特定资助。

利益冲突声明

? 作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。

致谢

作者感谢印度德里的印度理工学院以及德里的印度农业研究所在基础设施和资金方面给予的支持。

Roohmoney Roohmoney|Sumedha Chakma|Ravinder Kaur