对富营养水体化学反应特性之深入研究,有助于找到更有效方法以去除水体中有害的磷和氮。
壮观的绿藻和红藻铺满水面的景象看似生机勃勃,这些微生物覆盖层却会在水体下方创造出“死亡区”。它们消耗氧气,遮挡阳光,使得水生物种难以生存。
“藻类水华还威胁到饮用水供应。”位于中国贵阳的贵州大学前副校长、生物学家周少奇解释道。周教授的团队已研发出大量专利和废水处理装置,助力解决这一难题。
藻类水华的繁盛依赖于水中丰富的营养物质,如来自农业面源径流和污水排放中的磷和氮,这一过程被称为“富营养化”。
到2000年,中国的水体富营养化问题十分严重,政府不得不对水中的磷和氮实行更为严格限制。然而,当时现存的化学沉淀除磷技术成本高昂,且难以满足新标准的要求。
图片来源:贵州大学
生物学家周少奇(居中)及其团队基于精确的化学计量方程和计量模型(COD/N/P),开发了能够从废水中去除过量营养物质(如磷和氮)的生物技术。
电子流机理的突破
“市场亟需能同时高效去除氮和磷的新技术,以满足商业化应用需求。”周少奇说道,他同时也是国际欧亚科学院院士。
为应对这一挑战,周教授耗费二十余年精力研发创新生物技术,致力于通过生物反应器去除废水中过量的营养物质。这些生物反应器能够聚集各种微生物(细菌)同时高效去除磷、氮以及化学需氧量(COD)。
2003年,周教授开创性地提出了更加精准分析氮、磷和COD同步去除过程的化学计量方程和计量比模型(COD/N/P),详细描述了所谓的反硝化除磷菌(DPB)如何去除营养物质1。这一成果基于他在“电子计量学”领域的开创性研究。这种原创方法通过在化学计量方程研究中分析分子间的电子迁移来精准描述化学反应1。在实验研究中,周教授团队还发现了四种反硝化除磷菌可以高效同步去除生态系统中的各种营养物质,并提供新的突破性路径,其研究成果于2010年发表在《生物资源技术》期刊上2。
周教授表示,“化学计量方程和计量比模型对技术和设备的设计、运行及优化控制至关重要。”他因系列创新和专利发明多次获奖,包括世界知识产权组织、中国国家知识产权局和国务院颁发的荣誉。
广泛应用
周少奇及其团队锐意创新,改进了生物反应器技术,成功研发出一系列在中国、美国、德国和澳大利亚获得专利的设备。相关技术在中国的市政和农村污水处理领域得到广泛应用,每年处理规模超过25亿吨,服务于全国310多家污水处理厂和工程项目,推动了环保事业的蓬勃发展。
展望未来,周少奇希望“进一步结合热力学与动力学,深入研究生化反应电子计量学,并将这些理论与技术应用于其他发展中国家”。
参考文献
1. Zhou, S., Environmental Biotechnology. (Science Press, 2003).
2. Zhou, S., Zhang, X. & Feng, L., Bioresource Technology 101, 1603- 1610 (2010)
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