专利技术简介：

  基于二元高分子聚合物的互穿聚合网络（Interpenetrating Polymer Networks，IPN）超分子自组装原理，成功合成了系列直径~3 mm的新型多孔的有机污染物吸附和生物固定化载体材料，如聚乙烯醇/壳聚糖（PVA/CS）、聚乙烯醇/壳聚糖/铁（PVA/CS/Fe）、聚乙烯醇/植酸（PVA/PA）、聚乙烯醇/植酸/铁（PVA/PA/Fe）、聚乙烯醇/ZSM-5沸石（PVA/ZSM-5）、聚乙烯醇/水化硅酸钙（PVA/CSH）等，形貌见图1。以PVA/PA凝胶珠为例（见图2），通过FTIR、EDS、XPS等分析及密度泛函理论（DFT）和分子对接模拟（Multiwfn和VMD软件）计算，发现PVA和PA分子间通过氢键（-HPO₄-/-H₂PO₄-OH）和硼酸桥接（O-B-O键），自发形成了稳定的超分子共聚物PVA/PA（ΔG=-22.12kcal/mol）。材料制备工艺简单、常温常压、环境友好，产品柔韧多孔、密度和尺寸适中、吸附性能优异，生物亲和性好，具备推广应用潜力。

                   图1 系列水凝胶环境功能材料                                                                             图2 PVA/PA凝胶珠的形貌与合成机理

创新性与科学价值：

通过超分子自组装合成的PVA/CS、PVA/PA系列凝胶珠具有柔性和多孔的结构特征，有利于微生物附着生长，以及底物的输入和产物的输出，是理想的微生物附着生长的载体,可用于不同类型的废水生物处理反应器（如UASB、MBBR、IFAS、CSTR、SBR等），促进微生物的有效截留、协同共生及活性提升，进而形成高效的废水生物处理工艺。

通过功能材料的掺杂，可进一步合成具备特种污染物吸附和促进微生物电子传输的功能材料。如PVA/ZSM-5、PVA/CSH、PVA/PA/ZL可用于染料、P和N的吸附，PVA/CS/Fe、PVA/PA/Fe可通过截留EPS和加速电子传递促进微生物的富集和活性提升。

上述水凝胶材料为新型水处理工艺开发提供了创新型环境功能材料。

授权发明专利：

• 梁继东、王金兴、刘永红、杨树成、高厦. PVA/壳聚糖球形生物载体及其制备方法[P]. 中华人民共和国国家知识产权局, 2020.4.28, 中国，ZL 2017 1 0726414.6
• 梁继东、孙莉、王金兴、宁有丰.一种碱催化PVA凝胶珠的制备方法[P]. 中华人民共和国国家知识产权局, 2020,7,28 中国，ZL 2018 1 1340193.X
• 梁继东、王金兴、孙莉、宁有丰.一种聚乙烯醇/壳聚糖凝胶珠的制备方法[P]. 中华人民共和国国家知识产权局, 2020.10.27，中国，ZL 2018 1 1340175.1
• 梁继东、王金兴、孙莉、宁有丰.一种除磷吸附剂PVA固载粉末硅酸钙CSH凝胶珠的制备方法[P]. 中华人民共和国国家知识产权局, 2020.10.27，中国，ZL 2019 1 0702582.0
• 梁继东、王金兴、孙莉、宁有丰. 一种染料吸附剂PVA/ZSM-5凝胶珠的制备方法[P]. 中华人民共和国国家知识产权局, 2020.7.28，中国，ZL 2019 1 1157894.4
• 梁继东;靳德源;沈建清.一种聚乙烯醇凝胶材料的制备方法和应用.[P]. 中华人民共和国国家知识产权局, 2023.5.16，ZL 2021 1 1479181.

代表性成果：

• Jinxing Wang，Jidong Liang*，LiSun，Jianqing Shen，Zhen He. Enhancing anammox resistance to low operating temperatures with the use of PVA gel beads. Science of The Total Environment, 2021, 774: 144826
• Jinxing Wang#, Jidong Liang#, Li Sun, JianqingShen, Meng Wang*. Achieving reliable partial nitrification and anammox process using polyvinyl alcohol gel beads to treat low-strength ammonia wastewater. Bioresource Technology, 2021, 324: 12466.
• Li Sun，Jinxing Wang，Jidong Liang*，Gaigai Li. Boric Acid Cross-linked 3D Polyvinyl Alcohol Gel Beads by NaOH-Titration Method as a Suitable Biomass Immobilization Matrix. Journal of Polymers and the Environment, 2020, 28: 532-541
• Jinxing Wang, Jidong Liang*, Li Sun, Sha Gao. PVA/CS and PVA/CS/Fe gel beads' synthesis mechanism and their performance in cultivating anaerobic granular sludge. Chemosphere. 2019， 219: 130-139

专利技术简介：

• Anammox颗粒污泥培养及脱氮性能

在UASB反应器中，成功培育出沉降性良好的高品质Anammox颗粒污泥（见图3），SEM分析发现颗粒污泥中聚集的微生物表面形成了规则的EPS网络覆盖，剖面原位荧光标记分析发现α-D-吡喃葡萄糖多糖呈网络骨架贯穿整个颗粒，PN填补其中，β-D-吡喃葡萄糖多糖则聚集在外缘；EEM分析发现EPS的主要成分为类腐殖酸和类血红素蛋白。综上，PN、PS和类腐殖酸等EPS促进了AnAOB的有效截留，利于高强度高活性颗粒污泥的培养；反应器内Unclassified Candidatus Brocadiaceae（AnAOB优势菌属）的分布丰度由接种污泥的13.21%增加到稳定运行期的70.16%。反应器氮去除率（Nitrogen Removal Rates, NRR）最高达到13.9±0.5 kg-N·m^-3·d^-1，达到了先进的高效能脱氮水平。

图3 反应器内载体颗粒污泥形貌及菌群分布（属水平丰度前20%）

注：EPS荧光染色：β-D-吡喃葡萄糖多糖，蓝色；a-D-吡喃葡萄糖多糖，绿色；PN，红色；EEM：C1：类腐殖酸，C2：类血红素蛋白

• 部分硝化-Anammox颗粒污泥培养及脱氮性能

通过DO调控，成功培育出部分硝化-Anammox同步自养脱氮颗粒污泥（如图4），左图为菌群叠加效果，生物膜外层为微氧缺氧区，优势菌群为AOB（红色），反应过程为亚硝化；内层为厌氧区，优势菌群为AnAOB（绿色），反应过程为Anammox。此外，通过DO调控能有效抑制NOB的竞争，仅观察到少量NOB分布在颗粒污泥外缘（紫色）。可见，沿颗粒污泥径向形成的DO梯度为AnAOB和AOB的协同共生创造了适宜的生境，最终达到AnAOB和AOB功能菌群的协同高效自养脱氮，当进水NH₄⁺-N浓度为50-150mg·L^-1，TN去除率高达93%，实现了超低碳含量中等浓度氨氮废水的低碳低能耗高效脱氮。

图4 基于FISH分析的颗粒污泥中AOB、AnAOB、NOB的空间分布特征

（A：AOB、AnAOB、NOB叠加；B：绿色，AnAOB；C：红色，AOB；D：紫色，NOB）

• 部分反硝化颗粒污泥的培养及氮转化性能

通过进水C/N调控（ΔCOD/ΔNO₃^--N在3.0-3.3之间），在SBR反应器中成功培育出高活性的部分反硝化颗粒污泥（PDGS）。经过90d的培育，污泥由分散絮体逐步形成~5mm的类水凝胶形貌的大颗粒（见图5），NO₃^--N的比还原活性由422.44 mg-N·g-VSS^-1·d^-1提升为3038.56 mg-N·g-VSS^-1·d^-1，NO₃^--N转化为NO₂^--N的效率>90%。根据颗粒污泥表面性能与热力学参数，随着污泥颗粒化，其表面疏水性增强，表面电荷降低，菌体间排斥力降低；表面张力提升，表面自由能降低，自发团聚作用增强。高活性PDGS的培养为部分反硝化耦合Anammox的低碳低能耗生物脱氮奠定了特种功能菌群的富集培养基础。

图5 PDGS形貌与性能

创新性与科学价值：

相比于悬浮污泥，颗粒污泥具有生物量密集和抗冲击能力强的显著优势，能够显著提升反应器的处理负荷，提高处理效率，减少水力停留时间，进而减少建筑体积和占地面积。基于颗粒污泥开发的高效生物反应器（如UASB、EGSB和IC等）在水处理领域占有的市场份额逐年提升，其成功和稳定运行的关键在于颗粒污泥的培养。

本研究提供了具备不同功能的颗粒污泥的快速培育方法。一方面，多孔凝胶有利于具有粘附作用的EPS的截留，EPS既能为微生物提供对的缓冲层，又能在微生物饥饿时提供碳和能量，对促进颗粒污泥的形成和长期稳定具有重要作用。另一方面，通过生物载体配合工艺参数（如DO、进水C/N）调控，可为具有不同底物需求和生长动力学的多种功能微生物的协同共生创造生态位，以维护特种功能微生物的竞争优势，从而为构建针对不同水质的新型水处理工艺提供了功能微生物基础。

授权发明专利：

• 梁继东、王金兴、孙莉、宁有丰. PVA基凝胶珠促进厌氧氨氧化污泥颗粒化的培养方法，[P]. 中华人民共和国国家知识产权局, 2020.10.27，中国，ZL 2019 1 0343681.4
• 梁继东、王金兴、孙莉、宁有丰. 一种PVA凝胶珠共培养亚硝化厌氧氨氧化颗粒污泥的方法[P]. 中华人民共和国国家知识产权局, 2021.08.13，ZL 2019 1 0704103.9
• 梁继东;宁丁莹;郭吾科;何浩宸.一种高活性部分反硝化颗粒污泥的培养方法.ZL 2022 1 0718911.2

代表性成果：

1. Jinxing Wang, Jidong Liang*, Insight: High intensity and activity carrier granular sludge cultured using polyvinyl alcohol/chitosan and polyvinyl alcohol/chitosan/iron gel beads. Bioresource Technology, 2021, 326: 124778
2. Jinxing Wang#, Jidong Liang*,#, Li Sun, Gaigai Li, Hardy Temmink, Huub.H.M. Rijnaarts. Granule-based immobilization and activity enhancement of anammox biomass via PVA/CS and PVA/CS/Fe gel beads. Bioresource Technology, 2020, 309: 123448

专利技术简介：

基于微生物固定化原理，通过颗粒污泥和载体生物膜的培养，成功构建了针对不同水质的新型废水生物脱氮工艺（如图6所示），包括针对高氨氮和超低碳源浓度废水的全自养部分硝化-Anammox工艺（PN/A）、针对中低浓度氨氮的低碳源废水的部分反硝化-Anammox工艺（PDN/A）、针对高氨氮的低碳源废水的同步硝化-Anammox-反硝化工艺（SNAD），可推广用于市政主流污水的低碳脱氮、侧流污泥消化液的低碳脱氮、垃圾渗滤液及其他富含氨氮的工业废水（如食品、畜禽养殖等）的低碳脱氮。

图6基于载体颗粒污泥及生物膜的废水处理工艺及效果

创新性与科学价值：

厌氧氨氧化（Anaerobic Ammonia Oxidizing, Anammox）是有望替代传统硝化-反硝化工艺的低碳低成本生物脱氮技术。与硝化-反硝化相比，Anammox无需供氧和外加碳源，且能减排污泥和温室气体N₂O，已被全球多家水处理公司（如DC Water、苏伊士水务、北控）作为未来污水脱氮技术发展战略。

课题组针对Anammox应用尚存在菌种生长缓慢、对环境冲击敏感和易被冲刷流失等难点，提出通过新型功能载体培养高活性Anammox生物膜的技术方案，以促进Anammox菌的富集，活性提升和环境适应性增强，突破Anammox易受环境冲击抑制和菌种流失的技术瓶颈，实现“载体开发—技术理论—工艺研发”系统创新研究，为废水脱氮技术创新提供了理论和技术支持。

课题组提出的基于颗粒污泥和载体生物膜的PN/A、PDN/A和SNAD废水脱氮新工艺与当前绝大多数企业采用的传统硝化-反硝化生物脱氮技术相比，具备以下显著优势：

（1）吨水处理减少溶解氧消耗10%~40%以上【来自原水用于耦合工艺中Anammox代谢的氨氮，无需经过好氧硝化，此项预计节省DO消耗10%~40%以上】。

（2）吨水处理碳源消耗减少20~50%以上【Anammox无需碳源，PDN/A和SNAD中部分反硝化的碳源可由原水供给，实现脱氮至少能节约20~50%以上外加碳源】。

（3）吨水处理污泥产量减排20~40%以上【污泥主要来自于异氧反硝化，耦合工艺中的自养过程污泥产量较全程反硝化大幅削减，至少减排20~40%以上】。

综上，研究开发新型废水脱氮技术具有节能减碳优势及市场应用需求。

授权发明专利：

• 梁继东、王金兴、孙莉、李改改. 一种低温下运行Anammox工艺的方法[P]. 中华人民共和国国家知识产权局, 2021.09.03，ZL 2020 1 0539026.9
• 其他相关专利正在申请中。

代表性成果：

1. Ning Dingying, Guo Wuke, Li Gaigai, Tian Wenqing, Liang Jidong*, Chen Bingquan, Liu Jia, Ji Hua.Feasibility of bio-filter in treating low strength nitrogen wastewater under adverse temperatures.Journal of Environmental Chemical Engineering,11 (2023) 110680.
2. Jin Deyuan, Li Gaigai, Ning Dingying, Guo Wuke, Tian Wenqing, Liang Jidong*, Ji Hua. Start-up and operation of anammox biofilter in treating low-strength ammonia wastewater prepared by tail water from a municipal wastewater treatment plant.Journal of Chemical Technology and biotechnology.2023; 98: 2587–2596.
3. Yonghong Liu, Shuangxue Qiu, Ning Wang* , Ruijie Ma, Jidong Liang*. Study on rapid start-up and stable nitrogen removal efficiency of carrier enhanced continuous flow PD/A granular sludge system.Journal of Environmental Chemical Engineering, 11 (2023) 111268
4. Gaigai Li, Jinxing Wang, Dingying Ning, Bingquan Chen, Jia Liu, Deyuan Jin, Wuke Guo, Jidong Liang*, Hua Ji. Anammox biofilter with denitrification sludge as seed in treating low nitrogen strength wastewater. Journal of Environmental Management, 2022, 324:116316
5. Jinxing Wang, Jidong Liang*, Dingying Ning, Tengge Zhang Meng Wang. A review of biomass immobilization in anammox and partial nitrification/anammox systems: Advances, issues, and future perspectives. Science of The Total Environment, 2022, 821: 152792

专利技术简介：

利用微生物强化修复PAHs污染土壤具有一定的效果，但尚存在外源菌会与土著菌竞争而无法长效发挥作用的不确定性。针对上述问题，课题组以农林废弃物和造纸废水Fenton处理排放的富铁污泥为原料，制备了具备生物亲和性的生物炭材料，并基于此开发了生物炭固定化菌剂，用于PAHs污染土壤的生物强化修复（见图7）。将生物炭作为载体对微生物进行固定，与游离微生物强化修复污染土壤技术相比，可解决由捕食、竞争等造成的微生物流失问题（见图8），有利于保持微生物活性，增强微生物对不同浓度、温度、pH等环境条件的适应力，提高修复效率。此外，生物炭作为土壤改良剂，还可以起到改善土壤的透气性、保水性和保肥能力的作用。另一方面，本研究提出的采用农林废弃物和富铁污泥生物炭作为微生物载体用于污染土壤的修复，还可以达到以废治废目的，是一种潜在的经济环保的废物资源化再生技术。

            
              图7生物炭固定化微生物降解PAHs过程示意                                                                     图8 RNA-SIP识别生物炭固定化芘降解菌

创新性与科学价值：

生物炭是生物质在缺氧条件下热解产生的多孔碳基材料，其较大的比表面积、较高的机械强度、发达的孔隙率和可调控的表面功能等有利于微生物的附着生长，从而保护微生物免受污染物和土著菌的侵害，以保持功能菌的活性和稳定性。

课题组以农业废弃物（秸秆）和造纸废水处理厂的富铁污泥为原料制备的生物炭作为微生物固定化载体开发了PAHs降解菌剂，使得外援PAHs降解菌株在生物炭中具有较高的丰度，显示出明显的竞争优势，生物炭作为良好的PAHs吸附剂，可将土壤中的PAHs吸附到生物炭上，缩短了PAHs和微生物的接触距离，从而促进了微生物代谢活性的提升，显著加速了土壤中PAHs的生物降解。

综上，生物炭固定化PAHs菌剂具备修复污染土壤的优势和推广应用价值。

授权发明专利：

1. 梁继东、滕庭庭、武子俊.一种多环芳烃降解菌剂的制备及应用[P]. 中华人民共和国国家知识产权局,2022.03.22，ZL 2020 1 0107112.2

代表性成果： 

1. Teng tingting, Liang Jidong*,Wu Zijun, Jin Pengkang, Zhang Dayi. Different phenanthrene degraders between free-cell mediated and biochar-immobilization assisted soil bioaugmentation as identified by RNA-based stable isotope probing (RNA-SIP).Science of the Total Environment, 2023, 864:161139.
2. Tingting Teng, Jidong Liang*, Jinwei Zhu, Pengkang Jin, Dayi Zhang. Altered active pyrene degraders in biosurfactant-assisted bioaugmentation as revealed by RNA stable isotope probing. Environmental Pollution, 2022, 313: 120192.
3. Tingting Teng, Jidong Liang*, Zijun Wu. Identification of pyrene degraders via DNA-SIP in oilfield soil during natural attenuation, bioaugmentation and biostimulation.  Science of The Total Environment,  2021, 800: 149485.
4. Jidong Liang*, Zijun Wu, Tingting Teng. Biochar Prepared from Fe-rich Sludge as Suitable Microbial Carriers for Facilitating Biodegradation of Phenanthrene in Soil. Journal of Chemical Technology & Biotechnology. 2021, 96: 2014-2021.
5. Jidong Liang*, Sha Gao, Zijun Wu, Huub H.M. Rijnaarts, Tim Grotenhuis. DNA-SIP identifification of phenanthrene-degrading bacteria undergoing bioaugmentation and natural attenuation in petroleum-contaminated soil. Chemosphere, 2021, 266:128984.

研究内容：

研究思路见图9和图10。通过环境功能材料的设计合成，开发制备了柔性多孔、生物亲和性佳、易破碎的功能微生物包埋材料，用于对特殊功能微生物的包埋培养。基于不同类型的特种微生物对底物和环境条件需求，为微生物提供适宜的培养条件，在生物反应器快速混合的水力条件下实现包埋微生物的快速扩大培养，这是因为：一方面强混合条件能克服底物传输的限制，另一方面，包埋体为微生物创造了相对稳定的微域空间（避免了强力水力剪切的扰动），因而得以快速繁殖，再将饱和生长的包埋体破碎后再包埋，进行循环扩培。随后，可根据不同水处理工艺（UASB、MBBR、IFAS、BF等）的需求，将扩培的特种功能微生物预挂膜在不同的生物载体上制备反应器接种或功能强化用菌剂。该研究具有普适性，可用于低温脱氮功能菌、生长缓慢的自养脱氮菌（如AnAOB和AOB）、毒性有机污染物降解菌（如PAHs和酚类降解菌）的快速扩大培养和应用。

                               图9微生物的包埋                                        图10特殊功能菌的快速扩培及应用

创新性与科学价值：

通过特种环境功能材料的设计合成，摒弃传统功能菌扩大培养的思路，独辟蹊径地采用“包埋-培养-破碎”循环的方法快速提高功能微生物的繁育速率，实现目标功能微生物的快速扩培，这为快速培育目标功能菌提供了独具特色的科学策略。

课题组从污（废）水处理的实际应用需求出发，正在开展功能菌的“快速扩培”、“保藏活化”、“预挂膜应用”和“菌群平衡”等系列理论和关键科学问题研究，拟开发出经济有效的功能菌快速扩培技术装备与工艺，以为解决为污水处理面临的低温脱、低碳自养脱氮及毒性废水处理等启动时间长、稳定达标难的问题提出创新解决方案，预期具备广阔的应用前景。

研究内容：

从污泥中提取类藻酸盐胞外聚合物（Alginate-Like Exopolymer，ALE）与商业纯海藻酸盐（广泛应用于农业、工业、医药及环保领域）的化学结构相似度高达60%以上。ALE因其具备两亲、成胶、吸附、阻燃等优异性能可被开发用作防水涂层、种子包衣、吸附剂、阻燃剂等高附加值材料（见图11）。来自污泥的藻酸盐由某些细菌在特定环境条件下分泌产生，具备凝胶聚合物的粘弹性和超分子自组装特性(见图12)，对颗粒污泥形成及稳定维持具有重要意义。

本研究以课题组培育的颗粒污泥为原料，拟研究阐明主导颗粒污泥形成及ALE累积的潜在机制；从不同类别颗粒污泥提取ALE的化学本质出发，对其化学组成、微观基团特征、特征分子构型及物理化学特性等进行全方位剖析，挖掘其多元再生应用潜力，开辟污泥再生资源新途径；通过超分子化学自组装实验、密度泛函理论（Density Functional Theory，DFT）和分子对接模拟计算等，研究不同类别颗粒污泥ALE在金属阳离子诱导下的自交联，及与伴生聚合物共交联超分子自组装行为与化学机理，阐明ALE超分子自组装强化污泥凝聚机理，以丰富和深化污泥颗粒化理论。

             图11 ALE的分子构型、化学组成、性能及应用                                                                                               图12藻酸盐单体、嵌段结构及超分子构型

创新性与科学价值：

Anammox相关低碳脱氮技术有望成为传统硝化-反硝化的替代新技术，由此产生的颗粒污泥的ALE多组分聚合物可能存在独特的化学组成、分子构型和物理化学性能，因而面向有别于常规污泥提取ALE的资源化应用场景，这将开辟污泥再生ALE及其多元资源再利用新途径。

采用富含羟基、磷酸基及氨基和羧基的模拟多聚物、伴生多聚物（EPS）及污泥絮体（EPS+微生物），探究由简单到复杂的多组分聚合物在Ca²⁺诱导下与ALE交错形成3D颗粒的微观形貌特征和超分子自组装行为与化学机理，从分子层面揭示ALE多聚物超分子自组装强化污泥凝聚机理，进而丰富和深化污泥颗粒化理论。

研究内容：

富含有机碳或硅铝酸盐的农林固废和煤基固废含有丰富的微孔孔道和较大的比表面积，且其表面携带丰富的官能团，将其通过物理、化学技术处理及活化改性，可制备吸附剂、生物载体、土壤改良剂等环境功能材料（见图13和图14），用于废水中重金属离子及有机污染物的去除，以及污染土壤修复和荒漠化、盐碱化土壤的生态恢复。

                     图13 煤基固废资源化利用途径                                                         图14 煤气化渣（CGFS）制备的吸附剂表观和微

                                                                      观形貌注：图(a)(c)(e)为CGFS及其局部放大SEM

                                                                         图(b)(d)(f)为负载CGFS吸附材料及其局部放大SEM

创新性与科学价值：

鉴于资源的不断枯竭，拓展从固废中回收有价资源的高值化利用途径势在必行。农林固废和煤基固废主要物相为有机碳和SiO₂、Al₂O₃等无机成分，此外含有少量N、P、K等土壤营养元素，具备开发应用于环境污染治理和土壤改良系列环境功能材料的潜力，展现出了诱人的发展前景。

为推进农林固废和煤基固废再生环境功能材料的高值产业化发展，针对固废本征属性的解析，基于表界面调控原理，项目组正在开展“固废矿相重构-功能材料调控制备-环境治理机理与应用”全过程研究，以为固废环境功能化材料定向调控制备提供创新理论和技术。