鐵碳微電解對(duì)硝酸鹽氮廢水的脫氮研究進(jìn)展

麻琦,王毅博,馮民權(quán),陳志豪,尹前

(1.西安理工大學(xué)省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710048;2.西安工程大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院, 陜西 西安 710048)

1 IC-ME技術(shù)

目前常見(jiàn)的微電解是IC-ME,在IC-ME系統(tǒng)中,鐵作為陽(yáng)極,失去電子形成Fe2+,而活性炭粒子作為陰極,通過(guò)接受電子或?qū)㈦娮愚D(zhuǎn)移到目標(biāo)污染物,加速還原反應(yīng)[2]。但通過(guò)各位學(xué)者對(duì)該工藝的進(jìn)一步挖掘,研究出鐵銅碳微電解(ICC-ME)、鐵鋁碳微電解(IAC-ME)等三元微電解工藝,相較于傳統(tǒng)IC-ME,后者能更好的提高污染物的去除性能。在三元微電解體系中,由于Cu、Al和Ni可以加速Fe的腐蝕,從而提高反應(yīng)速率和電子轉(zhuǎn)移。例如,Zhang[3]通過(guò)IC-ME、ICC-ME以及IAC-ME工藝分別就油田出水中COD進(jìn)行去除,結(jié)果表明:在最佳工藝條件下,IC-ME、ICC-ME和IAC-ME工藝對(duì)COD的去除率分別為39.3%,49.7%和52.6%。目前常見(jiàn)的生物炭主要包括玉米芯、小麥稈、活性污泥等,而這些普通廢棄物轉(zhuǎn)化為生物炭是環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。

常見(jiàn)微電解技術(shù)主要是依靠氧化還原等化學(xué)手段,應(yīng)用于難降解大分子有機(jī)物等可生化性低的廢水中,通過(guò)微型原電池將大分子分解為小分子的過(guò)程,主要存在于各類廢水的預(yù)處理階段。如今已經(jīng)逐步應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)的廢水處理中,如印染廢水、醫(yī)藥廢水、垃圾滲濾液以及黑臭水體等。Zhai等[4]在研究IC-ME降解印染廢水中表明,亞甲基藍(lán)(MB)的特征基團(tuán)被破壞,導(dǎo)致MB的礦化。MB的降解可歸因于ICC-ME誘導(dǎo)的電偶反應(yīng)產(chǎn)生Fe2+、[H]和·OH。Chen等[5]在IC-ME耦合微納米氣泡降解醫(yī)藥廢水中表明,微納米氣泡產(chǎn)生大量·OH后與Fe2+、Fe3+、[H]和O·等活性物相結(jié)合,能破壞有機(jī)物中的碳鏈,使鹽酸四環(huán)素(TC)難降解物質(zhì)形態(tài)或結(jié)構(gòu)發(fā)生變化后,被氧化分解為小的中間體并最終轉(zhuǎn)化分解為CO2和H2O。Wang等[6]利用IC-ME聯(lián)合芬頓處理垃圾滲濾液時(shí)表明,COD去除率為75%,(BOD5)/COD從0.11左右提高到0.5,難降解的腐殖酸得到有效降解,廢水中只剩下蛋白質(zhì)。Huang[7]在研究好氧反硝化菌耦合IC-ME對(duì)曝氣黑臭水脫氮時(shí)表明,硝化過(guò)程主要通過(guò)曝氣來(lái)改善,反硝化過(guò)程中由于IC-ME的存在,為反硝化過(guò)程增強(qiáng)了電子傳遞系統(tǒng)的活性,TN濃度從12.07 mg/L 降低至7.12 mg/L。IC-ME工藝在脫氮方面有著獨(dú)特的處理方式,并有著高效的去除效果,因此,闡明其脫氮過(guò)程的機(jī)理也逐漸變得更為重要。

2 IC-ME脫氮機(jī)理研究

(1)

圖1 納米零價(jià)鐵/活性炭微電解中的轉(zhuǎn)換Fig.1 Nitrate conversion in nanometer zero-valent iron/activated carbon mic-electrolysis

(2)

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因此, IC-ME脫氮相比于傳統(tǒng)脫氮工藝,前者具有高活性、高有效性以及高去除性等優(yōu)點(diǎn),該工藝已經(jīng)成為氮污染廢水的有效去除途徑。然而氮污染問(wèn)題與日俱增,單獨(dú)的IC-ME工藝處理效果有限,因此,微電解新材料的研制或強(qiáng)化新工藝就成為各學(xué)者的研究熱點(diǎn)。在脫氮方面,微電解工藝強(qiáng)化其它方式可達(dá)到脫氮速度快、效率高、成本低以及操作性簡(jiǎn)單等目的,這為以后新工藝的誕生指引了方向。

3 IC-ME耦合其他工藝對(duì)脫氮的效果研究

3.1 IC-ME與厭氧-好氧工藝耦合對(duì)脫氮的效果研究

通過(guò)IC-ME工藝耦合厭氧-好氧工藝后,拓寬了反應(yīng)器脫氮除磷時(shí)的外界條件,如低碳源、低溫度等常見(jiàn)問(wèn)題,此外,各種形態(tài)的氮素去除效果顯著,微生物的豐度也有不少的提升,從而降低了反應(yīng)器的運(yùn)行成本。

3.2 IC-ME與厭氧氨氧化工藝耦合對(duì)脫氮的效果研究

圖2 厭氧氨氧化和微電解反應(yīng)機(jī)理Fig.2 Anammox and micro-electrolysis reaction mechanism

3.3 IC-ME與人工濕地工藝耦合對(duì)脫氮的效果研究

3.4 IC-ME催化反硝化作用對(duì)脫氮的效果研究

針對(duì)上述各個(gè)工藝脫氮效果,下表列出對(duì)含氮廢水脫氮的應(yīng)用條件及去除效果。

表1 IC-ME耦合其他工藝對(duì)廢水脫氮的修復(fù)應(yīng)用Table 1 Remediation application of IC-ME coupled with other processes for wastewater nitrogen removal

綜上所述,當(dāng)IC-ME工藝耦合其他工藝后,相對(duì)于單獨(dú)其他工藝,耦合后在脫氮除磷方面均有明顯的提升,這不單單是兩個(gè)工藝對(duì)脫氮除磷效果的疊加,而是通過(guò)IC-ME來(lái)提供Fe2+、[H]等強(qiáng)還原劑以及在低碳氮比廢水中提供額外電子供體促進(jìn)微生物脫氮。其中Fe2+的還原性和Fe3+的氧化性給脫氮除磷提供了天然的助推劑,而耦合工藝又能相互促進(jìn)[H]活性,為微電解提供更持久的基質(zhì),從而使得脫氮除磷效率更高、有效處理時(shí)間更長(zhǎng)。但目前IC-ME耦合工藝處理廢水只停留在實(shí)驗(yàn)室階段,實(shí)驗(yàn)后所得參數(shù)與實(shí)際運(yùn)用效果還有一定的差距,所以該技術(shù)在未來(lái)實(shí)際廢水脫氮方面仍有很大的研究空間。

4 結(jié)語(yǔ)與展望

(1)IC-ME工藝混合體系去除污染物的機(jī)理主要包括吸附、化學(xué)沉淀、還原、表面絡(luò)合和氧化等。此外,當(dāng)與生物技術(shù)結(jié)合時(shí),機(jī)制還涉及IC-ME材料對(duì)微生物的影響。其中該工藝最基本的反應(yīng)即鐵做陽(yáng)極,碳做陰極的氧化還原反應(yīng),通過(guò)電子轉(zhuǎn)移來(lái)加速還原反應(yīng)從而去除目標(biāo)污染物,因此有助于將大分子物質(zhì)打碎成小分子物質(zhì)從而進(jìn)一步減輕后期處理工藝的負(fù)荷問(wèn)題。