鐵碳微電解對硝酸鹽氮廢水的脫氮研究進展

麻琦,王毅博,馮民權,陳志豪,尹前

(1.西安理工大學省部共建西北旱區生態水利國家重點實驗室,陜西 西安 710048;2.西安工程大學 環境與化學工程學院, 陜西 西安 710048)

1 IC-ME技術

目前常見的微電解是IC-ME,在IC-ME系統中,鐵作為陽極,失去電子形成Fe2+,而活性炭粒子作為陰極,通過接受電子或將電子轉移到目標污染物,加速還原反應[2]。但通過各位學者對該工藝的進一步挖掘,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,從而提高反應速率和電子轉移。例如,Zhang[3]通過IC-ME、ICC-ME以及IAC-ME工藝分別就油田出水中COD進行去除,結果表明:在最佳工藝條件下,IC-ME、ICC-ME和IAC-ME工藝對COD的去除率分別為39.3%,49.7%和52.6%。目前常見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化為生物炭是環境可持續發展的一個重要方向。

常見微電解技術主要是依靠氧化還原等化學手段,應用于難降解大分子有機物等可生化性低的廢水中,通過微型原電池將大分子分解為小分子的過程,主要存在于各類廢水的預處理階段。如今已經逐步應用于各個行業的廢水處理中,如印染廢水、醫藥廢水、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(MB)的特征基團被破壞,導致MB的礦化。MB的降解可歸因于ICC-ME誘導的電偶反應產生Fe2+、[H]和·OH。Chen等[5]在IC-ME耦合微納米氣泡降解醫藥廢水中表明,微納米氣泡產生大量·OH后與Fe2+、Fe3+、[H]和O·等活性物相結合,能破壞有機物中的碳鏈,使鹽酸四環素(TC)難降解物質形態或結構發生變化后,被氧化分解為小的中間體并最終轉化分解為CO2和H2O。Wang等[6]利用IC-ME聯合芬頓處理垃圾滲濾液時表明,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。Huang[7]在研究好氧反硝化菌耦合IC-ME對曝氣黑臭水脫氮時表明,硝化過程主要通過曝氣來改善,反硝化過程中由于IC-ME的存在,為反硝化過程增強了電子傳遞系統的活性,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特的處理方式,并有著高效的去除效果,因此,闡明其脫氮過程的機理也逐漸變得更為重要。

2 IC-ME脫氮機理研究

(1)

圖1 納米零價鐵/活性炭微電解中的轉換Fig.1 Nitrate conversion in nanometer zero-valent iron/activated carbon mic-electrolysis

(2)

(3)

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

3 IC-ME耦合其他工藝對脫氮的效果研究

3.1 IC-ME與厭氧-好氧工藝耦合對脫氮的效果研究

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

3.2 IC-ME與厭氧氨氧化工藝耦合對脫氮的效果研究

圖2 厭氧氨氧化和微電解反應機理Fig.2 Anammox and micro-electrolysis reaction mechanism

3.3 IC-ME與人工濕地工藝耦合對脫氮的效果研究

3.4 IC-ME催化反硝化作用對脫氮的效果研究

針對上述各個工藝脫氮效果,下表列出對含氮廢水脫氮的應用條件及去除效果。

表1 IC-ME耦合其他工藝對廢水脫氮的修復應用Table 1 Remediation application of IC-ME coupled with other processes for wastewater nitrogen removal

綜上所述,當IC-ME工藝耦合其他工藝后,相對于單獨其他工藝,耦合后在脫氮除磷方面均有明顯的提升,這不單單是兩個工藝對脫氮除磷效果的疊加,而是通過IC-ME來提供Fe2+、[H]等強還原劑以及在低碳氮比廢水中提供額外電子供體促進微生物脫氮。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[H]活性,為微電解提供更持久的基質,從而使得脫氮除磷效率更高、有效處理時間更長。但目前IC-ME耦合工藝處理廢水只停留在實驗室階段,實驗后所得參數與實際運用效果還有一定的差距,所以該技術在未來實際廢水脫氮方面仍有很大的研究空間。

4 結語與展望

(1)IC-ME工藝混合體系去除污染物的機理主要包括吸附、化學沉淀、還原、表面絡合和氧化等。此外,當與生物技術結合時,機制還涉及IC-ME材料對微生物的影響。其中該工藝最基本的反應即鐵做陽極,碳做陰極的氧化還原反應,通過電子轉移來加速還原反應從而去除目標污染物,因此有助于將大分子物質打碎成小分子物質從而進一步減輕后期處理工藝的負荷問題。