铁碳微电解对硝酸盐氮废水的脱氮研究进展

麻琦,王毅博,冯民权,陈志豪,尹前

(1.西安理工大学省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室,陕西 西安 710048;2.西安工程大学 环境与化学工程学院, 陕西 西安 710048)

1 IC-ME技术

目前常见的微电解是IC-ME,在IC-ME系统中,铁作为阳极,失去电子形成Fe2+,而活性炭粒子作为阴极,通过接受电子或将电子转移到目标污染物,加速还原反应[2]。但通过各位学者对该工艺的进一步挖掘,研究出铁铜碳微电解(ICC-ME)、铁铝碳微电解(IAC-ME)等三元微电解工艺,相较于传统IC-ME,后者能更好的提高污染物的去除性能。在三元微电解体系中,由于Cu、Al和Ni可以加速Fe的腐蚀,从而提高反应速率和电子转移。例如,Zhang[3]通过IC-ME、ICC-ME以及IAC-ME工艺分别就油田出水中COD进行去除,结果表明:在最佳工艺条件下,IC-ME、ICC-ME和IAC-ME工艺对COD的去除率分别为39.3%,49.7%和52.6%。目前常见的生物炭主要包括玉米芯、小麦秆、活性污泥等,而这些普通废弃物转化为生物炭是环境可持续发展的一个重要方向。

常见微电解技术主要是依靠氧化还原等化学手段,应用于难降解大分子有机物等可生化性低的废水中,通过微型原电池将大分子分解为小分子的过程,主要存在于各类废水的预处理阶段。如今已经逐步应用于各个行业的废水处理中,如印染废水、医药废水、垃圾渗滤液以及黑臭水体等。Zhai等[4]在研究IC-ME降解印染废水中表明,亚甲基蓝(MB)的特征基团被破坏,导致MB的矿化。MB的降解可归因于ICC-ME诱导的电偶反应产生Fe2+、[H]和·OH。Chen等[5]在IC-ME耦合微纳米气泡降解医药废水中表明,微纳米气泡产生大量·OH后与Fe2+、Fe3+、[H]和O·等活性物相结合,能破坏有机物中的碳链,使盐酸四环素(TC)难降解物质形态或结构发生变化后,被氧化分解为小的中间体并最终转化分解为CO2和H2O。Wang等[6]利用IC-ME联合芬顿处理垃圾渗滤液时表明,COD去除率为75%,(BOD5)/COD从0.11左右提高到0.5,难降解的腐殖酸得到有效降解,废水中只剩下蛋白质。Huang[7]在研究好氧反硝化菌耦合IC-ME对曝气黑臭水脱氮时表明,硝化过程主要通过曝气来改善,反硝化过程中由于IC-ME的存在,为反硝化过程增强了电子传递系统的活性,TN浓度从12.07 mg/L 降低至7.12 mg/L。IC-ME工艺在脱氮方面有着独特的处理方式,并有着高效的去除效果,因此,阐明其脱氮过程的机理也逐渐变得更为重要。

2 IC-ME脱氮机理研究

(1)

图1 纳米零价铁/活性炭微电解中的转换Fig.1 Nitrate conversion in nanometer zero-valent iron/activated carbon mic-electrolysis

(2)

(3)

因此, IC-ME脱氮相比于传统脱氮工艺,前者具有高活性、高有效性以及高去除性等优点,该工艺已经成为氮污染废水的有效去除途径。然而氮污染问题与日俱增,单独的IC-ME工艺处理效果有限,因此,微电解新材料的研制或强化新工艺就成为各学者的研究热点。在脱氮方面,微电解工艺强化其它方式可达到脱氮速度快、效率高、成本低以及操作性简单等目的,这为以后新工艺的诞生指引了方向。

3 IC-ME耦合其他工艺对脱氮的效果研究

3.1 IC-ME与厌氧-好氧工艺耦合对脱氮的效果研究

通过IC-ME工艺耦合厌氧-好氧工艺后,拓宽了反应器脱氮除磷时的外界条件,如低碳源、低温度等常见问题,此外,各种形态的氮素去除效果显著,微生物的丰度也有不少的提升,从而降低了反应器的运行成本。

3.2 IC-ME与厌氧氨氧化工艺耦合对脱氮的效果研究

图2 厌氧氨氧化和微电解反应机理Fig.2 Anammox and micro-electrolysis reaction mechanism

3.3 IC-ME与人工湿地工艺耦合对脱氮的效果研究

3.4 IC-ME催化反硝化作用对脱氮的效果研究

针对上述各个工艺脱氮效果,下表列出对含氮废水脱氮的应用条件及去除效果。

表1 IC-ME耦合其他工艺对废水脱氮的修复应用Table 1 Remediation application of IC-ME coupled with other processes for wastewater nitrogen removal

综上所述,当IC-ME工艺耦合其他工艺后,相对于单独其他工艺,耦合后在脱氮除磷方面均有明显的提升,这不单单是两个工艺对脱氮除磷效果的叠加,而是通过IC-ME来提供Fe2+、[H]等强还原剂以及在低碳氮比废水中提供额外电子供体促进微生物脱氮。其中Fe2+的还原性和Fe3+的氧化性给脱氮除磷提供了天然的助推剂,而耦合工艺又能相互促进[H]活性,为微电解提供更持久的基质,从而使得脱氮除磷效率更高、有效处理时间更长。但目前IC-ME耦合工艺处理废水只停留在实验室阶段,实验后所得参数与实际运用效果还有一定的差距,所以该技术在未来实际废水脱氮方面仍有很大的研究空间。

4 结语与展望

(1)IC-ME工艺混合体系去除污染物的机理主要包括吸附、化学沉淀、还原、表面络合和氧化等。此外,当与生物技术结合时,机制还涉及IC-ME材料对微生物的影响。其中该工艺最基本的反应即铁做阳极,碳做阴极的氧化还原反应,通过电子转移来加速还原反应从而去除目标污染物,因此有助于将大分子物质打碎成小分子物质从而进一步减轻后期处理工艺的负荷问题。