新式水處理藥劑復(fù)合碳源生產(chǎn)廠家電促進生物還原技術(shù)釋放并回收鐵鹽絮凝沉淀中磷的最新研究進展

　　新式水處理藥劑復(fù)合碳源生產(chǎn)廠家電促進生物還原技術(shù)釋放并回收鐵鹽絮凝沉淀中磷的最新研究進展

　　新式水處理藥劑復(fù)合碳源廠家電促進生物還原技術(shù)釋放并回收鐵鹽絮凝沉淀中磷的最新研究進展。在污水處理廠中，采用鐵鹽進行強化絮凝預(yù)處理(Iron-enhanced primary precipitation，IEPP)可將污水中的磷、有機物等污染物高效去除。其中，磷以鐵鹽絮凝體的形式富集至鐵鹽絮凝污泥中。然而，如何將這部分磷從污泥中有效釋放并回收，目前尚未得到較好地解決。

　　圖文導(dǎo)讀

　　針對上述問題，清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院黃霞教授團隊提出了電促生物還原(Electro-enhanced biological reducing，EEBR)強化鐵鹽絮凝污泥釋磷的技術(shù)。在0.35 V vs.標(biāo)準(zhǔn)氫電極電勢下，以自配鐵鹽絮凝體作為底物進行生物膜培養(yǎng)。第0天時，EEBR過程不產(chǎn)生電流(圖1A)，也不能還原Fe(III)或釋放磷酸鹽。隨著時間的推移，EEBR過程的產(chǎn)電水平逐漸提高，并在第30天時達(dá)到穩(wěn)定(~0.25 mA)，表明電極上的電活性生物膜已相對成熟。此時，EEBR過程中Fe(III)還原及磷酸鹽的釋放分別達(dá)到最大值，分別為76.6 mg/L和57.4 mg/L(圖1B)。通過微生物群落分析發(fā)現(xiàn)(圖1C和D)，此時生物膜中電活性菌Geobacter的相對含量達(dá)11.5%。

　　圖1：啟動階段EEBR過程中產(chǎn)電情況(A)，F(xiàn)e(III)還原和TP釋放變化情況(B)及生物膜的微生物群落分析(C, D)

　　研究中分別探究了不同電勢(0.05~0.65 V)下和不同鐵鹽絮凝體粒徑(36~588 μm)下EEBR過程的Fe(III)還原和釋磷表現(xiàn)(圖2A-D)，試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在0.35 V電勢條件下，磷酸鹽釋放率最高，為50.9%;當(dāng)鐵鹽絮凝體粒徑為36 μm時，磷酸鹽釋放率最高，為61.6%。Fe(III)還原導(dǎo)致其與磷酸鹽之間的化學(xué)鍵斷裂是引起鐵鹽絮凝體中的磷酸鹽釋放至上清液的主要原因。在非生物空白對照反應(yīng)器內(nèi)未檢測到生成的Fe(II)或釋放的磷酸鹽，因此可知EEBR 過程內(nèi)培養(yǎng)的電活性生物膜是引起鐵鹽絮凝體中Fe(III)還原與磷酸鹽釋放的關(guān)鍵，協(xié)助實現(xiàn)電極與鐵鹽絮凝體之間的電子傳遞。

　　此外，將EEBR過程與只添加乙酸鈉作為COD供體的非電促生物還原過程對比(圖2E)，發(fā)現(xiàn)EEBR過程能夠比非電促生物還原過程促進更多的BD-P(主要為FePO4等)轉(zhuǎn)變?yōu)镾P(上清液中的溶解磷酸鹽)，說明EEBR過程主要通過增強Fe(III)還原，提高釋磷效果。

　　圖2. 不同電勢(A, B)和不同粒徑(D1: 588 μm, D2: 220 μm, D3: 80 μm , D4: 36 μm，C, D)下EEBR過程中Fe(III)還原和磷酸鹽釋放，EEBR過程及非電促生物還原過程中不同形態(tài)磷的比率變化(E)，以及電活性生物膜的CV曲線(F)

　　進一步，對EEBR過程中鐵鹽絮凝體Fe(III)還原的反應(yīng)動力學(xué)進行分析(圖3)，發(fā)現(xiàn)Fe(III)還原是一個n=2/3級反應(yīng)。

　　圖3. EEBR過程內(nèi)鐵鹽絮凝體Fe(III)還原的反應(yīng)動力學(xué)分析

　　基于得到的反應(yīng)動力學(xué)方程，分析了EEBR過程中，電勢(圖4A)和粒徑(圖4B)對鐵鹽絮凝體Fe(III)還原的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，電勢的增加會導(dǎo)致Fe(III)還原反應(yīng)活化能上升，但同時也會產(chǎn)生更高的電流，因此存在一個最優(yōu)電勢值，使得Fe(III)還原速率達(dá)到最大。此外，減小粒徑亦可以通過降低Fe(III)還原反應(yīng)活化能使得Fe(III)還原速率常數(shù)k’增加(圖4C)，最終引起Fe(III)還原速率的上升。

　　圖4. 電勢(A)和粒徑(B, C)對EEBR過程內(nèi)鐵鹽絮凝體Fe(III)還原的影響分析

　　電活性菌Geobacter在EEBR過程中被成功富集，結(jié)合CV曲線的分析可知EEBR過程傳遞電子主要通過細(xì)胞色素c來完成(圖2F)。因此，在EEBR過程中存在由電活性菌參與形成的電子傳遞鏈，最終實現(xiàn)Fe(III)還原及磷酸鹽釋放(圖5)。

　　圖5. 非電促生物還原過程(A)和EEBR過程(B)還原Fe(III)并釋放磷酸鹽的機理圖

　　總結(jié)

　　本研究提出了一種利用電促生物還原過程強化鐵鹽絮凝體中磷釋放的方法，并通過反應(yīng)動力學(xué)分析提出高效還原Fe(III)以及釋放磷酸鹽的機理。該方法具備低能耗、低物耗等優(yōu)勢，在污水處理廠中的磷資源回收中具有潛在的應(yīng)用前景。

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