新式水处理药剂复合碳源生产厂家电促进生物还原技术释放并回收铁盐絮凝沉淀中磷的最新研究进展

　　新式水处理药剂复合碳源生产厂家电促进生物还原技术释放并回收铁盐絮凝沉淀中磷的最新研究进展

　　新式水处理药剂复合碳源厂家电促进生物还原技术释放并回收铁盐絮凝沉淀中磷的最新研究进展。在污水处理厂中，采用铁盐进行强化絮凝预处理(Iron-enhanced primary precipitation，IEPP)可将污水中的磷、有机物等污染物高效去除。其中，磷以铁盐絮凝体的形式富集至铁盐絮凝污泥中。然而，如何将这部分磷从污泥中有效释放并回收，目前尚未得到较好地解决。

　　图文导读

　　针对上述问题，清华大学环境学院黄霞教授团队提出了电促生物还原(Electro-enhanced biological reducing，EEBR)强化铁盐絮凝污泥释磷的技术。在0.35 V vs.标准氢电极电势下，以自配铁盐絮凝体作为底物进行生物膜培养。第0天时，EEBR过程不产生电流(图1A)，也不能还原Fe(III)或释放磷酸盐。随着时间的推移，EEBR过程的产电水平逐渐提高，并在第30天时达到稳定(~0.25 mA)，表明电极上的电活性生物膜已相对成熟。此时，EEBR过程中Fe(III)还原及磷酸盐的释放分别达到最大值，分别为76.6 mg/L和57.4 mg/L(图1B)。通过微生物群落分析发现(图1C和D)，此时生物膜中电活性菌Geobacter的相对含量达11.5%。

　　图1：启动阶段EEBR过程中产电情况(A)，Fe(III)还原和TP释放变化情况(B)及生物膜的微生物群落分析(C, D)

　　研究中分别探究了不同电势(0.05~0.65 V)下和不同铁盐絮凝体粒径(36~588 μm)下EEBR过程的Fe(III)还原和释磷表现(图2A-D)，试验结果发现：在0.35 V电势条件下，磷酸盐释放率最高，为50.9%;当铁盐絮凝体粒径为36 μm时，磷酸盐释放率最高，为61.6%。Fe(III)还原导致其与磷酸盐之间的化学键断裂是引起铁盐絮凝体中的磷酸盐释放至上清液的主要原因。在非生物空白对照反应器内未检测到生成的Fe(II)或释放的磷酸盐，因此可知EEBR 过程内培养的电活性生物膜是引起铁盐絮凝体中Fe(III)还原与磷酸盐释放的关键，协助实现电极与铁盐絮凝体之间的电子传递。

　　此外，将EEBR过程与只添加乙酸钠作为COD供体的非电促生物还原过程对比(图2E)，发现EEBR过程能够比非电促生物还原过程促进更多的BD-P(主要为FePO4等)转变为SP(上清液中的溶解磷酸盐)，说明EEBR过程主要通过增强Fe(III)还原，提高释磷效果。

　　图2. 不同电势(A, B)和不同粒径(D1: 588 μm, D2: 220 μm, D3: 80 μm , D4: 36 μm，C, D)下EEBR过程中Fe(III)还原和磷酸盐释放，EEBR过程及非电促生物还原过程中不同形态磷的比率变化(E)，以及电活性生物膜的CV曲线(F)

　　进一步，对EEBR过程中铁盐絮凝体Fe(III)还原的反应动力学进行分析(图3)，发现Fe(III)还原是一个n=2/3级反应。

　　图3. EEBR过程内铁盐絮凝体Fe(III)还原的反应动力学分析

　　基于得到的反应动力学方程，分析了EEBR过程中，电势(图4A)和粒径(图4B)对铁盐絮凝体Fe(III)还原的影响。结果发现，电势的增加会导致Fe(III)还原反应活化能上升，但同时也会产生更高的电流，因此存在一个最优电势值，使得Fe(III)还原速率达到最大。此外，减小粒径亦可以通过降低Fe(III)还原反应活化能使得Fe(III)还原速率常数k’增加(图4C)，最终引起Fe(III)还原速率的上升。

　　图4. 电势(A)和粒径(B, C)对EEBR过程内铁盐絮凝体Fe(III)还原的影响分析

　　电活性菌Geobacter在EEBR过程中被成功富集，结合CV曲线的分析可知EEBR过程传递电子主要通过细胞色素c来完成(图2F)。因此，在EEBR过程中存在由电活性菌参与形成的电子传递链，最终实现Fe(III)还原及磷酸盐释放(图5)。

　　图5. 非电促生物还原过程(A)和EEBR过程(B)还原Fe(III)并释放磷酸盐的机理图

　　总结

　　本研究提出了一种利用电促生物还原过程强化铁盐絮凝体中磷释放的方法，并通过反应动力学分析提出高效还原Fe(III)以及释放磷酸盐的机理。该方法具备低能耗、低物耗等优势，在污水处理厂中的磷资源回收中具有潜在的应用前景。

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