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

　　新式水處理藥劑復合碳源廠家電促進生物還原技術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。

　　圖文導讀

　　針對上述問題，清華大學環境學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。在0.35 V vs.標準氫電極電勢下，以自配鐵鹽絮凝體作為底物進行生物膜培養。第0天時，EEBR過程不產生電流(圖1A)，也不能還原Fe(III)或釋放磷酸鹽。隨著時間的推移，EEBR過程的產電水平逐漸提高，并在第30天時達到穩定(~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現(圖1C和D)，此時生物膜中電活性菌Geobacter的相對含量達11.5%。

　　圖1：啟動階段EEBR過程中產電情況(A)，Fe(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(圖2A-D)，試驗結果發現：在0.35 V電勢條件下，磷酸鹽釋放率最高，為50.9%;當鐵鹽絮凝體粒徑為36 μm時，磷酸鹽釋放率最高，為61.6%。Fe(III)還原導致其與磷酸鹽之間的化學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器內未檢測到生成的Fe(II)或釋放的磷酸鹽，因此可知EEBR 過程內培養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鍵，協助實現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)，發現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)轉變為SP(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)還原的反應動力學進行分析(圖3)，發現Fe(III)還原是一個n=2/3級反應。

　　圖3. EEBR過程內鐵鹽絮凝體Fe(III)還原的反應動力學分析

　　基于得到的反應動力學方程，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。結果發現，電勢的增加會導致Fe(III)還原反應活化能上升，但同時也會產生更高的電流，因此存在一個最優電勢值，使得Fe(III)還原速率達到最大。此外，減小粒徑亦可以通過降低Fe(III)還原反應活化能使得Fe(III)還原速率常數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，結合CV曲線的分析可知EEBR過程傳遞電子主要通過細胞色素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

　　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，并通過反應動力學分析提出高效還原Fe(III)以及釋放磷酸鹽的機理。該方法具備低能耗、低物耗等優勢，在污水處理廠中的磷資源回收中具有潛在的應用前景。

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