Electrochemical water softening as pretreatment for nitrate electro bioremediation  

電化學(xué)水軟化作為硝酸鹽電生物修復(fù)的預(yù)處理  

來源:Science of the Total Environment, Volume 806, 2022, Article 150433

《總環(huán)境科學(xué)》第806卷，2022年，文章編號150433  

 

摘要核心內(nèi)容：  

本研究提出一種結(jié)合電化學(xué)軟化（預(yù)處理）與電生物修復(fù)的組合工藝，用于處理高硬度硝酸鹽污染地下水。電化學(xué)軟化可降低90%的礦物飽和指數(shù)（如霰石、方解石），延緩后續(xù)生物修復(fù)系統(tǒng)的電極結(jié)垢問題。在連續(xù)流模式下，單室反應(yīng)器（陰極電位-1.2 V）實現(xiàn)64±4%的硬度去除率（305±17 mg CaCO? m?2 h?1）。通過周期性極性反轉(zhuǎn)（每3-4天）可將電極活性壽命延長48%，軟化后水的硝酸鹽電生物修復(fù)效率達97%（1269±30 g NO? m?3 d?1），系統(tǒng)總能耗僅1.4 kWh m?3。  

 

研究目的：  

解決電生物修復(fù)技術(shù)在處理高硬度地下水時因電極結(jié)垢導(dǎo)致的效率下降和壽命縮短問題，開發(fā)可持續(xù)的電化學(xué)軟化預(yù)處理工藝，優(yōu)化整體處理效能與經(jīng)濟性。  

 

研究思路：  

1. 批次實驗優(yōu)化：對比單室/雙室反應(yīng)器及不同陰極電位（-0.6 V和-1.2 V）的軟化效果（圖1A，表1）  

 

 

2. 連續(xù)流驗證：采用優(yōu)選參數(shù)（單室、-1.2 V）處理真實地下水，測試極性反轉(zhuǎn)策略對電極壽命的影響（圖2，圖3，表2）  

 

 

 

3. 軟化水生物處理：將軟化后水輸入硝酸鹽電生物修復(fù)系統(tǒng)，評估脫氮性能（表4）  

 

4. 成本效益分析：計算組合工藝的建設(shè)（CAPEX）與運行成本（OPEX）（圖4）  

 

測量數(shù)據(jù)及研究意義：  

1. 硬度去除率與離子濃度（表1、表2）  

   ? 意義：量化電化學(xué)軟化效率，證明單室反應(yīng)器在-1.2 V下硬度去除率（73%）顯著高于-0.6 V（4%），且能耗更低（306 vs 155 kWh kg?1 CaCO?）  

 

  

2. 電極活性壽命（圖3）  

   ? 意義：極性反轉(zhuǎn)周期（每3-4天）使軟化操作時間延長48%，減少化學(xué)清洗頻率，降低運行成本  

 

  

3. 礦物飽和指數(shù)與沉淀成分（表3）  

   ? 意義：軟化后水的方解石飽和指數(shù)從1.32降至0.07，霰石從1.18降至-0.07，顯著降低后續(xù)生物系統(tǒng)結(jié)垢風險  

 

4. 硝酸鹽去除性能（表4）  

   ? 意義：軟化水在電生物修復(fù)中實現(xiàn)97%硝酸鹽去除率（1269 g NO? m?3 d?1），證明預(yù)處理保障了生物處理效能  

 

5. 能耗與經(jīng)濟性（圖4）  

   ? 意義：組合工藝總能耗1.4 kWh m?3，運行成本0.51€ m?3，較傳統(tǒng)離子交換法（0.15€ m?3）更具環(huán)境可持續(xù)性  

結(jié)論：  

1. 單室反應(yīng)器在陰極電位-1.2 V下可實現(xiàn)高效電化學(xué)軟化（硬度去除率>60%），且能耗最低  

2. 每3-4天施加極性反轉(zhuǎn)周期可延長電極活性壽命48%，減少化學(xué)清洗需求  

3. 軟化后水顯著降低礦物結(jié)垢風險（飽和指數(shù)下降90%），保障電生物修復(fù)系統(tǒng)穩(wěn)定運行（硝酸鹽去除率97%）  

4. 組合工藝總能耗（1.4 kWh m?3）與成本（0.51€ m?3）具市場競爭力  

 

丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的特殊研究意義：  

該電極用于監(jiān)測電生物修復(fù)系統(tǒng)出水的溶解態(tài)N?O濃度（2.5節(jié)）。其意義在于：  

1. 環(huán)境風險防控：N?O是強效溫室氣體（溫室效應(yīng)為CO?的265倍），Unisense微傳感器可精準檢測μg/L級濃度，驗證工藝是否產(chǎn)生二次污染  

2. 脫氮路徑解析：未檢出N?O（表4）證明硝酸鹽被完全還原為無害N?，避免中間產(chǎn)物積累，確認生物還原路徑的完整性  

3. 工藝優(yōu)化依據(jù)：實時N?O數(shù)據(jù)可反饋調(diào)整陰極電位（-0.320 V），防止過度還原生成亞硝酸鹽等有毒副產(chǎn)物