Electrified biotrickling filters as tertiary urban wastewater treatment

電氣化生物滴濾池作為城市污水的三級處理

來源：Case Studies in Chemical and Environmental Engineering 4 (2021) 100143

 

一、摘要概述

 

本研究首次將 電強化生物滴濾池（e-biofilter） 應(yīng)用于城市污水廠二級出水的深度處理，通過 生物電化學(xué)強化脫氮 解決低碳氮比（C/N）污水脫氮難題：

 

技術(shù)核心：在傳統(tǒng)生物滴濾池下部增設(shè)電極系統(tǒng)（陰極電位-0.3 V vs. Ag/AgCl），上部維持好氧硝化，下部電極區(qū)驅(qū)動生物電化學(xué)反硝化（圖1）。

 

 

關(guān)鍵成果：

 

最佳工況（水位75%+HRT 0.3天）下，氨氮去除速率 64.6 g N-NH??/m3/d，總氮去除速率 41.9 g N/m3/d（圖2b），能耗僅 0.026 kWh/g N（表2）。

 

 

 

零N?O排放：丹麥Unisense電極全程未檢出溶解態(tài)N?O（結(jié)果章節(jié)）。

 

同步去除COD（63.1%）與TSS（82.4%），出水滿足回用標(biāo)準(zhǔn)（結(jié)論）。

 

二、研究目的

 

技術(shù)驗證：測試e-biofilter處理真實城市污水二級出水的可行性（引言）。

 

工藝優(yōu)化：探究水位高度（WL）與水力停留時間（HRT）對脫氮性能的影響（方法2.1）。

 

排放監(jiān)測：評估生物電化學(xué)脫氮過程的N?O排放風(fēng)險（方法2.3）。

 

三、研究思路

 

采用 梯度實驗設(shè)計，分兩階段對比不同工況：

1. 裝置與運行

 

反應(yīng)器結(jié)構(gòu)：PVC柱狀反應(yīng)器（1.39 L），下部填充導(dǎo)電石墨（生物陰極區(qū)），上部填充PVC填料（好氧區(qū)），鈦棒電極控制陰極電位-0.3 V（圖1a）。

 

水位調(diào)控：對比50% WL（好氧區(qū)占比50%）與75% WL（好氧區(qū)占比25%）（圖1b,c）。

 

進(jìn)水切換：前10天合成廢水啟動，后續(xù)接入西班牙Quart污水廠真實二級出水（表1）。

 

2. 監(jiān)測指標(biāo)

 

常規(guī)參數(shù)：NH??、NO??、NO??、COD、TSS、pH、電導(dǎo)率（APHA標(biāo)準(zhǔn)）。

 

N?O監(jiān)測：Unisense液相微傳感器實時檢測出水溶解N?O（方法2.3）。

 

能耗計算：根據(jù)電壓/電流與脫氮量計算能量效率（kWh/g N）（方法2.3）。

 

四、關(guān)鍵數(shù)據(jù)及研究意義

1. 脫氮性能與水位/HRT關(guān)聯(lián)（圖2, 表2）

 

數(shù)據(jù)來源：不同WL與HRT組合下的進(jìn)出水氮濃度監(jiān)測（n>3）。

 

結(jié)果：

 

WL 50%：HRT 1.4天時氨氧化完全（出水NH??=1.7 mg/L），但反硝化受限（NO??=27.3 mg/L）；縮短HRT至0.4天提升脫氮速率但氨氧化惡化（出水NH??=40.8 mg/L）。

 

WL 75%：HRT 0.3天時脫氮速率最高（41.9 g N/m3/d），出水總氮16.4 mg N/L。

 

意義：證實高水位（75% WL）通過強化缺氧環(huán)境可協(xié)同提升硝化/反硝化效率，破解低碳氮比瓶頸。

 

2. 有機(jī)物與懸浮物去除（圖3, 表2）

 

數(shù)據(jù)來源：進(jìn)出水COD/TSS濃度監(jiān)測。

 

結(jié)果：平均去除率COD 63.1%±19.3%、TSS 82.4%±18.7%，出水COD<44 mg/L，TSS<58 mg/L。

 

意義：e-biofilter具備多污染物協(xié)同去除能力，出水滿足再生水標(biāo)準(zhǔn)（如西班牙RD 1620/2007）。

 

3. 能耗效率（表2）

 

數(shù)據(jù)來源：電壓/電流記錄與脫氮量計算。

 

結(jié)果：能耗范圍0.010–0.039 kWh/g N，顯著低于同類電強化生物濾池（0.27–0.83 kWh/g N）。

 

意義：生物電化學(xué)反硝化大幅降低脫氮能耗，為污水廠節(jié)能改造提供新路徑。

 

五、結(jié)論

 

技術(shù)可行性：e-biofilter可高效處理真實城市二級出水，最佳工況（WL 75% + HRT 0.3天）下達(dá)標(biāo)排放。

 

工藝優(yōu)勢：

 

脫氮效能：總氮去除速率41.9 g N/m3/d，媲美高C/N廢水處理系統(tǒng)。

 

低碳足跡：Unisense電極證實 全程無N?O排放，規(guī)避脫氮過程的溫室風(fēng)險。

 

多效協(xié)同：同步去除COD、TSS，實現(xiàn)“一步式”深度處理。

 

應(yīng)用前景：適用于低碳氮比污水深度脫氮，尤其適合污水再生回用場景。

 

六、丹麥Unisense電極數(shù)據(jù)的深度解讀

1. 技術(shù)原理與部署

 

原位監(jiān)測：N?O微傳感器（檢測限0.01 μM）浸沒于e-biofilter出水流路，實時追蹤溶解態(tài)N?O（方法2.3）。

 

獨特價值：直接捕捉液相N?O濃度，規(guī)避氣相監(jiān)測的滯后性與稀釋誤差。

 

2. 關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)與意義

 

零排放驗證：所有工況下 未檢出溶解N?O（結(jié)果章節(jié)），證明生物電化學(xué)反硝化規(guī)避了傳統(tǒng)脫氮的N?O釋放風(fēng)險。

 

機(jī)制解析：

 

陰極電位精準(zhǔn)控制（-0.3 V）促進(jìn)電子直接傳遞給反硝化菌，減少N?O中間產(chǎn)物積累（討論）。

 

缺氧環(huán)境（WL 75%）抑制硝化菌N?O合成路徑（討論）。

 

工程意義：

 

為污水廠碳足跡核算提供 “N?O零排放”實證，支持碳中和目標(biāo)。

 

證實e-biofilter工藝的 環(huán)境安全性，打消推廣顧慮。

 

3. 行業(yè)貢獻(xiàn)

 

首例真實污水應(yīng)用：填補Unisense電極在市政污水深度處理場景的數(shù)據(jù)空白。

 

監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)革新：證明液相N?O直接監(jiān)測比氣相監(jiān)測更靈敏可靠，推動行業(yè)監(jiān)測范式轉(zhuǎn)變。

 

總結(jié)

 

本研究通過Unisense電極確證e-biofilter在深度脫氮過程中 完全抑制N?O生成，結(jié)合其高效脫氮（41.9 g N/m3/d）與低碳耗（0.026 kWh/g N）優(yōu)勢，為城市污水深度處理提供兼具 環(huán)境效益 與 經(jīng)濟(jì)效益 的創(chuàng)新方案。該電極的“零檢出”結(jié)果為生物電化學(xué)工藝的溫室氣體評估樹立了新基準(zhǔn)。