Electrochemical water softening as pretreatment for nitrate electro bioremediation  

電化學水軟化作為硝酸鹽電生物修復的預處理  

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

《總環境科學》第806卷，2022年，文章編號150433  

 

摘要核心內容：  

本研究提出一種結合電化學軟化（預處理）與電生物修復的組合工藝，用于處理高硬度硝酸鹽污染地下水。電化學軟化可降低90%的礦物飽和指數（如霰石、方解石），延緩后續生物修復系統的電極結垢問題。在連續流模式下，單室反應器（陰極電位-1.2 V）實現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（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效率達97%（1269±30 g NO? m?3 d?1），系統總能耗僅1.4 kWh m?3。  

 

研究目的：  

解決電生物修復技術在處理高硬度地下水時因電極結垢導致的效率下降和壽命縮短問題，開發可持續的電化學軟化預處理工藝，優化整體處理效能與經濟性。  

 

研究思路：  

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

 

 

2. 連續流驗證：采用優選參數（單室、-1.2 V）處理真實地下水，測試極性反轉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系統，評估脫氮性能（表4）  

 

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

 

測量數據及研究意義：  

1. 硬度去除率與離子濃度（表1、表2）  

   ? 意義：量化電化學軟化效率，證明單室反應器在-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：極性反轉周期（每3-4天）使軟化操作時間延長48%，減少化學清洗頻率，降低運行成本  

 

  

3. 礦物飽和指數與沉淀成分（表3）  

   ? 意義：軟化后水的方解石飽和指數從1.32降至0.07，霰石從1.18降至-0.07，顯著降低后續生物系統結垢風險  

 

4. 硝酸鹽去除性能（表4）  

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

 

5. 能耗與經濟性（圖4）  

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

結論：  

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

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

3. 軟化后水顯著降低礦物結垢風險（飽和指數下降90%），保障電生物修復系統穩定運行（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電極測量數據的特殊研究意義：  

該電極用于監測電生物修復系統出水的溶解態N?O濃度（2.5節）。其意義在于：  

1. 環境風險防控：N?O是強效溫室氣體（溫室效應為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?，避免中間產物積累，確認生物還原路徑的完整性  

3. 工藝優化依據：實時N?O數據可反饋調整陰極電位（-0.320 V），防止過度還原生成亞硝酸鹽等有毒副產物