王進(jìn)喜，馬魯銘，王亞軍

（1.蘭州文理學(xué)院 化工學(xué)院，甘肅 蘭州 730000；2.同濟(jì)大學(xué) 污染控制與資源化研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092；3.蘭州理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050）

催化鐵內(nèi)電解-生物處理耦合技術(shù)的機(jī)理及研究進(jìn)展

王進(jìn)喜1，馬魯銘2，王亞軍3

（1.蘭州文理學(xué)院 化工學(xué)院，甘肅 蘭州 730000；2.同濟(jì)大學(xué) 污染控制與資源化研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092；3.蘭州理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050）

催化鐵內(nèi)電解技術(shù)（簡(jiǎn)稱催化鐵技術(shù)）是同濟(jì)大學(xué)城市污染控制國(guó)家工程研究中心自主研發(fā)的新型廢水處理方法。介紹了催化鐵-生物處理耦合技術(shù)的機(jī)理，總結(jié)了近年來(lái)該技術(shù)的研究進(jìn)展，并在此基礎(chǔ)上指出了該技術(shù)目前存在的問題及發(fā)展方向。對(duì)于催化鐵-生物處理耦合技術(shù)而言，考察在實(shí)際應(yīng)用中的影響因素、完善催化鐵的后續(xù)處理、深入分析反應(yīng)機(jī)理及可控路徑、探索與不同處理工藝的兼容性、提高長(zhǎng)期運(yùn)行的穩(wěn)定性等是今后需重點(diǎn)關(guān)注的研究?jī)?nèi)容。

催化鐵；生物處理；耦合技術(shù)；機(jī)理；研究進(jìn)展

生物法是目前廢水處理技術(shù)中工藝最成熟、運(yùn)行最穩(wěn)定、使用最廣泛的技術(shù)之一，污染物去除效果良好，但對(duì)于含高毒、有害、難生物降解物質(zhì)較多的工業(yè)廢水，單一使用生物法難以達(dá)到良好的處理效果。催化鐵內(nèi)電解技術(shù)（簡(jiǎn)稱催化鐵技術(shù)）是同濟(jì)大學(xué)城市污染控制國(guó)家研究中心自主研發(fā)的新型廢水處理方法，可與生物法進(jìn)行耦合，如與生

物預(yù)處理技術(shù)結(jié)合可降低工業(yè)廢水的毒性和生物抑制性，提高廢水的可生化性；也可為特定的生物處理工藝創(chuàng)造條件，并發(fā)生協(xié)同作用，如為除磷和脫氮工藝創(chuàng)造低氧化還原電位（ORP）環(huán)境，再輔以化學(xué)除磷，同時(shí)為脫氮提供電子供體。通過(guò)課題組多年進(jìn)行的小試、中試和示范工程，該技術(shù)取得了很好的驗(yàn)證效果。

催化鐵是指在鐵刨花材料表面鍍銅從而形成雙金屬內(nèi)電解催化還原體系，在中性及堿性條件下具有比零價(jià)鐵更強(qiáng)的還原能力［1］。催化鐵還原包括零價(jià)鐵表面的還原和陰極金屬表面的催化還原，在中性條件下主要以后者為主。催化鐵技術(shù)在脫色、脫氯、脫硝等方面已被證實(shí)具有很好的效果［2-7］。

催化鐵技術(shù)與生物處理法的耦合是近年來(lái)興起的研究方向，主要在水解酸化、脫氮、除磷及同步脫氮除磷等方面的研究較多，具有較大的市場(chǎng)前景和使用價(jià)值，但仍有許多地方尚待深入研究。

本文介紹了催化鐵-生物處理耦合技術(shù)的機(jī)理，總結(jié)了近年來(lái)該技術(shù)的研究進(jìn)展，并在此基礎(chǔ)上指出了該技術(shù)目前存在的問題及發(fā)展方向。

1 催化鐵技術(shù)簡(jiǎn)介

催化鐵是鐵內(nèi)電解的一種。較早時(shí)期鐵內(nèi)電解法的研究熱點(diǎn)是鐵碳還原法［8］，即利用鐵屑中的鐵元素和炭中的碳元素組成微小的原電池，以電化學(xué)反應(yīng)為主，對(duì)廢水進(jìn)行還原處理。但傳統(tǒng)的鐵碳內(nèi)電解法存在著以下缺點(diǎn)：1）只適用于pH低的廢水，所以反應(yīng)需要消耗大量的酸、堿；2）鐵的消耗量大，產(chǎn)生大量的含鐵污泥，易結(jié)垢；3）鐵與炭比重相差大，在水中分層，影響電化學(xué)反應(yīng)。因此，反應(yīng)設(shè)備運(yùn)行一段時(shí)間后，床層易板結(jié)，出現(xiàn)溝流等現(xiàn)象，從而影響了處理效果。

針對(duì)鐵碳內(nèi)電解法的缺陷，同時(shí)考慮對(duì)生物難降解工業(yè)廢水處理效果的改善，同濟(jì)大學(xué)城市污染控制國(guó)家工程研究中心研發(fā)了“催化鐵”技術(shù)［9］。催化鐵法相比鐵碳內(nèi)電解法具有如下的優(yōu)越性：1）銅作為惰性電極明顯提高了鐵的還原能力，廢水中的難降解有機(jī)物可得到較充分的還原；2）反應(yīng)不需曝氣，可避免單質(zhì)鐵被分子氧氧化，故耗鐵量顯著降低；3）pH適用范圍廣，從酸性到堿性環(huán)境均有良好的處理效果，且操作簡(jiǎn)便，將反應(yīng)保持在近中性環(huán)境對(duì)后續(xù)脫氮除磷和提高活性污泥的沉降性能都大有益處。

2 催化鐵-生物處理耦合技術(shù)的機(jī)理

催化鐵技術(shù)與生物法相耦合的基礎(chǔ)是零價(jià)鐵的反應(yīng)，引入銅作為陰極惰性金屬，與鐵形成原電池，加速陽(yáng)極鐵的腐蝕，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)污染物的強(qiáng)化處理［10］。反應(yīng)機(jī)理包括電化學(xué)作用、鐵的還原作用、化學(xué)混凝與化學(xué)沉淀作用以及鐵與微生物的作用等。

2.1 催化鐵-水解酸化耦合技術(shù)

1）水解酸化過(guò)程中產(chǎn)生的有機(jī)酸可加速鐵的腐蝕，從而提高催化鐵的效果；同時(shí)鐵對(duì)有機(jī)酸導(dǎo)致的pH下降具有較強(qiáng)的緩沖作用（“析氫”反應(yīng)，見式（1））。

2）催化鐵的強(qiáng)還原作用可降低廢水中部分有毒有害有機(jī)物對(duì)微生物的抑制，提高水解酸化的效果，如還原硝基苯（見式（2））［11-12］。

3）催化鐵反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生的Fe2+可與廢水中的S2-發(fā)生沉淀（見式（3）），保護(hù)水解酸化菌免受其毒害。

4）催化鐵填料可作為生物載體，豐富水解酸化過(guò)程的微生物相，同時(shí)還可起到表面改性作用，中和生物載體和細(xì)胞表面的負(fù)電荷，提高微生物的掛膜量。

2.2 催化鐵-生物脫氮耦合技術(shù)

1）組成電子傳遞鏈

鐵元素普遍存在于生物細(xì)胞色素、鐵氧還蛋白和鐵硫蛋白中，是氧化還原的載體，又是一些酶（如脫羧酶）的輔助因子，能將NH3-N氧化的中間物質(zhì)羥氨在脫氫酶的作用下所釋放出的2個(gè)電子［13］經(jīng)電子傳遞鏈最后傳遞給氧，再經(jīng)磷酸化而產(chǎn)生能量，是電子傳遞鏈的重要組成部分。

2）降低ORP

催化鐵可與水中的溶解氧（DO）發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)［9］，消除反應(yīng)體系的DO，降低周圍環(huán)境的ORP，從而使成為唯一有機(jī)電子受體而被還原，有利于厭氧反硝化進(jìn)程。

3）促進(jìn)生物反應(yīng)

硝化細(xì)菌的細(xì)胞結(jié)構(gòu)大部分具有復(fù)雜的膜內(nèi)褶（如薄片狀、囊泡狀和管狀），鐵離子能夠加大

生物細(xì)胞膜的滲透性，從而加快營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收速率［14］。同時(shí)，水中的Fe2+是化學(xué)催化劑，附著在活性污泥上，能促進(jìn)硝化反應(yīng)的進(jìn)行。

4）附著層的作用

催化鐵表面的附著層主要為復(fù)雜礦物，具有電子傳遞性能，與鐵形成的復(fù)合體對(duì)硝酸鹽具有轉(zhuǎn)化活性，可提高總氮的脫除效率。

2.3 催化鐵-生物除磷耦合技術(shù)

將催化鐵置于生物除磷的厭氧段，可消耗厭氧系統(tǒng)中殘余的DO，降低厭氧段的ORP，為生物釋磷創(chuàng)造更嚴(yán)格的厭氧環(huán)境。厭氧段pH有小幅上升，催化鐵對(duì)酸的緩沖能力增強(qiáng)，有利于厭氧生化反應(yīng)。同時(shí)，產(chǎn)生的鐵離子在后續(xù)好氧段形成三價(jià)離子，可生成難溶化合物除磷［15］，且生成的難溶化合物表面對(duì)磷有很強(qiáng)的吸附作用，提高了除磷效果。此外，在生物除磷厭氧段，鐵表面易附著微生物體，可使厭氧段的ORP更低，創(chuàng)造更適宜除磷菌生長(zhǎng)的條件［16］，提高除磷效率。

3 催化鐵-生物處理耦合技術(shù)的研究進(jìn)展

目前對(duì)催化鐵-生物處理耦合技術(shù)的研究主要集中在兩個(gè)方面：一方面是從工藝層面探討催化鐵與不同生物處理技術(shù)的耦合，優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)以達(dá)到更好的處理效果；另一方面是從理論層面研究耦合過(guò)程中催化鐵的作用機(jī)制，以及反應(yīng)過(guò)程中各物相的變化。隨著對(duì)催化鐵-生物處理耦合技術(shù)研究的不斷深入，將催化鐵技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)廢水處理的報(bào)道受到越來(lái)越多的關(guān)注。

3.1 催化鐵-水解酸化耦合技術(shù)

在諸多改善難生物降解工業(yè)廢水處理效果的方法中，水解酸化技術(shù)是應(yīng)用范圍較廣的一種［17-19］。工業(yè)廢水中的有毒有害有機(jī)物對(duì)水解酸化有負(fù)面影響，結(jié)合催化鐵技術(shù)的特點(diǎn)，將其與水解酸化技術(shù)進(jìn)行耦合，可改善處理效果。胡堅(jiān)等［20］設(shè)計(jì)了平流式耦合反應(yīng)器，并應(yīng)用于化工區(qū)混合污水處理廠的工藝改造工程，在原有循環(huán)式活性污泥技術(shù)（CAST）工藝的基礎(chǔ)上添加了催化鐵-水解酸化耦合工藝預(yù)處理單元。研究發(fā)現(xiàn)：經(jīng)催化鐵-水解酸化工藝預(yù)處理后，廢水的可生化指標(biāo)BOD5/COD達(dá)到0.35以上；處理出水中的COD，NH3-N，TP的平均去除率分別由單一CAST工藝的69%，0，46%提高到75%，46%，57%，證明催化鐵與水解酸化耦合可明顯改善化工廢水的可生化性和處理效果。陳文琳等［21］也做了相似的實(shí)驗(yàn)研究，同樣證明了催化鐵與水解酸化耦合可降解廢水中對(duì)生物有抑制作用的有毒物質(zhì)，提高廢水的可生化性。對(duì)比二人的工藝流程可發(fā)現(xiàn)，其區(qū)別在于催化鐵和水解酸化結(jié)合的前后順序不同，這是否會(huì)影響水解酸化的效果尚有待研究；同時(shí)，處理過(guò)程中監(jiān)測(cè)的指標(biāo)不全面，對(duì)于不同廢水的水質(zhì)及水解酸化的特定指標(biāo)（如污染物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)上的轉(zhuǎn)化）的變化也需深入分析。

3.2 催化鐵-生物脫氮耦合技術(shù)

支霞輝［22］在序批式反應(yīng)器（SBR）內(nèi)部設(shè)置催化鐵反應(yīng)裝置，通過(guò)化學(xué)與生物降解的耦合協(xié)同反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)含氮有機(jī)物的短程硝化反硝化生物脫氮過(guò)程。該耦合反應(yīng)過(guò)程明顯比通常的生物短程硝化節(jié)省曝氣能耗與反硝化碳源。鐵對(duì)亞硝化有顯著的促進(jìn)作用，加速了NH3-N向亞硝酸鹽的轉(zhuǎn)化，使亞硝酸鹽產(chǎn)生積累，順利實(shí)現(xiàn)短程硝化反硝化。耦合短程脫氮僅是在生物鐵活性污泥生化反應(yīng)作用下的結(jié)果，催化鐵的作用通過(guò)對(duì)硝化過(guò)程中硝化菌活性的影響而實(shí)現(xiàn)，耦合脫氮反應(yīng)過(guò)程中同時(shí)存在硝化反硝化。王夢(mèng)月等［23］則研究了低碳氮比條件下催化鐵耦合生物反硝化的脫氮效率以及N2O的釋放量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：相對(duì)于常規(guī)低碳氮比反硝化，與催化鐵耦合可大幅提高硝酸根的轉(zhuǎn)化率，顯著提高了N2O的釋放量；但N2O最高累積量小于8%，且可繼續(xù)生物還原為N2，還原率可提高25%～30%，有效促進(jìn)了N2O的生物降解。催化鐵可以消除體系的DO和降低ORP，對(duì)維持缺氧反硝化環(huán)境有利，且低碳氮比條件可減少外加碳源。在該應(yīng)用領(lǐng)域，催化鐵工藝如何與不同的工藝有機(jī)結(jié)合而發(fā)揮最大功效是今后研究的一個(gè)方向。

3.3 催化鐵-生物除磷耦合技術(shù)

催化鐵的加入可消耗厭氧段殘余的DO，創(chuàng)造更為嚴(yán)格的厭氧環(huán)境，可提高聚磷菌的除磷效果。劉飛萍等［24］將催化鐵置于厭氧段，研究了催化鐵與生物法耦合后對(duì)生物除磷效果的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：與催化鐵耦合后，厭氧末段ORP降低了約60 mV，pH小幅上升；在培養(yǎng)過(guò)程中測(cè)得鐵離子的濃度開始時(shí)增速較快，之后漸趨于穩(wěn)定，約為40 mg/g（以MLSS計(jì)）；與未耦合時(shí)相比，耦合工藝中的污泥沉降性能更好；耦合工藝中厭氧末段磷的釋放量有所下降，聚磷菌細(xì)胞內(nèi)聚羥基脂肪酸

酯（PHA）含量有所提高；好氧段磷的吸收速率加快，好氧末段污泥中的無(wú)機(jī)態(tài)P含量更高；長(zhǎng)期運(yùn)行未發(fā)現(xiàn)耦合體系中催化鐵對(duì)除磷效果有抑制作用，反而可增強(qiáng)除磷的穩(wěn)定性。在除磷處理過(guò)程中，化學(xué)除磷和生物除磷均在起作用，可具體研究各自的除磷貢獻(xiàn)以及反應(yīng)條件改變帶來(lái)的變化。

3.4 催化鐵-生物同步脫氮除磷耦合技術(shù)

Wang等［25］采用實(shí)際城市污水，通過(guò)209天的對(duì)照實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)催化鐵可同時(shí)提高生物脫氮除磷的效果，TN和TP的去除率分別提高了8.72%和57.83%。周鵬飛等［26］開展了催化鐵-CAST耦合工藝對(duì)城市污水脫氮除磷的中試研究。結(jié)果表明：催化鐵-生物處理耦合技術(shù)具有改善活性污泥性狀的良好作用，能夠促進(jìn)生物脫氮，提高脫氮效果；同時(shí)，通過(guò)生物除磷與化學(xué)除磷的協(xié)同作用可提高除磷效果；試驗(yàn)期間各項(xiàng)指標(biāo)去除效果較好，NH3-N，TN，TP的平均去除率分別為96.40%，36.55%，90.00%，各項(xiàng)指標(biāo)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。

4 催化鐵表面附著層的研究

催化鐵-生物處理耦合技術(shù)具有獨(dú)特的污水處理優(yōu)勢(shì)，污水處理過(guò)程中催化鐵表面易形成附著層，其來(lái)源主要為鐵與液相成分之間的腐蝕產(chǎn)物、表面沉積垢以及附著活性污泥的微生物等。表面附著層的成分、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)對(duì)于催化鐵-生物處理耦合工藝的污水處理效果有著重要影響。

梁學(xué)穎等［16］對(duì)耦合反應(yīng)后的催化鐵表面附著層的微觀形態(tài)、元素組成、物質(zhì)構(gòu)成等進(jìn)行了表征。表征結(jié)果顯示：在不同工藝條件下，鐵、碳、氧均為催化鐵表面附著層的主要元素，純曝氣氧化條件下附著層相對(duì)疏松，主要為羥基氧化鐵等鐵氧化物；耦合生物脫氮工藝條件下形成的附著物微觀結(jié)構(gòu)呈顆粒狀或絮狀，含有復(fù)雜的鐵礦物；耦合生物除磷工藝條件下形成的附著物主要為非晶態(tài)物，較密實(shí)且易附著微生物。對(duì)比實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：微生物作用會(huì)促進(jìn)附著層的非晶化，并增強(qiáng)催化鐵表面結(jié)合有機(jī)物的能力；曝氣可加速催化鐵表面物質(zhì)更新；厭氧條件有利于微生物的附著生長(zhǎng)。

5 結(jié)語(yǔ)

盡管催化鐵-生物處理耦合技術(shù)經(jīng)過(guò)同濟(jì)大學(xué)相關(guān)課題組的不斷鉆研和實(shí)踐在廢水處理方面得到了長(zhǎng)足發(fā)展，但是由于國(guó)內(nèi)的催化鐵研究尚處于起步階段，在一些方面還存在著不足。

a）機(jī)理研究還需進(jìn)一步細(xì)化。催化鐵在不同生物耦合段的反應(yīng)機(jī)理及其作用需具體化；同一個(gè)耦合過(guò)程隨反應(yīng)進(jìn)行的機(jī)理變化、主導(dǎo)因素、微生物的影響等都有待進(jìn)一步的研究，從而揭示全部的反應(yīng)路徑，達(dá)到調(diào)控反應(yīng)路徑使處理效果最優(yōu)化的目的。

b）催化鐵-生物處理耦合技術(shù)還需大量的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，通過(guò)對(duì)實(shí)際工業(yè)廢水的處理以及其他物質(zhì)條件的干擾研究，進(jìn)一步說(shuō)明技術(shù)的有效性和穩(wěn)定性。

c）催化鐵的鈍化及使用后催化鐵的后續(xù)處理問題尚待研究。

d）應(yīng)拓展應(yīng)用領(lǐng)域。在傳統(tǒng)工藝（如A2/O、生物接觸氧化池等）及新型工藝（如BCFS、生物膜反應(yīng)器等）中使用催化鐵-生物處理耦合技術(shù)，并研究出有針對(duì)性的操作工藝條件；同時(shí)，應(yīng)在生活污水、面源徑流污染和垃圾滲濾液污染等治理領(lǐng)域中進(jìn)行催化鐵-生物處理耦合技術(shù)的實(shí)踐。

生物處理的工藝很多，催化鐵在生物反應(yīng)器中的機(jī)理還需深入研究。同時(shí)，催化鐵協(xié)同生物技術(shù)處理廢水的新工藝的工作原理也要重新確定，要制定出以新的工作原理為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)指導(dǎo)方針，從而得出有效可靠的工藝運(yùn)行方案。對(duì)新工藝的效用也要進(jìn)行對(duì)比研究，弄清不同反應(yīng)器在何種環(huán)境下處理效果最好。這就需要研究者以數(shù)學(xué)模型作為輔

助工具更深入地理解催化鐵生物反應(yīng)器的原理，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)催化鐵生物反應(yīng)器的有效控制和優(yōu)化運(yùn)行。對(duì)于催化鐵-生物處理耦合技術(shù)而言，考察在實(shí)際應(yīng)用中的影響因素、完善催化鐵的后續(xù)處理、深入分析反應(yīng)機(jī)理及可控路徑、探索與不同處理工藝的兼容性、提高長(zhǎng)期運(yùn)行的穩(wěn)定性等是今后需重點(diǎn)關(guān)注的研究?jī)?nèi)容。

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（編輯 魏京華）

Mechanism and research progresses of catalyzed iron internal electrolysis-biological treatment coupling technology

Wang Jinxi1，Ma Luming2，Wang Yajun3
（1.School of Chemical Engineering，Lanzhou University of Arts and Science，Lanzhou Gansu 730000，China；2.State Key Laboratory of Pollution Control and Resource Reuse，Tongji University，Shanghai 200092，China；3.School of Civil Engineering，Lanzhou University of Technology，Lanzhou Gansu 730050，China）

The catalyzed iron internal electrolysis technology（catalyzed iron technology for short）is a new wastewater treatment technology，which is independently developed by the National Engineering Research Center for Urban Pollution Control of Tongji University.The mechanism of catalyzed iron-biological treatment coupling technology is introduced，the research progresses of the technology in recent years are summarized，and the present problems and development trend of the technology are pointed out.For catalyzed iron-biological treatment coupling technology，the concerns in future will focus on some research contents，such as：investigating the infl uence factors in practical application，improving and perfecting the subsequent processing of catalyzed iron，deeply analyzing the mechanism and controllable paths of the reaction，exploring the compatibility between catalytic iron and different treatment processes，increasing the stability of long-term operation，and so on.

catalyzed iron；biological treatment；coupling technology；mechanism；research progress

X703.1

A

1006-1878（2016）02-0137-06

10.3969/j.issn.1006-1878.2016.02.004

2015-10-12；

2016-01-23。

王進(jìn)喜（1981—），女，甘肅省蘭州市人，碩士，副教授，電話 13893626541，電郵 wjxwjx1999@163.com。

“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2013BAC01B01）；甘肅省高等學(xué)校科研項(xiàng)目（2014B-110）。