【摘 要】
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蚀刻液末端废水(etching terminal wastewater,ETW)是蚀刻液工业废水经絮凝、离子交换等工艺处理后产生的废水,仍含有多种重金属如Cu(II)、Ni(II)和Zn(II)、以及多种难降解有机物。随着污染减排和出水排放标准的日益严格,寻找有效方法降解ETW中难降解有机物同步回收和分离有价金属,具有重要的环境和生态、以及社会意义。结合光助生物电化学系统(bioelectroch
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蚀刻液末端废水(etching terminal wastewater,ETW)是蚀刻液工业废水经絮凝、离子交换等工艺处理后产生的废水,仍含有多种重金属如Cu(II)、Ni(II)和Zn(II)、以及多种难降解有机物。随着污染减排和出水排放标准的日益严格,寻找有效方法降解ETW中难降解有机物同步回收和分离有价金属,具有重要的环境和生态、以及社会意义。结合光助生物电化学系统(bioelectrochemical systems,BESs)的最新研究进展,本研究通过分别构建序批式光助BESs、自驱动光助BESs的不同单元模式反应器,成功实现了ETW中难降解有机物的矿化同步回收和分离多种重金属,出水达到国家排放标准(GB39731-2020)。主要结论如下:(1)以分别回收ETW中Cu、Ni和Zn同步矿化难降解有机物为目标的微生物燃料电池(MFCCu)、微生物电解池(MECNi)和微生物电解池(MECZn)构建的光助序批式BESs,在水力停留时间(HRT)为6 h、非曝气条件下,经该系统处理后最终出水Cu(II)、Ni(II)、Zn(II)和难降解有机物总去除率分别为94.6±4.3%、100±0.0%、98.4±4.0%和70.5±4.8%。开路和无光对照结果表明,回路电流和光照在有机物矿化中具有协同作用,回路电流对重金属的去除起主要作用。自由基捕获实验结果表明,氧化活性物种(˙OH、O2˙-、H2O2和?+)对有机物矿化起着重要作用。SEM-EDS、XRD佐证了MFCCu、MECNi和MECZn电极上不同金属物种和含量、以及晶型的存在。(2)在MFC驱动MEC的自驱动光助BESs系统中,以回收Cu为主的两个MFCCu串联后驱动一个回收Ni和Zn的MECNi+Zn构建而成的MFCCu-MFCCu-MECNi+Zn,在HRT为6 h条件下,系统对金属和COD的去除性能最优:MFCCu对Cu(II)的去除率为69.1±7.0%,MECNi+Zn对Ni(II)和Zn(II)的去除率分别为64.9±2.0%和75.7±7.9%;MFCCu和MECNi+Zn对难降解有机物的矿化率分别为38.2±1.0%和29.9±0.4%。该自驱动光助BESs出水Cu(II)、Ni(II)、Zn(II)和难降解有机物的总去除率分别为98.6±0.6%、100±0.1%、86.0±7.4%和67.9±0.3%。对照实验结果表明,光照促进难降解有机物和重金属的去除,分别是无光对照的1.2–3.3倍和4.1倍。XPS结果表明,MFCCu阴极主要沉积Cu(0)(73%)和Cu(II)(27%),MECNi+Zn阴极上主要为Ni(0)(69%)和Ni(II)(31%),而MECNi+Zn单元底部完全沉积为Zn(OH)2(100%)。光助自驱动BESs彻底处理实际ETW的同时,副产的电能为0.030 k Wh/m~3废水,是无光对照(0.022 k Wh/m~3废水)的1.4倍。综上,本研究提供了一种清洁有效处理ETW同步分离回收重金属副产清洁能源的方法,为处理ETW并副产清洁能源提供了初步尝试和有效借鉴。
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