DeSelenator：一种用于燃煤电厂废水环境去污的硒去除工艺

《ACS Environmental Au》：DeSelenator: A Se-Removal Process for Environmental Decontamination of Wastewaters from Coal-Burning Power Plants

本文提出了一种名为DeSelenator的硒去除技术，通过苯胺双亚氨基胍（BBIG）与硫酸根/硒酸根共结晶，结合离子交换树脂和活性炭吸附，将燃煤电厂废水中的硒浓度降至5 ppb以下，达到EPA排放标准。该技术成本效益与现有生物法相当，但资本投入更低，更具灵活性。

　　硒是一种在地壳中含量丰富的元素，广泛存在于碳酸盐和磷酸盐岩石、火山土壤、沉积物以及煤炭等环境中。随着人类活动的增加，例如采矿、燃煤发电和石油精炼，硒可能通过工业废水进入淡水系统，从而成为潜在的有毒污染物。因此，开发一种高效且经济可行的硒去除技术，将废水中的硒浓度降至监管排放标准以下，具有重要的环境意义。本研究提出了一种名为DeSelenator的新技术，用于从燃煤电厂产生的废水中去除硒，特别是以硒酸盐（SeO?2?）形式存在的硒。该技术通过结合高浓度硫酸盐与硒酸盐的协同结晶过程，有效实现了对硒的去除。

DeSelenator技术的核心在于利用硫酸盐与硒酸盐之间的相似性，以及它们与一种名为苯并双咪唑甘胺（BBIG）的阳离子在水中的反应特性。BBIG是一种特殊的有机配体，能够在水溶液中与硒酸盐形成极其不溶的盐，其溶解度极低，与硫酸钡（BaSO?）相当。在实际废水处理中，由于硫酸盐的浓度远高于硒酸盐，这种协同结晶过程能够高效地将硒酸盐从废水中去除，同时不会影响硫酸盐的去除效率。通过这种技术，实验表明废水中超过90%的硫和硒被去除。在去除沉淀物后，剩余的废水经过离子交换树脂和活性炭的进一步处理，最终将硒浓度降低至美国环境保护署（EPA）规定的淡水排放标准——5 ppb（即5微克/升）。该技术不仅能够有效去除硒，还能够回收BBIG配体，实现循环利用，从而减少对环境的二次污染。

在实验室阶段，该技术首先在小型试验装置中进行了优化，随后在田纳西流域管理局（TVA）的Bull Run燃煤电厂的实际废水中进行了测试。这一过程涉及多个步骤：首先，将BBIG配体加入废水中，促使硒酸盐与硫酸盐共同结晶形成不溶性固体；其次，通过过滤分离出沉淀物，再利用离子交换树脂进一步去除残留的硒；最后，通过活性炭柱去除残留的BBIG配体，确保处理后的水达到排放标准。在实验室测试中，不同量的BBIG配体被加入废水以测试其去除效率，结果表明，使用略多于硫酸盐的BBIG配体能够实现更高的硒去除率，但同时也会导致处理水中残留的BBIG配体浓度增加。为了减少BBIG对水生生态系统的潜在危害，实验还评估了其毒性，并发现当BBIG浓度超过4.70 μM（即1.67 ppm）时会对水生生物产生负面影响。因此，研究团队通过优化BBIG的使用量，结合活性炭吸附技术，成功将残留的BBIG浓度降低至安全范围以下，同时保持了较高的硒去除效率。

进一步的实验表明，通过优化整个处理流程，DeSelenator技术能够实现对废水中的硫和硒的高效去除。例如，在5 L的废水中，使用0.95摩尔当量的BBIG配体，能够去除约87.2%的硫和90.4%的硒。随后，处理后的水经过活性炭吸附和离子交换树脂处理，最终将硒浓度降至5.7 ppb，满足EPA的排放标准。此外，处理过程中形成的BBIG-硫酸盐/硒酸盐固体可以进一步通过碱性条件下的处理，将其转化为游离的BBIG，并通过酸性条件重新生成BBIG的氯化盐，实现配体的循环利用。这一过程的回收效率达到了约90.7%，表明DeSelenator不仅具备高效去除硒的能力，还具有良好的资源回收潜力。

为了评估该技术的经济可行性，研究团队还进行了技术经济分析（TEA）。分析结果表明，DeSelenator的处理成本与当前被视为先进硒去除技术的活性生物方法（ABMet）相当，均为每千升废水约16美元。然而，DeSelenator在资本成本方面具有明显优势，其设备安装成本仅为ABMet的四分之一左右。这一特点使得DeSelenator在实际应用中更具灵活性和可扩展性，尤其适用于那些没有专门硒处理单元的传统废水处理系统。此外，由于DeSelenator处理后的废水可以达到排放标准，且处理过程中产生的硒可以以不溶性固体的形式回收，因此该技术还具备潜在的经济优势。例如，如果将去除的硒以固体形式进行填埋处理，可以避免硒对土壤的二次污染，但这种做法的成本会增加，因为需要额外购买新的BBIG材料。

DeSelenator技术的优势不仅体现在其高效的硒去除能力上，还在于其操作的简便性和对不同条件的适应性。由于其核心过程是基于物理化学反应，而不是复杂的生物过程，因此该技术对操作人员的技能要求较低，维护成本也相对较少。此外，该技术能够在不同规模的废水处理系统中应用，无论是小型实验室处理还是大型工业废水处理，都具有良好的可扩展性。这种灵活性对于不同行业或同一行业内部不同设施的废水处理尤为重要，因为这些废水的成分、流量和硒含量可能随时间和环境条件的变化而波动。

在实际应用中，DeSelenator技术的每个步骤都经过优化，以确保在不同条件下都能保持高效的硒去除效果。例如，在实验室测试中，BBIG配体的添加量被调整至既能实现高去除率，又不会导致过量的BBIG残留。通过与活性炭的结合使用，可以进一步降低处理水中BBIG的浓度，使其达到安全排放标准。同时，离子交换树脂的使用能够有效去除残留的硒，即使在存在大量竞争性离子（如硫酸盐）的情况下，也能实现对硒的高效去除。这一过程的成功不仅依赖于BBIG的高效结晶能力，还与后续处理步骤的协同作用密切相关。

DeSelenator技术的另一个重要优势是其对环境的友好性。与传统的生物处理方法相比，该技术不需要依赖特定的微生物群体，因此在处理过程中不会产生额外的生物污染风险。此外，处理后的废水可以安全排放，而去除的硒则以不溶性固体的形式存在，避免了其在环境中进一步扩散的可能性。这种固体形式的硒还可以通过填埋处理，进一步降低对环境的潜在影响。然而，由于填埋处理需要额外的BBIG材料投入，因此在经济成本上会有所增加。尽管如此，该技术的总体成本仍然与ABMet相当，且其较低的资本成本和较高的灵活性使其在实际应用中具有更大的优势。

从环境和经济角度来看，DeSelenator技术提供了一种全新的解决方案，能够有效解决燃煤电厂等工业废水中硒污染的问题。与现有的技术相比，它不仅能够实现高效的硒去除，还能够实现BBIG配体的回收和再利用，从而降低长期运营成本。此外，其操作过程简单，维护需求低，适合在多种废水处理系统中应用。这种技术的出现，为工业废水处理领域提供了一种更具可持续性和经济性的选择，有助于减少硒对水体和生态系统的污染风险，同时降低处理成本，提高废水处理的效率和可操作性。

综上所述，DeSelenator技术是一种创新的硒去除方法，结合了物理化学处理的优势，实现了高效、低成本、可扩展和环保的废水处理目标。通过实验室和现场测试的验证，该技术已被证明在实际应用中具有可行性。其低资本成本和高操作灵活性，使其在工业废水处理领域具备广泛的应用前景。同时，BBIG配体的回收和再利用，也进一步提升了该技术的可持续性。未来，随着对BBIG再生过程的进一步优化，DeSelenator有望成为一种更加经济高效的硒去除技术，为解决工业废水中的硒污染问题提供新的思路和方法。