无机离子对氨氧化的影响及用于填埋场渗滤液处理的电化学氧化过程的生命周期评估

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Influence of inorganic ions on ammonia oxidation and life cycle assessment of electrochemical oxidation process for landfill leachate treatment

垃圾渗滤液电化学氧化处理中阴离子对氨氮去除的影响及生命周期评估研究。采用石墨/PbO?阳极进行批次实验，发现硫酸根促进氮气生成，碳酸根/氢碳酸盐抑制硝酸盐形成。ANN建模优化处理参数，LCA显示能耗占环境负荷主导。提出AI建模降低能耗，结合可再生能源实现SDG 6目标。

　　这项研究探讨了电化学氧化技术在垃圾填埋场渗滤液处理中的应用，重点分析了不同无机离子对氨去除过程的影响，并通过生命周期分析（LCA）评估了该技术的环境影响。研究团队由来自印度比尔拉理工学院（Birla Institute of Technology and Science, Pilani）的多位科学家组成，他们在环境工程领域有着丰富的经验，并致力于可持续发展目标（SDG 6）的实现。通过实验和人工智能建模的结合，研究者不仅揭示了电化学氧化过程中的关键机制，还为优化该技术提供了新的思路。

垃圾填埋场渗滤液是一种复杂的废水，含有难以降解的有机化合物和氨氮，这些污染物如果未经处理直接排放，会对水体和土壤环境造成严重污染。随着城市和工业的快速发展，固体废弃物的产生量持续增加，使得垃圾填埋成为主流的废物处理方式之一。然而，填埋过程中产生的渗滤液具有高度的污染性，其成分因垃圾的年龄和填埋场的操作条件而变化，使得处理变得复杂。传统处理技术如生物处理、混凝沉淀、吸附、膜过滤和空气吹脱等，在处理老化渗滤液时效果有限，主要原因是其低生物可降解性以及含有生物难以降解的污染物。此外，这些技术在实际应用中还面临高污泥产量和操作复杂性等问题，进一步限制了其适用性，因此，探索替代处理技术变得尤为重要。

近年来，电化学氧化技术因其在不同操作条件下对化学需氧量（COD）和氨氮去除的高效性，逐渐成为垃圾填埋场渗滤液处理的一种潜在选择。电极材料在电化学氧化系统中起着决定性作用，不同的电极材料会影响系统的性能和反应效率。例如，钛基铂-钌-铱氧化物（Ti/Pt-RuO?-IrO?）和钌基铱-钛（Ru/IR-Ti）阳极已被用于有效处理渗滤液。然而，在众多电极材料中，石墨/二氧化铅（graphite/PbO?）电极因其高氧析出过电位、化学稳定性、成本效益以及易于通过电沉积制备等优势，表现出良好的应用前景。此外，近年来的研究表明，在含氯离子的废水中，氯介导的反应路径在氨氧化过程中起着主导作用，能够将氨转化为硝酸盐或氮气。然而，氯胺的形成可能会降低氨的氧化速率，因为氯胺的氧化电位低于氯。

在实验过程中，研究者采用批处理模式，通过调整硫酸盐、硝酸盐、碳酸盐和碳酸氢盐等离子的浓度，分析它们对氨去除过程的影响。实验结果表明，在较低浓度下，碳酸盐和碳酸氢盐会抑制硝酸盐的形成，而在较高浓度下，这些离子则通过抑制次氯酸（HOCl）的生成，促进硝酸盐的形成。同时，硫酸盐离子在氨去除过程中被观察到能够增加氮气的生成。这表明，不同无机离子在电化学氧化过程中具有不同的作用机制，可能对污染物的转化路径产生重要影响。

为了更全面地理解这些离子对氨去除过程的影响，研究者采用了人工智能建模技术，特别是基于贝叶斯正则化的神经网络（ANN）模型。该模型用于模拟氨去除过程，并预测去除效率。通过将实验数据与模型预测结果进行对比，研究者能够更准确地掌握不同离子对电化学氧化过程的调控作用。同时，模型还帮助识别了影响氨去除的关键操作参数，如反应时间、电流密度和电极间距等，为优化处理过程提供了理论依据。

除了实验研究，研究团队还进行了生命周期分析（LCA），以评估电化学氧化技术在垃圾填埋场渗滤液处理中的环境影响。LCA是一种系统性评估方法，能够分析材料使用、能源消耗、废物生成和排放等环节对环境的影响。研究者采用IMPACT 2002+方法进行LCA，发现电力消耗是该技术环境足迹的主要贡献因素，其次是电极的制造过程。这表明，虽然电化学氧化技术在处理渗滤液方面具有较高的效率，但其环境表现很大程度上依赖于能源的使用情况。因此，降低能源消耗对于提升该技术的环境友好性至关重要。

为了实现这一目标，研究者提出了通过人工智能技术优化操作参数的方法，以减少电化学氧化过程中的能源需求。同时，LCA研究还指出，将可再生能源纳入电化学氧化技术的运行体系，可以显著改善其长期可持续性，从而更好地满足SDG 6的目标。这表明，通过技术改进和能源策略的调整，电化学氧化技术不仅能够有效处理垃圾填埋场渗滤液，还能够在环境影响方面取得显著进步。

研究中使用的化学试剂均为分析级高纯度试剂，包括硝酸铅（Pb(NO?)?，≥98.5%）、盐酸（HCl，35%）、硝酸（HNO?，69%）、十二烷基硫酸钠（C??H??OSO?ONa，≥90%）、氯化铵（NH?Cl，≥99%）、硫酸钠（Na?SO?，≥98%）、碳酸钠（Na?CO?，≥99%）、硝酸钠（NaNO?，≥99%）、氯化钠（NaCl，≥99%）、碳酸氢钠（NaHCO?，≥99%）和氢氧化钠（NaOH，≥97%），这些试剂均购自印度的Merck公司。在实验过程中，研究者采用了高纯度的实验条件，以确保实验数据的准确性和可靠性。

在控制实验中，研究者没有添加其他阴离子，仅使用氯离子作为电解质。实验条件基于图1中所描述的参数进行操作。在氯介导的电化学氧化过程中，当氯离子从电解质中被吸附到二氧化铅阳极上时，会生成氯自由基（Eq. 3）。随后，氯自由基与附近存在的氯离子（Cl?）发生反应，生成氯（Eq. 4）。这一过程不仅影响了氨的氧化效率，还对氮气和硝酸盐的生成产生了关键作用。因此，氯离子的浓度在电化学氧化过程中具有重要的调控作用。

通过上述研究，团队不仅揭示了不同无机离子对氨去除过程的影响，还为电化学氧化技术的优化和应用提供了科学依据。同时，研究者强调，电化学氧化技术的环境表现不仅取决于其处理效率，还与能源消耗密切相关。因此，减少能源使用、采用可再生能源以及通过人工智能技术优化操作参数，是提升该技术可持续性的关键途径。这些发现对于推动环保技术的发展、实现可持续发展目标具有重要意义。