铁功能化生物炭在跑道池反应器中用于城市污水处理厂出水的四级处理研究

为解决城市污水处理厂(MWWTP)出水中微污染物难以去除的问题，研究人员创新性地利用铁功能化生物炭(FeBC)作为非均相催化剂，在跑道池反应器(RPRs)中开展太阳能光芬顿(SPF)工艺研究。结果表明，FeBC在连续流模式下对目标污染物啶虫脒(ACTM)的去除率达94%，降解率达88%，显著优于原始生物炭(RBC)。该研究为城市污水深度处理提供了高效、可持续的技术方案。

　　

随着全球水资源短缺问题日益严峻，城市污水处理厂(MWWTP)出水中残留的微污染物成为威胁生态环境和公共健康的重要隐患。这类被称为新兴关注污染物(CECs)的物质，包括农药、药物和个人护理品等，因其高生物累积性和毒性备受关注。欧盟最新颁布的《城市污水处理指令》(UE 2024/3019)对污水深度处理提出了更严格要求，亟需开发高效的四级处理技术。

意大利萨莱诺大学(University of Salerno)的研究团队创新性地将铁功能化生物炭(FeBC)应用于太阳能光芬顿(SPF)工艺，在跑道池反应器(RPRs)中实现了对典型新烟碱类农药啶虫脒(ACTM)的高效降解。这项发表在《Journal of Environmental Management》的研究，为解决城市污水深度处理难题提供了新思路。

研究人员采用动态氮吸附(BET)、X射线衍射(XRD)和傅里叶变换红外光谱(FTIR)对材料进行表征，通过批次和连续流实验评估处理效能，并利用高效液相色谱(UPLC)分析污染物降解情况。实验使用西班牙"El Toyo"污水处理厂的二级出水作为真实水样，以100 μg/L ACTM为目标污染物。

材料表征揭示功能化机制

XRD分析显示FeBC在26°、48°等处出现赤铁矿(Fe₂O₃)特征峰，FTIR谱图中575 cm^-1处的Fe-O振动峰证实了铁的成功负载。BET测试表明FeBC比表面积达855 m²/g，较原始生物炭(RBC)提高40%，为污染物吸附和催化反应提供了更多活性位点。

批次实验展现协同效应

在含150 mg/L H₂O₂的模拟水样中，FeBC光芬顿系统60分钟内实现56%的ACTM降解，显著高于黑暗条件下的Fenton-like反应(50%)。值得注意的是，铁浸出浓度始终低于1 mg/L，证实了催化剂的稳定性。真实污水实验中，尽管溶解性有机物消耗部分羟基自由基(•OH)，系统仍保持50%的降解效率。

连续流模式验证工程潜力

在5 cm深的RPR中，优化条件(2.7 g/L铁负载、50 mg/L H₂O₂、60分钟水力停留时间HRT)下，ACTM降解率达88%。将HRT缩短至30分钟虽使降解率降至76%，但处理能力从4.0提升至6.9 mg ACTM/m²·h，展现了工艺的灵活性和规模化应用前景。

这项研究证实FeBC作为非均相催化剂可有效克服传统芬顿工艺需酸性环境的限制，在近中性pH条件下实现高效降解。其创新性在于将生物炭的吸附特性与铁催化活性相结合，通过"吸附-氧化协同"机制提升处理效率。该技术不仅符合欧盟最新污水处理标准，其太阳能驱动特性更彰显了环境友好优势，为城市污水深度处理提供了可持续解决方案。未来研究可进一步探索催化剂再生和复杂水质适应性等工程化问题。