《Journal of Water Process Engineering》：A hybrid electrocoagulation and filtration system using waste Fe scrap for enhancing organic matter recovery and biogas production from wastewater
编辑推荐：
•h-EC/F系统同时使用废弃的铁屑作为电极和过滤介质。•RSM确定最佳运行条件为6.01 V和1.72小时。•含有铁的污泥能够持续产生甲烷，产量为4 kg-VS/m3/天。•Methanosarcina thermophila在AD-EC/F系统中的相对丰度高于AD-PS系统。
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h-EC/F系统同时使用废弃的铁屑作为电极和过滤介质。
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RSM确定最佳运行条件为6.01 V和1.72小时。
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含有铁的污泥能够持续产生甲烷，产量为4 kg-VS/m3/天。
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Methanosarcina thermophila在AD-EC/F系统中的相对丰度高于AD-PS系统。
引言
最近，全球对碳中和的关注使污水处理厂（WWTPs）的运作模式从简单的污染物去除转变为水资源回收设施。传统上耗能较高的污水处理厂现在需要最大化地回收废水中的化学能量[1],[2]。为此，在初级处理阶段专注于有机物的回收至关重要。化学强化初级处理（CEPT）因其能够同时回收颗粒态和溶解态有机物而受到广泛关注，从而减少后续生物处理的有机负荷，并为沼气生产提供碳源[3]。
然而，CEPT污泥的下游价值取决于其所回收的有机物数量及其是否适合进行厌氧消化（AD）。比较不同的初级处理方法后发现，虽然碳捕获量增加，但并不一定意味着更高的生化甲烷潜力（BMP），这突显了回收有机物成分的重要性[4]。铁（Fe）与有机物之间的相互作用也会影响基质的可利用性。实验表明，化学强化初级沉淀处理的污泥中，铁的转化和有机结合铁会影响水解和酸生成过程[5]。最近的研究将铁的回收和再利用与侧流厌氧膜生物反应器（AnMBR）相结合，这种方法可以在减少新鲜混凝剂需求的同时将捕获的有机物转化为甲烷[6]。侧流AnMBR还被用于消化全规模污水处理厂的化学富集污水和CEPT污泥，进一步证明了从化学捕获的有机物中回收甲烷的潜力[7],[8]。因此，应从有机物回收和后续甲烷转化两个方面来评估初级处理的效果。
电凝聚（EC）通过牺牲电极的电化学溶解提供了一种替代的混凝剂供应方式。将其与固体分离结合使用，可以回收有机物以供后续的厌氧消化（AD）利用。例如，使用铁电极的EC-浮选方法在粪便污泥消化过程中提高了甲烷产量，这表明了将电化学固体回收与厌氧能量回收相结合的潜力[9]。这些发现推动了基于EC的初级处理系统的发展，这些系统能够同时评估处理效果和回收污泥的消化特性。
然而，EC在实际污水处理厂中的应用面临工程和成本障碍。为了处理大量每日产生的废水，持续使用商业高纯度电极（主要是铁和铝板）会产生较高的运营成本。此外，这些专用金属板的制造需要大量的能源输入，并会产生大量的碳排放，这与碳中和的总体目标相悖。最近的研究提出使用废金属作为牺牲电极，以提高EC系统的可行性。这种方法降低了运营成本，同时为金属废物建立了可持续的回收途径[10],[11]。例如，废弃的铁屑和机械加工厂产生的切屑已被证明能在低成本下高效去除多种污染物[12],[13]。然而，EC过程中形成的絮体通常需要专门的沉淀池和额外的絮凝剂辅助才能有效沉淀[14]。因此，能够直接捕获悬浮絮体的技术可以通过减少或消除对大型沉淀设施的需求来显著提高工艺经济效益。
在这种背景下，结合EC和物理过滤的混合系统引起了人们的兴趣，因为它们将污染物凝聚与固体分离相结合。这类系统已被用于从矿井水中去除重金属以及从城市废水中去除有机污染物[14],[15]。当这些系统旨在进行资源回收时，回收污泥的特性和后续利用方式也非常重要。对于使用废弃铁屑作为电极和过滤介质的配置，需要综合评估有机物的回收情况、污泥的甲烷潜力以及后续的厌氧消化性能。
为了解决这一需求，本研究开发了一种混合EC和过滤（h-EC/F）系统，该系统在同一反应器内同时使用废弃铁屑作为电极和过滤介质。通过考虑污染物去除和回收污泥的特性来优化运行条件。然后进行了批次厌氧消化（AD）测试以评估甲烷潜力，随后在逐渐增加的有机负荷率（OLRs）下进行连续厌氧消化实验，以评估甲烷产量和工艺稳定性。本研究的新颖之处在于同时将废弃铁屑作为电极和过滤介质使用，并对有机物回收情况进行综合评估，随后进行批次和连续厌氧消化。所提出的方法通过再利用废弃铁屑和从初级污泥中回收能量，支持了资源导向的废水处理方式的发展。
章节摘要
生活废水收集及其特性
生活废水取自韩国光州的一家当地污水处理厂。样本迅速被运送到实验室并在4°C下储存以待分析，所有分析在48小时内完成。生活废水的特性在表1中总结。
h-EC/F系统的设置和运行
所提出的h-EC/F系统包括一个圆柱形亚克力反应器（工作体积：15 L，高度：80 cm，内径：17 cm），其中填充了尺寸为1–2 cm的废弃铁屑：
污染物去除
图1展示了在循环批次模式下运行的h-EC/F反应器在不同电压和EC时间下的性能。残留铁浓度随着施加电压的变化而变化（图1a）。在0 V时，观察到少量的残留铁，这主要是由于铁屑的自发化学腐蚀而非电化学反应[22]。在施加电压的条件下，残留铁浓度通常会下降。
结论
本研究表明，基于废弃铁屑的h-EC/F系统显著提高了初级废水处理效果和后续的厌氧消化效果。h-EC/F系统回收了有机物，且回收的污泥具有比传统初级污泥更高的生化甲烷潜力（BMP）。在连续运行过程中，即使在高达4 kg-VS/m3/天的有机负荷率下，AD-EC/F反应器也表现出更强的稳定性和甲烷产量，而传统的AD-PS反应器则因严重的有机酸问题而出现工艺故障
CRediT作者贡献声明
Sangyeol Jo：写作——审阅与编辑，原始草稿撰写，方法论设计，数据收集与分析。Rahul Kadam：写作——审阅与编辑，数据可视化，数据分析。Seokjun Ko：写作——审阅与编辑，数据可视化，数据分析。Seonjin Roh：写作——审阅与编辑，数据可视化，数据分析。Jungyu Park：写作——审阅与编辑，监督工作，资源协调，项目管理，资金获取，概念构思。
资金支持
本研究得到了韩国国家研究基金会（NRF）通过基础科学研究计划（Basic Science Research Program）的支持，该计划由教育部（Ministry of Education）资助（项目编号：RS-2024-00412886）。此外，本研究还得到了光州ANCHOR中心（Gwangju ANCHOR Center）通过ANCHOR计划的支持，该计划由教育部（MOE）和韩国全南广域市（Jeonnam-Gwangju Special Metropolitan City）共同资助（项目编号：2026-ANCHOR(Glocal University30)-05-013）。
利益冲突声明
作者声明他们没有可能影响本文研究的财务利益或个人关系。
Sangyeol Jo|Rahul Kadam|Seokjun Ko|Seonjin Roh|Jungyu Park
