铁电絮凝、微滤与吸附联合处理泻湖奶牛场粪污废水

《ACS ES&T Water》：Treatment of Lagoon Dairy Manure Wastewater via Iron Electrocoagulation, Microfiltration, and Adsorption

　　

奶牛场粪污废水源于冲刷牛舍粪便，含有营养物质、病原体以及有机和无机污染物。本研究采用由铁电絮凝（Fe-EC）、微滤（MF）和活性炭（AC）吸附组成的工艺处理农场废水，并探索再生水回用于灌溉和牲畜饮用的可行性。联合EC-MF-AC工艺实现了化学需氧量（COD）、总有机碳（TOC）、磷（P）、浊度和微生物，以及镁、钙、硫和硅等离子的显著去除（>99.9%）。具体而言，在连续流EC配置中施加约37,500 C/L的电荷负荷，随后进行MF，实现了超过95%的TOC和COD去除。通过扫描电子显微镜-能量色散光谱（SEM-EDS）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）对所产生的絮体和泡沫进行表征，证实了包括钙、硫和硅在内的离子被去除。一个关键发现是，通过硝酸盐/亚硝酸盐的中间还原，含氮物种被电催化转化为氨气，这使总氮（TN）去除率达到约60%。AC处理进一步将TN去除率提高至约70%。Fe-EC工艺还灭活了超过99.9%的细菌。基于回收材料制备EC电极的初步工艺成本评估显示，与商业电极相比，可显著节省成本（约2倍）。

全球人口增长和对肉、蛋、奶制品需求的提升，使规模化畜禽养殖（CAFOs）迅速发展。奶牛场采用水冲式清粪产生大量粪污废水，其中含有氮磷等营养物质、病原体及有机和无机污染物。粪污泻湖在强降雨下易发生溢流、渗漏和径流，造成地表水和地下水污染，并释放氨、硫化氢等有害气体，危害周边人群健康。同时，中型奶牛场每年用水量巨大（约53,000 m³ yr^?1），处理并回用废水具有经济和环境双重意义。目前厌氧消化（AD）主要稳定有机物并回收甲烷，但氮、磷在出水中仍然存在，需后续深度处理。铁电絮凝（Fe-EC）因能去除悬浮物、金属离子、硬度和营养物而受到关注，但以往研究缺乏对特定有害物种及其去除机制的系统识别。该研究发表于《ACS ES》，以实际奶牛场泻湖废水为对象，构建Fe-EC、微滤（MF）和活性炭（AC）吸附的集成工艺，探索农业用水回用和资源回收。

研究人员所用废水取自美国田纳西州塞维尔维尔（Sevierville）的一个奶牛场泻湖。初始水质为COD 4270 ± 252.4 mg/L、TOC 1303 ± 51.4 mg/L、TN 897 ± 116.8 mg/L、TP 37.4 ± 1.99 mg/L、TDS 6352 ± 38.9 mg/L、浊度2865 ± 42.4 NTU、电导率9050 ± 105 μS，总细菌约1×10¹⁰ cells/mL。研究人员采用5块Q-235低碳钢电极板（2个阳极、3个阴极）组成连续流循环EC系统，在恒定电流10 A下运行5 h，累积电荷负荷约37,500 C/L。出水经0.2 μm尼龙针头式过滤器模拟MF分离，随后用1、2、5和10 wt% AC振荡吸附90 min。水质测定采用HACH方法（COD 8000法、TOC 10173法、TN 10072法等），金属离子用电感耦合等离子体发射光谱（ICP-OES）测定；絮体和泡沫用扫描电子显微镜-能量色散光谱（SEM-EDS）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）表征；细菌采用涂板法和荧光显微镜计数；并开展初步技术经济分析（TEA）。

主要结果方面，EC操作中电压随运行时间升高，原因是电极表面铁氧化物钝化层和稠密絮体增加了欧姆电阻；阴极产氢和OH^?使pH上升；高电流导致焦耳热使温度近线性升高；硝酸盐/亚硝酸盐在阴极还原生成氨，检测到气态NH₃。污染物去除方面，EC后上清液浊度较原水降低约94%，再经MF去除>98%；高电荷负荷下TDS去除约56%，盐度约60%；Ca、Mg去除约98%，K仅约31%；P、Si、Mn、Zn和S也大量去除，硫酸盐约40%。去除机制包括铁氢氧化物絮体吸附、共沉淀、电中和与卷扫絮凝。AC处理方面，AC不仅去除色度和粪臭味，还将COD和TOC降至约10 ppm，10 wt% AC效果最优。氮物种方面，EC使TN降低约63%，溶解氨（NH₃/NH₄⁺）是主要残留形态；AC后处理使TN再降低约8%，总去除约70%。絮体表征显示，EC絮体主要由Fe（约42.0%）、C（约27.6%）和O（约26.7%）及少量K、Cl、Ca组成，证实离子通过共沉淀和包埋被去除。细菌灭活方面，Fe-EC实现>99.9%细菌去除，归因于物理包埋沉降、电芬顿氧化损伤、焦耳热（最高约70 °C）和缺氧/营养耗竭环境的协同作用。

技术经济分析以60 min EC为基础，假设85%处理水回用、废铁电极和AC/肥料价值抵扣，最佳情景年利润约134,000美元，是使用商用电极（约61,000美元）的约2倍；水回用率是决定经济可行性的关键。讨论与展望指出，该系统可在农场尺度形成循环式粪污管理，回收营养物和水资源；未来可采用空气吹脱进一步除氨，或用镁基电絮凝或加镁盐回收鸟粪石缓释肥，并结合可再生能源和EPA标准优化。结论表明，Fe-EC-MF-AC集成工艺可去除奶牛场粪污废水中>98%的COD和TOC等污染物；EC絮体通过沉淀、包埋和中和去除化学和生物污染物；MF和AC进一步改善出水并消除色臭味；但K和