利用铁功能化木质纤维素生物炭的类Fenton催化湿式过氧化系统处理垃圾填埋场渗滤液的新型应用

《Journal of Water Process Engineering》：Novel application of a Fenton-like CWPO system using iron-functionalized lignocellulosic biochar for landfill leachate treatment

　　

•由松树废弃物合成的工程化铁-生物炭纳米复合材料
•Fe-BC（1:1）展现出最佳的COD和TOC去除性能
•响应面法（RSM）优化在温和条件下实现了97.98%的COD去除率
•高活性归因于均匀的Fe?分散和低聚集性
•经济高效、可重复使用的催化剂，适用于可持续渗滤液处理

**引言**

垃圾填埋是全球范围内最普遍、操作效率最高且应用最广泛的城市固体废弃物处理方式[1]。由于生活条件改善、技术进步、工业增长和人口增长等因素，全球范围内的废弃物产生量显著增加。这些变化给有效的废弃物管理带来了重大挑战[2]、[3]。在南非，垃圾填埋仍然是主要的废弃物处置方式，被视为一种可接受的管理选项。目前，约90%的废弃物被填埋处置，仅10%得到回收[4]。此外，无论是发达国家还是发展中国家，垃圾填埋仍然是最具成本效益的废弃物管理方法之一[5]。垃圾填埋渗滤液是渗透穿过填埋场的液体，由于其含有复杂的有机和无机污染物组成，构成了重大环境风险[6]。其管理和处理是关键的环境挑战，因为它含有高浓度的氨、重金属、有机物以及各种异源化合物[7]。这些污染物因其高度稳定、持久、有毒，并在环境中产生生物积累，因此在人类和动物的整个生命周期中对其构成重大风险[8]。这是由于它们能够进入生态系统，通过食物链积累在人类和动物的肝脏和肾脏中，可能导致甲状腺疾病、肺功能失调以及肝、肾、膀胱和睾丸癌症。此外，其生物积累与对免疫系统、生殖系统和生物体整体生长的有害影响相关[9]。

据国际估计，城市固体废弃物（MSW）填埋场每年大约产生3000万吨渗滤液[10]。生物处理、混凝-絮凝和高级氧化技术（AOPs）是传统的处理方法；然而，由于渗滤液的可变性和难降解特性，这些方法往往难以有效处理。催化湿式过氧化法（CWPO）已成为降解渗滤液中持久性有机污染物的一种有前景的技术[11]、[12]、[13]。CWPO涉及使用过氧化氢（H?O?）和催化剂来产生高反应性的羟基自由基（·OH），它们可以非选择性地氧化广泛类型的有机污染物。催化剂的类型起着至关重要的作用，因为它们在活化H?O?和污染物降解方式方面起决定性作用，因此CWPO受这些因素强烈影响[14]。在本研究中，催化剂是铁（Fe）功能化处理的生物炭（BC）纳米材料[15]。BC经活化和功能化后可获得更大的比表面积和丰富的化学活性官能团，因此在各种化学过程中表现出卓越的催化作用，作为催化剂、催化剂载体和吸附剂/吸附介质[16]，为铁提供了理想的支撑基质，确保催化剂的有效分散和稳定化。当BC经化学处理并用铁功能化时，可以用作CWPO过程中的有效催化剂[17]。近年来，研究人员广泛探索了改性BC用于废水处理，寻求升级木质纤维素生物炭（L-BC）的物理和化学性质[18]。通过吸附、氧化、还原和催化转化等机制，铁改性L-BC因其铁（Fe）的天然丰富性、低毒性和环境相容性，以及其在消除广泛有机和无机污染物方面的高效性而受到显著关注[18]。对Fe-BC催化剂与先前报道的废水处理用铁基碳催化剂的催化性能进行了全面比较，包括催化剂组成、操作条件、污染物去除效率和催化性能，如表S8（支持信息）所示。本研究采用木质纤维素BC，其来源于松树锯末——一种富含纤维素、半纤维素和木质素的林业生物质，这支持了结构稳定且多孔的基质，适合金属功能化。BC在900°C下合成，随后用铁掺杂形成经化学处理的BC。该催化剂表现出异常高的比表面积（SSA）和多孔性，两者均通过热解预处理和铁活化得到显著增强。Fe的引入增强了微孔发育，从而提高了BC材料的吸附性能[19]。利用这些特性，本研究旨在首次展示芬顿类CWPO方法的应用，该方法采用由松树锯末衍生的铁功能化经化学处理的木质纤维素BC，用于处理垃圾填埋渗滤液。尽管类似材料在其他废水处理应用中已获得大量关注，但本研究专门揭示了它们在解决渗滤液复杂且难降解性质方面的成功，从而在渗滤液修复领域开辟了一条新型处理途径。观察到的结果旨在为该方法的效率、可行性和可扩展性提供有价值的见解。使用铁功能化BC纳米复合材料进行催化处理垃圾填埋渗滤液，与常规方法相比，代表了一种有前景的替代方案，为减轻环境污染和支持资源回收目标提供了可持续、高效且具有成本效益的解决方案。

**节选部分**

**锯末和废水样本采集**

松树锯末由位于南非德班布莱克本的埃奇科姆花园站花园废弃物设施提供。BC的前驱体为松树锯末，选择它是由于其木质纤维素组成。垃圾填埋渗滤液样本取自南非夸祖鲁-纳塔尔的一个市政填埋场，图1(a)，并在?2°C的受控冷库环境中保存，以减少分析前的进一步降解。

**化学和物理——垃圾填埋渗滤液理化特性**

垃圾填埋渗滤液的分析显示，水质特征与通常在活跃或相对年轻的填埋场中观察到的特征一致。如表S1所示，渗滤液含有高浓度的有机污染物，化学需氧量（COD）为5950 mg/L，总有机碳（TOC）为1984 mg/L，氨为8.77 mg/L。COD和TOC值较高，表明渗滤液内有机废弃物的微生物和化学分解仍在持续进行。

**操作参数优化**

使用响应面法（RSM）框架下的中心复合设计（CCD）对Fe-BC复合材料的反应参数进行了优化，以实现最大COD和TOC去除率。最佳操作条件使用Design-Expert?软件（版本X；State-Ease Inc.，明尼阿波利斯，明尼苏达州，美国）确定。所选自变量范围如表1所示，而实际的和CCD预测的操作条件完整集合以及……

**方差分析（ANOVA）**

采用ANOVA评估所建立模型的统计显著性，并全面分析实验数据。它还支持通过三维响应面图可视化的过程变量与响应输出之间相互作用的图形评估。为确认优化参数的可靠性，在预测的最佳条件下进行了额外的验证实验。为确认更大的模型适用性，……

**催化剂用量和氧化剂用量**

催化剂和氧化剂（H?O?）的用量是表面介导的异相芬顿类催化反应中的关键因素，因为它们通过H?O?的分解影响反应性羟基自由基（·OH）的生成。在该机制中，BC上表面结合的Fe(II)物种活化H?O?，在催化剂-溶液界面产生活性氧物种（ROS），同时吸附将污染物富集在活性位点附近[68]。这些自由基对于有机物的氧化降解至关重要。

**催化剂回收率和清除剂研究**

通过五个连续的COD降解循环评估了Fe-BC（1:1）催化剂的可重复使用性，在最佳操作条件下进行（即催化剂用量850 mg/L，H?O?用量250 mM，pH 8，温度55°C），如图7(a, b)所示。催化剂在第一个循环中表现出优异的催化活性，实现了98.76%的COD去除率。第一循环后，催化剂被再生并随后用于接下来的连续循环——第二、第三、第四和……

**处理过程的经济评估**

为支持本研究的全面实施，进行了初步的经济评估，以估算使用最有效的纳米材料（NM）处理垃圾填埋渗滤液废水所涉及的操作成本。经济分析考虑了运营费用、吸附过程中所需的试剂、Fe-BC合成中的化学试剂以及能源消耗。处理后的废水成本以（R/m3）表示，基于实验……

**结论**

本研究首次报道了基于铁功能化经化学处理的木质纤维素生物炭（来源于松树锯末）的芬顿类CWPO系统用于垃圾填埋渗滤液的处理。尽管铁改性BC催化剂已在其他废水处理应用中得到了广泛研究，但它们被整合到CWPO中用于垃圾填埋渗滤液修复此前尚未被探索。垃圾填埋渗滤液的典型特征是复杂的，主要CRediT作者贡献声明：Tina Kenneth：撰写——初稿，方法论，调查，形式分析，数据管理，概念构思。Riona Indhur：撰写——审阅与编辑，监督，方法论，调查，数据管理，概念构思。Arvind Kumar：撰写——审阅与编辑，监督，方法论，形式分析，数据管理，概念构思。Moeti Kgware：撰写——审阅与编辑，监督。Sheena Kumari：撰写——审阅与编辑，监督，概念构思。

**生成式AI和AI辅助技术在写作过程中的声明**

在准备本作品期间，作者使用了OpenAI以提供语言润色和语法编辑。在使用该工具/服务后，作者根据需要审阅和编辑了内容，并对发表文章的内容承担全部责任。

**利益冲突声明**

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：Sheena Kumari教授有一项待审专利#2026/02983，归属德班理工大学。如有其他作者，他们声明没有已知的可能影响本文所报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

**致谢**

作者感谢水资源委员会提供的财政支持（拨款编号：C2023/2024-01321）。

Tina Kenneth | Riona Indhur | Arvind Kumar | Moeti Kgware | Sheena Kumari