污泥生物沥浸中多环芳烃的降解:生物成因次生矿物催化的类Fenton作用机制及其调控

Although bioleaching treatment of sewage sludge can effetively remove heavy metals from sludge and enhance the sludge dewaterability, organic polluants such as PAHs can hardly be removed or degraded in such processes. This project focuses on inverstigating the degradation of PAHs in bioleached sludge through Fenton-like reaction catalyzed by secondary Fe minerals, including schwertmannite and jarosite, which are formed during sludge bioleaching process. The influence of sludge DOM and monovalent cations on the formation of schwertmannite and jarosite during sludge bioleaching process will be investigated. In addition, mechanisms responsible for the degradation of PAHs by Fenton-like reaction catalyzed by schwertmannite and jarosite will be investigated, respectively, and PAHs degradation in such heterogeneous Fenton-like system and homogeneous Fenton-like system catalyzed by Fe3+ will be compared to elucidate their different degradation mechanisms. After investigating the potential change of sludge sorbing sites for PAHs during bioleaching treatment, the feasibility of regulating the formation of secondary Fe minerals in sludge bioleaching system through supplementing monovalent cations and/or adjusting sludge DOM concentration will be studied. Furthermore, the possibility of enhancing the degradation of PAHs in bioleached sludge through Fenton-like reaction catalyzed by the formed secondary Fe minerals will be explored. Results of this project are meaningful for waste sludge treatment and utilization and ensuring the safety of land applicatin of bioleached sludge in the lights of bioleaching research and engineering practices.

生物沥浸处理可以有效去除污泥中重金属并提高污泥的脱水性能，但污泥中的有机污染物（如多环芳烃）在该处理过程难以得到很好的降解或去除。本项目拟从污泥生物沥浸体系中含铁次生矿物生成的影响因素入手，研究污泥DOM及一价阳离子在污泥生物沥浸过程中对次生矿物生成的影响机制；研究施氏矿物和黄铁矾催化的类Fenton反应降解PAHs的反应条件，阐明两种次生矿物催化的类Fenton反应对PAHs降解的反应机理；并探究非均相类Fenton反应和均相类Fenton反应对PAHs降解的差异及其原因。在明晰污泥生物沥浸过程中PAHs在污泥中的吸附位点变化的基础上，探讨通过添加一价阳离子和改变污泥DOM调控生物沥浸体系中次生矿物的生成，从而利用其催化的类Fenton反应降解沥浸污泥中PAHs的应用可行性。研究结果对于污泥的无害化与资源化利用、保证沥浸污泥土地利用的安全性都具有极其重要的学术意义和工程实用价值。

本项目研究了污泥生物沥浸体系中含铁次生矿物催化的类Fenton反应去除PAHs的机制及其应用可行性。研究发现，污泥生物沥浸体系中施氏矿物和黄铁矾两种含铁次生矿物的生成受DOM浓度和一价阳离子浓度（K+、Na+、NH4+）的控制，污泥DOM和一价阳离子浓度的升高有利于施氏矿物的生成同时可抑制黄铁矾的生成。生物成因施氏矿物具有较好的类Fenton催化活性，当施氏矿物投加量为1 g/L，H2O2浓度为200 mg/L，菲浓度为1 mg/L，反应体系初始pH为3.0-4.5时，菲可在3~5 h内被降解99.0%以上。施氏矿物-H2O2体系催化降解PAHs主要通过表面反应机制进行，在反应初期，施氏矿物迅速将PAHs吸附在其表面，随后H2O2在矿物表面被催化产生•OH，•OH攻击吸附在矿物表面的PAHs，将其降解为小分子有机物，进而完全矿化成CO2和H2O。生物成因施氏矿物和黄钾铁矾催化类Fenton反应降解有机污染物的过程均由明显的诱导期（慢速反应期）和反应期（快速反应期）构成。施氏矿物催化的类Fenton反应具有较短的诱导期和高的反应速率，但其催化反应的体系pH较窄（3.0-4.5），而黄钾铁矾催化的类Fenton反应能够在pH 3.0-7.5条件下进行，但其诱导期长且反应速率较低。生物沥浸调理耦合类Fenton反应降解污泥中PAHs时，最佳H2O2投加浓度为6 g/L，最佳反应时间为3 h。在最佳条件下，生物沥浸调理耦合类Fenton反应对PAHs的降解率达到最高（44.5%），但此时PAHs残留量仍高于污泥土地利用标准。其主要原因在于污泥体系中的TOM和DOM可以消耗•OH降低PAHs的去除率。然而，研究发现生物沥浸调理可以通过改变污泥絮体的相对疏水性和污泥颗粒粒径提高PAHs的生物有效性。由于PAHs生物有效性的大幅提高，生物沥浸污泥好氧堆肥处理过程可降解高达76.4%的PAHs，实现污泥中PAHs的有效去除。因此，尽管污泥生物沥浸体系中含铁次生矿物催化的类Fenton反应去除PAHs存在H2O2投加量大、降解效率相对较低的缺陷，但生物沥浸调理联合好氧堆肥可有效去除污泥中的PAHs。该研究为污泥中PAHs的去除提供了全新的思路，对于污泥的无害化与资源化利用、保证沥浸污泥土地利用的安全性都具有重要意义。