Пирит

Aug 31, 2023

npj Чистая вода, том 6, Артикул: 59 (2023) Цитировать эту статью

67 доступов

Подробности о метриках

Нитратное и микробное загрязнение подземных вод может произойти в странах, которые сталкиваются с интенсивной урбанизацией и неадекватными санитарными условиями. Когда грунтовые воды являются основным источником питьевой воды, как это часто бывает в таких странах, необходимость удаления этих загрязнителей становится острой. Здесь предлагается сочетание двух технологий: биологического этапа денитрификации и электрохимического этапа обеззараживания грунтовых вод, тем самым направленного на снижение химического воздействия и воздействия на очистку подземных вод. Таким образом, был построен реактор с псевдоожиженным слоем на основе пирита (P-FBR) для автотрофной денитрификации загрязненных подземных вод. Сточные воды P-FBR дезинфицировали в электрохимической ячейке с помощью электрогенерированного Cl2. Нитраты удалялись с эффективностью 79% из исходных 178 мг NO3-л-1 при средней скорости денитрификации 171 мг NO3-л-1 в сутки и времени гидравлического удерживания (HRT) 18 часов. Электрохимическая установка достигла 3,8-логарифмического снижения общего количества колиформ при плотности заряда 41,7 А·ч·м3.

Подземные воды являются основным источником питьевой воды в странах с низкими доходами, особенно в странах к югу от Сахары, где доля сельскохозяйственного и промышленного секторов невелика, а также в таких странах, как Ирландия и Великобритания, где эти сектора в основном питаются дождевыми водами1,2 . Основными факторами ухудшения качества грунтовых вод являются плохие санитарно-технические сооружения, неконтролируемый сброс загрязненных очищенных бытовых и промышленных сточных вод, животноводство с неконтролируемым разбрасыванием навоза и интенсивные работы по внесению удобрений. Местные условия могут усилить загрязнение подземных вод, например, уязвимые водоносные горизонты и усиление экстремальных погодных условий1,3,4,5.

Повышенные концентрации нитратов (NO3-), хлоридов (Cl-), а также такие микробные индикаторы, как фекальные и общие колиформы (ОК), позволяют предположить антропогенное загрязнение подземных вод. Концентрации нитратов, достигающие 500 мг NO3-л-1, были зарегистрированы в пригородных районах стран с низким уровнем дохода, а также 300 мг Cl-л-1 и 2 log КОЕ на 100 мл-1 Escherichia coli (E. coli). и 4 log КОЕ в 100 мл-1 TC4,5,6. Концентрации сильно различаются в зависимости от местных геологических условий и источника загрязнения. В качестве способа борьбы с заболеваниями, передающимися через воду, ВОЗ установила максимальный уровень 50 мг NO3-л-1 и 0 КОЕ на 100 мл-1 для ОХ в питьевой воде7.

Подземные воды бедны содержанием органических веществ, поэтому традиционные схемы очистки, включая гетеротрофную денитрификацию, не являются финансово устойчивыми. Одним из вариантов является целенаправленная денитрификация автотрофных подземных вод с помощью доноров электронов, таких как газообразный водород (H2), элементарная сера (S0), сульфид (HS-), тиосульфат (S2O32-), двухвалентное железо (Fe2+) или даже пирит (FeS2)8. 9. Согласно соответствующим стехиометрическим уравнениям, способности денитрификации варьируются от 2,5 г NO3--N г-1 е- донора для H2 до 0,05 и 0,1 г NO3--N г-1 е- донора для восстановленного железа (Fe2+ и Fe0)9, 10. Денитрификация, вызванная пиритом, происходит естественным образом в водоносных горизонтах11,12,13,14, а окисление FeS2 сочетается с микробным восстановлением NO3- до газообразного азота (N2) со стехиометрическим соотношением 3 моль NO3:1 моль FeS2, что сопровождается образованием 2 моль SO42. − 12,15. Кроме того, FeS2 использовался при очистке сточных вод с низким содержанием C/N16,17, а также при денитрификации грунтовых вод, в основном при бутылочных испытаниях18,19. Пирит – это вездесущий недорогой минерал, который часто встречается в качестве отходов горнодобывающей деятельности20. Кроме того, во время денитрификации FeS2 поддерживается примерно нейтральный уровень pH, что приводит к минимизации химических затрат на этот процесс17,18.

Помимо денитрификации, необходимы этапы очистки для обеспечения безопасной питьевой или поливной воды, поскольку микробная нагрузка денитрифицированных сточных вод не позволяет напрямую потреблять или повторно использовать21. На сегодняшний день для очистки сточных вод при очистке воды используется несколько методов дезинфекции, а для повторного использования питьевой воды обычно предпочтительнее химическое окисление с помощью свободного хлора, озона (O3) или УФ-излучения22. Тем не менее, ведется поиск альтернативных методов дезинфекции, обеспечивающих независимость процесса очистки от химикатов и сетей, включая электрохимическую дезинфекцию, также называемую электрохлорированием, когда вырабатываемым химическим агентом является свободный хлор23. При электрохлорировании ионы хлорида (Cl-), естественно содержащиеся в грунтовых водах, окисляются до хлора (Cl2) на поверхности электрода, когда к источнику постоянного тока применяется внешний источник энергии24,25. Образующийся Cl2 смешивается с основным электролитом и подвергается гидролизу, образуя два мощных дезинфицирующих средства: хлорноватистой кислоты (HOCl) и гипохлорит (OCl-). Соотношение этих двух определяется раствором pH26,27. Электрохимическая дезинфекция была протестирована для непосредственной очистки грунтовых или ирригационных вод, загрязненных болезнетворными микроорганизмами28,29,30, а также в качестве этапа очистки сточных вод биореакторов27,31. Эффективность дезинфекции будет зависеть от материала анода, концентрации Cl- в электролите, pH, а также от содержания органических веществ и аммиака в обрабатываемой воде22.