马铃薯皮集成生物精炼厂设计用于琥珀酸和生物乙醇的生产：技术经济与环境分析

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Potato Peel Integrated Biorefinery design for Succinic acid and Bioethanol production: Technoeconomic and environmental analysis.

硝酸盐和盐分同步去除；三室生物电化学系统优化；产氯消毒副产物；水力停留时间调控；Achromobacter主导阴极微生物群落

　　

赛义德梅赫迪·侯赛尼（Seyedmehdi Hosseini）|亚历山德拉·卡鲁奇（Alessandra Carucci）|埃莱娜·坦布里尼（Elena Tamburini）|纳尔西斯·波乌斯（Narcís Pous）|塞巴斯蒂亚·普伊格（Sebastià Puig）|斯特凡诺·米利亚（Stefano Milia）

卡利亚里大学土木与环境工程与建筑系，意大利卡利亚里市马伦戈路2号（Via Marengo 2），邮编09123

摘要

地下水受到硝酸盐和盐分的污染对健康构成了严重威胁，影响了人们获取安全饮用水的途径。本研究克服了以往电生物修复研究的主要局限性，实现了硝酸盐和盐分的同步去除，满足了饮用水标准的要求，同时还能现场生成氯气作为消毒剂。通过对多个关键操作参数（如电流密度（j）、阳极/阴极面积比（A/C）和阳极水力配置）的系统评估，确定了能够最大化污染物去除率和氯气回收率的最佳条件。在最佳条件下（j = 2.4 A m?2，A/C = 0.6:1，采用批量操作的阳极），该系统实现了硝酸盐的完全去除，并将电导率降低到了饮用水标准以下，且能耗较低（SECv = 1.42±0.02 kWh m?3 treated water）。使用实际受污染的地下水对结果进行验证，证实了该系统的可行性和可靠性，填补了以往概念验证研究中的关键空白。通过缩短水力停留时间（从7小时减少到5小时），硝酸盐去除率提高了44%（从100.2±1.9 mgNO??N L?1 d?1提高到144.6±0.5 mgNO??N L?1 d?1），同时电导率也有所降低（从1.53±0.05 kWh m?3 treated water降低到1.17±0.04 kWh m?3 treated water），但氯气回收率略有下降（从30.7±2.3 g m?3 treated water降低到20.1±2.3 g m?3 treated water）。微生物群落分析显示，在合成水和实际水中，Achromobacter在生物阴极膜中占主导地位，这表明其在不同条件下对阴极反硝化过程的贡献。这些发现代表了可持续地下水修复领域的重大进展，为成本效益高的规模化应用和资源回收整合提供了支持。

引言

水资源短缺是全球面临的主要挑战之一，其原因包括人口快速增长、气候变化和环境退化[1][2]。尽管地球上水资源丰富，但淡水占比不到3%[3][4]，其中超过97%来自地下水[5]，因此地下水对许多地区的饮用水供应至关重要[6]。然而，地下水的质量正受到自然和人为污染物的日益威胁[7][8][9]。 在常见的污染物中，硝酸盐（NO??）由于农业活动（如过度灌溉、化肥和粪肥的过度施用）、渗滤液泄漏以及废水渗透而进入地下水[10][11]。饮用水中的硝酸盐与严重的健康问题有关，例如蓝婴综合症（高铁血红蛋白血症）、甲状腺疾病和胃癌[12][13]。受硝酸盐污染的地下水通常伴随着盐分升高，尤其是在地中海流域[14]，那里的电导率（EC）值可高达8 mS cm?1[15]。这可能是由于含水层地质特征和人为影响（如不适当的灌溉方法和过度开采含水层导致盐水入侵）所致，这些因素严重影响了地下水的质量，限制了其在饮用水、农业和工业用途中的潜力。此外，高盐度的饮用水与某些危险的健康问题相关，尤其是在妊娠和儿童时期，例如妊娠高血压、流产和婴儿死亡率[16][17]。已经采用了多种技术来去除地下水中的硝酸盐和盐分，如反渗透、纳滤、离子交换和电渗析[18][19]。然而，这些技术通常能耗较高（约为1–2.6 kWh m?3 treated water），并且会产生浓盐水，这可能给这些技术的应用带来挑战[20][21]。因此，开发高效、节能且可持续的同步去除硝酸盐和盐分的方法变得至关重要[22][23]。 由于地下水中有机碳浓度通常较低（一般在0.1–4 mgC L?1范围内），自养反硝化是利用生物过程选择性去除硝酸盐的关键代谢途径[24]。生物电化学系统（BES）作为一种有前景的技术，在修复受硝酸盐污染的地下水方面受到了广泛关注[12]。反硝化BES利用附着在电极表面的电活性微生物（EAMs）的细胞外电子传输（EET）能力，以无机碳为碳源进行自养反硝化[25][26]，有可能将硝酸盐转化为氮气（N?）[27]。微生物电解池（MECs）由生物阴极室和非生物阳极室组成，通过提高硝酸盐去除率并减少中间产物来增强自养硝酸盐去除效果[7][28]。对于盐分去除，使用了微生物脱盐池（MDC），它包含三个室（阳极室、生物阴极室和脱盐室），分别由阴离子交换膜（AEM）和阳离子交换膜（CEM）分隔[29]。在阳极室中，微生物在厌氧条件下氧化废水中的有机化合物，产生二氧化碳、质子（H?）和电子（e?）[30]。然后在中央室中，在阴极和阳极之间存在电荷不平衡的情况下进行脱盐[31]。由于外电子产生微生物引起的电荷波动会降低脱盐效率，因此通过结合MEC和MDC并在阳极和阴极之间施加外部电压，开发了一种改进型的BES[1][32]。先前的研究表明，可以通过外部电源（电位计）施加恒定电流或电位来利用非生物阳极室中的水作为电子供体[22][33][34]。 迄今为止，只有少数研究探索了使用BES同步去除地下水中的硝酸盐和盐分[34][35][36]，但其性能和适用性仍有限。张（Zhang）和安杰利达基（Angelidaki）[36]提出了一种双室微生物脱盐和反硝化池（SMDDC），采用批处理模式处理初始硝酸盐浓度为20 mgNO??N L?1的合成水，分别实现了90%和99%的硝酸盐去除率，电导率降低了约38%（从2.2 mS cm?1降至1.37 mS cm?1）。然而，这种配置需要在外阳极室中添加外部有机碳源（乙酸盐），并且其可扩展性尚未在连续流动或处理实际水的情况下得到验证。最近，普吉奥尼（Puggioni）等人[35]开发了一种三室BES，能够在18小时的水力停留时间（HRT）下实现69%的硝酸盐去除率（39 mgNO??N L?1 d?1）和59%的盐分去除率。后续研究[34]表明，虽然将HRT从30.1小时缩短至2.4小时可以提高硝酸盐去除率（N-RR）至131 mgNO??N L?1 d?1，但脱盐效率显著下降至77%至12%，这突显了过程强化与脱盐性能之间的平衡需求。此外，盐分浓度仍高于饮用水标准，表明需要进一步优化工艺。 为了解决这些主要问题，我们的研究首次证明了在泵送处理（P&T）方法中，使用BES处理实际地下水时可以成功实现低于饮用水标准的硝酸盐和盐分同步去除，并同时生成游离氯气作为现场消毒剂。为此，最初使用合成水系统评估了多个操作参数（包括电流密度（j）、阳极/阴极面积比（A/C）和阳极水力模式），以研究它们对污染物去除率和氯气回收率的综合影响。重要的是，不仅监测了氯气的产生情况，还对其进行了优化，从而实现了循环经济模式。此外，使用实际水验证了最佳条件下的结果，确保了系统的可靠性和在实际应用条件下的适用性。还研究了生物阴极群的组成，并将其与使用合成水时的情况进行了比较。最后，通过缩短水力停留时间（HRT）来探索工艺强化策略，以进一步提高处理能力，同时减少能源和酸的消耗。

反应器设置与操作

反应器设置与操作

BES反应器由聚碳酸酯材料制成，包括一个阳极室（8x8x2 cm3）、一个阴极室（8x8x2 cm3）和一个中央室（8x8x0.5 cm3），具体结构如普吉奥尼等人[34]所述。在阴极室和中央室之间放置了一层面积为64 cm2的阳离子交换膜（CEM 7000-S，Membrane International Inc., USA），在阳极室和中央室之间放置了一层面积为64 cm2的阴离子交换膜（AEM 7001，Membranes International Inc., USA）。

结果与讨论

结果与讨论

测试了不同的操作条件（即电流密度（j）、阳极/阴极面积比（A/C）和阳极水力配置），以改善硝酸盐和盐分的去除效果、氯气生成以及运行成本（包括能源需求和酸消耗）。在A阶段，研究了电流密度（j）对合成水中硝酸盐和盐分去除的影响。在B阶段，改变了阳极的水力操作方式...

结论

本研究首次全面综合评估了影响三室BES性能的关键操作参数，这些参数用于同步去除地下水中的硝酸盐和盐分，并同时回收氯气这种增值化学品。通过系统地评估电流密度、A/C比、阳极水力操作和水力停留时间（HRT），本研究展示了这些参数的协同调节如何提升工艺性能。

资助

本研究是在“下一代撒丁岛创新生态系统”项目（项目编号：ECS 00000038）的框架下进行的，该项目由意大利研究与教育部（MUR）资助，属于国家恢复与韧性计划（NRRP）MISSION 4 COMPONENT 2“从研究到商业”INVESTMENT 1.5“创新生态系统的创建与加强”以及“区域研发领导者”计划的支持下实施，项目编号为CUP F53C22000430001。S.P.是Serra Hunter研究员。

CRediT作者贡献声明

斯特凡诺·米利亚（Stefano Milia）：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、验证、监督、方法论、数据管理、概念构建。 赛义德梅赫迪·侯赛尼（Seyedmehdi Hosseini）：撰写 – 初稿撰写、方法论、研究、数据管理、概念构建。 亚历山德拉·卡鲁奇（Alessandra Carucci）：撰写 – 审稿与编辑、验证、监督、资金筹集、概念构建。 埃莱娜·坦布里尼（Elena Tamburini）：撰写 – 审稿与编辑、验证、方法论、研究、数据管理。 纳尔西斯·波乌斯（Narcís Pous）：撰写 – 审稿...

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

术语表

A/C

阳极/阴极面积比

AEM 阴离子交换膜

ASVs 短序列变异体

BES 生物电化学系统

$C_{{\mathrm{NO}}_3^{?}?N}$

进水中的硝酸盐浓度

$C_{{\mathrm{NO}}_3^{?}?N}$

出水中的硝酸盐浓度

CBD 受控生物阴极反硝化

CC 闭路操作

CEM 阳离子交换膜

EAMs 电活性微生物

EC_{(inf) 中央室进水的电导率}

EC_{(eff) 中央室出水的电导率}

EC-RE 电导率差