正渗透耦合三维电极一体化反应器协同增效去除污水中PPCPs的效能、途径及机理

Due to the occurrence of pharmaceuticals and personal care products (PPCPs) in the environment and the potential risk, the need to control the discharge of PPCPs into the environment is urgent. Using forward osmosis (FO) process to remove PPCPs from wastewater for achievement of sewage reuse is a research hotspot recently. However, the disposal of PPCPs in the final FO concentrate is still an issue needed to be solved in this process. Therefore, based on our previous research, and in consideration of the similar structure of FO filter and plug-flow electrolytic cell for electrochemical oxidation (EO), the integration of FO and EO with three-dimensional electrodes into one reactor is proposed to address the issue of PPCPs disposal in the FO process. Rejecting and degrading PPCPs simultaneously is anticipated in this reactor, and synergistic effect is expected according to the property of the two processes. In brief, the construction of the new reactor in a bench-scale is the first step to start this research. Then, 12 PPCPs will be selected as target pollutants to study the efficiencies of simultaneous rejection and degradation of PPCPs in the reactor with synthetic wastewater. Furthermore, synergistic effect between FO and EO, removal pathways of PPCPs and mechanism of PPCPs degradation will be studied. At last, actual wastewater will be used to test the performance of this reactor. This research project aims to provide a new method which can achieve simultaneous rejection and degradation of PPCPs in effluent from wastewater treatment plants, thus reducing their discharge into the environment.

针对药物与个人护理品（PPCPs）的污染形势与减排需求，采用正渗透（FO）技术去除污水中PPCPs同时实现污水再生是近年兴起的热点课题，而该方法亟待解决的问题之一是FO浓缩液中PPCPs的处置。为此，申请人基于已有的研究基础，利用正渗透过滤器与推流式电解池结构的相似性，拟构筑正渗透耦合三维电极一体化反应器来实现污水处理厂二级出水中PPCPs的同步截留与降解处理，并借助二者结合可能产生的协同增效效应提高处理性能，该反应器将有效解决FO浓缩液中PPCPs的处置问题。本项目拟首先构筑一体化反应器小试装置，研究其对模拟污水中12种PPCPs的同步截留与降解效能，然后探索正渗透与三维电极电化学氧化之间存在的协同效应及机制，揭示PPCPs的去除途径与降解机理，最后综合评估其处理实际污水的效能。本项目的研究成果有望为污水处理厂出水的PPCPs减排提供一种可将污染物高效截留且充分降解的新方法。

传统污水处理工艺不能有效去除污水中的PPCPs，故探索能高效去除污水中PPCPs的技术成为近年兴起的热点课题，正渗透膜过滤（FO）技术是其中之一，然而该技术亟待解决的问题之一是FO浓缩液中PPCPs的处置。本项目对此开展了研究，利用FO膜过滤器与推流式电解池在结构上的相似性，构建了正渗透-电化学一体化反应器，研究了该反应器对PPCPs的截留与降解效果、反应器优化、PPCPs去除协同效应及机理等。结果表明，正渗透-二维电极电化学（FO-2DEO）反应器对污水中15种目标PPCPs在电流密度J=1.0 mA/cm2时的降解率均大于94%，截留率均大于95%，但总有机碳（TOC）的去除率较低（16%）。因此，本研究通过构建正渗透-三维电极电化学（FO-3DEO）反应器进一步优化之。在成功制备Sn-Sb-Bi/γ-Al2O3改性粒子后，将其作为粒子电极应用于FO-3DEO反应器，在J=1.0 mA/cm2时，其对目标PPCPs的降解率均大于95%，总截留率均大于99%，且TOC去除率为31%，均高于同条件下FO-2DEO反应器的去除率。研究还发现，FO-3DEO反应器去除PPCPs的协同效应体现在：电化学氧化作用提高了FO膜对PPCPs的截留率，同时FO膜过滤过程也有助于电化学氧化降解PPCPs。其机制是：电化学氧化作用对PPCPs的有效降解减少了其向汲取液中的传输量，从而提高了截留率，同时FO过程中从汲取液反向渗透进入原料液的Cl-可被电化学氧化作用转化为Cl2、HClO或ClO-等活性氯，进而协助降解PPCPs，提高降解率。此外，研究发现Sn-Sb-Bi/γ-Al2O3粒子的添加能够有效提高·OH的产量，从而提高氧化降解目标污染物的效率，这是FO-3DEO反应器去除PPCPs的主要机理之一。最后，FO-3DEO反应器对实际污水处理厂二级出水中的PPCPs去除效果良好（处理后低于检测限），且TOC去除率为37%。本研究通过构建并优化FO-3DEO反应器，实现了对污水中PPCPs的同步截留与降解，解决了FO膜过滤处理PPCPs时浓缩液中污染物的处置问题。本研究的成果有望为污水处理厂出水中PPCPs等新兴有机污染物高效去除提供一种新方法，这对实现PPCPs减排及减小PPCPs的环境危害具有一定意义。