铁活化污泥基生物炭/过一硫酸盐降解城市污水中的新兴污染物：与臭氧氧化工艺的比较研究

研究人员采用铁改性污泥基生物炭（Fe-SBC）与过一硫酸盐（PMS）联用体系，评估其在黑暗及自然光照条件下对三种典型新兴污染物（卡马西平、双氯芬酸、磺胺甲恶唑）的去除性能，并与传统四期处理技术——臭氧氧化进行比较。表征结果显示，Fe颗粒成功负载于生物炭表面，但其比表面积由原始生物炭的44.5 m2/g降至5.2 m2/g。在去离子水中，Fe-SBC/PMS体系在太阳光照射下仅需15 分钟即可实现目标污染物80%的降解，优于臭氧氧化所需的30 分钟；自由基淬灭实验证实羟基自由基（HO•）为主要活性物种。柱式半连续实验表明，在真实城市污水中，Fe-SBC/PMS（5.0 g/0.5 mM）在120 分钟内可实现总新兴污染物约80%的去除率，而臭氧氧化在相同水质中仅需90 分钟即可达到相近去除水平。尽管在复杂水质中臭氧氧化效率更高，Fe-SBC/PMS体系仍具潜力，尤其适用于小型污水处理厂，并可推动污泥资源化与循环经济政策的落实。

随着城市化进程加快，城市水体中新污染物（Contaminants of Emerging Concern, CECs）污染问题日益突出。这类物质包括药品、个人护理品、农药等，即使在低浓度下也可能对水生生态系统和人类健康产生潜在危害。传统污水处理厂（WWTPs）通常未针对此类污染物设计去除单元，导致其成为进入水环境的重要源头。欧盟最新修订的《城市污水处理指令》提出引入四期处理（quaternary treatment）作为深度处理环节，以实现对目标CECs的有效控制。当前最佳可行技术（BATs）主要包括臭氧氧化和活性炭吸附，但二者均存在局限：臭氧氧化能耗高，可能产生有毒副产物；活性炭吸附无法同步消毒，需要额外工艺支持。因此，开发低能耗、高效率且可持续的深度处理技术成为迫切需求。

本研究由意大利萨莱诺大学土木工程系水科学与技术团队完成，发表于《Separation and Purification Technology》。研究人员以市政污水厂脱水污泥为原料制备原始污泥基生物炭（SBC），并通过铁改性获得铁负载型生物炭（Fe-SBC）。结合过一硫酸盐（PMS）构建Fe-SBC/PMS体系，分别在去离子水和真实城市二级出水条件下，考察其对三种欧盟指令列管典型CECs——卡马西平（CBZ）、双氯芬酸（DCF）、磺胺甲恶唑（SMX）——的去除性能，并与臭氧氧化工艺进行对比。

主要技术方法

研究人员从意大利南部萨莱诺市污水处理厂采集脱水污泥，经热解制备SBC，并以氯化铁溶液浸渍法制备Fe-SBC。材料表征采用扫描电子显微镜（SEM）、能量色散谱（EDS）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线衍射（XRD）和比表面积分析（BET）。CECs降解实验分别在批次搅拌反应器和柱式半连续反应器中进行，涵盖黑暗与自然阳光条件，并使用甲醇、叔丁醇、叠氮化钠进行自由基淬灭实验以识别主要活性物种。臭氧氧化实验在相同水质与反应器构型下进行，以固定剂量臭氧（0.456 mg/min）比较处理效率。所有水样经0.45 μm滤膜过滤后，用超高效液相色谱（UHPLC）定量CECs浓度。

研究结果

3.1 材料表征

SEM与EDS结果显示Fe颗粒均匀分布于Fe-SBC表面，BET分析显示其比表面积显著下降，孔隙体积减少，平均孔径增大。XRD与FTIR证实了Fe₂O₃和Fe₃O₄晶相的存在，以及表面官能团的变化，表明铁改性成功。

3.2 批次反应器测试

黑暗条件下，Fe-SBC/PMS对CECs的去除率高于单独SBC/PMS及单独PMS；当Fe-SBC投加量由0.5 g/L增至1.0 g/L时，去除率反而下降，归因于过量铁引发的自由基自淬灭效应。太阳光条件下，Fe-SBC/PMS在较低投加量即可在30 分钟内完全去除CECs，且反应速率随Fe-SBC剂量增加而加快。淬灭实验表明HO^•为主要活性物种，单线态氧（¹O₂）贡献较小。

3.3 柱式半连续实验

在真实城市污水中，Fe-SBC/PMS在120 分钟内可实现80%以上的CECs去除，提高PMS剂量可进一步缩短达标时间，且无铁溶出。

3.4 臭氧氧化比较

去离子水中，臭氧氧化可在30 分钟内完全去除CECs；真实城市污水中则需120 分钟达到近完全去除。动力学分析显示，真实水质中速率常数降低约五倍，主要受无机离子与溶解性有机物竞争影响。与Fe-SBC/PMS相比，臭氧氧化在复杂水质中效率更高，主要依赖分子臭氧的直接选择性氧化。

讨论与结论

研究表明，Fe-SBC/PMS体系在去离子水中表现优异，光照条件下可与臭氧氧化效率相当；但在真实城市污水中，臭氧氧化整体更快。Fe-SBC/PMS的优势在于可利用太阳能、实现污泥资源化并降低运行能耗，适合小型污水处理厂；而臭氧氧化则更适合对处理速度要求更高的中型及大型污水处理厂。研究建议进一步优化Fe-SBC表面性质以提升催化性能，为实际工程应用奠定基础。