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高氯酸盐的还原转化:原理和应用

方军华 ,  李若繁 ,  张文军 ,  张伟贤

化学进展 ›› 2024, Vol. 36 ›› Issue (12) :1901-1914

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化学进展 ›› 2024, Vol. 36 ›› Issue (12) :1901-1914 DOI: 10.7536/PC240324
综述
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高氯酸盐的还原转化:原理和应用

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Reductive Transformation of Perchlorate: Fundamentals and Applications

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摘要

高氯酸盐是水中的持久性无机污染物,由于其高溶解性、流动性和稳定性,在环境中很难降解。高氯酸盐的污染已成为全球性的环境挑战,因其在地表水和地下水中的残留物通过各种途径进入食物和饮用水,构成潜在的健康风险。化学和生物方法被广泛研究用于高氯酸盐的去除,每种方法都具有独特的优势和挑战。本文系统总结了近年来去除水中高氯酸盐的化学和生物处理技术的研究进展,详细阐述了这些技术的机理、影响因素和优缺点。化学降解、催化还原和电化学还原是处理高氯酸盐污染的有效方法。有机电子供体如乙酸、甘油、乙醇和甲烷,以及无机电子供体如氢气和元素硫,被广泛应用于高氯酸盐的生物降解过程中。化学方法提供了快速的还原速率和简单的操作,而生物方法则提供了环保的解决方案和长期的可持续性潜力。然而,这两种方法均存在局限性。近年来,研究人员开始探索将化学和生物方法相结合的联合去除技术,以提高高氯酸盐污染物的修复效率。本文综述了吸附-生物法、生物-电化学法和化学还原-生物法三种联合去除技术的研究进展。此外,还探讨了未来研究的方向,包括工程化实施研究、材料和微生物研究、实际应用研究以及高氯酸盐降解机理。

Abstract

Perchlorate, a persistent inorganic pollutant in water, poses a global environmental challenge due to its high solubility, mobility, and stability, making it difficult to degrade in the environment. Contamination by perchlorate has become a worldwide environmental issue, as residues of perchlorate in surface water and groundwater enter food and drinking water through various pathways, posing potential health risks. Chemical and biological methods have been extensively studied for perchlorate removal, each with its unique advantages and challenges. This paper systematically summarizes the recent research progress in chemical and biological treatment technologies for removing perchlorate from water, elaborating on the mechanisms, influencing factors, and advantages and disadvantages of these technologies. Chemical degradation, catalytic reduction, and electrochemical reduction are effective methods for treating perchlorate pollution. Organic electron donors such as acetate, glycerol, ethanol, and methane, as well as inorganic electron donors such as hydrogen and elemental sulfur, are widely used in the biological degradation process of perchlorate. Chemical methods provide rapid reduction rates and convenient implementation, while biological methods offer environmentally friendly solutions and long-term sustainable potential. However, both methods have limitations. In recent years, researchers have begun to explore combined removal techniques that integrate chemical and biological methods to enhance the remediation efficiency of perchlorate pollution. This paper reviews the research progress of three combined removal techniques: adsorption-biological method, bio-electrochemical method, and chemical reduction-biological method. In addition, future research directions are discussed, including engineering implementation studies, materials and microbiology research, practical application studies, and in-depth exploration of perchlorate degradation mechanisms.

Contents

1 Introduction

2 Chemical degradation of perchlorate

2.1 Chemical reduction

2.2 Catalytic reduction

2.3 Electrochemical reduction

3 Biodegradation of perchlorate

3.1 Organic electron donor

3.2 Inorganic electron donor

4 Combined methods for perchlorate degradation

4.1 Adsorption-biological method

4.2 Bio-electrochemical method

4.3 Chemical reduction-biological method

5 Conclusion and Outlook

Graphical abstract

关键词

高氯酸盐 / 化学降解 / 生物降解 / 联合去除技术 / 生物电化学法

Key words

perchlorate / chemical degradation / biodegradation / combined removal technology / bio- electrochemical method

引用本文

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方军华, 李若繁, 张文军, 张伟贤. 高氯酸盐的还原转化:原理和应用[J]. 化学进展, 2024, 36(12): 1901-1914 DOI:10.7536/PC240324
Junhua Fang, Ruofan Li, Wenjun Zhang, Weixian Zhang. Reductive Transformation of Perchlorate: Fundamentals and Applications[J]. Progress in Chemistry, 2024, 36(12): 1901-1914 DOI:10.7536/PC240324

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1 引言

高氯酸盐(perchlorate,ClO4-)是一种广泛应用于烟花爆竹、火箭推进剂和军事爆破等领域的强氧化剂。由于其稳定的化学性质和高溶解性,高氯酸盐一旦释放到环境中,易随水流迁移,并可能转移至土壤和植物中,导致其在环境中长期存在[1⇓-3]。尤其是在烟花爆竹生产和使用过程中,高氯酸盐残留物可通过渗透和径流进入地表水和地下水系统,增加水体中高氯酸盐的浓度[4]。这不仅对环境带来污染压力,还对人类健康构成潜在威胁。

高氯酸盐主要通过抑制机体甲状腺对碘离子(I-)的吸收来危害人体,导致甲状腺激素和三碘甲状腺原氨酸的合成量减少,进而干扰甲状腺的正常功能、代谢和发育,严重时还会对骨髓、肌肉组织产生病变,诱发甲状腺癌,从而危害人类健康[5-6]。早在2005年,美国环境保护署就给出ClO4-参考剂量不能超过15 μg/L[7]。Wu等从中国13个省市的15个地点采集了300个水样,分析结果表明,大部分(86%)水样中检测到高氯酸盐,含量从<0.02到54.4 μg/L[8]。其中湖南省衡阳市水样中高氯酸盐平均浓度最高((36.5±18.2)μg/L),其次是江西省南昌市((4.70±4.62)μg/L),这与两省发达的烟花爆竹产业密不可分。因此,寻求有效方法去除水体中高氯酸盐,对保证饮用水安全和经济发展至关重要。

目前,高氯酸盐废水处理工艺主要集中在物理法、生物法和化学法[9]。物理方法主要包括吸附法、离子交换法和膜分离法[10⇓-12],其中吸附法和离子交换法应用时间较长,工艺相对成熟稳定,膜分离法主要包括电渗析和反渗透两种方法。然而,物理方法只能对污染物进行富集或浓缩,无法实现高氯酸根的形态转化。化学方法涉及使用还原剂或反应物质将高氯酸根离子转化为无害的副产物[13]。这些方法包括化学还原、催化还原和电化学还原。尽管化学方法具有高反应性和多功能性,但它们也面临着电极结垢、能耗和需要连续供应试剂等挑战[14]。生物法利用微生物的代谢能力将高氯酸盐酶促还原成无害的氯离子[15]。厌氧微生物在高氯酸盐生物修复中起着至关重要的作用,它们利用高氯酸盐作为代谢途径中的末端电子受体。生物修复技术,如固定床反应器、生物反应器和生物强化策略,已显示出提高微生物高氯酸盐还原率的前景[16-17]。然而,生物方法可能受限于缓慢的反应速率、对环境条件的敏感性以及对专门微生物群落的需求。

在本综述中,全面探讨了通过化学和生物方法降解高氯酸盐的机理、优点、局限性和最新进展。还讨论了联合方法的协同效应,并强调了提高高氯酸盐修复效率的新兴策略。

2 高氯酸盐的化学降解

高氯酸盐污染在世界范围内造成了严重的环境和健康风险。为了应对这一问题,人们开发了各种化学降解方法来修复被高氯酸盐污染的场地。本文探讨了不同化学降解方法所采用的还原机理,包括化学还原、催化还原和电化学还原过程。

2.1 化学还原

化学还原技术可以将高氯酸盐完全转化为氯化物,就环境影响而言,这是一种环境友好的高氯酸盐去除方法。去除水中ClO4-的反应方程式如式1所示[13]。一些研究人员使用氧化的钛离子来还原高氯酸盐。Park等[18]使用零价钛氧化溶解产生的溶解性Ti(Ⅱ)作为高氯酸盐还原剂(式2)。结果表明,由Ti(0)生成Ti(Ⅱ)需要较低的pH值,酸量随着Ti(0)浓度的增加而增加。动力学数据表明,在较低pH条件下,HCl比H2SO4更有效地促进高氯酸盐降解(图1a、b)。此外,他们研究了Ti(Ⅱ)和Ti(Ⅲ)对高氯酸盐的化学降解[18],发现高氯酸盐的降解速度在F/Ti(0)比为0.5(25 mM KF)时最快。还得出结论,高离子强度不会增强高氯酸盐- Ti(Ⅲ)反应,而酸浓度越高会增强反应[18]。当使用5 mol/L HCl时,高氯酸盐在Ti(Ⅲ)中的降解速率常数是Ti(Ⅱ)中的两倍。

ClO4- + 8H+ + 8e- → Cl- + 4H2O E0=1.287 V
2Ti + 6H+ + 6F-→Ti2+ + TiF62- + 4H2
2Fe0 + 4H+ + O2 → 2Fe2+ + 2H2O
Fe0 + 2H2O → Fe2+ + H2 + 2OH-
ClO4- + 4Fe0 + 8H+ → Cl- + 4Fe2+ + 4H2O

近年来,纳米零价铁(nZVI)颗粒因其较大的比表面积、高反应活性和强还原能力而备受关注,已成功用于去除各种废水污染物(如硝酸盐、硒酸盐、有机染料、芳香族卤化物和重金属污染物)[19-20]。研究表明,nZVI和特别是改性的nZVI表现出优异的高氯酸盐降解率。Cao等[21]研究了nZVI对高氯酸盐的去除,发现nZVI可以在相对较高的反应温度下有效地还原水中的ClO4-。他们的研究结果表明,在75 ℃下,纳米颗粒剂量为10 g/L时,24 h内 ClO4-(初始浓度为200 mg/L)的去除效率可达到近90%。相关研究表明,在酸性条件下向高氯酸盐溶液中添加nZVI后,nZVI颗粒会发生以下反应(式3~5)[22]。

然而,由于nZVI易于团聚和氧化,其稳定性和反应性会大大降低,这限制了其在污染物去除方面的实际应用。包覆型nZVI是将nZVI包覆在高分子材料或表面活性剂上,在保持nZVI高反应活性的同时增强分散性能和抗氧化性能。Xiong等[23]测试了两种不同的稳定nZVI材料(包括淀粉和羧甲基纤维素(CMC)分别包覆的nZVI)用于去除水中或盐水中高氯酸盐的可行性。研究表明,在中等高温(90~95 ℃)下,铁剂量为1.8 g/L时,淡水和模拟IX盐水(NaCl = 6%(w/w))中约90%的高氯酸盐在7 h内被破坏。添加金属催化剂(铝、铜、钴、镍、钯或稀土)未显示出高氯酸盐降解的显著改善。Xie等[22]制备了壳聚糖稳定的nZVI(CS-nZVI)以测试水中高氯酸盐的降解(图1c)。结果表明,CS-nZVI与ZVI和nZVI相比表现出优异的去除率,尤其是在高浓度(200 mg/L)高氯酸盐污染的水中。大多数高氯酸盐可以通过最初的吸附和随后的还原过程还原成氯化物。该研究为高浓度或高盐度污染水体中高氯酸盐的降解提供了一种有效的方法。由于包覆型nZVI具有高分散性和高反应性,其降解高氯酸盐的能力远远优于普通nZVI。

提高温度可以提高ClO4-的分解效率[25]。Hori等[24]研究了加压热水(PHW)对高氯酸盐分解的影响,发现ClO4-在高达300 ℃的纯PHW中几乎没有反应性。同时,向反应系统中添加零价金属可促进ClO4-分解为Cl,其活性顺序为Al <Cu <Zn <Ni ≪Fe。值得一提的是,这种方法在美国已经成功地应用于分解被ClO4-污染的水样。初始浓度为5.22 μmol/L的ClO4-显著降低至(0.03±0.01)μmol/L,即初始浓度的99%被有效地从水中去除(图1d)。Vellanki和Batchelor[26]使用亚硫酸盐/紫外线高级还原工艺来还原高氯酸盐,结果表明,亚硫酸盐/紫外线系统降解高氯酸盐的速度随着pH值、温度和亚硫酸盐浓度的增加而加快。

2.2 催化还原

催化还原技术可以有效降低高氯酸盐还原的活化能(图2a)。例如,在常温常压下,Re-Pd/C可以利用氢作为电子供体,通过化学还原有效转化高氯酸盐水溶液[27]。研究表明,催化剂的活性和稳定性在很大程度上取决于溶液组成和催化剂中的稀土含量。在类似的实验中,研究人员将这些参数与固定在催化剂上的稀土的物种形成和分子结构的变化联系起来,并研究了稀土钯/碳催化剂去除ClO4-的机理(图2b)[28]。使用X射线光谱技术发现稀土在有氧溶液条件下固定为ReⅦ,但在H2喷射诱导的还原性溶液条件下转化为还原的O-配位稀土物质的混合物。在有氧溶液条件下,扩展X射线吸收精细结构分析表明,固定的ReⅦ物种与溶解的四面体高铼酸根(ReO4-)阴离子难以区分,表明催化剂表面存在外球吸附。在还原性溶液条件下,发现了两种稀土元素。在低Re负载(≤重量的1%)下,单体ReI物种与Pd纳米团簇直接接触形成[28]。随着Re负载的增加,物种形成逐渐向氧化ReV团簇转移。确定的Re结构支持ClO4-催化还原的修正机制——涉及奇数价氧代铼物种与H2钯催化解离形成的氧阴离子(Re氧化步骤)和原子氢物种(Re还原步骤)之间的氧原子转移反应。Liu等[29]研究了稀土钯/碳催化剂在高氯酸盐还原工艺中处理废盐水的适用性。在仅含NaCl(重量的6%~12%)的合成盐水中进行的实验显示,Re-Pd/C催化剂的活性高于同等淡水溶液。然而,在实际废盐水中测得的ClO4-还原速率常数比合成NaCl盐水低65倍,这是因为在废盐水中有NO3−,抑制了ClO4-的还原。

Liu等[30]通过将铼络合物ReV(O)(hoz)2Cl (hoz =2-(4,5-二氢噁唑-2-基)苯酚)与Pd0 纳米粒子非共价固定在多孔碳载体上,制备了一种用于在25 ℃下以1 atm H2将惰性水污染物高氯酸盐还原为Cl-的高活性催化剂。像生物氧阴离子还原酶中的钼络合物中心一样,固定的稀土络合物作为ClO4-和ClOx-中间体的氧原子转移的单一位点,而Pd0纳米颗粒提供原子氢还原当量来维持固定的稀土位点的氧化还原循环,取代了维持氧阴离子还原酶中钼中心的更复杂的电子转移步骤链[31]。结果表明hoz配位的ReⅤ和ReⅦ物种之间的氧化还原循环是ClO4-还原的主要催化循环。在还原条件下,大约一半固定的hoz配位ReⅤ进一步还原为ReⅢ,它不会直接与ClO4-反应。一小部分hoz配位的ReⅦ物质可以解离为 ReO4-和游离hoz,然后还原再活化为反应性较低的ReV、ReⅢ和ReⅠ物质的混合物(图2c)。

光催化已成功应用于高氯酸盐的降解[33]。例如,Ye等[34]评估了在紫外条件下,使用铜-二氧化钛/二氧化硅催化剂光催化还原高氯酸盐的情况。结果表明,当Cu2+与TiO2的质量比为1200时,催化剂具有最佳的催化活性。在存在空穴清除剂(柠檬酸,Cit)的情况下,Cl-是ClO4-还原过程中的最终产物,而ClO3-是主要中间产物。然而,在Cit耗尽后,ClO4-浓度增加。然后,Jia等[35]研究了在相同环境条件下使用载银纳米粒子的二氧化钛纳米管阵列(Ag-TNTs)对高氯酸盐水溶液的光电催化还原。研究了银掺杂量、光生电子、光生空穴、羟基自由基、初始pH和外加电压对光电催化还原高氯酸盐的影响,确定了最佳反应条件。结果表明,当Ag与TiO2的质量比为0.84%时,Ag-TNTs具有最佳的光电催化活性。当高氯酸盐的初始浓度为0.001 mM时,在1.5 V的外加电压下,在Cit(0.15 mol/L)存在下反应6 h(368±0.5)K,高氯酸盐的还原效率可达62%。

2.3 电化学还原

氢还原已被证明是一种高效且清洁的去除高氯酸盐的方法[29,36]。然而,高氯酸盐的氢还原需要外部供应氢气,而氢气的运输和使用可能存在危险。为了避免使用外部供应的氢气,电化学制氢被发现是一种合适的方法[37]。电催化氢化发生在电化学反应器中,其中工作电极充当多相催化剂以提高高氯酸盐还原速率[38]。电极不仅是反应场所,还是电子汇,具有化学反应和电子迁移的双重功能。由于直接电子转移的低还原效率,通过催化产生的H*原子通常在高氯酸盐还原过程中起主导作用。过渡金属作为电催化剂占主导地位,已被用作电辅助高氯酸盐还原[39]。利用伏安法、计时电流法和阻抗谱证实了高氯酸根离子可以在铑电极上电化学还原[40]。研究发现还原过程从高氯酸根离子吸附在铑表面的自由活性位点开始。在同一系统中,氯酸根离子的还原速率远高于高氯酸根离子的还原速率。因此,ClO4− → ClO3− 转化是该系统中的决定步骤。在镀铂电极的酸性介质中,也能发生ClO4−离子电化学还原过程[41]。Xu 等[36]使用铼(Re)和钯(Pd)耦合苯扎氯铵(BC)的新型电极。在pH 3.0、厌氧和电流密度20 mA/cm2条件下,ClO4−可被有效还原并完全转化为氯,Re-Pd/BC的还原速率常数为0.9451 L-1·gcat-1(图3a)。

除了贵金属之外,ClO4还原也可以在其他金属电极上发生,例如锝(Tc)、钛(Ti)、钴(Co)、铁(Fe)和锌(Zn)等。在HClO4电解质中沉积Tc物质的过程中,阴极电流随着高强度辐射或沉积的增加而上升,公认的解释是发生了高氯酸盐还原[42]。Wang等[43]研究了通过使用单一高氯酸盐或硝酸盐溶液和共存溶液的间接电化学还原过程去除钛-水界面的高氯酸盐和硝酸盐。结果表明,高氯酸盐和硝酸盐可以同时在以钛作为阳极的表面被还原。这种间接电化学还原的主要最终产物是氯化物或亚硝酸盐,当这两种阴离子共存时,亚硝酸盐的浓度可以忽略不计。与贵金属电极的稳定性质相反,高氯酸盐催化还原发生在非贵金属电极上,在高电位下由阳极腐蚀介导[44-45]。在25 ℃的1 mol/L HClO4溶液中,各种阳极金属上ClO4-转化为Cl-的平均转化率遵循以下顺序:Co > Fe > Zn > Al > Cu[46-47]。

除了金属电极之外,碳材料及其复合材料由于其优异的化学惰性和吸附性能而被选择作为电极材料。Yao等[48]开发了一种双功能电极,通过在掺氮活性炭纤维上负载钯/铂(Pd/Pt-NACF)来降解高氯酸盐。氮官能团在Pd/Pt-NACF表面带正电荷,增强了它们对高氯酸盐的吸附能力。随后,在恒定电流下,吸附的高氯酸盐被Pd/Pt团簇催化产生的H*原子有效地还原成无毒的氯化物。另外,Re-Pd/C在ClO4-的多相催化还原中取得了成功,并已被用作三维电化学反应器中电催化还原高氯酸盐的颗粒电极[36]。结果表明,苯扎氯铵改性的稀土钯共掺杂活性炭能够通过离子交换有效吸附高氯酸盐。H*原子数和电流密度的增加促进了高氯酸盐的电还原,然而溶液中产生的过量氧气会导致Re-Pd金属的失活(图3b)。

3 高氯酸盐的生物降解

在受高氯酸盐污染的水处理方法中,生物还原法因其低成本、高效率和无二次污染而被广泛研究[15,49 -50]。功能微生物利用高氯酸盐作为呼吸链电子受体,在厌氧环境中存在合适的电子供体时,将其还原为氯化物和氧气。这些功能微生物被称为高氯酸盐还原细菌(PRB)[51-52]。在(过)氯酸盐还原酶(pcr)的作用下,高氯酸盐被PRB依次还原为氯酸盐(ClO3-)和亚氯酸盐(ClO2-),并在亚氯酸盐歧化酶(Cld)的催化下二氧化氯被还原为氯化物(Cl-)和分子氧(O2)[53]。PRB被分为自养和异养高氯酸盐还原细菌,分别使用无机和有机电子供体进行分类。常见的有机电子供体包括乙酸盐、甲烷、乙醇、甘油、乙酸和葡萄糖[54-55],而无机电子供体如氢气、零价铁、元素硫和硫代硫酸盐也被使用[56-57]。

3.1 有机电子供体

乙酸是PRB生物还原高氯酸盐最常用的底物之一,它不仅可以作为碳源,还可以作为电子供体,在高氯酸盐还原过程中发挥作用[58-59]。PRB利用乙酸盐作为电子供体,将高氯酸盐逐步还原为Cl- (式6)。Patel等在颗粒活性炭(GAC)基流化床反应器中成功地利用乙酸从合成离子交换卤水中完全还原了高氯酸盐。一些研究表明,乙酸在高氯酸盐还原中表现出更好的性能[55,60]。Lian等[60]比较了乙酸盐、甲醇、葡萄糖、蔗糖和琥珀酸盐对高氯酸盐生物还原的影响。不同的电子供体在10 h内的高氯酸盐还原速率有所不同,具体来说,乙酸盐>琥珀酸盐>蔗糖>甲醇>葡萄糖。相比于其他有机物,由于乙酸盐分子结构较为简单,微生物可以更容易地利用乙酸盐,这使其成为更适合的电子供体(图4a,b)。Azospira sp. KJ, 一种异养性PRB,以乙酸为电子供体时,实现了最大高氯酸盐还原速率[55]。高氯酸盐的还原遵循一级降解动力学,乙酸与高氯酸盐的比率是影响还原速率和效率的关键因素[61]。

为了实现高氯酸盐的完全还原,通常需要提供过量的乙酸,因为它可以减轻水中共污染物硝酸盐对高氯酸盐还原的抑制作用[62-63]。与以往的研究相反,Guan等[64]认为乙酸可能会抑制PRB的生长,但同时他们也指出硝酸盐可以减轻这种抑制,并促进PRB的生长,进一步加速了高氯酸盐的降解速率。然而,过量供应乙酸可能导致生物还原高氯酸盐过程中乙酸的不完全氧化,使得残留的乙酸和发酵代谢物在流出水中引起了较严重的二次有机污染,这实际上是其实际应用中的一个主要缺点[65]。

CH3COOH + ClO4- → Cl- + 2CO2 + 2H2O

甘油是生物柴油生产行业日益增长的副产品,因此价格便宜且易于获取[68]。在离子交换膜生物反应器(IEMB)中,当甘油被用作电子供体时,高氯酸盐的生物还原效率超过99%,加入高氯酸盐浓度高达250 mg·L−1(式7)[69]。甘油作为电子供体的好处在于其比乙醇的扩散速率要低得多,为6.9×10-9 cm2·s-1,低于乙醇60%[70]。因此,出流中的有机碳浓度保持在较低水平,平均为1.82 mg-C·L-1,始终低于3 mg-C·L-1[69]。为了进一步避免有机碳导致的交叉污染,可以根据完全高氯酸盐降解的化学计量需求来供应碳源。甘油是一种难以直接被PRB利用的复杂有机物。因此,以甘油为电子供体的生物还原高氯酸盐分为两个阶段,其中甘油首先在IEMB悬浮液中发酵,然后附着在膜上的生物膜中的PRB利用这些发酵产物实现高氯酸盐的生物还原[69]。种群分析显示,甘油发酵菌Klebsiella oxytoca是悬浮液阶段的优势细菌,而典型的PRB(Azospirillum sp.)是生物膜上的主要菌株。

4C3H8O4 + 7ClO4- → 7Cl- + 12CO2 + 16H2O

乙醇被作为一种有效的有机电子供体,被广泛用于去除IEMB中的高氯酸盐。研究[71]发现,PRB Dechloromonas可以在IEMB中大量繁殖,利用乙醇去除高氯酸盐(式8)。生物处理系统中的乙醇浓度必须受到控制。低浓度的乙醇可能限制高氯酸盐的还原[72]。在乙醇供应受限的情况下,高氯酸盐的还原从(33.8 ± 3.0)mg·L-1降至(8.3 ± 0.8)mg·L-1。尽管部分乙醇也可能被异养微生物消耗,但过量的乙醇可能导致出流中残留COD[70]。IEMB技术解决了由于乙醇在膜中的低扩散系数(1.8×10−8 cm2·s−1)引起的有机残留问题。膜表面的生物膜可以降低膜表面的乙醇浓度,从而确保生物能充分利用乙醇[73]。

C2H5OH + ClO4- → Cl- + 2CO2 + 2H2 + H2O

近年来甲烷(CH4)作为生物高氯酸盐还原的碳源和电子供体受到了广泛关注[74]。首先,CH4的价格相对较低,可以从厌氧消化器中获得[75]。同时,与乙酸盐和乙醇等常见有机碳源的高水溶性不同,CH4在水中溶解性较差,这避免了二次有机污染[76]。尽管CH4可供PRB利用的可用性受到低溶解性的限制,但膜生物反应器(MBfR)可以通过实现高气体传输率来解决这个问题,该技术已成功应用于以CH4为电子供体的生物废水处理[77]。当高氯酸盐作为电子受体时,反应在热力学上是可行的(式9)[66]。CH4降解高氯酸盐有两种可能的机制:(1)厌氧甲烷氧化耦合高氯酸盐还原(ANMO-PR)和(2)微好氧甲烷氧化耦合高氯酸盐还原(mAMO-PR)[66]。ANMO-PR,厌氧甲烷氧化与高氯酸盐还原相结合,由一种细菌进行,该细菌在细胞内歧化二氧化氯以形成氯和氧,氧用作甲烷单氧化的共底物(有氧型)。mAMO-PR,微需氧甲烷氧化与高氯酸盐还原相结合,由两种微生物进行:细菌将ClO4-还原为Cl-并在细胞外产生O2,而O2被甲烷氧化菌用于氧化甲烷(细胞外微需氧型)(图4c)。如上所述,生物高氯酸盐还原的途径涉及产生O2的步骤,这对于CH4的氧化是必要的[78]。

CH4 + ClO4- → Cl- + 2CO2 + 2H2O

3.2 无机电子供体

氢气(H2)在高氯酸盐生物处理中已被广泛研究应用[57,79]。有研究指出,在基于H2的MBfR中,入口高氯酸盐浓度为10 mg·L−1时,高氯酸盐的去除率可以达到98%[80]。MBfR是最常用的反应器之一,它可以实现接近100%的气体利用效率,提高高氯酸盐的去除率[77,81]。H2作为异养性高氯酸盐还原中的电子供体具有许多优点,包括(1)H2溶解度低,易于从水中除去。(2)H2无毒。(3)利用无机碳源(CO2、HCO3-)的氢化细菌生长缓慢,主要代谢产物为H2O,产生的代谢污泥较少(式10)。(4)H2作为电子供体不需要额外的有机物质,避免了二次污染[82-83]。使用H2作为电子供体的高氯酸盐去除符合零级反应动力学模型[57]。当H2供应不足时,兼性反硝化细菌优于严格的自养生物,因为有机产物可以用作电子供体[84]。同时,高硝酸盐含量会抑制高氯酸盐的还原。当硝酸盐的表面负荷高于0.65 g-N·m-2·day-1时,基于H2的MBfR中的高氯酸盐去除率仅为30%。随着表面负荷减少到0.34~0.53 g-N·m-2·day-1,流出水中的高氯酸盐低于检出限[83]。同时,硝酸盐还原为N2气体会产生碱,导致pH值升高,这将加剧MBfR纤维上镁和钙碳酸盐的沉淀。沉淀物影响了H2通量到生物膜并导致反硝化和高氯酸盐还原性能下降,但轻微的柠檬酸洗涤可以缓解这种抑制状态[85]。Bosu等[67]开发了一种基于氢气的膜反应器,用于去除阴离子、有毒金属离子、有机化合物和抗生素(图4d)。使用该反应器通过氢气介导的微生物还原过程实现了30%~100%的高氯酸盐去除率。然而,H2的价格昂贵限制了其广泛使用。同时,H2在运输、储存和利用中的爆炸风险也是一个问题。

4H2 + ClO4- → Cl- + 4H2O

元素硫(S0)因其易于处理、成本低等优点,被广泛用作生物废水处理中的无机电子供体[86-87]。已证实,Sulfuricella、Sulfuritalea、Thiobacillus和Sulfurimonas是使用S0作为电子供体的有效PRB[20]。使用S0的微生物联合体的最大观察产量系数为0.19 mg-干重(DW)mg-perchlorate-1,低于异养性高氯酸盐还原细菌的产量系数(0.34~0.36 mg- DW mg-perchlorate-1)[88]。这表明,在自养高氯酸盐还原过程中,由于较低的微生物生长速率,产生了较少的额外生物量,在实际应用中更为有益。将不溶性S0颗粒填充到生物反应器中,为电子供体的长期供应提供了良好的途径。Ucar等[89]比较了基于硫的自养性和甲醇的异养性高氯酸盐去除的性能,高氯酸盐还原速率分别为12和24 mg·L-1·day-1。然而,异养性反应器中甲醇的流出水中的甲醇含量高达约20 mg·L-1。因此,尽管基于甲醇的高氯酸盐还原速度快且有效,但由于通过使用S0作为电子供体可以消除流出水的有机底物污染,因此可能更受青睐。使用基于S0的反应器去除高氯酸盐符合半阶动力学模型,表明还原速率主要受生物膜中的扩散限制。Ju等[9]发现,增加S0浓度对高氯酸盐还原动力学的影响与S0的粒径相关。粒径为10~130 μm的4 mmol/L粉末S0与主要和次要的扁圆体轴为1.75和1 mm的200 mM颗粒S0的高氯酸盐还原速率相当。硫基自养性高氯酸盐还原的主要缺点是硫酸盐和酸的生成(式11)[90]。

4S0 + 4H2O → 3H2S + SO42- + 2H+

蒽醌-2,6-二磺酸钠(AH2DS)作为一种有效的电子供体,可以选择性地刺激高氯酸盐的生物修复[91-92]。研究表明,含有Azospira suillum、Geobacter、Dechloromonas arbitrage和Dechloromonas aromatica的培养基可以还原高氯酸盐,同时将AH2DS氧化为蒽醌-2,6-二磺酸(AQDS)[91⇓-93]。 Thrash等[93]在生物电反应器中接种了三种代表性的PRB(Azospira suillum、D. aromatica和Dechloromonas agitata),发现蒽醌的总浓度在实验过程中保持恒定,表明AH2DS和AQDS之间的转化率相等。同时,仅添加AQDS没有观察到高氯酸盐还原。相反,如果提供AH2DS,高氯酸盐很容易被PRB脱氯单胞菌还原。其他研究中也观察到了同样的现象[91]。这表明AH2DS在还原高氯酸盐的同时被氧化成AQDS。使用AH2DS作为电子给体有许多优点。首先,AQDS的氧化产物可以是一种电子穿梭物,以加速电子传输效率并增强BER中高氯酸盐的降解[93]。其次,AQDS可被视为一种基于醌的氧化还原介质,因为其具有较高的氧化还原缓冲能力,可缓解长期暴露于氧气和高浓度硝酸盐对高氯酸盐还原的抑制作用[94]。当然,AQDS的存在也有一个缺点,因为它增加了进一步处理废水中残余AQDS的费用和要求[93]。

4 高氯酸盐降解的联合方法

在探讨了化学和生物两种方法去除高氯酸盐之后,本文发现每种方法都具有独特的优势和挑战。虽然化学方法提供了快速的还原速率和简单的操作,生物方法则提供了环保的解决方案,具备长期可持续性的潜力。然而,这两种方法都存在局限性。大量研究表明,多种技术的结合可能是更高效的高氯酸盐污染治理策略。

4.1 吸附-生物法

生物活性炭(BAC)对高氯酸盐有很好的去除效果[95-96]。BAC是颗粒活性炭(GAC)的一种变种,支持微生物生长。除了作为生长基质外,碳还促进了高氯酸盐的吸附,增强了微生物去除效果[97-98]。Choi等[95]以GAC或玻璃珠为支撑介质的固定床生物膜反应器用于评估短期(12 h)和长期(23 d)进水溶解氧(DO)浓度增加对生物高氯酸盐去除的影响。在生物活性炭反应器中,当进水溶解氧浓度高达8 mg/L时,氧气和高氯酸盐在短时间内(12 h)得到充分去除。使用非吸附性支持介质时,随着进水溶解氧浓度的增加,观察到高氯酸盐完全穿透。在长期暴露期间(23 d),溶解氧和高氯酸盐的吸附去除率缓慢下降。BAC上发生了氧的化学吸附,这降低了DO浓度,从而促进了微生物高氯酸盐的还原[99]。

Brown等[96]通过批量和状实验研究了GAC和BAC对高氯酸盐的去除。GAC主要通过离子交换而不是化学还原来实现去除,但GAC的高氯酸盐吸附能力有限[100]。在评估BAC上的高氯酸盐还原时,他们观察到高氯酸盐被还原至检测限以下,表明随着时间的推移,仍具有持续的还原潜力,表明BAC有望成为饮用水高氯酸盐处理技术的可行选择。Brown等[101]对地下水进行了一项试点研究,以了解固定床生物反应器中高氯酸盐的还原。他们通过使用GAC支持的微生物反应器(使用本地生物)证明了高氯酸盐被还原至低于检出限。通过微生物还原和活性炭吸附,该系统确保防止任何突破。即使在关闭、反洗和存在其他阴离子的情况下,性能也不受影响。

Lehman等[102]研究了使用离子交换工艺,然后对浓盐水溶液进行生物处理以同时去除高氯酸盐和硝酸盐的可行性。试点研究使用了一种市售树脂柱,生物处理是利用微生物序批式反应器(SBR)。浓盐水中的高氯酸盐浓度高达3 mg/L,SBR能够将其降低到500 μg/L以下,经过20多次再生循环后,高氯酸盐被降低到检出限以下,且系统中没有高氯酸盐积累。通过成本评估发现这种方法将比常规离子交换后进行盐水处理便宜20%。然而,该过程受到循环次数的限制,最终高氯酸盐将在树脂上积累并不得不被处理掉。在一项相关研究中发现盐水中二价阳离子(如Ca2+和Mg2+)的存在导致微生物高氯酸盐还原率显著增加[103]。这是因为适当浓度的金属对高氯酸盐还原菌的细胞生长很重要[104]。Chung等[105]研究了氢基MBfR中离子交换盐水的微生物高氯酸盐处理,发现高氯酸盐的还原速率受盐水中盐浓度的显著影响,较高的盐浓度对微生物生长有抑制作用。一种用于同时去除高氯酸盐和硝酸盐的IEMB被评估[72]。IEMB是基于驱动目标阴离子通过阴离子交换膜进入生物反应器,在生物反应器中高氯酸盐被微生物活性还原成氯化物。该方法能够将模拟污染水中的高氯酸盐从100 μg/L降低到小于4 μg/L,并且反应器能够使用相同的膜运行超过2个月而没有任何结垢问题。即使在底物受限的条件下,IEMB也能够表现出相同的水平。

4.2 生物-电化学法

近年来,生物电化学系统(BES)已成为一种有前途的高氯酸盐降解技术。BES被定义为电化学过程,其中电化学活性微生物在阴极和/或阳极区域充当催化剂[106-107]。高氯酸盐是微生物还原过程中最有利的电子受体,具有最大还原电位(E° = 0.87 V),是理想的电子受体。在BES系统中使用生物电极比使用非生物阴极更有优势(图5a)。高氯酸盐和硝酸盐的微生物降解过程中存在间接和直接电子转移机制。

Shea等[108]报告了微生物电池阴极中的高氯酸盐修复,证明了在没有电子穿梭的情况下去除高氯酸盐的有效性。Mieseler等[65]记录了利用乙酸盐作为电子供体对污染物中的高氯酸盐进行微生物修复的情况。来自生物反应器污泥的好氧培养物被接种在生物阴极中。高氯酸盐降解菌的富集导致高氯酸盐的最高还原率(∼0.01 mmol/L/d)。Jiang等[109]研究了反硝化微生物阴极在高氯酸盐和硝酸盐修复中的作用(图5b)。他们表明,在双MFC中,硝酸盐的还原不受影响,但高氯酸盐的还原降低了20%。开路和闭路实验表明硝酸盐和高氯酸盐的去除应归因于自养反硝化生物阴极的生物还原。

Butler等[110] 研究了具有用于高氯酸盐还原的反硝化生物阴极的微生物燃料电池,发现在没有加入任何外源电子穿梭体的情况下,高氯酸盐的去除率为24 mg/L-d,阴极转化率为84%。实验表明,pH值为8.5会增加生物阴极高氯酸盐的还原,而研究表明中性pH值被认为是生物电化学阴极脱氮的最佳条件[111]。高氯酸盐通过微生物阴极的自养还原过程被去除[112]。阴极施加的电流阻碍了高氯酸盐的降解,在60 mA下获得了98.99%的显著降解。与相同的未改性阴极相比,生物燃料电池的改性石墨阴极上的生物膜使高氯酸盐的还原减少了12%。这证明了生物膜对电子从阴极转移到电解质产生了积极影响[113]。Chen等[114]展示了一种新型改良透析膜生物反应器(EDIMB)的功能,用于联合去除硝酸盐和高氯酸盐(图5c)。该反应器结合了电渗析和生物还原技术来修复污染物,同时避免有机和微生物来源。测序显示,参与硝酸盐和高氯酸盐还原的主要生物是陶拉菌和类干酪乳杆菌。

Yang等[115]用四种阴极物质建造并运行了双室MESs,即铁碳颗粒(Fe/C)、零价铁颗粒(ZVI)、活性炭(AC)和碳毡(CF)。他们表明,在没有外部能源供应或高氯酸盐降解微生物的情况下,高氯酸盐在阴极以不同的效率降解。这些反应器中的最高ClO4-去除率分别为18.96(Fe/C,100 Ω,2 d)、15.84(ZVI,100 Ω,2 d)、14.37(CF,100 Ω,3 d)和19.78 mg/L/d(AC,100 Ω,2 d)。Ucar等[116]证明了在聚醚砜(PES)超滤膜生物反应器中同时还原高氯酸盐和硝酸盐。进水硝酸盐浓度在25~100 mg NO3−-N/L 之间变化。在水力停留时间低至6 h时,可实现100 mg NO3--N/L 的完全反硝化。当高氯酸盐进水浓度为3000 μg/L,水力停留时间为12 h时,高氯酸盐也能完全去除。

4.3 化学还原-生物法

ZVI作为一种强还原剂,从热力学角度看,很容易将高氯酸盐还原(ΔG° = -2495.9 kJ·mol-1)。然而,高氯酸盐和ZVI之间的活化能壁垒太高,以至于化学过程太慢而无法原位修复[118⇓-120]。有研究发现ZVI通过原位供应铁腐蚀过程中产生的H2,成为促进高氯酸盐还原的最终电子供体[119,121]。ZVI的分批加入实现了H2的连续供应,这明显优于其他电子给体(如有机物、H2气体等)的连续供应。此外,铁具有成本低操作安全、废水中无有机残留物等优点[119]。通常,ZVI-PRB还原高氯酸盐分为三个步骤:(1)ZVI在表面将H+还原为H2。(2)H2的扩散路径是首先到达附着在铁表面的细菌,然后到达溶液,最后到达悬浮的细菌。(3)用作为电子供体还原高氯酸盐[120]。高氯酸盐主要通过附着在ZVI上的PRB还原来还原,因为附着在ZVI上的微生物质量比液体中的大得多[122]。此外,当有含能化合物与高氯酸盐共存时,ZVI预处理可以降解这些含能化合物,消除它们对PRB的毒性抑制作用,同时这些小分子降解产物也可以作为高氯酸盐生物修复的电子供体[123-124]。

Yu等[120]研究了存在ZVI的情况下微生物对高氯酸盐的还原作用。他们使用自养Dechloromonas 菌株,该菌株利用H2气体作为电子源,二氧化碳作为碳源。通过仅使用ZVI和ZVI以及细菌的批量实验,他们发现高氯酸盐的降解速率从0.0033增加到0.0758 h-1。在更高浓度的硝酸盐存在下,他们观察到高氯酸盐的还原速率显著降低。以ZVI为电子供体的高氯酸盐还原速率的提高应归因于:(1)ZVI表面的反应性,(2)H2质量转移和(3)微生物细胞密度。通过改变这些因素的传导实验,该过程受到细菌动力学的限制,增加细胞密度对高氯酸盐还原率的增加有直接影响。Son等[119]还在批量和柱实验中证明了ZVI存在时微生物还原高氯酸盐的类似结果。他们发现厌氧铁腐蚀产生的H2气体支持微生物混合物在8 d内完全去除65 mg/L的高氯酸盐。该研究声称,还原动力学与乙酸盐或氢气进料系统的还原动力学相当,而乙酸盐或氢气进料系统的操作成本可能较高,且存在爆炸危险。与其他系统相比,更倾向于采用ZVI-微生物联合工艺修复高氯酸盐。与这项研究形成鲜明对比的是,Shrout等[125]发现向混合细菌培养物中添加ZVI可显著抑制高氯酸盐的还原。通过表征研究,他们推断添加Fe0会增加pH值,并导致细胞表面形成铁沉淀物,从而通过包裹细菌抑制微生物高氯酸盐的还原。

总结比较了化学法、生物法及联合法去除高氯酸盐(表1)。化学法通过使用还原剂将高氯酸盐转化为无害物质,处理速度快且效果显著,但可能会产生副产物且成本较高。生物法利用微生物将高氯酸盐还原为氯离子,具有环保、成本低的优势,但处理过程较慢且受环境条件影响较大。联合法通过协同作用提高了去除效率和稳定性,逐渐成为高氯酸盐环境治理中的一种综合解决方案。

5 结论与展望

高氯酸盐污染治理是当前环境领域的重要课题之一,而其降解方法的研究则显得尤为紧迫。本文针对高氯酸盐的降解讨论了化学方法、生物方法以及化学还原-生物法和生物-电化学法的联合等方法。通过对这些方法的综合分析,发现每种方法都具有各自的优势和挑战。

化学方法以其快速的反应速率和简便的操作而受到青睐,然而,其产生的副产物可能会对环境造成负面影响,而且存在着对处理副产物的挑战。生物方法则具有环保、可持续等优势,但操作复杂度较高,同时受外部环境因素的影响较大。

因此,联合化学和生物方法成为一种备受关注的解决方案。通过结合两者的优势,可以克服各自的局限性,实现更高效的高氯酸盐降解。比如,吸附-生物法利用生物活性炭对高氯酸盐的吸附和微生物对其还原的能力,实现了高效的去除。生物-电化学法则利用微生物在电化学系统中对高氯酸盐的还原能力,克服了传统生物方法的一些限制。

展望未来,可以在以下几个方面进行深入研究:

(1)工程化实施研究:进一步优化联合方法的工程化实施,包括反应器设计、操作优化和副产物处理等方面。通过改进反应器设计,优化操作参数以及有效处理副产物,提高其在实际应用中的效果和可持续性。

(2)材料和微生物研究:深入探索新型材料和微生物菌株,以提高高氯酸盐降解效率和稳定性。通过研究和筛选具有高效降解能力的材料和微生物,为联合方法的实际应用提供更多的选择和可能性。

(3)实际应用研究:在实际场景下开展应用研究,全面评估联合方法在水体和土壤中的实际效果和环境影响。通过实地试验和监测,获取更准确的数据和信息,为其在环境治理中的广泛应用提供科学依据和指导。

(4)机理研究:深入探索高氯酸盐降解的机理,揭示其反应过程和影响因素。通过理论模型和实验验证相结合的方式,深入理解高氯酸盐降解的机理,为联合方法的优化和改进提供更为深入的理论支持和指导。

总的来说,高氯酸盐降解的联合方法具有广阔的应用前景,并且在解决水环境污染和土壤修复等方面具有重要意义。随着对这些方法的深入研究和不断优化,相信可以为实现清洁环境和可持续发展目标做出更大贡献。

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基金资助

国家重点研发计划(2022YFC3702102)

国家自然科学基金(51978488)

广东省重点领域研发计划(2020B0202080001)

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