硝酸盐污染治理迎来新突破：电化学催化与光生物耦合技术显身手
硝酸盐污染治理迎来新突破：电化学催化与光生物耦合技术显身手
近年来，随着农业化肥用量的持续增长以及工业废水排放增加，我国水体硝酸盐污染问题日益严峻。据统计，2013至2017年间全国地下水质监测数据显示，硝酸盐超标率大于10%，其中河北省2017年硝酸盐的超标率甚至高达31.66%。华北平原、西北地区等地地下水硝酸盐污染尤为严重，部分地区浅层地下水硝酸盐含量甚至超过200 mg/L，远超国家饮用水标准限值（45 mg/L）。
面对这一环境挑战，科研人员正在积极探索高效去除硝酸盐的新技术。近期，电化学催化还原和光催化耦合生物降解技术在硝酸盐去除领域取得了重要进展，为解决这一环境难题带来了新的希望。
电化学催化还原技术：突破中性条件限制
中国科学院生态环境研究中心刘春雷副研究员团队开发了一种基于Fe(II)离子特异性吸附的电化学催化还原技术。该技术通过调控电极-电解质界面亲和力，成功实现了在中性条件下对硝酸盐的高效还原。
实验结果显示，在中性条件下（pH=7），该技术实现了99.6%的法拉第效率、99%的选择性和485.8 mmol h-1g-1FeOOH的铵产率。即使在低至10 mg/L的硝酸盐浓度下，该技术仍能保持高效率，60分钟内可将硝酸盐完全还原，氨氮产率达到45 mg/L。
这一突破的关键在于发现了Fe(II)离子在电极表面的特异性吸附现象。研究团队通过分子动力学模拟证实，吸附态Fe(II)离子能够显著增强硝酸盐的界面亲和力，促进其在电极表面的积累，从而加速还原反应。这一发现不仅补充了教科书中关于特异性阳离子吸附的内容，更为设计高效低成本的氨合成催化剂提供了新思路。
光催化耦合生物降解：低碳条件下的协同效应
深圳大学化学与环境工程学院毛艳萍课题组则提出了一种创新的光催化耦合生物降解技术（ICPB）。该技术通过将光催化反应与微生物处理相结合，有效解决了传统反硝化过程中有机碳源不足的问题。
研究团队制备了12种光催化剂，其中以硫脲为前驱体、与TiO2按1:2比例复合制备的催化剂表现最佳。使用该催化剂构建的ICPB系统在低碳条件下展现出显著优势：
- 硝酸盐还原效率较传统生物降解提高17%
- 氮转化效率提高11%
- 在低有机碳条件下，仅需传统方法87.8%的有机碳即可实现更高的硝酸盐去除率
通过微生物群落分析发现，ICPB系统能够富集功能性细菌，促进氮循环相关菌属的生长，并逐渐抑制好氧代谢过程。代谢通路分析显示，与氮循环相关的代谢通路和功能基因丰度显著增加，进一步证实了该技术在氮去除方面的潜力。
展望：从实验室到实际应用
尽管这些新技术在实验室条件下展现出优异性能，但要实现大规模应用仍面临一些挑战。例如，电化学催化技术需要解决电极材料的长期稳定性问题；光催化耦合生物降解技术则需要优化反应器设计，提高处理效率和经济性。
未来的研究方向可能包括：开发更高效的催化剂材料，优化反应条件和工艺流程，以及探索这些技术在实际水处理工程中的应用潜力。随着研究的深入和技术的完善，这些创新方法有望为解决水体硝酸盐污染提供更加经济、环保的解决方案。
总体而言，这些新技术的出现为应对日益严重的硝酸盐污染问题提供了新的思路和希望。通过持续的科技创新和工程实践，我们有望在未来实现更高效的水体氮污染治理，保护饮用水安全和生态环境健康。