黄鉄鉱

Aug 31, 2023

npj クリーンウォーター 6 巻、記事番号: 59 (2023) この記事を引用

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メトリクスの詳細

地下水の硝酸塩および微生物による汚染は、激しい都市化と不十分な衛生設備に直面している国で発生する可能性があります。 このような国ではよくあることですが、地下水が主な飲料水源である場合、これらの汚染物質を除去する必要性が緊急になります。 ここでは、地下水を脱窒する生物学的ステップと地下水を消毒する電気化学的ステップという 2 つの技術の組み合わせを提案し、それによって化学物質の投入量と地下水処理のフットプリントを削減することを目指しています。 そのため、汚染された地下水を独立栄養的に脱窒するために、黄鉄鉱ベースの流動床反応器 (P-FBR) が建設されました。 P-FBR 流出液は、電気生成された Cl2 を使用して電気化学セル内で消毒されました。 硝酸塩は、171 mg NO3- L-1 d-1 の平均脱窒速度、18 時間の水力滞留時間 (HRT) で、最初の 178 mg NO3- L-1 から 79% の効率で除去されました。 この電気化学ユニットは、41.7 A hm-3 の電荷密度で総大腸菌群の 3.8 対数減少を達成しました。

地下水は、低所得国、特にサハラ以南諸国で主要な飲料水源を構成しており、農業部門や工業部門の割合が低いほか、これらの部門が主に天水で賄われているアイルランドや英国などの国でも重要です1,2。 。 地下水の水質悪化の主な要因は、劣悪な衛生設備、処理済みの生活排水や産業廃水の管理されていない放出、管理されていない肥料散布による畜産、および集中的な施肥活動です。 脆弱な帯水層や異常気象の激化など、地域の状況により地下水汚染が悪化する可能性があります1、3、4、5。

硝酸塩 (NO3-)、塩化物 (Cl-) の濃度上昇、および糞便や全大腸菌群 (TC) などの微生物指標は、人為的地下水汚染を示唆しています。 低所得国の都市近郊地域では、300 mg Cl- L-1 および 2 log CFU 100 mL-1 の大腸菌（大腸菌）とともに、500 mg NO3- L-1 という高い硝酸塩濃度が報告されています。および 4 log CFU 100 mL−1 TC4、5、6。 濃度は、地域の地質学的条件や汚染源によって大きく異なります。 水系感染症に取り組む方法として、WHO は飲料水中の TC の最大値を 50 mg NO3-L-1 および 0 CFU 100 ml-1 に設定しています7。

地下水には有機物がほとんど含まれていないため、従属栄養性脱窒を含む従来の処理計画は財政的に持続可能ではありません。 オプションとしては、水素ガス (H2)、元素状硫黄 (S0)、硫化物 (HS-)、チオ硫酸塩 (S2O32-)、第一鉄 (Fe2+)、さらには黄鉄鉱 (FeS2) などの電子供与体を使用して、独立栄養性地下水の脱窒をターゲットにすることもできます。 9. それぞれの化学量論方程式に基づくと、脱窒能力は、H2 の場合は 2.5 g NO3--N g-1 e- ドナーから、還元鉄 (Fe2+ および FeO) の場合は 0.05 および 0.1 g NO3--N g-1 e- ドナーの範囲になります9。 10. 黄鉄鉱による脱窒は帯水層で自然に起こり 11、12、13、14 、FeS2 の酸化は微生物による NO3- の窒素ガス (N2) への還元と連動しており、化学量論比 3 mol NO3:1 mol FeS2 となり、2 mol SO42 の生成を伴います。 −12、15。 さらに、FeS2 は、低 C/N 廃水処理 16,17 や、主にボトル試験などの地下水の脱窒にも利用されています 18,19。 黄鉄鉱はどこにでもある低コストの鉱物で、採掘活動の廃棄物として頻繁に見つかります20。 さらに、FeS2 脱窒中は、中性付近の pH が維持され、このプロセスへの化学物質の投入が最小限に抑えられます 17,18。

脱窒された廃水には微生物が多く含まれているため、直接消費したり再利用したりすることができないため、安全な飲料水や灌漑用水を提供するには、脱窒に加えて研磨ステップが必要です21。 これまで水処理排水を研磨するためにいくつかの消毒方法が使用されており、飲料水の再利用には遊離塩素、オゾン（O3）、または UV による化学酸化が一般に好まれています 22。 しかし、処理プロセスに化学薬品やグリッドに依存しない代替消毒方法が模索されており、その中には、遊離塩素が生成される化学物質である場合には電気塩素化とも呼ばれる電気化学消毒も含まれる23。 電気塩素化では、外部電源によって一定の電流源が印加されると、地下水に自然に含まれる塩化物イオン (Cl-) が電極の表面で塩素 (Cl2) に酸化されます。 生成された Cl2 はバルク電解質と混合し、加水分解を受け、次亜塩素酸 (HOCl) と次亜塩素酸塩 (OCl-) という 2 つの強力な消毒剤が生成されます。 2 つの比率は、溶液の pH 26、27 によって決まります。 電気化学的消毒は、病原体で汚染された地下水または灌漑用水を直接処理するためにテストされています 28,29,30 だけでなく、バ​​イオリアクター流出物の研磨ステップとしてもテストされています 27,31。 消毒効率は、アノードの材料、電解質の Cl- 濃度、pH、処理される水の有機物とアンモニアの含有量に依存します 22。