基于硫铁矿自养反硝化同步去除二级出水中氮磷的研究

发布时间：2020-08-25 19:09

【摘要】：目前,水体富营养化问题已成为全球性的环境问题。市政污水处理厂的二级出水因其排放量大,且氮磷浓度远高于引起富营养化的限值,成为造成和加重水体富营养化的主要原因之一。因此,对二级出水中氮磷的深度处理十分必要。本研究以硫铁矿和二级出水中残留的有机物为共同电子供体同步去除二级出水中的氮磷。探讨硫铁矿的除磷能力及硫铁矿反硝化系统去除合成二级出水中低浓度氮磷的可行性。并考察硫铁矿粒径、初始NO_3~--N和NH_4~+-N浓度及碳源条件对反硝化系统脱氮除磷性能的影响。同时,通过物料平衡计算、微生物群落分析、反应前后硫铁矿的XPS表征等方式探讨硫铁矿混合营养反硝化系统的除磷机理和脱氮过程,并对二级出水中富里酸(FA)的可生物利用性进行研究。主要研究结果如下:硫铁矿自身具有除磷能力,可在6 h内去除75.3%的PO_4~(3-)-P。以硫铁矿为自养反硝化的电子供体去除合成二级出水中的氮磷时,在6 d内,12 mg/L的NO_3~--N可去除98%,出水NO_3~--N浓度为0.26±0.05 mg/L;初始浓度为1.5 mg/L的PO_4~(3-)-P可在24 h内被完全去除,出水PO_4~(3-)-P浓度为0.39±0.27 mg/L。影响因素实验的结果表示,硫铁矿粒径越大,越难以被化学和生物氧化,从而除磷效果越差。而当硫铁矿粒径小于1.00 mm时,其对系统的脱氮性能没有显著影响,但当粒径大于1.00mm,反硝化能力被抑制。较高的初始NO_3~--N浓度和NH_4~+-N浓度对脱氮速率具有不利影响;在不同的碳源条件下均能实现同步脱氮除磷,采用FA模拟二级出水中的有机物时可以进行反硝化作用,并发现在反硝化过程中FA先被分解为微生物可利用的类蛋白物质后再被利用,同时伴随着腐殖化趋势。此外,当系统中同时存在有机和无机碳源时,硫铁矿自养反硝化与异养反硝化为协同作用。以葡萄糖模拟二级出水中残留的有机物时,反硝化过程为两阶段反应。前36 h主要发生异养反硝化,主要功能菌属为Simplicipira和Cloacibaterium;36 h后主要发生自养反硝化,主要功能菌属为Sulfurimonas和Thiobacillus。异养反硝化的贡献度为55%~62%。系统中的PO_4~(3-)-P主要通过与硫铁矿化学和生物氧化(Dechloromonas和Ferritrophicum)产生的Fe~(3+)结合生成FePO_4沉淀以及被Fe(OH)_3吸附络合而去除。本研究的研究结果为硫铁矿自养反硝化技术的实际应用提供了理论基础,有助于开发经济有效的氮磷深度处理技术。
【学位授予单位】：中国地质大学(北京)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X703
【图文】：

XRD图谱,天然硫,铁矿,XRD图谱

中国地质大学（北京）硕士学位论文D8 focus，Bruker，德国），设置的衍射角（2θ）范围为 0~90o。硫铁矿的如图 2-1 所示。结果显示天然硫铁矿与 FeS2的晶体结构相似度达 92%，说成分为 FeS2，此外 XRD 图谱杂峰较少，显示没有其他矿物存在。为了进一步对硫铁矿的元素成分进行分析，采用能谱仪（Energy disptrometer，EDS）（SSX-550, SHIMADZU, 日本）测定天然硫铁矿的元素组显示天然硫铁矿由含量（w/w）为 41.19%的 Fe，36.69%的 S，20.59%的 O，i 和 0.43%的 Al 组成。其中，O 元素的检出可能是由于硫铁矿在清洗与烘中表面被 O2和水氧化生成了 SO42-（Sánchez-Andrea et al., 2011）。

硫铁矿,部分氧化,络合,变化趋势

磷性能了不同系统中 PO43--P 浓度的变化趋势。从图中可看大幅度降低，这可能是由于含 Fe2+的溶液在配制后晚，导致其中部分 Fe2+被氧化，而硫铁矿在清洗与触，导致硫铁矿表面也被部分氧化，如式（2-et al., 2011；Chandra et al., 2010）。氧化后产生的沉淀或络合，造成 PO43--P 浓度的迅速降低。FeS2+3.5O2+H2O→Fe2++2SO42-+2H+Fe2++0.25O2+H+→Fe3++0.5H2O

总铁,两个系统,硫铁矿,微生物

FeSO4+M 和 FeSO4+M+N 两个系统中 PO43--P 浓度在 0.9~1.1 mg/L 范围内波动，没有显著变化，说明活性污泥菌胶团对 PO43--P 没有吸附作用。图 2-3 显示了在 4 个系统中 Fe2+和总铁的浓度变化趋势。在添加硫铁矿的系统中，Fe2+和总铁的浓度均维持在较低的水平（< 1 mg/L），这一现象印证了硫铁矿在厌氧条件下自身氧化和溶出较弱的推论。而在添加 FeSO4的系统中，Fe2+和总铁的浓度均在前 0.5 h 降低后维持稳定，这与 PO43--P 浓度变化相契合。FeSO4+M 和FeSO4+M+N 两个系统中的 Fe2+和总铁浓度分别稳定在 8.47 ±1.27、8.86 ±1.10 mg/L和 9.09 ±0.96 mg/L、9.14 ±1.10 mg/L，比 FeSO4+N 系统中稳定后的 Fe2+和总铁浓度（10.87 ±0.27 和 11.53 ±0.38 mg/L）分别约低 2.40、2.01 和 2.44、2.39 mg/L，但图2-2 显示这两个系统中的 PO43--P 去除量比 FeSO4+N 系统减少约 0.3 mg/L。一方面这可能是由于接种的微生物中残留的磷较多，另一方面，可能是由于接种的微生物（如Dechloromonas 和 Ferritrophicum）氧化了部分 Fe2+生成沉淀（详见 3.3.4.1）。

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