【摘 要】
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氮是自然生态系统中含量最丰富的元素,氮元素在自然界中的存在形式主要为有机氮、无机氮和气态氮等。然而,含氮物质也是导致水体环境恶化的主要污染物之一。课题组在前期研究中发现生物海绵铁体系对氮素也有较强的去除效果,并且此体系中可以产生较强的类Fenton作用。因此本实验便在前期研究的基础上,进一步探究生物海绵铁体系在脱氮过程中的类Fenton作用以及其他作用力的贡献度占比。本文以人工模拟废水为研究对象,
【基金项目】
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国家自然科学基金（No.51768032）:生物海绵铁体系中铁与微生物协同同步反硝化作用机制及其应用基础研究；
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氮是自然生态系统中含量最丰富的元素,氮元素在自然界中的存在形式主要为有机氮、无机氮和气态氮等。然而,含氮物质也是导致水体环境恶化的主要污染物之一。课题组在前期研究中发现生物海绵铁体系对氮素也有较强的去除效果,并且此体系中可以产生较强的类Fenton作用。因此本实验便在前期研究的基础上,进一步探究生物海绵铁体系在脱氮过程中的类Fenton作用以及其他作用力的贡献度占比。本文以人工模拟废水为研究对象,利用平行对比实验,通过梯度增加废水中NH4+-N浓度,在纯NH4+-N进水与低COD+NH4+-N进水条件下,比较了普通活性污泥体系、生物海绵铁体系的脱氮性能;再通过构建生物海绵铁体系、Fe（Ⅱ）-生物铁体系和Fe（Ⅲ）-生物铁体系,比较不同价态铁所形成的生物铁体系的脱氮能力;最后通过构建Fe~0/O2体系、普通活性污泥体系、生物海绵铁体系长期运行稳定状态下的铁泥体系、生物海绵铁体系,在同样条件下进行反应,深度分析生物海绵铁体系在脱氮过程中微生物作用与类Fenton作用的贡献度,进一步揭示生物海绵铁体系的脱氮机理。结论如下:（1）以人工模拟废水作为反应器进水长时间运行发现,与普通活性污泥体系相比,生物海绵铁体系具有较强的NH4+-N降解速率和脱氮性能以及抗负荷冲击能力。其中低COD+NH4+-N进水的3#普通活性污泥体系与4#生物海绵铁体系在进水NH4+-N负荷分别为70、100、150、100 mg/L时,4#的NH4+-N去除率分别较3#高1%、12%、9%、12%;而进水中未添加碳源,为纯NH4+-N进水的反应体系（1#、2#）于长期运行过程后半段由于进水NH4+-N的较高浓度,以及较低的NH4+-N去除率,导致体系中的游离氨（FA）不断积累,浓度升高,以至于此两体系出现短程硝化现象,NO2--N逐渐积累。（2）生物海绵铁体系中由于生物腐蚀和电化学腐蚀的共同作用,TFe持续溶出,总体呈现增长趋势。纯NH4+-N进水的2#生物海绵铁体系由于微生物活性受到抑制时,TFe浓度有将较为明显的下降。并且,生物海绵铁体系中·OH、H2O2、Fe2+浓度一直处于一个动态平衡之中,说明生物海绵铁体系中的类Fenton效应是微生物与海绵铁协同作用产生。（3）与普通活性污泥体系相比,生物海绵铁体系中由于铁氧化菌的大量存在,在氧化Fe2+的同时微生物获得生长能量,因此在低COD进水条件下,生物海绵铁体系（4#）中微生物的生长繁殖状态最好。海绵铁的加入有利于提高微生物对较高浓度NH4+-N的耐受性,并且有利于改善污泥的沉降性能,从而达到提高脱氮效果的目的。（4）通过模拟废水反应器长时间运行实验发现,与Fe（Ⅱ）-生物铁体系和Fe（Ⅲ）-生物铁体系相比,生物海绵铁体系不仅具有Fe~0生物铁法的成本低、优化污泥性能、可持续溶出Fe2+等传统优势,还具备铁碳微电解、比表面积大易形成缺氧厌氧微环境等特点。实验得出生物海绵铁体系的脱氮能力优于Fe（Ⅱ）、Fe（Ⅲ）-生物铁体系;产生类Fenton效应的能力明显强于后两者;而且生物海绵铁体系中的污泥沉淀性能、微生物活性优于Fe（Ⅱ）、Fe（Ⅲ）-生物铁体系。（5）将普通活性污泥体系作为参照,以生物海绵铁体系中的铁细菌代谢作用和Fe~0/O2体系作用看成是此体系在降解NH4+-N时所提供的全部强化作用力,将其换算成贡献度进行百分比计算。则铁细菌代谢活动降解NH4+-N贡献度为30.23%;海绵铁吸附作用贡献度为45.25%;生物海绵铁体系中的类Fenton作用贡献度为24.52%,其中Fe~0/O2体系类Fenton占比17.01%,微生物产生的类Fenton作用占比7.51%。
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