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城市污水厂尾水深度脱氮技术的研发是削减我国总氮排放,实现“十三五”污水排放总氮控制目标的一项重大课题。污水厂尾水为典型的低C/N比污水,其深度脱氮一直是水处理研究领域的难点和热点,故研发污水厂尾水深度脱氮新技术和新理论具有重要意义。本文以铁基质活性材料—催化Fe-C内电解原位供电子生物载体(CIA-MEC)为生物载体,将催化Fe-C内电解反应与微生物脱氮作用耦合,在微氧(DO=0.46～1.69mg/L)条件下实现了同步硝化自养反硝化(SNAD)深度脱氮。论文考察了 CIA-MEC作为水处理生物载体的适用性,并以CIA-MEC为生物载体培养微生物,开展基于催化Fe-C内电解原位供电子的污水厂尾水深度脱氮工艺研究。通过CIA-MEC与生物膜的分离试验、微生物多样性及种群结构分析、Fe的迁移转化分析及气态产物分析,考察了催化Fe-C内电解与微生物的耦合脱氮机制。在脱氮机制的基础上,对脱氮系统建立动力学模型,并进行物料衡算,量化分析了系统内的氮素、碳源、Fe及电子的迁移转化。主要研究结果如下:(1)CIA-MEC的比表面积、强度等理化性质均符合水处理生物载体的要求,且化学活性较高,在pH值为3、7和11时,其NO3--N还原速率分别高出零价铁粉(Fe0)4、5和6个数量级。(2)当原水 NH4+-N、NO3--N、TP 浓度和 C/N 比分别为 10.0±2.0 mg/L、15.0±3.0 mg/L、1.0±0.1 mg/L和0.6±0.2时,脱氮系统挂膜阶段历时26天,其最佳运行工况为HRT=3.0h、气水比=1.5:1、进水pH=7.2±0.2,此时NH4+-N、NO3--N、TN和TP平均去除率分别为91.1%、94.3%、92.6%和86.7%,尾水平均脱氮负荷为0.255 kg N/m3·d,最大脱氮负荷达0.373 kg N/m3·d,出水TP浓度降至0.13±0.02 mg/L。该脱氮系统实现了 NH4+-N、NO3--N、TP的同步深度脱除,出水水质满足《北京市水污染物综合排放标准》(DB 11/307-2013)中的A排放标准,NH4+-N、TP、BOD均达到《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)Ⅲ类水质。(3)建立了催化Fe-C内电解与生物耦合脱氮机制(见图4.13),表明该脱氮系统内出现了以催化Fe-C内电解所产生的[H]/H2和Fe2+为电子供体的自养反硝化过程,CIA-MEC的供电子速率达1.07×102mole/m3·d,高出Fe0自腐蚀供电子速率4个数量级,系统自养反硝化脱氮负荷可达0.301 kg N/m3·d,高于以H2、S为电子供体和电极生物膜法脱氮的脱氮负荷。系统内催化Fe-C内电解所产生[H]/H2的利用率达99.3%,CIA-MEC的原位产[H]/H2作用避免了直接以H2为电子供体时H2利用率低的问题。(4)耦合脱氮系统内,反硝化菌群以可利用[H]/H2的噬氢菌属(Hydrogenopha,13.1%)、Denitratisoma 菌属(2.1%)、热单胞菌属(Thermomonas,2.5%)和假单胞菌属(Pseudomonas,1.8%),和可利用 Fe2+的球衣菌属(Sphaerotilus,9.7%)、热单胞菌属和假单胞菌属等。好氧、兼性自养反硝化菌OTU总丰度为24.6%,故本文获得了可在微氧条件下实现高效自养反硝化的微生物系统。(5)耦合脱氮系统中,铁氧化物以FeOOH及Fe(OH)3为主,储存于生物膜和悬浮泥中,系统内以球衣菌属为主的功能菌实现了对铁氧化物的吸收、转化和储存,避免了长期运行中氧化物沉积对CIA-MEC的活性和传质性能的影响。脱氮系统长期运行稳定,未出现载体表面钝化及载体板结现象。(6)基于Eckenfelder方程建立的TN降解模型和基于Monod方程建立的SND动力学模型分别为:Ne(TN)=N0(TN)exp(-0.00096h/L13234)和内电解原位供电子的脱氮系统在低C/N比、微氧条件下可实现SNAD高效脱氮。(7)耦合脱氮系统中,99.7%的有机碳源被微生物同化,反硝化过程所需电子供体主要由CIA-MEC提供,系统内氮素、碳源、Fe的转化及电子的供需平衡方程为:37.02 Fe + 0.85 C6H12O6 + 6.27 NH4+ + 15.77 NO3-+ 11.93 O2 C5H7O2N1.1 + 0.14 Fe2+ + 36.88 Fe3+ + 10.47 N2↑ + 0.093 CH4↑ + 0.016 CO2↑。本文开创性地将化学反应与微生物脱氮作用耦合,为生物脱氮提供了新的理念,为自养反硝化脱氮提供了新的、可靠的供电子途径,补充了污水深度脱氮工艺的不足,为进一步削减污水总氮排放,解决我国日益严重的城市水资源短缺的问题,提供了科学的理论依据和技术支持。