硫碳/硫铁填料的表面积对降解硝酸氮的影响研究

摘要：本研究探讨了硫碳填料和硫铁填料在降解污水中氮磷污染物方面的微生物效能。实验在控制搅拌和恒定污染物浓度的条件下，通过监测溶解氧、硝酸氮、化学需氧量、氨氮、硫酸根、亚硝酸氮、总氮和总磷浓度的变化，评估了两种填料对污水中污染物的去除效果。研究发现，填料的表面积是影响总氮和硝酸氮去除率的关键因素，其中硫铁填料在相同表面积下展现出比硫碳填料更优的总氮去除效果。硝酸氮的降解速率与浓度在一定范围内正相关，但当浓度过高时，降解速率会受到抑制。在硝酸氮浓度为5mg/L时，硫铁填料的降解速率是硫碳填料的2.3倍，表明填料类型对硝酸氮降解有显著影响。硫自养反硝化过程中消耗的碱度导致pH值下降。研究揭示了硫铁填料可能因含铁化合物诱导各物理和生化过程特性而在污水处理中具有优势。

关键词：硫碳填料；硫铁填料；硝酸氮降解；总氮去除；污水处理

1研究背景：

随着城市化进程的快速推进，城市污水排放量不断攀升，城市水污染问题日益严峻。生活污水，作为城市污水的主要来源，其处理问题尤为突出[1-2]。生活污水主要来源于居民日常生活和公共设施，含有大量有机物和病原微生物，这些污染物不仅易腐败产生恶臭，还可能引发传染病的蔓延。因此，对城市生活污水进行有效处理，对于保护环境和维护公共健康具有重要意义。

生活污水的处理技术主要包括物理法、化学法和生物法。物理法通过沉淀、过滤和曝气等手段去除悬浮物和大颗粒污染物[3-4]；化学法利用中和、混凝、电解和氧化还原等化学反应去除污水中的污染物；生物法则依赖于微生物的分解和代谢作用，将溶解的胶体状有机污染物转化为无害物质。在物理预处理去除悬浮物后，污水中的主要污染物转变为氮磷化合物和残余有机物[5]。生物法因其高效转化残留有机物而成为净化此类污水的首选方法。

近年来，移动床生物反应器填料（MBBR）和硫铁硫碳填料等新型生物膜处理技术应运而生，它们结合了传统流化床和生物接触氧化法的优点，成为一种高效的污水处理方法[6]。本研究旨在探讨硫碳填料和硫铁填料在降解污水中氮磷污染物方面的微生物效能。通过控制搅拌和恒定污染物浓度的条件下，监测溶解氧、硝酸氮、化学需氧量、氨氮、硫酸根、亚硝酸氮、总氮和总磷浓度的变化，评估两种填料对污水中污染物的去除效果。研究发现，填料的表面积是影响总氮和硝酸氮去除率的关键因素，其中硫铁填料在相同表面积下展现出比硫碳填料更优的总氮去除效果。此外，硝酸氮的降解速率与浓度在一定范围内正相关，但当浓度过高时，降解速率会受到抑制。本研究进一步探讨了填料类型对硝酸氮降解的影响，以及反应器运行过程中亚硝酸氮的累积现象和硫酸根的产生，为优化污水处理工艺提供了重要的理论依据。

2实验材料与方法

2.1污水配制

实验所用模拟污水配方用量及其说明详见表1所示。

2.2实验与分析方法

2.2.1实验方法

分别在2L的量筒中放置相同表面积的硫碳填料与硫铁填料，将2L的自配污水倒入相应的量筒并加入10.00 g的污性污泥，在量筒底部加入搅拌子搅拌，通过使微生物在填料上生长挂膜进行降解反应实验，控制反应时间为五天，温度25℃左右。每隔24小时取样。

2.2.2分析方法

用25ml移液管吸取反应器中部的水样，经0.45um过滤膜过滤处理后，在水质检测仪上分别测定氨氮、亚硝酸氮、硝酸氮、总氮、COD、总磷、DO，用pH计检测PH值，离子色谱法检测硫酸根浓度。探究一定表面积下硫碳填料与硫铁填料对10mg/L的硝酸氮的生物降解速率的影响规律以及硫碳填料与硫铁填料的性能差异。

2.2.3数据分析方法

3结果与讨论

3.1填料组成分析

为了研究实验室硫自养填料化学成分的差异及具体组成，对硫碳填料和硫铁填料进行了X射线衍射（XRD）测试，结果如图所示。

由上图中可知实验室中的硫碳填料的XRD谱图表明硫碳填料的组成主要为单质S和CaSO4且合成填料样品的特征峰与S标准卡片（PDF＃08-0247）、CaSO4标准卡片（PDF＃33-0311）所对应；硫铁填料的XRD谱图表明硫铁填料的组成包括单质S、Si及FeS且合成样品的特征峰和S标准卡片（PDF＃08-0247）、FeS标准卡片（PDF＃37-0477）、Si标准卡片（PDF＃39-0973）所对应。

3.2 硝酸氮分析

在不同表面积的硫铁填料与硫碳填料体系中每24小时测定其硝态氮浓度的变化，下图3-2为不同体系在实验过程中硝酸盐氮浓度随时间的变化曲线及单位表面积硝酸氮降解速率随时间的变化曲线。

在反应器内，硫铁填料和硫碳填料处理的硝酸氮浓度均呈现下降趋势。在48小时的节点上，硫铁填料的硝酸氮去除率显著达到了97.18%，此时其硝酸氮浓度已降至一个较低水平。相较之下，硫碳填料在同一时间点的硝酸氮去除率仅为56.08%，硝酸氮浓度相对较高。

在相同填料但不同表面积的体系中，硝酸氮降解速率随时间的变化揭示了一个现象：随着填料表面积的增加，单位表面积的降解速率减小。这一趋势在硫铁填料中表现得尤为明显。具体来说，在36小时时，0.1平方米的硫铁填料单位表面积降解速率为2.05 mg/L/m²/D，而0.05平方米的硫铁填料单位表面积降解速率则为4.92 mg/L/m²/D，两者的降解速率之比为2.4：1。这一发现表明，虽然较大的填料表面积有助于提高总体的硝酸氮去除效率，但单位面积的降解能力却有所降低。由硝酸氮降解速率随硝酸氮浓度作图：

在各填料体系中观察到一个明显的趋势：在一定范围内，随着硝酸氮浓度的增加，硝酸氮的降解速率也随之提高。然而，当硝酸氮浓度继续升高到一定程度时，反而会对降解速率产生抑制效果。在相同表面积但不同填料的两个体系中，硝酸氮降解速率与硝酸氮浓度之间展现出了良好的线性关系。

两种填料中的硝酸氮浓度均为5mg/L时，硫铁填料的硝酸氮降解速率大约是硫碳填料的2.3倍。这一现象表明，除了硝酸氮浓度本身的影响外，填料的种类也对硝酸氮的降解速率有着显著的影响。

在相同填料但不同表面积的条件下，硝酸氮的降解速率随着浓度的增加先是加快，随后又逐渐减缓。此外，硝酸氮降解速率与硝酸氮浓度之间的关系遵循二级反应动力学规律。无论是硫碳填料还是硫铁填料，硝酸氮浓度与硝酸氮降解速率之间的关系都可以很好地用一元二次方程来描述，且两者的相关性非常强，都在90%以上。从图中可以明显看出，当硫碳填料体系中的硝酸氮浓度上升至大约7mg/L时，硝酸氮降解速率开始出现下降趋势；而在硫铁填料体系中，这一转折点出现在硝酸氮浓度约为5.8mg/L时。这表明硫铁填料对硝酸氮浓度变化的响应更为敏感。

4：结果与讨论

1.总氮去除：填料表面积越大，总氮去除率越高，相同表面积下，S-Fe填料的总氮去除率＞S-C填料；同种填料，表面积不同时，越大越利于总氮去除。

2.硝酸氮降解：一定范围内，硝酸氮降解速率随其浓度升高而升高，过高则受抑制；相同表面积、不同填料体系中，降解速率与硝酸氮浓度呈线性关系，硝酸氮浓度为5mg/L时，S-Fe填料降解速率是S-C填料的2.39倍。

3.NO2--N累积：铁、硫碳填料反应器运行有NO2--N累积，因水力停留时间减少致NO2--N负荷升高，抑制NO2--N还原酶活性，不过是短期现象，后续会被反硝化去除，各体系均如此。

4.硫酸根生成：硫铁、硫碳填料反应都会产生硫酸根，相同时间内硫铁填料产生更多，理论上每消耗1mgNO2--N或NO3--N会产生3.94或7.54mg的SO4²⁻，其浓度变化可间接反映硝酸氮变化。

5. 磷去除与酸碱：各反应器对磷去除效果佳，硫自养反硝化消耗碱度，每去除1mgNO3--N消耗4.54mg碱度，反应器运行使pH值下降，出水pH值S-Fe填料＞S-C填料，因S-Fe填料异养反硝化反应占比高。

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