摘要
近年来，污水排放标准日益严格，氮磷稳定达标仍面临挑战，与此同时，随着我国碳达峰碳中和目标的提出，对城市水环境保护和城市水系统建设提出了更高的要求。因此，持续对污水处理厂进行提质增效，仍是我国环境领域的重要任务。传统生物脱氮工艺（即异养反硝化）需要足够的碳源才能高效运行，使得处理成本大大增加，且容易产生二次污染，碳排放强度大幅提高。硫自养反硝化具有污泥产量小、无需外加碳源、运行成本低、二次污染小等优点，备受研究者青睐。但是仍存在反硝化效能较低、对环境条件要求较为苛刻等问题。此外，在脱氮的同时高效除磷也是污水处理领域亟需解决的难题。 因此，本文系统研究了硫-铁复合自养反硝化系统的同步脱氮除磷性能，探讨硫铁尾矿驱动的硫自养反硝化同步去除二级生化出水中氮磷的可行性；以硫磺、菱铁矿粉及醌类介体为主要原料，制备新型硫自养反硝化填料；设计、搭建连续流反应器，考察硫基填料、铁碳填料不同填充比例对脱氮除磷性能的影响。为硫铁耦合自养反硝化同步脱氮除磷工艺的实际应用提供支撑。主要研究结果如下： （1）探究低品位硫铁尾矿深度脱氮除磷潜力。选择硫铁复合自养反硝化对二级生化出水进行深度处理，利用硫铁矿和菱镁矿等天然尾矿中的还原性硫（S-1）和铁（Ⅱ）等为电子供体，构建SICAD（Sulfur?Iron(II)Carbonate Autotrophic Denitrification）系统。结果表明，水力停留时间12h时硝态氮去除效率可以达到85%以上，最大脱氮负荷为0.04mg NO3?-N/m3·d，可作为人工湿地强化脱氮除磷填料。 （2）针对现有自养反硝化效率低的问题，进行强化型硫自养反硝化填料制备和性质表征。以硫磺为硫源，选取醌类氧化还原介体、碱性材料（菱铁矿粉、铁碳粉末、贝壳粉）及粘合材料（钠基膨润土、白水泥）等，制备硫基复合填料，考察蒽醌类氧化还原介体、铁碳粉末、贝壳粉以及粒径对硫自养反硝化的影响。结果表明，蒽醌能增加反硝化效率，S/FeCO3?4自养反硝化体系在48h时硝态氮去除率最高可达到95%，提高37%。同时，该填料具有良好的除磷性能，在初始总磷浓度为43mg/L的条件下，24h内总磷的去除率最好可以达到93%，在脱氮的同时实现高效除磷。 （3）针对硫自养反应过程中产酸、受溶解氧影响较大等问题，开展铁碳微电解耦合硫自养反硝化同步脱氮除磷研究。自制硫基填料和铁碳填料按不同比例填充，搭建多组连续流反应器，以市售硫基填料作为对照组，对其脱氮除磷性能等进行系统表征，确定运行的最佳条件。结果表明，反应器2（自制硫基填料：铁碳填料体积比3：1）为最佳配比，其在水力停留时间为4h，初始硝酸盐氮浓度为30mg/L，C/N为1的条件下具有最高的脱氮除磷效率；对实际二级出水深度处理，出水硝酸盐氮、总磷浓度达到2mg/L、0.15mg/L左右，实现污水达标排放，实现氮磷深度去除；碳排放强度比异养反硝化少46g CO2/m3，节省75%~83.3%碳源，为减污降碳做出极大贡献，在国家“双碳”战略背景下，具有广阔的应用前景。
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