铁-碳缓释碳源基质强化尾水脱氮除磷

doi:10.19965/j.cnki.iwt.2022-0380

摘要/Abstract

摘要：

投加缓释碳源是降低低碳氮比废水总氮（TN）的有效途径。使用聚己内酯（PCL）、玉米芯（CC）和二价铁盐（FeSO₄、FeCl₂）为电子供体，以聚乙烯醇和海藻酸钠为骨架，经过化学交联制备了PCL-CC基质（PC）、PCL-CC-FeSO₄基质（PCF-S）和PCL-CC-FeCl₂基质（PCF-C） 3种固体缓释碳源，构建了铁-碳协同脱氮除磷的反硝化滤池，并将其用于处理模拟废水，比较了PC、PCF-S和PCF-C在连续流反硝化滤池中的有机物释放特性与其强化脱氮除磷的性能。结果表明：PC、PCF-S和PCF-C 3种基质均可长期稳定释碳达48 d以上；在PCF-C与PCF-S缓释碳源滤池中，铁自养反硝化和异养反硝化之间存在明显的协同作用，2种反硝化作用的结合可显著增强滤池对氮磷的去除效果，3种碳源基质中PC反硝化潜能最好；相较于中低浓度阶段，高浓度进水阶段3种碳源滤池对氮素的去除率均有所下降，脱氮效果变差，这是由于高浓度进水阶段2种PCF基质出现铁壳积累现象，其积累程度由有机物释放速率和脱氮负荷共同决定。

关键词: 反硝化滤池, 缓释碳源, 共基质, 铁盐脱氮

Abstract:

The addition of slow-release carbon source is an effective way to reduce the total nitrogen（TN） in wastewater with lower C/N ratio. In this study，three solid slow-release carbon sources including PCL-CC matrix（PC），PCL-CC-FeSO₄ matrix（PCF-S） and PCL-CC-FeCl₂ matrix（PCF-C） were prepared using polycaprolactone（PCL），corncob（CC） and divalent iron salt（FeSO₄ and FeCl₂） as electron donor with polyvinyl alcohol-sodium alginate（PVA-SA） as hybrid scaffolds. The denitrifying filter with iron-carbon synergistic nitrogen and phosphorus removal was constructed and the organic matter release characteristics and the enhanced nitrogen and phosphorus removal performance of PC，PCF-S and PCF-C in continuous flow denitrifying filter were compared. The results showed that，the three substrates could release carbon stably for more than 48 d. In PCF-C and PCF-S slow-release carbon source filters，there was an obvious synergistic effect between iron autotrophic denitrification and heterotrophic denitrification. The combination of two kinds of denitrification could significantly enhance the removal effect of nitrogen and phosphorus in the filter. PC has the best denitrification potential among the three carbon source substrates. Compared with the medium and low concentration stage，the nitrogen removal efficiency of the three carbon source filters in the high concentration influent stage had decreased，and the denitrification effect had become worse. This was due to the accumulation of iron shells in the two PCF matrices in the high concentration influent stage，and the degree of accumulation was determined by the organic matter release rate and denitrification load.

Key words: denitrification filter, slow-release carbon source, co-substrate, ferrous iron-dependent denitrification

中图分类号:

X703.1

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https://www.iwt.cn/CN/Y2023/V43/I3/158

图/表 11

表1 缓释碳源基质材料组成

Table 1 Matrix material composition of slow-release carbon sources

基质名称	材料配比（每500 g基质）
PC	PCL（40 g）+玉米芯（40 g）+菌悬液（20 mL）+PVA-SA水凝胶
PCF-C	PCL（40 g）+玉米芯（40 g）+菌悬液（20 mL）+FeCl₂（4.54 g）+PVA-SA水凝胶
PCF-S	PCL（40 g）+玉米芯（40 g）+菌悬液（20 mL）+FeSO₄（5.40 g）+PVA-SA水凝胶

图1 实验装置示意

Fig. 1 Schematic diagram of experimental device

表2 各阶段进水水质

Table 2 Influent water quality at each stage

进水阶段	NO₃⁻-N/（mg·L^-1）	TP/（mg·L^-1）
启动阶段（0~7 d）	5.00±1.00	0
低浓度阶段（8~25 d）	5.00±1.00	0
中浓度阶段（26~36 d）	10.00±1.00	0.50±0.10
高浓度阶段（37~47 d）	20.00±2.00	0.50±0.10

图2 出水各电子供体浓度变化

Fig.2 Change of each electron donor concentration in effluent

图3 3种基质条件下滤池出水COD变化

Fig. 3 COD changes of filter effluent under three substrate conditions

表3 3种基质条件下滤池对不同浓度进水中氮素的平均去除率

Table 3 Average nitrogen removal rates in influent with different concentrations under three substrate conditions

指标	低浓度阶段			中浓度阶段			高浓度阶段
指标	PC	PCF-C	PCF-S	PC	PCF-C	PCF-S	PC	PCF-C	PCF-S
NO₃⁻-N平均去除率/%	90.8	92.8	92.9	97.9	98.6	97.9	86.5	69.8	73.4
NOₓ⁻-N平均去除率/%	90.5	92.6	92.7	97.7	98.5	97.8	85.3	68.2	71.7

图4 3种基质条件下滤池进出水NO₃⁻-N的变化

Fig.4 Changes of NO₃⁻-N in filter influent and effluent under three substrate conditions

图5 3种基质条件下滤池出水NO₂⁻-N的变化

Fig. 5 Changes of NO₂⁻-N in filter effluent under three substrate conditions

图6 3种基质条件下反硝化速率变化及其动力学拟合结果

Fig.6 Changes of denitrification rates and kinetic fitting results under three substrate conditions

表4 动力学拟合参数

Table 4 Dynamic fitting parameters

基质	拟合方程式	k/（mg∙L^-1∙h^-1）	K_S/（mg∙L^-1）	R²
PC	y=8.55x+0.031	32.05	274.09	0.980 03
PCF-C	y=8.60x+0.109	9.20	79.10	0.900 66
PCF-S	y=8.77x+0.081	12.31	107.91	0.923 23

图7 3种基质条件下滤池进出水TP变化

Fig. 7 Changes of TP in filter influent and effluent under three substrate conditions

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