硫/钢渣复合基质去除低碳源地表水中硝酸盐

doi:10.19965/j.cnki.iwt.2023-1149

摘要/Abstract

摘要：

氮污染物的积累极易导致水体富营养化，NO₃ ^--N是主要的氮污染物之一。使用钢渣与单质硫复合基质进行硫自养反硝化，利用SEM观察钢渣使用前后的表面形貌和微生物附着生长情况，采用XRD对比钢渣与石灰石的碱性差异，通过厌氧瓶批次实验对比了硫/钢渣与硫/石灰石体系的脱氮性能，探讨了投加质量比与投加量对硫/钢渣体系脱氮性能的影响，分析了硫自养反硝化前后的微生物群落结构特征。结果显示，钢渣含有Ca（OH）₂、CaCO₃、CaO、MgO、Ca₂SiO₄、Ca₃SiO₅和RO相等丰富的碱性物质，硫/钢渣体系相比硫/石灰石体系具有更强的脱氮性能。硫/钢渣投加质量比为1∶1且投加量均为20 g时，硫/钢渣体系脱氮效果最佳，TN去除率在第10天达到92.5%，高于硫/石灰石体系的87.4%。当硫和钢渣的投加量均超过20 g时，体系对TN和NO₃ ^--N去除效果提升不显著。微生物群落结构分析显示，起反硝化作用的微生物属于Proteobacteria（变形菌门）和Bacteroidota（拟杆菌门），相比硫/石灰石体系，硫/钢渣体系中微生物更加丰富，也更加稳定。

关键词: 硫自养反硝化, 钢渣, 硝酸盐氮, 微生物群落

Abstract:

The accumulation of nitrogen pollutants can easily lead to eutrophication of water bodies, and NO₃ ^--N is one of the main nitrogen pollutants. A composite matrix of steel slag and elemental sulfur was used for sulfur autotrophic denitrification. SEM was used to observe the surface morphology and microbial adhesion growth on steel slag before and after use. XRD was used to compare the alkalinity difference between steel slag and limestone. Anaerobic bottle batch experiments were conducted to compare the denitrification performance of sulfur/steel slag and sulfur/limestone systems. The effects of mass ratio and dosage on the denitrification performance of sulfur/steel slag systems were explored, and the microbial community structure characteristics before and after sulfur autotrophic denitrification were analyzed. The results showed that steel slag contained abundant alkaline substances such as Ca(OH)₂, CaCO₃, CaO, MgO, Ca₂SiO₄, Ca₃SiO₅, and RO phase. The sulfur/steel slag system had stronger denitrification performance compared to the sulfur/limestone system. When the mass ratio of sulfur/steel slag was 1∶1 and dosages were 20 g, the denitrification effect of the system was the best, and the TN removal rate reached 92.5% on the 10th day, which was higher than 87.4% of the sulfur/limestone system. When the dosage of sulfur and steel slag exceeded 20 g, the system had no significant effect on improving the removal of TN and NO₃ ^--N. The analysis of microbial community structure showed that the microorganisms responsible for denitrification belonged toProteobacteria and Bacteroidota. Compared with the sulfur/limestone system, the microbial diversity in the sulfur/steel slag system was more abundant and the microorganisms were more stable.

Key words: sulfur autotrophic denitrification, steel slag, nitrate nitrogen, microbial communities

中图分类号:

X703

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https://www.iwt.cn/CN/Y2025/V45/I1/41

图/表 9

图1 使用前后钢渣的SEM 使用前钢渣表面形貌（a，b）与微生物生长情况（c）；使用后钢渣表面形貌（d，e）与微生物生长情况（f）。

Fig.1 SEM of steel slag before and after use

图2 石灰石（a）和钢渣（b）的XRD

Fig.2 XRD spectra of limestone（a） and steel slag（b）

图3 硫/钢渣与硫/石灰石体系的脱氮性能对比

Fig.3 Comparison of denitrification performance between sulfur/steel slag and sulfur/limestone systems

图4 不同硫/钢渣投加质量比下污染物去除效果

Fig.4 Pollutant removal efficiency under different sulfur/steel slag mass ratios

图5 硫/钢渣不同投加质量比下DO（a）、pH（b）、ORP（c）变化

Fig.5 Variations of DO （a），pH （b） and ORP （c） at different mass ratios of sulfur/steel slag

图6 硫/钢渣投加量对脱氮效能的影响

Fig.6 Effects of sulfur/steel slag dosage on denitrification efficiency

图7 门水平的微生物群Circos

Fig.7 Circos diagram of microbial community at phylum level

图8 属水平的微生物群落分布（a）和热图（b）

Fig.8 Distribution of microbial communities（a） and heat map（b） at genus level

图9 属水平Venn图

Fig.9 Venn diagram at genus level

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