基于多孔硫铁复合颗粒的污水强化脱氮除磷及颗粒再生的技术基础研究

Conventional wastewater treatment has problems in high energy consumption and nutrients removal. To solve these problems, this study will develop a novel wastewater treatment system consisting of aerobic bioreactor, granular iron sulfide (GIS)-based biofilter and GIS regenerating reactor. The GIS is a porous material with very high specific surface area which uses active granular iron hydroxide (GIH) as carrier and is synthesized via biological sulfate reduction. The GIS supports effective autotrophic denitrification and enhanced phosphorus precipitation in biofilter to achieve over 95% of TN and TP removal efficiency without additional chemicals dosing. The GIS regenerating reactor is filled with GIH. The sulfate produced from autotrophic denitrification will be reduced by sulfate reducing bacteria using residual organics and activate sludge as carbon source to form GIS again in this regenerating reactor. The discharge of sulfate is hence limited. 16s rRNA high-throughput sequencing will be applied to investigate important functional bacteria for biological sulfate reduction and autotrophic denitrification. XAS analysis will be utilized to identify the S, Fe and P species and their transformation dynamics in biological sulfate reduction and autotrophic denitrification processes. With the utilization of S respiration and transition in the biological system, an energy saving, cost-effective, and environmental-friendly wastewater treatment system is developed.

针对传统污水处理工艺高能耗、氮磷去除困难等缺点，本项目开发一种新型生物滤池处理工艺，通过填充硫铁复合颗粒高效耦合硫自养反硝化和化学强化除磷至现有二级生物处理工艺中，实现无需外加碳源和化学试剂的强化脱氮除磷。新型工艺创新性的加入硫铁复合物再生系统，在处理工艺尾端以羟基氧化铁颗粒为载体通过生物硫还原作用，限制硫酸根排放，并实现硫铁复合物的循环利用。为解决天然硫铁矿低活性的问题，本项目首次提出基于生物硫还原作用的生化合成方法。该方法以羟基氧化铁颗粒为载体，通过生物硫还原作用，制备具有高孔隙率、高比表面积、高活性的粒状硫铁复合材料，用以提高硫自养反硝化的反应速率。该生化合成方法无需采用强酸强碱等化学试剂和高温高压的操作环境，操作简单安全、环保可靠、成本低廉，并具备可再生循环利用的特性。此外，本项目将采用X射线吸收光谱和高通量测序法，揭示生物滤池中厌氧微生物利用硫铁复合物实现强化脱氮除磷的生化机制。

随着“双碳”目标体系的进一步提出，我国已进一步指明“减污降碳协同增效”这一目标是“十四五”时期的重点工作，而水体污染物的减排与降碳便是其重要方面之一，因此，污水厂的提标改造迫在眉睫。通过硫铁矿生物滤池实现脱氮除磷是绿色低碳、成本低廉的污水处理新技术，已得到广泛关注。然而天然硫铁矿的低活性和硫酸根的产生限制了该技术的发展。本项目创新性的提出通过生物硫还原作用的生化合成方法，以海绵羟基氧化铁为载体，制备高活性硫化羟基氧化铁海绵填料。.本研究利用生物硫还原作用，在缺氧条件下，使硫还原菌以有机底物作为电子供体，将溶液中的硫酸根还原，以羟基氧化铁颗粒为载体，在其表面形成硫铁复合层，从而形成一种具备高孔隙率高比表面积的硫化羟基氧化铁（SFH）。区别于其他化学合成硫铁化合物的方法，新研发的生化合成方法无需采用强酸强碱等化学试剂和高温高压的操作环境，操作简单安全、环保可靠、成本低廉。基于生物法合成的硫化羟基氧化铁可实现较好的连续强化脱氮除磷效果，在低水力停留时间条件下，出水总氮低于5 mg/L，总磷低于0.5mg/L，氮磷去除效率达到95%以上。经X射线吸收光谱技术进行铁硫形态分析发现新方法制备的硫化羟基氧化铁含负价态硫的比例高，可提供更多电子用于自养反硝化，脱氮速率达48.96 mg/L/d。此外，本研究生化合成的新型填料将具备可再生循环利用的特性。在自养反硝化菌和硫还原菌稳定共存的混合菌体系中，当材料中的硫消耗后，可原位通过硫还原菌进行基于生物硫还原作用的SFH再生。研究发现SFH的再生性很好，随着再生次数的增加，硫的再生率从32%提高到80%，再生后的累积脱氮总量提高到138 mg/g。