自养反硝化技术-未来脱氮的更优选择(三)

作者: laokou 分类: 水处理 发布时间: 2020-09-03 10:32

1.1.2.3铁自养反硝化(单质铁或者二价铁为供体)

铁自养反硝化脱氮菌可以利用单质铁或二价铁为电子供体来进行反硝化反应,在厌氧的条件下,硝酸根代替氧气成为电子受体,硝酸根氮被还原为氮气。其反应原理如下图所示:

图1.1 铁自养反硝化原理图

铁的自养反硝化是一个比较复杂的过程,大致可分为两个阶段:一是铁腐蚀析氨,二是反硝化。第一阶段的反应式如下:

Fe0+2H2O→H2+Fe2+2OH                                           (1-7)

铁腐蚀产生的氢气可被反硝化还原菌所利用,将硝酸盐还原为氮气,反应方程式如式1-8所示。零价铁在一定条件可以式与硝酸盐直接发生化学还原反应,将硝酸盐过还原为氨氮,如图1.1左侧所示,其反应式为:

2NO3+5H2→N2+4H2O+2OH–                                                                 (1-8)

4Fe0+NO3+7H2O→4Fe2NH4+10OH–                                    (1-9)

铁与硝酸盐的生物反硝化过程的总反应式为:

5Fe0+2NO3+6H2O→5Fe2+N2+12OH                                 (1-10)

根据热为学研究证明,式1-9与式1-10的吉布斯自由能变分别为620kJ、1147kJ,可知在铁、硝酸盐、反硝化细菌共存的条件下,铁与硝酸盐优先进行生物反硝化过程。

铁自养反硝化是一个产碱的过程,随着反应的进行,pH逐渐升高,反硝化过程逐渐受到抑制,亚硝酸根产生积累。

Young等人在1964年就尝试以铁粉作还原剂脱除饮用水中硝酸盐氮,但约有75%的硝酸盐氮转化为氨氮,反应中需要调节pH值。

Huang Chin-Pao等人研究了pH值和铁粉量与硝酸盐浓度的比例对硝酸盐去除率和去除速率的影响。结果表明,在pH小于或等于4时,铁粉的表面积与硝酸盐的初始浓度之比为120m2/molNO3,或者比例更高些时,铁粉能够在1小时内通过还原作用去除硝酸盐。

Cheng等人研究了在有氧条件,不同pH值下的铁粉对硝酸盐的还原作用。在pH=7的条件下,反应是一个放热的过程(460kJ/mol),反应产物为氨氮和Fe2+

NO3+10H++4Fe0NH4++3H2O+4Fe2+                                       (1-11)

由于反应中需要消耗氢离子,所以为了使反应得以进行,必须在反应过程中加入酸和采取pH的缓冲措施。同时反应速度快慢的依次是:pH=5>pH=6>pH=7。铁粉还原法的原理都比较相似,所以有着共同的缺点:(1)反应中需要严格地调节pH值(产碱过程)使得反应得以进行;(2)反应后的水中有较多的氨氮和硝酸盐氮,所以仍然需要后续的处理。