Page 211 - 《精细化工》2023年第9期

第 9 期 邵 磊，等: 改性黄铁矿为电子供体的生物反硝化脱氮性能 ·2059·

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210 min 缩短至 90 min，NO 3 -N 去除率从 78.20%提 量的增加显著增强了微生物的自养反硝化作用。由
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高到 98.60%，这是因为电子供体数量增多导致反硝化 此可得，NO 3 -N 去除率与添加的改性黄铁矿量存在
速率加快。改性黄铁矿反硝化反应如式（4）所示： 正比关系。
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18.5NO 3 +10Fe 0.95 S 1.05 (s)+15H 2 O→9.25N 2 (g)+
2−
10.5SO 4 +9.5Fe(OH) 3 (s)+1.5H + （4） 表 2 不同改性黄铁矿投加量下的反硝化反应动力学
Table 2 Denitrification kinetics of modified pyrite with
different dosage
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投加量/(mg/L) k /[mg/(L·h)] R
200 6.12 0.991
300 6.54 0.987
400 8.10 0.980
500 8.88 0.978
600 12.36 0.980

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2.9.2 NO 3 -N 初始质量浓度的影响
作为一个生物反应过程，改性黄铁矿自养反硝

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化反应受底物（NO 3 -N）质量浓度的影响 [30] ，NO 3 -N
图 9 不同改性黄铁矿投加量的脱氮性能 –
Fig. 9 Nitrogen removal performance of modified pyrite 在一定浓度下，存在最大反硝化速率。NO 3-N 初始质
with different dosage 量浓度对改性黄铁矿脱氮性能的影响，结果见图 10。
从图 10 可以看出，NO 3 -N 初始质量浓度低于 33 mg/L
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根据式（4）计算，1 mg 改性黄铁矿可以将 时，反应在 1.50 h 内达到平衡终点，NO 3 -N 去除率
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0.76 mg/L 的 NO 3 -N 还原为 N 2 。考虑到反应为非均 可达 95.60%，且初始质量浓度为 33 mg/L 时存在最
相反应，固体颗粒作为电子供体，颗粒内部难以参 大反硝化速率〔15.40 mg/(L·h)〕。当 NO 3 -N 初始质
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与反应，导致固体颗粒实际需求量远大于理论量， 量浓度为 43 mg/L 时，去除率为 75.70%，反硝化速率
本实验以 200 mg/L 为起始投加量。但在投加量小于 降至 12.90 mg/(L·h)。NO 3-N 去除率取决于 NO 3 -N 负
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500 mg/L 时，改性黄铁矿体系中 NO 3 -N 未被完全还 载速率（NLR）。当 NLR 远低于最大反硝化速率时，
原，根据文献 [9,21] 报道，可能是沉淀物 Fe(OH) 3 阻隔 去除率可保持较高且恒定的水平。当 NLR 接近或超过
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反应的进行导致 NO 3 -N 未被完全还原。由图 9 可知， 最大反硝化速率时，尽管反硝化速率可以保持在较高
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投加量为 500 mg/L 时，NO 3 -N 能完全被还原且时间 水平，但去除率会迅速下降 [10] 。当 NO 3 -N 初始质量
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仅需 2 h，且考虑到处理成本等因素，选取 500 mg/L 浓度大于 33 mg/L 后，对脱氮硫杆菌的反硝化作用有
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为最佳投加量。 明显的抑制作用，可能是菌种驯化时 NO 3 -N 质量浓
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动力学分析是探究 NO 3 -N 去除过程中限制因素 度约为 29 mg/L，所以，当 NO 3 -N 初始质量浓度升
的重要方法。基于图 9 的结果，零级动力学模型适 到 33 mg/L，略高于 29 mg/L 时，不影响整体脱氮反
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用于分析 NO 3 -N 的去除。这表明反应速率不受改性 应，但升至 43 mg/L 时，微生物需要一个适应期。考
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黄铁矿自养反硝化反应过程中 NO 3 -N 含量的限制。 虑到城市污水中 NO 3 -N 初始质量浓度约为 18 mg/L，
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这和 ZHOU 等 [28] 对于黄铁矿自养反硝化作用实验所 选择 NO 3-N 初始质量浓度为 18.50 mg/L。
得到的反应动力学相同。采用零级动力学模型〔式
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（5）〕，根据 k 值与 NO 3 -N 质量浓度之间的线性
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独立性，表明 NO 3 -N 质量浓度是足够的，且 NO 3 -N
质量浓度不限制反应速率 [29] 。
 t   0  kt （5）
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式中： 为 t 时刻的 NO 3 -N 质量浓度，mg/L； 为
t
0
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初始 NO 3 -N 质量浓度，mg/L；k 为 NO 3 -N 还原速率
常数，mg/(L·min)。
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将 NO 3 -N 的数据用线性回归方程拟合，计算反
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应速率常数和相应的 R ，结果如表 2 所示，线性回
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归拟合效果较好（R >0.97）。反应速率常数随着改 图 10 NO 3 -N 初始质量浓度对改性黄铁矿脱氮性能的影响
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Fig. 10 Effect of initial NO 3 -N mass concentration on
性黄铁矿投加量的增加而增加，且改性黄铁矿投加 nitrogen removal performance of modified pyrite