有机物在富铁基质中的厌氧转化机制

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人工湿地的基质床体被污水浸没时容易形成厌氧环境,其中的部分有机物会通过厌氧途径去除。人工湿地常用基质通常富含三价铁,而厌氧条件下Fe(Ⅲ)氧化物可通过异化铁还原反应被还原进而影响有机物的厌氧转化,导致人工湿地基质床体中有机物的厌氧去除途径比较复杂,目前还缺乏深入的研究。本文以南方地区富含铁氧化物的红壤为基质,以葡萄糖为有机物,系统分析了有机物在富铁基质中的厌氧转化机制。(1)利用富铁基质构建的床体对不同有机物浓度的污水进行了169d连续处理。结果发现:污水中的有机物在溶氧并不充足的富铁基质床体内稳定去除,COD平均去除率都在80%以上,去除机制应该以厌氧过程为主。(2)通过设定COD浓度分别为:500mg/L、1000mg/L、2000mg/L、4000mg/L、6000mg/L、10000mg/L的富铁基质柱的静态厌氧处理实验,考察了反应系统中CH4、CO2、亚铁的变化。结果显示:当COD浓度低于2000mg/L时,反应体系中的CH4含量可以忽略不计,但CO2和亚铁已有显著的增加。因此,当有机物浓度较低时,有机物的厌氧去除主要与水解酸化、异化铁还原反应有关。当COD浓度在2000mg/L~6000mg/L范围时,有CH4大量生成,而且含量随着有机物浓度的增加而上升,同时体系中也有CO2和亚铁大量生成。此过程中有机物的厌氧降解应该与水解酸化、产甲烷和异化铁还原过程都有关系。但COD浓度上升至10000mg/L时,体系中仍有CO2和亚铁生成,但亚铁的含量远小于其它体系。表明该过程有异化铁还原反应发生但受到了一定抑制。(3)对COD浓度为6000mg/L的反应体系深入研究,分析了反应过程中CO2、H2、CH4、乙酸、亚铁、SO42-、NO3-、NO2-以及p H的变化,进一步探究有机物的厌氧转化机制。结果发现:葡萄糖在假单胞菌属和梭菌科的作用下水解酸化生成H2和乙酸。红环杆菌科以乙酸为电子供体,梭菌科以部分葡萄糖、部分乙酸和H2为电子供体发生异化铁还原反应生成大量亚铁。此外,大部分乙酸通过甲烷八叠球菌属裂解产甲烷,而产生的甲烷之后可能被厌氧氧化。各个反应过程中产生的CO2随着p H的上升被固定从而不断减少。(4)通过对多批次反应前后的基质进行XRD和XPS测定和分析,结果发现:红壤中参与异化铁还原的铁氧化物应该以无定型为主。
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