低碳氮比废水中总氮铁屑耦合固相反硝化处理

低碳氮比（C/N＜3）废水因碳源不足导致反硝化效率低下，传统外加碳源法又面临成本高、二次污染等挑战。铁屑耦合固相反硝化技术通过零价铁的电子供体作用与生物膜协同增效，为解决这一难题提供了创新路径。

技术原理与协同机制

该技术将铁屑与生物炭、竹刨花等固态碳源结合，形成“化学-生物”协同体系：

铁屑的电子供体作用：零价铁（Fe⁰）腐蚀产生的Fe²⁺可作为电子供体，通过异化铁还原（DIR）途径将硝酸盐（NO₃⁻）还原为亚硝酸盐（NO₂⁻），最终转化为氮气（N₂）。此过程无需额外有机碳源，弥补了低碳氮比废水的碳缺陷。

生物膜的强化作用：竹刨花等固态碳源表面附着反硝化菌群（如假单胞菌属、硫杆菌属），通过生物反硝化将NO₃⁻逐步还原为N₂。铁屑腐蚀释放的Fe²⁺可刺激微生物分泌胞外聚合物（EPS），增强生物膜稳定性，同时Fe²⁺/Fe³⁺的氧化还原循环促进电子传递效率。

实验表明，耦合体系中Fe²⁺与微生物的协同作用使总氮（TN）去除率较单一生物反硝化提高40%-60%，且出水COD浓度稳定低于50mg/L，避免了二次污染。

工艺优化与关键参数

铁碳投加比例：铁屑与竹刨花的体积比需控制在1:2至1:3之间。铁屑过量会导致Fe²⁺浓度过高，抑制微生物活性；比例过低则电子供体不足，脱氮效率下降。

pH环境调控：中性至弱碱性条件（pH 7.0-8.5）最有利于Fe⁰腐蚀与微生物共生。酸性环境虽加速铁腐蚀，但可能引发Fe²⁺积累，导致NH₄⁺释放（DNRA过程），降低TN去除率。

水力停留时间（HRT）：HRT需根据进水TN浓度动态调整。研究表明，当进水TN为40-60mg/L时，HRT为18-24小时可实现TN去除率＞85%。

工程应用与经济效益

重庆某污水处理厂的示范项目显示，采用铁屑耦合竹刨花反应器处理低碳氮比废水（TN 41.62-59.95mg/L，COD 9.92mg/L），系统稳定运行105天后：

TN去除率：耦合体系达70%-92.79%，较单一生物反硝化提高近1倍；

污泥减量：铁屑腐蚀产物（Fe₃O₄等）与生物膜协同作用，使剩余污泥产量减少20%以上；

经济性：无需外加碳源，吨水处理成本降低30%-40%，且铁屑来源广泛（车床废料），运维成本仅为传统工艺的50%。

挑战与未来方向

当前技术仍面临Fe²⁺释放不可控、生物膜易堵塞等问题。未来研究可聚焦：

缓释型铁碳材料：开发包埋铁屑的复合载体（如生物炭-聚合物复合材料），稳定Fe²⁺释放速率；

微生物群落调控：通过群体感应淬灭技术抑制竞争性菌群，富集高效反硝化菌；

多级工艺耦合：与厌氧氨氧化（Anammox）或电化学系统联用，进一步提升脱氮效能。

结语

铁屑耦合固相反硝化技术通过“以废治废”模式，为低碳氮比废水处理提供了经济高效的解决方案。其环境友好性与资源化潜力契合可持续发展需求，未来规模化应用前景广阔。