引言

我国环境水体中NO-3-N污染不断加重，而污水厂排水是环境水体中NO-3-N的主要来源之一。国内污水处理厂排水中的氮素以NO-3-N为主，占总氮(TN)的28%~68%，若直接排放至环境水体中，将引起水体富营养化，并可能导致水体黑臭。因此，NO-3-N的脱除已成为污水厂排水TN排放控制的重点。一般认为，当污水中BOD5/TN<3~5时为低碳氮(C/N)比污水。然而，生活污水经污水厂二级处理后，BOD被大量消耗，导致排水BOD5/TN仅为0.3~0.8，属于典型的低C/N比污水，此污水再利用传统生物脱氮工艺难以实现深度脱氮。若采用物化法，如反渗透、离子交换、电渗析等，在污水处理中虽能达到一定的脱氮效果，但存在投资高、能耗高、产生浓水等缺点，不适用于污水厂排水的深度脱氮处理。

因此，开发高效、低耗、无二次污染的深度脱氮新技术具有重要意义。已有研究表明，利用零价铁(ZVI)可快速还原NO-3-N，但受pH影响严重，常需将pH调节至4~5以下，且还原产物以NH+4-N为主，难以实现TN脱除。为提高ZVI还原NO-3-N的效率，李铁龙等和郑西来等利用纳米零价铁(nZVI)还原NO-3-N，大大提高了零价铁还原NO-3-N的效率，同时减小了pH对还原反应速率的影响。但nZVI在反应中钝化速率快，还原产物仍以NH+4-N为主，且nZVI的生产成本远高于普通ZVI，因此该技术仍未得到实际应用。

化学催化载体在去除污水中NO-3-N应用较广，添加催化剂加快了载体对水体中NO-3-N去除速度，但催化剂的选择和催化活性是研究的难点，而且在不完全作用下可能产生亚硝酸盐氮(NO-2-N)，在过量作用下生成NH+4-N等副产物。本研究以ZVI为基质，将ZVI与催化剂、起泡剂、黏合剂等混合烧制成为铁基质高效催化脱氮载体，通过实验室模拟污水厂排水，探究不同铁基质催化活性、pH和NO-3-N浓度对污水中NO-3-N去除的影响及机制，以提高NO-3-N还原效率，进一步减小pH对还原反应的抑制，同时减少还原过程中NO-2-N和NH+4-N的生成，实现真正意义上的TN脱除。研究结果可为不同污水水体深度脱氮提供理论依据和技术支持。

1材料与方法

1.1铁基质高效催化脱氮载体

为提高污水中NO-3-N去除率，自主研发了铁基质高效催化脱氮载体。该脱氮载体是以ZVI为主要原料，加入多元金属催化剂、起泡剂和黏合剂，混合制成10~20mm载体，在(110±2)℃干燥箱中干燥1h，然后放入焙烧炉中，在(1000±50)℃高温下焙烧而成。脱氮载体物理强度≥600kg?cm-2，孔隙率45%~50%，BEM比表面积31~34cm2?g-1，总孔体积为0.02226cm3?g-1，将铁基质高效催化脱氮载体做切片，放在ZEISSEVO18SpecialEdition扫描电镜(SEM)下放大20、1000倍观察，如图1(a)、(b)所示，可见ZVI和活性炭在高温下以黏合剂为骨架，成型效果较好，内部多孔。本研究脱氮载体中所加入的多元金属催化剂为A、B、C和D：催化剂A由第五周期过渡金属元素配制而成；催化剂B由第四周期Ti等过渡金属元素配制而成；催化剂C、D由催化剂A、B混合而成，催化剂C中的催化剂A含量高于催化剂B含量(即第四周期元素含量高于第五周期元素含量)，催化剂D中的催化剂A含量低于催化剂B含量(即第四周期元素含量低于第五周期元素含量)。根据投加催化剂种类将烧制的脱氮载体分别命名为载体A、载体B、载体C和载体D。另外，不加任何催化剂的载体为载体O，作为实验的空白对照。各类载体如图1(c)～(g)所示。

1.2实验装置及方法

本研究的实验装置如图2所示。首先将铁基质高效催化脱氮载体在去离子水中浸泡1h，直至脱氮载体表面无气泡，按照去离子水和脱氮载体体积比为3∶1分别向500ml烧杯中加入150ml去离子水和50ml脱氮载体，控制摇床转速为150r?min-1振荡运行，实验温度控制为25℃。按实验设计控制取样时间，并同时测量pH，各水质指标分析方法均参考《水和废水监测分析方法》。pH采用WTW340i玻璃电极检测，NH+4-N、NO-3-N和NO-2-N分别采用纳氏试剂光度法、220/275nm双波长分光光度法和N-(1-萘基)乙二胺分光光度法，实验过程中主要分析仪器为紫外-可见光光度计(UV2102C,UNICOcompany,USA)。