在全国实施“控源减排”后,废水有机污染得到有效治理,氮磷污染上升为主要环境问题,针对废水低C：N：P的限制,亟需开发自养脱氮除磷技术。以二价铁为电子供体、以硝酸盐为电子受体的硝酸盐型厌氧铁氧化(NAFO)是环境领域和微生物领域的重大发现。它不仅能将硝酸盐转化成氮气,提供一种废水生物自养脱氮技术,而且能将二价铁转化成三价铁,提供更为经济高效的化学除磷沉淀剂。有鉴于此,本文分别研发了厌氧铁氧化脱氮技术和强化铁盐除磷技术,考察了两种技术的运行性能和过程特征,并以厌氧铁氧化为纽带,探索了新型铁盐脱氮除磷复合技术,主要结论如下：1)研发厌氧铁氧化脱氮工艺,探明了运行性能和控制条件。厌氧铁氧化脱氮工艺可成功应用于废水脱氮。经过长期运行,厌氧铁氧化脱氮系统的硝氮容积负荷和容积去除率分别稳定于0.161+0.008 kg-N/(m3·d)和0.076±0.006 kg-N/(m3·d),达到了文献报道水平。温度、出水pH、硝酸盐浓度和有机物等环境条件对厌氧铁氧化脱氮工艺具有不同的影响。适宜温度为30.15℃,适宜pH高于6.0,适宜进水硝氮浓度低于130 mg/L,有机物的短期冲击对反应系统没有显著影响。反应系统的出水pH和硝酸盐去除率之间有较好的相关性,可考虑用作脱氮性能的指示参数。2)观测厌氧铁氧化脱氮污泥的形貌、密度、元素组成、微生物群落等性状,探明了污泥特性和菌群组成。厌氧铁氧化脱氮污泥具有良好的沉降性能。在稳态运行的厌氧铁氧化脱氮反应器中,污泥表面积平均粒径和体积平均粒径、湿密度、沉降速度较接种污泥均显著增大,分别达到1468.98±64.53μm和2389.00±31.52μm,1580±80 kg/m3、 390.07±161.31m/h。厌氧铁氧化脱氮污泥具有独特的形貌。在稳态运行的厌氧铁氧化脱氮反应器中,污泥表观上呈团聚体和特征性黄色；微观上细胞表面粗糙度增大。厌氧铁氧化脱氮污泥具有较高的铁素含量。在稳态运行的厌氧铁氧化脱氮反应器中,污泥Fe元素含量高达51.73%(m/m),主要以赤铁矿、磁铁矿和氧化铁等形式存在。厌氧铁氧化脱氮污泥菌群变化显著。厌氧铁氧化驯化后,污泥中物种多样性提高,优势菌群主要分布于变形菌门的a-Proteobacteria、 P-Proteobacteria 和 y-Proteobacteria,厚壁菌门的Clostridia和放线菌门的Thermoleophilia 和 Actinobacteria。3)试验操作条件对传统铁盐除磷工艺的影响,探明了传统工艺的适宜条件和运行性能,并揭示了过程特征。“优先/联合”优化控制模式适用于亚铁盐除磷工艺。各工艺条件对废水除磷效率的贡献大小排序为：Fe(Ⅱ)/P>pH>FMS;工艺条件之间的复合效应为负效应,其大小排序为：Fe(Ⅱ)/P-FMS> pH-FMS> Fe(Ⅱ)/P-pH,操作中应当抑制复合作用产生的负效应。对于浓度为100 mg/L的含磷废水,通过模型分析所确定的优化操作参数为：Fe(Ⅱ)/P为3.32,pH值为7.49,FMS为182r/min。传统铁盐除磷工艺中需要投加过量药剂使废水磷达标排放,随着出水磷浓度降低,去除单位磷酸盐的药剂投加量增加。对于浓度为100 mg/L的含磷废水,出水磷浓度达标所需的铁盐投加量为4.12-5.83 kg-Fe(Ⅱ)/kg-P。传统铁盐除磷过程属于偏衡反应。要维持较低的出水磷浓度,需要在液相留存较高的亚铁盐浓度；水解反应形成Fe(OH)2与Fe3(PO4)2产生竞争,降低了沉淀剂的有效性；两者都是导致传统铁盐除磷工艺中药剂投加量过大的重要原因。4)研发强化铁盐除磷工艺,探明了运行性能,揭示了过程特征。强化铁盐除磷工艺具有高效性和经济性,适用于低、中、高浓度含磷废水处理。在稳态工况下,容积去除速率最高为2.86±0.04 kg-P/(m3·d) (2.60-2.76 kg-Fe(Ⅱ)/kg-P),磷去除率达到97%以上,沉淀剂有效利用率高达97%以上,单位处理成本为＄0.632-0.673/kg-P,优于同类研究。强化铁盐除磷工艺可加速混凝除磷反应。通过在反应器设置内构件限制跨域返混,可在反应区Ⅰ形成局域高反应物浓度,加速除磷反应；通过反应区Ⅱ反应产物的内循环,可维持反应区Ⅰ的局域高反应物浓度,有利于后续絮凝沉淀和过滤分离除磷。强化铁盐除磷工艺可强化絮凝沉淀分离过程。通过在反应器内形成“絮凝物滤器”,可促进新生磷酸亚铁盐沉淀,强化絮凝沉淀和过滤分离过程,提高废水除磷效率和亚铁盐有效利用率。强化铁盐除磷工艺可强化沉淀物中磷资源的回收利用。在强化工艺“絮凝物滤器”沉淀物中,磷含量最高达30.44%(以P205计),具有回收利用价值。5)试验厌氧铁氧化污泥和出水的除磷性能,探讨了新型铁盐脱氮除磷复合工艺的装置和组建。厌氧铁氧化脱氮工艺污泥可用于废水除磷。其容积去除速率为1.48kg-P/(m3·d) (18.46 mg-P/g-VS),优于文献报道的同类研究结果,并达到了化学除磷工艺水平。厌氧铁氧化脱氮工艺出水可用于废水除磷。出水中同时存在亚铁盐和高铁盐是其经济高效性的重要致因,其除磷效能为342 kg-Fe/kg-P。“自生高铁化学除磷-厌氧铁氧化生物脱氮一体化装置”可用于铁盐脱氮除磷复合工艺,其中厌氧铁氧化生物脱氮是复合工艺的瓶颈环节,需进一步强化。
