钼酸根介导对 FeCl3 改良废污泥中铁结合磷积累的增强作用

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Molybdate-mediated enhancement of Fe-associated phosphorus accumulation in FeCl 3-amended waste sludge

　　

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  Fe²⁺的生成与维持是Fe–P累积的互补控制因素。
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  在所测试的铁源中，FeCl₃产生了最强的Fe²⁺–磷酸盐响应。
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  Mo-3持续维持了SO₄^2-的保留，并将运行态Fe–P从33%提高至49%。

引言

磷（P）是生物生长所必需的养分，已成为污水处理和污泥管理中日益重要的目标。进入市政污水处理厂的磷有相当一部分被保留在废弃污泥中，使污泥成为重要的二次磷资源[1]。回收污泥中的磷对养分循环利用和减少磷矿石资源依赖具有重要意义[2]、[3]。基于结晶的回收方法可将溶解态磷酸盐转化为固体含磷产物，包括鸟粪石（MgNH₄PO₄·6H₂O）、羟基磷灰石（Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂）和磷铁矿（Fe₃(PO₄)₂·8H₂O）[4]。在这些途径中，磷铁矿的形成与厌氧污泥系统尤为相关，在这些系统中有机质、磷酸盐和含铁相在还原条件下共存[5]、[6]。

磷铁矿已被鉴定为无氧沉积物和厌氧消化污泥中磷的重要汇[7]、[8]。在厌氧消化过程中，有机质降解释放磷酸盐，而微生物和化学还原含Fe³⁺相提供Fe²⁺[9]、[10]。Fe2?与磷酸盐的共存创造了Fe–P沉淀和磷铁矿形成的条件[6]。最终形成的矿物相取决于pH值、Fe/P摩尔比、铁源特性和污泥基质组成[11]、[12]。近期关于 sewage sludge 热水解热碳化（HTC）的研究进一步说明了这些因素如何影响磷的转化。Li等人[13]发现，初始pH值改变了Fe(III)辅助HTC过程中水炭的磷分配和矿物组合。在另一项FeCl₃辅助HTC研究中，Li等人[14]将磷铁矿结晶与近中性条件、Fe/P摩尔比以及钙的竞争性降低联系起来。这些发现使铁的可获得性和其他离子的竞争性受到关注。在厌氧污泥系统中，铁剂优化、碳基改良剂、导电材料和电化学刺激已被探索用于增强铁的还原和磷酸盐固定[15]。在含硫酸盐的污泥中，部分生成的Fe2?可与硫化物反应生成FeS，从而影响可用于Fe–P沉淀的Fe2?[16]。

硫酸盐还原菌（SRB）在厌氧条件下将SO₄^2-及其他氧化态硫物种还原为硫化物[17]。产生的硫化物易与Fe²⁺反应生成FeS，降低了可用于Fe–P沉淀和磷铁矿结晶的Fe²⁺池[9]、[18]。因此，在废弃污泥中促进磷铁矿形成需要可还原的铁源以及对硫化物驱动的Fe²⁺消耗的控制。尽管铁的添加已被广泛研究，但SRB抑制作为保留Fe²⁺用于Fe–P沉淀并将竞争从FeS形成转移开来的手段，却相对较少受到关注。近期的污泥发酵研究也表明，硫酸盐还原强度可改变下游资源回收途径[19]。

本研究建立了一种将Fe²⁺生成与Fe²⁺持续可用性相联系的顺序两阶段策略，以调控废弃污泥中的Fe/S/P转化。首先，在相同的Fe投加条件下比较了FeCl₃、Fe₂O₃、Fe₃O₄和γ-FeOOH，以确定能够生成可用Fe²⁺池并促进磷酸盐固定的铁源[20]。在第一阶段筛选条件下表现出最强的酸可提取Fe²⁺和终点溶解态PO₄^3-–P综合响应的FeCl₃，随后被固定为比较钼酸盐、钨酸盐和亚硝酸盐在SO₄^2-保留、溶解态Fe²⁺可用性和磷酸盐转化方面的铁源背景。这种顺序设计的贡献在于：在固定的FeCl₃背景下将铁源筛选与抑制剂特异性SO₄^2-保留联系起来，并通过时间分辨水相化学分析、运行态P分配和XRD表征评估由此产生的Fe/S/P响应。终点微生物谱也被比较以提供Fe/S/P响应的生态背景。

章节摘要

剩余污泥的来源与特性

废弃污泥采集自中国兰州和平污水处理厂二级沉淀池，该厂采用氧化沟工艺。所采集的污泥经重力浓缩，并反复倾倒上清液，以获得适用于批次厌氧实验的浓缩污泥。污泥的主要理化性质按照《水和废水标准检验方法》进行测定。污泥含水率

不同铁源下酸可提取Fe²⁺响应与磷酸盐固定

在厌氧污泥中，铁主要以颗粒态或结合态存在，而非游离离子。酸可提取Fe²⁺被用于追踪厌氧消化过程中可还原和可反应的Fe池。在前3天，所有处理组中酸可提取Fe²⁺不同程度地下降（图1a）。这种早期下降可能反映了Fe²⁺在残余氧化条件和初始污泥反应下重新分配到固相中。第3天后，Fe²⁺在

结论

在第一阶段筛选条件下，FeCl₃在所测试的铁源中产生了最强的Fe²⁺–磷酸盐综合响应，具有最高的酸可提取Fe²⁺峰值，且第15天溶解态PO₄^3-–P低于对照组Control-A。XRD进一步表征了FeCl₃处理污泥中共存的石英相容性及其他晶体特征。

在所测试的抑制剂中，Mo-3被选为代表性钼酸盐处理组，兼具持续SO?2?保留和溶解态Fe²⁺

补充材料

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CRediT作者贡献声明

马娟： 概念构思。万鹏： 写作 – 初稿。陈文静： 调查研究。周一军： 写作 – 审阅与编辑。庞桐宇： 调查研究。卫尚天： 方法论。于晓军： 可视化。

利益冲突声明

作者声明不存在任何已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本研究得到甘肃省自然科学基金（批准号：25JRRA953）和兰州市人才创新创业项目（批准号：2019-RC-109）的资助。作者感谢中国兰州和平污水处理厂提供本研究所用的污泥样品。

万鹏|马娟|周一军|陈文静|卫尚天|庞桐宇|于晓军