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1. 引言

水體富營養化是全球性的環境問題，其中磷作為關鍵限制性因子，其有效控制對水生態系統健康至關重要。傳統除磷技術存在效率低、穩定性差等問題，而基于生物氧化還原吸附協同作用的新型除磷劑展現出獨特優勢。

近年來，研究者們逐漸認識到除磷過程是物理、化學和生物作用的綜合結果。Zhang等（2021）發現鐵基除磷劑在好氧-厭氧交替條件下可顯著提升除磷效率；Liu等（2022）報道了稀土改性材料對低濃度磷的特異性吸附能力。然而，現有研究對多機制協同作用的動態過程認識仍不充分。

本研究通過系統實驗，重點探討：（1）生物氧化與化學還原的協同效應；（2）表面吸附的動態特性；（3）環境因子對除磷效率的影響規律。研究成果將為開發高效除磷劑提供理論指導。

2. 材料與方法

2.1 實驗材料

實驗采用自主研發的復合除磷劑（Fe-Al-La@BC），其主要特性如下表所示：

2.2 實驗設計

設置三組平行實驗：

1. 生物氧化組：接種聚磷菌(PAOs)，DO維持4-6 mg/L

2. 化學還原組：厭氧條件(DO<0.5 mg/L)

3. 協同作用組：好氧-厭氧交替運行

實驗裝置采用序批式反應器(SBR)，有效容積5L，運行周期為6h（曝氣4h，攪拌2h）。

2.3 分析方法

• 磷濃度：鉬酸銨分光光度法（GB11893-89）

• 鐵價態：鄰菲啰啉分光光度法

• 表面特性：XPS、FTIR、SEM-EDS

3. 結果與討論

3.1 生物氧化作用機制

在好氧階段，除磷劑中的Fe²?顯著促進了PAOs的代謝活性。實驗數據顯示，投加除磷劑后，PAOs的攝磷速率從1.8 mgP/gVSS·h提升至3.2 mgP/gVSS·h。通過qPCR分析發現，Accumulibacter菌群豐度增加了2.3倍。

生物氧化過程遵循以下反應路徑：

C?H?O?NP + 7O? → 5CO? + NH? + H?PO? + 2H?O

該過程將難降解有機磷轉化為可沉淀的正磷酸鹽，為后續化學沉淀創造了有利條件。

3.2 氧化還原作用機制

XPS分析揭示了鐵價態的循環變化（圖1）：

• 好氧階段：Fe²?→Fe³?（結合能711.5 eV）

• 厭氧階段：Fe³?→Fe²?（結合能709.8 eV）

這種價態變化實現了磷的高效固定：

Fe³? + PO?³? → FePO?↓ (Ksp=10?²?)

實驗測得氧化還原貢獻率占總除磷效率的42±3%。

3.3 表面吸附特性

Langmuir模型擬合結果顯示（R²=0.98），較大吸附容量Qmax為35.2 mgP/g。FTIR譜圖中1040 cm?¹處的P-O-Fe特征峰證實了表面配位作用。吸附過程符合準二級動力學模型，速率常數k?為0.018 g/(mg·min)。

3.4 協同作用效應

三機制協同作用使除磷效率顯著提升（圖2）：

• 單一生物氧化：68±4%

• 單一化學還原：72±3%

• 協同作用組：94±2%

協同效應參數SE計算為：

SE = (E12 - E1 - E2)/(E1 + E2) ×100% = 32%

表明存在顯著的協同促進作用。

4. 影響因素分析

4.1 pH值影響

通過Sigmoid模型擬合得到較優pH范圍為6.0-7.5（圖3）。當pH<4時，H?競爭吸附位點；pH>8時，OH?與PO?³?產生競爭。

4.2 溫度影響

Arrhenius方程分析顯示活化能Ea為28.5 kJ/mol，溫度系數θ=1.06。低溫（10℃）時需增加20%投加量。

4.3 干擾物質

共存陰離子影響順序為：
CO?²? > SO?²? > Cl? > NO??
腐殖酸濃度>20 mg/L時會降低15-20%效率。

5. 工程應用案例

某市政污水處理廠（規模10萬噸/日）采用該技術后：

• 出水TP從1.2降至0.3 mg/L以下

• 污泥產率減少25%

• 運行成本降低0.12元/噸水

6. 結論

1. 除磷劑通過生物氧化-化學還原-表面吸附三重機制協同作用，實現了94±2%的磷去除率。

2. 鐵價態循環是氧化還原作用的核心，貢獻率達42±3%。

3. 較優pH范圍為6.0-7.5，溫度變化可通過調整投加量補償。

4. 工程應用證實該技術具有高效、穩定、經濟的特點。