Evaluating the oxidation inhibition of sulfide in urban sewers using a novel quantitative method

使用新型定量方法評估城市下水道中硫化物的氧化抑制作用

來源：Chemosphere 296 (2022) 133958

 

摘要核心內容

 

本研究通過建立氣-液-固三相硫污染物轉化路徑定量方法，評估氧化抑制策略對城市下水道硫化物轉化的影響：

 

氧化抑制效果：添加H?O?氧化劑可顯著降低液相硫化物濃度（圖1a）和氣相H?S釋放量（圖1b），但導致沉積物中硫酸鹽（SO?2?）消耗量增加（圖2b）。

 

 

 

硫轉化路徑：

 

氧化條件下元素硫（S?）轉化強度最高（18.65 mg/L，占進水SO?2?的35.52%）。

 

SO?2?在沉積物中明顯積累（3.49 mg/L，占6.65%）。

 

微生物影響：高濃度SO?2?促進沉積物中硫化物生成（8.98 mg/L，占17.10%），同時硫酸鹽還原菌（SRB）代謝增強導致有機碳損失，可能削弱污水處理廠脫氮除磷效能。

 

研究目的

 

量化硫污染物轉化路徑：建立氣-液-固三相硫污染物（硫化物、硫酸鹽、H?S）交換通量的定量模型。

評估氧化抑制副作用：揭示H?O?氧化劑對硫循環的深層影響（如元素硫積累、SRB活性增強）。

優化下水道安全管理：為硫化物控制策略提供理論依據，避免對下游污水處理廠的負面影響。

 

研究思路

 

采用 “三相監測→路徑建模→氧化效應評估”策略：

 

實驗設計：

 

構建8組模擬下水道反應器，分三組條件：

常規污水（Group 1）

滅菌污水（加苯扎氯銨，Group 2）

氧化污水（加H?O?及催化劑，Groups 3-8）

運行20天，監測氣（H?S）、液（S2?、SO?2?）、固（沉積物硫形態）三相硫污染物。

 

路徑量化模型：

擴展原有污染物轉化路徑（PPD物理沉積、BTA生物轉化吸附、BTR生物釋放），新增 OPO（氧化沉淀）路徑（圖3）。

 

 

建立定量公式（式1-9），計算各路徑通量（圖4）。

 

 

 

 

 

 

數據分析：

 

對比不同條件下硫轉化效率（圖1,2）及COD消耗。

通過滅菌組區分生物/非生物作用，通過氧化組評估抑制效果。

 

關鍵數據及研究意義

1. 硫化物與硫酸鹽動態（圖1, 圖2）

 

數據：

氧化組（Group 6）液相硫化物降低至0.15 mg/L（常規組0.83 mg/L），但SO?2?消耗量增加17.10%（圖1a）。

沉積物中SO?2?積累量達3.49 mg/L（圖2b），元素硫轉化強度18.65 mg/L（圖4c）。

意義：證實氧化劑雖抑制氣相H?S釋放，但促進沉積物內硫形態轉化，導致絕對硫生成量增加。

 

2. 硫轉化路徑通量（圖4）

 

數據：

氧化組（Group 6）OPO路徑貢獻35.52%硫轉化，BTR路徑（生物釋放）降至5.3%（常規組44.70%）。

滅菌組（Group 2）SO?2?沉積量占比50%（常規組0.64%）。

意義：首次量化氧化條件下元素硫沉淀（OPO）的主導作用，揭示化學氧化對生物路徑（BTR）的抑制效果。

 

3. COD消耗

數據：氧化組COD消耗量顯著增加（Group 6達78.12 mg/L），常規組僅17.57 mg/L。

意義：SRB代謝增強導致碳源損失，可能影響下游污水處理廠脫氮除磷效能。

 

結論

 

氧化抑制的雙面性：H?O?降低H?S釋放，但促進沉積物內SO?2?還原和元素硫積累，實際硫生成量增加。

路徑重塑：氧化條件下OPO路徑（元素硫沉淀）成為主要硫轉化途徑（占35.52%）。

工程啟示：需權衡氧化策略對下水道硫循環及下游污水處理廠的連鎖影響，建議探索復合控制策略（如氧化+碳源補充）。

 

Unisense電極數據的專項解讀

技術原理

 

Unisense H?S微電極：

原位監測氣相H?S濃度，分辨率達μM級，實時捕捉瞬態釋放（如氧化劑投加后的快速變化）。

直接插入反應器氣相空間，避免采樣延遲，精準反映生物/化學作用對硫釋放的影響。

 

核心發現（圖1b）

氧化抑制效果：

氧化組（Group 6）氣相H?S濃度降至0.02 mg/L（常規組0.35 mg/L），證實H?O?有效抑制氣相硫釋放。

催化氧化（H?O?+CH?COOH）效果最優，H?S降幅達94.3%。

 

時間動態：

氧化劑投加后H?S在4小時內驟降，但長期（20天）監測顯示硫轉化路徑遷移至沉積物相。

 

研究意義

機制解析：

原位數據揭示氧化劑對氣相硫的即時抑制效果，同時暴露長期硫轉移風險（沉積物內積累）。

證實H?O?催化氧化（如添加乙酸）的高效性，為工程劑量優化提供依據。

 

工藝優化：

識別氧化抑制的“表觀有效性”與“絕對硫增量”矛盾，推動多路徑協同控制策略。

量化H?S釋放速率（如常規組0.35 mg/L/d），支撐下水道通風系統設計。

 

模型校準：

提供高分辨率H?S釋放曲線（圖1b），校準硫轉化動力學模型（如BTR路徑速率常數）。

 

總結：Unisense電極通過原位捕捉氣相H?S的瞬態響應，精準量化氧化抑制的即時效果，同時揭示長期硫轉移風險，為下水道硫管理提供不可替代的動態監測支撐。