铁元素对厌氧氨氧化反应脱氮性能的影响

2021-12-26魏春飞

辽宁化工 2021年7期

魏春飞

（沈阳环境科学研究院辽宁省城市生态重点实验室，辽宁沈阳 110167）

厌氧氨氧化作为目前新型的脱氮工艺，由于其低能耗、高效的特点，能够有效降解水中氮元素，因此厌氧氨氧化工艺受到国内外学者的广泛关注[1-2]。虽然与传统脱氮工艺相比，厌氧氨氧化工艺无需额外曝气、投加有机碳源，能够有效降低能源消耗和动力消耗[3]，但厌氧氨氧化工艺仍未能广泛地应用于实际工程中，这是因为厌氧氨氧化工艺启动时间较长、厌氧氨氧化细菌活性较低而且世代时间较长[4]。随着关于厌氧氨氧化工艺研究的深入，学者们发现金属离子能够显著影响厌氧氨氧化细菌的活性，进而影响厌氧氨氧化工艺的脱氮效率。铁元素是微生物生长繁殖所必需的营养元素之一，而且铁的不同价态涉及到厌氧氨氧化反应不同的代谢途径，能够明显影响厌氧氨氧化对氮元素的利用和转化。不同价态的铁能够作为电子受体或电子供体生成厌氧氨氧化底物，进而促进厌氧氨氧化反应。此外，不同价态的铁还能够产生铁氨氧化（Feammox）、硝酸盐依赖型亚铁氧化反应等不同反应（NAFO），进一步提高厌氧氨氧化的脱氮效果[5-6]。同时铁元素能够强化厌氧氨氧化过程中功能微生物的富集、提升血红素含量及促进污泥颗粒化，从而显著提高厌氧氨氧化工艺的处理效果。

1 铁元素对厌氧氨氧化反应的影响

1.1 零价铁对厌氧氨氧化反应的影响

零价铁作为一种较强的还原剂，即使在微生物不存在的条件下也能够将水中的硝酸盐还原成亚硝酸盐，进而还原成氮气[7]。当零价铁与厌氧氨氧化细菌相结合时，零价铁能够将厌氧氨氧化反应所生成的硝态氮转化成氨氮或者亚硝酸盐，甚至是氮气。这不仅能够消耗厌氧氨氧化反应所生成的硝态氮，进一步提高厌氧氨氧化反应的脱氮效果，而且能够为厌氧氨氧化细菌提供其所需的反应基质。

周健[8]等在温度为33.0±0.5 ℃、水力停留时间为10 h、pH 值稳定在7～8 的条件下，采用全混式厌氧搅拌罐作为反应器，研究了零价铁对厌氧氨氧化反应的影响。试验结果表明，零价铁能够有效地耦合厌氧氨氧化反应，强化厌氧氨氧化微生物的脱氮效果。当接种厌氧氨氧化污泥质量浓度为200 mg·L-1、加铁屑为71 g·L-1时，零价铁对厌氧氨氧化反应的贡献率达到最大值。此时，硝酸盐脱氮负荷便能够达到12 kg·m-3·d-1，而且氨氮和亚硝酸盐的出水质量浓度低于2.0 mg·L-1。但周健[8]等发现在极端的条件下（如酸性条件下pH 值为4～6），厌氧氨氧化反应的液相总氮损失率升高，能够达到89%以上。这就表明，虽然零价铁能够有效地耦合厌氧氨氧化反应，并强化厌氧氨氧化反应的脱氮效果，但零价铁对厌氧氨氧化反应的强化效果及应用条件仍具有一定的局限性。万莉[9]等也通过试验研究发现零价铁能够强化厌氧氨氧化反应的脱氮效果，并缩短厌氧氨氧化反应的启动时间。她们采用UASB作为反应器，通过零价铁与电场相结合的方式强化厌氧氨氧化反应。试验结果表明，虽然普通UASB反应器也能成功启动厌氧氨氧化反应，但其启动时间比投加零价铁的UASB 反应器晚了约39 d。此外，当投加零价铁的UASB 反应器处于运行稳定阶段时，其氨氮和亚硝态氮的出水质量浓度均低于2 mg·L-1。

1.2 Fe2+对厌氧氨氧化反应的影响

Fe2+在厌氧氨氧化细菌的作用下作为电子供体，能够将硝态氮还原成亚硝态氮，这一生化反应称为NAFO 反应[10]。研究显示，NAFO 反应能够有效地降解厌氧氨氧化反应所生成的硝态氮，不仅提高厌氧氨氧化脱氮效率，而且NAFO 反应所生成的亚硝态氮和Fe3+能够作为厌氧氨氧化反应和铁氨氧化反应的反应基质。

张黎[11]等通过试验研究发现Fe2+能够强化厌氧氨氧化反应，Fe2+促进厌氧氨氧化菌的细胞合成并且增加其基质代谢。试验结果显示，厌氧氨氧化反应的脱氮效率随着Fe2+浓度的升高而升高；当Fe2+浓度达到0.085 mmol·L-1时，厌氧氨氧化的脱氮效率达到最大值，此时氨氮和亚硝态氮的平均去除率能够达到89.22%和91.70%，并且Fe2+能够促进厌氧氨氧化菌中亚铁血红素含量，此时投加Fe2+的反应器中厌氧氨氧化污泥中的血红素C 含量能够达到0.143 μmol·mg-1，约为对照组的2.04 倍。此外，投加Fe2+的反应器中厌氧氨氧化污泥的结构与形态也优于对照组。血红素C 是厌氧氨氧化体系中部分关键酶的重要组成因素，能够直接影响厌氧氨氧化细菌关键酶活性，进而影响厌氧氨氧化细菌活性。LIU[12]等也通过试验研究发现，Fe2+能够影响厌氧氨氧化细菌中血红素C 的含量，进而影响厌氧氨氧化细菌的活性及脱氮效果。他们通过试验研究发现，在适当的条件下，Fe2+有利于血红素 C 的合成，能够有效地促进anammox 菌的生长速率。当Fe2+浓度0.03～0.09 mmol·L-1时，anammox 菌的比生长率随着Fe2+浓度的增加而升高。anammox 菌的比生长率最高可以达到0.172 d-1。

1.3 Fe3+对厌氧氨氧化反应的影响

Fe3+对厌氧氨氧化反应的影响明显不同与Fe2+和零价铁，Fe3+既可以通过氧化NH4+形成Feammox反应，也可以与厌氧氨氧化细菌相结合去除水中的氮元素[13]。早在2006年，Sawayama 便提出铁氨氧化（Feammox）这一概念，即还原菌以碳酸根为碳源，利用Fe3+将NH4+氧化成亚硝酸盐。而从氮素的价态分析，在微生物的作用下，Fe3+能够将NH4+氧化成NO2-、NO3-以及N2，但大多数的研究显示Feammox 反应的产物多以亚硝酸盐为主[14]。但其他学者也通过试验发现，在厌氧条件下，Feammox 反应的主要产物为N2。而当Fe3+与厌氧氨氧化细菌相结合时，能够同时产生Feammox 反应和厌氧氨氧化反应。在厌氧条件下，Fe3+既能够发生Feammox 反应直接将NH4+氧化成N2，削弱水中氮元素含量，也能够氧化氨氮生成亚硝态氮进行厌氧氨氧化反应[15]。

袁新明[16]等通过试验研究发现，Fe3+能够强化厌氧氨氧化反应的脱氮性能。当Fe3+质量浓度在0～6 mg·L-1范围内变化时，厌氧氨氧化反应的脱氮效果随着Fe3+质量浓度的增加而提高；当Fe3+质量浓度达到6 mg·L-1时，厌氧氨氧化反应的脱氮性能达到最高值0.264 g·g-1·d-1；而当Fe3+质量浓度继续升高时，Fe3+则会对厌氧氨氧化反应的脱氮效果产生抑制作用。李祥[17]等也通过试验研究发现，适当的Fe3+浓度能够促进厌氧氨氧化反应的脱氮效果，但当Fe3+浓度超过阈值时，Fe3+则会明显抑制厌氧氨氧化反应。这是因为厌氧氨氧化反应为产碱反应,而当Fe3+浓度过高时，Fe3+会与厌氧氨氧化反应所产生的OH-形成Fe(OH)3沉淀,进而抑制厌氧氨氧化细菌活性，降低厌氧氨氧化脱氮效果。