Feammox：一种新型自养生物脱氮技术

张莉红，李杰，王亚娥，谢慧娜，赵炜，李婧

（1 兰州交通大学环境与市政工程学院，甘肃 兰州 730070；2 甘肃省膜科学技术研究院有限公司，甘肃 兰州730020；3 甘肃省非常规水资源化利用技术重点实验室，甘肃 兰州 730020）

本文在综合国内外有关Feammox 过程作用及其特征的研究基础上，对Feammox 活性及其反应机制和作用的微生物进行了讨论，并结合近几年的研究分析了其影响因素，最后对该技术未来的研究方向和重点进行了展望，以期更好地理解Feammox的机理，从而更好地利用Feammox 来减少自然界和污水处理系统的氮素损失和环境足迹。

1 Feammox作用及其特征

Feammox速率是通过产生的N估计的。据估计，水稻土和太湖河口生态系统中与Feammox相关的氮损失分别为7.8～61kg/(hm·a)和8.3～17.8kg/(hm·a)。Feammox速率在不同环境之间可能有所不同（表1），这主要与Feammox 过程中Fe(Ⅲ)含量、pH、温度、溶解氧（DO） 和总有机碳（TOC） 等因素有关。在太湖河口生态环境中，农田和河岸土壤通过Feammox的速率明显高于河流沉积物，分析原因是农田和河岸土壤的Fe(Ⅲ)含量高于河流沉积物，农田和河岸土壤中Fe(Ⅲ)的还原促进了Feammox 脱氮。此外，Li 等发现Feammox 还具有应对潮汐波动的各种生理特性，这进一步影响了Feammox的活性。但对废水处理系统中氮损失的变化以及Feammox速率的研究较少。

表1 不同环境Feammox活性、氮素流失的贡献及优势群落

2 Feammox菌

目前，IRB广泛存在于自然生态系统中，同时往往伴随着Feammox 现象的发生。在研究富含Fe(Ⅲ)氧化物和施氮量大的水稻土中是否存在Feammox时，发现水稻土中铁还原菌驱动了Feammox 反应。农田、河岸土壤和河流沉积物中不同的Fe(Ⅲ)还原速率与不同环境条件下IRB 的富集有关，其中最丰富的3个属分别为、和。在污水处理厌氧环境中也发现了IRB。厌氧废水处理反应器中富集了铁还原菌。吴彦成等综述了在自然界和污水生物处理系统中发现的多种能驱动Feammox过程的IRB微生物种类。其中主要微生物是和。因此，认为IRB 在Feammox中是必不可少的，在Feammox过程中必然存在着IRB。

图1 菌株A6扫描电镜图[34]

IRB的丰度表现出较大的差异。河流沉积物中相关IRB 的丰度（0.8%） 显著低于农田土壤（2.8%）和河岸带土壤（2.5%）。不同季节的IRB 丰度也存在显著差异，夏季最高，春季和秋季较低，冬季最低。藻类优势区和大型植物优势区沉积物中的sp. A6、spp.和Geobacteraceae spp.的丰度显著高于湖心过渡区沉积物。

7.2.5 成功解除嵌塞 定义为直肠穹窿空虚或者只有少量粪便。在腹部检查发现存在粪便嵌塞的病人中，则定义为左下腹肿块的清除及直肠穹窿空虚［14］。

3 Feammox影响因素

最可能影响Feammox过程的因素是pH、温度、DO。近年来，有机物和铁源也被认为是影响Feammox的重要因素。

3.1 pH

3.2 温度

众所周知，环境温度及其相关的季节变化可能直接或间接地影响氮和铁的转化。陈方敏等对比分析了不同温度对Feammox 的影响，认为Feammox的最适宜温度是30℃。或高或低的温度都会影响Feammox效果下降。3月份的湖泊沉积物和河岸带温度较低，Feammox 的活性相对较弱，Feammox 速率相对较小。在冬季，湖泊沉积物和潮间带沉积物Fe(Ⅲ)还原速率、Geobacteraceae和的丰度普遍低于夏季。温度的高低可能是通过影响微生物的群落来影响Feammox效果。

3.3 溶解氧

Feammox过程中起主要作用的铁还原菌属于厌氧菌，溶解氧对其生长代谢的影响很大。溶解氧可能影响Feammox 过程中微生物群落结构，可能是Feammox细菌的主要限制因素。在较低较稳定溶解氧水平下，Feammox 活性相对更好，速率相对更高。表层土壤Feammox 活性较弱，而深层土壤（0～10cm以下）Feammox活性较高，是氮损失的主要原因。Feammox 发生在限制氧气的环境中，具有被低浓度氧气可逆性抑制特性。然而，不同DO 对Feammox 的影响，以及Feammox 的可逆性抑制限值鲜有研究。

3.4 有机物

3.5 铁源

4 Feammox、FeNiR、Anammox 和反硝化之间的关系

图2 Feammox−FeNiR耦合脱氮

同单独的Feammox技术相比，Feammox−FeNiR耦合技术具有以下优点。

（2）耦合技术可以有效降低各工序对铁离子的需求，避免污泥矿化。

图3 Feammox−FeNiR−Anammox−反硝化耦合脱氮

5 结语

Feammox作为一种新型的铁基质自养生物脱氮过程，不仅能避免传统硝化反硝化带来的高成本和二次污染问题，而且适用于高氨氮、低碳氮比废水的处理。与Anammox细菌相比，IRB具有更强的生存能力，广泛存在于自然环境中。用于自然系统和污水处理系统等领域厌氧条件下氮污染的治理，Feammox体现了无需有机碳源、成本低、污泥产量低、不产生温室气体等显著优势。

未来研究中，应重点关注以下4个方面。

（1）虽然效率不高，但Feammox 已经显示出作为厌氧条件下处理氨的潜力，具有重要的研究价值。对废水处理系统中氮损失的变化及控制Feammox 以N作为主要产物的反应条件值得更进一步的探索。

（2）从接种菌源出发，寻找更良好的接种物，以获得更高的Feammox 速率。另外，已有研究表明，添加电子穿梭体AQDS可以促进Feammox作用效果，但会影响IRB菌的丰度，需要进一步的探索Feammox 细菌群落的丰度和多样性。功能性Feammox 细菌的分离纯化也应在今后研究中加以考虑。

（4）研究Feammox造成的氮损失以及Feammox与FeNiR、厌氧氨氧化、反硝化的耦合占总氮损失的相当比例，有必要更好地理解Feammox 过程和与之相关的FeNiR、Anammox、反硝化过程。Feammox−FeNiR−Anammox−反硝化耦合作用是一个非常复杂的过程，同时也是系统的氮循环的关键。由于污水生物处理系统结构的复杂性，目前对污水处理系统中Feammox 过程氮损失贡献的研究较少。对于Feammox、FeNiR、Anammox 和反硝化共生模式，应进行更具体的研究。