王亞娥,馮娟娟,李 杰

(蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730070)

微生物異化Fe(III)還原是一個重要的生物及地球化學(xué)過程.該過程使有機或無機的電子供體以Fe(III)作為終端電子受體而被氧化,將難溶的三價鐵氧化物還原成可溶解性的Fe(II),并從中獲取能量,促進微生物生長、繁殖及酶的合成[1].研究表明,微生物異化Fe(III)還原過程可耦聯(lián)有機物,尤其是難降解有機物(如氯代有機物、偶氮染料、石化類有機物)的氧化降解[2-3]、有毒重金屬離子(鈾,鉻,砷等)的礦化[4]及參與自然界中的氮/磷循環(huán)[5-7].因此,成為近年來環(huán)境污染修復(fù)與治理的熱門方法之一.異化Fe(III)還原微生物即鐵還原菌(IRB)是活性污泥的重要組成部分,可占活性污泥微生物總量的3%左右[8],因此,強化污水處理系統(tǒng)中微生物異化Fe(III)還原過程,一方面可以提高污水處理系統(tǒng)對難降解有機物的降解效率;另一方面可以利用還原產(chǎn)物Fe(II)與磷酸鹽的沉淀作用改善污水處理系統(tǒng)的除磷效果,實現(xiàn)化學(xué)除磷與生物除磷的有機結(jié)合.目前,國內(nèi)外關(guān)于這方面的研究還少見報道.本文以活性污泥為菌源,通過介入不同的Fe(III),在兼性厭氧/嚴格厭氧條件下考察了不同F(xiàn)e(III)對活性污泥異化鐵還原過程的影響,同時考察該過程的除磷效果,并對除磷機理進行了初步探討.以期為這一技術(shù)在污水處理中的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ).

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 接種污泥來源 接種污泥取自本實驗室中投放Fe0的SBBR反應(yīng)器,該反應(yīng)器有效容積為0.36m3,生物載體除Fe0外,還投放一定比例的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的納米凹凸棒土復(fù)合親水性聚氨酯泡沫填料[9].該反應(yīng)器已穩(wěn)定運行1年多,污泥具有較高的微生物活性,其污泥沉降比(SV)為12%,pH值為7.2,所含F(xiàn)e(II)和Fe(tot)含量分別為14.83,200.55mg/L.其中反應(yīng)體系內(nèi)污泥接種量為4.24g/L.

1.1.2 Fe(III)的制備 為研究不同F(xiàn)e(III)對微生物異化Fe(III)還原的影響,試驗選用氧化鐵皮(即廢鐵磷)、青礦、紅礦作為Fe(III)源,并以常用的 Fe(III)源——Fe(OH)3進行對比.試驗用Fe(OH)3懸液(含鐵量為5.188g/L)采用人工合成的方法制備,即用0.4mmol/L的FeCl3和0.5mol/L NaOH溶液慢速中和沉淀,得到的紅褐色沉淀用去離子水反復(fù)洗滌,重復(fù)6次至完全去除懸液中的氯離子和鈉離子為止[10].對氧化鐵皮、青礦及紅礦進行鐵含量測定及X-ray晶體結(jié)構(gòu)鑒定,氧化鐵皮(含鐵量71.3%)取自北京某鐵礦廠,表面呈紅色.青礦和紅礦取自河南省濟源市王屋鐵礦廠,含鐵量分別為60.7%、36.1%(W/W).投加前將氧化鐵皮剪碎至粒徑為2.0～3.0mm的條狀,2種礦石均粉碎、研磨、篩分,選擇80目粒徑進行試驗.

1.2 試驗方法

10mL葡萄糖(10mmol/L)、5mL氯化銨(5g/L)及25mmol/L的磷酸鹽緩沖液(KH2PO4與K2HPO4的摩爾比為0.5809)1.5mL.分別添加不同形式Fe(III)作為唯一電子受體,投加量均為1g.

試驗中采用兼性厭氧和嚴格厭氧2種條件進行對比試驗.取9個系列100mL血清瓶(其中兼性厭氧4個系列,嚴格厭氧4個系列,每個系列包括9個瓶),將上述鐵還原培養(yǎng)基置于高壓滅菌鍋內(nèi),于121℃下滅菌20min,放至無菌室進行冷卻,嚴格按無菌操作法接種經(jīng)厭氧處理[(30±1)℃下密封7d]后的上述接種污泥20mL,同時設(shè)置滅菌的活性污泥(CK1)(用15%(V/V)的乙醇浸泡隔夜)[11]及僅有Fe(III)的不接種體系(CK2)作為對照.設(shè)置CK2為考察Fe(III)源對磷的表面吸附作用.最后,補充去離子水至有效容積60mL.其中嚴格厭氧組均充氮氣5min,排氧,各組均加蓋密封,于(30±1)℃恒溫培養(yǎng)箱中避光培養(yǎng).所有測試均3次重復(fù).試驗過程中通過測定體系中ORP,發(fā)現(xiàn)嚴格厭氧條件下ORP小于-250mV,兼性厭氧條件下ORP在-100mV左右.

1.3 取樣及測定方法

每次采樣時各取出1瓶,充分搖勻,各取試樣2份.其中一份用于Fe(II)和Fe(tot)濃度的測定,即吸取2mL懸液,置于含8mL 0.5mol/L鹽酸溶液的帶蓋聚乙烯離心管中,在搖床上震蕩浸提1h[12].另取一份(10mL)用于TP的測定.均在1500r/min的轉(zhuǎn)速下離心10min,取上清液用0.22μm濾膜過濾.各指標的測定均采用標準法[13].Fe(II)及Fe(tot)：鄰菲啰啉分光光度法,TP：鉬酸銨分光光度法.ORP：便攜式多參數(shù)(pH/Oxi 340i)測定儀.

2 結(jié)果與討論

2.1 Fe(III)濃度對各條件下IRB富集培養(yǎng)的影響

2.1.1 兼性厭氧條件 從圖1可以看出,由于滅菌的對照組中無微生物參與,體系的Fe(II)及Fe(III)濃度基本保持不變,這說明其他體系中所發(fā)生的Fe(II)及Fe(III)的變化是由IRB作用而產(chǎn)生.除對照組外,其他4個體系前7d天Fe(II)累計濃度均隨著培養(yǎng)時間的延長而持續(xù)增高,表現(xiàn)出較好的鐵還原能力,Fe(II)產(chǎn)生率分別為：Fe(OH)321.74mg/(L·d)、氧化鐵皮 20.10mg/(L·d)、青礦13.90mg/(L·d)和紅礦 12.08mg/(L·d),與不同形式Fe(III)源的含鐵量呈現(xiàn)較好正相關(guān);而在7～13d,4個系列Fe(II)濃度均呈現(xiàn)快速下降趨勢,13d后基本穩(wěn)定,穩(wěn)定后體系中Fe(II)濃度由高到底的順序依次為氧化鐵皮、青礦、紅礦及Fe(OH)3體系.從體系懸浮混合液中Fe(III)的濃度變化來看,Fe(III)的濃度以Fe(OH)3體系為最高,其他依次為滅菌的對照組、紅礦、青礦.最值得注意的是氧化鐵皮體系中Fe(III)的濃度在前7d呈現(xiàn)出持續(xù)下降的趨勢,而從7d后則呈持續(xù)增加,16d后其體系中Fe(III)的濃度已超過Fe(OH)3體系.說明氧化鐵皮是一種較易被微生物利用的Fe(III)源形式.

2.1.2 嚴格厭氧條件 由圖2可以看出,不同F(xiàn)e(III)對Fe(II)產(chǎn)生量及不同體系中Fe(III)濃度的變化趨勢與兼性厭氧條件相一致.各體系在7d時累計Fe(II)產(chǎn)生量達到最大,Fe(OH)3最高,氧化鐵皮、青礦和紅礦依次降低,最大Fe(II)產(chǎn)生率分別為 27.58,20.28,16.88,15.27mg/(L·d),稍高于兼性厭氧條件.

圖1 兼性厭氧條件下Fe(II)及Fe(III)濃度的變化Fig.1 Variation of iron(II)and iron(III)concentrations in facultative anaerobic conditions

由圖1、圖2可以看出,累計培養(yǎng)7d后,體系中Fe(II)濃度均呈現(xiàn)持續(xù)下降的趨勢.分析原因,可能由于以下幾個方面導(dǎo)致：根據(jù)相關(guān)報道[14-15],在微生物異化鐵還原過程中伴隨有磁鐵礦的形成,磁鐵礦形成過程會消耗體系中大量的Fe(II),導(dǎo)致Fe(II)濃度顯著下降.本試驗初始接種液含有一定量的氨氮(約為117.9mg/L)與硝態(tài)氮(約為16.2mg/L),這為厭氧氨氧化菌的生長提供了條件.張蕾等[16]研究結(jié)果顯示,鐵離子對厭氧氨氧化菌的生長有較好的促進作用,體系中厭氧氨氧化菌的生長消耗Fe(II)離子.不同條件下各體系Fe(III)濃度在累計培養(yǎng)7d后均出現(xiàn)了不同程度的升高,尤其是氧化鐵皮體系.

圖2 嚴格厭氧條件下Fe(II)及Fe(III)濃度的變化Fig.2 Thevariationofiron(II)andiron(III)concentrations in strictly anaerobic conditions

可以推測7d后體系中厭氧氨氧化作用積累的 NO3－可能促進了 NO3－-依賴型 Fe(II)氧化[17-18]作用的發(fā)生,將產(chǎn)生的Fe(II)進一步氧化為Fe(III).由于本研究未涉及脫氮效果,關(guān)于該體系中鐵離子的存在形式及形態(tài)轉(zhuǎn)換以及與氮素循環(huán)之間的關(guān)系,有待做進一步的研究.

2.2 不同F(xiàn)e(III)微生物異化還原中的除磷效果

圖3 不同DO條件下各體系除磷效果的比較Fig.3 Comparison of phosphorous removal efficiency in different DO conditions

從圖3可以看出,無論是兼性厭氧還是嚴格厭氧條件,各體系總磷濃度變化趨勢基本相似,前7d鐵還原速率較高的Fe(OH)3與氧化鐵皮體系,TP濃度均出現(xiàn)了急劇下降的趨勢,出水TP濃度已達到2mg/L以下,之后繼續(xù)降低,最終低于0.5mg/L.鐵還原速率較低的青礦、紅礦體系中,TP濃度下降較慢,25d后仍保持在2mg/L以上.對照圖1、圖2可以看出,TP濃度的變化與體系的Fe(II)及Fe(III)離子濃度有密切關(guān)系,2種離子濃度越高,TP的去除速率就越快.

分析原因,IRB將Fe(III)還原為Fe(II),產(chǎn)生的Fe(II)直接與HPO42－等作用生成FeHPO4,以沉淀方式得以去除.同時,由于體系中發(fā)生Fe(III)的水解反應(yīng),即產(chǎn)生 Fe(OH)+、Fe(OH)2、Fe(OH)3－等水合物,這些單核絡(luò)合物一方面可以和PO43－反應(yīng)形成難溶性的鹽,另一方面通過碰撞進一步縮合,進而形成一系列不同形態(tài)的多核絡(luò)合物 Fen(OH)m(n＞1,m=3n).這些含鐵的多核絡(luò)合物往往具有較多的正電荷和較大的比表面積,能夠迅速有效的消除或降低水體中膠體的電位,通過電性中和、吸附架橋以及絮體的卷掃作用使膠體凝聚,再通過沉淀分離將磷去除[19].

2.3 機理探討

Nielsen等報道[8],異化Fe(III)還原條件下可通過IRB介導(dǎo)的生物途徑和Fe(III)介導(dǎo)的非生物途徑進行磷的去除(公式(1)～公式(4)).由圖4可見,一方面,IRB在氧化有機物過程中產(chǎn)生的電子通過呼吸鏈傳遞給Fe(III),使其還原為吸附態(tài)Fe(II).同時,未被利用的Fe(III)可發(fā)生水解作用,對磷的去除亦起到一定的促進作用.Fe(II)自身被氧化的同時與產(chǎn)生的HPO42-結(jié)合生成FeHPO4.該過程為IRB作用除磷.另一方面,磷吸附在鐵氧化物和鐵的氫氧化物表面而得以去除.

圖4 IRB-Fe(III)氧化物界面交互反應(yīng)機制示意Fig.4 Schematic diagram of IRB-Fe(III)oxide interact mechanism

2.3.1 表面吸附除磷 鑒于氧化鐵皮處理效果明顯,為考察鐵氧化物及鐵的氫氧化物表面對磷的吸附除磷作用大小,故采用IRB作用前后的氧化鐵皮進行掃描電鏡及組成成分分析.

由圖5可見,氧化鐵皮表面致密,經(jīng)IRB作用之后,空隙增多,表現(xiàn)為更明顯的疏松狀.同時,伴隨著鐵離子的溶出,含鐵量降低,磷含量明顯增高,由初始的0.5%～0.7%增加到2.0%～7.1%(表1),因此可以證明,異化鐵還原作用下的除磷作用部分是通過磷吸附在鐵氧化物和鐵的氫氧化物表面而得以去除[8].

圖5 IRB作用前后氧化鐵皮的電鏡掃描圖譜Fig.5 SEM of iron oxide scale by IRB before and post-interaction

2.3.2 磷的去除與Fe(II)產(chǎn)生速率關(guān)系 結(jié)合圖4反應(yīng)機制,為進一步考察體系中IRB作用下的協(xié)同除磷過程,試驗過程中進行了不同形式Fe(III)的吸附試驗,即CK2的對照試驗.由于二價鐵鹽的化學(xué)沉淀除磷一般所需P/Fe摩爾比為0.33～1.0[20],因此通過P/Fe摩爾比來反應(yīng)體系中IRB作用所占大小.

由圖6可見,無論是兼性厭氧還是嚴格厭氧過程,不同F(xiàn)e(III)的表面吸附作用對TP去除的貢獻較小,主要為IRB驅(qū)動下TP的化學(xué)沉淀去除;從最大Fe(II)產(chǎn)生速率來看,由大到小順序為Fe(OH)3＞氧化鐵皮＞青礦＞紅礦,這與材料含鐵量呈正相關(guān);從P/Fe(II)(mol/mol)值來看,其中兼性條件下Fe(OH)3體系P/Fe(II)比最高,為0.18,嚴格厭氧條件下氧化鐵皮體系最高,達到0.17.P/Fe(II)越大,則除磷速率與Fe(II)產(chǎn)生速率越接近,說明IRB作用下的沉淀除磷所占主導(dǎo)地位越明顯,足以解釋磷酸鹽螯合Fe(II)的假設(shè).與此相反,紅礦體系P/Fe最低,說明該體系中磷的去除主要是由于過量的Fe(II)對磷的表面吸附去除和通過生成可溶性Fe(OH)2進行聯(lián)合除磷,而非Fe(II)與少量磷酸鹽的沉淀去除[21].

表1 IRB作用前后氧化鐵皮組成成分比較Table 1 Composition of iron oxide scale by IRB before and post-interaction

圖6 除磷速率與Fe(II)產(chǎn)生速率之間的關(guān)系Fig.6 Relationship between phosphorus removal and ferrous production rates

3 結(jié)論

3.1 異化鐵還原微生物對磷的去除與產(chǎn)生的Fe(II)濃度具有一定的相關(guān)性,這與投加Fe(III)形式密切相關(guān).更容易利用比表面大的非晶體及易溶性鐵(如Fe(OH)3),無定形氧化鐵(如氧化鐵皮)通常較易被微生物還原,而對有穩(wěn)定晶體結(jié)構(gòu)形式的鐵(如青礦、紅礦)則難以利用.

3.2 鐵還原菌對磷的去除與材料的含鐵量呈正相關(guān),對磷的去除效果順序依次為：Fe(OH)3＞氧化鐵皮＞青礦＞紅礦.經(jīng)過25d的恒溫培養(yǎng),兼性厭氧(嚴格厭氧)條件下,TP去除率分別達到96.0%(98.0%)、97.1%(99.1%)、83.7%(91.2%)及68.5%(73.4%).

3.3 該體系可以將化學(xué)除磷與生物除磷有機結(jié)合,IRB作用下的除磷占主導(dǎo)地位,Fe(III)化合物表面的吸附作用貢獻較小.

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