魏春飛

（沈陽環(huán)境科學(xué)研究院 遼寧省城市生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽 110167）

厭氧氨氧化作為目前新型的脫氮工藝，由于其低能耗、高效的特點(diǎn)，能夠有效降解水中氮元素，因此厭氧氨氧化工藝受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[1-2]。雖然與傳統(tǒng)脫氮工藝相比，厭氧氨氧化工藝無需額外曝氣、投加有機(jī)碳源，能夠有效降低能源消耗和動力消耗[3]，但厭氧氨氧化工藝仍未能廣泛地應(yīng)用于實(shí)際工程中，這是因?yàn)閰捬醢毖趸に噯訒r(shí)間較長、厭氧氨氧化細(xì)菌活性較低而且世代時(shí)間較長[4]。隨著關(guān)于厭氧氨氧化工藝研究的深入，學(xué)者們發(fā)現(xiàn)金屬離子能夠顯著影響厭氧氨氧化細(xì)菌的活性，進(jìn)而影響厭氧氨氧化工藝的脫氮效率。鐵元素是微生物生長繁殖所必需的營養(yǎng)元素之一，而且鐵的不同價(jià)態(tài)涉及到厭氧氨氧化反應(yīng)不同的代謝途徑，能夠明顯影響厭氧氨氧化對氮元素的利用和轉(zhuǎn)化。不同價(jià)態(tài)的鐵能夠作為電子受體或電子供體生成厭氧氨氧化底物，進(jìn)而促進(jìn)厭氧氨氧化反應(yīng)。此外，不同價(jià)態(tài)的鐵還能夠產(chǎn)生鐵氨氧化（Feammox）、硝酸鹽依賴型亞鐵氧化反應(yīng)等不同反應(yīng)（NAFO），進(jìn)一步提高厭氧氨氧化的脫氮效果[5-6]。同時(shí)鐵元素能夠強(qiáng)化厭氧氨氧化過程中功能微生物的富集、提升血紅素含量及促進(jìn)污泥顆?；?，從而顯著提高厭氧氨氧化工藝的處理效果。

1 鐵元素對厭氧氨氧化反應(yīng)的影響

1.1 零價(jià)鐵對厭氧氨氧化反應(yīng)的影響

零價(jià)鐵作為一種較強(qiáng)的還原劑，即使在微生物不存在的條件下也能夠?qū)⑺械南跛猁}還原成亞硝酸鹽，進(jìn)而還原成氮?dú)鈁7]。當(dāng)零價(jià)鐵與厭氧氨氧化細(xì)菌相結(jié)合時(shí)，零價(jià)鐵能夠?qū)捬醢毖趸磻?yīng)所生成的硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化成氨氮或者亞硝酸鹽，甚至是氮?dú)?。這不僅能夠消耗厭氧氨氧化反應(yīng)所生成的硝態(tài)氮，進(jìn)一步提高厭氧氨氧化反應(yīng)的脫氮效果，而且能夠?yàn)閰捬醢毖趸?xì)菌提供其所需的反應(yīng)基質(zhì)。

周健[8]等在溫度為33.0±0.5 ℃、水力停留時(shí)間為10 h、pH 值穩(wěn)定在7～8 的條件下，采用全混式厭氧攪拌罐作為反應(yīng)器，研究了零價(jià)鐵對厭氧氨氧化反應(yīng)的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，零價(jià)鐵能夠有效地耦合厭氧氨氧化反應(yīng)，強(qiáng)化厭氧氨氧化微生物的脫氮效果。當(dāng)接種厭氧氨氧化污泥質(zhì)量濃度為200 mg·L-1、加鐵屑為71 g·L-1時(shí)，零價(jià)鐵對厭氧氨氧化反應(yīng)的貢獻(xiàn)率達(dá)到最大值。此時(shí)，硝酸鹽脫氮負(fù)荷便能夠達(dá)到12 kg·m-3·d-1，而且氨氮和亞硝酸鹽的出水質(zhì)量濃度低于2.0 mg·L-1。但周健[8]等發(fā)現(xiàn)在極端的條件下（如酸性條件下pH 值為4～6），厭氧氨氧化反應(yīng)的液相總氮損失率升高，能夠達(dá)到89%以上。這就表明，雖然零價(jià)鐵能夠有效地耦合厭氧氨氧化反應(yīng)，并強(qiáng)化厭氧氨氧化反應(yīng)的脫氮效果，但零價(jià)鐵對厭氧氨氧化反應(yīng)的強(qiáng)化效果及應(yīng)用條件仍具有一定的局限性。萬莉[9]等也通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)零價(jià)鐵能夠強(qiáng)化厭氧氨氧化反應(yīng)的脫氮效果，并縮短厭氧氨氧化反應(yīng)的啟動時(shí)間。她們采用UASB作為反應(yīng)器，通過零價(jià)鐵與電場相結(jié)合的方式強(qiáng)化厭氧氨氧化反應(yīng)。試驗(yàn)結(jié)果表明，雖然普通UASB反應(yīng)器也能成功啟動厭氧氨氧化反應(yīng)，但其啟動時(shí)間比投加零價(jià)鐵的UASB 反應(yīng)器晚了約39 d。此外，當(dāng)投加零價(jià)鐵的UASB 反應(yīng)器處于運(yùn)行穩(wěn)定階段時(shí)，其氨氮和亞硝態(tài)氮的出水質(zhì)量濃度均低于2 mg·L-1。

1.2 Fe2+對厭氧氨氧化反應(yīng)的影響

Fe2+在厭氧氨氧化細(xì)菌的作用下作為電子供體，能夠?qū)⑾鯌B(tài)氮還原成亞硝態(tài)氮，這一生化反應(yīng)稱為NAFO 反應(yīng)[10]。研究顯示，NAFO 反應(yīng)能夠有效地降解厭氧氨氧化反應(yīng)所生成的硝態(tài)氮，不僅提高厭氧氨氧化脫氮效率，而且NAFO 反應(yīng)所生成的亞硝態(tài)氮和Fe3+能夠作為厭氧氨氧化反應(yīng)和鐵氨氧化反應(yīng)的反應(yīng)基質(zhì)。

張黎[11]等通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)Fe2+能夠強(qiáng)化厭氧氨氧化反應(yīng)，F(xiàn)e2+促進(jìn)厭氧氨氧化菌的細(xì)胞合成并且增加其基質(zhì)代謝。試驗(yàn)結(jié)果顯示，厭氧氨氧化反應(yīng)的脫氮效率隨著Fe2+濃度的升高而升高；當(dāng)Fe2+濃度達(dá)到0.085 mmol·L-1時(shí)，厭氧氨氧化的脫氮效率達(dá)到最大值，此時(shí)氨氮和亞硝態(tài)氮的平均去除率能夠達(dá)到89.22%和91.70%，并且Fe2+能夠促進(jìn)厭氧氨氧化菌中亞鐵血紅素含量，此時(shí)投加Fe2+的反應(yīng)器中厭氧氨氧化污泥中的血紅素C 含量能夠達(dá)到0.143 μmol·mg-1，約為對照組的2.04 倍。此外，投加Fe2+的反應(yīng)器中厭氧氨氧化污泥的結(jié)構(gòu)與形態(tài)也優(yōu)于對照組。血紅素C 是厭氧氨氧化體系中部分關(guān)鍵酶的重要組成因素，能夠直接影響厭氧氨氧化細(xì)菌關(guān)鍵酶活性，進(jìn)而影響厭氧氨氧化細(xì)菌活性。LIU[12]等也通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)e2+能夠影響厭氧氨氧化細(xì)菌中血紅素C 的含量，進(jìn)而影響厭氧氨氧化細(xì)菌的活性及脫氮效果。他們通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在適當(dāng)?shù)臈l件下，F(xiàn)e2+有利于血紅素 C 的合成，能夠有效地促進(jìn)anammox 菌的生長速率。當(dāng)Fe2+濃度0.03～0.09 mmol·L-1時(shí)，anammox 菌的比生長率隨著Fe2+濃度的增加而升高。anammox 菌的比生長率最高可以達(dá)到0.172 d-1。

1.3 Fe3+對厭氧氨氧化反應(yīng)的影響

Fe3+對厭氧氨氧化反應(yīng)的影響明顯不同與Fe2+和零價(jià)鐵，F(xiàn)e3+既可以通過氧化NH4+形成Feammox反應(yīng)，也可以與厭氧氨氧化細(xì)菌相結(jié)合去除水中的氮元素[13]。早在2006年，Sawayama 便提出鐵氨氧化（Feammox）這一概念，即還原菌以碳酸根為碳源，利用Fe3+將NH4+氧化成亞硝酸鹽。而從氮素的價(jià)態(tài)分析，在微生物的作用下，F(xiàn)e3+能夠?qū)H4+氧化成NO2-、NO3-以及N2，但大多數(shù)的研究顯示Feammox 反應(yīng)的產(chǎn)物多以亞硝酸鹽為主[14]。但其他學(xué)者也通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在厭氧條件下，F(xiàn)eammox 反應(yīng)的主要產(chǎn)物為N2。而當(dāng)Fe3+與厭氧氨氧化細(xì)菌相結(jié)合時(shí)，能夠同時(shí)產(chǎn)生Feammox 反應(yīng)和厭氧氨氧化反應(yīng)。在厭氧條件下，F(xiàn)e3+既能夠發(fā)生Feammox 反應(yīng)直接將NH4+氧化成N2，削弱水中氮元素含量，也能夠氧化氨氮生成亞硝態(tài)氮進(jìn)行厭氧氨氧化反應(yīng)[15]。

袁新明[16]等通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)e3+能夠強(qiáng)化厭氧氨氧化反應(yīng)的脫氮性能。當(dāng)Fe3+質(zhì)量濃度在0～6 mg·L-1范圍內(nèi)變化時(shí)，厭氧氨氧化反應(yīng)的脫氮效果隨著Fe3+質(zhì)量濃度的增加而提高；當(dāng)Fe3+質(zhì)量濃度達(dá)到6 mg·L-1時(shí)，厭氧氨氧化反應(yīng)的脫氮性能達(dá)到最高值0.264 g·g-1·d-1；而當(dāng)Fe3+質(zhì)量濃度繼續(xù)升高時(shí)，F(xiàn)e3+則會對厭氧氨氧化反應(yīng)的脫氮效果產(chǎn)生抑制作用。李祥[17]等也通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)?shù)腇e3+濃度能夠促進(jìn)厭氧氨氧化反應(yīng)的脫氮效果，但當(dāng)Fe3+濃度超過閾值時(shí)，F(xiàn)e3+則會明顯抑制厭氧氨氧化反應(yīng)。這是因?yàn)閰捬醢毖趸磻?yīng)為產(chǎn)堿反應(yīng),而當(dāng)Fe3+濃度過高時(shí)，F(xiàn)e3+會與厭氧氨氧化反應(yīng)所產(chǎn)生的OH-形成Fe(OH)3沉淀,進(jìn)而抑制厭氧氨氧化細(xì)菌活性，降低厭氧氨氧化脫氮效果。

2 結(jié)束語

鐵元素能夠顯著影響厭氧氨氧化細(xì)菌活性，進(jìn)而影響厭氧氨氧化反應(yīng)的脫氮性能。不同形態(tài)的鐵元素對厭氧氨氧化反應(yīng)的影響不同，適量的鐵元素能夠促進(jìn)厭氧氨氧化反應(yīng)的脫氮性能，并有效改善厭氧氨氧化反應(yīng)的劣勢，為厭氧氨氧化反應(yīng)的實(shí)際應(yīng)用提供參考依據(jù)。