納米零價鐵耦合微生物體系還原脫氮技術研究進展

王燕+黃磊

摘 要：對納米零價鐵耦合微生物體系的還原脫氮反應條件、效果、應用前景等方面進行綜述，以期對于污水處理廠技術的改進提供理論依據和設計運行參數參考，同時為納米零價鐵耦合微生物體系的研究方向提供建議。

關鍵詞：納米零價鐵；脫氮；微生物耦合；生物炭

中圖分類號：X703.1 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）24-0021-02

1 概述

目前，我國絕大多數的城市污水處理廠都采用運行穩定、處理費用較低的生化處理工藝，污水經傳統的二級生物處理以后，主要去除污水中的有機污染物質，但出水中殘留硝態氮（NO3--N）過多，致使總氮不能達標。納米零價鐵具有價廉、還原勢高、反應速度快等特點，近幾年成為污水修復的主要介質材料，因此運用納米零價鐵還原廢水中的NO3--N成為一個研究熱點。將納米零價鐵與微生物結合克服了傳統生物法中反硝化過程對碳源的依賴問題，節省物料和能源的消耗，提高了廢水脫氮效率，且不影響系統出水質量[1]，對城市污水中NO3--N的去除具有積極意義。

近年研究出很多新的或者改進的脫氮技術體系，如納米零價鐵耦合厭氧氨氧化（ANAMMOX）菌體系、納米零價鐵耦合微生物體系、生物炭載納米納米零價鐵耦合微生物體系等。本文通過對于納米零價鐵耦合微生物體系還原脫氮技術研究現狀進行介紹，對于污水處理廠技術的改進提供理論依據和設計運行參數參考。

2 納米零價鐵耦合微生物體系脫氮進展

2.1 納米零價鐵耦合ANAMMOX菌體系

ANAMMOX菌在厭氧條件下可以直接以亞硝態氮（NO2--N）為電子受體、以氨氮（NH4+-N）作為電子供體進行自身代謝活動，直接轉化為氮氣，且反應過程中無需添加碳源，與傳統的生物脫氮工藝相比，可以節省100%的碳源投加，并能節省60%的曝氣量。在納米零價鐵耦合ANAMMOX菌體系中，納米零價鐵首先被還原成NO2--N，然后進一步還原成NH4+-N，ANAMMOX菌可以利用體系先后生成的兩種物質進行生物轉化，實現生物脫氮。

周健[2]等人發現，厭氧氨氧化微生物對納米零價鐵還原

NO3--N的作用隨著pH值改變，當pH在7.5-5.14之間時，厭氧氨氧化污泥可以將零價鐵還原體系中的89%以上的硝酸鹽以總氮形式損失，而當pH較低時，反應體系以化學反應為主，并且證明了在體系中厭氧氨氧化對NH4+-N的競爭能力更強。納米零價鐵耦合ANAMMOX菌脫氮體系無需碳源，反應速率也遠遠超過了傳統生物脫氮，具有很好的應用前景。但是由于納米零價鐵還原產物NH4+-N和NO2--N的產物比例并不能達到反應的理想比例，難以控制還原條件停留在NO2--N階段，所以脫氮效果受到pH、反應時間、納米零價鐵量等因素的干擾，目前對于大規模的推廣使用仍存在問題。

2.2 納米零價鐵耦合反硝化菌體系

An[3]等人研究了不同條件下納米零價鐵對NO3--N的去除效果，pH為7，初始硝酸鹽為50mg/L時，單一的納米零價鐵可在2d內將其還原，其中產生的NH4+-N達到95%，單一的反硝化菌沒有碳源作為電子供體，8d只有15%被還原，而納米零價鐵和微生物耦合體系8d可以完全還原NO3--N，且產物NH4+-N只占33%。納米零價鐵耦合反硝化菌體系可以減少反應時間，加快脫氮反應速率，另外發現隨著微生物量的增大，NO3--N發生自養反硝化，產物為氮氣，在一定濃度范圍內脫氮效率隨著微生物和納米零價鐵濃度的增大而增大。但是，在實際應用過程中發現隨著時間延長，脫氮反應速率逐漸降低的現象，究其原因，納米零價鐵存在鈍化現象，尤其是粒徑較大的情況下，鈍化現象更明顯，這在很大程度上影響了零價鐵的應用。

將納米零價鐵負載于蒙脫石、膨潤土、活性炭等材料上，可以增大納米零價鐵的分散性，克服其易團聚的缺點。張建瑞等人[4]將零價鐵載體投加于生物體系中，體系脫氮效果穩定，且發現較小粒徑的載體脫氮效果比較大粒徑的高10%左右[5]，這說明載體的存在大大削弱了納米零價鐵易分散、易團聚的缺點。生物炭在環境污染治理方面有著巨大的潛力，生物炭產率高、制備工藝簡單，用其處理工業廢水中重金屬污染物，發現其對重金屬的吸附速率較快，短時間內即可達到吸附平衡，很大程度的降低了廢水中重金屬的含量。Oh.S.Y等人[6]發現，熱解溫度為400-700℃的生物炭載納米零價鐵耦合微生物體系可以極大地提高脫氮效率，3d后脫氮效率達到74%，5d后達到93%，鑒于反硝化菌可以利用含碳胡敏酸類物質作為電子供體，因此猜想耦合體系的脫氮效率和生物炭類負載材料的電導率相關。但是，熱解溫度為400-700℃的生物炭在納米零價鐵耦合微生物還原體系中發揮作用的具體機理還未被研究，所以熱解生物炭和生物炭復合材料在微生物還原NO3--N體系中具有很大的研究潛力和價值。

3 結束語

納米零價鐵與微生物耦合反應過程也更加多變，除了一般的生化反應外，還牽涉到化學氧化、還原、化學沉淀等反應，但是可以提高NO3--N的去除效率，減少了碳源的添加，也減少NH4+-N的生成，節約了成本，極大地提高了污水中NO3--N的去除率。另外，納米零價鐵在體系中的生物毒性和易團聚的缺點還可以通過生物炭負載或者微生物馴化等方法來解決。

納米零價鐵與微生物耦合體系中對微生物種群的毒性影響以及還原脫氮機理還有待更加深入的研究，同時，還原體系中對于溫度、DO、pH等條件的控制對于污水處理廠工程實施具有挑戰性，這些方法研究目前基本停留在實驗室階段，距離推廣使用還有很大的距離，還應進一步改進方法，為污水處理廠污水處理提供更為簡便、可行的技術方法。

參考文獻：

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