鐵元素對厭氧氨氧化反應脫氮性能的影響

魏春飛

（沈陽環境科學研究院 遼寧省城市生態重點實驗室，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，能夠有效降解水中氮元素，因此厭氧氨氧化工藝受到國內外學者的廣泛關注[1-2]。雖然與傳統脫氮工藝相比，厭氧氨氧化工藝無需額外曝氣、投加有機碳源，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用于實際工程中，這是因為厭氧氨氧化工藝啟動時間較長、厭氧氨氧化細菌活性較低而且世代時間較長[4]。隨著關于厭氧氨氧化工藝研究的深入，學者們發現金屬離子能夠顯著影響厭氧氨氧化細菌的活性，進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元素之一，而且鐵的不同價態涉及到厭氧氨氧化反應不同的代謝途徑，能夠明顯影響厭氧氨氧化對氮元素的利用和轉化。不同價態的鐵能夠作為電子受體或電子供體生成厭氧氨氧化底物，進而促進厭氧氨氧化反應。此外，不同價態的鐵還能夠產生鐵氨氧化（Feammox）、硝酸鹽依賴型亞鐵氧化反應等不同反應（NAFO），進一步提高厭氧氨氧化的脫氮效果[5-6]。同時鐵元素能夠強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污泥顆粒化，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的影響

1.1 零價鐵對厭氧氨氧化反應的影響

零價鐵作為一種較強的還原劑，即使在微生物不存在的條件下也能夠將水中的硝酸鹽還原成亞硝酸鹽，進而還原成氮氣[7]。當零價鐵與厭氧氨氧化細菌相結合時，零價鐵能夠將厭氧氨氧化反應所生成的硝態氮轉化成氨氮或者亞硝酸鹽，甚至是氮氣。這不僅能夠消耗厭氧氨氧化反應所生成的硝態氮，進一步提高厭氧氨氧化反應的脫氮效果，而且能夠為厭氧氨氧化細菌提供其所需的反應基質。

周健[8]等在溫度為33.0±0.5 ℃、水力停留時間為10 h、pH 值穩定在7～8 的條件下，采用全混式厭氧攪拌罐作為反應器，研究了零價鐵對厭氧氨氧化反應的影響。試驗結果表明，零價鐵能夠有效地耦合厭氧氨氧化反應，強化厭氧氨氧化微生物的脫氮效果。當接種厭氧氨氧化污泥質量濃度為200 mg·L-1、加鐵屑為71 g·L-1時，零價鐵對厭氧氨氧化反應的貢獻率達到最大值。此時，硝酸鹽脫氮負荷便能夠達到12 kg·m-3·d-1，而且氨氮和亞硝酸鹽的出水質量濃度低于2.0 mg·L-1。但周健[8]等發現在極端的條件下（如酸性條件下pH 值為4～6），厭氧氨氧化反應的液相總氮損失率升高，能夠達到89%以上。這就表明，雖然零價鐵能夠有效地耦合厭氧氨氧化反應，并強化厭氧氨氧化反應的脫氮效果，但零價鐵對厭氧氨氧化反應的強化效果及應用條件仍具有一定的局限性。萬莉[9]等也通過試驗研究發現零價鐵能夠強化厭氧氨氧化反應的脫氮效果，并縮短厭氧氨氧化反應的啟動時間。她們采用UASB作為反應器，通過零價鐵與電場相結合的方式強化厭氧氨氧化反應。試驗結果表明，雖然普通UASB反應器也能成功啟動厭氧氨氧化反應，但其啟動時間比投加零價鐵的UASB 反應器晚了約39 d。此外，當投加零價鐵的UASB 反應器處于運行穩定階段時，其氨氮和亞硝態氮的出水質量濃度均低于2 mg·L-1。

1.2 Fe2+對厭氧氨氧化反應的影響

Fe2+在厭氧氨氧化細菌的作用下作為電子供體，能夠將硝態氮還原成亞硝態氮，這一生化反應稱為NAFO 反應[10]。研究顯示，NAFO 反應能夠有效地降解厭氧氨氧化反應所生成的硝態氮，不僅提高厭氧氨氧化脫氮效率，而且NAFO 反應所生成的亞硝態氮和Fe3+能夠作為厭氧氨氧化反應和鐵氨氧化反應的反應基質。

張黎[11]等通過試驗研究發現Fe2+能夠強化厭氧氨氧化反應，Fe2+促進厭氧氨氧化菌的細胞合成并且增加其基質代謝。試驗結果顯示，厭氧氨氧化反應的脫氮效率隨著Fe2+濃度的升高而升高；當Fe2+濃度達到0.085 mmol·L-1時，厭氧氨氧化的脫氮效率達到最大值，此時氨氮和亞硝態氮的平均去除率能夠達到89.22%和91.70%，并且Fe2+能夠促進厭氧氨氧化菌中亞鐵血紅素含量，此時投加Fe2+的反應器中厭氧氨氧化污泥中的血紅素C 含量能夠達到0.143 μmol·mg-1，約為對照組的2.04 倍。此外，投加Fe2+的反應器中厭氧氨氧化污泥的結構與形態也優于對照組。血紅素C 是厭氧氨氧化體系中部分關鍵酶的重要組成因素，能夠直接影響厭氧氨氧化細菌關鍵酶活性，進而影響厭氧氨氧化細菌活性。LIU[12]等也通過試驗研究發現，Fe2+能夠影響厭氧氨氧化細菌中血紅素C 的含量，進而影響厭氧氨氧化細菌的活性及脫氮效果。他們通過試驗研究發現，在適當的條件下，Fe2+有利于血紅素 C 的合成，能夠有效地促進anammox 菌的生長速率。當Fe2+濃度0.03～0.09 mmol·L-1時，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到0.172 d-1。

1.3 Fe3+對厭氧氨氧化反應的影響

Fe3+對厭氧氨氧化反應的影響明顯不同與Fe2+和零價鐵，Fe3+既可以通過氧化NH4+形成Feammox反應，也可以與厭氧氨氧化細菌相結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。而從氮素的價態分析，在微生物的作用下，Fe3+能夠將NH4+氧化成NO2-、NO3-以及N2，但大多數的研究顯示Feammox 反應的產物多以亞硝酸鹽為主[14]。但其他學者也通過試驗發現，在厭氧條件下，Feammox 反應的主要產物為N2。而當Fe3+與厭氧氨氧化細菌相結合時，能夠同時產生Feammox 反應和厭氧氨氧化反應。在厭氧條件下，Fe3+既能夠發生Feammox 反應直接將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氮進行厭氧氨氧化反應[15]。

袁新明[16]等通過試驗研究發現，Fe3+能夠強化厭氧氨氧化反應的脫氮性能。當Fe3+質量濃度在0～6 mg·L-1范圍內變化時，厭氧氨氧化反應的脫氮效果隨著Fe3+質量濃度的增加而提高；當Fe3+質量濃度達到6 mg·L-1時，厭氧氨氧化反應的脫氮性能達到最高值0.264 g·g-1·d-1；而當Fe3+質量濃度繼續升高時，Fe3+則會對厭氧氨氧化反應的脫氮效果產生抑制作用。李祥[17]等也通過試驗研究發現，適當的Fe3+濃度能夠促進厭氧氨氧化反應的脫氮效果，但當Fe3+濃度超過閾值時，Fe3+則會明顯抑制厭氧氨氧化反應。這是因為厭氧氨氧化反應為產堿反應,而當Fe3+濃度過高時，Fe3+會與厭氧氨氧化反應所產生的OH-形成Fe(OH)3沉淀,進而抑制厭氧氨氧化細菌活性，降低厭氧氨氧化脫氮效果。

2 結束語

鐵元素能夠顯著影響厭氧氨氧化細菌活性，進而影響厭氧氨氧化反應的脫氮性能。不同形態的鐵元素對厭氧氨氧化反應的影響不同，適量的鐵元素能夠促進厭氧氨氧化反應的脫氮性能，并有效改善厭氧氨氧化反應的劣勢，為厭氧氨氧化反應的實際應用提供參考依據。