Feammox：一種新型自養生物脫氮技術

張莉紅，李杰，王亞娥，謝慧娜，趙煒，李婧

（1 蘭州交通大學環境與市政工程學院，甘肅 蘭州 730070；2 甘肅省膜科學技術研究院有限公司，甘肅 蘭州730020；3 甘肅省非常規水資源化利用技術重點實驗室，甘肅 蘭州 730020）

本文在綜合國內外有關Feammox 過程作用及其特征的研究基礎上，對Feammox 活性及其反應機制和作用的微生物進行了討論，并結合近幾年的研究分析了其影響因素，最后對該技術未來的研究方向和重點進行了展望，以期更好地理解Feammox的機理，從而更好地利用Feammox 來減少自然界和污水處理系統的氮素損失和環境足跡。

1 Feammox作用及其特征

Feammox速率是通過產生的N估計的。據估計，水稻土和太湖河口生態系統中與Feammox相關的氮損失分別為7.8～61kg/(hm·a)和8.3～17.8kg/(hm·a)。Feammox速率在不同環境之間可能有所不同（表1），這主要與Feammox 過程中Fe(Ⅲ)含量、pH、溫度、溶解氧（DO） 和總有機碳（TOC） 等因素有關。在太湖河口生態環境中，農田和河岸土壤通過Feammox的速率明顯高于河流沉積物，分析原因是農田和河岸土壤的Fe(Ⅲ)含量高于河流沉積物，農田和河岸土壤中Fe(Ⅲ)的還原促進了Feammox 脫氮。此外，Li 等發現Feammox 還具有應對潮汐波動的各種生理特性，這進一步影響了Feammox的活性。但對廢水處理系統中氮損失的變化以及Feammox速率的研究較少。

表1 不同環境Feammox活性、氮素流失的貢獻及優勢群落

2 Feammox菌

目前，IRB廣泛存在于自然生態系統中，同時往往伴隨著Feammox 現象的發生。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時，發現水稻土中鐵還原菌驅動了Feammox 反應。農田、河岸土壤和河流沉積物中不同的Fe(Ⅲ)還原速率與不同環境條件下IRB 的富集有關，其中最豐富的3個屬分別為、和。在污水處理厭氧環境中也發現了IRB。厭氧廢水處理反應器中富集了鐵還原菌。吳彥成等綜述了在自然界和污水生物處理系統中發現的多種能驅動Feammox過程的IRB微生物種類。其中主要微生物是和。因此，認為IRB 在Feammox中是必不可少的，在Feammox過程中必然存在著IRB。

圖1 菌株A6掃描電鏡圖[34]

IRB的豐度表現出較大的差異。河流沉積物中相關IRB 的豐度（0.8%） 顯著低于農田土壤（2.8%）和河岸帶土壤（2.5%）。不同季節的IRB 豐度也存在顯著差異，夏季最高，春季和秋季較低，冬季最低。藻類優勢區和大型植物優勢區沉積物中的sp. A6、spp.和Geobacteraceae spp.的豐度顯著高于湖心過渡區沉積物。

7.2.5 成功解除嵌塞 定義為直腸穹窿空虛或者只有少量糞便。在腹部檢查發現存在糞便嵌塞的病人中，則定義為左下腹腫塊的清除及直腸穹窿空虛［14］。

3 Feammox影響因素

最可能影響Feammox過程的因素是pH、溫度、DO。近年來，有機物和鐵源也被認為是影響Feammox的重要因素。

3.1 pH

3.2 溫度

眾所周知，環境溫度及其相關的季節變化可能直接或間接地影響氮和鐵的轉化。陳方敏等對比分析了不同溫度對Feammox 的影響，認為Feammox的最適宜溫度是30℃。或高或低的溫度都會影響Feammox效果下降。3月份的湖泊沉積物和河岸帶溫度較低，Feammox 的活性相對較弱，Feammox 速率相對較小。在冬季，湖泊沉積物和潮間帶沉積物Fe(Ⅲ)還原速率、Geobacteraceae和的豐度普遍低于夏季。溫度的高低可能是通過影響微生物的群落來影響Feammox效果。

3.3 溶解氧

Feammox過程中起主要作用的鐵還原菌屬于厭氧菌，溶解氧對其生長代謝的影響很大。溶解氧可能影響Feammox 過程中微生物群落結構，可能是Feammox細菌的主要限制因素。在較低較穩定溶解氧水平下，Feammox 活性相對更好，速率相對更高。表層土壤Feammox 活性較弱，而深層土壤（0～10cm以下）Feammox活性較高，是氮損失的主要原因。Feammox 發生在限制氧氣的環境中，具有被低濃度氧氣可逆性抑制特性。然而，不同DO 對Feammox 的影響，以及Feammox 的可逆性抑制限值鮮有研究。

3.4 有機物

3.5 鐵源

4 Feammox、FeNiR、Anammox 和反硝化之間的關系

圖2 Feammox?FeNiR耦合脫氮

同單獨的Feammox技術相比，Feammox?FeNiR耦合技術具有以下優點。

（2）耦合技術可以有效降低各工序對鐵離子的需求，避免污泥礦化。

圖3 Feammox?FeNiR?Anammox?反硝化耦合脫氮

5 結語

Feammox作為一種新型的鐵基質自養生物脫氮過程，不僅能避免傳統硝化反硝化帶來的高成本和二次污染問題，而且適用于高氨氮、低碳氮比廢水的處理。與Anammox細菌相比，IRB具有更強的生存能力，廣泛存在于自然環境中。用于自然系統和污水處理系統等領域厭氧條件下氮污染的治理，Feammox體現了無需有機碳源、成本低、污泥產量低、不產生溫室氣體等顯著優勢。

未來研究中，應重點關注以下4個方面。

（1）雖然效率不高，但Feammox 已經顯示出作為厭氧條件下處理氨的潛力，具有重要的研究價值。對廢水處理系統中氮損失的變化及控制Feammox 以N作為主要產物的反應條件值得更進一步的探索。

（2）從接種菌源出發，尋找更良好的接種物，以獲得更高的Feammox 速率。另外，已有研究表明，添加電子穿梭體AQDS可以促進Feammox作用效果，但會影響IRB菌的豐度，需要進一步的探索Feammox 細菌群落的豐度和多樣性。功能性Feammox 細菌的分離純化也應在今后研究中加以考慮。

（4）研究Feammox造成的氮損失以及Feammox與FeNiR、厭氧氨氧化、反硝化的耦合占總氮損失的相當比例，有必要更好地理解Feammox 過程和與之相關的FeNiR、Anammox、反硝化過程。Feammox?FeNiR?Anammox?反硝化耦合作用是一個非常復雜的過程，同時也是系統的氮循環的關鍵。由于污水生物處理系統結構的復雜性，目前對污水處理系統中Feammox 過程氮損失貢獻的研究較少。對于Feammox、FeNiR、Anammox 和反硝化共生模式，應進行更具體的研究。