微生物-微米零價鐵工藝的脫氮效果及機理

薛江鵬，莫治新，李有文，蔡吉祥，張怡萍，查向浩

（1. 喀什大學 化學與環境科學學院 新疆生物類固廢資源化工程技術研究中心，新疆 喀什 844000；2. 北京大學 環境科學與工程學院 水沙科學教育部重點實驗室，北京 100871）

水體中的氮主要來自生物體的代謝和腐敗，工業廢水、生活污水的排放，以及氮肥的流失，氮是引起水質變壞和水體富營養化的主要污染源［1-2］，當水體中氮質量濃度大于0.2～0.3 mg/L時就會導致水體富營養化。因此，氮的轉化去除是污水處理領域的研究熱點之一。

微生物法是常用的脫氮方法［3］，通過硝化和反硝化兩個過程實現脫氮［4-5］。硝化作用在好氧條件下將氨轉化為氧化程度更高的氮化合物，如亞硝酸鹽或硝酸鹽，隨后在無氧或厭氧條件下進行的反硝化過程中將進一步轉化為氮氣。有研究表明，這兩個過程可在同一個反應器中同時發生，稱為同步硝化-反硝化過程［6-8］。該過程無需兩個獨立的反應器或間歇曝氣，從而簡化了處理系統。

近年來，將納米零價鐵用于環境污染治理成為一種新型、高效的修復手段［9-13］。與普通鐵粉相比，納米零價鐵因特有的表面效應和小尺寸效應而具有特殊的物理化學性質，具有顯著的吸附作用和共沉淀作用［14-15］。工程應用中，微米零價鐵（mZVI）作為一種具有還原活性和吸附能力的材料，壽命相對更長，不易鈍化，且成本低、生物毒性小［16］，被廣泛應用于廢水處理領域。但mZVI用于去除硝酸鹽氮（NO3--N）時，產物均為氨氮（NH3-N），對水體環境造成了二次污染，而微生物能夠通過反硝化過程將硝酸鹽氮轉化為氮氣。同時，mZVI在水中的無氧腐蝕過程中產生的氫可供給自養反硝化細菌進行生物反硝化作用，提升生物反硝化效率。

本研究對比了mZVI、微生物、微生物-mZVI工藝的脫氮效果，考察了mZVI投加量、廢水pH、初始硝酸鹽氮濃度、反應時間對微生物-mZVI工藝脫氮效果的影響，結合高通量測序和環境掃描電子顯微鏡（ESEM）得到優勢菌屬，并對脫氮機理進行了推測分析。

1 實驗部分

1.1 試劑和材料

實驗所用試劑均為分析純。

mZVI：由金沙納米技術有限公司提供，鐵質量分數98.5%，松裝密度0.95 g/cm3，費氏粒度1.5 μm。微生物：復合菌劑BP350，購自北京博瑞康沐生物技術有限公司，呈棕色粉末狀。

模擬廢水：在自來水中添加KNO3、無水葡萄糖（600 mg/L）、KH2PO4（270 mg/L）配制而成。

1.2 實驗方法

將5 g微生物與1 200 mL模擬廢水置于錐形瓶中，設定初始硝酸鹽氮質量濃度在25 mg/L以上，從而使反硝化菌處于優勢地位。向容器中通入氮氣保持厭氧條件，以1∶4 000的體積比投加無水乙醇做為電子供體，室溫下馴化至硝酸鹽氮徹底還原。取50 mL反硝化后溶液接種于新鮮模擬廢水中，反復上述操作，直至硝酸鹽氮的去除率恒定，視為馴化完成，得到實驗用菌液。

室溫下取1 000 mL模擬廢水于錐形瓶中，調節廢水pH至設定值，并加入一定量的mZVI和50 mL菌液后置于轉速為150 r/min恒溫振蕩器中，實驗過程中通入氮氣以保證厭氧環境，反應一段時間后取樣過濾，測定濾液的氮含量。

1.3 分析方法

硝酸鹽氮的測定采用紫外分光光度法［17］；氨氮的測定采用納氏試劑分光光度法［18］；亞硝酸鹽氮（NO2--N）的測定采用分光光度法［19］；pH的測定采用pH-201型pH計（意大利HANNA公司）。

采用Quanta 200 FEG型ESEM（美國FEI公司）表征反應前后體系的微觀形貌變化。

污泥樣品以10 000 r/min轉速離心20 min，棄去上清液。稱取1.0～1.5 g濃縮樣品，采用D5625-01型土壤基因組提取試劑盒（OMEGA公司）提取DNA，并交由北京諾禾致源生物信息科技有限公司進行高通量測序。

2 結果與討論

2.1 微生物-mZVI工藝的優勢分析

在廢水pH為7.0、初始硝酸鹽氮質量濃度為25.00 mg/L、mZVI投加量為為0.20 g/L的條件下，3種工藝的脫氮效果對比見圖1。由圖1可見：單獨mZVI或微生物工藝中，5 d后硝酸鹽氮濃度分別為22.01，0.87 mg/L；而微生物-mZVI組合工藝中，3 d后硝酸鹽氮濃度降至0。上述結果表明，mZVI能夠提升微生物的脫氮能力，使硝酸鹽氮去除率達100%，組合工藝比單獨mZVI或微生物工藝更具脫氮優勢。

圖1 3種工藝的脫氮效果對比

2.2 組合工藝脫氮效果的影響因素

2.2.1 反應時間

在廢水pH為7.0、初始硝酸鹽氮質量濃度為25.00 mg/L、mZVI投加量為為0.20 g/L的條件下，不同種類氮濃度隨時間的變化見圖2。

圖2 不同種類氮濃度隨時間的變化

由圖2可見：第1 d硝酸鹽氮的去除速率較慢，濃度僅降至21.48 mg/L，隨著反應的進行，去除速率加快，3 d后濃度降至0；2 d后，體系中氨氮質量濃度從0升至6.32 mg/L，由于mZVI還原硝酸鹽氮的產物主要是氨氮，氨氮又用于微生物細胞合成，隨著反應的進行而消耗，最終趨近于0；而亞硝酸鹽氮2 d后僅升至1.25 mg/L，3 d后又降至0.03 mg/L。這表明在轉化過程中產生的氨氮量明顯高于亞硝酸鹽氮，可能是因為mZVI與硝酸鹽氮反應生成亞硝酸鹽氮，而氨氮為電子供體，亞硝酸鹽氮為電子受體，微生物以亞硝酸鹽氮為氮源，最終將其消耗盡。綜上，選擇反應時間為5 d較適宜。

2.2.2 廢水pH

在反應時間為5 d、初始硝酸鹽氮質量濃度為25.00 mg/L、mZVI投加量為為0.20 g/L的條件下，實驗考察了不同廢水pH條件下的脫氮效果，結果如圖3所示。pH為6.8和7.0時，硝酸鹽氮的去除率達100%，氨氮和亞硝酸鹽氮的總生成率（生成的氮濃度占初始硝酸鹽氮濃度的百分比）分別為8.24%和5.00%，而pH為7.2時，雖然只去除了88.29%的硝酸鹽氮，但生成的亞硝酸鹽氮和氨氮的總生成率最低，為2.14%。pH向強酸性或強堿性變化時，硝酸鹽氮的去除率均逐漸降低，并且氨氮生成量逐漸升高。這可能因為反硝化反應還原硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮的過程中會產生OH-，在堿性和酸性條件下硝酸鹽氮會被mZVI還原為氨氮，而在中性條件下硝酸鹽氮在微生物和mZVI的共同作用下被還原成氮氣。綜上，中性條件能提升復合體系的脫氮效果，選擇廢水pH為7.0較適宜。

圖3 廢水pH對脫氮效果的影響

2.2.3 初始硝酸鹽氮濃度

在反應時間為5 d、廢水pH為7.0、mZVI投加量為為0.20 g/L的條件下，實驗考察了不同初始硝酸鹽氮濃度條件下的脫氮效果，結果如圖4所示。初始硝酸鹽氮濃度不高于25.00 mg/L時，硝酸鹽氮的去除率均可達100%，而氨氮和亞硝酸鹽氮的總生成率相似，均為5.00%左右。繼續增加初始硝酸鹽氮濃度，硝酸鹽氮的去除率逐漸降低，增至100.00 mg/L時硝酸鹽氮的去除率降至78.00%，同時生成9.60%的氨氮和0.64%的亞硝酸鹽氮。上述結果表明，組合工藝對硝酸鹽氮具有較強的脫除能力。

圖4 初始硝酸鹽氮濃度對脫氮效果的影響

2.2.4 mZVI投加量

在反應時間為5 d、廢水pH為7.0、初始硝酸鹽氮質量濃度為25.00 mg/L的條件下，實驗考察了不同mZVI投加量條件下的脫氮效果，結果如圖5所示。當mZVI投加量為0.20～0.80 g/L時，硝酸鹽氮的去除率均大于99.50%，而氨氮和亞硝酸鹽氮的總生成率相似，均為5.00%左右。繼續增加mZVI投加量，硝酸鹽氮的去除率略有下降。當mZVI投加量低于0.20 g/L時，隨著投加量的降低硝酸鹽氮的去除率逐漸降低，而氨氮和亞硝酸鹽氮的總生成量增加，投加量降為0時即為單獨微生物工藝。綜合考慮，選擇mZVI投加量為為0.20 g/L較適宜。

圖5 mZVI投加量對脫氮效果的影響

2.3 微生物群落結構分析

2.3.1 物種注釋

微生物樣品注釋到各分類水平上的序列數目如圖6所示，表明微生物工藝與組合工藝體系中微生物的種類沒有顯著差異。

圖6 微生物樣品各分類水平上的序列數目

2.3.2 物種分布情況

根據物種注釋結果，選取每個樣品在各分類水平上相對豐度排名前10的物種進行分析，以門和屬水平為例，結果分別見圖7和圖8。

由圖7可見，在兩個工藝體系中，門水平上主要存在的是變形菌門（Proteobacteria）、擬桿菌門（Bacteroidetes）、厚壁菌門（Firmicutes）、放線菌門（Actinobacteria）。以上菌門中，只有變形菌門包含了固氮類的細菌［20］，而該門類菌在組合工藝體系中的相對豐度（60.39%）高于單獨微生物工藝體系（54.66%）。在mZVI存在的情況下，mZVI可作為基質，使變形菌門類菌附著于其上生長繁殖，從而增加了細菌數量。

圖7 門水平物種相對豐度

由圖8可見，以屬為水平的微生物種類中，前10位依次為甲基嬌養桿菌屬（Methylotenerasp.），金黃桿菌屬（Chryseobacteriumsp.），厭氧單胞菌屬（Dysgonomonassp.），叢毛單胞菌屬（Comamonassp.），不動桿菌屬（Acinetobactersp.），堿桿菌屬（Alcaligenessp.），固氮弓菌屬（Azospirasp.），寡養單胞菌屬（Stenotrophomonassp.），丙酸桿菌屬（Caloramatorsp.），孢子菌屬（Sporomusasp.）。甲基嬌養桿菌屬在組合工藝體系中的相對豐度為41.81%，數量最多，且遠高于該屬在單獨微生物工藝體系中的相對豐度（11.63%），該類菌種可發揮除氮作用。

圖8 屬水平物種相對豐度

2.4 組合工藝脫氮機理分析

2.4.1 ESEM分析

不同體系反應前后的ESEM照片見圖9。由圖9可見：單獨微生物工藝反應后，微生物形態多為球狀；組合工藝反應后，微生物形態多為桿狀，菌體分泌的胞外聚合物使其聚合生長在一起。微生物可附著于mZVI上生長，增加了微生物的數量，防止其流失，且增大了與廢水的接觸面積。

圖9 不同體系反應前后的ESEM照片

2.4.2 機理推測

根據以上分析可以看出：單獨微生物工藝與組合工藝體系中，微生物的種類差別不大，并且發揮主要脫氮作用的菌種相同；但在組合工藝體系中，甲基嬌養桿菌屬的數量遠高于單獨微生物工藝體系，表明mZVI的加入增加了該種菌屬的數量。由此，推測組合工藝脫氮機理主要包括兩個方面：一方面是微生物的反硝化作用，通過對復合微生物BP350的馴化并與mZVI復合，mZVI在水中的分散顆粒為微生物生長提供了附著基質，增大了體系中微生物與廢水的接觸面積，提升了優勢菌屬的數量，最終使甲基嬌養桿菌屬占優勢，該菌屬通過反硝化過程將硝酸鹽氮先轉化成亞硝酸鹽氮，隨后轉化成氮氣［21］，微生物的引入可加快mZVI的腐蝕并利用腐蝕產氫提供的電子進行反硝化［22］；另一方面是mZVI的還原作用，在厭氧環境下，mZVI可將水中的硝酸鹽還原成氨氮，從而降低硝酸鹽氮濃度。組合工藝脫氮時，有一定的化學作用，但微生物作用起主導作用。綜上，mZVI能夠協同微生物提升脫氮效果。

3 結論

a）與單獨微生物或mZVI工藝相比，微生物-mZVI工藝的脫氮效果最好。

b）室溫下采用微生物-mZVI工藝脫氮，在廢水pH為7.0、初始硝酸鹽氮質量濃度為25.00 mg/L、mZVI投加量為為0.20 g/L的條件下，加入馴化好的復合微生物BP350菌液50 mL/L反應5 d，硝酸鹽氮去除率達100%，氨氮和亞硝酸鹽氮的總生成率為5.00%。

c）ESEM表征結果表明，mZVI在水中為微生物生長提供了附著基質，進而增大了微生物與廢水的接觸面積，還能有效防止微生物流失。

d）高通量測序結果表明，在屬水平上，甲基嬌養桿菌屬（Methylotenera sp.）作為脫氮的優勢菌屬在微生物-mZVI工藝體系中相對豐度最高，達41.81%，且遠高于該屬在單獨微生物工藝體系中的相對豐度（11.63%）。

e）mZVI能夠協同微生物提升脫氮效果，通過微生物的反硝化以及mZVI的還原作用，能有效縮短脫氮時間，提升脫氮效率。