鐵元素對厭氧氨氧化菌脫氮效能的影響

雷欣，閆榮，慕玉潔，章院燦，付志敏

（內蒙古大學生態與環境學院，內蒙古自治區環境污染控制與廢物資源化重點實驗室，內蒙古自治區煤化工廢水處理與資源化工程技術研究中心，內蒙古呼和浩特010021）

適量添加金屬元素或者金屬離子（銅、鋅、鐵等）可提高微生物活性，促進微生物多樣性[6-7]。鐵是自然界中儲藏量最多的金屬元素之一，環境中鐵元素以鐵單質和鐵離子的形式存在，Fe0和Fe2+可作為電子供體還原硝酸鹽氮生成氮氣，參與氮素轉變過程[8-9]，同時，鐵元素參與Anammox菌合成代謝過程[10]。相關研究報道，少量的鐵源可以促進生物脫氮進程[11]，AAOB可以還原硝酸鹽并氧化Fe2+[12-13]。理解鐵元素對Anammox微生物脫氮過程的影響及作用機制，對于利用鐵元素提高Anammox菌脫氮活性，促進含氮廢水的高效處理具有重要意義。

本文全面綜述了近些年來的相關研究報道中元素鐵對Anammox過程中含氮污染物去除的影響，分析鐵元素與氮元素的反應途徑、鐵對Anammox菌生長速率及厭氧顆粒形成的作用關系，以及鐵對微生物群落組成的影響，旨在全面理解鐵對Anammox微生物脫氮過程的影響及其產生的內在機制，為實現利用鐵強化微生物脫氮實際工程提供理論依據。

1 鐵單質對厭氧氨氧化脫氮效能的影響

與不添加鐵單質相比，以微米和納米的形式被添加到Anammox反應器中的Fe0可以顯著提高微生物的脫氮效能，然而目前文獻中關于鐵的最優投加量的報道結果各異，進而最大去除效果也不同，且不同類型反應器污泥濃度和污泥本身活性也存在差異，所以還需要進一步探究不同形式的Fe0對不同類型Anammox反應器脫氮過程起促進作用的閾值和內在機理。Fe2+濃度為0.075～0.12mmol/L（4.19～6.72mg/L）以及Fe3+濃度3.68～6mg/L時，均能提高Anammox脫氮效果，而鐵離子濃度過高則會超出顆粒污泥表面對鐵離子的吸附容量，進而可能抑制微生物活性，降低脫氮效能（見表1）。

1.1 鐵單質對厭氧氨氧化啟動及運行過程的影響

零價鐵（zero valent iron，ZVI）化學性質活潑，電負性極大，電極電位E0(Fe2+/Fe0)=-0.44V，具有較強的還原性和吸附能力[27-28]，從而被廣泛地應用于污水處理，如地下水硝酸氮還原。近年來，納米材料因其較大的比表面積和環境安全性，被認為是最有潛力的環境治理材料之一。在有氧條件下，納米零價鐵（nanoscale zero valent iron，nZVI）核殼結構會發生變動和塌陷，從而具備很高的還原活性[29]。還原性鐵單質的存在會消耗水體溶解氧（dissolved oxygen，DO），為厭氧微生物提供適宜的生存條件，投加ZVI或nZVI可為AAOB創造適宜的生長環境進而提高AAOB反應活性。

1.1.1 啟動

AAOB生長緩慢，荷蘭鹿特丹污水廠的Anammox項目啟動耗時3.5年，通過各種手段增強AAOB活性來快速啟動反應器是基于Anammox反應脫氮工藝的研究熱點，一次性投加鐵單質有利于裝置快速啟動。

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Ren等[15]利用ZVI消耗水環境中的DO創造低氧環境，填充不同類型（海綿鐵、微米級及納米級）的ZVI加速Anammox工藝的啟動，實驗結果表明，單質鐵（25g/4.75L）的投加加速了工藝啟動，并且，粒徑越小其促進作用越顯著。Guo等[30]投加不同用量的微米ZVI粉末探究其對Anammox的啟動過程。結果發現，與對照組相比，投加100mg/L和1000mg/L ZVI粉末的反應器內，AAOB的數量分別增加了約44.5%和54%，100mg/L ZVI粉末未能顯著加速反應器啟動，1000mg/L ZVI粉末啟動時間由96天縮短至87天，系統內Anammox活性呈現先抑制后促進的規律，生長速率提高20%。但是，也有研究表明，盡管反應器內投加nZVI（3g/L、60nm）能夠顯著促進Anammox菌繁殖，但是投加nZVI不能縮短Anammox啟動時間[31]，分析ZVI對氨氧化菌（ammonium oxidation bacteria，AOB）及反硝化菌（denitrifier bacteria，DB）的繁殖均具有一定的促進作用[32]。在反應器啟動初期，接種污泥中AAOB含量很少、活性很低，AOB及DB與AAOB競爭基質氨氮，導致nZVI不能縮短反應器啟動時間。初始接種污泥不同、nZVI投加量不同導致實驗結果不一致。Anammox反應器中加入鐵電極，提高電極電壓0.6V時，可提高脫氮性能，加速系統啟動，鐵電極表面富集大量AAOB[32]，電壓高于0.8V，系統脫氮性能下降。

表1 鐵元素對厭氧氨氧化脫氮效能的影響

盡管脫氮系統啟動時間不一定會有顯著差異，但是，投加單質Fe確定會促進AAOB的生長，其作用機制有以下幾方面。第一，通過消耗溶氧量（DO），降低系統內氧化還原電位，為AAOB提供適宜的生存環境[30]；第二，鐵單質氧化釋放Fe2+，能夠有效壓縮膠體污泥的雙電層，降低zeta電位，有利于污泥形成凝聚成顆粒；第三，單質鐵有利于分泌胞外聚合物（extracellular polymeric substances，EPS），增 強AAOB的 顆 粒 化 程度[14,15,33]。顆粒污泥的形成一方面高效地截留了微生物，另一方面，改變了功能微生物的空間分布，影響微生物的活性[34]，顆粒粒徑0.5～0.9mm具有最大的比厭氧氨氧化活性[60.6mgN/(gVSS·h)]，微生物分泌的EPS能避免外界物質進入細胞體內發生化學反應，從而保護細胞結構[35]。

1.1.2 運行

1.2 鐵單質對厭氧氨氧化微生物群落的影響

nZVI因特殊的表面效應，對微生物群落的影響較ZVI更為明顯。活性污泥中微生物組成會隨著nZVI濃度的增長（0.2～200mg/L）發生改變[46,61]。Zhang等[16]發現當流入nZVI的濃度增加到5mg/L，Planctomycetes的相對豐度從33.92%增加到40.11%，而Proteobacteria相對豐度從31.6%下降到27.1%。當 進 水nZVI濃 度 增 加 到20mg/L，Planctomycetes的 相 對 豐 度 降 至36.5%，而Proteobacteria含量增加到31.1%。微生物多樣性分析表明，隨著進水nZVI濃度的增加，Anammox的群落豐富度先增加后降低，Shanon指數也呈現先增加后減少的趨勢[16]。nZVI降低氧化還原電位，增加環境介質的酸堿度，并產生H2[62]，這可能對某些微生物的生長繁殖有利。盡管，nZVI在一定程度上影響了微生物組成，提高Candidatus Brocadia在群落中的相對豐度[30]，但是不改變Anammox體系中的主要功能菌（Candidatus Brocadia）[16]。

綜上，在某種程度上，nZVI會改變AAOB數量在微生物群落中的含量[14]，但鐵對AAOB的結構和主要功能菌種的影響不大，因鐵元素的獨有特性，可營造適宜微生物生存的條件，從而促進脫氮菌生長，影響微生物群落中菌種相對豐度變化。

2 鐵離子對厭氧氨氧化脫氮效能的影響

鐵離子是微生物代謝過程中的基本底物，通過EPS的分泌來加強微生物的聚集[33,63]。避免AAOB被沖刷[15]，有助于生長緩慢的AAOB的增殖。但是，過量鐵離子長時間滯留可能產生氫氧化物沉淀，嚴重的話可能發生芬頓效應[15]。所以探究鐵離子對Anammox的影響，不僅要考慮其對微生物的作用機理，還要從可能發生的化學反應層面分析。

2.1 鐵離子對厭氧氨氧化活性的影響

鐵能以還原亞鐵或Fe(Ⅲ)的形式存在，Fe(Ⅱ)/Fe(Ⅲ)作為催化劑或電子載體被廣泛應用于蛋白質的合成代謝中[64]。可溶性鐵（鐵離子）是AAOB生活在缺氧環境中的主要鐵物種，AAOB呼吸中的電子傳遞系統由Fe(Ⅲ)還原和Fe(Ⅱ)氧化支持，鐵離子參與鐵硫蛋白、細胞色素C的生物合成和氮轉化過程[10]。作為參與Anammox物質轉化的主要功能菌屬，Candidatus Kuenina、Candidatus Brocadia和Candidatus Scalindua可以厭氧氧化Fe2+同時將硝酸鹽還原為氮氣[13,55]。AAOB需要產生超過總細胞蛋白20%的含血紅素的酶用于日常代謝，而鐵離子又是含血紅素酶（如細胞色素C蛋白、肼合酶和肼脫氫酶）的重要組成部分[65]。因此，水處理體系內的鐵離子是影響AAOB菌活性的一個重要因素。

2.1.1 Fe2+和Fe3+對厭氧氨氧化活性的短期影響

AAOB依賴于一組特定的血紅素來實現自身的新陳代謝，如肼合酶和肼脫氫酶[21]。其中，肼合酶是Anammox最重要的特征之一，它催化氨和一氧化氮產生肼；經脫氫酶氧化肼產生氮氣，并為亞硝氮還原和肼合成提供電子[66]。鐵離子作為Anammox污泥培養的基本元素，影響AAOB的生長[67]，同時，AAOB可以通過依賴鐵的硝酸鹽還原生成亞硝酸鹽[57]和銨[15,68]進而提高Anammox脫氮效果。基于此，Anammox耦合鐵離子能表現出更高的反應活性和脫氮性能。

李祥等[18]將進水Fe(Ⅱ)濃度從0增加到5mg/L時，能明顯降低出水氨氮和亞硝氮的濃度，還發現Fe(Ⅲ)濃度變化對Anammox污泥活性的短期影響基本與Fe(Ⅱ)一致。Liu和Ni[67]通過批量實驗發現，適當添加Fe(Ⅱ)會提高AAOB的比生長率。但是，當Fe2+濃度達到0.18mmol/L（10.08mg/L）時，AAOB的活性會受到明顯的抑制[69]。袁新明等[25]短期投加Fe(Ⅲ)可提高氮去除率且當濃度提升至6mg/L以上時，脫氮效能達到最大值0.264g/(g·d)。在進水Fe(Ⅲ)為15～40mg/L時，出水氨氮與亞硝氮濃度并未出現較大的波動，高濃度Fe(Ⅲ)并未對污泥活性產生過高的抑制作用。以上實驗溫度為常溫（30℃以上），低溫下Anammox脫氮系統對鐵的需求量又有所不同。張碩[70]通過批試驗證明，在15℃時，Fe2+投加濃度為0.16mmol/L（8.96mg/L）對Anammox促進作用最明顯。為Anammox菌提供足夠的營養元素是提高低溫脫氮性能的關鍵，Li等[71]探究了Fe(Ⅲ)濃度對富含海洋厭氧氨氧化菌（marine anammox bacteria，MAB）系統脫氮性能的影響，發現當Fe(Ⅲ)大于50mg/L時，1～1.5h內最大底物轉化率由1.85kg/(m3·d)提高到2.55kg/(m3·d)。

綜上，Fe2+和Fe3+對Anammox活性的短期影響基本相同，并未因價態變化表現出顯著的差異性，適當投加Fe2+可顯著提高Anammox活性、提高細菌生長速度。不同環境溫度下，短期內Anammox脫氮系統對鐵的需求量會存在差異。值得注意的是，Anammox是一個產堿的過程，短時間內能產生氫氧化物保護污泥活性，避免高濃度游離態金屬離子和羥基自由基對微生物細胞的不利影響。

2.1.2 Fe2+和Fe3+對厭氧氨氧化活性的長期影響

鐵離子是AAOB生長的必要元素，在Van der Graaf等[73]的營養元素配比中，Fe(Ⅱ)濃度為0.03mmol/L，但是試驗證實0.03mmol/L的Fe(Ⅱ)濃度并不能滿足細胞血紅素合成和能量傳遞。所以，適當增加Fe2+濃度促進Anammox生物量的增長[19]。Wang等[74]發現Fe(Ⅲ)濃度（0.04～0.1mmol/L）能顯著促進特定AAOB生長速率從0.143d-1提高到0.1709d-1，而當濃度進一步增加到0.14mmol/L時，特定AAOB生長速率從0.1709d-1下降到0.1411d-1。

Qiao等[19]將進水Fe(Ⅱ)濃度調為0.09mmol/L（3.36mg/L）時，總氮去除率較正常Fe(Ⅱ)濃度（0.03mmol/L）提高32.2%，與張蕾等[20]、Zhang等[17]和張黎等[22]的研究結果相吻合，并且適量的Fe(Ⅱ)能增加MLVSS（混合液揮發性懸浮固體濃度，mixed liquid volatile suspended solids）[20]和樣品中亞鐵血紅素C含量[22]。李祥等[18]還發現同樣物質的量濃度的Fe2+比Fe3+更有利AAOB富集。為避免Fe2+被進一步氧化，可以在反應器內加入少量鐵塊，防止Fe2+轉化為Fe3+。所以，只有在適當的濃度范圍內添加鐵離子才能有效的提高微生物脫氮性能。

相關研究報道，常溫下，0.09mmol/L的Fe(Ⅱ)在短時間或長時間內均可以顯著提高生物脫氮效能。然而張碩[70]提出，在15℃時0.16mmol/L（8.96mg/L）的Fe2+在短時間內能刺激Anammox菌活性并顯著提高脫氮效能；但是，連續投加濃度為0.16mmol/L的Fe2+對反應器脫氮效能產生抑制作用，降低Fe2+投加濃度為0.08mmol/L，反應器脫氮效能逐漸恢復并趨于穩定。低溫下，Anammox脫氮系統短期內對鐵的需求量不同，可能是因為低溫嚴重抑制了微生物活性，然而高濃度的金屬離子可以瞬時刺激Anammox菌從而提高脫氮效果。但是，長期試驗過程中金屬離子具有累積作用并會富集在菌種表面和內部，而且高濃度金屬離子對細胞具有毒害作用，損害細胞內功能酶，最終導致細胞失活，使系統脫氮效能下降。Liu等[24]發現，當Fe(Ⅱ)或Fe(Ⅲ)濃度超過1.3mg/L或0.4mg/L時，AAOB脫氮效果顯著降低，這與Qiao等[19]報道的結果存在顯著差異。可能原因如下：首先，Liu等[24]的研究中DO始終保持在(0.6±0.1)mg/L，易產生三價鐵離子，長期運行過程中，鐵氧化物沉淀覆蓋微生物表面，阻滯反應的進行；其次，AAOB種類不同，Qiao等[19]的研究中的AAOB菌株為KSU-1，Liu等[24]的研究中并未詳細說明AAOB種類，值得注意的是，Qiao等[19]處理的是合成廢水，而Liu等[24]處理的是真正的垃圾滲濾液，其中含有很多復雜的成分。

實驗證明，鐵離子有利于反應器對底物基質的去除。Fe2+對Anammox污泥活性的刺激作用明顯高于Fe3+并更有利于AAOB的生長富集。短時間內，不同價態的鐵離子對Anammox菌活性的影響基本相同，然而不同溫度下，Anammox體系對鐵的需求量不同。連續實驗中，無論外界條件如何，鐵離子最適宜的濃度范圍依舊是(0.03～0.09)mmol/L，另外，過量的鐵離子會抑制血紅素的增加進而抑制脫氮效果。

2.2 鐵離子對厭氧氨氧化微生物群落的影響

微生物對環境因素有耐受性，在成功啟動Anammox裝置后，逐步投加Fe(Ⅱ)的連續實驗中，Candidatus Kuenenia的相對豐度略有增加[7,17]。除此之外，Fe(Ⅱ)也有利于其他微生物的生長繁殖，亞硝化單胞菌在高濃度Fe(Ⅱ)負荷下略有增加，表明亞硝化單胞菌對高濃度金屬離子的敏感度低[17]；在含有低濃度Fe(Ⅱ)的Anammox反應器的污泥樣品中也可以檢測到反硝化細菌[7]。作為Anammox系統的主要微生物，Planctomycetes耐高濃度Fe(Ⅲ)（大于0.1mmol/L）的能力強，適當投加Fe(Ⅲ)（0.04～0.1mmol/L）對Planctomycetes中的Anammox細菌種類增加可能更有利[74]。

微生物是生化反應順利進行的必要參與者，某種程度上，鐵離子并不會對微生物群落組成造成太大的影響，但鐵離子會增加Anammox菌在微生物群落中的相對豐度，此外還有利于其他具有脫氮功能菌的生長。Anammox體系是一個菌群多樣的微生物環境，還需要進一步探究金屬離子對不同微生物的影響。

3 結語

為實現市政污水的有效脫氮，厭氧氨氧化工藝因其低耗高效的優勢將在生物處理過程中得到更廣泛的應用。鐵是微生物生長的必要元素，能更好地促進細胞色素C合成、有利于污泥顆粒的形成和厭氧氨氧化菌富集、強化微生物脫氮效果，從而有助于反應器快速啟動和有效運行。厭氧氨氧化系統中微生物種類多樣且能夠利用不同價態的鐵離子實現氮在不同途徑中的轉化和去除，進一步實現氮的有效去除和鐵的循環利用，提高微生物對廢水中含氮污染物的去除效果。

然而近些年文獻中關于鐵對微生物脫氮影響的報道多關注于現象研究和實驗應用，而關于鐵對提高微生物脫氮的作用機制和對凈化市政污水的實際應用還不夠全面。結合目前已有研究，本文提出了以下幾點未來研究的主要方向：①低溫是制約厭氧氨氧化工藝在大陸季風氣候區域市政污水處理中廣泛應用的重要因素，故在實際應用過程中可以考慮投加鐵來強化厭氧氨氧化低溫脫氮的效能。值得注意的是，在應用操作中要結合實際研究規模和每日處理水量，調節鐵的添加濃度和投加方式，以避免鐵過量對體系產生不利影響，且更需要探索和采取提高厭氧氨氧化活性的方法，以利于工藝穩定運行。②借助同位素示蹤標記氮的轉化途徑，利用基因組、轉錄組、蛋白組分子生物學研究方法考察Fe-Anammox系統中功能基因、差異蛋白、RNA變化，結合代謝組學深入檢測微生物分解、合成、代謝過程中的各類物質并解釋代謝物變化的原因，從而探究鐵對微生物脫氮系統的影響，全面深入地揭示鐵在微生物細胞表面和內部可能發生的反應機制，為應用鐵促進廢水生物脫氮提供借鑒。