微生物-微米零價(jià)鐵工藝的脫氮效果及機(jī)理

薛江鵬，莫治新，李有文，蔡吉祥，張怡萍，查向浩

（1. 喀什大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院 新疆生物類固廢資源化工程技術(shù)研究中心，新疆 喀什 844000；2. 北京大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 水沙科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100871）

水體中的氮主要來自生物體的代謝和腐敗，工業(yè)廢水、生活污水的排放，以及氮肥的流失，氮是引起水質(zhì)變壞和水體富營(yíng)養(yǎng)化的主要污染源［1-2］，當(dāng)水體中氮質(zhì)量濃度大于0.2～0.3 mg/L時(shí)就會(huì)導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化。因此，氮的轉(zhuǎn)化去除是污水處理領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)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(gè)過程實(shí)現(xiàn)脫氮［4-5］。硝化作用在好氧條件下將氨轉(zhuǎn)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(jìn)行的反硝化過程中將進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為氮?dú)狻Ｓ醒芯勘砻鳎@兩個(gè)過程可在同一個(gè)反應(yīng)器中同時(shí)發(fā)生，稱為同步硝化-反硝化過程［6-8］。該過程無需兩個(gè)獨(dú)立的反應(yīng)器或間歇曝氣，從而簡(jiǎn)化了處理系統(tǒng)。

近年來，將納米零價(jià)鐵用于環(huán)境污染治理成為一種新型、高效的修復(fù)手段［9-13］。與普通鐵粉相比，納米零價(jià)鐵因特有的表面效應(yīng)和小尺寸效應(yīng)而具有特殊的物理化學(xué)性質(zhì)，具有顯著的吸附作用和共沉淀作用［14-15］。工程應(yīng)用中，微米零價(jià)鐵（mZVI）作為一種具有還原活性和吸附能力的材料，壽命相對(duì)更長(zhǎng)，不易鈍化，且成本低、生物毒性小［16］，被廣泛應(yīng)用于廢水處理領(lǐng)域。但mZVI用于去除硝酸鹽氮（NO3--N）時(shí)，產(chǎn)物均為氨氮（NH3-N），對(duì)水體環(huán)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(zhuǎn)化為氮?dú)狻Ｍ瑫r(shí)，mZVI在水中的無氧腐蝕過程中產(chǎn)生的氫可供給自養(yǎng)反硝化細(xì)菌進(jìn)行生物反硝化作用，提升生物反硝化效率。

本研究對(duì)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(yīng)時(shí)間對(duì)微生物-mZVI工藝脫氮效果的影響，結(jié)合高通量測(cè)序和環(huán)境掃描電子顯微鏡（ESEM）得到優(yōu)勢(shì)菌屬，并對(duì)脫氮機(jī)理進(jìn)行了推測(cè)分析。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑和材料

實(shí)驗(yàn)所用試劑均為分析純。

mZVI：由金沙納米技術(shù)有限公司提供，鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)98.5%，松裝密度0.95 g/cm3，費(fèi)氏粒度1.5 μm。微生物：復(fù)合菌劑BP350，購自北京博瑞康沐生物技術(shù)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(shí)驗(yàn)方法

將5 g微生物與1 200 mL模擬廢水置于錐形瓶中，設(shè)定初始硝酸鹽氮質(zhì)量濃度在25 mg/L以上，從而使反硝化菌處于優(yōu)勢(shì)地位。向容器中通入氮?dú)獗３謪捬鯒l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(fù)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(shí)驗(yàn)用菌液。

室溫下取1 000 mL模擬廢水于錐形瓶中，調(diào)節(jié)廢水pH至設(shè)定值，并加入一定量的mZVI和50 mL菌液后置于轉(zhuǎn)速為150 r/min恒溫振蕩器中，實(shí)驗(yàn)過程中通入氮?dú)庖员ＷC厭氧環(huán)境，反應(yīng)一段時(shí)間后取樣過濾，測(cè)定濾液的氮含量。

1.3 分析方法

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

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

污泥樣品以10 000 r/min轉(zhuǎn)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(jìn)行高通量測(cè)序。

2 結(jié)果與討論

2.1 微生物-mZVI工藝的優(yōu)勢(shì)分析

在廢水pH為7.0、初始硝酸鹽氮質(zhì)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(duì)比見圖1。由圖1可見：?jiǎn)为?dú)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(jié)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(dá)100%，組合工藝比單獨(dú)mZVI或微生物工藝更具脫氮優(yōu)勢(shì)。

圖1 3種工藝的脫氮效果對(duì)比

2.2 組合工藝脫氮效果的影響因素

2.2.1 反應(yīng)時(shí)間

在廢水pH為7.0、初始硝酸鹽氮質(zhì)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(shí)間的變化見圖2。

圖2 不同種類氮濃度隨時(shí)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(yīng)的進(jìn)行，去除速率加快，3 d后濃度降至0；2 d后，體系中氨氮質(zhì)量濃度從0升至6.32 mg/L，由于mZVI還原硝酸鹽氮的產(chǎn)物主要是氨氮，氨氮又用于微生物細(xì)胞合成，隨著反應(yīng)的進(jìn)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(zhuǎn)化過程中產(chǎn)生的氨氮量明顯高于亞硝酸鹽氮，可能是因?yàn)閙ZVI與硝酸鹽氮反應(yīng)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(yīng)時(shí)間為5 d較適宜。

2.2.2 廢水pH

在反應(yīng)時(shí)間為5 d、初始硝酸鹽氮質(zhì)量濃度為25.00 mg/L、mZVI投加量為為0.20 g/L的條件下，實(shí)驗(yàn)考察了不同廢水pH條件下的脫氮效果，結(jié)果如圖3所示。pH為6.8和7.0時(shí)，硝酸鹽氮的去除率達(dá)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(shí)，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(qiáng)酸性或強(qiáng)堿性變化時(shí)，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?yàn)榉聪趸磻?yīng)還原硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮的過程中會(huì)產(chǎn)生OH-，在堿性和酸性條件下硝酸鹽氮會(huì)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?dú)狻＞C上，中性條件能提升復(fù)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(duì)脫氮效果的影響

2.2.3 初始硝酸鹽氮濃度

在反應(yīng)時(shí)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(shí)驗(yàn)考察了不同初始硝酸鹽氮濃度條件下的脫氮效果，結(jié)果如圖4所示。初始硝酸鹽氮濃度不高于25.00 mg/L時(shí)，硝酸鹽氮的去除率均可達(dá)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(xù)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(shí)硝酸鹽氮的去除率降至78.00%，同時(shí)生成9.60%的氨氮和0.64%的亞硝酸鹽氮。上述結(jié)果表明，組合工藝對(duì)硝酸鹽氮具有較強(qiáng)的脫除能力。

圖4 初始硝酸鹽氮濃度對(duì)脫氮效果的影響

2.2.4 mZVI投加量

在反應(yīng)時(shí)間為5 d、廢水pH為7.0、初始硝酸鹽氮質(zhì)量濃度為25.00 mg/L的條件下，實(shí)驗(yàn)考察了不同mZVI投加量條件下的脫氮效果，結(jié)果如圖5所示。當(dāng)mZVI投加量為0.20～0.80 g/L時(shí)，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(xù)增加mZVI投加量，硝酸鹽氮的去除率略有下降。當(dāng)mZVI投加量低于0.20 g/L時(shí)，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(shí)即為單獨(dú)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(duì)脫氮效果的影響

2.3 微生物群落結(jié)構(gòu)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(shù)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(shù)目

2.3.2 物種分布情況

根據(jù)物種注釋結(jié)果，選取每個(gè)樣品在各分類水平上相對(duì)豐度排名前10的物種進(jìn)行分析，以門和屬水平為例，結(jié)果分別見圖7和圖8。

由圖7可見，在兩個(gè)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(xì)菌［20］，而該門類菌在組合工藝體系中的相對(duì)豐度（60.39%）高于單獨(dú)微生物工藝體系（54.66%）。在mZVI存在的情況下，mZVI可作為基質(zhì)，使變形菌門類菌附著于其上生長(zhǎng)繁殖，從而增加了細(xì)菌數(shù)量。

圖7 門水平物種相對(duì)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(yǎng)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(dòng)桿菌屬（Acinetobactersp.），堿桿菌屬（Alcaligenessp.），固氮弓菌屬（Azospirasp.），寡養(yǎng)單胞菌屬（Stenotrophomonassp.），丙酸桿菌屬（Caloramatorsp.），孢子菌屬（Sporomusasp.）。甲基嬌養(yǎng)桿菌屬在組合工藝體系中的相對(duì)豐度為41.81%，數(shù)量最多，且遠(yuǎn)高于該屬在單獨(dú)微生物工藝體系中的相對(duì)豐度（11.63%），該類菌種可發(fā)揮除氮作用。

圖8 屬水平物種相對(duì)豐度

2.4 組合工藝脫氮機(jī)理分析

2.4.1 ESEM分析

不同體系反應(yīng)前后的ESEM照片見圖9。由圖9可見：?jiǎn)为?dú)微生物工藝反應(yīng)后，微生物形態(tài)多為球狀；組合工藝反應(yīng)后，微生物形態(tài)多為桿狀，菌體分泌的胞外聚合物使其聚合生長(zhǎng)在一起。微生物可附著于mZVI上生長(zhǎng)，增加了微生物的數(shù)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(yīng)前后的ESEM照片

2.4.2 機(jī)理推測(cè)

根據(jù)以上分析可以看出：?jiǎn)为?dú)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(fā)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(yǎng)桿菌屬的數(shù)量遠(yuǎn)高于單獨(dú)微生物工藝體系，表明mZVI的加入增加了該種菌屬的數(shù)量。由此，推測(cè)組合工藝脫氮機(jī)理主要包括兩個(gè)方面：一方面是微生物的反硝化作用，通過對(duì)復(fù)合微生物BP350的馴化并與mZVI復(fù)合，mZVI在水中的分散顆粒為微生物生長(zhǎng)提供了附著基質(zhì)，增大了體系中微生物與廢水的接觸面積，提升了優(yōu)勢(shì)菌屬的數(shù)量，最終使甲基嬌養(yǎng)桿菌屬占優(yōu)勢(shì)，該菌屬通過反硝化過程將硝酸鹽氮先轉(zhuǎn)化成亞硝酸鹽氮，隨后轉(zhuǎn)化成氮?dú)猓?1］，微生物的引入可加快mZVI的腐蝕并利用腐蝕產(chǎn)氫提供的電子進(jìn)行反硝化［22］；另一方面是mZVI的還原作用，在厭氧環(huán)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(shí)，有一定的化學(xué)作用，但微生物作用起主導(dǎo)作用。綜上，mZVI能夠協(xié)同微生物提升脫氮效果。

3 結(jié)論

a）與單獨(dú)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(zhì)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(fù)合微生物BP350菌液50 mL/L反應(yīng)5 d，硝酸鹽氮去除率達(dá)100%，氨氮和亞硝酸鹽氮的總生成率為5.00%。

c）ESEM表征結(jié)果表明，mZVI在水中為微生物生長(zhǎng)提供了附著基質(zhì)，進(jìn)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(cè)序結(jié)果表明，在屬水平上，甲基嬌養(yǎng)桿菌屬（Methylotenera sp.）作為脫氮的優(yōu)勢(shì)菌屬在微生物-mZVI工藝體系中相對(duì)豐度最高，達(dá)41.81%，且遠(yuǎn)高于該屬在單獨(dú)微生物工藝體系中的相對(duì)豐度（11.63%）。

e）mZVI能夠協(xié)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(shí)間，提升脫氮效率。