響應面法優(yōu)化硝酸鹽依賴型亞鐵氧化脫氮工藝研究

摘" " " 要：硝酸鹽型厭氧亞鐵氧化（NDFO）作為一種新發(fā)現(xiàn)的生物反硝化過程，可以在缺乏有機碳源的污水中有效地去除硝酸鹽，具有良好的工程應用前景。為了降低反應的啟動成本并提高處理效率，選擇厭筑顆粒污泥對NDFO工藝的運行效果進行對比評估。構(gòu)建CSTR反應器且連續(xù)運行56 d。隨后在對比運行實驗的基礎上研究了硝酸鹽處理效果的影響因素，采用優(yōu)勢性能的厭氧顆粒污泥進行單因素實驗，分別考察初始無機碳源與硝酸鹽比值（IC/N）、初始亞鐵與硝酸鹽比值（Fe/N）和初始pH對硝酸鹽去除性能的影響。結(jié)果表明：反應器在運行14 d后的硝酸鹽處理效率穩(wěn)定達到80%以上，硝酸鹽平均及最高去除效率分別達到79.4%和92.9%，硝酸鹽平均去除速率為0.045 kg-N·（m3·d）-1；通過響應面分析并驗證得出，在初始進水的IC/N為12.21，F(xiàn)e/N為3.51以及pH為6.5的條件下，NDFO工藝處理硝酸鹽的效果最佳。

關(guān)" 鍵" 詞：硝酸鹽型厭氧亞鐵氧化； 厭氧顆粒污泥； 硝酸鹽去除； 響應曲面法

中圖分類號：X703文獻標識碼： A" " "文章編號： 1004-0935（2025）01-0118-05

硝酸鹽污染在地表水和地下水中廣泛存在，經(jīng)常導致嚴重的環(huán)境問題，如水體富營養(yǎng)化等[1-2]。飲用水中硝酸鹽含量過高時，易導致多種人體健康問題[3-4]。傳統(tǒng)厭氧異養(yǎng)反硝化作用需要額外投加大量有機碳源，一方面污泥產(chǎn)生量大，提高了污泥處理成本；另一方面碳源加入量較難合理控制，易產(chǎn)生二次污染[5]。

近年來發(fā)現(xiàn)了一類可以同步實現(xiàn)硝酸鹽還原和亞鐵氧化的新型反硝化微生物，命名為“硝酸鹽依賴亞鐵氧化細菌”。在不添加有機物或添加少量有機物的情況下，該類細菌通過以還原鐵為電子來源，以硝酸鹽為電子受體，實現(xiàn)厭氧脫氮，避免了廢水處理過程中的二次污染，對生物氮循環(huán)產(chǎn)生了巨大的影響[6]。一些研究已經(jīng)分離出驅(qū)動水底沉積物反應的NDFO功能細菌，并發(fā)現(xiàn)其最終產(chǎn)物主要是氮氣且過程中沒有中間產(chǎn)物積累[7-10]。CARLSON等[11]總結(jié)了NDFO功能菌存在的4種代謝機制：專性亞鐵氧化還原酶作用、直接還原硝酸鹽以及細胞色素bc1復合體介導亞鐵氧化和電子保留機制。

為降低反應啟動成本，提高反應處理效果，本實驗選用水處理工藝中常用的厭氧顆粒污泥進行馴化培養(yǎng)。通過研究影響因子，試圖進一步提高反應的硝酸鹽處理能力，并達到優(yōu)化反應的目的。

1" 實驗部分

1.1" 實驗裝置

圖1為反應裝置示意圖。采用CSTR反應器，反應器內(nèi)徑14 cm，有效容積5 L，外層設有水浴夾層。污泥培養(yǎng)期間用黑色塑料袋包裹反應區(qū)的外側(cè)，用以消除光線對反應過程的影響。運行溫度控制在（31±1）℃。

1.2" 接種污泥和實驗廢水

本實驗接種的污泥是由某造紙廠的厭氧顆粒污泥為馴化污泥得到的NDFO污泥，馴化后的污泥，能夠在進水硝酸鹽濃度為30 mg·L-1，亞鐵濃度為235 mg·L-1條件下穩(wěn)定運行，硝酸鹽去除率能達到79.43%。實驗廢水為模擬廢水，其組成為NaHCO3（1 g·L-1）、MgSO4·7H2O（0.20 g·L-1）、KH2PO4（0.08 g·L-1）、（NH4）2SO4（0.12 g·L-1）和微量元素液（1 mL·L-1）[12]。硫酸亞鐵（分析純）和NaNO3（分析純）是常用的試劑，在本實驗中被用來提供Fe2+和NO3-。在本實驗中，為了避免過量的底物濃度對相關(guān)細菌的活力的負面影響，在實驗開始時特別采用了低濃度負荷進水，之后又逐步提升的方法。在配水時為保持亞鐵的穩(wěn)定性，進一步保證實驗結(jié)果的可靠性，按比例添加EDTA-2Na（1：0.6）[13]，以減緩鐵結(jié)殼的形成。進水pH保持在（6.4±0.1）。水力停留時間設為10h，為確保缺氧的環(huán)境（溶解氧小于0.5 mg·L-1），用氮氣在配水時進行15 min的曝氣。

1.3" 分析方法

pH采用pH計測定，硝酸鹽、亞硝酸鹽、氨氮、Fe2+和總鐵采用《水和廢水監(jiān)測分析方法》具體要求進行檢測分析[14]。實驗結(jié)果通過Design Expert 12.0進行多元回歸擬合，并建立相應回歸方程。

1.4" 實驗設計

1.4.1" 單因素實驗

本實驗先后分別考察IC/N、初始Fe/N、pH對硝酸鹽去除性能的影響。本研究通過批次實驗，在100 mL血清瓶中接入取自CSTR反應器的20 mL污泥。以模擬廢水為基礎，通過更改碳酸氫鈉的投加量以改變不同組分中的IC/N，最終設定實驗組分別是6、9、12、15，同時維持pH為6.5，置于31 ℃的恒溫振蕩箱內(nèi)遮光運行1 d，每個實驗組設置3個平行實驗。在得出最佳IC/N之后進行初始Fe/N的影響因素實驗。更改硫酸亞鐵投加量使Fe/N分別為2、3、4、5，其余操作條件不變進行研究。之后的pH操作方法同上，分別設為6.0、6.3、6.6、6.9。

1.4.2" 響應曲面實驗

在單因素實驗后使用Box-Behnken響應面模型設計三因素三水平響應面優(yōu)化實驗，考察pH、初始Fe/N和IC/N對工藝運行性能的影響。

2" 結(jié)果與討論

2.1" 單因素實驗

圖2（a）為IC/N比對反應的影響效果，在IC/N小于12時，硝酸鹽去除率與IC/N比變化趨勢成正比，即反應效果隨IC/N比的增大而增大，當IC/N=6時，硝酸鹽的去除效率僅為76.55%。當IC/N=12時，硝酸鹽的去除率達到最高，去除率為81.56%，僅有4.13 mg·L-1的硝酸鹽在血清瓶中有剩余。通過結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，硝酸鹽去除率在碳氮比大于6時都可以大于80%，說明本實驗馴化出的污泥需要在IC/N＞6的情況下，才能夠獲得足以支持其運行的碳源以保證細菌的正常反應。

從圖2（b）中可以看出，F(xiàn)e/N分別為2、3、4、5時，經(jīng)過1 d的反應后，硝酸鹽的濃度分別為7.02、3.04、2.39、5.74 mg·L-1，去除效率分別為76.67%、85.80%、87.91%、83.69%，其中，在Fe/N為4的情況下，實驗組中的剩余亞鐵濃度為205.77 mg·L-1。從實驗結(jié)果來看，該組實驗效果良好。通過實驗結(jié)果對比可以發(fā)現(xiàn)，過高或者過低的進水的亞鐵濃度會對反應造成負面的影響。

圖2（c）為pH對反應的影響效果，F(xiàn)e/N分別為2、3、4、5時，經(jīng)過1 d的反應，硝酸鹽的濃度分別為3.77、2.76、2.19、4.91 mg·L-1，去除效率分別為87.58%、88.55%、89.97%、86.87%，從結(jié)果可以看出，在pH為6.6的情況下，實驗效果最好。通過對比可以發(fā)現(xiàn)，過高或者過低的進水的亞鐵濃度會對反應造成負面的影響。不同的相關(guān)功能菌群對于pH有著不同的適應區(qū)間。有研究學者通過研究發(fā)現(xiàn)當pH為6.4～6.7時，硝酸鹽依賴型亞鐵氧化相關(guān)的菌屬能夠進行良好的生長富集[15]。

綜上，本次單因素實驗初步得出NDFO較優(yōu)運行條件為IC/N=12、Fe/N=4、pH為6.6。

2.2" 響應面實驗

響應面實驗設計的因素與水平見表1。根據(jù)設定的因素進行實驗，通過實驗結(jié)果以及木模型模擬，最終得出最佳運行條件，并在最佳運行條件下驗證其性能。

在進行實驗研究時，首先采用單因素實驗方法，對硝酸鹽、硝酸鹽的去除轉(zhuǎn)化效率進行評估。基于這一實驗結(jié)果，進一步運用響應面法，對NDFO工藝的運行條件進行全面優(yōu)化。根據(jù)Box-Behnken實驗設計，一共運行17組實驗，研究pH、初始Fe/N和IC/N在不同的條件組合下對反應去除硝酸鹽以及轉(zhuǎn)化亞鐵的影響，最終的實驗結(jié)果如表2所示。硝酸鹽去除率的影響因素多項式經(jīng)方差分析結(jié)果如表3所示。

在本研究中，以硝酸鹽去除率作為反應的響應值，采用方差分析的方法檢驗二次回歸模型的顯著性差異。結(jié)果顯示，模型具有顯著性，且P值小于0.01，說明所建立的二次回歸模型在預測硝酸鹽去除率方面具有較高的準確性。

在回歸模型中，通過F值來判斷不同變量與響應值的相關(guān)性的大小。F值越大，表明相關(guān)性越強。也就是說，模型中各個變量對硝酸鹽去除率的影響越大。

在影響硝酸鹽去除率的各個因素中，發(fā)現(xiàn)一階效應（包括X1、X2和X3）和相互作用效應（包括X1X2和X1X3）對硝酸鹽的去除具有顯著影響（Plt;0.05）。這表明在硝酸鹽去除過程中，各因素的一階效應和相互作用效應的重要性不容忽視。在一階效應中，三因素的相關(guān)性順序為：pH（X1）gt;Fe/N（X3）gt;IC/N（X2）。

此外，在一定范圍內(nèi)（6.6＞pH＞6.3），隨著pH值的增加，硝酸鹽去除率有所提高。同時，在一定范圍內(nèi)，增加IC/N和Fe/N有利于增強硝酸鹽的去除。這可能是因為IC/N和Fe/N的增加可以滿足廢水處理過程中微生物的活性的基質(zhì)需求，從而提高反應效果。

在pH、IC/N和Fe/N三因素的交互作用方面，發(fā)現(xiàn)pH與IC/N的交互影響與pH與Fe/N的交互作用影響相比要小，而IC/N與Fe/N的交互影響則更加不顯著（Pgt;0.05）。這說明在硝酸鹽去除過程中，pH與Fe/N的交互作用對硝酸鹽的去除的影響更為重要。

為了更直觀地展示pH與IC/N和Fe/N三因素之間的相互作用關(guān)系對硝酸鹽去除與亞鐵轉(zhuǎn)化的影響，通過繪制三維響應面圖，更清晰地了解各因素之間的相互作用關(guān)系，以及它們對硝酸鹽去除率的影響程度，從而對三因素與反應效果的相關(guān)性有一個更清晰的認識，具體如圖3所示。

由圖3（a）可知，在初始pH范圍為6.3～6.9、碳氮比為9～12的情況下，硝酸鹽最大去除率為90.32%。初始pH的優(yōu)化值為6.63，碳噪比的優(yōu)化值為5.14，硝酸鹽最高去除率為92.83%。硝酸鹽的去除率隨著IC/N的增加而增加，從3.65增加到6.00，而IC/N的進一步增加（在6.00以上）并沒有導致硝酸鹽去除率的進一步提高。高水平的碳酸氫鈉可能增加了溶液的pH，降低了硝酸鹽濃度。這些結(jié)果與前人的研究結(jié)果非常相似[16]。

鐵可作為缺氧條件下氧化還原過程的電子供體，在值為200 mV時釋放的電子也可用于微生物異化硝酸鹽的還原。此外，F(xiàn)e2+濃度（gt;50 mg·L-1）對自養(yǎng)反硝化陽離子過程沒有影響，硝酸鹽去除率幾乎沒有變化。WANG等[17]認為，在Fe2+為500 mg·L-1和pH 6.8～7.0條件下，硝酸鹽依賴性Fe（Ⅱ）氧化菌株W5會產(chǎn)生最佳反硝化性能。

2.3" 優(yōu)化條件驗證

利用通過響應面模型得到的三因素優(yōu)化參數(shù)，將其應用到NDFO工藝中，具體條件為：pH6.5，C/N=11.21和Fe/N=3.51，響應面模型預測此條件下硝酸鹽去除率可達到93.51%。下面將對模型得到的最優(yōu)解進行參數(shù)驗證。

為了對模型進行驗證，反應器在上述優(yōu)化條件下進行連續(xù)運行。選擇單獨的CSTR反應器進行優(yōu)化參數(shù)驗證實驗。將前期實驗得出的NDFO初始影響參數(shù)應用于此實驗，設置進水硝酸鹽的濃度為35 mg·L-1，相應的無機碳源及亞鐵投加量分別為392 mg·L-1和490 mg·L-1。在配制亞鐵時按1：0.6的配比加入EDTA-2Na螯合劑，整個實驗期間設置循環(huán)水浴溫度為31 ℃，且水力停留時間設為12 h。具體運行結(jié)果如圖4所示。

由圖4可以看出，硝酸鹽平均去除率可達到92.68%，此時硝酸鹽的去除負荷可高達0.065 kg-N·（m3·d）-1。實際運行效果與預測值基本相符。這表明所建立的響應曲面模型能有效地反映NDFO工藝性能。與單因素探究結(jié)果相比，響應面法優(yōu)化條件后硝酸鹽去除率提升至92.68%，硝酸鹽的去除負荷提高0.002 kg-N·（m3·d）-1，實現(xiàn)了硝酸鹽去除率的提升。

3" 結(jié)論

1）通過單因素實驗得出，NDFO工藝處理硝酸鹽的適宜條件為IC/N=（12±3）、Fe/N=（4±2）、pH為（6.6±0.3）。最佳硝酸鹽去除率為89.77%。

2）從硝酸鹽去除性能來看，pH是對硝酸鹽去除影響最大的因素，IC/N和Fe/N對于硝酸鹽的去除影響作用依次減弱，過高或過低的IC/N和Fe/N都會對硝酸鹽去除有不利影響。

3）通過響應面模型優(yōu)化，得到硝酸鹽依賴型亞鐵氧化的最優(yōu)工藝條件為：pH為6.5，C/N=11.21和Fe/N=3.51，模型預測去除率可達到93.51%。此條件下實際硝酸鹽去除率為92.68%，硝酸鹽的去除負荷可高達0.065 kg-N·（m3·d）-1。

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Optimization of Nitrate-dependent Ferrous Oxidation Denitrification Process by Response Surface Methodology

XIEYuandu， WANG Yujia

（Shenyang Jianzhu University， Shenyang Liaoning 110168， China）

Abstract：Nitrate-type anaerobic ferrous oxidation （NDFO） as a newly discovered biological denitrification process， can effectively remove nitrate in wastewater without organic carbon source， and has a good prospect for engineering application. In order to reduce the start-up cost of the reaction and improve the treatment efficiency， the operating effect of NDFO process was compared and evaluated by using anaerobic granular sludge. A CSTR reactor was constructed and operated continuously for 56d. Then， the influencing factors of nitrate treatment effect were studied on the basis of the comparative operation experiment. The single factor experiment was carried out by using the anaerobic granular sludge with superior performance， and the effects of the initial inorganic carbon source and nitrate ratio （IC/N）， the initial ferrous iron and nitrate ratio （Fe/N） and the initial pH on the nitrate removal performance were investigated. The results showed that the nitrate treatment efficiency of the reactor reached more than 80% after running for 14d， the average and maximum nitrate removal efficiency reached 79.4% and 92.9% respectively， and the average nitrate removal rate was 0.045 kg-N·（m3·d）-1. Through response surface analysis and verification， it was concluded that the NDFO process had the best nitrate treatment effect under the conditions of IC/N of the initial influent being 12.21， Fe/N 3.51and pH 6.5.

Key words： Nitrate-type anaerobic ferrous oxidation;Anaerobic granular sludge;Nitrate removal;Response surface methodology