传统生物硝化/反硝化脱氮技术具有曝气能耗高、碳源消耗量大、污泥产量高等特点,难以适用于低碳氮比污水的处理。厌氧铁氨氧化(Feammox)是微生物直接利用Fe(Ⅲ)作为最终的电子受体,将氨氮氧化成氮气、亚硝态氮和硝态氮的过程。Feammox反应伴随大量Fe2+的释放,废水中的PO3-4易与Fe2+结合形成不溶性磷酸盐从污水中去除,因此其具有同步脱氮除磷的潜力。由于Feammox反应为厌氧、自养反硝化过程,与传统的硝化/反硝化相比,Feammox用于污水处理具有无需投加碳源、无需曝气、污泥产率低和容易实现同步脱氮除磷等优势。
然而,由于实际废水的成分复杂、环境条件多变,Feammox反应受到铁源类型、Fe2+浓度、pH、温度等诸多因素的影响,在实际污水处理应用中依然面临着巨大挑战。例如,低温是污水生化处理面临的重要问题,当环境温度低于10℃时,微生物的脱氮活性将受到严重抑制。铁氧化物在中性pH下主要以固态形式存在,其结晶度直接影响微生物的铁还原效率,进而影响Feammox的氨氧化速率。Feammox与硫循环存在密切的联系，在硫限制条件下Feammox能否稳定运行?因此,进一步探讨Feammox的环境耐受性以及调控机制是推动该技术走向污水处理应用的关键。针对上述问题,本研究设置了硫酸盐+水铁矿、硫酸盐+磁铁矿、无硫+水铁矿、无硫+低温+水铁矿共4组实验,考察高结晶度铁氧化物、硫限制和低温条件对Feammox脱氮除磷效能和稳定性的影响,并对脱氮除磷产物及微生物群落结构与功能进行分析,以期为Feammox的科学研究与实际应用提供理论依据。
一、材料与方法：
① 实验材料：实验采用模拟废水,模拟废水组成如下:NaHCO31.0g/L,NH4Cl1.0g/L,KH2PO40.1g/L,MgCl20.2g/L,微量元素1.0mL/L。模拟废水的化学需氧量(COD)为15.4mg/L,氨氮为258.5mg/L,总磷为40.2mg/L。将稻田土和市政污水处理厂剩余污泥按1∶1的质量比混合作为接种污泥,初始接种污泥悬浮固体(SS)为8.4g/L,挥发性悬浮固体(VSS)为7.6g/L。磁铁矿采用分析纯试剂,水铁矿采用Fe(NO3)3和NaOH法制备。水铁矿制备过程如下:将64.8gFe(NO3)3·9H2O溶于300mL超纯水中,边搅拌边加入10.0mol/L的NaOH溶液,直至pH达到7.3。室温静置稳定2h后,缓慢滴加1.0mol/L的NaOH溶液,至pH达到7.5。采用去离子水将上述混合物反复洗涤至硝酸根低于1mg/L,最后用去离子水定容至400mL。合成的水铁矿样品中Fe(Ⅲ)为380mmol/L。
② 实验方法：实验在1L广口瓶中进行,装液量为800mL,接种污泥后通入高纯氮气除氧15min。分别设置硫酸盐(0.8mmol/LMgSO4)+水铁矿(60mmol/L,以Fe(Ⅲ)计,下同)、硫酸盐(0.8mmol/LMgSO4)+磁铁矿(60mmol/L,以Fe(Ⅲ)计,下同)、无硫(无MgSO4)+水铁矿(60mmol/L)、无硫+低温(4℃)+水铁矿(60mmol/L)共计4组实验,各实验组设置3个平行。低温实验组置于4℃振荡培养,其他各组均置于25℃振荡培养。实验过程中定时采样考察水质变化。
③ 分析方法：X射线衍射(XRD)分析:将污泥样品冷冻干燥后研磨成细粉,采用XRD仪(XPert3Powder)进行晶体分析。扫描速率为5°/min,扫描角度为5°~90°。扫描电子显微镜(SEM)/能谱(EDS)分析:将污泥置于真空干燥2h,采用离子溅射镀膜法喷金,采用SEM/XRD系统(JSM-7800F)对样品进行表面形貌和元素组成分析。微生物群落结构与功能分析:在反应结束时(第70天),取污泥样品进行微生物高通量测序分析。采用小量脱氧核糖核酸(DNA)提取试剂盒对污泥样品进行DNA提取,提取后的DNA通过1%(质量分数)琼脂糖凝胶电泳检测。采用16SrRNA细菌引物515F/907R(515F:GTGYCAGCMGCCGCGGTAA,907R:CCGYCAATTYMTTTRAGTTT)进行聚合酶链式反应(PCR)扩增。采用DNA凝胶回收试剂盒切胶回收PCR产物,2%琼脂糖凝胶电泳检测。将PCR产物用蓝色荧光定量系统(QuantiFluorTM-ST)进行检测定量。
二、结果与讨论：
① 氮磷去除效率：各实验体系中氮磷的去除情况。硫酸盐+水铁矿组、硫酸盐+磁铁矿组与无硫+水铁矿组的氨氮变化曲线相似,均在0~14d氨氮波动明显,之后氨氮浓度迅速下降。在70d反应结束时,硫酸盐+水铁矿组、硫酸盐+磁铁矿组与无硫+水铁矿组氨氮去除量分别为234.4、195.2、215.4mg/L,去除率介于84.3%~88.0%,表明高结晶度的磁铁矿作铁源和硫限制对氨氧化无明显影响。无硫+低温+水铁矿组早期氨氮波动明显,28d后缓慢下降,最终氨氮去除量为65.3mg/L,去除率仅为25.5%,远低于其他实验组,表明低温显著降低了Feammox氨氧化的效能。
硫酸盐+水铁矿组、硫酸盐+磁铁矿组与无硫+水铁矿组的亚硝态氮浓度呈现出先升高后降低的趋势,反应结束时其亚硝态氮分别为5.75、78.48、74.49mg/L;无硫+低温+水铁矿组体系中没有明显的亚硝态氮生成,其亚硝态氮始终低于4.00mg/L。硝态氮浓度在各实验组中都存在波动现象。硫酸盐+磁铁矿组和无硫+低温+水铁矿组硝态氮的最终硝态氮质量浓度更低,分别为1.48、1.17mg/L;硫酸盐+水铁矿组和无硫+水铁矿组硝态氮的最终硝态氮质量浓度相对较高,分别达到了3.43、4.05mg/L。但总体上看各实验组的最终硝态氮均较低。
在所有添加水铁矿的实验组中,上清液中的总磷在7d内迅速下降到1.0mg/L以下,去除率达到98.3%以上。硫酸盐+磁铁矿组中的总磷浓度下降较为缓慢,至反应结束时,仅去除了58.6%。这一结果表明,低结晶度、高吸附性的水铁矿比高结晶度的磁铁矿具有更强的吸附除磷能力。综上,在本实验中硝态氮/亚硝态氮是Feammox的主要直接产物,之后硝态氮/亚硝态氮通过反硝化作用转变为氮气。以硝态氮/亚硝态氮为主要产物的Feammox过程同样被其他研究所报道。从热力学角度来看,当Feammox生成产物为氮气时能够释放更多的能量。从能量利用的角度来看,逐级反应有利于提高微生物的能量利用率。在硫酸盐+水铁矿组中,硝态氮和亚硝态氮反硝化去除的速率总体上较高,这可能与其硫自养反硝化代谢有关。在硫酸盐+水铁矿组氨氧化过程中(0~58d),体系中生成大量黑色的硫化物,并随着硝态氮/亚硝态氮的去除逐渐消失。这一结果与已报道的硫化合物介导Feammox反应一致。
② 污泥性状分析：反应结束后对污泥样品进行了SEM/EDS分析。在所有添加水铁矿的实验组中,样品表面磷元素占有相对较高的比例;而在硫酸盐+磁铁矿组中,磷元素的占比相对较低。这一结果证实了水铁矿比磁铁矿吸附了更多的磷元素,与除磷效果相对应。其原因是水铁矿主要以胶体形式存在,具有更大的比表面积和高表面活性,可以通过吸附和共沉淀与水中的磷酸盐相互作用,提高磷酸盐的去除效果。污泥样品的XRD分析结果表明,各实验组中均出现了新的矿物晶体,其特征峰主要在26.90°、27.63°和55.45°(见图2)。与标准卡片(PDF#89-1671)相比可知,该矿物晶体为四方复铁天蓝石(Fe25(PO4)14(OH)24),其中的Fe(Ⅲ)∶Fe(Ⅱ)为16∶9。各实验组铁氧化物中的Fe(Ⅲ)参与Feammox反应后被还原为Fe(Ⅱ),并进一步与磷酸盐结合形成稳定的矿物晶体。
③ 微生物群落分析：污泥属水平的微生物群落结构见表2。硫酸盐+磁铁矿、无硫+水铁矿和无硫+低温+水铁矿组共有的优势菌属为假单胞菌属,其相对丰度分别达到了12.7%、36.1%和2.1%。假单胞菌属具有较强的异养反硝化能力。硫酸盐+水铁矿和硫酸盐+磁铁矿组的共有优势菌属为苯基杆菌属、丛毛单胞菌属和亚硝化单胞菌属，其中，丛毛单胞菌属和亚硝化单胞菌属是已知的具有氨氧化能力的微生物。研究表明，丛毛单胞菌属是有硫共培养物中潜在的Feammox功能菌,能同时参与氮、铁和硫元素循环3个过程。在本研究中,丛毛单胞菌属在硫酸盐+水铁矿和硫酸盐+磁铁矿组中的丰度分别为9.9%和4.2%。由此推测，丛毛单胞菌属对有硫体系中氨氮的氧化起重要作用，是Feammox反应的重要菌属。硫酸盐+水铁矿、硫酸盐+磁铁矿和无硫+水铁矿组的共有优势菌属为硫杆菌属，其丰度分别达到4.8%、1.9%和2.7%。硫杆菌属具有较好的自养反硝化能力，本实验体系中产生的Fe(Ⅱ)和硝态氮/亚硝态氮是该菌属适宜的底物。无硫+水铁矿和无硫+低温+水铁矿组的共有优势菌属是黄杆菌属，相对丰度分别为2.9%和2.5%。黄杆菌属为异养反硝化微生物，对多种有机物具有较好的降解能力并能够进行同步反硝化。在有硫实验组中黄杆菌属未能成为优势菌属,说明该菌属在低硫环境中具有更好的竞争力。
④ 微生物功能预测：微生物功能注释结果表明,在硫酸盐+水铁矿和硫酸盐+磁铁矿组中,好氧氨氧化、亚硝化、黑暗铁氧化、黑暗硫氧化明显增强(见图3)。这一结果提示在Feammox生物脱氮处理中,可以通过投加一定量的硫酸盐来增强体系的氨氧化效果。此外,由于在Feammox体系中缺乏Fe(Ⅱ)和硫化合物氧化的氧气,但存在大量的硝态氮/亚硝态氮,因此两者的氧化主要由硝酸盐/亚硝酸盐充当氧化剂,即硫酸盐增加了Feammox体系中Fe(Ⅱ)反硝化和硫自养反硝化的功能。由于在本研究的Feammox体系中还生成了Fe(Ⅱ)和硫化物,自养反硝化的过程可以顺利进行,从而有助于有硫体系中硝态氮/亚硝态氮的快速消除。在无硫+水铁矿和无硫+低温+水铁矿组中,异养反硝化(包括硝酸盐还原、氮呼吸和硝酸盐呼吸)功能高于有硫实验组。但在Feammox体系中,有机物极度匮乏,异养反硝化的作用很难发挥,这可能是导致无硫实验组中亚硝态氮积累的主要原因。另外,无硫+低温+水铁矿组中硝酸盐/亚硝酸盐氨化功能远高于其他实验组,这一功能可使硝酸盐/亚硝酸盐重新还原为氨氮,这可能是导致该实验组氨氮去除效果较差的主要原因之一。
三、结论：
① Feammox具有较高的同步脱氮除磷效果,添加硫酸盐和水铁矿的实验组中,氨氮和总磷去除率分别超过84%和98%。磁铁矿作为铁源和硫限制不影响其氨氧化效果,但低温则使氨氮去除率明显下降。② Feammox的氨氧化产物主要为亚硝态氮和硝态氮,这些产物能通过体系中的反硝化作用进一步去除,而磷的去除初期依赖于水铁矿的物理吸附,后期可进一步与铁结合生成四方复铁天蓝石。③ 有硫Feammox体系中具有氨氧化功能的微生物丰度较高,在硫限制体系中具有反硝化功能的微生物丰度较高。
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