鐵對(duì)廢水微生物脫氮的影響研究進(jìn)展1 鐵對(duì)廢水微生物脫氮的影響

目前用于廢水脫氮的微生物過程主要有厭氧氨氧化、硝化、反硝化及同時(shí)硝化反硝化等。

1.1 厭氧氨氧化

厭氧氨氧化菌在厭氧條件下能夠以氨氮為電子供體、亞硝酸鹽氮為電子受體，將氨氮與亞硝酸鹽氮同時(shí)轉(zhuǎn)化為氮?dú)?，可用于處?a href='http://www.banpingfang.cn/product/810.html' target='_blank' class='key_tag'>高氨氮廢水[12]。而為了提高厭氧氨氧化中的脫氮效率、縮短反應(yīng)器啟動(dòng)時(shí)間，強(qiáng)化厭氧氨氧化脫氮效果，研究者對(duì)鐵在不同投加形式和投加量下對(duì)厭氧氨氧化脫氮效果的影響開展了廣泛的研究（表1）。

離子形式的鐵（Fe2+或Fe3+）以及與EDTA-2Na螯合的二價(jià)鐵Fe(Ⅱ)（EDTA-FeNa2）等被添加到厭氧氨氧化反應(yīng)器中，用于促進(jìn)微生物的厭氧氨氧化脫氮[13,14,15,16]。如表1所示，F(xiàn)e2+或Fe3+在濃度為1～5mg/L以及Fe(Ⅱ)在濃度為0.06～0.12mmol/L（約3.35～6.72mg/L）時(shí)，均能提高厭氧氨氧化脫氮效果[13,14,15,16]。而當(dāng)鐵離子濃度過高時(shí)，反而會(huì)抑制厭氧氨氧化。在厭氧氨氧化生物濾池反應(yīng)器中，當(dāng)Fe2+添加濃度（10～20mg/L）超出適宜濃度范圍1～5mg/L時(shí)，厭氧氨氧化受到抑制，過量的Fe2+將被吸附于厭氧氨氧化生物膜上，以緩解對(duì)脫氮的抑制作用，而當(dāng)Fe2+濃度繼續(xù)增加（30～50mg/L），超出了厭氧氨氧化生物膜對(duì)Fe2+的吸附容量時(shí)，不能被生物膜吸附的Fe2+將進(jìn)入微生物細(xì)胞內(nèi)，嚴(yán)重抑制微生物活性，降低脫氮效果，這種抑制將是不可逆轉(zhuǎn)的[15]。

零價(jià)鐵（ZVI）、四氧化三鐵（Fe3O4）等固體形態(tài)的含鐵物質(zhì)，在水溶液中能夠通過水解或解離釋放出鐵離子（Fe2+和Fe3+），也可用于促進(jìn)厭氧氨氧化脫氮[8,17]（表1）。Ren等[8]研究了不同尺度的ZVI材料，包括毫米級(jí)零價(jià)鐵（mZVI）和納米級(jí)零價(jià)鐵（nZVI），結(jié)果表明，在上流式厭氧污泥床反應(yīng)器中，mZVI和nZVI的投加均能提高厭氧氨氧化對(duì)含氮污染物的去除速率或去除率，且nZVI對(duì)厭氧氨氧化脫氮的促進(jìn)效果優(yōu)于mZVI。ZVI水解產(chǎn)生Fe2+促進(jìn)厭氧氨氧化脫氮，同時(shí)也可作還原劑將硝酸鹽通過化學(xué)作用還原為氨氮，去除硝酸鹽的同時(shí)提供了充足的厭氧氨氧化底物[8]。nZVI相對(duì)于mZVI更能促進(jìn)厭氧氨氧化脫氮的原因可能是nZVI具有比mZVI更高的活性[19]。投加到厭氧氨氧化系統(tǒng)中的ZVI快速水解產(chǎn)生的Fe3+在堿性條件下易轉(zhuǎn)化為氫氧化鐵[Fe(OH)3]紅色絮狀固體，沉積于厭氧氨氧化污泥顆粒的表面，抑制厭氧氨氧化菌活性，因此，隨著反應(yīng)器運(yùn)行時(shí)間的延長，ZVI對(duì)厭氧氨氧化脫氮的作用將會(huì)由促進(jìn)轉(zhuǎn)為抑制[17]。Fe3O4也能夠溶于水解離出Fe2+和Fe3+，與ZVI不同的是，F(xiàn)e3O4的離子化速率與厭氧氨氧化系統(tǒng)對(duì)Fe2+和Fe3+的消耗速率保持平衡，在厭氧氨氧化系統(tǒng)中投加Fe3O4時(shí)未檢測到Fe(OH)3生成，F(xiàn)e2+和Fe3+濃度保持穩(wěn)定，從而對(duì)厭氧氨氧化產(chǎn)生更穩(wěn)定的促進(jìn)作用[17]。

厭氧氨氧化反應(yīng)器的啟動(dòng)耗時(shí)較長，適量鐵的添加能夠縮短厭氧氨氧化反應(yīng)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間[13]。Ren等[8]的研究表明mZVI和nZVI的投加能使上流式厭氧污泥床反應(yīng)器中厭氧氨氧化啟動(dòng)時(shí)間由126天分別縮短到105天和84天；Bi等[20]通過投加0.09mmol/L Fe2+使上流式厭氧氨氧化反應(yīng)器的啟動(dòng)時(shí)間由70天縮減至50天。厭氧氨氧化反應(yīng)器啟動(dòng)時(shí)間的縮短，促進(jìn)了厭氧氨氧化技術(shù)在實(shí)際廢水脫氮中的應(yīng)用。

Li等[21]提出了一種將厭氧氨氧化與鐵氨氧化、鐵型反硝化耦合的新型脫氮過程，能夠同時(shí)脫除一些廢水中同時(shí)存在的氨氮和硝酸鹽氮（圖1）：①通過鐵氨氧化，微生物利用Fe3+為電子受體將氨氮氧化為亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮或氮?dú)?同時(shí)Fe3+被還原為Fe2+；②通過鐵型反硝化，微生物利用①中生成的Fe2+為電子供體還原硝酸鹽氮為亞硝酸鹽氮或氮?dú)猓鳩e2+又被氧化為Fe3+；③系統(tǒng)中剩余的氨氮與前述兩個(gè)過程中的亞硝酸鹽氮在厭氧氨氧化菌的作用下也轉(zhuǎn)化為氮?dú)?，氮的轉(zhuǎn)化過程與鐵的轉(zhuǎn)化過程（Fe2+和Fe3+）相結(jié)合，鐵相當(dāng)于該耦合脫氮過程的催化劑。在該耦合脫氮反應(yīng)系統(tǒng)中，F(xiàn)e3+添加濃度為30mg/L，經(jīng)過62天的運(yùn)行，氨氮和硝酸鹽氮出水濃度由相同的進(jìn)水濃度50mg/L分別降低至16.2mg/L和20.6mg/L，有效實(shí)現(xiàn)了氨氮與硝酸鹽氮的同時(shí)去除[21]。