铁元素对厌氧氨氧化菌脱氮效能的影响

雷欣，闫荣，慕玉洁，章院灿，付志敏

（内蒙古大学生态与环境学院，内蒙古自治区环境污染控制与废物资源化重点实验室，内蒙古自治区煤化工废水处理与资源化工程技术研究中心，内蒙古呼和浩特010021）

适量添加金属元素或者金属离子（铜、锌、铁等）可提高微生物活性，促进微生物多样性[6-7]。铁是自然界中储藏量最多的金属元素之一，环境中铁元素以铁单质和铁离子的形式存在，Fe0和Fe2+可作为电子供体还原硝酸盐氮生成氮气，参与氮素转变过程[8-9]，同时，铁元素参与Anammox菌合成代谢过程[10]。相关研究报道，少量的铁源可以促进生物脱氮进程[11]，AAOB可以还原硝酸盐并氧化Fe2+[12-13]。理解铁元素对Anammox微生物脱氮过程的影响及作用机制，对于利用铁元素提高Anammox菌脱氮活性，促进含氮废水的高效处理具有重要意义。

本文全面综述了近些年来的相关研究报道中元素铁对Anammox过程中含氮污染物去除的影响，分析铁元素与氮元素的反应途径、铁对Anammox菌生长速率及厌氧颗粒形成的作用关系，以及铁对微生物群落组成的影响，旨在全面理解铁对Anammox微生物脱氮过程的影响及其产生的内在机制，为实现利用铁强化微生物脱氮实际工程提供理论依据。

1 铁单质对厌氧氨氧化脱氮效能的影响

与不添加铁单质相比，以微米和纳米的形式被添加到Anammox反应器中的Fe0可以显著提高微生物的脱氮效能，然而目前文献中关于铁的最优投加量的报道结果各异，进而最大去除效果也不同，且不同类型反应器污泥浓度和污泥本身活性也存在差异，所以还需要进一步探究不同形式的Fe0对不同类型Anammox反应器脱氮过程起促进作用的阈值和内在机理。Fe2+浓度为0.075～0.12mmol/L（4.19～6.72mg/L）以及Fe3+浓度3.68～6mg/L时，均能提高Anammox脱氮效果，而铁离子浓度过高则会超出颗粒污泥表面对铁离子的吸附容量，进而可能抑制微生物活性，降低脱氮效能（见表1）。

1.1 铁单质对厌氧氨氧化启动及运行过程的影响

零价铁（zero valent iron，ZVI）化学性质活泼，电负性极大，电极电位E0(Fe2+/Fe0)=-0.44V，具有较强的还原性和吸附能力[27-28]，从而被广泛地应用于污水处理，如地下水硝酸氮还原。近年来，纳米材料因其较大的比表面积和环境安全性，被认为是最有潜力的环境治理材料之一。在有氧条件下，纳米零价铁（nanoscale zero valent iron，nZVI）核壳结构会发生变动和塌陷，从而具备很高的还原活性[29]。还原性铁单质的存在会消耗水体溶解氧（dissolved oxygen，DO），为厌氧微生物提供适宜的生存条件，投加ZVI或nZVI可为AAOB创造适宜的生长环境进而提高AAOB反应活性。

1.1.1 启动

AAOB生长缓慢，荷兰鹿特丹污水厂的Anammox项目启动耗时3.5年，通过各种手段增强AAOB活性来快速启动反应器是基于Anammox反应脱氮工艺的研究热点，一次性投加铁单质有利于装置快速启动。

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Ren等[15]利用ZVI消耗水环境中的DO创造低氧环境，填充不同类型（海绵铁、微米级及纳米级）的ZVI加速Anammox工艺的启动，实验结果表明，单质铁（25g/4.75L）的投加加速了工艺启动，并且，粒径越小其促进作用越显著。Guo等[30]投加不同用量的微米ZVI粉末探究其对Anammox的启动过程。结果发现，与对照组相比，投加100mg/L和1000mg/L ZVI粉末的反应器内，AAOB的数量分别增加了约44.5%和54%，100mg/L ZVI粉末未能显著加速反应器启动，1000mg/L ZVI粉末启动时间由96天缩短至87天，系统内Anammox活性呈现先抑制后促进的规律，生长速率提高20%。但是，也有研究表明，尽管反应器内投加nZVI（3g/L、60nm）能够显著促进Anammox菌繁殖，但是投加nZVI不能缩短Anammox启动时间[31]，分析ZVI对氨氧化菌（ammonium oxidation bacteria，AOB）及反硝化菌（denitrifier bacteria，DB）的繁殖均具有一定的促进作用[32]。在反应器启动初期，接种污泥中AAOB含量很少、活性很低，AOB及DB与AAOB竞争基质氨氮，导致nZVI不能缩短反应器启动时间。初始接种污泥不同、nZVI投加量不同导致实验结果不一致。Anammox反应器中加入铁电极，提高电极电压0.6V时，可提高脱氮性能，加速系统启动，铁电极表面富集大量AAOB[32]，电压高于0.8V，系统脱氮性能下降。

表1 铁元素对厌氧氨氧化脱氮效能的影响

尽管脱氮系统启动时间不一定会有显著差异，但是，投加单质Fe确定会促进AAOB的生长，其作用机制有以下几方面。第一，通过消耗溶氧量（DO），降低系统内氧化还原电位，为AAOB提供适宜的生存环境[30]；第二，铁单质氧化释放Fe2+，能够有效压缩胶体污泥的双电层，降低zeta电位，有利于污泥形成凝聚成颗粒；第三，单质铁有利于分泌胞外聚合物（extracellular polymeric substances，EPS），增 强AAOB的 颗 粒 化 程度[14,15,33]。颗粒污泥的形成一方面高效地截留了微生物，另一方面，改变了功能微生物的空间分布，影响微生物的活性[34]，颗粒粒径0.5～0.9mm具有最大的比厌氧氨氧化活性[60.6mgN/(gVSS·h)]，微生物分泌的EPS能避免外界物质进入细胞体内发生化学反应，从而保护细胞结构[35]。

1.1.2 运行

1.2 铁单质对厌氧氨氧化微生物群落的影响

nZVI因特殊的表面效应，对微生物群落的影响较ZVI更为明显。活性污泥中微生物组成会随着nZVI浓度的增长（0.2～200mg/L）发生改变[46,61]。Zhang等[16]发现当流入nZVI的浓度增加到5mg/L，Planctomycetes的相对丰度从33.92%增加到40.11%，而Proteobacteria相对丰度从31.6%下降到27.1%。当 进 水nZVI浓 度 增 加 到20mg/L，Planctomycetes的 相 对 丰 度 降 至36.5%，而Proteobacteria含量增加到31.1%。微生物多样性分析表明，随着进水nZVI浓度的增加，Anammox的群落丰富度先增加后降低，Shanon指数也呈现先增加后减少的趋势[16]。nZVI降低氧化还原电位，增加环境介质的酸碱度，并产生H2[62]，这可能对某些微生物的生长繁殖有利。尽管，nZVI在一定程度上影响了微生物组成，提高Candidatus Brocadia在群落中的相对丰度[30]，但是不改变Anammox体系中的主要功能菌（Candidatus Brocadia）[16]。

综上，在某种程度上，nZVI会改变AAOB数量在微生物群落中的含量[14]，但铁对AAOB的结构和主要功能菌种的影响不大，因铁元素的独有特性，可营造适宜微生物生存的条件，从而促进脱氮菌生长，影响微生物群落中菌种相对丰度变化。

2 铁离子对厌氧氨氧化脱氮效能的影响

铁离子是微生物代谢过程中的基本底物，通过EPS的分泌来加强微生物的聚集[33,63]。避免AAOB被冲刷[15]，有助于生长缓慢的AAOB的增殖。但是，过量铁离子长时间滞留可能产生氢氧化物沉淀，严重的话可能发生芬顿效应[15]。所以探究铁离子对Anammox的影响，不仅要考虑其对微生物的作用机理，还要从可能发生的化学反应层面分析。

2.1 铁离子对厌氧氨氧化活性的影响

铁能以还原亚铁或Fe(Ⅲ)的形式存在，Fe(Ⅱ)/Fe(Ⅲ)作为催化剂或电子载体被广泛应用于蛋白质的合成代谢中[64]。可溶性铁（铁离子）是AAOB生活在缺氧环境中的主要铁物种，AAOB呼吸中的电子传递系统由Fe(Ⅲ)还原和Fe(Ⅱ)氧化支持，铁离子参与铁硫蛋白、细胞色素C的生物合成和氮转化过程[10]。作为参与Anammox物质转化的主要功能菌属，Candidatus Kuenina、Candidatus Brocadia和Candidatus Scalindua可以厌氧氧化Fe2+同时将硝酸盐还原为氮气[13,55]。AAOB需要产生超过总细胞蛋白20%的含血红素的酶用于日常代谢，而铁离子又是含血红素酶（如细胞色素C蛋白、肼合酶和肼脱氢酶）的重要组成部分[65]。因此，水处理体系内的铁离子是影响AAOB菌活性的一个重要因素。

2.1.1 Fe2+和Fe3+对厌氧氨氧化活性的短期影响

AAOB依赖于一组特定的血红素来实现自身的新陈代谢，如肼合酶和肼脱氢酶[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产生肼；经脱氢酶氧化肼产生氮气，并为亚硝氮还原和肼合成提供电子[66]。铁离子作为Anammox污泥培养的基本元素，影响AAOB的生长[67]，同时，AAOB可以通过依赖铁的硝酸盐还原生成亚硝酸盐[57]和铵[15,68]进而提高Anammox脱氮效果。基于此，Anammox耦合铁离子能表现出更高的反应活性和脱氮性能。

李祥等[18]将进水Fe(Ⅱ)浓度从0增加到5mg/L时，能明显降低出水氨氮和亚硝氮的浓度，还发现Fe(Ⅲ)浓度变化对Anammox污泥活性的短期影响基本与Fe(Ⅱ)一致。Liu和Ni[67]通过批量实验发现，适当添加Fe(Ⅱ)会提高AAOB的比生长率。但是，当Fe2+浓度达到0.18mmol/L（10.08mg/L）时，AAOB的活性会受到明显的抑制[69]。袁新明等[25]短期投加Fe(Ⅲ)可提高氮去除率且当浓度提升至6mg/L以上时，脱氮效能达到最大值0.264g/(g·d)。在进水Fe(Ⅲ)为15～40mg/L时，出水氨氮与亚硝氮浓度并未出现较大的波动，高浓度Fe(Ⅲ)并未对污泥活性产生过高的抑制作用。以上实验温度为常温（30℃以上），低温下Anammox脱氮系统对铁的需求量又有所不同。张硕[70]通过批试验证明，在15℃时，Fe2+投加浓度为0.16mmol/L（8.96mg/L）对Anammox促进作用最明显。为Anammox菌提供足够的营养元素是提高低温脱氮性能的关键，Li等[71]探究了Fe(Ⅲ)浓度对富含海洋厌氧氨氧化菌（marine anammox bacteria，MAB）系统脱氮性能的影响，发现当Fe(Ⅲ)大于50mg/L时，1～1.5h内最大底物转化率由1.85kg/(m3·d)提高到2.55kg/(m3·d)。

综上，Fe2+和Fe3+对Anammox活性的短期影响基本相同，并未因价态变化表现出显著的差异性，适当投加Fe2+可显著提高Anammox活性、提高细菌生长速度。不同环境温度下，短期内Anammox脱氮系统对铁的需求量会存在差异。值得注意的是，Anammox是一个产碱的过程，短时间内能产生氢氧化物保护污泥活性，避免高浓度游离态金属离子和羟基自由基对微生物细胞的不利影响。

2.1.2 Fe2+和Fe3+对厌氧氨氧化活性的长期影响

铁离子是AAOB生长的必要元素，在Van der Graaf等[73]的营养元素配比中，Fe(Ⅱ)浓度为0.03mmol/L，但是试验证实0.03mmol/L的Fe(Ⅱ)浓度并不能满足细胞血红素合成和能量传递。所以，适当增加Fe2+浓度促进Anammox生物量的增长[19]。Wang等[74]发现Fe(Ⅲ)浓度（0.04～0.1mmol/L）能显著促进特定AAOB生长速率从0.143d-1提高到0.1709d-1，而当浓度进一步增加到0.14mmol/L时，特定AAOB生长速率从0.1709d-1下降到0.1411d-1。

Qiao等[19]将进水Fe(Ⅱ)浓度调为0.09mmol/L（3.36mg/L）时，总氮去除率较正常Fe(Ⅱ)浓度（0.03mmol/L）提高32.2%，与张蕾等[20]、Zhang等[17]和张黎等[22]的研究结果相吻合，并且适量的Fe(Ⅱ)能增加MLVSS（混合液挥发性悬浮固体浓度，mixed liquid volatile suspended solids）[20]和样品中亚铁血红素C含量[22]。李祥等[18]还发现同样物质的量浓度的Fe2+比Fe3+更有利AAOB富集。为避免Fe2+被进一步氧化，可以在反应器内加入少量铁块，防止Fe2+转化为Fe3+。所以，只有在适当的浓度范围内添加铁离子才能有效的提高微生物脱氮性能。

相关研究报道，常温下，0.09mmol/L的Fe(Ⅱ)在短时间或长时间内均可以显著提高生物脱氮效能。然而张硕[70]提出，在15℃时0.16mmol/L（8.96mg/L）的Fe2+在短时间内能刺激Anammox菌活性并显著提高脱氮效能；但是，连续投加浓度为0.16mmol/L的Fe2+对反应器脱氮效能产生抑制作用，降低Fe2+投加浓度为0.08mmol/L，反应器脱氮效能逐渐恢复并趋于稳定。低温下，Anammox脱氮系统短期内对铁的需求量不同，可能是因为低温严重抑制了微生物活性，然而高浓度的金属离子可以瞬时刺激Anammox菌从而提高脱氮效果。但是，长期试验过程中金属离子具有累积作用并会富集在菌种表面和内部，而且高浓度金属离子对细胞具有毒害作用，损害细胞内功能酶，最终导致细胞失活，使系统脱氮效能下降。Liu等[24]发现，当Fe(Ⅱ)或Fe(Ⅲ)浓度超过1.3mg/L或0.4mg/L时，AAOB脱氮效果显著降低，这与Qiao等[19]报道的结果存在显著差异。可能原因如下：首先，Liu等[24]的研究中DO始终保持在(0.6±0.1)mg/L，易产生三价铁离子，长期运行过程中，铁氧化物沉淀覆盖微生物表面，阻滞反应的进行；其次，AAOB种类不同，Qiao等[19]的研究中的AAOB菌株为KSU-1，Liu等[24]的研究中并未详细说明AAOB种类，值得注意的是，Qiao等[19]处理的是合成废水，而Liu等[24]处理的是真正的垃圾渗滤液，其中含有很多复杂的成分。

实验证明，铁离子有利于反应器对底物基质的去除。Fe2+对Anammox污泥活性的刺激作用明显高于Fe3+并更有利于AAOB的生长富集。短时间内，不同价态的铁离子对Anammox菌活性的影响基本相同，然而不同温度下，Anammox体系对铁的需求量不同。连续实验中，无论外界条件如何，铁离子最适宜的浓度范围依旧是(0.03～0.09)mmol/L，另外，过量的铁离子会抑制血红素的增加进而抑制脱氮效果。

2.2 铁离子对厌氧氨氧化微生物群落的影响

微生物对环境因素有耐受性，在成功启动Anammox装置后，逐步投加Fe(Ⅱ)的连续实验中，Candidatus Kuenenia的相对丰度略有增加[7,17]。除此之外，Fe(Ⅱ)也有利于其他微生物的生长繁殖，亚硝化单胞菌在高浓度Fe(Ⅱ)负荷下略有增加，表明亚硝化单胞菌对高浓度金属离子的敏感度低[17]；在含有低浓度Fe(Ⅱ)的Anammox反应器的污泥样品中也可以检测到反硝化细菌[7]。作为Anammox系统的主要微生物，Planctomycetes耐高浓度Fe(Ⅲ)（大于0.1mmol/L）的能力强，适当投加Fe(Ⅲ)（0.04～0.1mmol/L）对Planctomycetes中的Anammox细菌种类增加可能更有利[74]。

微生物是生化反应顺利进行的必要参与者，某种程度上，铁离子并不会对微生物群落组成造成太大的影响，但铁离子会增加Anammox菌在微生物群落中的相对丰度，此外还有利于其他具有脱氮功能菌的生长。Anammox体系是一个菌群多样的微生物环境，还需要进一步探究金属离子对不同微生物的影响。

3 结语

为实现市政污水的有效脱氮，厌氧氨氧化工艺因其低耗高效的优势将在生物处理过程中得到更广泛的应用。铁是微生物生长的必要元素，能更好地促进细胞色素C合成、有利于污泥颗粒的形成和厌氧氨氧化菌富集、强化微生物脱氮效果，从而有助于反应器快速启动和有效运行。厌氧氨氧化系统中微生物种类多样且能够利用不同价态的铁离子实现氮在不同途径中的转化和去除，进一步实现氮的有效去除和铁的循环利用，提高微生物对废水中含氮污染物的去除效果。

然而近些年文献中关于铁对微生物脱氮影响的报道多关注于现象研究和实验应用，而关于铁对提高微生物脱氮的作用机制和对净化市政污水的实际应用还不够全面。结合目前已有研究，本文提出了以下几点未来研究的主要方向：①低温是制约厌氧氨氧化工艺在大陆季风气候区域市政污水处理中广泛应用的重要因素，故在实际应用过程中可以考虑投加铁来强化厌氧氨氧化低温脱氮的效能。值得注意的是，在应用操作中要结合实际研究规模和每日处理水量，调节铁的添加浓度和投加方式，以避免铁过量对体系产生不利影响，且更需要探索和采取提高厌氧氨氧化活性的方法，以利于工艺稳定运行。②借助同位素示踪标记氮的转化途径，利用基因组、转录组、蛋白组分子生物学研究方法考察Fe-Anammox系统中功能基因、差异蛋白、RNA变化，结合代谢组学深入检测微生物分解、合成、代谢过程中的各类物质并解释代谢物变化的原因，从而探究铁对微生物脱氮系统的影响，全面深入地揭示铁在微生物细胞表面和内部可能发生的反应机制，为应用铁促进废水生物脱氮提供借鉴。