Feammox：一種新型自養(yǎng)生物脫氮技術(shù)

張莉紅，李杰，王亞娥，謝慧娜，趙煒，李婧

（1 蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2 甘肅省膜科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，甘肅 蘭州730020；3 甘肅省非常規(guī)水資源化利用技術(shù)重點實驗室，甘肅 蘭州 730020）

本文在綜合國內(nèi)外有關(guān)Feammox 過程作用及其特征的研究基礎(chǔ)上，對Feammox 活性及其反應(yīng)機(jī)制和作用的微生物進(jìn)行了討論，并結(jié)合近幾年的研究分析了其影響因素，最后對該技術(shù)未來的研究方向和重點進(jìn)行了展望，以期更好地理解Feammox的機(jī)理，從而更好地利用Feammox 來減少自然界和污水處理系統(tǒng)的氮素?fù)p失和環(huán)境足跡。

1 Feammox作用及其特征

Feammox速率是通過產(chǎn)生的N估計的。據(jù)估計，水稻土和太湖河口生態(tài)系統(tǒng)中與Feammox相關(guān)的氮損失分別為7.8～61kg/(hm·a)和8.3～17.8kg/(hm·a)。Feammox速率在不同環(huán)境之間可能有所不同（表1），這主要與Feammox 過程中Fe(Ⅲ)含量、pH、溫度、溶解氧（DO） 和總有機(jī)碳（TOC） 等因素有關(guān)。在太湖河口生態(tài)環(huán)境中，農(nóng)田和河岸土壤通過Feammox的速率明顯高于河流沉積物，分析原因是農(nóng)田和河岸土壤的Fe(Ⅲ)含量高于河流沉積物，農(nóng)田和河岸土壤中Fe(Ⅲ)的還原促進(jìn)了Feammox 脫氮。此外，Li 等發(fā)現(xiàn)Feammox 還具有應(yīng)對潮汐波動的各種生理特性，這進(jìn)一步影響了Feammox的活性。但對廢水處理系統(tǒng)中氮損失的變化以及Feammox速率的研究較少。

表1 不同環(huán)境Feammox活性、氮素流失的貢獻(xiàn)及優(yōu)勢群落

2 Feammox菌

目前，IRB廣泛存在于自然生態(tài)系統(tǒng)中，同時往往伴隨著Feammox 現(xiàn)象的發(fā)生。在研究富含F(xiàn)e(Ⅲ)氧化物和施氮量大的水稻土中是否存在Feammox時，發(fā)現(xiàn)水稻土中鐵還原菌驅(qū)動了Feammox 反應(yīng)。農(nóng)田、河岸土壤和河流沉積物中不同的Fe(Ⅲ)還原速率與不同環(huán)境條件下IRB 的富集有關(guān)，其中最豐富的3個屬分別為、和。在污水處理厭氧環(huán)境中也發(fā)現(xiàn)了IRB。厭氧廢水處理反應(yīng)器中富集了鐵還原菌。吳彥成等綜述了在自然界和污水生物處理系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)的多種能驅(qū)動Feammox過程的IRB微生物種類。其中主要微生物是和。因此，認(rèn)為IRB 在Feammox中是必不可少的，在Feammox過程中必然存在著IRB。

圖1 菌株A6掃描電鏡圖[34]

IRB的豐度表現(xiàn)出較大的差異。河流沉積物中相關(guān)IRB 的豐度（0.8%） 顯著低于農(nóng)田土壤（2.8%）和河岸帶土壤（2.5%）。不同季節(jié)的IRB 豐度也存在顯著差異，夏季最高，春季和秋季較低，冬季最低。藻類優(yōu)勢區(qū)和大型植物優(yōu)勢區(qū)沉積物中的sp. A6、spp.和Geobacteraceae spp.的豐度顯著高于湖心過渡區(qū)沉積物。

7.2.5 成功解除嵌塞 定義為直腸穹窿空虛或者只有少量糞便。在腹部檢查發(fā)現(xiàn)存在糞便嵌塞的病人中，則定義為左下腹腫塊的清除及直腸穹窿空虛［14］。

3 Feammox影響因素

最可能影響Feammox過程的因素是pH、溫度、DO。近年來，有機(jī)物和鐵源也被認(rèn)為是影響Feammox的重要因素。

3.1 pH

3.2 溫度

眾所周知，環(huán)境溫度及其相關(guān)的季節(jié)變化可能直接或間接地影響氮和鐵的轉(zhuǎn)化。陳方敏等對比分析了不同溫度對Feammox 的影響，認(rèn)為Feammox的最適宜溫度是30℃?；蚋呋虻偷臏囟榷紩绊慒eammox效果下降。3月份的湖泊沉積物和河岸帶溫度較低，F(xiàn)eammox 的活性相對較弱，F(xiàn)eammox 速率相對較小。在冬季，湖泊沉積物和潮間帶沉積物Fe(Ⅲ)還原速率、Geobacteraceae和的豐度普遍低于夏季。溫度的高低可能是通過影響微生物的群落來影響Feammox效果。

3.3 溶解氧

Feammox過程中起主要作用的鐵還原菌屬于厭氧菌，溶解氧對其生長代謝的影響很大。溶解氧可能影響Feammox 過程中微生物群落結(jié)構(gòu)，可能是Feammox細(xì)菌的主要限制因素。在較低較穩(wěn)定溶解氧水平下，F(xiàn)eammox 活性相對更好，速率相對更高。表層土壤Feammox 活性較弱，而深層土壤（0～10cm以下）Feammox活性較高，是氮損失的主要原因。Feammox 發(fā)生在限制氧氣的環(huán)境中，具有被低濃度氧氣可逆性抑制特性。然而，不同DO 對Feammox 的影響，以及Feammox 的可逆性抑制限值鮮有研究。

3.4 有機(jī)物

3.5 鐵源

4 Feammox、FeNiR、Anammox 和反硝化之間的關(guān)系

圖2 Feammox?FeNiR耦合脫氮

同單獨的Feammox技術(shù)相比，F(xiàn)eammox?FeNiR耦合技術(shù)具有以下優(yōu)點。

（2）耦合技術(shù)可以有效降低各工序?qū)﹁F離子的需求，避免污泥礦化。

圖3 Feammox?FeNiR?Anammox?反硝化耦合脫氮

5 結(jié)語

Feammox作為一種新型的鐵基質(zhì)自養(yǎng)生物脫氮過程，不僅能避免傳統(tǒng)硝化反硝化帶來的高成本和二次污染問題，而且適用于高氨氮、低碳氮比廢水的處理。與Anammox細(xì)菌相比，IRB具有更強的生存能力，廣泛存在于自然環(huán)境中。用于自然系統(tǒng)和污水處理系統(tǒng)等領(lǐng)域厭氧條件下氮污染的治理，F(xiàn)eammox體現(xiàn)了無需有機(jī)碳源、成本低、污泥產(chǎn)量低、不產(chǎn)生溫室氣體等顯著優(yōu)勢。

未來研究中，應(yīng)重點關(guān)注以下4個方面。

（1）雖然效率不高，但Feammox 已經(jīng)顯示出作為厭氧條件下處理氨的潛力，具有重要的研究價值。對廢水處理系統(tǒng)中氮損失的變化及控制Feammox 以N作為主要產(chǎn)物的反應(yīng)條件值得更進(jìn)一步的探索。

（2）從接種菌源出發(fā)，尋找更良好的接種物，以獲得更高的Feammox 速率。另外，已有研究表明，添加電子穿梭體AQDS可以促進(jìn)Feammox作用效果，但會影響IRB菌的豐度，需要進(jìn)一步的探索Feammox 細(xì)菌群落的豐度和多樣性。功能性Feammox 細(xì)菌的分離純化也應(yīng)在今后研究中加以考慮。

（4）研究Feammox造成的氮損失以及Feammox與FeNiR、厭氧氨氧化、反硝化的耦合占總氮損失的相當(dāng)比例，有必要更好地理解Feammox 過程和與之相關(guān)的FeNiR、Anammox、反硝化過程。Feammox?FeNiR?Anammox?反硝化耦合作用是一個非常復(fù)雜的過程，同時也是系統(tǒng)的氮循環(huán)的關(guān)鍵。由于污水生物處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，目前對污水處理系統(tǒng)中Feammox 過程氮損失貢獻(xiàn)的研究較少。對于Feammox、FeNiR、Anammox 和反硝化共生模式，應(yīng)進(jìn)行更具體的研究。