鐵對短程反硝化的性能影響研究進(jìn)展

中圖分類號：TQ051 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1004-0935（2025）07-01246-04

反硝化作為生物脫氮過程中的關(guān)鍵步驟，對于控制水體富營養(yǎng)化和保護(hù)生態(tài)環(huán)境具有重要意義。短程反硝化（partial-denitrification，PD）是指厭氧的反硝化菌以有機(jī)物為電子供體進(jìn)行不完全的反硝化反應(yīng)，只進(jìn)行反硝化的第1步，即將 NO₃^--N 還原為 NO₂^--N 的過程-2]。近年來，短程反硝化作為一種新型脫氮技術(shù)受到廣泛關(guān)注。與傳統(tǒng)反硝化相比，短程反硝化可以顯著降低碳源消耗和污泥產(chǎn)量，具有良好的應(yīng)用前景[3-5]。然而，短程反硝化的穩(wěn)定性和效率仍有待提高。

鐵是一種普遍存在于環(huán)境中的金屬元素，也是微生物生長所必需的關(guān)鍵微量元素之一67。鐵在微生物生長和廢水處理中發(fā)揮多種作用，包括促進(jìn)微生物的代謝活性、調(diào)節(jié)微生物群落結(jié)構(gòu)[9-1]、影響廢水中氮污染物的去除效果等[1I-12]。研究表明，鐵可以通過多種途徑影響短程反硝化性能，如作為電子供體、促進(jìn)微生物生長、調(diào)節(jié)pH等[13]。因此，探究鐵對短程反硝化的影響機(jī)制，對于優(yōu)化短程反硝化工藝具有重要的理論和實(shí)踐意義。

本文綜述了近年來鐵對短程反硝化性能影響的研究進(jìn)展，重點(diǎn)關(guān)注鐵的存在形式、濃度、投加方式等因素對短程反硝化效率、微生物群落結(jié)構(gòu)和代謝途徑的影響，并對未來研究方向進(jìn)行了展望。

1鐵對短程反硝化性能的影響

1.1鐵的存在形式對短程反硝化的影響

鐵在短程反硝化系統(tǒng)中可以以多種形式存在，如零價(jià)鐵、亞鐵離子、鐵氧化物等，不同形式的鐵對短程反硝化的影響機(jī)制也有所不同[14]。

1.1.1 零價(jià)鐵

零價(jià)鐵(ZVI)是一種常用的反硝化電子供體。研究表明，ZVI可以通過直接化學(xué)還原和間接生物還原兩種途徑促進(jìn)硝酸鹽的去除[15]。在短程反硝化過程中，ZVI的加入可以顯著提高亞硝酸鹽的積累。MENG等研究發(fā)現(xiàn)，納米零價(jià)鐵(nZVI的加入可以將短程反硝化效率提高 20% 以上，且nZVI的粒徑越小，促進(jìn)效果越顯著。這主要是由于nZVI具有更大的比表面積和更高的反應(yīng)活性，可以更有效地為反硝化微生物提供電子。然而，ZVI的使用也面臨一些挑戰(zhàn)。例如，ZVI容易發(fā)生團(tuán)聚和鈍化，導(dǎo)致反應(yīng)活性降低。為解決這一問題，研究人員開發(fā)了多種改性ZVI材料。WU等設(shè)計(jì)了一種陶瓷負(fù)載的微米級ZVI和酸化碳耦合的原電池(CMC)，通過提高鐵碳接觸面積和延長有效期，顯著提高了反硝化效率。

1.1.2 亞鐵離子

亞鐵離子 (Fe²⁺) 是另一種常見的鐵形態(tài)，可以作為自養(yǎng)反硝化的電子供體。CHANG等研究了不同F(xiàn)e2+濃度對短程反硝化性能的影響，發(fā)現(xiàn)適量的 Fe²⁺ 可以促進(jìn)亞硝酸鹽的積累，但過高的Fe濃度會(huì)抑制反硝化過程。這可能是由于高濃度 Fe²⁺ 會(huì)導(dǎo)致pH值降低，影響反硝化微生物的活性。此外，F(xiàn)e還可以通過形成鐵氧化物來影響短程反硝化性能。XUE和HUANG的研究表明[，F(xiàn)e2+在形成短程有序鐵氧化物的過程中，可以吸附鋅等重金屬離子，從而降低重金屬對反硝化微生物的毒性。這為同時(shí)去除硝酸鹽和重金屬提供了新的思路。

1.1.3 鐵氧化物

鐵氧化物作為一種穩(wěn)定的鐵形態(tài)，可以通過提供附著表面和調(diào)節(jié)微環(huán)境 pH 值來影響短程反硝化性能。ZHOU等2研究發(fā)現(xiàn)，鐵氧化物的存在可以促進(jìn)反硝化菌的生長和附著，提高短程反硝化的穩(wěn)定性。此外，鐵氧化物還可以通過吸附磷酸鹽來調(diào)節(jié)C/N/P比例，從而優(yōu)化短程反硝化過程。

1.2鐵的濃度對短程反硝化的影響

鐵的濃度是影響短程反硝化性能的關(guān)鍵因素之一。適當(dāng)?shù)蔫F濃度可以促進(jìn)反硝化過程，但過高或過低的鐵濃度都可能對反硝化產(chǎn)生不利影響。MA等2研究了不同濃度的緩釋鐵/活性炭水凝膠對低C/N比微污染水體的處理效果，發(fā)現(xiàn)隨著鐵濃度的增加，短程反硝化效率先增加后降低。在最佳鐵濃度下，系統(tǒng)的總氮去除率可達(dá) 90% 以上。這主要是由于適量的鐵可以為反硝化微生物提供足夠的電子供體，同時(shí)不會(huì)對微生物產(chǎn)生毒性抑制作用。然而，不同反硝化系統(tǒng)對鐵濃度的敏感性存在差異。REN等22研究了硫鐵自養(yǎng)反硝化系統(tǒng)中鐵濃度的影響，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)對鐵濃度的變化較為敏感。當(dāng)鐵濃度過高時(shí)，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng) pH 值降低，抑制反硝化微生物的活性。因此，在實(shí)際應(yīng)用中需要根據(jù)不同系統(tǒng)的特點(diǎn)，優(yōu)化鐵的投加濃度。

1.3 鐵的投加方式對短程反硝化的影響

鐵的投加方式也是影響短程反硝化性能的重要因素。不同的投加方式可能導(dǎo)致鐵在系統(tǒng)中的分布和存在形態(tài)不同，從而影響反硝化效率。XU等[23]比較了水凝膠固定化和直接添加兩種鐵投加方式對短程反硝化性能的影響。結(jié)果表明，水凝膠固定化可以實(shí)現(xiàn)鐵的緩慢釋放，有利于維持系統(tǒng)的長期穩(wěn)定性。此外，水凝膠還可以為微生物提供良好的附著表面，促進(jìn)生物膜的形成。GUO等2研究了生物質(zhì)添加對鐵碳濕地短程反硝化性能的影響。結(jié)果顯示，生物質(zhì)的添加可以提高鐵的利用效率，同時(shí)為反硝化微生物提供額外的碳源，顯著提高了系統(tǒng)的脫氮效率。這種復(fù)合投加方式為優(yōu)化短程反硝化工藝提供了新的思路。

2鐵對短程反硝化微生物群落的影響

2.1 鐵對短程反硝化功能菌的影響

鐵的存在可以顯著影響反硝化功能菌的豐度和活性。研究表明，適量的鐵可以促進(jìn)某些反硝化功能菌的生長，從而提高短程反硝化的效率。TANG等[25]研究了垂直流反硝化生物濾池中微生物群落的空間分布，發(fā)現(xiàn)鐵的存在可以促進(jìn)Thauera、Dechloromonas等異養(yǎng)反硝化菌的生長。這些菌屬在短程反硝化過程中起著重要作用，可以高效地將硝酸鹽還原為亞硝酸鹽。此外，鐵還可以促進(jìn)某些自養(yǎng)反硝化菌的生長。BAI等2研究發(fā)現(xiàn)，在硫化鐵耦合自養(yǎng)反硝化系統(tǒng)中，鐵的存在顯著提高了Thiobacillus等自養(yǎng)反硝化菌的豐度。這些自養(yǎng)反硝化菌可以利用鐵作為電子供體，實(shí)現(xiàn)高效的短程反硝化。

2.2鐵對微生物群落結(jié)構(gòu)的影響

鐵不僅影響單一功能菌，還可以改變整個(gè)微生物群落的結(jié)構(gòu)。研究表明，鐵的存在可以增加微生物群落的多樣性，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。有研究通過高通量測序分析了鐵碳耦合短程反硝化系統(tǒng)的微生物群落結(jié)構(gòu)。結(jié)果顯示，鐵的加人顯著增加了微生物群落的 ∝ 多樣性，同時(shí)促進(jìn)了異養(yǎng)反硝化菌和自養(yǎng)反硝化菌的共存。這種多樣化的微生物群落結(jié)構(gòu)有利于系統(tǒng)適應(yīng)環(huán)境變化，提高短程反硝化的穩(wěn)定性。然而，鐵對微生物群落結(jié)構(gòu)的影響可能因系統(tǒng)條件的不同而有所差異。宋楚琪2研究了磺胺甲噁唑暴露對短程反硝化微生物群落的影響，發(fā)現(xiàn)在鐵存在的條件下，磺胺甲噁唑可能會(huì)改變某些功能菌的相對豐度，從而影響短程反硝化的性能。在實(shí)際應(yīng)用中需要考慮鐵與其他環(huán)境因素的交互作用[28]

3鐵對短程反硝化代謝途徑的影響

3.1 鐵對關(guān)鍵酶活性的影響

鐵作為許多關(guān)鍵酶的輔因子，可以直接影響短程反硝化的代謝途徑。研究表明，鐵可以提高亞硝酸還原酶(NIR)和一氧化氮還原酶(NOR)的活性，從而促進(jìn)亞硝酸鹽的積累。郭露等2研究了不同鐵/碳比例對短程反硝化性能的影響，發(fā)現(xiàn)適當(dāng)?shù)蔫F/碳比例可以顯著提高NIR和NOR的活性，促進(jìn)亞硝酸鹽的積累。這主要是由于鐵可以作為這些酶的輔因子，可以提高其催化效率。然而，過高的鐵濃度可能會(huì)抑制某些酶的活性。曾志杰3研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng) Fe²⁺ 濃度超過一定閾值時(shí)，會(huì)抑制亞硝酸還原酶的活性導(dǎo)致亞硝酸鹽積累減少。這可能是由于高濃度Fe+會(huì)與酶的活性位點(diǎn)競爭，影響其催化功能。

3.2 鐵對電子傳遞鏈的影響

鐵還可以通過影響電子傳遞鏈來調(diào)節(jié)短程反硝化的代謝途徑。研究表明，鐵可以作為電子傳遞介質(zhì)，促進(jìn)電子從供體到受體的傳遞，提高反硝化效率。WU等設(shè)計(jì)的CMC系統(tǒng)就是基于這一原理。在該系統(tǒng)中，鐵和碳形成微電解電池，可以加速電子的傳遞，顯著提高短程反硝化的效率。電化學(xué)分析表明，與原始碳材料相比，酸化碳顯著提高了電子傳遞能力。此外，HAN等研究了內(nèi)源磁場對硫鐵(II)自養(yǎng)反硝化生物濾池的影響，發(fā)現(xiàn)磁場可以促進(jìn)鐵的電子傳遞，提高短程反硝化的效率。這為利用物理場調(diào)控短程反硝化過程提供了新的思路。

4結(jié)論與展望

綜上所述，鐵對短程反硝化的性能影響是多方面的，涉及反應(yīng)效率、微生物群落結(jié)構(gòu)和代謝途徑等多個(gè)層面。鐵添加主要通過作為電子供體促進(jìn)反硝化過程，調(diào)節(jié) pH 值和氧化還原電位，促進(jìn)反硝化功能菌的生長，增加微生物群落的多樣性，提高關(guān)鍵酶的活性等提高短程反硝化的效率和穩(wěn)定性。鐵對短程反硝化的影響還存在一些問題需要進(jìn)一步研究。

1）鐵的最佳投加方式和濃度仍需優(yōu)化，特別是在不同類型的短程反硝化系統(tǒng)中。2）鐵與其他環(huán)境因素(如有機(jī)物、重金屬等)的交互作用機(jī)制有待深入探討。3）鐵對短程反硝化微生物群落結(jié)構(gòu)和功能的長期影響需要進(jìn)一步研究。4）鐵促進(jìn)短程反硝化的分子機(jī)制還不夠清楚，需要從基因和蛋白質(zhì)水平進(jìn)行深入研究

未來的研究方向可以集中在開發(fā)新型鐵基材料，如納米材料、復(fù)合材料等，以提高鐵的利用效率和反應(yīng)活性，探索鐵與其他促進(jìn)因素(如碳源、電場等)的協(xié)同作用，開發(fā)高效的短程反硝化工藝

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Research Progress on the Effect of Iron on Partial Denitrification Performance

ZHANG Chi， ZHANG Zhiqing (School of Municipaland Environmental Enginering，Shenyang Jianzhu UniversityShenyang Liaoning 110168， China)

Abstract:PartialirfatioismeggenitratioproessCompadithtditoaldntratiortalai can significantlyreducecarbon sourceconsumptionandsudge yield，andhasgoodaplication prospects.Ironisoneofthe trace elements neededbyorganismsand playsanimportantroleinthebiological processofpartialdenitrification.This paperreviews the efects of iron types，concentrationsanddosing methods onsome denitrification performance inrecent years，aiming to providea theoretical basis for using iron to enhance the denitrification process.

Keywords:Iron; Partial denitrification;Process intensification;Mechanism of action