傳統生物硝化/反硝化脫氮技術具有曝氣能耗高、碳源消耗量大、污泥產量高等特點,難以適用于低碳氮比污水的處理。厭氧鐵氨氧化(Feammox)是微生物直接利用Fe(Ⅲ)作為最終的電子受體,將氨氮氧化成氮氣、亞硝態氮和硝態氮的過程。Feammox反應伴隨大量Fe2+的釋放,廢水中的PO3-4易與Fe2+結合形成不溶性磷酸鹽從污水中去除,因此其具有同步脫氮除磷的潛力。由于Feammox反應為厭氧、自養反硝化過程,與傳統的硝化/反硝化相比,Feammox用于污水處理具有無需投加碳源、無需曝氣、污泥產率低和容易實現同步脫氮除磷等優勢。
然而,由于實際廢水的成分復雜、環境條件多變,Feammox反應受到鐵源類型、Fe2+濃度、pH、溫度等諸多因素的影響,在實際污水處理應用中依然面臨著巨大挑戰。例如,低溫是污水生化處理面臨的重要問題,當環境溫度低于10℃時,微生物的脫氮活性將受到嚴重抑制。鐵氧化物在中性pH下主要以固態形式存在,其結晶度直接影響微生物的鐵還原效率,進而影響Feammox的氨氧化速率。Feammox與硫循環存在密切的聯系，在硫限制條件下Feammox能否穩定運行?因此,進一步探討Feammox的環境耐受性以及調控機制是推動該技術走向污水處理應用的關鍵。
針對上述問題,本研究設置了硫酸鹽+水鐵礦、硫酸鹽+磁鐵礦、無硫+水鐵礦、無硫+低溫+水鐵礦共4組實驗,考察高結晶度鐵氧化物、硫限制和低溫條件對Feammox脫氮除磷效能和穩定性的影響,并對脫氮除磷產物及微生物群落結構與功能進行分析,以期為Feammox的科學研究與實際應用提供理論依據。
1、材料與方法
1.1 實驗材料
實驗采用模擬廢水,模擬廢水組成如下:NaHCO31.0g/L,NH4Cl1.0g/L,KH2PO40.1g/L,MgCl20.2g/L,微量元素1.0mL/L。模擬廢水的化學需氧量(COD)為15.4mg/L,氨氮為258.5mg/L,總磷為40.2mg/L。將稻田土和市政污水處理廠剩余污泥按1∶1的質量比混合作為接種污泥,初始接種污泥懸浮固體(SS)為8.4g/L,揮發性懸浮固體(VSS)為7.6g/L。
磁鐵礦采用分析純試劑,水鐵礦采用Fe(NO3)3和NaOH法制備。水鐵礦制備過程如下:將64.8gFe(NO3)3·9H2O溶于300mL超純水中,邊攪拌邊加入10.0mol/L的NaOH溶液,直至pH達到7.3。室溫靜置穩定2h后,緩慢滴加1.0mol/L的NaOH溶液,至pH達到7.5。采用去離子水將上述混合物反復洗滌至硝酸根低于1mg/L,最后用去離子水定容至400mL。合成的水鐵礦樣品中Fe(Ⅲ)為380mmol/L。
1.2 實驗方法
實驗在1L廣口瓶中進行,裝液量為800mL,接種污泥后通入高純氮氣除氧15min。分別設置硫酸鹽(0.8mmol/LMgSO4)+水鐵礦(60mmol/L,以Fe(Ⅲ)計,下同)、硫酸鹽(0.8mmol/LMgSO4)+磁鐵礦(60mmol/L,以Fe(Ⅲ)計,下同)、無硫(無MgSO4)+水鐵礦(60mmol/L)、無硫+低溫(4℃)+水鐵礦(60mmol/L)共計4組實驗,各實驗組設置3個平行。低溫實驗組置于4℃振蕩培養,其他各組均置于25℃振蕩培養。實驗過程中定時采樣考察水質變化。
1.3 分析方法
氨氮、亞硝態氮、硝態氮、總磷的檢測方法參考文獻。
X射線衍射(XRD)分析:將污泥樣品冷凍干燥后研磨成細粉,采用XRD儀(XPert3Powder)進行晶體分析。掃描速率為5°/min,掃描角度為5°~90°。
掃描電子顯微鏡(SEM)/能譜(EDS)分析:將污泥置于真空干燥2h,采用離子濺射鍍膜法噴金,采用SEM/XRD系統(JSM-7800F)對樣品進行表面形貌和元素組成分析。
微生物群落結構與功能分析:在反應結束時(第70天),取污泥樣品進行微生物高通量測序分析。采用小量脫氧核糖核酸(DNA)提取試劑盒對污泥樣品進行DNA提取,提取后的DNA通過1%(質量分數)瓊脂糖凝膠電泳檢測。采用16SrRNA細菌引物515F/907R(515F:GTGYCAGCMGCCGCGGTAA,907R:CCGYCAATTYMTTTRAGTTT)進行聚合酶鏈式反應(PCR)擴增。采用DNA凝膠回收試劑盒切膠回收PCR產物,2%瓊脂糖凝膠電泳檢測。將PCR產物用藍色熒光定量系統(QuantiFluorTM-ST)進行檢測定量。采用TruSeqTMDNASamplePrepKit建庫,利用IlluminaHiseq2500平臺進行測序。微生物功能預測采用上海某信息技術有限公司提供的生信云平臺完成。
2、結果與討論
2.1 氮磷去除效率
各實驗體系中氮磷的去除情況見圖1。硫酸鹽+水鐵礦組、硫酸鹽+磁鐵礦組與無硫+水鐵礦組的氨氮變化曲線相似,均在0~14d氨氮波動明顯,之后氨氮濃度迅速下降。在70d反應結束時,硫酸鹽+水鐵礦組、硫酸鹽+磁鐵礦組與無硫+水鐵礦組氨氮去除量分別為234.4、195.2、215.4mg/L,去除率介于84.3%~88.0%,表明高結晶度的磁鐵礦作鐵源和硫限制對氨氧化無明顯影響。無硫+低溫+水鐵礦組早期氨氮波動明顯,28d后緩慢下降,最終氨氮去除量為65.3mg/L,去除率僅為25.5%,遠低于其他實驗組,表明低溫顯著降低了Feammox氨氧化的效能。
硫酸鹽+水鐵礦組、硫酸鹽+磁鐵礦組與無硫+水鐵礦組的亞硝態氮濃度呈現出先升高后降低的趨勢,反應結束時其亞硝態氮分別為5.75、78.48、74.49mg/L;無硫+低溫+水鐵礦組體系中沒有明顯的亞硝態氮生成,其亞硝態氮始終低于4.00mg/L。
硝態氮濃度在各實驗組中都存在波動現象。硫酸鹽+磁鐵礦組和無硫+低溫+水鐵礦組硝態氮的最終硝態氮質量濃度更低,分別為1.48、1.17mg/L;硫酸鹽+水鐵礦組和無硫+水鐵礦組硝態氮的最終硝態氮質量濃度相對較高,分別達到了3.43、4.05mg/L。但總體上看各實驗組的最終硝態氮均較低。
在所有添加水鐵礦的實驗組中,上清液中的總磷在7d內迅速下降到1.0mg/L以下,去除率達到98.3%以上。硫酸鹽+磁鐵礦組中的總磷濃度下降較為緩慢,至反應結束時,僅去除了58.6%。這一結果表明,低結晶度、高吸附性的水鐵礦比高結晶度的磁鐵礦具有更強的吸附除磷能力。
綜上,在本實驗中硝態氮/亞硝態氮是Feammox的主要直接產物,之后硝態氮/亞硝態氮通過反硝化作用轉變為氮氣。以硝態氮/亞硝態氮為主要產物的Feammox過程同樣被其他研究所報道。從熱力學角度來看,當Feammox生成產物為氮氣時能夠釋放更多的能量。從能量利用的角度來看,逐級反應有利于提高微生物的能量利用率。在硫酸鹽+水鐵礦組中,硝態氮和亞硝態氮反硝化去除的速率總體上較高,這可能與其硫自養反硝化代謝有關。在硫酸鹽+水鐵礦組氨氧化過程中(0~58d),體系中生成大量黑色的硫化物,并隨著硝態氮/亞硝態氮的去除逐漸消失。這一結果與已報道的硫化合物介導Feammox反應一致。
2.2 污泥性狀分析
反應結束后對污泥樣品進行了SEM/EDS分析。在所有添加水鐵礦的實驗組中,樣品表面磷元素占有相對較高的比例;而在硫酸鹽+磁鐵礦組中,磷元素的占比相對較低。這一結果證實了水鐵礦比磁鐵礦吸附了更多的磷元素,與除磷效果相對應。其原因是水鐵礦主要以膠體形式存在,具有更大的比表面積和高表面活性,可以通過吸附和共沉淀與水中的磷酸鹽相互作用,提高磷酸鹽的去除效果。
污泥樣品的XRD分析結果表明,各實驗組中均出現了新的礦物晶體,其特征峰主要在26.90°、27.63°和55.45°(見圖2)。與標準卡片(PDF#89-1671)相比可知,該礦物晶體為四方復鐵天藍石(Fe25(PO4)14(OH)24),其中的Fe(Ⅲ)∶Fe(Ⅱ)為16∶9。各實驗組鐵氧化物中的Fe(Ⅲ)參與Feammox反應后被還原為Fe(Ⅱ),并進一步與磷酸鹽結合形成穩定的礦物晶體。
2.3 微生物群落分析
各樣品的α多樣性指數見表1。無硫+低溫+水鐵礦組的Ace指數、Shannon指數和Chao指數明顯高于其他實驗組,Simpson指數則明顯低于其他實驗組,說明無硫低溫條件下微生物豐富度和多樣性均高于其他實驗組。各樣品覆蓋度均達到了99%以上,表明數據可信度較高。
污泥屬水平的微生物群落結構見表2。硫酸鹽+磁鐵礦、無硫+水鐵礦和無硫+低溫+水鐵礦組共有的優勢菌屬為假單胞菌屬,其相對豐度分別達到了12.7%、36.1%和2.1%。假單胞菌屬具有較強的異養反硝化能力。硫酸鹽+水鐵礦和硫酸鹽+磁鐵礦組的共有優勢菌屬為苯基桿菌屬、叢毛單胞菌屬和亞硝化單胞菌屬，其中，叢毛單胞菌屬和亞硝化單胞菌屬是已知的具有氨氧化能力的微生物。研究表明，叢毛單胞菌屬是有硫共培養物中潛在的Feammox功能菌,能同時參與氮、鐵和硫元素循環3個過程。在本研究中,叢毛單胞菌屬在硫酸鹽+水鐵礦和硫酸鹽+磁鐵礦組中的豐度分別為9.9%和4.2%。由此推測，叢毛單胞菌屬對有硫體系中氨氮的氧化起重要作用，是Feammox反應的重要菌屬。硫酸鹽+水鐵礦、硫酸鹽+磁鐵礦和無硫+水鐵礦組的共有優勢菌屬為硫桿菌屬，其豐度分別達到4.8%、1.9%和2.7%。硫桿菌屬具有較好的自養反硝化能力，本實驗體系中產生的Fe(Ⅱ)和硝態氮/亞硝態氮是該菌屬適宜的底物。無硫+水鐵礦和無硫+低溫+水鐵礦組的共有優勢菌屬是黃桿菌屬，相對豐度分別為2.9%和2.5%。黃桿菌屬為異養反硝化微生物，對多種有機物具有較好的降解能力并能夠進行同步反硝化。在有硫實驗組中黃桿菌屬未能成為優勢菌屬,說明該菌屬在低硫環境中具有更好的競爭力。
2.4 微生物功能預測
微生物功能注釋結果表明,在硫酸鹽+水鐵礦和硫酸鹽+磁鐵礦組中,好氧氨氧化、亞硝化、黑暗鐵氧化、黑暗硫氧化明顯增強(見圖3)。這一結果提示在Feammox生物脫氮處理中,可以通過投加一定量的硫酸鹽來增強體系的氨氧化效果。此外,由于在Feammox體系中缺乏Fe(Ⅱ)和硫化合物氧化的氧氣,但存在大量的硝態氮/亞硝態氮,因此兩者的氧化主要由硝酸鹽/亞硝酸鹽充當氧化劑,即硫酸鹽增加了Feammox體系中Fe(Ⅱ)反硝化和硫自養反硝化的功能。由于在本研究的Feammox體系中還生成了Fe(Ⅱ)和硫化物,自養反硝化的過程可以順利進行,從而有助于有硫體系中硝態氮/亞硝態氮的快速消除。
在無硫+水鐵礦和無硫+低溫+水鐵礦組中,異養反硝化(包括硝酸鹽還原、氮呼吸和硝酸鹽呼吸)功能高于有硫實驗組。但在Feammox體系中,有機物極度匱乏,異養反硝化的作用很難發揮,這可能是導致無硫實驗組中亞硝態氮積累的主要原因。另外,無硫+低溫+水鐵礦組中硝酸鹽/亞硝酸鹽氨化功能遠高于其他實驗組,這一功能可使硝酸鹽/亞硝酸鹽重新還原為氨氮,這可能是導致該實驗組氨氮去除效果較差的主要原因之一。
3、結論
(1)Feammox具有較高的同步脫氮除磷效果,添加硫酸鹽和水鐵礦的實驗組中,氨氮和總磷去除率分別超過84%和98%。磁鐵礦作為鐵源和硫限制不影響其氨氧化效果,但低溫則使氨氮去除率明顯下降。
(2)Feammox的氨氧化產物主要為亞硝態氮和硝態氮,這些產物能通過體系中的反硝化作用進一步去除,而磷的去除初期依賴于水鐵礦的物理吸附,后期可進一步與鐵結合生成四方復鐵天藍石。
(3)有硫Feammox體系中具有氨氧化功能的微生物豐度較高,在硫限制體系中具有反硝化功能的微生物豐度較高。（來源：重慶新天地環境檢測技術有限公司,中國石油集團測井有限公司遼河分公司,沈陽建筑大學市政與環境工程學院，遼寧省朝陽市生態環境事務服務中心）
