楊 含， 鄭 丹， 鄧良偉， 肖友乾， 王 虹

(農(nóng)業(yè)部沼氣科學(xué)研究所， 四川 成都 610041)

在發(fā)酵、畜禽養(yǎng)殖、制藥、化工等眾多行業(yè)，產(chǎn)生大量含有高濃度氨氮的生產(chǎn)廢水。這些高氨氮廢水不經(jīng)處理或處理不徹底而排放，會造成嚴(yán)重的氮素污染問題，例如，造成水體富營養(yǎng)化，形成酸雨等[1-2]。目前，廢水脫氮的費(fèi)用仍然比較高，開發(fā)高效低耗的脫氮技術(shù)是國內(nèi)外環(huán)保領(lǐng)域的研究重點(diǎn)與熱點(diǎn)[3-6]。

1 生物脫氮技術(shù)概況

廢水生物脫氮技術(shù)是防治水體氮素污染的重要途徑，在高氨氮廢水的處理中得到了廣泛應(yīng)用[1-2,7]。

1.1 傳統(tǒng)生物脫氮技術(shù)

1.2 厭氧氨氧化生物脫氮技術(shù)

近年來，廢水處理領(lǐng)域涌現(xiàn)出的以厭氧氨氧化(Anammox)為核心的新型生物脫氮技術(shù)為實(shí)現(xiàn)低C/N廢水的脫氮帶來了希望，迅速成為國內(nèi)外的研究熱點(diǎn)[10, 12, 13]。厭氧氨氧化脫氮的原理是：在厭氧或缺氧條件下，厭氧氨氧化菌以氨氮作為電子供體、亞硝酸鹽氮作為電子受體，直接將二者轉(zhuǎn)化成N2，是一個完全自養(yǎng)的過程[14-15]。與傳統(tǒng)硝化反硝化生物脫氮工藝相比，厭氧氨氧化工藝可以節(jié)省62.5%的供氧量以及100%的有機(jī)碳源，是非常簡潔、經(jīng)濟(jì)的生物脫氮途徑[10]。但是，實(shí)際廢水中的氮素常以氨氮為主，厭氧氨氧化過程中亞硝酸鹽氮的獲取仍然需要強(qiáng)制曝氣[16]；同時，厭氧氨氧化反應(yīng)會有部分硝酸鹽氮生成，不能實(shí)現(xiàn)完全脫氮[17]；另外，厭氧氨氧化菌的細(xì)胞產(chǎn)率低、倍增時間長，從而導(dǎo)致厭氧氨氧化反應(yīng)器的啟動時間較長，限制了該工藝在高氨氮廢水處理中的應(yīng)用[18]。以上因素均成為制約該新型生物脫氮技術(shù)應(yīng)用發(fā)展的重大瓶頸因子。因此，如何在已有的傳統(tǒng)硝化反硝化工藝、厭氧氨氧化工藝基礎(chǔ)上尋求突破，探索經(jīng)濟(jì)有效的生物脫氮技術(shù)，掃除實(shí)際應(yīng)用中的障礙因子，是目前新型生物脫氮技術(shù)研究的一大趨勢。

2 微生物驅(qū)動鐵循環(huán)與脫氮

鐵元素是地殼中含量第四高的元素，其地球化學(xué)豐度為5.1%，全鐵量在4%～15%之間，普遍存在于水圈、巖石圈、生物圈以及大氣層中[19-20]。在自然界中，許多微生物的生存和發(fā)展都依賴于鐵的氧化還原反應(yīng)[21-22]。各種具有不同生理結(jié)構(gòu)的微生物均進(jìn)化出了以鐵為底物進(jìn)行能量代謝的能力，足見鐵在生命形成過程中的重要性[23-24]。長期以來，非生物機(jī)制被誤認(rèn)為是主導(dǎo)環(huán)境中Fe(Ⅱ)氧化與Fe(Ⅲ)還原的主要方式，如受非生物因素pH-Eh條件控制等。直至20世紀(jì)80年代，研究者才開始認(rèn)識到，部分Fe(Ⅱ)氧化與Fe(Ⅲ)還原是由特定微生物驅(qū)動的酶促反應(yīng)[25]。許多研究發(fā)現(xiàn)，鐵的氧化還原循環(huán)與環(huán)境中碳、氮、硫、重金屬等元素的循環(huán)轉(zhuǎn)化過程密切相關(guān)[26-28]，包括溫室氣體排放[29]、農(nóng)藥降解[30]、重金屬的固定和回收[31-32]、污水處理和飲用水凈化等[33-34]，鐵循環(huán)及其與環(huán)境過程的耦合已經(jīng)成為國際研究前沿[35-38]，同時也得到國內(nèi)同行的重點(diǎn)關(guān)注[39-41]。

2.1 基于零價鐵的自養(yǎng)反硝化

在非生物環(huán)境中，鐵在有氧存在的水環(huán)境中會發(fā)生腐蝕，腐蝕產(chǎn)物常常為氧化鐵或氫氧化物的混合物，厭氧條件下零價鐵幾乎不會發(fā)生腐蝕。Roe[42]等證明，在有氧的水環(huán)境中，低碳鋼上會附著一層薄薄的生物膜，其主要成分為微生物分泌的EPS海藻酸鈣，足以引發(fā)鐵的腐蝕[42]。生物膜內(nèi)細(xì)胞的代謝活動會導(dǎo)致金屬表面的氧濃度降低，從而在生物膜下(陽極)區(qū)域和暴露在最大氧濃度下(陰極)的未附著區(qū)域之間形成氧濃度差，此時腐蝕的基本機(jī)制為電子從陽極流向電子受體即氧的陰極區(qū)域，伴隨著腐蝕產(chǎn)物的形成和局部pH值降低。在厭氧條件下，鐵腐蝕最重要問題是在微生物和金屬之間建立電子接觸，零價鐵作為電子供體失去電子生成Fe(Ⅱ)，水中的質(zhì)子或硫化氫作為電子受體，反應(yīng)式如(1)～(3)[43]：厭氧腐蝕常與硫酸鹽還原菌的活性有關(guān)，如脫硫弧菌屬(Desulfovibrio)能促進(jìn)鐵在水中的厭氧氧化生成氫氣[44]。

Fe(0)→Fe2++2e-

(1)

2H++2e-→2H→H2

(2)

2H2S+2e-→2HS-+H2

(3)

Fe(0)+2H2O→H2+Fe2++2OH-

(4)

(5)

(6)

基于零價鐵的自養(yǎng)反硝化屬于氫營養(yǎng)型自養(yǎng)反硝化。氫營養(yǎng)型自養(yǎng)反硝化是指以H2為電子供體，硝酸鹽為電子受體，在氫營養(yǎng)型微生物的作用下進(jìn)行自養(yǎng)反硝化脫氮[46-47]。氫營養(yǎng)型自養(yǎng)反硝化處理過程無副產(chǎn)物產(chǎn)生，并且其成本相比需要額外添加有機(jī)碳源的異養(yǎng)反硝化低3～15倍[48]，但利用氫營養(yǎng)反硝化從水中去除硝酸鹽的主要技術(shù)難點(diǎn)是氫氣的有效供應(yīng)，由于氫氣供應(yīng)和生產(chǎn)成本較高運(yùn)輸和保存困難，使該技術(shù)的廣泛使用受到限制[49]。使用金屬鐵的厭氧腐蝕原位制氫正好解決這一問題，金屬鐵在水中能還原水生成H2，并且金屬鐵相對便宜和安全[50]。厭氧條件下，純培養(yǎng)的脫氮副球菌屬(Paracoccusdenitrificans)和混合培養(yǎng)的自養(yǎng)反硝化微生物均可利用鐵腐蝕產(chǎn)生的氫氣實(shí)現(xiàn)自養(yǎng)反硝化[51]。Biswas[52]等將被硝酸鹽污染的地下水通過包含0.5，1.0和1.5 g鋼絲棉的沙土(體積為125 cm3)制成的活性多孔介質(zhì)，并接種氫營養(yǎng)型反硝化微生物，經(jīng)過13 d的停留時間，水中硝酸鹽濃度從40 mg·L-1降低至2 mg·L-1以下。在序批式SBR反應(yīng)器中，鐵屑腐蝕產(chǎn)生H2，能為微生物的自養(yǎng)反硝化提供所需總電子的66.5%以上，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的硝酸鹽去除[53]。但在零價鐵和硝酸鹽之間也存在非生物還原反應(yīng)，其化學(xué)計(jì)量式為式(7)[54-55]，硝酸鹽與鐵的非生物還原過程可能與生物反硝化同時發(fā)生，致使脫氮不徹底，產(chǎn)生大量的氨。

(7)

因此，減少硝酸鹽非生物還原，促進(jìn)零價鐵自養(yǎng)反硝化，更有利于廢水脫氮。零價鐵比表面積越小，濃度越低，越不利于非生物還原，但是零價鐵濃度較低也會影響自養(yǎng)反硝化的效果[52]。在納米零價鐵(NZVI)參與的自養(yǎng)反硝化過程中，硝酸鹽在3天內(nèi)完全還原，在非生物還原的對照實(shí)驗(yàn)中，在7天內(nèi)只有50%的硝酸鹽被非生物還原，可見零價鐵自養(yǎng)反硝化的可行性，且在厭氧鐵腐蝕過程中產(chǎn)生的鐵(II)也可以作為硝酸鹽還原的電子供體，進(jìn)一步提高還原速率[56]。

2.2 硝酸鹽型厭氧亞鐵氧化

在pH值接近或略高于中性條件下(pH值為7)，鐵(Fe)主要是以不溶的固態(tài)礦物形式存在，包括Fe(II)與Fe(Ⅲ)的氧化物等[19, 25]。其中，pH的下降會顯著提高Fe(II)的穩(wěn)定性，在有分子氧(O2)存在時，F(xiàn)e(II)只有在酸性條件下(pH<4.0)才能保持穩(wěn)定；若在中性條件下，F(xiàn)e(II)則會被O2迅速氧化為Fe(Ⅲ)[20, 57]。因此，在好氧情況下，F(xiàn)e(II)在酸性環(huán)境下穩(wěn)定，此時嗜酸微生物可以進(jìn)行有效的代謝活動，實(shí)現(xiàn)微生物Fe(II)氧化[58, 59]；在中性環(huán)境中，只有厭氧或微氧條件下，微生物才能進(jìn)行有效的Fe(II)氧化和代謝過程[20]。Fe(II)可以作為電子供體被微生物利用，微生物通過Fe(II)的氧化獲得能量，合成細(xì)胞物質(zhì)并維持自身代謝，這類微生物稱為鐵氧化菌(Fe-oxidizing microoganism，F(xiàn)OM)[25, 60]。自然界中的FOM分布廣泛，種類繁多，主要?dú)w屬于細(xì)菌域的變形菌門(Proteobacteria)、硝化螺菌門(Nitrospira)、厚壁菌門(Firmicute)以及古菌域的廣古菌門(Euryarchaeota)鐵球菌屬(Ferroglobus)中[22, 25, 61-62]。微生物Fe(II)氧化根據(jù)FOM的代謝類型可以分為酸性好氧型、中性微氧型、中性厭氧光能自養(yǎng)型以及中性厭氧化能自養(yǎng)型(硝酸鹽型亞鐵氧化和氯酸鹽型亞鐵鹽化)四種[19, 61]。

(8)

表1 與NAFO過程相關(guān)的電子對氧化還原電勢(pH值7.0，25 oC) (mV)

注：引自[19, 22, 63]。

Straub[63]等也發(fā)現(xiàn)了歸屬于β-Proteobacteria的Thiobacillusdenitrificans，該菌是嚴(yán)格無機(jī)自養(yǎng)的NAFO菌，能氧化FeS并同時耦合硝酸鹽還原。從淡水湖泊沉積物中分離到的歸屬于β-Proteobacteria的Pseudogulbenkianiastrain 2002菌株，是第一株在厭氧、常溫、中性條件下得到的無機(jī)自養(yǎng)型NAFO菌，該菌利用Fe(II)作為電子供體，將硝酸鹽還原為N2和N2O[71]；隨后的研究也表明，strain 2002菌同樣可利用多種有機(jī)物異養(yǎng)生長[72]。

Bl?the[73]等利用Straub[63]等的無機(jī)自養(yǎng)NAFO富集培養(yǎng)物，采用分子克隆技術(shù)構(gòu)建16S rRNA基因文庫，證明Sideroxydans是該自養(yǎng)富集物中的主要屬，但是對于Fe(II)氧化、硝酸鹽還原的生物化學(xué)機(jī)理以及主導(dǎo)無機(jī)自養(yǎng)型NAFO過程的基因，目前尚未有定論[28, 73, 74]。

2.3 亞硝酸鹽型厭氧亞鐵氧化

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

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2.4 鐵氨氧化

鐵還原菌(Fe-reducing microoganism，F(xiàn)RM)是指通過氧化電子供體并同時耦聯(lián)Fe(III)還原，從這一過程中貯存生命活動的能量，即鐵呼吸，合成細(xì)胞物質(zhì)的一類微生物[84]。自Lovely等(1993)首次從淡水沉積物中分離出金屬還原地桿菌(GeobactermetallireducensGS-15，β-Proteobacteria)以來，F(xiàn)e(III)作為最終電子供體的鐵還原研究取得了巨大進(jìn)展[85]，目前已經(jīng)報(bào)道的FRM超過200株，廣泛分布于湖泊、海底沉積物、土壤以及水稻根際等厭氧生境中[86-89]，歸屬于鐵還原古菌的泉古生菌門(Crenarchaeota)和廣古生菌門(Euryarchaeota)，以及涵蓋鐵還原細(xì)菌的熱脫硫桿菌門(Thermodesulfobacteria)、放線菌門(Actinobacteria)、變形菌門(Proteobacteria)、脫鐵桿菌門(Deferribacteres)、熱袍菌門(Thermotogae)、異常球菌-棲熱菌門(Deinococcus-Thermus)、厚壁菌門(Firmicutes)、酸桿菌門(Acidobacteria)等[24]。已有研究表明，由微生物驅(qū)動的Fe(III)還原與環(huán)境過程中的有機(jī)碳礦化[90]、腐殖質(zhì)還原[91-92]、有機(jī)氯還原脫氯[93-94]、重金屬還原[95-96]、甲烷氧化[97-98]以及氨氧化[99-100]等過程有關(guān)，而與生物脫氮過程密切相關(guān)的則是厭氧鐵氨氧化。

△G=-30.9 kJ

(16)

圖1 土壤環(huán)境中Fe循環(huán)與N循環(huán)相互作用的原理圖

(17)

(18)

(19)

Huang[108]等采用NH4Cl與水鐵礦或針鐵礦培養(yǎng)同樣的河濱濕地土壤，經(jīng)過180天的培養(yǎng)，富集物中的微生物群落發(fā)生顯著變化，占主導(dǎo)地位的微生物歸屬于酸微菌科(Acidimicrobiaceae)，其在系統(tǒng)發(fā)育上的近親是Ferrimicrobiumacidiphilum(相似性為92%)以及Acidimicrobiumferrooxidans(相似性為90%)。

2.5 鐵氧化還原與廢水生物脫氮工藝

3 結(jié)論與展望

本文概述了目前生物脫氮技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，以硝化反硝化，厭氧氨氧化等為主流生物脫氮工藝。主要論述鐵氧化還原循環(huán)與生物脫氮密切相關(guān)的新型生物脫氮途徑的研究發(fā)展歷程，包括基于零價鐵的自養(yǎng)反硝化，硝酸鹽型厭氧亞鐵氧化，亞硝酸鹽型厭氧亞鐵氧化，鐵氨氧化，以及與其相關(guān)的新型生物脫氮工藝。目前部分新型生物脫氮工藝還處在實(shí)驗(yàn)階段，相關(guān)微生物的營養(yǎng)類型和代謝途徑、主導(dǎo)基因研究等方面相當(dāng)缺乏；可以預(yù)見未來基于鐵氧化還原耦合生物脫氮研發(fā)的新型生物技術(shù)對環(huán)境領(lǐng)域氮素污染控制具有非常重大的現(xiàn)實(shí)意義。