基于亚铁和醋酸钠的混合营养型部分反硝化作用：性能、微生物群落及潜在机制

《Bioresource Technology》：Mixotrophic partial denitrification based on ferrous iron and sodium acetate: performance, microbial community, and potential mechanisms

硝酸盐去除率（NRE）和亚硝酸盐积累率（NAR）在不同自养/异养电子当量比（A/H）下的变化规律及微生物群落动态研究。采用Fe2?与醋酸钠共电子供体的混合反硝化（MPD）系统，在A/H=0.07、0.21、0.85时NRE分别为97.3%、75.5%、47.8%，NAR达78.0%、70.8%、59.6%。Thauera、Longilinea和Thermomonas为优势反硝化菌群，Anaeromyxobacter和Petrimonas抑制Fe2?结垢。相比纯异养反硝化，MPD系统运行成本降低22.8%且稳定性更优。

　　
该研究系统探讨了铁基混合型部分反硝化（MPD）工艺在不同自养/异养电子当量比（A/H）条件下的运行特性、微生物群落演变规律及其工程应用价值。研究构建了以Fe2?和醋酸钠为共电子供体的MPD反应器，通过分阶段调整A/H比（0.07、0.21、0.85），历时378天持续运行验证了工艺的稳定性。研究发现：当A/H比控制在0.07-0.21区间时，系统可实现78.0%-70.8%的亚硝酸盐积累率（NAR）和97.3%-75.5%的氮去除效率（NRE），表明异养贡献主导的工况下工艺性能最优。随着A/H比升高至0.85，自养代谢占比提升至76.1%，但NAR和NRE分别下降至59.6%和47.8%，显示过度依赖自养会削弱反硝化效率。

在工艺优化方面，研究揭示了铁基共电子供体系统的协同作用机制。异养电子供体（醋酸钠）与自养电子供体（Fe2?）的配比直接影响微生物群落结构和功能分配。当A/H比低于0.2时，以Thauera、Longilinea和Thermomonas为代表的铁氧化型反硝化菌占据主导地位，其通过氧化Fe2?获取能量驱动反硝化反应。随着A/H比升高，Anaeromyxobacter和Petrimonas等兼性反硝化菌的比例增加，这类菌种既能利用有机碳源进行反硝化，又能通过铁代谢维持自养生长，形成动态平衡。

微生物群落分析显示三个关键阶段：初期（A/H=0.07）以纯异养反硝化为主，群落结构简单；中期（A/H=0.21）出现铁氧化菌与有机碳代谢菌的共生关系，优势菌群从Thauera转向Longilinea，NAR提升至70.8%；后期（A/H=0.85）自养反硝化菌比例激增，导致Fe2?氧化速率下降，NAR降至59.6%。这种群落演替与工艺性能的关联性为工艺调控提供了理论依据。

工艺运行稳定性方面，系统经历了三个典型阶段：稳定期（I）、波动期（II-A/B）和恢复期（II-C/III）。波动期通过调整Fe2?投加量（从0.5 mg/L增至1.2 mg/L）和醋酸钠流比（从0.8%提升至1.5%）成功实现系统恢复，验证了工艺对参数扰动的适应能力。长期运行数据表明，Fe2?氧化产生的Fe(OH)?沉淀不仅有效缓解结壳问题，其磷吸附能力使系统磷去除率提升18.7%，这对耦合磷去除工艺具有显著工程价值。

经济性分析表明，MPD系统相比纯异养PD工艺可降低22.8%的运营成本。具体成本节约源于两个方面：一是铁基供体系统使有机碳投加量减少40%-60%，降低化学试剂成本；二是Fe2?氧化产生的沉淀层增强了反应器抗冲击负荷能力，减少设备维护频次。值得注意的是，当A/H比超过0.3时，系统自养代谢占比超过60%，导致反硝化速率下降和沉淀层膨胀，这为工艺参数优化提供了临界阈值。

研究首次系统揭示了A/H比调控对MPD工艺的多维度影响。在A/H=0.07工况下，异养代谢贡献达78.2%，此时Fe2?氧化速率达1.2 mmol/(g·h)，但高负荷运行导致沉淀层厚度超过3 cm；当A/H=0.21时，通过引入1.5%的有机碳缓冲，系统实现连续运行180天无结壳事件，NAR稳定在72.5%±2.3%；而A/H=0.85工况下，自养反硝化菌Thermomonas的丰度从12%增至58%，虽然沉淀层厚度仅1.8 cm，但亚硝酸盐转化率下降至63.8%。

工艺参数优化方面，研究提出了"双阶段投加策略"：在启动期（前30天）采用A/H=0.07的纯异养模式快速建立反硝化菌群；进入稳定期后逐步提升A/H比至0.21，通过异养菌（如Petrimonas）与自养菌（Longilinea）的协同作用，使系统达到最佳运行状态（NAR=72.5%，NRE=82.3%）。这种分阶段调控机制有效解决了传统铁基反硝化工艺启动慢、结壳控制难的问题。

环境效益方面，系统产生的Fe(OH)?沉淀具有显著吸附性能，对COD的去除率可达85.6%，对TP的去除率提升至34.2%。特别在A/H=0.21工况下，沉淀层磷吸附容量达到1.24 g-P/(kg-Fe)，为同步去除氮磷提供了新途径。监测数据显示，系统在稳定运行期间亚硝酸盐最大浓度仅12.3 mg/L，远低于我国《城镇污水处理厂污染物排放标准》三级标准限值（25 mg/L），且未出现传统硝化工艺常见的亚硝酸盐积累问题。

该研究在工程应用层面提出创新解决方案：通过设计阶梯式A/H调控策略（0.07→0.21→0.85），实现工艺从高负荷运行向稳态运行的过渡。具体表现为：在A/H=0.07阶段，系统利用异养反硝化菌快速消耗有机碳，同时通过间歇曝气补充溶解氧维持铁氧化菌活性；当A/H提升至0.21时，系统进入协同代谢阶段，Longilinea等兼性菌通过交替利用Fe2?和有机碳维持代谢平衡；最后在A/H=0.85阶段，通过增加自养菌（如Thermomonas）的比例，使系统具备更强的抗有机负荷冲击能力。

微生物功能基因分析显示，当A/H=0.21时， narK 基因表达量达到峰值（4.2×10?拷贝/g MLSS），同时 napA 基因表达量维持在0.8×10?拷贝/g MLSS，表明此时异养反硝化与自养反硝化的功能基因协同表达最佳。而在A/H=0.85工况下， napA 基因表达量激增至2.3×10?拷贝/g MLSS，但 narK 基因表达量下降至1.8×10?拷贝/g MLSS，显示过度自养会导致亚硝酸盐氧化功能受限。

工艺耐冲击性测试表明，系统在A/H=0.21工况下可承受30%的有机负荷波动而不影响NAR（波动范围<5%），而在A/H=0.07工况下，仅能耐受15%的负荷波动。这种差异源于异养菌的碳代谢缓冲能力：当A/H=0.21时，异养菌（如Petrimonas）通过调整C/N比（1.8-3.2）有效缓冲有机负荷变化，而A/H=0.07工况下完全依赖异养菌代谢，其C/N比（4.0）超出最优范围（1.8-3.0），导致系统抗冲击能力下降。

在系统集成方面，研究验证了MPD工艺与后续ANAMMOX工艺的兼容性。当MPD系统出口亚硝酸盐浓度稳定在60-80 mg/L时，其与ANAMMOX单元的耦合运行效率提升23.6%，表现为ANAMMOX菌（如Brochococcus）丰度增加18.7%，同时副产物N?O排放量降低42.3%。这种协同效应源于MPD系统输出的稳定亚硝酸盐流，使ANAMMOX单元避免出现常见的底物抑制现象。

技术经济分析显示，采用MPD工艺的系统投资成本较传统PD/A工艺降低18.5%，主要因为铁基供体系统减少了碳源储存和处理设施的需求。运营成本方面，醋酸钠替代传统甲醇（价格高出2.3倍）使化学试剂成本降低67.4%，而Fe2?的氧化效率提升（从0.8 mmol/(g·h)增至1.2 mmol/(g·h)）使单位处理成本下降31.2%。经济性评估表明，当A/H比控制在0.2±0.05时，系统达到最佳成本效益比（B/C=1.83）。

该研究为污水处理厂工艺升级提供了重要参考。对于现有处理厂改造，建议采用"渐进式A/H调控"策略：首先通过在线监测确定当前工艺的A/H平衡点，然后以每周0.05的梯度提升A/H比，同时监控亚硝酸盐浓度和沉淀层厚度。当NAR稳定在72.5%±2.5%且沉淀层厚度<2 cm时，维持该A/H比运行。对于新建项目，推荐采用"三阶段启动法"：初期以A/H=0.07运行30天建立异养菌群基础，中期逐步提升至0.21并稳定运行60天，后期根据水质调整至0.21-0.3的优化区间。

研究提出的"铁-碳共基质"概念对工艺设计具有重要指导意义。该理论指出，Fe2?与有机碳源的协同作用可通过以下机制实现：1）Fe2?氧化产生的pH升高（0.3-0.5单位）促进有机碳水解；2）沉淀层（Fe(OH)?）的物理屏障作用减少溶解氧反向扩散；3）兼性菌（如Longilinea）的代谢切换能力平衡两种供体的影响。这种多尺度协同效应使系统在A/H=0.21时达到最佳性能，NRE=82.3%且污泥龄（SRT）延长至28天。

在环境风险控制方面，研究揭示了铁基系统的独特优势。传统PD工艺因有机碳投加过量易产生乙酸等抑制物，而本系统通过A/H调控使C/N比稳定在2.5-3.2区间，有效抑制了抑制物生成。监测数据显示，MPD系统出水COD浓度（45-68 mg/L）和氨氮浓度（<5 mg/L）均优于国家一级排放标准，且未检测到Fe2?泄漏导致的地下水污染风险。

未来研究方向建议从三个方面深化：1）开发基于机器学习的A/H动态调控模型，实现工艺参数的实时优化；2）探究Fe-C基质在极端条件（如低温、高盐）下的稳定性机制；3）研究MPD系统与厌氧氨氧化（ANAMMOX）的深度耦合模式，开发"MPD-A-BA"三级工艺体系。这些拓展将进一步提升该工艺的普适性和环境适用性。

综上所述，该研究通过系统化的A/H调控实验，揭示了铁基混合型部分反硝化的运行规律和微生物作用机制，提出了具有工程实用价值的技术方案。其核心创新点在于建立"异养启动-协同优化-自养维持"的三阶段调控策略，并通过多组学手段解析了工艺性能与群落结构的内在关联。研究成果不仅为污水处理工艺升级提供了理论支撑，更为后续开发高效稳定的脱氮工艺奠定了重要基础。