固相铁驱动的Feammox工艺用于连续处理低碳氮比废水：功能性细菌的引入与菌群协同优化的双重作用

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Solid phase iron-driven Feammox for continuous flow low carbon to nitrogen ratio wastewater: the dual role of functional bacteria recruitment and community coordination optimization

本研究采用Fe?O?为固相铁源，在连续流反应器中优化水力停留时间（48 h）和碳氮比（1.5），实现氨氮去除率97.8%。分析表明系统涉及Feammox、NDFO、硝化及反硝化等多路径，并鉴定关键微生物（Bacillus, Ignavibacterium, Trichococcus, Denitratisoma），揭示其协同作用及电子传递机制，为废水处理工艺优化提供理论支撑。

　　

余池生|林强|朱亮|罗安成|陈新宇|陈凯英|徐天宇|梁志伟

中国浙江大学环境与资源科学学院

摘要

在Feammox过程中，固相铁由于其抗损失特性而成为连续流反应器中的有效铁载体。然而，固相铁条件下的氮转化过程以及功能性微生物的生态作用仍需进一步阐明。本研究将Fe?O?引入连续流反应器以启动Feammox过程，旨在研究固相铁所介导的生态效应。结果表明，在水力停留时间（HRT）为48小时和碳氮比（C/N）为1.5的条件下，氨的去除效率达到最佳，去除率为97.8%。氮转化的贡献分析表明，该系统涉及多种途径，包括Feammox、硝化作用、NO_x^-依赖的Fe（II）氧化物还原（NDFO）、反硝化和Anammox。鉴定出Bacillus、Ignavibacterium和Trichococcus为潜在的Feammox相关细菌，而Denitratisoma参与了NDFO过程。网络分析进一步表明微生物群落内部存在强烈的协同作用。氨氧化效率与铁代谢基因和细胞色素c氧化还原基因呈正相关，这表明固相铁优化了电子流动分布，从而促进了多途径Fe-N耦合的氨氧化网络的形成。总体而言，我们的发现为Feammox过程设计的优化以及用于废水处理的功能性微生物群落的开发提供了理论依据。

引言

由于化肥的过度使用以及城乡地区工厂的持续扩张，过量氨排放到自然水体中成为一种重要的污染物，可能导致富营养化等有害环境影响[1]、[2]、[3]、[4]。传统的硝化和反硝化途径在工程系统和自然环境中仍然是生物脱氮的核心[5]。然而，硝化过程严重依赖曝气来提供氧气，而反硝化过程通常需要添加外部碳源来维持生物过程[6]。这些要求不仅增加了运营复杂性，还导致了显著的能源消耗，其中曝气本身占废水处理设施总能使用的50%以上。因此，寻找成本效益高、高效且可持续的方法来改进或改革这些传统方法至关重要。Anammox被认为是一种比传统硝化-反硝化过程更高效、更节能的替代方案[7]。在厌氧条件下，AnAOB（厌氧氨氧化细菌）可以利用NO₂^--N作为电子受体将NH₄⁺-N氧化为N₂，而无需额外碳源。然而，AnAOB生长缓慢以及维持稳定的NO₂^--N供应的挑战是Anammox过程广泛应用的主要障碍[8]、[9]。

最近，发现了一种新的微生物氮去除途径，称为Feammox。该途径在厌氧或缺氧条件下将NH₄⁺氧化为N₂、NO₂^-或NO₃^-，其中Fe（Ⅲ）作为电子受体。最初Feammox被识别为一种通过Fe3?还原促进NH₄⁺氧化为NO₂^-的微生物过程[10]，后来人们认识到其在环境中的潜在重要性。[1]的研究显示，Feammox每年导致每公顷稻田氮肥损失7.8至61公斤，在全球氮循环中起着关键作用。最近的研究还强调了其在废水处理中的潜力。将河岸湿地土壤样本接种到富集了Feammox功能细菌的连续流膜生物反应器中，从而增强了氨的去除效果[11]。类似地，在厌氧消化污泥中添加铁盐后也观察到了厌氧氨去除[12]。这些研究通过天然或外部补充的铁源激活了Feammox过程，因为铁化合物是Feammox中的关键电子受体，并直接与微生物代谢相关。由于溶解铁盐的高溶解度和生物可利用性，已被证明可以提高氮去除效率[13]。然而，在连续流反应器中铁离子的潜在损失仍然是一个重大挑战，必须解决才能促进Feammox的实际应用。固相铁也是Feammox的重要载体，多种铁化合物已被证明参与Feammox过程并促进氮去除，包括水铁矿[12]、Fe₃O₄[14]、Fe(III)-EDTA-Na[10]和零价铁[15]。固相铁的利用需要将电子间接转移到外部受体[16]。某些非生物接触铁还原过程需要电子穿梭或种间微生物相互作用，这对氨氧化效率提出了挑战[17]。尽管大多数研究在特定条件下证明了Feammox的有效性，但实际废水的波动特性要求进一步研究固相铁介导的Feammox及其氮转化途径的稳定性。这些知识对于优化基于Feammox技术的工程应用至关重要。

目前对参与Feammox的微生物的理解还不够充分且存在争议，目前仅报道了一种Feammox分离株，即Acidimicrobiaceae sp. A6，它是自养的，并且通过产生NO₂^-进行Feammox[17]。虽然A6能够驱动Feammox过程，但它更适合在混合微生物群落中长期发挥作用。研究表明，铁还原细菌的多样性和丰度与Feammox效率密切相关[18]。这种相关性表明，Feammox不仅仅是由单一微生物物种驱动的，而是由微生物群落的集体活动结果，其中A6细菌是一个代表性成员。这种共生现象也在另一个关键的铁-氮耦合过程——NDFO中观察到[19]。因此，除了鉴定出具有Feammox能力的菌株外，阐明参与Feammox应用的功能性微生物之间的协同和拮抗作用同样重要。了解微生物群落动态以及与固相铁诱导的Feammox相关的功能性微生物不仅加深了我们对Feammox系统内微生物相互作用的理解，也为优化其在不同环境中的应用提供了基础。然而，据我们所知，这一领域的研究仍然有限。

在本研究中，使用Fe?O?作为固相铁来源建立了一个实验室规模的连续流反应器来研究Feammox过程，特别关注氮转化和功能性微生物的生态作用。本研究的主要目标是：（1）研究水力停留时间（HRT）和碳氮比（C/N）对氨氧化效率的影响，确定其最佳范围，并优化反应条件；（2）半定量阐明优化系统中的铁诱导氮转化途径；（3）探索系统内的功能细菌及其与氮去除相关的微生物相互作用。

部分摘录

反应器操作策略和合成废水

为了研究Fe₂O₃在缺氧条件下对氨去除性能的影响，本研究使用了一个工作体积为1升的有机玻璃反应器。从市政污水处理厂的好氧池中收集了200毫升种子污泥并接种到反应器中。聚乙烯空心球和聚氨酯海绵以1:1的比例交替放置在反应器中，总填充比为50%。为了确保反应器的稳定运行

不同HRT和C/N比下的氨去除

在工程应用中，水质和量的波动可能导致HRT和C/N比的变化。因此，必须阐明Feammox系统的适用性和稳健性。图1展示了反应器在不同HRT和C/N比条件下的氮去除性能。HRT实验分为三个阶段：HRT = 1天、HRT = 2天和HRT = 3天。在第一阶段，RF出水的氨氮去除率（ANR）达到了56.8%

结论

本研究建立了一种基于Feammox的氨氮废水处理方法。最佳操作参数为水力停留时间（HRT）为48小时，碳氮比（C/N）为1.5，在此条件下氨氮去除率（ANR）始终保持在90%以上。Feammox似乎是系统中氨氧化的重要贡献者。此外，NDFO通过促进铁循环增强了氮去除效果。鉴定出多种铁还原细菌和氮转化细菌是该过程中的主要参与者

CRediT作者贡献声明

朱亮：写作——审稿与编辑、监督、方法学。林强：写作——审稿与编辑、可视化、验证、软件、概念化。陈新宇：软件。罗安成：写作——审稿与编辑、监督、形式分析。余池生：写作——审稿与编辑、原始草稿撰写、方法学、调查、数据管理、概念化。陈凯英：数据管理。梁志伟：写作——审稿与编辑、监督、项目管理、资金提供

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了杭州市重大科技创新项目（2023SZD0130）和浙江省重点研发计划（2023C03151）的支持。