由Fe(III)/Fe(II)循环和内源亚硝酸盐驱动的连续流系统中协同自养脱氮：一种Feammox-NDFO-anammox共生菌群

《Process Safety and Environmental Protection》：Synergistic autotrophic nitrogen removal in a continuous-flow system driven by the Fe(III)/Fe(II) cycle and endogenous nitrite: A Feammox-NDFO-anammox consortium

　　

摘要

传统硝化-反硝化脱氮工艺存在曝气能耗高、对外源碳源依赖性强等问题。尽管厌氧氨氧化（anammox）具有低碳脱氮的优势，但受到NO₂?-N稳定供应的制约。铁耦合厌氧氨氧化（Feammox）-硝酸盐依赖的二价铁氧化（NDFO）耦合可以通过铁的循环驱动自养型氮转化，但其与厌氧氨氧化的协同机制仍不清晰。本研究构建并运行了一个连续流Feammox-NDFO-厌氧氨氧化协同脱氮反应器，在150天内连续运行，未外源添加NO₂?-N或有机碳源。系统研究了氮去除性能、胞外聚合物（EPS）-铁矿物界面、微生物群落及功能基因的动态变化。NH₄⁺-N去除率和总氮去除率（NRE）最终分别达到65.67%和38.87%，出水中NO₂?-N积累可忽略不计。成熟污泥形成了由EPS、混合价态Fe(II)/Fe(III)物种和低结晶度含铁矿物组成的氧化还原活性界面。在属水平上，Ignavibacterium从0.096%增加到2.03%，Denitratisoma维持在0.45-0.60%，Candidatus_Brocadia从0.013%上升至6.09%。这些微生物变化伴随着hzs、hdh、nar/nxr、nirK及铁转运基因丰度的增强。结果表明，Feammox、NDFO和厌氧氨氧化可通过Fe(III)/Fe(II)循环和内源NO₂?-N中间产物形成协同脱氮网络。本研究为铁介导的自养型脱氮提供了新的机制见解，并为低碳废水处理提供了潜在的设计策略。

引言

城市废水处理仍主要依赖硝化-反硝化工艺进行生物脱氮。然而，由于曝气需求，该工艺能耗巨大，且需要充足的有机碳源，使其在低碳氮比和进水波动条件下性能脆弱（Chen et al., 2026, Gao et al., 2009）。因此，开发低能耗、低碳源依赖的新型自养脱氮技术，对于废水处理过程中的节能、降耗和减碳具有重要意义（Wang et al., 2026a）。厌氧氨氧化（anammox）通过将在缺氧条件下将NH₄⁺-N和NO₂?-N直接转化为N?，提供了一条节能的自养脱氮途径。该工艺避免了外源有机碳的添加，且产生的剩余污泥少于传统反硝化工艺（Chen et al., 2026, Wang et al., 2026c, Zhu et al., 2024）。尽管具有上述优势，将厌氧氨氧化应用于主流废水仍面临挑战。该工艺依赖于可靠的NO₂?-N供应，同时厌氧氨氧化菌生长缓慢且对环境扰动高度敏感，限制了其在复杂废水系统中的稳定运行（Liu et al., 2024a, Liu et al., 2024b）。

近年来，铁耦合厌氧氨氧化（Feammox）因其能够在缺氧条件下实现NH₄⁺-N的自养转化而受到关注。Feammox通常由铁还原菌（IRB）介导，以Fe(III)为电子受体氧化NH₄⁺-N，倾向于生成N?，同时可能伴随NO₂?/NO₃?等中间产物或副产物（Chen et al., 2025, Wang et al., 2025b）。该工艺既不需要额外曝气，也不需要补充有机碳源，因此理论上更符合节能降耗脱氮的需求（Sun et al., 2023）。然而，Feammox仍面临反应速率较低、功能菌富集缓慢以及对连续补充Fe(III)电子受体需求高等挑战（Ren et al., 2020, Yin et al., 2025）。因此，如何构建能够维持Fe(III)/Fe(II)循环和再生并增强氮转化的耦合系统，是提高Feammox工程应用潜力的关键。

为克服Feammox的固有局限性，研究者探索了将Feammox与其他氮转化过程相耦合的多种策略。将Feammox与好氧氨氧化或硝化耦合，可加速NH₄⁺-N转化并促进Fe(II)的再氧化。例如，在曝气海绵铁生物滤器中已实现硝化、Feammox、NDFO和厌氧氨氧化的同步进行（Li et al., 2023a）。然而，此类系统仍需要曝气，这在一定程度上抵消了厌氧Feammox的节能优势，并增加了同时维持好氧和缺氧功能菌群组的复杂性。Feammox-厌氧氨氧化耦合为增强氨氮去除提供了另一条自养途径。添加活性炭等电子穿梭材料可以促进胞外电子转移，并有利于Feammox和厌氧氨氧化微生物的共存（Hu et al., 2021）。尽管如此，此前报道的系统往往需要外源供给NO₂?-N、含铁材料或电子穿梭物质，而Fe(III)的再生问题仍未得到充分解决。因此，尽管这些耦合策略提高了氮的转化效率，但对外源曝气或外源底物/材料的依赖性仍是低碳运行的重要制约因素。

相比之下，将Feammox与硝酸盐依赖的二价铁氧化（NDFO）耦合，为铁的氧化还原闭环提供了直接途径。Feammox产生的Fe(II)可作为硝酸盐还原的电子供体，而NDFO再生的Fe(III)又可进一步支持Feammox，从而建立Fe(III)/Fe(II)的相互循环（Cheng et al., 2023, Ji et al., 2024）。然而，现有的Feammox-NDFO系统一般依赖含铁载体或电子穿梭材料，而瞬时NO₂?-N中间产物的转化和后续利用尚未得到充分解决。最近，集成的Feammox-NDFO-厌氧氨氧化系统已证明铁的循环可缓解亚硝酸盐限制并在铁介导条件下增强脱氮效果（Hao et al., 2026）。然而，这些系统仍然在外部供给NO₂?-N的条件下运行，尚不清楚当厌氧氨氧化仅依赖原位产生的NO₂?-N时，能否建立稳定的协同网络。因此，开发一种能够在不添加外源有机碳或NO₂?-N的情况下，同时维持Fe(III)/Fe(II)循环和内源NO₂?-N生成-消耗的连续流系统，仍具有特别重要的研究价值。

基于上述考虑，本研究建立了一个连续流Feammox-NDFO-厌氧氨氧化反应器，并在不添加外源NO₂?-N或有机碳源的情况下运行了150天。本研究不仅旨在展示这些途径的共存，更着重阐明Fe(III)/Fe(II)循环和内源产生的NO₂?-N如何共同支持其长期协同运行。具体目标包括：(i) 评估连续流反应器的长期氮转化特征；(ii) 阐明EPS-铁矿物氧化还原界面的发育及其对电子转移和铁循环的潜在贡献；以及(iii) 明确铁还原菌、铁氧化/硝酸盐还原菌和厌氧氨氧化相关微生物种群及功能基因的演替过程，特别关注内源NO₂?-N的桥梁作用。

章节摘要

反应器构建与运行

一个2.5 L的连续搅拌釜式反应器（CSTR）在缺氧条件下连续运行（图S1）。通过机械搅拌器混合污泥-基质悬浮液，并利用恒温水浴将温度控制在30.0 ± 1.0 °C。

取自中国江苏省苏州市某城市污水处理厂缺氧池的活性污泥作为接种污泥。接种前，污泥经2 mm筛网过滤并用磷酸盐缓冲液冲洗。

系统长期运行性能

为评估Feammox-NDFO-厌氧氨氧化系统的启动过程、运行稳定性和氮转化特征，CSTR反应器连续监测了150天。根据运行策略和进水负荷变化，将整个运行期分为三个阶段：启动驯化阶段（I期，0-90天）、功能富集阶段（II期，90-120天）和低氮负荷适应阶段（III期，120-150天）。

结论

本研究构建了一个连续流Feammox-NDFO-厌氧氨氧化协同脱氮系统。在不添加外源NO₂?-N或有机碳源的情况下运行150天后，NH₄⁺-N去除率提高至65.67%，出水NO₂?-N浓度始终保持在较低水平，系统内建立了NO₂?-N产生与消耗的平衡。EPS、XPS、XRD和FTIR结果表明，成熟污泥形成了由EPS、混合价态Fe(II)/Fe(III)物种和低结晶度含铁矿物组成的氧化还原活性界面。

伦理审批

本文不包含任何作者进行的涉及人类参与者或动物的研究。

CRediT作者贡献声明

吴鹏：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，监督指导，项目管理，资金获取。孙文：项目管理。张兴兴：数据整理。张晓农：形式分析，数据整理。吉罗淼：撰写——初稿，方法论，调查研究，概念构思。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所述工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本工作得到国家自然科学基金（51578353）的资助。

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