活性污泥異化鐵還原協(xié)同脫氮除磷研究.pdf

1、微生物異化Fe(Ⅲ)還原是一種重要的生物與地球化學(xué)過程，異化Fe(Ⅲ)還原微生物即鐵還原菌(Iron-reducing bacteria，IRB)則是實(shí)現(xiàn)這一過程的主體。IRB是厭氧環(huán)境中廣泛存在的一類主要微生物類群，其共同特點(diǎn)是能夠利用Fe(Ⅲ)作為末端電子受體，氧化電子供體并從中獲取能量。由于微生物異化Fe(Ⅲ)還原過程可耦聯(lián)有機(jī)物尤其是難降解有機(jī)物（如氯代有機(jī)物、偶氮染料、石化類有機(jī)物）的氧化降解、有毒重金屬離子（鈾、鉻、砷等）的

2、礦化及參與自然界中的氮/磷循環(huán)，近年來受到國內(nèi)外環(huán)保工作者的廣泛關(guān)注。同時(shí)，研究表明鐵還原菌也是活性污泥的重要組成部分，該類微生物可占到活性污泥微生物總量的3％左右。因此，研究活性污泥異化鐵還原過程及其脫氮除磷特性，對(duì)于強(qiáng)化污水處理系統(tǒng)中微生物異化Fe(Ⅲ)還原作用，提高污水處理系統(tǒng)對(duì)難降解有機(jī)物的降解效率，改善傳統(tǒng)處理工藝脫氮除磷效果等有著重要的意義。
　　本文以生物海綿鐵體系中活性污泥作為菌源，采用恒溫厭氧（兼性厭氧/嚴(yán)格厭氧

3、）培養(yǎng)方式，考察了不同F(xiàn)e(Ⅲ)對(duì)活性污泥異化鐵還原的影響，同時(shí)考察了不同F(xiàn)e(Ⅲ)條件下體系的脫氮除磷效果;重點(diǎn)研究了異化Fe(Ⅲ)還原耦合脫氮過程及其影響因素，并從熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)角度分析探討了異化鐵還原過程中的微生物-Fe-N交互作用機(jī)制。同時(shí)還對(duì)Fe0鈍化膜的異化還原能力進(jìn)行了研究，其結(jié)果為生物海綿鐵體系中載體的原位再生提供了新的思路。研究得出如下主要結(jié)論:
　　(1)活性污泥異化Fe(Ⅲ)還原微生物對(duì)不同形式Fe(Ⅲ)源的

4、還原能力不同，更容易利用比表面積大的非晶體及易溶性鐵(如Fe(OH)3)，無定形氧化鐵（如氧化鐵皮）通常較易被IRB還原利用，而對(duì)有穩(wěn)定晶體結(jié)構(gòu)形式的鐵（如青礦、紅礦）則較難利用。值得注意的是，不同F(xiàn)e(Ⅲ)的異化還原過程伴隨著明顯的脫氮除磷現(xiàn)象，且體系對(duì)氮、磷的去除效果與Fe(Ⅲ)還原能力呈正相關(guān)。
　　(2)2種條件（兼性厭氧/嚴(yán)格厭氧）下不同F(xiàn)e(Ⅲ)還原體系對(duì)磷的去除效果具有良好的一致性，依次為:Fe(OH)3＞氧化鐵皮＞

5、青礦＞紅礦，其中嚴(yán)格厭氧條件下較好。富集培養(yǎng)至7d，F(xiàn)e(OH)3及氧化鐵皮體系出水磷濃度均達(dá)到2mg/L以下，之后繼續(xù)降低，最終達(dá)到0.5mg/L以下。結(jié)合異化鐵還原除磷機(jī)理，可以證明，不同F(xiàn)e(Ⅲ)表面吸附作用對(duì)TP的去除貢獻(xiàn)較小，其主要作用為IRB驅(qū)動(dòng)下的化學(xué)沉淀除磷。
　　(3)體系對(duì)NH4+-N、TN的去除明顯滯后于TP的去除，相同培養(yǎng)條件下氧化鐵皮體系脫氮效果最好，且嚴(yán)格厭氧條件下稍好于兼性厭氧條件。在此基礎(chǔ)上，初始基

6、質(zhì)中無外加亞硝酸鹽的前提下，不同進(jìn)水負(fù)荷下的脫氮能力與Fe(Ⅱ)產(chǎn)生量呈正相關(guān)，由低到高進(jìn)水負(fù)荷體系的累計(jì)Fe(Ⅱ)產(chǎn)生量逐次增高，容積總氮去除率也逐漸增大，其中以高濃度氨氮體系的Fe(Ⅲ)還原能力最好，至30d，F(xiàn)e(Ⅱ)產(chǎn)生速率高達(dá)28.63mg/(L·d)，同時(shí)NH4+-N及TN去除率分別達(dá)90.61％和90.15％。此外，該過程發(fā)生NO2-和NO3-的短暫積累現(xiàn)象，說明厭氧環(huán)境中異化鐵還原過程可偶聯(lián)NH4+的氧化。
　　(

7、4)從熱力學(xué)角度分析，厭氧條件下異化鐵還原體系中發(fā)生的鐵氨氧化、厭氧氨氧化及NO3--依賴型Fe(Ⅱ)氧化反應(yīng)是易發(fā)生且絕大多數(shù)位于Eh-pH圖的Fe(Ⅱ)區(qū)域;不同反應(yīng)體系中出水NH4+-N、TN濃度的對(duì)數(shù)值(lnc)和培養(yǎng)時(shí)間(t)之間基本符合一級(jí)衰減動(dòng)力學(xué)模式，模型擬合的相關(guān)系數(shù)(R2)在0.744～0.971之間。IRB參與活性污泥中N素循環(huán)的交互作用機(jī)制可分為三個(gè)子過程，即Fe(Ⅲ)的微生物還原解離耦合NH4+的氧化過程、厭氧

8、氨氧化過程和NO3--依賴型Fe(Ⅱ)氧化過程。其中以IRB為主的微生物氧化還原過程對(duì)活性污泥中N循環(huán)起到了至關(guān)重要的作用。
　　(5)Fe0鈍化膜能夠被鐵還原菌很好的利用，兼性厭氧和嚴(yán)格厭氧條件下Fe(Ⅱ)產(chǎn)生速率分別高達(dá)88.67mg/(L·d)、98.69mg/(L·d)，分別是氧化鐵皮體系的441％倍和487％，同時(shí)對(duì)TP的去除率最終分別達(dá)到94.4％和97.1％以上，脫氮效果相對(duì)滯后，其中NH4+-N去除率分別為78.1