长江中下游湖泊沉积物厌氧铁氨氧化过程及脱氮贡献

湖泊氮素污染问题严重,水体富营养化程度正在日益加剧。湖泊沉积物中传统脱氮过程的研究主要关注反硝化和厌氧氨氧化过程,而厌氧铁氨氧化过程(feammox)的发现更新了人们对于氮素转换途径的认识,也使得湖泊沉积物中各个脱氮途径的贡献至今尚不明确。本研究通过15 N稳定同位素示踪技术定量了长江中下游18个湖泊沉积物反硝化、厌氧氨氧化和厌氧铁氨氧化过程的速率,计算了各个过程的脱氮贡献。结果显示,冬季反硝化、厌氧氨氧化和厌氧铁氨氧化的平均速率分别为(2.38±0.80)、(0.06±0.04)和(0.015±0.025)mg/(kg·d),平均脱氮贡献分别为96.5%±2.4%、2.7%±2.0%和0.8%±1.4%;夏季反硝化、厌氧氨氧化和厌氧铁氨氧化的平均脱氮速率分别为(2.54±1.04)、(0.12±0.06)和(0.005±0.005)mg/(kg·d),平均脱氮贡献分别为95.0%±3.4%、4.8%±3.2%和0.2%±0.3%。尽管厌氧铁氨氧化过程对于总体氮素脱除的贡献较为有限,但对NH_(4)^(+)的脱除贡献值得关注,其NH_(4)^(+)脱除贡献率在冬季和夏季分别为15.5%±23.4%和13.4%±22.4%。在冬季的洪湖、西凉湖和斧头湖以及夏季的鄱阳湖中厌氧铁氨氧化的NH_(4)^(+)脱除贡献率甚至高于厌氧氨氧化,表明厌氧铁氨氧化过程在沉积物NH_(4)^(+)脱除中的作用不容忽视。多元统计分析结果表明,pH、硝态氮、总有机碳和总无机碳可能是厌氧铁氨氧化过程的主要影响因素。本研究丰富了湖泊生态系统氮循环路径的认识,明确了湖泊生态系统氮素的转化过程和环境归趋,为湖泊生态系统氮素管理与水体富营养化治理提供了重要的理论支撑。

活性碳介导厌氧铁氨氧化脱氮效能及影响因素

厌氧铁氨氧化(Feammox)是一种以Fe^(3+)为电子受体的自养型脱氮工艺。利用活性碳(AC)作为电子穿梭体增加铁还原细菌的胞外电子转移速率和Feammox脱氮效率。考察了p H值、溶解氧、碳酸盐和硫酸盐浓度等对AC介导Feammox脱氮效能的影响。结果表明,p H值为6~7时有助于提升出水NH4+-N去除率。间隙曝气可以促进Fe^(3+)再生从而使得Feammox持续脱氮。当碳酸盐、硫酸盐质量浓度分别为250,150 mg/L时,NH4+-N和TN去除率分别达到94%和91%。Feammox强化人工湿地对农村生活污水NH4+-N去除率达到95%,具有微动力、运行稳定的特点。

厌氧铁氨氧化脱氮除磷效能及稳定性研究

为探究厌氧铁氨氧化(Feammox)污水处理效能及稳定性,考察了铁氧化物类型、硫限制和低温(4℃)对Feammox脱氮除磷的影响,并分析了污泥与微生物特性。结果表明,添加硫酸盐和水铁矿的实验组具有较好的脱氮除磷效果,氨氮和总磷去除率分别超过84%和98%,各实验组氨氧化产物均以硝态氮/亚硝态氮为主,并通过反硝化去除。微生物分析表明,添加硫酸盐和水铁矿、硫酸盐和磁铁矿的实验组中具有较高丰度的氨氧化细菌,硫限制和低温条件下则具有较高丰度的异养反硝化细菌。综上,Feammox具有较稳定的脱氮除磷效果,硫限制和磁铁矿作为铁源不影响其氨氧化效率,但低温明显降低氨氧化效率。

厌氧铁氨氧化脱氮效果与影响因素的研究

近年来,以Fe^(3+)为电子受体的厌氧铁氨氧化(Feammox)作为一种新型的生物脱氮工艺受到了研究者们的广泛关注,为了研究Feammox中氮的去除和不同条件下的脱氮效果,实验通过对厌氧氨氧化污泥进行驯化培养,以Fe^(3+)诱导厌氧氨氧化污泥启动Feammox系统,系统稳定运行后,监测Feammox系统的脱氮效果。同时分析了Fe^(3+)浓度,pH,温度,氨氮浓度对Feammox脱氮性能的影响。结果表明,当Fe^(3+)浓度为75 mg/L,pH为6,反应温度为30℃,进水氨氮浓度为75 mg/L的情况下反应器具有明显的脱氮效果,脱氮率可达到65.04%。同时也证实了Feammox在实际处理含铁氨氮废水的可行性。

厌氧铁氨氧化对污水脱氮的研究进展

厌氧铁氨氧化(Feammox)是近年来新兴的氮循环途径,备受人们关注。在富铁和厌氧的条件下,基于电子传递机理,使微生物以Fe^(3+)为受体在将NH4+氧化成N_(2)、NO_(2-)、NO_(3-)等物质的同时,减少次级反应的发生,与此同时Fe^(3+)转化为Fe^(2+)。在实现的铁转化同时,减少次级反应产物对大环境的影响。铁氨氧化脱氮工艺针对处理“高氨氮、低COD”废水,对城市生活污水的处理具有应用前景。对铁氨氧化脱氮的反应机理、影响铁氨氧化脱氮反应的因素进行分析总结,阐述了厌氧铁氨氧化应用于处理实际污水存在的问题,并对未来将铁氨氧化技术运用于实际应用进行了展望。

厌氧铁氨氧化在三类污水中对氨去除的探索

厌氧铁氨氧化反应近年来被证明是在厌氧条件下由微生物驱动的氨氧化铁还原反应。为了探究厌氧铁氨氧化反应对实际污水的处理效果,本试验设置在厌氧条件下向三类污水(城市生活污水、农村生活污水及矿山废水)中添加厌氧铁氨氧化菌液,探究厌氧铁氨氧化反应对这三类污水中氨的去除效果。结果表明,钦州市污水处理厂进水和钦州市小榄江水能提供进行厌氧铁氨氧化反应的条件。其中,钦州市污水处理厂进水10 d,氨氮转化率为40.05%,氨氮的主要转化产物是硝态氮,也极有可能生成了氮气。而汕尾废弃硫铁矿区污水投加菌液后未发生厌氧铁氨氧化反应,调节废水pH后发生反应,10 d氨氮转化率为44.64%。结果表明,城市生活污水和农村生活污水可以提供厌氧铁氨氧化反应所需的环境,可作为厌氧铁氨氧化实际应用的潜在处理对象。而矿区污水不满足厌氧铁氨氧化反应所需的直接条件,需要适当调节污水条件才能应用厌氧铁氨氧化进行处理。

厌氧铁氨氧化工艺特性与控制策略的研究进展

厌氧铁氨氧化(Feammox)是在厌氧环境下铁还原结合氨氧化的过程,存在于自然环境及人工环境中。Feammox反应可缓解缺氧土壤和湿地等环境的氮积累,且为自养型脱氮工艺,在污水处理中具有应用前景。近年来,研究人员对厌氧铁氨氧化的反应功能菌、代谢机理、富集培养与工艺运行等进行考察,成功富集到部分Feammox功能菌,推测了其理论反应,并探明工艺运行条件。目前,厌氧铁氨氧化工艺在污水处理领域尚处于起步阶段。对厌氧铁氨氧化的基本特性、工艺启动与控制、反应影响因素等进行了总结,可为后续研究及实际工程应用提供一定参考。

厌氧铁氨氧化的启动运行与脱氮机理

为解决传统生物脱氮工艺在污水处理过程中耗能大、成本高及含铁废水脱氮效果不佳的问题,在厌氧序批式反应器(ASBR)内通过梯度提升Fe3+浓度的方式诱导厌氧铁氨氧化(Feammox)反应的发生。对Feammox启动过程中氮浓度变化、铁价态变化及稳定运行中微生物群落等进行了分析;同时,设置不同对照组实验进行同位素示踪以推测Feammox的反应途径,并分析进水COD浓度对Feammox性能的影响。结果表明,经过为期90 d的Feammox系统启动运行,氨氮去除率为53.03%;Feammox系统中氮元素的去除是由Feammox、厌氧氨氧化(Anammox)和硝酸盐依赖性铁氧化(NDFO)3种反应共同完成的;在Feammox系统稳定运行阶段,脱氮效果较好,实现了铁的循环,这为采用该技术处理高铁含氮废水提供了理论依据。

接种污泥类型对厌氧铁氨氧化反应启动影响与微生物解析

以厌氧消化污泥、厌氧氨氧化污泥为接种污泥,探讨不同接种污泥对厌氧铁氨氧化反应(Feammox)启动及铁氮比对氨氮去除的影响.结果表明,厌氧消化污泥组的启动更快,在第17 d时显现脱氮效果,第17~39 d的氨氮平均去除率为20.03%,经过86 d的Feammox反应后最高氨氮去除率为60.51%;而厌氧氨氧化污泥组的氨氮去除率最高为52.67%.采用修正的Gompertz模型对两个试验组的氨氮去除进行拟合,结果表明,厌氧消化污泥组的平均迟滞期为17.21 d,脱氮速率为1.66 g·m^(-3)·d^(-1);厌氧氨氧化污泥组的平均迟滞期为33.08 d,脱氮速率为0.94 g·m^(-3)·d^(-1).X射线衍射(XRD)分析表明,水铁矿(以三氧化二铁为主)在厌氧消化污泥组经86 d试验后转化为碳酸亚铁(菱铁矿),在厌氧氨氧化污泥组主要转化为碳酸亚铁(菱铁矿)和四氧化三铁(磁铁矿).微生物群落分析结果表明,厌氧消化污泥组的微生物多样性、丰富度较高,Chloroflexi、Proteobacteria、Bacteroidota和Planctomycetota出现了富集.通过PICRUSt2基因预测,厌氧消化污泥组经86 d试验后,参与铁结合、运输功能的基因和参与氮代谢的基因大量富集有利于Feammox反应发生,而厌氧氨氧化污泥组中相关功能基因富集较低.

以铁盐和硫酸盐作为电子受体的厌氧氨氧化研究进展

厌氧氨氧化技术因其无需额外投加有机物和低能耗等优点被认为是替代常规生物脱氮的主要工艺之一。但是由于实际废水中缺少亚硝酸盐作为电子受体,导致厌氧氨氧化及其组合工艺的实际应用受到了阻碍。除了增加亚硝酸盐电子受体外,找到厌氧氨氧化细菌可利用的其他电子受体也是一种解决方法。综述了以3价铁为电子受体的厌氧铁氨氧化(Feammox)和以硫酸根为电子受体的硫酸盐型厌氧氨氧化(SRAO)的研究进展,以及两种工艺和其他技术进行耦合的情况,通过对两种不同电子受体研究进展的介绍,旨在找到打破亚硝酸盐电子受体的限制瓶颈,从而大大提高脱氮效率。最后对二者的未来发展进行展望。

磁性壳聚糖凝胶球固定厌氧铁氨氧化菌对废水氨氮去除的影响

厌氧铁氨氧化(ammonium oxidation coupling with iron reduction,Feammox)反应是一种在厌氧条件下,由厌氧铁氨氧化菌驱动,以三价铁为电子受体,氧化氨氮的生物化学途径,它可以用于去除水体中的氨氮.为提高厌氧铁氨氧化菌对氨氮废水处理效果,采用"氢氧化钠共沉淀-溶胶-凝胶"法制备粒径为1~5mm的磁性壳聚糖凝胶球(magnetic chitosan hydrogel beads,MCHBs),将厌氧铁氨氧化菌固定,研究其对废水中氨氮去除效果和影响因素,并与游离厌氧铁氨氧化菌对废水氨氮去除效率作对比.制备的MCHBs进行X射线衍射(XRD)和振动样品磁强(VSM)等表征分析.结果表明,MCHBs为铁磁性、结晶度高,饱和磁化强度达29.46 emu·g^(-1).MCHBs固定厌氧铁氨氧化菌比游离菌具有更高的氨氧化和铁还原速率,平均增幅为42.96%和20.75%,以MCHBs(1~2 mm)固定厌氧铁氨氧化菌的效果最显著(P<0.05).进一步研究发现,不适宜氨氮浓度、温度和pH下,MCHBs(1~2 mm)固定厌氧铁氨氧化菌氧化氨氮的能力均比游离菌高.初始氨氮浓度60.00 mg·L^(-1)、温度25℃和pH 4.50时,厌氧铁氨氧化效果较好,主要产物为硝态氮和二价铁,16 d时MCHBs(1~2 mm)固定厌氧铁氨氧化菌对氨氮去除率高达53.62%.这些结果都表明以MCHBs固定厌氧铁氨氧化菌后,能起到增强厌氧铁氨氧化反应去除废水氨氮的目的.

螯合铁对厌氧铁氨氧化脱氮效能及微生物群落的影响

为深入了解厌氧铁氨氧化反应微生物群落组成特征,本实验选取螯合铁对厌氧铁氨氧化脱氮效果进行了研究,并分析了微生物群落结构、功能及共现网络关系.厌氧反应器经过77 d运行,腐殖酸铁组、柠檬酸铁组、乙二胺四乙酸铁钠组和氨三乙酸铁组总氮去除率分别为83.32%、43.67%、55.07%和12.65%,腐殖酸铁是厌氧铁氨氧化更有效的电子受体.反应结束后,腐殖酸铁组中的脱氮菌群Comamonadaceae丰度约为17.57%,柠檬酸铁组中铁还原菌群Clostridium丰度为47.70%,乙二胺四乙酸铁钠组中脱氮菌群Thermomonas丰度为20.11%.微生物功能预测结果表明,铁循环、硫循环和氮循环关系密切,铁代谢和硫代谢对于脱氮有重要作用;在腐殖酸铁组中,铁呼吸和氮循环相关功能强度较其它组高.通过共现网络推测出Tessaracoccus是螯合铁厌氧铁氨氧化体系的关键物种.

厌氧铁氨氧化的电子传递机制、环境意义和影响因素

铁(Fe)是地壳中含量第四丰富的元素,其与碳、氮、氧、磷、硫等元素的耦合反应是地球生物化学循环重要的驱动力.近年来,微生物厌氧还原Fe(Ⅲ)耦合氧化铵(NH~+)反应,即厌氧铁氨氧化(Feammox),正逐渐成为生态环境研究中的热点之一.本文重点介绍了Feammox过程中的四种胞外电子传递机制,详细归纳了Feammox在土壤生态系统、水生态系统及污废水处理方面的最新研究进展,分析了影响Feammox的主要因素,并对Feammox未来的研究方向进行了展望.

针铁矿促进剩余污泥厌氧消化中的脱氮除碳

剩余污泥厌氧消化因其较低的能源转化率使其发展有所受限,且污泥中高浓度有机质也会影响脱氮效果。理论上,在含铁(Ⅲ)(氢)氧化物的厌氧消化系统中,微生物能通过异化铁还原去除有机物和氨氮(Feammox),但两者同步去除还有待验证。因此本研究通过向污泥厌氧消化系统中添加针铁矿,探究铁(Ⅲ)(氢)氧化物对同步脱氮除碳的影响。结果显示,随着针铁矿添加量的增加,反应器中有机物浓度逐渐减少。当添加50mmol/L针铁矿时,甲烷累积产量达到695.1mL,相较于没有添加针铁矿的厌氧系统提升了30.3%;TS/VS去除率也提升了21.1%/33.8%,说明针铁矿可有效促进污泥减量化。添加针铁矿的反应器中总氮去除率也有一定提升,当针铁矿添加50mmol/L时,去除率达到21.0%。以上结果表明,添加针铁矿可以在污泥厌氧消化中起到同时脱氮除碳的效果。

电化学系统内Feammox/NDFO耦合工艺脱氮效能和机理

针对目前Feammox/NDFO耦合工艺启动慢、脱氮效能不理想等缺陷,提出基于电化学原理强化Feammox/NDFO耦合工艺的策略.实验室内搭建生物电化学系统(BES)序批式厌氧反应器(B组),同时以不加电化学系统的普通厌氧反应器(A组)为对照组.A、B两组反应器共运行100d,分析了两反应器Feammox/NDFO耦合工艺启动过程中的脱氮效能、脱氮路径验证及种群结构组成,并探讨了BES系统Feammox/NDFO强化脱氮的机理.结果表明,实验组(B组)内NH_(4)^(+)-N去除率显著提高,第76d去除率趋于100%,TN去除率达65.83%;而对照组(A组)在第100d时,对NH_(4)^(+)-N和TN的去除率分别为50.22%和43.01%.脱氮路径验证实验结果表明,A、B组反应器内均有Feammox、NDFO、Anammox反应发生;并且B组反应器内反硝化速率明显大于A组.高通量测序结果表明,B组中铁循环脱氮功能菌中Desulfobacterota菌门的相对丰度较A组提高了2.34%;Thiobacillus和Denitratisoma丰度较A组分别提高了1.13%和0.87%.BES反应体系加速富集铁循环脱氮功能菌群,并可通过BES电极进行胞外电子转移,从而达到增强脱氮效能.

Feammox工艺反应性能及其功能微生物研究

采用CSTR反应器对厌氧铁氨氧化(Feammox)反应性能和功能微生物进行了研究。通过对厌氧消化污泥驯化启动Feammox反应,反应器运行温度为32℃,进水pH为7.0±0.1。培养130天后,NH_(4)^(+)-N去除率可达40.97%,Fe^(3+)转化率可达31.86%。通过分析NH_(4)^(+)-N和Fe^(3+)的转化率,考察不同pH和温度条件对Feammox反应的影响。结果表明,最佳反应pH为7.0、温度为30℃。高通量测序表明,反应器运行各阶段污泥中优势菌门为变形菌门、酸杆菌门及浮霉菌门,核心菌群为Desuifoprunum、GP10和GP7。

自养型铁驱动生物脱氮技术研究进展

生物脱氮具有成本低、运行高效的特点,有效保护了水质环境。水圈微生物驱动下铁-氮循环研究对开发自养型生物脱氮技术具有重要意义。文章从铁循环的角度,介绍了厌氧铁氨氧化,亚硝酸盐、硝酸盐依赖型铁自养反硝化技术,并提出铁驱动生物脱氮(FeDBNR)概念:即利用Fe(Ⅲ)氧化氨氮,同时利用产生的Fe(Ⅱ)作为电子供体还原硝酸盐氮,生成N_(2)。具有减少碳源消耗、避免二次污染、循环利用铁元素等优势。重点介绍了FeDBNR的反应机理、微生物种类、影响因素和优势,对该技术在未来污水生物处理中的应用进行了展望。

铁-氮耦合循环过程及其在废水处理中的应用进展

微生物驱动的铁-氮耦合循环过程可以同时(或交替)实现废水中的氨氮和硝酸盐氮的去除,其发展潜力巨大,目前已成为水处理中的一个研究热点。本文对与微生物脱氮过程密切相关的铁型反硝化(NDFO)和铁氨氧化(Feammox)的过程、机理及其在含氮废水处理中的应用进展进行了详细的综述,以期为这种新型生物脱氮技术的进一步推广提供参考。

Feammox污泥快速富集、脱氮特性和微生物群落结构

通过短期实验,在微氧环境下考察了pH值对三价铁氨氧化(Feammox)性能的影响.结果表明,批式装置内初始NH_(4)^(+)-N和Fe^(3+)浓度分别为70.0和300.0mg/L.无Fe^(3+)投加时,活性污泥可以利用溶解氧进行氨氧化,NH_(4)^(+)-N去除量为8.8mg/L;加入Fe^(3+)后,NH_(4)^(+)-N去除量增至76.9mg/L,和未添加Fe^(3+)实验相比,活性污泥的NH_(4)^(+)-N去除量增加了7.7倍.通过长期实验考察了活性污泥Feammox反应器的脱氮性能和功能微生物.经过驯化,反应器的NH_(4)^(+)-N平均去除速率达到1.6mg N/(g VSS·d).典型周期内,pH值从9.0降至7.8,反应器内的NH_(4)^(+)-N从35.5mg/L降至1.9mg/L,NO_(2)^(-)-N从11.2mg/L增至18.1mg/L,NO_(3)^(-)-N从8.1mg/L增至13.4mg/L,总无机氮从54.8mg/L降至33.3mg/L.在成熟的Feammox污泥中,优势铁还原菌属及丰度分别为unclassified Acidobacteria(1.92%)和Pseudomonas(0.22%),这些菌属可能对于Fe^(3+)氧化氨氮起到了重要的作用.

人工湿地中典型基质和关键微生物的脱氮作用研究进展

人工湿地具有高效、低能耗、低投入、绿色和环境友好等优点,其被广泛应用在污水处理工艺中。人工湿地中的基质和微生物是人工湿地系统的重要组成部分,其在人工湿地脱氮过程中起着关键作用。从人工湿地处理污水的角度,概述了人工湿地中生物炭、纳米零价铁、生物炭负载纳米零价铁等典型基质(填料)和氨氧化、反硝化、厌氧氨氧化、厌氧铁氨氧化微生物在脱氮中的作用研究进展,提出了未来相关研究的方向。