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。

太湖沉积物中厌氧铁氨氧化过程

铁氨氧化(Feammox)是近年来发现的一种新型的厌氧氨氧化耦合三价铁[Fe(Ⅲ)]还原的脱氮途径,该途径对于水生态系统中的氮素自净可能有着重要的作用。但是相对于废水处理和农田土壤,目前自然水体中Feammox相关的研究相对甚少。为此,本研究采集太湖不同区域沉积物进行厌氧培养,并借助同位素技术和分子生物学等手段,对沉积物中铁、氮循环相关细菌、Feammox影响因素以及潜在速率等进行了探究。厌氧培养过程中,亚铁[Fe(Ⅱ)]和各形态氮的浓度以及沉积物形态和颜色的变化,表明沉积物中发生了Feammox反应,并且硝酸盐(NO_(3)^(-))是铵(NH_(4)^(+))氧化的重要产物之一。不同氨氮(NH_(4)^(+)-N)添加量的厌氧培养实验表明,NH_(4)^(+)可以促进Fe(Ⅲ)的还原,但过量的NH_(4)^(+)可能会产生抑制效应。不同Fe(Ⅲ)添加量的各处理中,NH_(4)^(+)-N浓度的变化无显著差异(P>0.05,ANOVA),但是高Fe(Ⅲ)添加量的处理中,硝酸盐氮(NO_(3)^(-)-N)浓度显著高于其它处理(P<0.01,ANOVA),表明Fe(Ⅲ)的添加可以促进NH_(4)^(+)氧化为NO_(3)^(-)的过程。厌氧培养过程中,NO_(3)^(-)-N浓度急剧上升后又快速下降,伴随着反硝化功能相关的菌属相对丰度的大大增加,说明体系中可能发生了Feammox和反硝化的耦合。同位素富集培养结果表明,太湖不同区域沉积物均有较高的Feammox潜在速率(0.17~0.51 mg N/(kg·d)),表明Feammox在太湖氮素自净过程中可能发挥了重要的作用。

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。

铁氨氧化研究进展及在污水脱氮中的应用探索

近几年来,铁氨氧化(Feammox)反应在不同的环境体系中相继被发现.Feammox反应是在厌氧环境中以及微生物的驱使作用下,NH_(4)^(+)和Fe(Ⅲ)分别作为电子供体和电子受体,Fe(Ⅲ)被还原生成为Fe(Ⅱ),而NH_(4)^(+)则转化生成为亚硝酸盐(NO2−)、硝酸盐(NO_(3)−)和氮气(N2)几种不同形态的氮素.Feammox的发现进一步揭示了氮素在自然界循环中的新的转化途径,这种新的氮素转换途径给污水领域中的脱氮技术方法带来了全新视角.另外,Feammox能够和厌氧氨氧化(Anammox)和铁型反硝化(NDFO)耦合或者通过实现Fe(Ⅲ)和Fe(Ⅱ)之间的循环转化进行脱氮,使得Feammox成为了一种潜在的新型脱氮技术.通过综述Feammox的发展历程、反应机制、以及对自然界生态系统所产生的的影响和其所受影响的物理性因素,最后,进一步探讨Feammox在污水脱氮中的应用,并对其未来发展进行总结和展望.

铁氨氧化技术在废水脱氮中的应用研究进展

铁氨氧化,即Fe(Ⅲ)还原耦合厌氧氨氧化技术(Feammox),具有污泥产量低,无需有机碳,对重金属耐受等优点.本文阐述了Feammox反应的潜在机制、铁还原途径及其功能微生物;探讨了pH值、温度、Fe(Ⅲ)、有机物、硝酸盐(NO_(3)^(-)-N)和亚硝酸盐(NO_(2)^(-)-N)等关键影响因素;从Feammox技术与其他脱氮工艺耦合的角度出发,综述了Feammox技术在废水处理应用中的最新发展趋势,并对未来发展进行了展望.对Feammox工艺最新进展的概括为进一步的工艺优化提供了新思路,有助于在未来实际应用中实现更好的脱氮性能.

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。

厌氧氨氧化与铁氨氧化反应器功能微生物对比研究

厌氧氨氧化(Anammox)是以氨氮为电子供体,以亚硝酸盐氮为电子受体,将氨氮和亚硝酸盐氮同时转化为氮气的过程。除了亚硝酸盐外,厌氧氨氧化菌也能以铁盐为电子受体发生类似的氨氧化反应,即铁氨氧化(Feammox)。该研究利用基于PCR的变性梯度凝胶电泳(PCR-DGGE)、定量PCR(qPCR),结合序列分析,研究了这2种反应器中功能微生物的差异。结果表明Anammox转换为Feammox后,功能微生物产生了较大的变化,但都以Candidatus Kuenenia stuttgartiensis, Candidatus Scalindua spp.和Candidatus Brocadia sinica为主,这说明Feammox与Anammox具有基本一致的氨氧化生物过程。而Candidatus Scalindua spp.在Feammox反应器中丰度较高,可能与Feammox特异反应的发生有关。q PCR结果进一步证实Fmx反应器内的Anammox菌得到了较好的富集。

厌氧条件下生物铁泥中铁氨氧化现象探究

文章采用经过厌氧预处理的生物铁泥作为接种污泥,以氨氮和三价铁为主要营养源,探究在厌氧条件下生物铁泥中的铁氨氧化过程及其影响因素。结果表明:实验组出现了明显的铁氨氧化现象,NH;去除率为89.33%,伴随NH;去除产生的Fe(Ⅱ)浓度最高达到了751.16 mg/L,其氨氮去除率和Fe(Ⅱ)浓度远远高于接种生物铁泥但未投加三价铁的对照组B,对照组B氨氮去除率和Fe(Ⅱ)浓度最后分别仅为26.03%和257.8 mg/L,而只投加三价铁的对照组A未出现NH;的去除和Fe(Ⅲ)的还原。各影响因素实验中NH;出水浓度的对数值基本都与其反应时间符合一级衰减动力学模式,其模型拟合校正系数R;在0.784~0.971之间。

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。

不同菜地土壤的铁氨氧化脱氮过程探究

采集了不同菜地的土壤,分析其理化性质.采用同位素示踪技术测定了铁氨氧化、反硝化和厌氧氨氧化的速率,运用Miseq高通量测序技术探究了菜地土壤的群落组成.结果表明,铁氨氧化速率在种植蔬菜的土壤显著高于裸地的土壤,并且铁氨氧化速率与土壤Fe(Ⅲ)(r=0.736,P<0.05)和总有机碳(r=0.575,P<0.05)均有显著的正相关.另外,在不同菜地中5种主要的铁还原菌(芽孢杆菌属,假单胞菌属,嗜酸菌属,脂环酸芽孢杆菌属,梭状芽胞杆菌属)被检测到,并且铁还原菌的相对丰度在种植蔬菜的土壤(1.38%~2.19%)比在裸地的土壤(0.75%)高.在脱氮贡献方面铁氨氧化,反硝化和厌氧氨氧化分别贡献了7 3%~12.4%,53.1%~72.3%和18.9%~36.4%的氮气产生,说明铁氨氧化是菜地中重要的微生物脱氮路径.

铁氨氧化:新型的厌氧氨氧化过程及其生态意义

近年研究发现,以胞外电子受体(铁锰氧化物)代替亚硝酸盐,在以铵离子为唯一电子供体的条件下驯化,可以氧化铵离子同步实现金属离子的还原,这种兼具"厌氧氨氧化"和"铁还原"特点的生物化学过程,称为铁氨氧化.在本质上,铁氨氧化是微生物催化氨氧化耦合铁还原的生物反应过程.在微生物生态学领域,铁氨氧化过程作为一种新型的观点,是地球生态系统氮素循环的重要途径,这种观点对于理解地球化学元素诸如驱动地球上微小动植物生长的氮和铁的循环有重要作用,然而目前还很少关于铁氨氧化过程的理论研究,本文总结了铁氨氧化的发现历程,阐述了铁氨氧化过程的电子传递机制及其影响因素,从氮循环、铁循环和胞外电子呼吸等方面详细论述了铁氨氧化过程在生态学方面的意义,并指出了铁氨氧化的研究方向以及重点.

铁氨氧化在环境系统中的研究进展及其应用性探究

近年来,厌氧氨氧化耦合Fe(Ⅲ)还原过程(ferric ammonium oxidation,Feammox)作为一种新型的厌氧脱氮技术,在环境系统中被广泛应用和研究。从热力学角度分析,在不同环境系统中(高地土壤、水稻土、河岸沉积物、湿地沉积物)Feammox的代谢产物(N2、NO^-2、NO^-3)不尽相同。详细阐述了电极穿梭体、pH、溶解氧(dissolved oxygen,DO)、温度、Fe(Ⅲ)浓度等环境因素对于Feammox反应速率及脱氮效果过程控制,并指出其最适宜反应条件。然而,目前对于Feammox过程中的作用微生物还缺乏统一定论,其中尤以铁还原菌、Acidimicrobiaceae bacterium A6菌、厌氧氨氧化菌属为主要代表。对反应机理、影响因素、微生物多样性及工程适用性等方面对Feammox进行分析,总结近年来的应用进展及应用性探讨,最后对未来发展和应用进行了展望。

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。

铁氨氧化污泥的驯化及其同步脱氮除磷效果

铁氨氧化是一种铁依赖型厌氧氨氧化技术,同时铁也是一种常规的除磷材料,有望基于铁氨氧化开发一种厌氧同步脱氮除磷的新技术。基于此,开展了铁氨氧化污泥的驯化及其同步脱氮除磷效果研究。与厌氧污泥相比,厌氧氨氧化污泥更适合作为接种污泥,以厌氧氨氧化污泥接种,在连续流反应器中成功实现低碳氮比污水的同步脱氮除磷。在稳定运行阶段,氨氮去除率在40%~60%之间,且去除的氨氮中72%转化为N2;磷去除率约为40%。亚铁生成和氨氮的氧化证实了铁氨氧化作用,同时生成的亚铁促进了蓝铁矿的形成。这表明除了铁盐除磷外,蓝铁矿结晶也是除磷的重要途径。

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.