纳米零价铁耦合微生物体系还原脱氮技术研究进展

纳米零价铁耦合微生物体系还原脱氮技术研究进展

对纳米零价铁耦合微生物体系的还原脱氮反应条件、效果、应用前景等方面进行综述，以期对于污水处理廠技术的改进提供理论依据和设计运行参数参考，同时为纳米零价铁耦合微生物体系的研究方向提供建议。

标签：纳米零价铁；脱氮；微生物耦合；生物炭

1 概述

目前，我国绝大多数的城市污水处理厂都采用运行稳定、处理费用较低的生化处理工艺，污水经传统的二级生物处理以后，主要去除污水中的有机污染物质，但出水中残留硝态氮（NO3--N）过多，致使总氮不能达标。纳米零价铁具有价廉、还原势高、反应速度快等特点，近几年成为污水修复的主要介质材料，因此运用纳米零价铁还原废水中的NO3--N成为一个研究热点。将纳米零价铁与微生物结合克服了传统生物法中反硝化过程对碳源的依赖问题，节省物料和能源的消耗，提高了废水脱氮效率，且不影响系统出水质量[1]，对城市污水中NO3--N的去除具有积极意义。

近年研究出很多新的或者改进的脱氮技术体系，如纳米零价铁耦合厌氧氨氧化（ANAMMOX）菌体系、纳米零价铁耦合微生物体系、生物炭载纳米纳米零价铁耦合微生物体系等。本文通过对于纳米零价铁耦合微生物体系还原脱氮技术研究现状进行介绍，对于污水处理厂技术的改进提供理论依据和设计运行参数参考。

2 纳米零价铁耦合微生物体系脱氮进展

2.1 纳米零价铁耦合ANAMMOX菌体系

ANAMMOX菌在厌氧条件下可以直接以亚硝态氮（NO2--N）为电子受体、以氨氮（NH4+-N）作为电子供体进行自身代谢活动，直接转化为氮气，且反应过程中无需添加碳源，与传统的生物脱氮工艺相比，可以节省100%的碳源投加，并能节省60%的曝气量。在纳米零价铁耦合ANAMMOX菌体系中，纳米零价铁首先被还原成NO2--N，然后进一步还原成NH4+-N，ANAMMOX菌可以利用体系先后生成的两种物質进行生物转化，实现生物脱氮。

周健[2]等人发现，厌氧氨氧化微生物对纳米零价铁还原

NO3--N的作用随着pH值改变，当pH在7.5-5.14之间时，厌氧氨氧化污泥可以将零价铁还原体系中的89%以上的硝酸盐以总氮形式损失，而当pH较低时，反应体系以化学反应为主，并且证明了在体系中厌氧氨氧化对NH4+-N的竞争能力更强。纳米零价铁耦合ANAMMOX菌脱氮体系无需碳源，反应速率也远远超过了传统生物脱氮，具有很好的应用前景。但是由于纳米零价铁还原产物

NH4+-N和NO2--N的产物比例并不能达到反应的理想比例，难以控制还原条件停留在NO2--N阶段，所以脱氮效果受到pH、反应时间、纳米零价铁量等因素的干扰，目前对于大规模的推广使用仍存在问题。

2.2 纳米零价铁耦合反硝化菌体系

An[3]等人研究了不同条件下纳米零价铁对NO3--N的去除效果，pH为7，初始硝酸盐为50mg/L时，单一的纳米零价铁可在2d内将其还原，其中产生的NH4+-N达到95%，单一的反硝化菌没有碳源作为电子供体，8d只有15%被还原，而纳米零价铁和微生物耦合体系8d可以完全还原NO3--N，且产物NH4+-N 只占33%。纳米零价铁耦合反硝化菌体系可以减少反应时间，加快脱氮反应速率，另外发现随着微生物量的增大，NO3--N发生自养反硝化，产物为氮气，在一定浓度范围内脱氮效率随着微生物和纳米零价铁浓度的增大而增大。但是，在实际应用过程中发现随着时间延长，脱氮反应速率逐渐降低的现象，究其原因，纳米零价铁存在钝化现象，尤其是粒径较大的情况下，钝化现象更明显，这在很大程度上影响了零价铁的应用。

将纳米零价铁负载于蒙脱石、膨润土、活性炭等材料上，可以增大纳米零价铁的分散性，克服其易团聚的缺点。张建瑞等人[4]将零价铁载体投加于生物体系中，体系脱氮效果稳定，且发现较小粒径的载体脱氮效果比较大粒径的高10%左右[5]，这说明载体的存在大大削弱了纳米零价铁易分散、易团聚的缺点。生物炭在环境污染治理方面有着巨大的潜力，生物炭产率高、制备工艺简单，用其处理工业废水中重金属污染物，发现其对重金属的吸附速率较快，短时间内即可达到吸附平衡，很大程度的降低了废水中重金属的含量。Oh.S.Y等人[6]发现，热解温度为400-700℃的生物炭载纳米零价铁耦合微生物体系可以极大地提高脱氮效率，3d后脱氮效率达到74%，5d后达到93%，鉴于反硝化菌可以利用含碳胡敏酸类物质作为电子供体，因此猜想耦合体系的脱氮效率和生物炭类负载材料的电导率相关。但是，热解温度为400-700℃的生物炭在纳米零价铁耦合微生物还原体系中发挥作用的具体机理还未被研究，所以热解生物炭和生物炭复合材料在微生物还原NO3--N体系中具有很大的研究潜力和价值。

3 结束语

纳米零价铁与微生物耦合反应过程也更加多变，除了一般的生化反应外，还牵涉到化学氧化、还原、化学沉淀等反应，但是可以提高NO3--N的去除效率，减少了碳源的添加，也减少NH4+-N的生成，节约了成本，极大地提高了污水中NO3--N的去除率。另外，纳米零价铁在体系中的生物毒性和易团聚的缺点还可以通过生物炭负载或者微生物驯化等方法来解决。

纳米零价铁与微生物耦合体系中对微生物种群的毒性影响以及还原脱氮机理还有待更加深入的研究，同时，还原体系中对于温度、DO、pH等条件的控制对于污水处理厂工程实施具有挑战性，这些方法研究目前基本停留在实验室阶段，距离推广使用还有很大的距离，还应进一步改进方法，为污水处理厂污水处理提供更为简便、可行的技术方法。

参考文献：

[1]李杰，张艳梅，马宁.复合零价铁生物填料的优化试验研究[J].工业用水与废水，2015，46（4）：20-22.