Zero-Valent Iron-Enhanced Nutrient Removal in Simultaneous Nitrification Denitrification and Phosphorus Removal Process:Performance, Microbial Community and Potential Mechanism  

零價(jià)鐵強(qiáng)化同步硝化反硝化除磷工藝中的營(yíng)養(yǎng)物去除：性能、微生物群落及潛在機(jī)制  

來(lái)源：Water 2024, 16, 3666

《水》期刊2024年第16卷，第3666篇  

 

摘要內(nèi)容

 

摘要研究了零價(jià)鐵（ZVI）對(duì)同步硝化反硝化除磷（SNDPR）工藝的強(qiáng)化作用。通過(guò)在厭氧/好氧/缺氧（An/O/A）序批式反應(yīng)器（SBR）中添加ZVI（包括微米級(jí)mZVI和納米級(jí)nZVI），發(fā)現(xiàn)ZVI可顯著提升磷和總無(wú)機(jī)氮（TIN）的去除效率。其中磷的去除主要依賴ZVI原位氧化產(chǎn)生的鐵離子形成沉淀；TIN的去除則歸因于ZVI的化學(xué)反硝化作用（將硝酸鹽還原為亞硝酸鹽和氮?dú)猓?。納米級(jí)nZVI對(duì)TIN的去除效果優(yōu)于微米級(jí)mZVI。微生物群落分析表明，ZVI抑制聚磷菌（PAOs）活性（如Dechloromonas sp.豐度降低），但促進(jìn)亞硝酸鹽氧化菌（如Nitrospira sp.豐度增加）。  

 

研究目的

 

探究ZVI對(duì)SNDPR工藝中氮磷去除性能的影響，闡明ZVI的強(qiáng)化機(jī)制及其對(duì)微生物群落結(jié)構(gòu)的作用，為低碳源污水的高效處理提供新策略。  

 

研究思路

長(zhǎng)期運(yùn)行SBR系統(tǒng)：在An/O/A模式下操作SBR（257天），分階段添加不同劑量和粒徑的ZVI（mZVI和nZVI），調(diào)整碳氮比（C/N）以模擬實(shí)際污水條件。  

 

典型周期監(jiān)測(cè)：分析典型運(yùn)行周期內(nèi)氮、磷、COD、DO、pH、ORP及溶解性NO的動(dòng)態(tài)變化。  

 

微生物群落分析：通過(guò)高通量測(cè)序比較ZVI添加前后微生物群落結(jié)構(gòu)變化。  

 

機(jī)制驗(yàn)證：結(jié)合化學(xué)反硝化方程和鐵沉淀反應(yīng)，解析ZVI強(qiáng)化營(yíng)養(yǎng)物去除的化學(xué)與生物協(xié)同機(jī)制。  

 

測(cè)量數(shù)據(jù)及其研究意義

水質(zhì)指標(biāo)：  

 

數(shù)據(jù)來(lái)源：圖2（長(zhǎng)期氮磷去除性能）、表2（不同階段去除率）、圖3-5（典型周期動(dòng)態(tài)）。  

 

 

 

 

 

 

測(cè)量?jī)?nèi)容：TIN、PO?3?-P、NH??-N、NO??-N、NO??-N、COD濃度；DO、pH、ORP值。  

 

研究意義：量化ZVI對(duì)營(yíng)養(yǎng)物去除的即時(shí)和持續(xù)效果，明確最佳操作條件（如nZVI添加后PO?3?-P去除率從50.37%升至99.29%）。  

溶解性NO濃度：  

 

數(shù)據(jù)來(lái)源：圖3B、圖4(A2,B2,C2)、圖5B（丹麥Unisense電極在線監(jiān)測(cè)）。  

測(cè)量?jī)?nèi)容：反硝化中間產(chǎn)物NO的實(shí)時(shí)濃度變化。  

 

研究意義：  

 

NO作為反硝化過(guò)程指示物：ZVI添加后厭氧段NO濃度升高（圖4），

表明ZVI可能通過(guò)化學(xué)作用（如Fe3?與氨反應(yīng)）或影響微生物代謝途徑導(dǎo)致NO積累。  

 

評(píng)估工藝環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)：NO是強(qiáng)溫室氣體N?O的前體物，其濃度變化提示ZVI可能增加N?O排放風(fēng)險(xiǎn)，需優(yōu)化ZVI投加策略以減少二次污染。  

微生物群落數(shù)據(jù)：  

 

數(shù)據(jù)來(lái)源：圖6（屬水平群落結(jié)構(gòu)）。  

 

 

 

測(cè)量?jī)?nèi)容：Dechloromonas sp.（PAOs）、Nitrospira sp.（NOBs）、Saccharimonadales sp.（發(fā)酵型反硝化聚糖菌）等相對(duì)豐度。  

 

研究意義：揭示ZVI抑制PAOs但促進(jìn)NOBs和糖原積累菌（GAOs）的生態(tài)效應(yīng)，解釋生物除磷衰減（如Dechloromonas sp.豐度降0.65%）與化學(xué)除磷主導(dǎo)的機(jī)制轉(zhuǎn)變。  

 

結(jié)論

性能提升：nZVI比mZVI更有效，添加后PO?3?-P和TIN平均去除率分別達(dá)99.29%和76.75%（表2）。  

 

 

除磷機(jī)制：ZVI原位氧化生成Fe2?/Fe3?，通過(guò)化學(xué)沉淀（鐵磷酸鹽）直接除磷，導(dǎo)致生物除磷（PAOs活性）被抑制。  

 

脫氮機(jī)制：ZVI的化學(xué)反硝化還原硝酸鹽，nZVI因高比表面積在缺氧段反應(yīng)更快。  

 

微生物影響：ZVI促進(jìn)Nitrospira sp.（NOBs）和Saccharimonadales sp.豐度，但長(zhǎng)期抑制PAOs（圖6）。  

 

潛在問(wèn)題：ZVI添加增加厭氧段NO積累（圖4），可能推高N?O排放風(fēng)險(xiǎn)。  

 

丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的詳細(xì)意義

 

使用丹麥Unisense NO微電極監(jiān)測(cè)的溶解性NO數(shù)據(jù)（圖3B、4、5B）具有以下研究意義：  

反硝化過(guò)程診斷：NO是反硝化中間產(chǎn)物，其濃度峰值出現(xiàn)于厭氧段初期（圖4），表明系統(tǒng)存在亞硝酸鹽積累驅(qū)動(dòng)的異養(yǎng)反硝化，而ZVI添加進(jìn)一步放大了該現(xiàn)象。  

 

ZVI的化學(xué)作用指示：停止ZVI投加后，殘留Fe3?可能與氨發(fā)生反應(yīng)（圖5B中NO驟升），證明ZVI氧化產(chǎn)物持續(xù)影響氮轉(zhuǎn)化路徑。  

 

工藝優(yōu)化依據(jù)：NO積累暗示反硝化過(guò)程受阻或存在電子傳遞競(jìng)爭(zhēng)，需控制ZVI投加時(shí)機(jī)（如避開厭氧段）以減少N?O生成風(fēng)險(xiǎn)。  

 

微生物活性關(guān)聯(lián)：NO動(dòng)態(tài)變化與微生物群落演變（如Denitratisoma sp.等反硝化菌豐度波動(dòng)）結(jié)合，可解析ZVI對(duì)生物反硝化途徑的干擾機(jī)制。