铁耦合微生物脱氮工艺研究现状及展望_杨秋健.pdf
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1、202312综述与专论8Modern Chemical Research当代化工研究铁耦合微生物脱氮工艺研究现状及展望杨秋健 李雨阳 马锦超 黄鸿涛(广州大学环境科学与工程学院 广东 510006)摘要:脱氮是目前环境的保护和修复过程中的热点问题,氮污染问题的加重及更高标准的水质指标对传统脱氮工艺提出了挑战。本文微生物脱氮和零价铁脱氮引入,分述了零价铁脱氮、微生物脱氮等传统工艺技术的研究,总结分析零价铁脱氮、微生物脱氮工艺的现有技术工艺原理及其面临的问题,重点讨论了零价铁和微生物在零价铁耦合微生物脱氮中所起到的作用。并进一步将现有零价铁耦合微生物脱氮技术的研究成果进行了整理和分析,有利于对零价
2、铁耦合微生物脱氮的进一步研究,对相关工艺技术的开发提供参考。关键词:脱氮;零价铁;微生物;零价铁耦合微生物中图分类号:TQ 文献标识码:ADOI:10.20087/ki.1672-8114.2023.12.003Research Status and Prospect of Iron-coupled Microbial Nitrogen Removal TechnologyYang Qiujian,Li Yuyang,Ma Jinchao,Huang Hongtao(School of Environmental Science and Engineering,Guangzhou Univer
3、sity,Guangdong,510006)Abstract:Denitrification is a hot issue in the current process of environmental protection and remediation.The aggravation of nitrogen pollution and higher standards of water quality indicators pose challenges to traditional denitrification processes.In this paper,the introduct
4、ion of microbial denitrification and zero-valent iron denitrification is described,and the research on traditional processes such as zero-valent iron denitrification and microbial denitrification is reviewed.The existing technological principles and problems of zero-valent iron denitrification and m
5、icrobial denitrification are summarized and analyzed.The role of zero-valent iron and microbiology in zero-valent iron coupled microbial denitrification is emphatically discussed.Furthermore,the existing research results of zero-valent iron coupled microbial nitrogen removal technology have been col
6、lated and analyzed,which is conducive to further research on zero-valent iron coupled microbial nitrogen removal and provides a reference for the development of relevant process technologies.Key words:nitrogen removal;zero-valent iron;microorganism;zero-valent iron coupling microorganism氮素是构成生命体有机分子
7、最基本的元素,是生命最基本的营养物质。氮气(N2)是最大氮库,但仅有少量的固氮细菌或真菌可以直接将其利用,其他生命体则需要依靠活性更强的氧化态氮和还原态氮1。人类现代化工制造了大量氮肥用于农业,极大提高了粮食供应能力,但在使用氮肥过程中造成大量的氨氮流入水体,造成水体污染,化石燃料的使用也使得大量氮氧化物排入大气并在大气中经过反应形成酸雨,对环境造成破坏。对环境的保护和修复过程中不可避免的遇到了脱氮问题。目前常用的脱氮工艺有微生物脱氮、零价铁(ZVI)脱氮等。其中微生物脱氮成本低、无二次污染被广泛的用于含氮废水的处理2。微生物脱氮的基本原理是通过微生物的同化或异化作用,将氨氮或硝态氮转化为氮气
8、从水中去除3。ZVI具有很强的还原性,可以将硝态氮还原为氮气或氨氮,也可以用于含氮废水的脱氮系统,同时ZVI来源广泛、价廉易得,使得ZVI脱氮技术也有较广泛的应用前景。同时,铁是生物系统中最丰富的过渡金属元素,是微生物所需的重要微量元素之一4。铁不仅能够促进微生物的电子传递、酶的合成,还能提高微生物活性和对氮的利用与转化5。在微生物脱氮系统中,铁盐或含铁化合物等的投加会对微生物脱氮过程及脱氮效率产生一定的影响6。本文就近些年来关于铁对微生物脱氮工艺的影响展开研究,总结铁耦合微生物脱氮过程的工艺及机理,为实际生产工艺中利用铁耦合微生物脱氮过程提供参考。1.ZVI脱氮ZVI颗粒有粒径小、比表面积大
9、、反应活性强,具有强还原性和吸附性7。目前,ZVI脱氮技术主要应用于地下水中较低浓度的硝酸盐和亚硝酸盐的去除,相关反应如下8:(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)ZVI脱氮工艺技术已有大量研究。Huang9研究发现溶液初始pH值越低,ZVI与硝酸盐反应速率越快,低pH会显著促进ZVI还原硝酸盐。何珊10发现当铁氮比202312综述与专论9Modern Chemical Research当代化工研究足够大时,pH为10时NO3-N的去除率仍可达85%,即实际运用中可通过加大铁量保证脱氮效果。更多的研究集中在铁复合材料以及铁耦合系统的开发,研究者将铁与其他金属复合,得到的复合金属材料有利于克
10、服铁在脱氮中的不足11。LIOU等12将不同的金属与铁复合,发现Cu-nZVI的反应活性最强,其脱氮能力要高于单独使用nZVI。还有研究通过在铁还原法中添加H+、Fe2+、Cu2+等离子以提高去除效率13。ZVI虽有着较好的还原能力及吸附特性,在污水脱氮处理中有着较好的表现,但是ZVI在单独使用时仍有着稳定性不佳、反应速率较慢等问题14。探索ZVI和其他新材料的使用组合、优化ZVI复合材料的结构和组成开发新的制备方法、研究ZVI与脱氮工艺组成的耦合系统等是目前ZVI脱氮研究的发展方向。2.微生物脱氮微生物脱氮是在微生物的联合作用下,将污水中的有机氮和氨氮转化为氮气的过程,其有经济、易操作、有效
11、等优点,是目前水处理工艺广泛采用的方法。传统的生物脱氮过程主要是含氮有机物经过一系列反应转化为氮气,进而达成脱氮的目的。其主要过程见图1。图1 含氮有机物转化3.ZVI耦合微生物脱氮微生物的硝化作用和反硝化作用、ZVI的还原脱氮作用都是氧化还原反应,两者在单独的脱氮过程中都有其不足,微生物依赖有机物提供的电子,在低碳氮比的情况下脱氮能力下降15。而ZVI在脱氮过程中不能定向的产生氮气,反应过度进行到氨化过程,这降低了ZVI的脱氮效率16。将二者的优势结合起来是一个很好的研究思路,两者的协同脱氮值得探究。图2 铁的氧化还原与微生物脱氮耦合示意图17(1)ZVI作用于微生物脱氮工艺。在铁作用于微生
12、物硝化脱氮反应上,王秀蘅18发现低浓度亚铁离子能促进脱氮菌对氨氮的硝化反应,而随着Fe2+投加量继续增加则会使促进作用有所减弱,但未表现出抑制脱氮的现象。王亚娥19研究发现在对添加ZVI的反应器较对照组更易达到稳定,对于硝酸根的去除则有差异性显著。范军辉20建立的微生物耦合硫铁炭复合填料体系具有高效脱氮同步除磷功能,运行稳定后,TP去除率在83%以上;TN去除率约为90%,比单纯微生物高出60%左右。在铁作用于微生物反硝化脱氮反应上,低浓度亚铁离子可作为酶的辅因子刺激反硝化细菌的生长和活性21。Zhang等人22研究表明投加ZVI时,总氮去除率比不投高16.64%,同时Fe3+作为Fe2+氧化
13、产物的存在能够促进铁还原菌的生长,也加快了铁的腐蚀与电子供体Fe2+的释放。而在FeNiR反应器中,铁可以替代醋酸盐或甲醇作为反硝化作用的电子供体。在对于铁影响厌氧氨氧化反应过程的研究上,周健等人17发现当存在ZVI时,厌氧氨氧化菌可以实现硝酸盐和氨氮的同步转化。Chen等人18在铁作用于同时硝化反硝化工艺的研究上,发现铁能促进好氧反硝化,使硝化反硝化脱氮得以同步。表1 不同体系中微生物的作用微生物种类反应器类型(有效容积)反应体型微生物作用铁还原菌血清瓶(0.1L)Fe(III)耦合铁还原菌体系以铁还原菌为主的微生物氧化还原过程对活性污泥中N循环起到了至关重要的作用22厌氧氨氧化菌血清瓶(0
14、.1L)ZVI耦合ANAMMOX菌体系厌氧氨氧化菌在厌氧条件下以NO2、NH4+为电子受体进行自身代谢活动,将其直接转化为氮气18氢自养反硝化菌铁型反硝化反应器铁耦合氢自养反硝化体系氢气作为电子供体通过反硝化作用还原硝酸盐,该过程产生有机物量少、反硝化效率高3好氧反硝化菌2L EM in 3.5L Erlenmeyer烧瓶作为生物反应器转入合成废水(2%,v/v)中,(30,150r/min)好氧反硝化菌使得硝化作用和反硝化作用能够在同一反应器中同时进行,从而实现废水微生物脱氮23(2)ZVI脱氮工艺中微生物的作用。关于微生物在ZVI脱氮的作用研究上,Zhang19研究了反硝化细菌对硝酸盐依赖
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