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

零價鐵強化同步硝化反硝化除磷工藝中的營養物去除：性能、微生物群落及潛在機制  

來源：Water 2024, 16, 3666

《水》期刊2024年第16卷，第3666篇  

 

摘要內容

 

摘要研究了零價鐵（ZVI）對同步硝化反硝化除磷（SNDPR）工藝的強化作用。通過在厭氧/好氧/缺氧（An/O/A）序批式反應器（SBR）中添加ZVI（包括微米級mZVI和納米級nZVI），發現ZVI可顯著提升磷和總無機氮（TIN）的去除效率。其中磷的去除主要依賴ZVI原位氧化產生的鐵離子形成沉淀；TIN的去除則歸因于ZVI的化學反硝化作用（將硝酸鹽還原為亞硝酸鹽和氮氣）。納米級nZVI對TIN的去除效果優于微米級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），但促進亞硝酸鹽氧化菌（如Nitrospira sp.豐度增加）。  

 

研究目的

 

探究ZVI對SNDPR工藝中氮磷去除性能的影響，闡明ZVI的強化機制及其對微生物群落結構的作用，為低碳源污水的高效處理提供新策略。  

 

研究思路

長期運行SBR系統：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），調整碳氮比（C/N）以模擬實際污水條件。  

 

典型周期監測：分析典型運行周期內氮、磷、COD、DO、pH、ORP及溶解性NO的動態變化。  

 

微生物群落分析：通過高通量測序比較ZVI添加前后微生物群落結構變化。  

 

機制驗證：結合化學反硝化方程和鐵沉淀反應，解析ZVI強化營養物去除的化學與生物協同機制。  

 

測量數據及其研究意義

水質指標：  

 

數據來源：圖2（長期氮磷去除性能）、表2（不同階段去除率）、圖3-5（典型周期動態）。  

 

 

 

 

 

 

測量內容：TIN、PO?3?-P、NH??-N、NO??-N、NO??-N、COD濃度；DO、pH、ORP值。  

 

研究意義：量化ZVI對營養物去除的即時和持續效果，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：  

 

數據來源：圖3B、圖4(A2,B2,C2)、圖5B（丹麥Unisense電極在線監測）。  

測量內容：反硝化中間產物NO的實時濃度變化。  

 

研究意義：  

 

NO作為反硝化過程指示物：ZVI添加后厭氧段NO濃度升高（圖4），

表明ZVI可能通過化學作用（如Fe3?與氨反應）或影響微生物代謝途徑導致NO積累。  

 

評估工藝環境風險：NO是強溫室氣體N?O的前體物，其濃度變化提示ZVI可能增加N?O排放風險，需優化ZVI投加策略以減少二次污染。  

微生物群落數據：  

 

數據來源：圖6（屬水平群落結構）。  

 

 

 

測量內容：Dechloromonas sp.（PAOs）、Nitrospira sp.（NOBs）、Saccharimonadales sp.（發酵型反硝化聚糖菌）等相對豐度。  

 

研究意義：揭示ZVI抑制PAOs但促進NOBs和糖原積累菌（GAOs）的生態效應，解釋生物除磷衰減（如Dechloromonas sp.豐度降0.65%）與化學除磷主導的機制轉變。  

 

結論

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99.29%和76.75%（表2）。  

 

 

除磷機制：ZVI原位氧化生成Fe2?/Fe3?，通過化學沉淀（鐵磷酸鹽）直接除磷，導致生物除磷（PAOs活性）被抑制。  

 

脫氮機制：ZVI的化學反硝化還原硝酸鹽，nZVI因高比表面積在缺氧段反應更快。  

 

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

 

潛在問題：ZVI添加增加厭氧段NO積累（圖4），可能推高N?O排放風險。  

 

丹麥Unisense電極測量數據的詳細意義

 

使用丹麥Unisense NO微電極監測的溶解性NO數據（圖3B、4、5B）具有以下研究意義：  

反硝化過程診斷：NO是反硝化中間產物，其濃度峰值出現于厭氧段初期（圖4），表明系統存在亞硝酸鹽積累驅動的異養反硝化，而ZVI添加進一步放大了該現象。  

 

ZVI的化學作用指示：停止ZVI投加后，殘留Fe3?可能與氨發生反應（圖5B中NO驟升），證明ZVI氧化產物持續影響氮轉化路徑。  

 

工藝優化依據：NO積累暗示反硝化過程受阻或存在電子傳遞競爭，需控制ZVI投加時機（如避開厭氧段）以減少N?O生成風險。  

 

微生物活性關聯：NO動態變化與微生物群落演變（如Denitratisoma sp.等反硝化菌豐度波動）結合，可解析ZVI對生物反硝化途徑的干擾機制。