对于低C/N废水，传统生物反硝化工艺普遍存在因电子供体不足导致反硝化效率低、出水总氮难以达标的难题。外加碳源的方法常被用来弥补电子供体不足，提高反硝化效率；但外加碳源会增加运行成本，还可能因投加量控制不当而引发二次污染等问题。因此，寻找新的反硝化电子供体以提升反硝化效率具有十分重要的意义。
铁不仅是微生物自身进行生化反应所必需的微量元素，也是参与自然生物化学循环过程的重要元素。例如，硝酸盐型厌氧亚铁氧化脱氮工艺就是利用二价铁作为反硝化电子供体，该工艺能够在低C/N甚至不含有机物的条件下将NO3--N转化为N2。Song等发现，低C/N条件下，外加Fe2+显著提高了人工湿地的生物脱氮能力。另外，Wang等比较了3种固相铁（海绵铁、FeS和FeCO3）对低C/N废水自养反硝化速率的影响，得出FeS组反硝化效率最高，硝态氮去除率达到96%。然而，亚铁氧化产物为多种不溶性铁矿物，这些铁矿物包裹在细胞表面并随反应的进行不断积累，导致活性污泥矿化，降低了微生物活性和物质传递的发生，使反应器难以实现长期有效的稳定运行。
目前，缺氧环境下活性污泥系统中Fe（Ⅲ）异化还原反应被广泛关注。为此，在反硝化系统中投加羟基氧化铁，试图利用Fe（Ⅲ）异化还原产生的Fe（Ⅱ）诱导实现硝酸盐型厌氧亚铁氧化脱氮，实现Fe（Ⅲ）还原与Fe（Ⅱ）氧化的交替发生，克服硝酸盐型厌氧亚铁氧化脱氮铁盐沉淀在微生物表面的缺陷。基于此，笔者在C/N逐渐降低的ASBR系统中，研究了羟基氧化铁对硝态氮去除、氮和铁转化、胞外聚合物（EPS）、反硝化酶和微生物菌群的影响。
1、材料与方法
1.1 接种污泥的驯化
接种污泥取自合肥市望塘污水处理厂氧化沟中的泥水混合液。混合液经沉淀浓缩后于ASBR中进行驯化，每天运行2个周期，每周期反应10h，静置2h，温度控制在（25.0±1）℃。模拟废水的组分详见文献，控制进水NO3--N为14mg/L、COD为140mg/L、pH为7.0±0.2。当硝态氮去除率达到85%以上时，表示驯化成熟。
1.2 实验方法
取驯化成熟的污泥分配到两个ASBR反应器（有效容积为2.5L）中，控制MLSS为2500mg/L，排水比为40%，运行方式与污泥驯化时一致。对照组不加羟基氧化铁，实验组每隔5d按Fe/N物质的量之比为5投加羟基氧化铁。在进水硝态氮浓度不变条件下，通过改变进水COD浓度调整进水C/N。实验分为4个阶段，第1阶段（0~22d）C/N为10，第2阶段（23~41d）C/N为7.5，第3阶段（42~112d）C/N为5，第4阶段（113~203d）C/N为2.5。
1.3 分析项目及方法
NO3--N采用紫外分光光度法测定，NO2--N采用N-（1-萘基）-乙二胺分光光度法测定，NH4+-N采用纳氏试剂分光光度法测定，COD采用快速消解分光光度法测定。亚硝酸还原酶（NIR）活性采用NO2--N减量法测定。EPS采用热提取法进行提取，蛋白质（PN）和多糖（PS）含量分别采用Folin-酚试剂法和硫酸-苯酚法测定。污泥中吸附态Fe（Ⅱ）按文献提取，采用邻菲啰啉分光光度法测定。
2、结果与分析
2.1 羟基氧化铁对去除NO3--N的影响
羟基氧化铁对硝态氮去除率的影响见图1。第1、2阶段（C/N为10、7.5），对照组和实验组的硝态氮去除率没有差异。第1阶段，对照组和实验组的NO3--N去除率分别为（98.65±4.51）%和（98.82±4.43）%；第2阶段，对照组和实验组的NO3--N去除率均为100%。这是由于充足的碳源能保证生物反硝化过程中的电子供体，同时满足了微生物生长的需求。第3阶段，对照组和实验组的NO3--N去除率分别降低到（81.51±9.76）%和（97.89±1.92）%，实验组对NO3--N的去除效果较好。第4阶段，对照组和实验组的NO3--N去除率进一步分别降低到（38.49±8.18）%和（54.25±5.74）%，实验组的去除率显著高于对照组。这表明在低C/N条件（C/N≤5）下，羟基氧化铁加快了系统对硝态氮的去除。
2.2 羟基氧化铁对氮和铁转化的影响
羟基氧化铁对氮素转化的影响如图2所示。
当C/N为10和7.5时，在0~0.5h，对照组和实验组的NO3--N浓度快速下降至0。当C/N为5和2.5时，在0~0.5h，对照组和实验组的NO3--N浓度快速下降；在0.5~8h，NO3--N浓度缓慢下降至一定范围并趋于稳定，且实验组的出水NO3--N浓度均低于对照组，表明羟基氧化铁加快了硝态氮的去除。
在传统反硝化过程中NO2--N一般是中间产物，而在硝酸盐型厌氧亚铁氧化过程中NO3--N的最终还原产物主要是N2和少量N2O，还可能是NO2--N、NH4+-N、NO2和NO。在本研究的4个阶段，对照组和实验组均检测到了NO2--N的产生，但均未检测到NH4+-N。对照组的NO2--N浓度始终高于实验组。此外，随着C/N的下降，去除NO2--N所需的时间逐渐变长，且对照组明显长于实验组，表明羟基氧化铁加快了中间产物亚硝态氮的去除。
实验组溶解态和吸附态铁浓度的变化见图3。
由图3（a）可知，随着NO3--N浓度的降低，实验组中溶解态二价铁和三价铁浓度交替升降，说明实验组中三价铁异化还原和硝酸盐型厌氧亚铁氧化反应共存，实现二价铁氧化与三价铁还原的交替发生。吸附态铁主要为Fe（Ⅱ），且溶解态Fe2+和吸附态Fe（Ⅱ）的浓度随着C/N值的降低而下降，见图3（b），这是由于可供微生物异化铁还原的碳源逐渐减少。
2.3 羟基氧化铁对NIR活性的影响
对照组与实验组NIR活性的变化如图4所示。可知，不同阶段对照组和实验组的NIR活性均随着C/N的降低而升高，且实验组NIR活性低于对照组。当C/N为5和2.5时，实验组NO3--N去除率显著高于对照组。NIR与反硝化关系密切，其具有将亚硝酸盐降解为NO的功能。综合分析实验组NIR活性和硝态氮去除率的结果，实验组去除硝态氮除了利用NIR进行传统反硝化途径外，还可能存在硝酸盐型厌氧亚铁氧化途径。
2.4 羟基氧化铁对EPS含量的影响
羟基氧化铁对EPS含量的影响如图5所示。可知，对照组和实验组的蛋白质（PN）和多糖（PS）含量随着C/N的降低均呈现下降的趋势，但实验组蛋白质和多糖含量均高于对照组。可见，羟基氧化铁能促进EPS的分泌，提高蛋白质和多糖含量。长期投加铁会在一定程度上刺激活性污泥中的微生物，促进其分泌较多的EPS。在活性污泥中，PN/PS值与污泥絮凝能力成正比。前3个阶段，随着C/N的降低，实验组PN/PS低于对照组；第4阶段，实验组PN/PS高于对照组。这是由于在低C/N条件下，多糖可以作为碳源被微生物水解利用，所以多糖含量比蛋白质含量降低更多。
2.5 羟基氧化铁对微生物群落的影响
当C/N为5、2.5时，微生物群落结构在属水平上相对丰度的变化如图6所示。可知，当C/N=5时，实验组的菌属种类明显多于对照组。对照组的优势菌属为Thauera（22.99%）和Uncultured_bacterium_p_Latescibacteria（15.38%），而实验组的优势菌属包括Ellin6067（12.25%）、Neochlamydia（23.05%）、Thauera（2.02%）、Uncultured_bacterium_f_Rhodocyclaceae（3.16%）、Denitratisoma（4.60%）、Uncultured_bacterium_f_Gemmatimonadaceae（6.73%）和Nitrospria（3.86%）。当C/N=2.5时，对照组的优势菌属发生改变，主要包括Ellin6067（12.63%）、Thauera（5.49%）、Uncultured_bacterium_f_Rhodocyclaceae（22.44%）、Denitratisoma（3.76%）、Uncultured_bacterium_p_Latescibacteria（8.12%）和Nitrospria（3.66%）；而实验组的优势菌属种类未发生改变，但是Neochlamydia（14.53%）和Uncultured_bacterium_f_Rhodocyclaceae（4.33%）的相对丰度明显降低，Denitratisoma（6.17%）和Uncultured_bacterium_f_Gemmatimonadaceae（5.41%）明显增加。实验组区别于对照组的菌属是Uncultured_bacterium_f_Gemmatimonadaceae和Neochlamydia，表明羟基氧化铁改变了微生物的群落构成。
对照组和实验组的主要菌属在种类和相对丰度上相差较大。如当C/N为5时，对照组Thauera和Uncultured_bacterium_p_Latescibacteria的丰度分别比实验组高20.97%和15.21%，且对照组中Thauera是第一大优势菌属。Thauera是一类广泛存在于废水处理系统中的传统反硝化菌，说明对照组主要以传统反硝化方式进行生物脱氮。实验组中除了Thauera外，还有多种反硝化菌，如Uncultured_bacterium_f_Rhodocyclaceae、Uncultured_bacterium_f_Gemmatimonadaceae和Denitratisoma，其中Rhodocyclaceae中的许多菌属具有反硝化能力。Denitratisoma能将硝态氮或亚硝态氮转化为氮气，且乙酸钠的存在能促进其生长。Gemmatimonadaceae也与脱氮过程密切相关。另外，实验组的两大优势菌属是Neochlamydia和Ellin6067。Neochlamydia是共生菌，能去除污水中的有机物，其丰度很高，这可能与微生物去除硝态氮过程有关。Ellin6067和Nitrospria属于硝化菌，在二者共同作用下能将氨氮转化为亚硝态氮。虽然对照组和实验组均未检测到氨氮，但Ellin6067的出现表明反应器中可能出现了氨氮，可是其被Ellin6067和Nitrospria快速转化为亚硝态氮。
此外，分析系统进化树，Acidobacteria门中的Paludibaculum能够进行异化还原铁。Proteobacteria门中的Azospira和Dechloromonas属于硝酸盐型厌氧铁氧化菌，能利用亚铁将硝态氮还原为氮气，表明实验组除了传统反硝化过程外，还可能发生了异化铁还原和硝酸盐型厌氧亚铁氧化反应。因此，羟基氧化铁能通过诱导发生硝酸盐型厌氧亚铁氧化反应强化对硝态氮的去除。
3、结论
①在C/N为10和7.5条件下，羟基氧化铁对NO3--N去除率的影响不明显；而当C/N为5和2.5时，羟基氧化铁提高了硝态氮去除率和去除速率，加快了对反硝化中间产物亚硝态氮的去除。
②羟基氧化铁诱导活性污泥系统中，三价铁还原和二价铁氧化交替发生，促进了EPS中蛋白质和多糖的分泌，降低了传统反硝化的NIR酶活性。
③羟基氧化铁改变了微生物群落结构，系统中Uncultured_bacterium_p_Latescibacteria的丰度降低，并富集了Uncultured_bacterium_f_Gemmatimonadaceae和Neochlamydia等脱氮菌，诱导系统发生了硝酸盐型厌氧亚铁氧化反应，实现了反硝化和硝酸盐型厌氧亚铁氧化协同去除硝态氮。（来源：安徽农业大学资源与环境学院，安徽省环境科学研究院）