不同FeIII对活性污泥异化铁还原及除磷影响研究

中国环境科学2013,33(6)：993~998ChinaEnvironmentalScience不同Fe(III)对活性污泥异化铁还原及除磷影响研究王亚娥*,冯娟娟,李杰(兰州交通大学环境与市政工程学院,甘肃兰州730070)摘要：以SBBR反应器活性污泥作为铁还原菌菌种来源,采用兼性厌氧/严格厌氧恒温培养试验,投加不同Fe(III)考察各条件下的异化铁还原能力,同时比较对磷的去除效果.结果表明:2种条件下Fe(III)还原能力具有较好的一致性,依次为:Fe(OH)3氧化铁皮青矿红矿,其中严格厌氧条件下较好.同时,除磷效果与其呈正相关,富集培养至7d,Fe(OH)3及氧化铁皮体系出水磷浓度均达到2mg/L以下,之后继续降低,最终达到0.5mg/L以下.结合异化铁还原除磷机理,可以证明,不同Fe(III)表面吸附作用对TP的去除贡献较小,其主要作用为铁还原菌驱动下的化学沉淀去除.关键词：微生物异化Fe(III)还原；铁还原菌；富集培养；除磷中图分类号：X703.1文献标识码：A文章编号：1000-6923(2013)06-0993-06PhosphorousremovalusingdissimilatoryreductionofdifferentFe(III)inactivatedsludge.WANGYa-e*,FENGJuan-juan,LIJie(SchoolofEnvironmentalandMunicipalEngineering,LanzhouJiaotongUniversity,Lanzhou730070,China).ChinaEnvironmentalScience,2013,33(6)：993~998Abstract：AnenrichmentcultureofdissimilatoryironreductionbydosingdifferentFe(III)sourcesatconstanttemperatureunderfacultative/strictlyanaerobicconditionwasinvestigated.Thesourceofiron-reducingbacteriaretrievedfromtheactivatedsludgeofSBBRreactor.TheabilityofdissimilatoryFe(III)reductionandthephosphorousremovalefficiencyunderdifferentconditionswerecompared.TheresultsshowedtherewasconsistencyintheFe(III)reductionabilityofdifferentconditions,followedbyFe(OH)3ironoxidescalegreenoreredore,butstrictlyanaerobicshowedbetter.WhilethephosphorusremovalefficiencywaspositivelyrelatedtoproducedFe(II)concentration.Atthe7dofenrichmentculture,theconcentrationofphosphateatFe(OH)3andironoxidescalesystemsdecreasedbelow2mg/L,andultimatelyto0.5mg/L.BondingmechanismofphosphorousremovalusingdissimilatoryFe(III)reduction,itsmainroleoftheprecipitationremovalbyIRBratherthansurfaceadsorptionofFe(III)sourcewasproved.Keywords：microbialdissimilatoryFe(III)reduction；iron-reducingbacteria；enrichmentculture；phosphorousremoval微生物异化Fe(III)还原是一个重要的生物及地球化学过程.该过程使有机或无机的电子供体以Fe(III)作为终端电子受体而被氧化,将难溶的三价铁氧化物还原成可溶解性的Fe(II),并从中获取能量,促进微生物生长、繁殖及酶的合成[1].研究表明,微生物异化Fe(III)还原过程可耦联有机物,尤其是难降解有机物(如氯代有机物、偶氮染料、石化类有机物)的氧化降解[2-3]、有毒重金属离子(铀,铬,砷等)的矿化[4]及参与自然界中的氮/磷循环[5-7].因此,成为近年来环境污染修复与治理的热门方法之一.异化Fe(III)还原微生物即铁还原菌(IRB)是活性污泥的重要组成部分,可占活性污泥微生物总量的3%左右[8],因此,强化污水处理系统中微生物异化Fe(III)还原过程,一方面可以提高污水处理系统对难降解有机物的降解效率;另一方面可以利用还原产物Fe(II)与磷酸盐的沉淀作用改善污水处理系统的除磷效果,实现化学除磷与生物除磷的有机结合.目前,国内外关于这方面的研究还少见报道.本文以活性污泥为菌源,通过介入不同的Fe(III),在兼性厌氧/严格厌氧条件下考察了不同Fe(III)对活性污泥异化铁还原过程的影响,同时考察该过程的除磷效果,并对除磷机理进行了初步探讨.以期为这一技术在污水处理中的应用提供理论基础.收稿日期：2012-10-09基金项目：国家自然科学基金资助项目(51068015)*责任作者,教授,[e-mail]994中国环境科学33卷1材料与方法1.1试验材料1.1.1接种污泥来源接种污泥取自本实验室中投放Fe0的SBBR反应器,该反应器有效容积为0.36m3,生物载体除Fe0外,还投放一定比例的具有自主知识产权的纳米凹凸棒土复合亲水性聚氨酯泡沫填料[9].该反应器已稳定运行1年多,污泥具有较高的微生物活性,其污泥沉降比(SV)为12%,pH值为7.2,所含Fe(II)和Fe(tot)含量分别为14.83,200.55mg/L.其中反应体系内污泥接种量为4.24g/L.1.1.2Fe(III)的制备为研究不同Fe(III)对微生物异化Fe(III)还原的影响,试验选用氧化铁皮(即废铁磷)、青矿、红矿作为Fe(III)源,并以常用的Fe(III)源——Fe(OH)3进行对比.试验用Fe(OH)3悬液(含铁量为5.188g/L)采用人工合成的方法制备,即用0.4mmol/L的FeCl3和0.5mol/LNaOH溶液慢速中和沉淀,得到的红褐色沉淀用去离子水反复洗涤,重复6次至完全去除悬液中的氯离子和钠离子为止[10].对氧化铁皮、青矿及红矿进行铁含量测定及X-ray晶体结构鉴定,氧化铁皮(含铁量71.3%)取自北京某铁矿厂,表面呈红色.青矿和红矿取自河南省济源市王屋铁矿厂,含铁量分别为60.7%、36.1%(W/W).投加前将氧化铁皮剪碎至粒径为2.0~3.0mm的条状,2种矿石均粉碎、研磨、筛分,选择80目粒径进行试验.1.2试验方法10mL葡萄糖(10mmol/L)、5mL氯化铵(5g/L)及25mmol/L的磷酸盐缓冲液(KH2PO4与K2HPO4的摩尔比为0.5809)1.5mL.分别添加不同形式Fe(III)作为唯一电子受体,投加量均为1g.试验中采用兼性厌氧和严格厌氧2种条件进行对比试验.取9个系列100mL血清瓶(其中兼性厌氧4个系列,严格厌氧4个系列,每个系列包括9个瓶),将上述铁还原培养基置于高压灭菌锅内,于121℃下灭菌20min,放至无菌室进行冷却,严格按无菌操作法接种经厌氧处理[(30±1)℃下密封7d]后的上述接种污泥20mL,同时设置灭菌的活性污泥(CK1)(用15%(V/V)的乙醇浸泡隔夜)[11]及仅有Fe(III)的不接种体系(CK2)作为对照.设置CK2为考察Fe(III)源对磷的表面吸附作用.最后,补充去离子水至有效容积60mL.其中严格厌氧组均充氮气5min,排氧,各组均加盖密封,于(30±1)℃恒温培养箱中避光培养.所有测试均3次重复.试验过程中通过测定体系中ORP,发现严格厌氧条件下ORP小于-250mV,兼性厌氧条件下ORP在-100mV左右.1.3取样及测定方法每次采样时各取出1瓶,充分摇匀,各取试样2份.其中一份用于Fe(II)和Fe(tot)浓度的测定,即吸取2mL悬液,置于含8mL0.5mol/L盐酸溶液的带盖聚乙烯离心管中,在摇床上震荡浸提1h[12].另取一份(10mL)用于TP的测定.均在1500r/min的转速下离心10min,取上清液用0.22μm滤膜过滤.各指标的测定均采用标准法[13].Fe(II)及Fe(tot):邻菲啰啉分光光度法,TP:钼酸铵分光光度法.ORP:便携式多参数(pH/Oxi340i)测定仪.2结果与讨论2.1Fe(III)浓度对各条件下IRB富集培养的影响2.1.1兼性厌氧条件从图1可以看出,由于灭菌的对照组中无微生物参与,体系的Fe(II)及Fe(III)浓度基本保持不变,这说明其他体系中所发生的Fe(II)及Fe(III)的变化是由IRB作用而产生.除对照组外,其他4个体系前7d天Fe(II)累计浓度均随着培养时间的延长而持续增高,表现出较好的铁还原能力,Fe(II)产生率分别为:Fe(OH)321.74mg/(L·d)、氧化铁皮20.10mg/(L·d)、青矿13.90mg/(L·d)和红矿12.08mg/(L·d),与不同形式Fe(III)源的含铁量呈现较好正相关;而在7~13d,4个系列Fe(II)浓度均呈现快速下降趋势,13d后基本稳定,稳定后体系中Fe(II)浓度由高到底的顺序依次为氧化铁皮、青矿、红矿及Fe(OH)3体系.从体系悬浮混合液中Fe(III)的浓度变化来看,Fe(III)的浓度以Fe(OH)3体系为最高,其他依次为灭菌的对照组、红矿、青矿.最值得注意的是氧化铁皮体系中Fe(III)的浓度在前7d呈现出持续下降的趋势,而从7d后则呈持续增加,16d后6期王亚娥等：不同Fe(III)对活性污泥异化铁还原及除磷影响研究995其体系中Fe(III)的浓度已超过Fe(OH)3体系.说明氧化铁皮是一种较易被微生物利用的Fe(III)源形式.2.1.2严格厌氧条件由图2可以看出,不同Fe(III)对Fe(II)产生量及不同体系中Fe(III)浓度的变化趋势与兼性厌氧条件相一致.各体系在7d时累计Fe(II)产生量达到最大,Fe(OH)3最高,氧化铁皮、青矿和红矿依次降低,最大Fe(II)产生率分别为27.58,20.28,16.88,15.27mg/(L·d),稍高于兼性厌氧条件.0510152025300306090120150180aFe(II)(mg/L)培养时间(d)Fe(OH)3氧化铁皮青矿红矿CK10510152025300100200300400500bFe(III)(mg/L)培养时间(d)Fe(OH)3氧化铁皮青矿红矿CK1图1兼性厌氧条件下Fe(II)及Fe(III)浓度的变化Fig.1Variationofiron(II)andiron(III)concentrationsinfacultativeanaerobicconditions初始Fe(II)浓度为(16.8±1.2)mg/L由图1、图2可以看出,累计培养7d后,体系中Fe(II)浓度均呈现持续下降的趋势.分析原因,可能由于以下几个方面导致:根据相关报道[14-15],在微生物异化铁还原过程中伴随有磁铁矿的形成,磁铁矿形成过程会消耗体系中大量的Fe(II),导致Fe(II)浓度显著下降.本试验初始接种液含有一定量的氨氮(约为117.9mg/L)与硝态氮(约为16.2mg/L),这为厌氧氨氧化菌的生长提供了条件.张蕾等[16]研究结果显示,铁离子对厌氧氨氧化菌的生长有较好的促进作用,体系中厌氧氨氧化菌的生长消耗Fe(