三价铁还原氨氧化机理及过程调控

Anammox process is an important role of the natural N-cycle. The biological nitrogen removal technology based on Anammox process has the obvious features of high-efficiency and low-cost. Recently, it has been found that the Anammox microorganisms favour a versatile lifestyle, utilizing a variety of electron acceptor for their metablisms. Some biochemist found that the metabolic activity of ammounium oxidation coupled to iron(Ⅲ) reduction with total nitrogen loss were existed in wetland soils. But the reaction mechanisms and relevant microbial populations have not been in focus. If the ammonium oxidation process can be effctively accomplished with iron(Ⅲ) as the electron acceptor, the biological ammonium removal would be a process of complete no extra energy input, resulting a nonpollution green treatment technology. This proposal, around this important subject of scientific significance and application value, intend to suggest an experimental research project, with anammox micro-organisms as microbial inoculums in the laboratory reactor, to study the iron(Ⅲ)-reducing ammonium oxidation process in-depth, aimed to further clarify the reaction mechanisms, to recognize the relevant microbial populations mediated the reactions, as well as their characteristics; to explore the main factors affecting the reactions, to seek the effective methods and measures to control the material transformation pathway in the reaction process, and provide experimental evidence of the newly biological reactions of nitrogen in the natural environment, and to provide the technological principle to support for the development of new economical and high efficient biological nitrogen removal processes based on iron(Ⅲ) reducing ammonium oxidation.

厌氧氨氧化在自然界氮素循环中扮演着重要的角色,基于厌氧氨氧化原理开发的生物脱氮技术具有低能耗，高效能的特征。近年来发现厌氧氨氧化微生物能够利用多种电子受体进行代谢活动。在湿地中发现微生物能够利用三价铁还原氨氧化的代谢活动，同时出现总氮损失的现象，但相关机理及功能微生物尚未明确。若三价铁还原氨氧化反应得到实现，氮素最终以氮气的形式去除，将使氨的生物转化去除过程完全不需要外加能源,形成绿色无污染治理技术。本项目围绕这一具有重要科学意义和应用价值的课题，拟以厌氧氨氧化微生物作为接种物，在实验室反应器中进行三价铁还原氨氧化过程的深入研究，进一步明确三价铁还原氨氧化过程的反应机制，了解作用微生物的种群及其特征；探明影响反应的主要因素，寻求有效控制反应过程中物质转化途径的条件和调控手段；为解释自然环境中氮转化的新途径提供生物反应实验依据，为开发新型的经济高效生物脱氮工艺提供技术原理支持。

厌氧氨氧化在自然界氮素循环中扮演着重要的角色,基于厌氧氨氧化原理开发的生物脱氮技术具有低能耗，高效能的特征。近年来发现厌氧氨氧化微生物能够利用多种电子受体进行代谢活动。在湿地中发现微生物能够利用三价铁还原氨氧化的代谢活动，同时出现总氮损失的现象，但相关机理及功能微生物尚未明确。若三价铁还原氨氧化反应得到实现，氮素最终以氮气的形式去除，将使氨的生物转化去除过程完全不需要外加能源，形成绿色无污染治理技术。本项目围绕这一具有重要科学意义和应用价值的课题，主要以厌氧氨氧化微生物作为接种物，在实验室反应器中进行三价铁还原氨氧化过程的深入研究。研究结果表明三价铁还原氨氧化过程是一个生物主导的生化过程，存在于厌氧氨氧化污泥和市政污水厂普通的活性污泥中。基于分子生物学的微生物研究表明经过三价铁还原氨氧化驯化后的污泥中仍然存在厌氧氨氧化菌（Candidatus brocade、Candidatus Scalindua）和一些铁氧化菌（Ignavibacteriale spp.、 Proteobacteria spp.）。三价铁还原氨氧化过程中三价铁转化为二价铁，氨氮首先被转化为亚硝酸盐，然后再被转化为硝酸盐。在厌氧氨氧化菌的存在下，生成的亚硝酸盐会与氨氮立即产生厌氧氨氧化反应。三价铁还原氨氧化过程的最适pH和温度分别为6.5和30~35℃。但是此环境下营养液中的铁离子不能随出水流出反应器，大量铁离子滞留，导致污泥发生矿化，反应器不能持续运行。通过反应器外添氧氧化和体内添加硝酸盐氧化二价铁为三价铁，实现适量铁离子的循环利用，实现三价铁还原氨氧化过程微生物的富集和反应器的持续运行。同时在以铁为催化剂的条件下，实现废水中氨氮和硝酸盐的转化，通过同位素示踪表明该过程主要由三价铁还原氨氧化过程、铁自养反硝化过程和厌氧氨氧化过程耦合而成。该研究结果为含有氨氮和硝酸盐废水的处理提供了一条新型的废水脱氮方法。