温度对厌氧氨氧化（anammox）工艺处理高盐度废水性能的影响以及Fe3+的缓解作用

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Effect of temperature on the performance of anammox process for treating high-salinity wastewater and the mitigating effect of Fe3?+

低温抑制高盐条件下厌氧氨氧化过程，Fe3+补充可缓解氧化应激并提升氮去除率。

　　
本研究聚焦于低温与高盐协同作用对厌氧氨氧化（Anammox）工艺的影响机制及调控策略。针对当前Anammox技术多在30-40℃中性盐度条件下运行的现实局限，团队构建了20g·L?1高盐度梯度降温实验体系，通过系统监测微生物群落结构、酶活性及氧化应激反应，揭示了低温-高盐复合胁迫对AnAOB（厌氧氨氧化菌）的损伤机制，并证实铁盐补充可有效恢复系统性能。

研究首先建立了稳定的实验室UASB反应器体系，接种来自持续运行6个月、盐度20g·L?1/30℃的稳定污泥。实验设计采用阶梯式降温策略，在维持高盐度（20g·L?1）条件下，将运行温度从优化条件30℃逐步降至15℃，同步监测系统脱氮性能、污泥理化特性及微生物群落动态。关键发现显示：当温度降至25℃时，系统NH4?和NO2?去除率分别骤降至72.2%和57.3%，NRR（氮去除速率）由基准值的2.04kg·(m3·d)?1下降至1.24kg·(m3·d)?1。这种性能衰退与AnAOB群体内活性氧（ROS）浓度呈显著正相关（r=0.83），其中超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化氢酶（CAT）活性下降幅度达47%-52%。

深入机制研究表明，低温环境（<25℃）导致AnAOB代谢效率降低23%-35%，其细胞膜流动性下降28%（通过荧光标记追踪），致使质子跨膜运输受阻，直接影响电子传递链（ETC）中细胞色素c的氧化还原电位。这种能量代谢障碍与ROS积累形成恶性循环：系统内ROS浓度从30℃的68.3nmol·g?1·min?1激增至15℃的142.6nmol·g?1·min?1，导致膜磷脂过氧化产物MDA含量增加1.8倍，同时NADH氧化酶活性下降39%。值得注意的是，高盐环境（20g·L?1）使微生物渗透压调节能力下降，与低温协同作用时，细胞质铁离子载体蛋白（如Ferric Specific Transporter, FST）的运输效率降低62%，直接造成铁依赖性酶系统的功能抑制。

为突破该瓶颈，研究团队创新性地采用Fe3?补充策略（10mg·L?1）。实验数据显示，添加Fe3?后系统NRR在12小时内从0.92kg·(m3·d)?1回升至1.64kg·(m3·d)?1，增幅达79%。其作用机制体现在三个方面：首先，Fe3?通过螯合作用将ROS氧化为H2O2（氧化还原电位差提升0.15V），使SOD和CAT活性分别恢复至基线水平的93%和87%；其次，Fe3?诱导的Candidatus Kuenenia富集（丰度从5.2%增至18.7%）显著增强了反硝化氢合酶（NIR）、氢化酶（HZS）等关键酶的活性，其中NIR酶活性提升2.3倍；最后，铁离子通过修复细胞色素c的氧化还原态（FAD/FADH2比值由0.38恢复至0.67），使电子传递链效率提高41%，有效缓解低温导致的能量代谢障碍。

该研究在工程应用层面提出两项突破性策略：其一，建立"温度-盐度-铁离子"三元调控模型，通过实时监测Fe3?的氧化还原状态（采用DTPA法测定可溶性铁含量），动态调整补充剂量，使系统在15℃/20g·L?1条件下的持续运行时间延长至87天（常规工艺仅28天）；其二，开发基于Fe3?的协同强化技术，通过控制Fe3?的投加时机（降温前72小时启动补充），可同步提升AnAOB的产甲烷能力（提升15%）和抗逆基因表达水平（qPCR检测显示铁转运基因ftrA表达量增加2.1倍）。

在微生物生态调控方面，研究发现Fe3?补充诱导了AnAOB群落的适应性进化：16S rRNA测序显示，具有铁离子转运功能的古菌类群（如Candidatus Kuenenia）丰度从5.2%提升至18.7%，同时与铁还原菌（FeRB）形成共生网络，其间的Fe2?/Fe3?循环系统使体系总铁含量稳定在0.15-0.18mg·L?1，既避免了铁过载导致的毒性效应，又为AnAOB提供了持续稳定的铁源供给。

该研究成果为寒区高盐废水处理提供了新的技术范式。实验数据表明，在15℃运行条件下，系统对200mg·L?1 NH4?和250mg·L?1 NO2?的同步去除率可达89.3%和91.6%，NRR稳定在1.5-1.7kg·(m3·d)?1，满足GB 18918-2002 IV类水质标准。工程验证显示，添加0.1%体积比的FeCl3溶液后，寒区污水处理厂的脱氮效率提升42%，污泥龄延长至18天（常规工艺12天），单槽处理能力提高30%。

在环境工程理论层面，研究揭示了低温-高盐协同抑制的三级作用机制：初级胁迫（低温）导致细胞膜流动性下降和能量代谢受阻；次级效应（高盐）加剧离子稳态失衡和铁元素吸收障碍；最终形成氧化应激-铁代谢缺陷-酶活性抑制的恶性循环。通过构建"物理缓释+生物转化"的铁补充体系，不仅解决了Fe3?易氧化失效的技术难题，更发现了铁载体（如EDTA）与AnAOB的特异性结合机制，为后续开发智能型铁补充剂奠定了理论基础。

该研究的应用价值体现在三个方面：首先，建立的高盐低温工况下的工艺调控参数包（包括温度阈值16.5±0.3℃、临界盐度18±2g·L?1、铁补充最佳浓度10±1mg·L?1），使Anammox系统在北方寒区（冬季平均水温12-15℃）的应用成为可能；其次，开发的原位监测技术（基于荧光染料DAPI标记的膜电位成像）可实时评估AnAOB的活性状态，预警系统性能衰退；最后，提出的"铁-微生物"协同强化技术已申请国家发明专利（专利号ZL2022XXXXXX.X），并成功应用于大连某化工厂的工业废水处理，使吨水处理能耗降低28%，污泥产量减少40%。

未来研究方向建议从三方面深化：1）构建低温高盐环境下AnAOB的全基因组-转录组联合分析平台，解析关键代谢通路（如AMO酶-AS酶耦合系统）的适应性进化机制；2）研发基于纳米铁颗粒的缓释载体，解决现有铁盐补充工艺的"浓度过山车"现象（实验数据显示传统投加方式导致系统内游离铁浓度波动达±35mg·L?1）；3）探索光催化铁还原能力在低温环境中的应用潜力，通过光-铁协同作用增强微生物系统的氧化还原弹性。

该成果已入选2023年国际水协会（IWA）技术创新奖候选项目，相关技术标准（T/CSTE 045-2023）正在制定中。实验数据表明，在维持系统内Fe3?/Fe2?氧化还原电位差（ΔEh）在+0.15V至+0.22V范围内的条件下，Anammox系统在15℃、20g·L?1的严苛工况下仍可稳定运行超过90天，氮去除效率波动范围控制在±5%以内，为工业废水处理工艺的耐候性提升提供了新思路。