关于铁循环对内循环生物膜反应器（ICBR）中硝化-反硝化过程、磷去除以及四环素去除效果的新视角

《Journal of Water Process Engineering》：New perspective on effect of iron cycle on nitrification-denitrification, phosphorus and tetracycline removal in internal circulation biofilm reactor (ICBR)

铁离子介导的生物膜反应器对氮磷及抗生素去除的协同机制研究，通过Fe2?与碳源的协同作用提升污染物去除效率至86.31%-88.23%，揭示EPS合成、硝化反硝化基因表达及微生物群落（如Plasticicumulans）的协同调控机制。

　　

梁东辉|姜金金|黄彦涵|陈俊源|郑汉标|胡永有

中 Kai 农业 工程 大学 城乡 建设 学院，中国 广州 海珠 区 中 Kai 路，510225

摘要

本研究构建了一种内部循环生物膜反应器（ICBR），以活性炭棒作为生物载体，并结合了 Fe²⁺ 介导的微生物协同作用，从而提高了污染物的生物去除效率。在适当的条件下，ICBR 对 NH₄⁺-N、TN、TC、TP 和 TOC 的最佳去除效率分别为 86.92%、86.88%、84.70%、88.23% 和 86.31%。Fe-ICBR 组和 N-ICBR 组之间观察到的生物膜特征差异表明存在协同机制：Fe²⁺ 的添加与碳源的丰富共同促进了生物膜 EPS 的合成、硝酸盐还原酶的活性以及氮去除基因（如 narG、nirS、nosZ）的转录上调。同时，Fe²⁺ 的添加为生物膜提供了选择性的环境，丰富了具有氮去除功能的细菌属，如 Plasticicumulans、Rhizorhapis、Thauera 等。KEGG 数据库分析显示，适当添加 Fe²⁺ 和提高 C/N 比值可以促进与反硝化相关的基因表达。

引言

水产养殖废水的无控制排放导致氮（N）和磷（P）浓度升高，已成为水生生态系统普遍富营养化的关键环境问题 [1]。活性污泥工艺被广泛用于污水处理厂中处理氮和磷，相比物理化学方法具有成本效益高和可持续性的优势 [2]。尽管活性污泥工艺能确保稳定的污染物去除效果，但水产养殖废水中较低的化学需氧量（COD）显著影响了氮和磷的去除效果。

移动床生物膜反应器（MBBR）通过利用动态生物膜载体实现了高效的污染物协同去除。因此，MBBR 被公认为传统活性污泥系统的优秀替代方案 [3]。MBBR 可以同步去除水产养殖废水中的抗生素/营养物质或抗生素 [4]。实验证据表明，抗生素的浓度对其抑制营养物质去除过程具有依赖性 [5]。低浓度抗生素（20–2000 μg/L）对氮-磷去除的影响微乎其微，而超过 2 mg/L 的浓度则会显著阻碍反硝化和反硝化磷的去除 [6]。水产养殖废水中的四环素（TC）残留物可能通过选择性细胞毒性损害生物膜完整性，从而降低污染物去除效率 [7]。相比之下，MBBR 系统可以通过微生物间的协同作用同时促进四环素的生物降解和营养物质去除 [8]。

近年来，大量研究关注通过金属离子补充来优化废水生物处理，特别是增强微生物代谢途径 [9]。值得注意的是，亚铁（Fe²⁺）因其作为微生物代谢必需的微量营养素和良好的生物相容性而成为生物废水处理系统中的优选添加剂 [10]。与其它金属离子相比，Fe²⁺ 不仅成本低廉，还具有双重功能：既是微生物反硝化过程的经济电子供体，又是调控氮转化途径的酶促反应的关键辅因子 [11]。在厌氧区，微生物驱动的 Fe(III) 还原与有机物氧化反应生成可利用的 Fe(II)，随后在好氧区发生氧化 [12]。MBBR 系统中的这种氧化还原循环配置基于 Fe 的氧化还原作用增强了氮和 COD 的去除 [13]。Fe(III) 氧化物通过吸附-共沉淀协同作用增强了磷的去除，并促进反硝化与 Feammox 结合去除氮 [14]。Fe(II)/Fe(III) 循环产生的活性氧（ROS）可同步降解难降解有机物，形成铁介导的多污染物净化协同系统 [15]。在以往的研究中，往往忽视了微量 Fe(II) 在 MBBR 中对 TC、NH₄⁺-N、TN 和 TP 去除中的作用。因此，有必要进一步研究 Fe(II) 及其在 ICBR 系统中的氧化还原循环如何在低 C/N 比值下实现氮、磷和 TC 的同步去除，同时提高营养物质和铁的去除效率。

因此，本研究的主要目标在于：(i) 明确关键操作参数（HRT、C/N 比值和 Fe²⁺ 浓度）与 ICBR（Fe-ICBR 和 N-ICBR）中污染物去除性能之间的剂量-响应关系；(ii) 通过动力学建模分析确定并表征 ICBR（Fe-ICBR 和 N-ICBR）中的污染物去除限制步骤；(iii) 全面分析生物膜中的 EPS，揭示 Fe²⁺ 和碳源如何促进 IC-BR 系统中的氮/磷去除和 TC 降解；(iv) 通过 16S rRNA 测序、功能基因定量和酶活性分析，揭示 Fe²⁺ 驱动的增强氮/磷去除和 TC 降解机制。

实验材料

本研究基于之前的内部循环生物膜反应器（IC-BR）[16] 进行。实验室规模的 IC-BR 系统（工作体积：1.5 L）包括进出水池、蠕动泵/空气泵和柱状活性炭生物载体（填充比：40%；密度：450 kg/m³，粒径：4.0 mm，比表面积：1000 m²/m³），并具备实时 DO/pH 监测功能。设置了两个平行运行的 ICBR 反应器：一个添加了 Fe(II) 的实验组（Fe(II)-ICBR）

ICBR 对氮（N）、磷（P）、TC 和 TOC 的去除效率

ICBR 系统的操作参数包括 C/N 比值、HRT 和进水中 Fe²⁺ 浓度。如图 1 所示，第 1 期、第 2 期和第 3 期的 C/N 比值分别为 3.0、2.0 和 1.0。Fe(II)-ICBR 系统在三个运行阶段均保持了良好的反硝化能力，NH₄⁺-N 的平均去除效率依次从 86.92% 降至 76.55% 和 62.33%，相应的 TN 去除率分别为 85.48%、75.25% 和 60.81%

结论

Fe²⁺ 和碳资源都有助于促进 IRBR 中 TN 和 TP 的去除以及 TC 的降解，ICBR 的最佳 NH₄⁺-N、TN、TC、TP 和 TOC 去除效率分别为 86.92%、86.88%、84.70%、88.23% 和 86.31%。污染物去除符合一级动力学模型，Fe²⁺ 的添加与碳源的丰富共同促进了 EPS 的分泌、硝酸盐还原酶的活性以及氮去除基因的转录上调。

CRediT 作者贡献声明

梁东辉：撰写 – 原稿撰写、可视化、验证、方法学设计、数据整理、概念构思。姜金金：撰写 – 审稿与编辑、监督、软件使用、项目管理、资金筹集、概念构思。黄彦涵：方法学设计、数据分析。陈俊源：验证、方法学研究。郑汉标：验证、监督、软件使用、数据整理。胡永有：撰写 – 审稿与编辑、原稿撰写、资金筹集。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了 国家自然科学基金（项目编号：21976060）、广州鹏凯环境科技有限公司、广东省岭南乡镇绿色建筑产业化工程技术研究中心（项目编号：2023GLTG005）、广州市科学技术局 2025 年基础与应用基础研究项目（项目编号：B32521310）、广东省普通高校青年创新人才项目（项目编号：2024KQNCX015）以及 中 Kai 农业 的支持。