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水资源中的氮(N)污染已成为地区及全球范围内一个重要的环境污染问题,其中氨氮是造成水体富营养化污染的主要物质,严重危害到人类和饮用水源的健康。2015年全国废水中的氨氮排放量已超过229.90万吨,传统的废水处理技术难以进一步提高氨氮的去除效率,且能耗较高。厌氧铁氨氧化(ammonium oxidation coupling with iron reduction,Feammox)是近年来新发现的一种在厌氧条件下,由厌氧铁氨氧化菌驱动,以三价铁为电子受体,氧化氨氮的生物化学产能途径,它可以用于去除水体中的氨氮。大量研究证实,厌氧铁氨氧化在氮损失途径中发挥着重要作用,但目前存在氨氧化效率不高的现象。固定化微生物可保持较高的细胞密度,抵御外部不利条件(如pH、有毒有害环境等),与游离细菌相比,对多变的环境具备较强适应性。因此,研究厌氧铁氨氧化细菌的固定化,强化厌氧铁氨氧化过程的快速启动和提高NH4+去除效率,对将其应用于废水脱氮工艺具有十分重要的意义。本研究采用“氢氧化钠共沉淀-溶胶-凝胶”法制得磁性壳聚糖凝胶球(magnetic chitosan hydrogel beads,MCHBs),并以MCHBs为载体将厌氧铁氨氧化细菌吸附固定制得磁性微生物凝胶球(magnetic chitosan hydrogel beads to immobilize Feammox bacteria,MCHBs-FB)。利用正交和单因素试验探究制备MCHBs-FB的最佳配比及固定化条件的优化,并对凝胶球进行表征分析。此外,考察了MCHBs-FB对废水NH4+-N去除的特性,并对基于MCHBs-FB建立连续流生物反应器进行了研究。研究表明:(1)在前期实验的研究基础上,采取L9(34)正交实验确定了MCHBs-FB制备的最佳配比:壳聚糖浓度为3.0%、醋酸浓度为0.5%、Fe3O4浓度为0.11 mol·L-1、NaOH浓度为1.0 mol·L-1。在此最佳配比下,通过单因素试验对MCHBs-FB性能进行优化,进一步得出最佳固定化条件:壳聚糖的脱乙酰度(D.D)大于85%、粒径为12 mm以及固定化时间为48 h。(2)比表面积分析可知自制MCHBs的BET比表面积为(28.82±0.47)m2·g-1;X射线衍射(XRD)分析表明MCHBs为铁磁性(Fe3O4)、结晶度高且属于立方晶系结构;振动样品磁强(VSM)测试可知其剩磁和矫顽力极小(几乎为0),具有超顺磁性且饱和磁化强度达29.46 emu·g-1;热重分析(TGA)表明MCHBs中含有36%的Fe3O4成分;扫描电镜图(SEM)可看出厌氧铁氨氧化细菌被大量地吸附固定在MCHBs表面。(3)MCHBs-FB对废水NH4+-N去除特性的实验结果表明,MCHBs-FB对NH4+-N处理效果优于游离厌氧铁氨氧化细菌,具有更高的氨氧化和铁还原速率,平均增幅42.96%和20.75%;进一步研究发现,初始NH4+-N浓度60.00 mg·L-1、温度25℃和pH4.50时,MCHBs-FB氧化NH4+-N效果较好,其NH4+-N去除率达53.62%;此外,固定后的厌氧铁氨氧化细菌增强了其抑制耐受性、热稳定性和保留了较宽pH范围。(4)厌氧条件下,基于MCHBs-FB建立的连续流生物反应器经过64 d的运行,出现Fe(Ⅲ)还原和NH4+-N氧化现象,出水NH4+-N去除率稳定在40.71%,NO3--N最大生成量达24.96 mg·L-1;反应器系统内NH4+-N转化的主要产物为NO3--N,并伴随着少量的NO2--N与N2生成,同时Fe(Ⅲ)被还原成Fe(Ⅱ);此外,出水NH4+-N浓度与NO3--N浓度、Fe(Ⅱ)浓度均呈显著负相关(P<0.01),与Fe(Ⅲ)浓度呈显著正相关(P<0.01),进一步说明Fe(Ⅲ)的存在与厌氧铁氨氧化反应的发生密切相关。