零价铁强化酸性废水中微生物亚硒酸盐去除的长期效能与机制研究

《Bioresource Technology Reports》：Impact of ZVI on microbial selenite removal from long-term low pH conditions: Process performance and stability

本研究针对酸性缺碳含硒矿山废水中微生物活性受抑、亚硒酸盐去除率低的问题，系统探究了零价铁(ZVI)在长期酸性进水(pH 4)条件下对微生物亚硒酸盐去除的强化作用。通过473天的厌氧序批式反应器实验，发现ZVI将去除效率从对照组的86.0-96.1%提升至95.9-97.8%，一级动力学速率常数提高0.95-6.32倍，并促进亚硒酸盐还原为元素硒并进一步转化为硒化物。酶活性和微生物群落分析表明，ZVI通过提升亚硫酸盐还原酶(SiR)、谷胱甘肽还原酶(GR)、延胡索酸还原酶(FccA)和亚硝酸盐还原酶(NIR)活性，以及富集SBR1031和Rhodocyclaceae等菌属，增强了电子传递效率。研究为ZVI辅助生物系统处理酸性亚硒酸盐废水提供了理论支持。

　　

在煤炭开采、金属冶炼等工业生产过程中，会产生大量含硒废水，其中亚硒酸盐(SeO₃^2-)因其高毒性而备受关注。将可溶性的亚硒酸盐还原为低毒性的元素硒(Se⁰)被视为一种有效的废水处理策略。然而，矿山废水通常具有酸性强、有机碳缺乏的特点，这些条件严重抑制了微生物的活性，降低了亚硒酸盐的去除效率，也影响了种间电子传递的效果。

为了解决这一难题，研究人员将目光投向了零价铁(ZVI)。这种材料具有低毒性、成本低廉和多种生物功能等优点，虽然其化学还原和吸附亚硒酸盐的能力已被广泛研究，但ZVI在长期酸性条件下对微生物降解有机物和元素生物转化的影响尚不明确。

发表在《Bioresource Technology Reports》上的这项研究，通过建立厌氧序批式反应器(ASBR)，在473天的实验期内，系统研究了ZVI对微生物去除亚硒酸盐的影响。研究团队设置了对照组(CK)和ZVI添加组，进水pH控制在4，并分三个阶段调整化学需氧量(COD)浓度（80、50和100 mg/L），以模拟不同碳源条件。

关键技术方法包括：使用厌氧序批式反应器进行长期（473天）实验，分三个阶段调控进水化学需氧量(COD)；通过动力学模型评估微生物亚硒酸盐去除速率；采用顺序提取法和X射线光电子能谱(XPS)分析固相硒形态；测定亚硫酸盐还原酶(SiR)、谷胱甘肽还原酶(GR)、延胡索酸还原酶(FccA)和亚硝酸盐还原酶(NIR)活性；利用16S rRNA基因高通量测序分析微生物群落结构；通过X射线衍射(XRD)表征矿物组成。

3.1. 出水亚硒酸盐浓度的变化

研究发现，ZVI显著提高了各阶段的亚硒酸盐去除效率。在中等碳浓度阶段（I阶段），ZVI组去除率达到97.8±0.6%，显著高于对照组的96.1±0.7%。在低碳浓度阶段（II阶段），ZVI的优势更为明显，去除率保持在95.9±0.7%，而对照组降至84.9±0.6%。这些结果表明ZVI在不同碳源条件下均能增强微生物对亚硒酸盐的去除能力。

3.2. 亚硒酸盐转化的变化

动力学分析显示，ZVI组的一级动力学速率常数(k)在各个阶段均高于对照组，特别是在II阶段，ZVI组的k值是对照组的6.32倍。此外，ZVI还促进了亚硒酸盐向元素硒的转化，并进一步推动元素硒向硒化物(Se^2-)的转变，这在对照组中未被检测到。固相硒形态分析证实，ZVI组中铁锰结合态硒和元素硒的比例更高。

3.3. 出水pH的变化

尽管ZVI在一定程度上缓解了系统酸化，将出水pH维持在相对较高的水平，但长期酸性进水条件下，仅靠ZVI仍不足以稳定系统pH值。在实验后期，需要额外添加碳酸氢钠进行pH调节，说明在实际应用中可能需要结合外部缓冲措施。

3.4. 亚硒酸盐还原酶活性的变化

酶活性测定结果显示，ZVI显著提升了四种关键还原酶的活性。在ZVI组中，SiR、GR、FccA和NIR的活性分别比对照组提高了0.71-1.56、0.57-1.71、1.08-1.31和4.20-4.80倍。这种增强效应可能与ZVI腐蚀释放的Fe²⁺有关，因为这些酶大多含有铁硫簇。

3.5. ZVI在微生物亚硒酸盐去除过程中的变化

实验过程中，ZVI组的溶解态和吸附态铁浓度均逐渐增加，表明ZVI发生了腐蚀。XPS分析显示，ZVI组中铁主要以Fe³⁺形式存在（占65.5%），而对照组以Fe²⁺为主。XRD分析还检测到了vivianite(Fe₃(PO₄)₂·8H₂O)的形成，证实了ZVI的转化和矿物形成。

3.6. 微生物群落的变化

微生物群落分析表明，ZVI影响了群落的丰富度和多样性。在科水平上，ZVI组中Anaerolineaceae、Rhodocyclaceae和未分类SBR1031的相对丰度较高。Rhodocyclaceae与铁还原相关，可能通过Fe²⁺/Fe³⁺循环促进电子传递；而SBR1031则可能通过硫酸盐还原途径参与亚硒酸盐的还原。

研究结论表明，ZVI通过多种机制协同增强了微生物在酸性条件下对亚硒酸盐的去除能力：一方面通过腐蚀产物促进化学还原，另一方面通过提升关键酶活性和调控微生物群落结构来增强生物还原过程。特别值得注意的是，ZVI不仅促进了亚硒酸盐向元素硒的转化，还推动了元素硒向硒化物的进一步转化，这为含硒废水的深度处理提供了新思路。

然而，研究也指出，在长期酸性进水条件下，单靠ZVI难以完全维持系统pH稳定，需要外部缓冲措施的辅助。此外，碳源浓度对酶活性和亚硒酸盐去除效果有显著影响，在实际应用中需要优化碳源投加策略。

这项研究的重要意义在于，它系统阐明了ZVI在强化酸性条件下微生物亚硒酸盐去除过程中的多重作用机制，为开发高效、稳定的含硒废水生物处理技术提供了理论依据和实践指导。通过ZVI的添加，不仅提高了处理效率，还拓展了酸性条件下生物处理技术的应用范围，对解决实际工程中的含硒废水处理难题具有重要参考价值。