为降低氮污染对环境的影响，实现水资源的可持续利用，脱氮工艺的创新显得尤为重要。传统生物脱氮工艺有间歇式（SBR）脱氮工艺、厌氧-缺氧好氧（A2/O）脱氮工艺以及曝气生物滤池（BAF）脱氮工艺等，在现代科学技术的不断突破下，新型脱氮工艺也逐渐发展，如同步硝化反硝化（SND）、短程硝化反硝化（SHARON）、厌氧氨氧化（Anammox）等脱氮工艺。铁氨氧化（Feammox）脱氮工艺是近年来新兴的生物脱氮工艺，核心是利用氨氮与铁离子之间的氧化反应处理废水。

Feammox脱氮工艺在Anammox基础上，将氨氮作为电子供体，Fe（Ⅲ）作为电子受体，强化氨氧化作用并能直接产生N2。刘文如等指出废铁屑耦合Anammox系统强化了氨氧化菌的脱氮效率，也可能同时强化了该体系中的其他生物脱氮过程，如Feammox等。Feammox脱氮工艺具有多种优势，包括厌氧能耗低、污泥产量低、无需添加有机碳源、重金属耐受性高、对污染物去除效率高、不需要额外曝气等。在氨氧化产物上，硝化与反硝化反应易生成大量N2O，而N2O是温室气体之一；利用Feammox反应脱氮，氨氧化产物主要为N2，基本不会对人体与环境造成损害。Feammox脱氮工艺可在一定程度上减少废弃物的排放，提高脱氮过程的经济性和可持续性。

Feammox本质上是微生物在铁还原过程中催化氨氧化的生物反应过程，可以有效减少氨氮，促进地球生态环境系统中的氮素循环，减小对水体的负面影响。

1、Feammox脱氮概况

1.1 Feammox

脱氮过程Feammox脱氮发生在厌氧条件下，由某些氨氧化微生物耦合Fe（Ⅲ）还原进行生物化学反应，其核心在于微生物利用NH4+作为电子供体，将Fe（Ⅲ）还原成Fe（Ⅱ），并在此过程中产生NO2-、NO3-和N2。该过程不仅有助于铁元素的回收，还有助于环境中氮素的循环。Feammox的内在反应机制包括微生物对Feammox过程的直接接触驱动、微生物与Fe（Ⅲ）之间进行电子传递促进铁还原的过程以及微生物利用O2进行好氧氧化的过程等。在Feammox脱氮过程中，以Fe（OH）3为电子受体时化学反应方程及其吉布斯自由能见式（1）~式（3）。

从热力学角度分析，铁源类型对反应发生的难易程度影响较大。以Fe2O3作为电子受体时化学反应方程见式（4）。

对比Anammox和Feammox两种脱氮过程，Anammox必须优先发生前体反应，经前体反应获得大量NO2-作为电子受体，再与NH4+发生氧化还原反应，实现脱氮目的；而Feammox无需前体反应，Fe（Ⅲ）可直接与NH4+发生反应。因此，Feammox相较于Anammox不仅能高效脱氮，而且在能耗及运行成本上也更具优势。

1.2 铁氨氧化菌

微生物对Feammox过程的发生具有重要推动作用。铁氨氧化菌作为一种光能自养厌氧菌，与自然生境中Feammox反应的脱氮效率正相关，且具有特殊的代谢方式。根据现有研究，参与Feammox反应的功能微生物主要有A6菌（Acidimicrobiaceaesp.）、铁还原菌（FeRB）以及一些有潜在作用的菌种。

在厌氧条件下，Acidimicrobiaceaesp.A6是目前发现的唯一一株可以驱动Feammox脱氮反应的菌株。ShanHUANG等最早在2015年发现了该菌种的存在，2018年成功分离出Acidimicrobiaceaesp.A6菌株，并指出该菌种在厌氧条件下能以铁作为电子受体将氨氧化为亚硝酸盐，满足Feammox反应发生的条件，且该菌种在生物反应过程中发挥了关键作用。A6菌属于酸微菌纲（Acidimicrobiia），何媛秋等指出，部分种属嗜酸、中度嗜热的酸微菌具有Fe2+氧化和Fe3+还原作用，A6菌作为酸微菌新属种，可在废水处理中发生Feammox反应而高效脱氮。然而，A6菌因具有特殊生理特性而较难分离纯化，且在分离纯化后存活时间相较在Feammox系统中大大缩减，目前现有的分离纯化技术还不够成熟，有待深入研究。

铁还原菌（FeRB）是能以Fe（Ⅲ）作为电子受体进行代谢活动的微生物功能菌群的统称。在Feam-mox反应和Fe（Ⅲ）还原反应中起主导作用的功能微生物主要有地杆菌（Geobacteraceaespp.）、希瓦氏菌（Shewanellaspp.）和假单胞菌（Pseudomonas）。FeRB在胞内将有机物氧化并产生游离电子，在呼吸过程将胞外Fe（Ⅲ）作为末端电子受体，同时从外界汲取供给自身微生物生长的能量。程宽等认为在Feammox过程中异化铁还原菌（DIRB）丰度随反应速率同步变化的现象印证了DIRB参与反应过程的假说，但其在Feammox反应中的具体参与机制有待进一步研究。LongjunDING等得出稻田土壤中Feammox驱动的铁还原过程主要依靠DIRB的异养活动驱动。此外，李豪等发现在Feammox反应过程中，部分铁还原菌属如肠杆菌属（Enterobacter）、脱硫弧菌属（Desulfovibrio）可在厌氧条件下作为Feam-mox反应的优势菌种富集。

在不同生境中发挥主导作用的功能微生物也有部分差异，S.SAWAYAMA通过16SrRNA基因克隆技术分析了参与Feammox反应的微生物，反应器在35℃下厌氧运行42d后检测到唯一铁还原微生物Exiguobacteriumspp.，其被认为是在Feammox过程中起主导作用的功能微生物。

综上，Feammox功能微生物进化树见图1。通过系统进化发育分析可以得出，Acidimicrobiaceaesp.A6单独形成一个分支，与Betaproteobacteria和Actino-mycetota相聚在同一大分支上，表明其与两者的亲缘关系较近。Desulfovibrio与Megalodesulfovibriogigas相聚在一个分支，二者属于Desulfovibrionaceae科下不同属。Shewanella属的不同物种均相聚在同一大分支，与Gammaproteobacteria纲下Pseudomonas目形成同一大分支。Geobacteraceae属于Desulfuromonadia纲，与Gammaproteobacteria纲下Thiohalobacterales科相聚在同一分支。Enterobacter与同科Enterobac-teriaceae下的Escherichia属相聚在一起。Exiguobac-terium属于Bacillaceae科，其同属的不同物种形成一个单独分支，与同Bacillaceae科的不同属Metabacillus相聚，表明两者关系较接近。

2、Feammox反应驱动机制

直接接触驱动Feammox脱氮是指通过直接作用于Fe（Ⅲ），在反应体系中加快电子传递而高效脱氮的方式；介质介导的间接接触驱动Feammox脱氮则是指通过向反应器中投加少量新物质或利用反应过程中新生成的物质驱动反应发生并持续优化、运行的方式。

2.1 直接接触驱动Feammox脱氮

2.1.1 微生物接触驱动

微生物的胞外呼吸是一种新型微生物厌氧能量代谢方式，主要包括铁呼吸、腐殖质呼吸与产电呼吸。其中，铁呼吸在Anammox脱氮系统中普遍存在，其本质是呼吸链上的电子传递过程，直接接触是Fe（Ⅲ）氧化物与FeRB发生电子传递的前提。不同胞外呼吸微生物与Fe（Ⅲ）直接接触进行电子传递的方式存在较大差异。吴云当等研究了胞外呼吸模式菌——地杆菌（Geobacter）和希瓦氏菌（She-wanella）的纳米导线结构差异，发现二者的电子传递机制有显著不同，前者生长出的纳米导线具有强导电性，同时可一定程度延长电子传递距离；后者的纳米导线不具备导电性，是通过细胞外膜与周质向外延伸的形式进行电子传递。在Feammox过程中，通过胞外呼吸的驱动作用，体系中相关微生物将胞内氨氮氧化产生的电子传递至与细胞直接接触的Fe（Ⅲ），推动反应的进行。吴莉娜等在探索环境因素对Feammox反应速率及脱氮效果的影响时发现，Fe（Ⅲ）能作为Feammox反应的电子受体，通过氧化氨氮实现废水脱氮。Fe（Ⅲ）还原对缺氧条件下的水解酸化也有一定促进作用，故可以利用Feammox反应处理有机废水。同时，也有研究表明FeRB能够决定Feammox反应是否高效，而丰富的Fe（Ⅲ）对参与反应的微生物的生长有明显增强作用。

2.1.2 电子穿梭体驱动

电子穿梭体是一类可通过自身氧化还原作用介导电子转移的化学物质的统称，具有一定氧化还原活性的有机物均可称为电子穿梭体。Feammox反应体系内电子传递的发生机制一般遵循由电子供体先传递至微生物，再由游离的电子穿梭体传递至电子受体。M.RUIZ-URIGÜEN等通过在有A6菌生长的森林湿地土壤中安装电极来提高电子迁移速率，实现了加快Feammox反应速率的目的。JingxinZHANG等指出，Anammox耦合铁电极组合工艺可大大促进体系的脱氮效能。ShanHUANG等的研究表明，电子穿梭体通过自身的氧化还原过程产生电子传递，提高Fe（Ⅲ）还原速率，而Fe（Ⅲ）还原速率与Feammox反应速率显著正相关。YafeiYANG等在实验过程中加入电子穿梭体AQDS（anthra-quinone-2，6-disulphonate）以促进对氨氮的去除，Feammox体系脱氮效率提高了18.3%。为促进Feammox脱氮作用，一些外源性电子穿梭体如生物炭和醌类穿梭体也可通过远距离扩散加速Fe（Ⅲ）与微生物之间的电子传递，进而加快Fe（Ⅲ）和NH4+之间的电子转移。废水中的有机物也可充当电子穿梭体，通过氧化还原反应传递电子，驱动Feammox脱氮。

2.1.3 纳米铁驱动

纳米材料比表面积较大、生物安全性较高，是最有潜力的环境治理材料之一。纳米零价铁（nZVI）可以直接作为Fe（Ⅲ）还原和Feammox反应的电子供体。YafeiYANG等的研究表明，nZVI可加快Feammox体系中的反硝化速率，强化脱氮效果，同时显著提升该环境体系中微生物的多样性。有研究通过对比实验发现，反应体系中初始胞外聚合物（EPS）为（201.49±6.98）mg/g（单位VSS中EPS的质量），投加nZVI后EPS为（237.08±8.85）mg/g，较初始EPS增加17.9%。nZVI在作为电子供体直接驱动Feammox反应的同时，也对反应体系内微生物细胞产生一定保护作用，nZVI与细胞膜接触后通过金属蛋白酶跨膜运输并持续累积有毒物质，破坏细胞膜结构，表现为乳酸脱氢酶（LDH）的释放，还可激发微生物的自我保护机制，通过分泌更多EPS阻挡外界有毒物质，保护内环境中微生物细胞，使反应持续进行。由此可见，在反应器中添加nZVI可通过保护微生物细胞、增强微生物群落适应性以及提升菌种相对丰度的方式强化铁氨氧化菌，使Feammox体系高效脱氮。

2.2 介质介导间接接触驱动Feammox脱氮

2.2.1 生物炭介导驱动

随着废水处理技术的更新与发展，生物炭应用于提升Feammox脱氮效能的研究也逐渐深入，但实际应用还处于起步阶段。生物炭较高的芳香性可增加微生物与生物炭表面离域π电子系统相互作用的可能性。不同生物炭来源与材料使其物理化学性质有很大不同，富含表面官能团如羰基、羟基的生物炭具有较好的电化学活性，能够促进电子传递。生物炭的加入不仅可以缩短Anammox启动时间，还可有效增强反应器的脱氮效能与稳定性。付静薇等发现在氨氧化反应器中添加生物炭对反硝化有显著促进作用，基本同步实现了硝酸盐和剩余氨氮的去除，提高了反应器的脱氮效率。同时，生物炭因其高比表面积、高孔隙的特性被认为是理想的厌氧微环境，能有效强化微生物的繁殖，并为其生长所需的营养物质提供大量附着位点。生物炭还能在反应体系中吸附部分对微生物有毒害作用的游离氯、重金属与抗生素，并溶解一定比例的微量元素供给微生物的生长代谢。MengleiGUO等的研究表明，生物炭不仅能促进EPS分泌，还能促进蛋白质（PN）分泌，提高PN/PS（多糖）质量比，从而提高污泥稳定性，同时缓解COD对Anammox系统的胁迫作用。GaojunWANG等得出生物炭也可通过为微生物提供适宜的环境，促进微生物电子转移以增强厌氧系统稳定性的结论。如图2（d）所示，生物炭在促进EPS分泌的同时，通过富集FeRB菌促进电子传递，并提高对Fe（Ⅲ）的还原效率。综上，生物炭可以有效优化Feammox脱氮体系。

2.2.2 微生物利用O2介导驱动

在Anammox反应器中，推测微生物在还原Fe（Ⅲ）过程中同步产生了部分O2，继而进行NH4+的好氧氧化。程宽等认为若铁氨氧化菌在反应体系内能够实现O2的自循环，则需具备特殊细胞结构才可能实现NH4+的好氧氧化。关于反应器内微生物所利用O2的来源方面的研究目前处仍于探索阶段，没有明确定论。

各Feammox反应驱动方式略有不同，却各有其独特优势。微生物接触驱动方式利用微生物的胞外呼吸与能量代谢驱动Feammox反应，加快电子传递，同时反应体系中铁元素的存在对微生物菌群生长起到一定促进作用。电子穿梭体驱动方式通过其自身的氧化还原活性实现微生物之间电子的高效传递与转移，达到提高Feammox脱氮效率的目的；基于现有对电子穿梭体驱动Feammox脱氮的研究，可基本得出电子传递在该反应中扮演重要角色。nZVI驱动方式不仅提升了Feammox反应的脱氮效率，而且增加了反应体系中微生物的多样性。生物炭介导驱动可有效缩短Feammox反应启动时间，增强体系的脱氮效率和稳定性；生物炭还能吸附部分对微生物有毒性的物质，确保体系的正常运行。目前对于微生物利用O2介导驱动Feammox的内在反应机理尚不清晰，推测是微生物在还原Fe（Ⅲ）过程中产生了部分O2，使体系内部实现O2的自循环。

3、Feammox脱氮过程的影响因素

3.1 pH

pH是Feammox反应发生的重要条件之一，对氨氮的存在形态有显著影响，进而影响反应体系内细菌群落的形成。XinTAN等指出，pH与Feammox反应生成的最终产物高度相关，由细菌氧化铁矿物是自然生境中Fe（Ⅲ）的主要来源之一，pH变化可能导致Feammox反应过程中功能细菌氧化形成的铁矿物产生显著差异。ShanHUANG等通过跟踪反应体系中铁减少量发现，pH=4时最有利于Feammox反应的发生，铁还原量最大。Feammox反应更容易发生在偏酸性环境，王冰等证明pH与氨氮转化量呈负相关，在24h内pH从7.45降至6.55，NH4+-N由50mg/L降低至24.57mg/L，转化率为50.86%，可见Feammox反应为产酸过程。HongzhongDANG等通过改变pH观察ASBR反应器中氨氮的去除率，当设置进水pH为6.5时，氨氮去除率最高可达52.87%；然而当进水pH高于7.0时，氨氮去除率下降至36.27%。从热力学角度来看，碱性条件下Feam-mox过程也可能发生，但实际脱氮效率大幅下降。也有一些潜在的Feammox微生物仅在中性pH条件下具有较高的活性，如氨氧化古菌（Nitrososphaeraceae）和假单胞菌（Pseudomonas）等。综上，不同生境的酸碱性对Feammox反应及体系内功能微生物菌群有直接影响，pH普遍在4.0~7.0较为适宜。

3.2 温度

反应体系的温度对微生物生长至关重要，适宜的温度能使微生物保持活性。BangjingDING等证明温度会影响膜转运蛋白与O2的亲和力，从而影响微生物所处环境的溶解氧。王冰等证实在30℃时反应器的脱氮性能最好，Feammox适宜在偏低温条件下脱氮。陈方敏等设置不同实验温度并观察其对Feammox反应的影响，得出该反应的最适温度约为30℃。此外，反硝化速率变化趋势与温度有紧密联系，温度在15~35℃之间时，反硝化速率随温度的升高逐渐增加。

3.3 氧化还原电位（ORP）

ORP直接影响Feammox反应过程中微生物的活性。JiaxuanZHU等指出ORP与pH之间联系紧密，较高的pH可能显著降低ORP，导致微生物活性降低，影响反应的脱氮效率。就目前研究来看，ORP可通过两种基本途径影响Feammox的反应过程，包括调节铁氧矿物反应特性以及铁的氧化还原反应。此外，ORP还会影响反应体系中其他因素的性能，降低Feammox反应整体效果。因此，在厌氧生物处理过程中ORP应综合温度、pH等因素设定。

3.4 溶解氧

溶解氧会对反应体系中的微生物群落结构造成一定影响，可能是铁氨氧化菌的主要限制因素，且在较低溶解氧水平下，铁氨氧化菌活性更高。I.ZEKKER等发现，较高的溶解氧水平会显著抑制反应体系中微生物的活性，同时对底物形成竞争机制，导致脱氮效能直线下降。ShanHUANG等通过观测A6菌在低溶解氧或零溶解氧状态下的菌群数量增加现象，得出Feammox反应更适宜在低溶解氧或零溶解氧情况下进行。

3.5 铁源

由于不同铁源热力学性质、结晶度以及在水中解离系数不同等，以不同铁源作为反应底物时Feammox脱氮效率大不相同。王亚娥等在研究不同Fe（Ⅲ）对活性污泥异化铁还原耦合脱氮的影响机理时，采用3种不同铁源（氧化铁皮、青矿和红矿）进行实验，氧化铁皮体系对氨氮与总氮的去除效率最高。JiaqiWANG等发现由焦磷酸铁介导的Feammox反应脱氮效率更高。由此可见，不同铁源均可驱动Feammox反应，但对反应体系内的脱氮效率有不同影响，需对铁源进行优选。

3.6 氨氮浓度

氨氮浓度会影响细菌活性，进而影响Feammox反应效率。姚海楠等在ASBR反应器中设置不同氨氮浓度，通过对比氨氮转化效率探索氨氮浓度对Feammox反应的影响，当氨氮质量浓度为50mg/L时，氨氮转化率达到56.0%，处理效果最优。王冰等在进水氨氮分别为50、75、100、150、250mg/L条件下进行实验，得出低氨氮浓度下Feammox反应脱氮效能更好。吴胤等指出氨氮浓度与微生物生长代谢等活动紧密相关，且中低氨氮浓度更有利于Feammox反应的进行。

3.7 铁浓度

不同浓度的Fe（Ⅲ）对铁氨氧化菌影响不同，铁元素可以加快血红素（HemeC）合成，提升反应体系内功能微生物关键酶的活性，强化脱氮效果。血红素是铁卟啉化合物，是血红蛋白等含铁原子蛋白质的辅基，而铁氨氧化菌群细胞提取物中超过10%的蛋白由血红素C组成。HongzhongDANG等对比了不同浓度的Fe（Ⅲ）对Feammox反应的影响，当Fe（Ⅲ）浓度过高时，部分FeRB不能适应生长环境，导致细菌自融，Fe还原效率下降。因此，血红素含量提升可有效促进FeRB的生长代谢，且低浓度Fe（Ⅲ）有利于血红素合成，高浓度Fe（Ⅲ）则会影响FeRB的还原效率，同时抑制血红素合成。

3.8 有机物含量

余晨等发现有机物与铁还原过程联系紧密，通过有机物的介导作用，Fe（Ⅲ）还原速率显著增长。BangjingDING等认为有机物含量与Feam-mox反应体系脱氮效率呈正相关。YunbinQIN等指出，腐殖质是土壤有机物的主要组成部分，含有大量外源性电子穿梭体，可在一定程度上增强Feammox反应过程中的电子转移，提高反应速率。NingWANG等的研究表明高浓度有机物可促进铁还原反应中铁离子释放，且增加Feammox反应中主要富集功能微生物的丰度。ZongbaoYAO等通过探究有机物对Feammox反应的影响途径，猜测有机物可能会通过影响FeRB菌群的丰度影响反应体系。

3.9 碳氮比（C/N）

C/N一般指反应体系中有机碳和氨氮的物质的量比，对废水处理效果有直接影响。H.T.NGUYEN等对比了不同进水C/N对Feammox反应氨氮与COD去除效率的影响，得出Feammox反应在C/N为2.5时最高效。C.P.LE等指出当COD/NH4+-N为1.4时，氨氮去除率可达91%。在反应过程中设置合适的C/N才能达到更好的处理效果。

基于对Feammox脱氮工艺的影响因素分析，表1汇总了部分Feammox反应的参数，总结了Feammox在废水脱氮处理领域的最新研究进展。不同条件下氨氮去除率及主要富集功能菌群不同，Feammox主要功能菌群以变形菌门（Proteobacteria）、地杆菌属（Geobacter）、希瓦氏菌属（Shewanella）与Acidimicrobiaceaesp.A6菌最为常见。

4、Feammox与其他脱氮过程耦合工艺

Feammox脱氮工艺目前仍处于实验室阶段，在实现反应体系的铁循环、铁回收以及菌种富集培养等方面还存在不足。Feammox的脱氮原理在于微生物利用氨氮作为电子供体，将Fe（Ⅲ）还原成Fe（Ⅱ），并在此过程中产生NO2-、NO3-和N2；Anammox需要前端工艺提供NO2-，再以NO2-为电子受体，将NH4+转化为N2和少量NO3-，二者耦合解决了Anammox反应中NO2-的来源需求。M.GONZÁLEZ等利用聚合硫酸铁（PFS）作为铁源，证明了Feammox耦合Anam-mox工艺的可行性，显著提高了Feammox的反应效率，同时可节省9.53%的需氧量。反硝化作用（De-nitrification）一般利用有机物作为NO3-的电子供体，Feammox反应中铁源可以为反硝化细菌提供电子供体，且在处理低C/N废水时对总氮的去除效率较高。BangjingDING等通过研究农田土壤脱氮过程，证明氮损失是Feammox、Anammox和反硝化共同作用的结果，其中反硝化作用占总氮损失的92.6%~93.1%。硝酸盐型厌氧亚铁氧化（NDFO）能通过功能微生物将Feammox体系中生成的NO2-、NO3-、N2及Fe（Ⅱ）重新二次反应，形成体系内Fe（Ⅲ）与Fe（Ⅱ）的循环利用，为解决Feammox反应中Fe（Ⅱ）回收难题提出了切实可行的途径。BingWANG等将Feammox与NDFO偶联，发现二者同时运行时氨氮和总氮去除率较高，分别为88.9%和84.6%。因此，可通过将Feammox与其他传统工艺耦合，在提供优势的同时弥补其他工艺的不足，以提高最终脱氮效率。

5、结语与展望

Feammox作为一种新型自养生物脱氮技术，符合绿色低碳产业理念，是一种极为高效且环保的废水处理工艺。目前，Feammox脱氮工艺还未在实际工程中得到大规模应用与投产，仍处于实验探索阶段。笔者总结了Feammox技术在实际工艺应用中存在的障碍，并对该工艺未来研究方向提出建议。

1）Feammox工艺对处理水质有一定要求，较适用于处理高氨氮、低C/N废水。该反应的内在运行机理以及对氨氮产物的控制条件仍需进一步研究、完善，可通过将Feammox与其他较成熟的脱氮工艺结合来提高Feammox的脱氮效率，提升其在实际工程应用中的可行性。

2）铁氨氧化菌作为Feammox反应的主要功能菌群，对环境要求较高，而在废水环境中纯化培养铁氨氧化菌的技术还不够成熟，需深入挖掘菌群纯化培养技术以提高废水脱氮效率，并对其他具有潜在功能的菌种进一步分离鉴定与研究。

3）Feammox反应后出水中含有的高浓度Fe（Ⅱ）易对脱氮工艺中其他反应器的正常运行造成影响；对脱氮效果较好但成本较高的特殊铁源如nZVI，铁元素回收并循环利用等难题尚未解决；随铁投加量增加，Fe（Ⅲ）和OH易结合形成沉淀覆盖于菌种表面，降低微生物活性，影响菌种的正常生长代谢，同时也使铁元素的回收更加困难。对实际工程中铁元素回收处理与循环使用等难题需持续研究攻克。